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地球磁极漂移对地幔的影响
投稿人:陈小华 投稿时间:2022-09-02 16:23 访问量:

地球的磁极漂移显示了液态内核的流场涡流状态,地球自转轴则显示了地幔的运动状态,由此对比地幔和液态内核的相互运动关系。

《地球液态内核运动对地壳板块运动的影响》(陈小华2016)从非牛顿流体力学的角度认为:液态内核的扁球状形态和磁极漂移动态凹陷作用,形成了北冰洋的碗状构造和环南极大陆的凹陷环。

 非牛顿流体有爬杆运动,以及异质颗粒在流场中从低流速区向高流速区漂移的原则,还有分子物理学中不同类型分子的分层运动。基于以上理论分析地幔与液态内核之间的相互作用关系。地幔与液态内核都有各自的流场体系,两者之间存在流场的边界层。

《地球》(中国彩图科技百科全书2005)认为:地幔与液态内核分界在2886KM处,北磁极在北纬80°附近,每年向西漂移约0~46KM,南磁极在南纬60°附近。假设地幔与液态内核存在以下几种状态:

情景1:液态内核流场与地幔流场同步、同自转轴、同频率。如果这样,地球的自转轴、地理极点、地磁极点将重合,那么液态内核对地球就没有主被动关系,非牛顿流体的爬杆运动效应也发挥不了作用。地球否定了这种情景。

情景2:边界层内外地幔与液态内核转速一致,都是匀速运动。但是两者的自转轴不重合,也就是磁极点和地理极点不重合。这样的后果是:边界层上液态内核与相邻的地幔,两者所有点位存在运动矢量的差异。

情景3:在情景2极点不重合的基础上,两个流场的流速和自转频率也不一致。在情景2的条件下,磁极点和地理极点在边界层对应点上的对比:

 一、磁极对应点上,液态内核与地幔运动的差异。

液核线速度—地幔线速度

=2πrcos90°(液核纬度)X自转频率-2πrcos80°(地幔纬度值)X自转频率

=0-2πrcos80°(地幔纬度)X自转频率。在边界层上r值相等。

说明:磁极在边界层投射点上,液态内核线速度接近于零,明显慢于相邻地幔点位的线速度。由于液态内核在非牛顿流体爬杆运动中处于主动的一方,地幔屈服于液核。这时候,地幔有两种选择:地幔的运动变化=2π(r+△r)·cos(地幔纬度值)X频率+位移。

选择1:液核象是橡皮筋牵住地幔一样,造成地幔剪切、屈服,地幔被迫减速,相对初始速度向西位移,缩短与液核点位之间的运动位移差距。因为我们一般以地壳地幔为相对静止的一方,液态内核极点速度慢于相邻地幔点位速度,我们反而认为是液态内核极点在向西漂移运动,也就是磁极漂移运动。

选择2:如果地幔与相邻液核保持平移距离不变,相当于双方之间没有位移,那么地幔减少r值,相当于地幔向液核陷入,地幔的线速度也就自然下降。按照北磁极在北纬80°附近,每年向西漂移约0~46KM。磁极在边界层上的投射点漂移速度为0~25162m/年,或0~69m/每天,或0~4.79cm/分钟。当然这是平均速度。如果磁极漂移是间歇性的变速运动,那么瞬间发生的漂移速度是平均速度几倍以上。如果达到5cm/秒以上,就与毛刷刷漆的速度相当,与油漆自然下滴的速度相当。

 二、地理极点(自转轴)在边界层对应点上,液态内核与地幔运动的差异。

液核线速度—地幔线速度

=2πrcos80°(液核纬度)X频率-2πrcos90°(地幔纬度值)X频率

=2πrcos80°(液核纬度)X频率-0

矢量是液核纬度线与地幔纬度线的结合。

说明:地理极点在边界层对应点上,液核点位线速度明显快于几乎为0的地幔。液核牵引着地幔离开自转轴向地幔的低纬度区域移动,地幔线速度得以提高。地幔自转轴周边的点位不会向自转轴靠拢,因为那样要减掉线速度;只会选择绕过自转轴,增加r值(降低地幔纬度值)或者加速向东位移。

上述是地幔与液核在边界层上的较量。形成液核自转轴(磁极)为中心的向西漂移和相邻地幔向液核陷入,以及地理自转轴为中心的地幔向低纬度位移的运动。地幔作为被扭曲剪切的一方,边界层的变化不可能不向地幔流场纵深发展,以至于造成整个地幔流场的屈服变形和位移。

 在北半球,磁极漂移约100-200年可绕地球纬度线一圈,这是磁极凹陷作用有循环重复路径的原因。地幔自转轴以及周边点位向低纬度移动是长期不变的,变化的是随磁极漂移而改变的方向。这两种运动结合起来,后果是地幔层流体以地幔自转轴为中心,向液核磁极漂移循环路径整体流动摊薄,并且在磁极循环路径上陷入液核形成凹陷环:

 1.如果磁极与地理极距离比较近,凹陷环的内环直径很小,甚至消失,只剩下外环,就成为凹陷区。比如北冰洋的碟状构造。

 2.如果磁极与地理极距离比较远,凹陷环的内环直径比较大,难以体现地幔在地理极周围的摊薄效果。比如环南极大陆的凹陷环,使南极大陆像一个大圆饼。

 3.只要磁极偏离地理自转轴,就能造成地壳地幔的南北直径略小于东西赤道直径。


本文参考:

1.《地球》中国彩图科技百科全书2005

2.《地球液态内核运动对地壳板块运动的影响》陈小华2016

3.《不同尺度的非牛顿流体运动》陈小华2019