地球膨胀动力(陈志耕).doc

三,地球膨胀动力(陈志耕)(一)地球膨胀的提出,发展与存在问题地球膨胀的概念最早由F.Bacon(1620)根据非洲西海岸和南美洲东海岸在形态上的相似性(参见:D.L.特科特等,地球动力学,1982.地震出版社,1986年版第4页.)所提出.20世纪2030年代,是对地球膨胀说继早期提出的膨胀说进行了较多论证和讨论的时期.B.Lindemann(1927),O.C.Hilgenberg(1933)都把维格纳提出的泛大陆分离和漂移归因于地球膨胀(肖仲洋,地球膨胀假说述评,地质地球化学,1978年第期.2432页.孙荣圭,地质学史纲,北京大学出版社,1984年,第327页.).因此,地球膨胀和板块构造被认为是魏格纳大陆漂移的两个分支(Chudinov1998).20世纪5060年代,对地球膨胀说的讨论达到较盛行的时期(5060年代达到较盛行的时期(Egyed1956,Dicke1957,Carey1958,Heezen1959, Wilson1960,Hilgenberg1962,Dicke1962,Dearnley 1965,Creer1965,Steiner1967,Armstrong1969,Jordan1969)5459,同时也遇到了较大的反对 (F.Brich1968,A.E.Beck1969).20世纪6070年代末,因板块构造说的兴起且膨胀说本身面临的经典困难问题未能解决,地球膨胀说的讨论近于停滞而被板块构造学说取而代之.20世纪80年代初至今特别是最近十多年间,因一直居主导的板块构造动力遇到的困难问题又长期未能得到令人满意的解决且暴露出的问题也越来越多21,23,25,26,6572而它所依据的事实,证据又大多与地球膨胀观点的事实和依据相一致,地球膨胀构造动力又重新活跃起来并得到越来越多的人承认(Scalera1990,Owen1992,Kremp1992, Buchler1993,Davidson1997,Chudinov1998,Naqvi等2000)7382.这是地球膨胀说发展的大致线索.主张膨胀的学者所提出的地球膨胀的形式是多样的:线性均一式膨胀(Egyed1956);非均一(中生代加速)增长式膨胀(Carey1959,Hilgenberg1962,牛来1986);脉动膨胀(E.E.Milanovsky1996,蒋志1981等);非对称膨胀(Carey1959,王鸿祯1995等).对于地球膨胀幅度的认识大致可分为三类:小于300km的小幅度(Lubimova1967,Dicke1957等);增幅相当于现代地球半径50%以上的大幅度膨胀(Egyed1956,Carey1958,Heezen1960,Hilgenberg1962,Owen1976等);介于二者间,增幅相当于现代地球半径2040%之间的中等幅度的膨胀(牛来1986,王鸿祯1995,1996等,陈志耕1990,2000).关于地球膨胀的原因主要有:因地球内热而膨胀(R.Dearnley1966,E.A.Lubimova1967,P.Jordan1969);万有引力常数G减小(R.H.Dicke1957,1962,P.Jordan1961,Hoyle1972);因化学变化和岩石相变引起膨胀(V.I.Lebedev1953,L.U.De,Sitter1960);地球形成时保留在地核的原生高密态物质向低密态转变造成膨胀(牛来1986,王鸿祯1997;杨槐1992);地球对太阳风中的中微子吸收(张国文,1999).长期以来,地球膨胀的研究主要是在大陆形态,地质和地球化学等范围内零散地寻找膨胀的证据.如Owen(1992),Buchler(1993),Scalera(1990),牛来正夫(1986),王鸿祯(1995,1996),Davidson(1997)等,尚缺乏可靠事实依据和解决地球膨胀经典难题的突破,深入的理论研究不够,也未见有整体的地球数值模拟实验研究.关于地球膨胀的主要困难问题或者反对意见主要是6064:地球膨胀的证据是多解和不可靠的(K.C.Codnie1986等);膨胀前地球物质高密度是不可能的(A.E.Scheidegger1963,F.Birch1968);找不到一个合理的膨胀原因与膨胀机制(A.E.Scheidegger1963);没有使地球发生膨胀的足够能源(A.E.Beck1961,M.A.Cook和A.J.Eardley1961等);膨胀的地球不可能产生全球性的挤压造山带(A.E.Scheidegger1963).由于主张膨胀的研究者未能在这些重要问题上取得实质性进展,一些学者甚至权威学者如K.C.Condie(1986),J.A.Joacobs和J.T.Wilson(1974),A.E.Scheidegger(1982)一直反对膨胀.其中地球膨胀的机制与能量,膨胀前的物质高密度以及全球挤压造山的机制,是地球膨胀的三个经典性难题.而地球膨胀的可靠证据问题,显然是最为根本和最为关键的问题.因为,只要地球膨胀被事实所证明,就必然有其特定的膨胀原因,膨胀能量和膨胀前物质的高密度,而且不管这些有多么困难和多么不可思议(Chudinov,1998).牛来正夫(1986)根据洋底板块增生量与俯冲削减量之间的巨大差距等事实确认地球正在膨胀,并认为膨胀的原因是地核物质相变的体积变化.他根据Carey的膨胀模式并参考月球高地与月海的面积比例估算地球半径增加了约1000km,并认为地球膨胀学说引进并包含了板块学说正确发展的某些方面(海底扩张等),与板块学说比较,它是更高层次的学说,地球膨胀学说代替板块构造学说的时代即将到来75.Owen(1992)指出,在地球半径不变的情况下,新增地壳应等于消减量和缩短量之和.在被动大陆边缘基本无消减的情况下,所有的消减都应集中在太平洋和印度洋东北部,这显然无法平衡.他还根据横贯太平洋的卫星激光测距(SLR)的结果得出太平洋正在扩张的结论78.Scalera(1990)79利用一种修改过的,可以用于假想板块和与之关联的古地极的模糊推论证明,如果在寒武纪早期地球半径只有现今的一半,大陆或它们的特殊次级构造的古地极所显示出独特的模式,可以构成一种有利于地球膨胀假说的新线索.Davidson(1997)根据全球主要盆地演化的同时性和周期性指出,地球膨胀能够很好解释盆地演化史实83.地质学博士Chudinov(1998)82出版了地球膨胀专著,主要从全球构造特征分析,全面论证了地球的膨胀.Shields(1998)84发现地球早三叠纪vicariance生物由高纬度大陆桥或横过大洋,在太平洋,东南亚,北美西部,南美智利和阿根廷等地区广泛分布,并认为这种现象不能用其他地质进化理论解释,只有地球在这一时期曾经发生迅速膨胀的假设能很好解释.Naqvi等(2000)85用地球膨胀的观点,来解释地球大气层CO2增加及其全球环境的变化.Buchler(1993)86用计算机程序对全球地图进行了交叠处理,证明大陆形态及其分布是由地球膨胀所形成.国内以王鸿祯院士(1995,1996,1997)为首的著名地质学家,立足于半个多世纪的地质研究与实践,根据地层学,古地理学,前寒武纪地质学和大地构造学等的长期研究结果,并根据计算机自动成图原理对震旦纪古大陆的地理位置再造结果87,88,在第30届IGC大会等,提出了地球非对称有限膨胀的学术思想77,88,并进行了古陆在半径缩小的球面上曲率变化的计算机模拟检验,推定太古代末(前25亿年)地球半径为现值的80%(半径的总增量约为1270km左右)77,88.考虑大陆地壳演化过程中的损耗,地球半径的总增量显然应当高于1270km.提出主张为验证地球膨胀说的理论基础,应开展地球史中地热史的研究,以求建立地球阶段性有限膨胀的动力学模型及与之相协调的地球早期发展史的理论假说.的主张.傅容珊等(1998)89根据刚性板块绕欧拉轴旋转运动这一板块运动经典模式,运用基于热点参考架的地质-地球物理板块绝对运动模型HS2-NUVEL-1模型,通过对板块运动模型数据的分析计算,对地球膨胀构造动力进行了创造性的检验工作.验证计算地结果表明:在过去几百万年的时间内,地球的确发生了总体的膨胀, 其半径扩张率每百万年小于200m(或0.2mm/a).傅容珊充分肯定这项检验工作的可靠性,认为这个检验结论是否可靠的问题,只有拿出比HS2- NUVEL-1精度更高的板块运动模型之后,才有可能改变这个结论.而事实上,根据22条板块边界上1122个数据建立的现代板块运动地质-地球物理模型NUVEL-1(DeMerts等,1990),是目前由地质与地球物理资料导出的第四代板块运动模型,是20多年来采用地学方法对全球板块运动测量与研究成果的结晶,也是迄今为止最为完善的现代板块运动模型.19781988年间卫星激光测距在5个板块12个测站间测得的运动速率,与按照NUVEL-1模型计算得出的速率十分接近.肖序常(2000)90把板块构造理论应用于大陆演化的研究中,结合中国大陆造山带的形成和演化的实际,提出:喜马拉雅-青藏高原(特提斯)等造山带不曾有宽阔深邃的特提斯大洋,自晚古生代-中生代,那里就是规模不等的古陆,海湾,有限洋盆相间的构造格局;将造山带的构造演化-离散到碰撞造山过程,划分出7次主要段,深化了对造山过程的认识;对造山带(或缝合带)的重要标志-蛇绿岩,作了动力学分类;对青藏高原形成和隆升及其效应的研究,认为在时,空上是不均衡的,具有多阶段,多层次和多因素控制;对地壳-岩石圈的分裂-拼合演化,倾向于不对称地球膨胀说,同时又提出地球不对称膨胀说的机制,有待于深部地球物理学,天体物理学等多学科渗透的研究解决.陈志耕等于80年代中期,根据太阳系类地行星演化分析结果,通过类地行星相关物理参数的演化分析,讨论了地球膨胀构造动力的问题80.随后,先后探讨了地球膨胀的全球构造解释9193,与板块构造及其他构造动力的相互关系,包括初始半径在内的地球膨胀基本参数的初值和平均变化率等94,地球膨胀主要事实9596等.后来受到王鸿祯地球有限膨胀认识的启示,提出了相对于脉动和非对称而言的地球整体膨胀的概念,具体地给出了地球的有限膨胀演化模型97和源于地球核部的可能膨胀机制98.李维渡(1978,1986,1996,2001)与魏格纳1915年从南大西洋两岸的非洲与南美洲海岸线相似的发现提出大陆漂移学说并由此发展为现代板块学说的情况类似,他通过对非洲,澳大利亚,南美洲彼此之间的大陆架边界线相似的概率分析计算发现,在南印度洋两岸非洲与澳大利亚以及南太平洋两岸澳大利亚与南美洲同样存在海岸线的高度相似,作者指出这种现象的巧合是不可能的,地球在过去几十亿年间一定发生了大规模的膨胀99102.杨学祥等(1999)主要从天文周期性和万有引力常数G随时间的变化等方面,对地球的影响出发,探讨了地球膨胀的问题并对地球膨胀有关数值进行了讨论和估计103.杨槐是国内知名的地球非对称膨胀论业余探索者,较早开始探讨地球膨胀构造动力问题,历经艰辛数十年如一日,早在10年前出版了国内第一部专门论述地球非对称膨胀的专著 104.与地球膨胀整体构造动力密切相关的是对地球脉动说的探索.美国学者布契尔(W.H.Bucher,1933)提出了地球脉动说(Pulsation Hypo the theory),试图把地球收缩与膨胀两个对立观点加以统一,来解释收缩说与膨胀说两个学说不能自圆其说的地质现象105.认为地球的发展既有收缩现象,也有膨胀现象,并呈周期性交替发展.葛利普(Grabau,1936),施奈德罗夫(A.T.Shneiderov,1943)也用地球脉动说来解释全球的大地构造运动,认为地球急剧膨胀使地壳引张而形成大洋,缓慢收缩使地球挤压而形成山脉,每次收缩都比上次膨胀幅度小,地球就是在这种脉动中变化与发展.蒋志自上个世纪的80年代初期,就从一个全新的理论模型和主要以数学推理的方式重提Bucher地球脉动说,给出了地球脉动的理论地质年表,对地表能量平衡和地球的核,幔差异运动等提出了新的见解,发现现今地球在自转速率减慢趋势过程中还有强烈的脉动成分,据此经一系列理论推导计算出现今地球是以平均半径为r0=6324km,脉动幅度为0.0075即94.9km进行脉动;目前地球正处在从脉动膨胀阶段的半径极大值向极小值转化阶段中,目前地球半径正在以0.16mm/a的速率减少;(由地球脉动引起的)地球自转变化导演了大陆破裂,开张,闭合,漂移的地球内部热作用过程.他认为由核衰变能转化的地球热能即核发动机是脉动发生的能源106108.E.E.Milanovsky(米兰诺夫斯基1996)认为地球趋于变热,并出现脉动式膨胀109.他还从大陆裂谷,海平面变化,构造岩浆活动和古地磁研究等方面进行综合论证,强调从第三纪以来地球为一急剧膨胀期.刘全稳,赵金州等(2001)基于地球表面存在的膨胀构造与挤压造山两方面客观实事并强调地球构造运动的周期变化实事,从太阳系在银河系的周期旋转和日月对地球表面质点(特别是中纬度的球面质点)的潮汐作用力出发,提出了胀缩,潮汐等球面质点原动力说,认为地球在银河系围绕银核旋转过程中产生的胀缩力驱动下发生总体膨胀趋势背景下的脉动109.李德威(1997)根据大陆造山带与盆地的耦合关系,渐变与突变的内在联系,水平运动与垂直运动的转换过程,岩石圈运动与大陆地壳运动的制约关系等指出:以地球膨胀与收缩为特征的地球运动,以板块运动为特征的岩石圈运动以及以盆山运动为特征的地壳运动之间存在内在的联系,地壳的构造活动和成矿作用既具有全球统一性,又存在地区差异性110.在A.T.Shneiderov的地球脉动理论中,认为山脉和大洋是不能同步而必须交替发生.但是洋底地质和地球物理资料说却明:当白垩纪末安底斯造山时,南大西洋却正在扩张(孙荣圭,1984).被誉为地球科学的革命(J.T.Wilson,1968)和人类认识自然界的五个里程碑之一(席泽宗等,2000)的板块构造学说,其理论的四个基本要点之一就是:岩石圈板块沿地球表面运动,在全球范围内,板块沿分离型边界的扩张增生与沿汇聚型边界的压缩消亡互相补偿抵消,使地球半径保持不变.(DeMets,1990).因此,研究探讨以地球半径变化为主要学术思想的地球膨胀动力问题,具有重要的地球科学基础理论意义.综合学者们的研究,地球膨胀动力研究的基本问题可以归纳下述几点:地球膨胀的形式:线性均一式(Egyed1956);非均一式(中生代加速)(Carey1959, Hilgenberg1962,牛来1986 );脉动膨胀(E.E.Milanovsky1996,蒋志1981等);非对称膨胀(Carey1959,王鸿祯1995等).地球膨胀的幅度:300km的轻微膨胀(Lubimova1967,Dicke1957等);相当于现代地球半径50%以上的大幅度膨胀(Egyed1956,Carey1958,Heezen1960,Hilgenberg1962,Owen1976等);相当于现代地球半径2040%之间的中幅度膨胀(牛来1986,王鸿祯1995,1996等).地球膨胀的原因:因地球内热而膨胀(R.Dearnley1966,E.A.Lubimova1967,P.Jordan1969);万有引力常数G减小(R.H.Dicke1957,1962,P.Jordan1961,Hoyle1972);因化学变化和岩石相变引起膨胀(V.I.Lebedev1953,L.U.De,Sitter1960);地球形成时保留在地核的原生高密态物质向低密态转变造成膨胀(牛来1986,王鸿祯1997;杨槐1992);地球对太阳风中的中微子吸收(张国文,1999).反对地球膨胀的意见主要是:地球膨胀的证据是多解和不可靠的(K.C.Codnie1986等);膨胀前地球物质高密度是不可能的(A.E.Scheidegger1963,F.Birch1968);找不到一个合理的膨胀原因与膨胀机制(A.E.Scheidegger1963);没有使地球发生膨胀的足够能源(A.E.Beck1961,M.A.Cook和A.J.Eardley1961等);膨胀的地球不可能产生全球性的挤压造山带(A.E.Scheidegger1963).其中地球膨胀机制与能量,膨胀前物质高密度以及全球挤压造山的机制,被认为是地球膨胀说的三个经典难题.但是,地球膨胀的可靠证据问题,显然是最为根本和最为关键的问题.因为,只要地球膨胀被事实所证明,就必然有其特定的膨胀原因,膨胀能量和膨胀前物质的高密度,而且不管这些有多么困难和多么不可思议(Chudinov,1998 ).长期以来,地球膨胀构造动力的研究主要局限于零散地寻找地质方面的证据,缺乏可靠事实依据和解决地球膨胀经典难题的突破,深入的理论研究不够,尚未见有整体的地球数值模拟实验研究.(二)地球膨胀动力的主要事实依据(暂略)2.3.地球构造动力事实依据的主要特征综合分析上面所述,可以总结出地球膨胀事实依据的下述主要特征:地球膨胀证据具有本质联系多项证据的组合性特征:全球性空间大地测量技术实测结果证据,全球板块增生带总长度是板块消减带总长度1.21.8倍的全球地壳增长,地质历史上的全球性海退与大陆出露面积增长,地球自转速率在在地质历史上的长期减速,全球多处海岸的相似性,类地行星比较的事实证据,全球硅铝质大陆地壳总面积可构成不到现代地球半径30%的原始地球以及板块构造所依据的全部事实证据等.地球膨胀证据具有高级次性特征,无论在全球性空间大地测量技术实测结果证据,全球板块增生带与消减带相对差反映的全球地壳增长,地质历史上的全球性海退与大陆出露