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角动量守恒对地球洋陆分离及板块运动速度的影响

投稿时间:2017-09-02 17:36 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

地球岩石圈各大板块每年以大致几厘米的不同速度作相对运动,由于各板块巨大,在板块边缘产生的碰撞剧烈,往往造成地震、火山爆发等重大灾害性地质事件。板块运动的驱动力受多种因素的影响。本作者曾在本栏目发文多篇[1,2],阐述影响各大板块漂移的主要动力,来自于岩石圈之下的软流层中的轻流质从低处向高处(或从压强大的地方向压强小的地方)的流动的驮曳。本文以角动量守恒定律为依据,对地球洋陆分离及不同板块运动速度的影响进行分析。

一、板块构造及漂移驱动力的原因今天仍众说纷纭

纵观整个地球岩石圈各大板块的漂移,会发现一个很有趣的规律:除南极洲外的各大陆板块缓慢向西漂移,而除北冰洋外的各大洋板块普遍向东漂移。对于这些大陆板块的复杂的漂移现象的构成和原因,学界众说纷纭,近年来仅在本火花栏目的讨论就很多。例如,徐列明提出了太阳引力机理[3];陈小华认为是地理极移及地应力产生的影响[4,5];赵菊初曾试图用地壳中的剩余压力及大洋中脊处的热流值进行解释[6];刘道钢则提出了大陆从两极向赤道的震荡漂移假说[7];蒋汉初试图用地球内核运动解释[8];朱汉南认为是由母体地核地壳的断裂产生的作用力与反作用引起的[9];王京贵认为离不开地壳运动的螺旋式演化[10];建一提出了因地球内力使得沿大洋中脊产生顺向与侧向的扩张之说[11]

国外对于板块运动及海底扩张学说的研究和质疑也一直未断。

与大洋板块相比,陆地板块,尤其是板块内部的核心部分(克拉通或古地台)是更冷的、更有上浮趋势的、更老(>20亿年)的、及更厚(>175km)的板块。它们的基底属性,例如组成、大小及形状,仍然存在着难以理解的不确定性。大陆克拉通是由地壳和地墁两部分组成的刚性体,现在通常认为它们的厚度与温度相关,并且延伸至250到350km的深度。据最近美国Science的报道,Tharimena et al. [12]等使用地震回声测量数据来约束全球各克拉通(古地台)的厚度建立模型。他们发现,地震波的反射强度显示克拉通板块的基底是由与碳交织在一起的硅酸盐地墁的部分熔融体来界定的,而不是温度。

Zachary C. Eilon 和 Geoffrey A. Abers[13]记录了来自胡安.德富卡和戈尔达(Juan de Fuca and Gorda)海岭轴的地震波衰减,在一个<50km的狭窄区的一种最大延迟为( δtS ~1.7s 和δTS ~ 2 s),这些值与温度或水影响的实验室估计值不一致。暗示了这些地震波品质因子在全球观察到的是最低的。利用滞弹性比例关系,从实验上得到的模型需要一个在海岭下150km深的原位含有高到2%的熔融体的区域来解释。低的粘度和低的密度与此深度相关,狭窄的熔融柱提供了动态地墁上涌的条件,显示了在脊处一系列的地质物理观察,包括电导和剪切速度的异常。

Robert Maurer. MSc. CEng[14] 则注重了地球离心力对板块运动的影响。

地球上的大洋板块均为新生板块,新生点位于大洋中脊(mid-ocean ridge)。从洋脊向洋陆交界,岩石年龄逐渐增大。不过通常洋块的岩石年龄最大的也不超过2亿年。对于洋底扩张,考虑接近半个大洋底板块,几十乃至上百km厚度的、几千km尺度的、厚重的岩石圈板块,怎么会由从缝隙中上涌的岩浆推开?洋中脊的形成只能是大洋板块运动的结果,绝非是驱动力产生的原因。

二、洋底扩张的影响:

洋底扩张是果,而不是因。当初的地球在水圈落地以后进入泛海期,由于海水的冷却,加快了表层低密度的花岗岩层地壳的形成。由于浅层花岗岩岩浆的密度比较小,在较薄的地壳下它总是从低处向高处汇集。在高处往往以火山的形式喷出。随着温度的降低,当花岗质的岩浆大致冷凝固化完成后,形成的第一层花岗质岩石圈的厚度各地不一。露出海面的形成了陆地,并且开始了地球的海陆分离。地上越高的地方,地下越深,整个花岗层的厚度服从阿基米德定律。在海水最深的区域,固化的花岗岩层最薄,最早开始玄武质岩层的固化。出现的玄武岩层逐渐向周围扩大、增厚、下沉,并于花岗岩层之下向周围插入式扩张。海底的扩张标志着大洋的出现。

从地壳的最早出现开始,固体壳层之下的岩浆中的轻流质就一直从低处向高处流动。洋底岩石圈之下这种轻流质从最深处向两边浅处的流动,使大洋板块从洋脊开始的两侧分别向大洋的两边漂移。如果单从洋底扩张的因素考虑,大洋板块以洋脊为界向两边大陆板块的漂移应该是速度相同的,但事实并不完全是这样。

三、地球自转离心力使岩石圈各大板块向低纬度的赤道区漂移

地球自转对地表质点产生的离心力随纬度的减小而增大。因此构成地球的液态或半液态的圈层都有向低纬度区集中的趋势,这一趋势使地球的海平面成为赤道胖、两极偏的椭球型。岩石圈之下软流层中轻流质的这种向赤流动引起各大板块都有向赤漂移的趋势,这种影响不分陆地与海洋。由于地球公转轨道的近日点更靠近南半球,背日潮汐使这种漂移更趋向北半球的低纬度区。

四、角动量守恒的影响

一个说明角动量守恒的上好例子是舞蹈演员的转动。当演员伸开双臂转动到一定速度后,把双臂放下,此时转动贯量减小,由于角动量守恒,其转速迅速增大。

在至今为止的地球的洋陆分离过程中,大洋由于洋底扩张仍在慢慢变深。洋底变深,构成洋底板块的质点平均离地心距离变小,由于角动量守恒,其角速度变快,其结果就是出现了除北冰洋外的各洋底板块在地球自转的基础上产生向东整体缓慢漂移的现象。

软流层轻流质向陆区的流动汇集,以及海洋板块从陆地板块之下的插入推进,都会使陆地板块总体升高或面积增大,使其板块质点平均离地心距离增大,受角动量守恒影响,陆地板块的角速度变小,其结果就是除南极洲外的各大陆板块向西漂移。

越靠近赤道,地表自转的线速度越大,洋陆差异旋转的辐度就越大。这种旋转扭曲力,从我国的青藏高原、云贵高原到东南亚的山脉走势(包括我国的横断山脉)中清淅可见。这种低纬度区的差异旋转也拖曳着高纬度区(两极区)发生更缓慢的扭动,发生极移。关于极移运动陈小华有过比较详细的研究[5]。

海洋板块向东漂移及陆地板块向西漂移,造成了大洋东西两岸的地势及地表形态的重大差异。

总之,板块运动受软流层轻流质的拖曳、地球离心力、固体潮汐、陆升洋降的角动量守恒的共同作用,是一种复杂的复合运动。

参考文献:

1.王孝恩.对岩石圈板块漂移的驱动力分析. 中科院科学智慧火花.2016-07-05.

2.王孝恩.地球洋陆分布的成因分析. 中科院科学智慧火花.2016-07-12.

3.徐列明. 大陆地形为什么大多是西高东低?中科院科学智慧火花.2012-11-21.

4.陈小华.与长期地理极移运动相伴的痕迹. 中科院科学智慧火花.2016-10-14.

5.陈小华. 近三千万年以来的地球板块演变. 中科院科学智慧火花.2014-02-21

6.赵菊初. 板块驱动力来源的探讨. 中科院科学智慧火花.2012-03-28.

7.刘道钢. 论大陆震荡漂移. 中科院科学智慧火花.2016-09-07.

8.蒋汉初. 地球运动的动力学模型. 中科院科学智慧火花.2016-01-17 .

9.朱汉南. 大陆漂移是如何形成的呢?中科院科学智慧火花.2016-01-02

10.王京贵. 形成地壳运动的动力来源分析及其应用. 中科院科学智慧火花.2016-01-01.

11.建一.“大陆漂移假说”的疑问. 中科院科学智慧火花.2011-08-12

12.Saikiran Tharimena, Catherine Rychert, and Nicholas Harmon. (2017) A unified continental thickness from seismology and diamonds suggests a melt-defined plate. Science  11 Aug 2017. Vol. 357, Issue 6351, pp. 580-583.

13.Zachary C. Eilon and Geoffrey A. Abers. (2017) High seismic attenuation at a mid-ocean ridge reveals the distribution of deep melt. Science Advances  24 May 2017: Vol. 3, no. 5, e1602829.

14.Robert Maurer. MSc. CEng. (2017) The origin and the mechanics of the forces responsible for tectonic plate movements. http://www.tectonic-forces.org/