试论冈瓦纳古陆的形成和裂解

　第3卷　第1期

1997年3月地质力学学报JOURNALOFGEOMECHANICSVol.3　No.1　Mar.1997()

。首先,考虑地球的形成存在过

。在天文演化阶段,冈瓦纳古陆形成于南极;在地质演化

阶段,南半球表层液核流体获得向东北的速度,同时导致了冈瓦纳古陆的分裂和漂

移。漂移大陆块的北边缘到达表层液核流体辐合带的位置,这一辐合带沿地中海、青

藏高原南边缘、斐济、加勒比海、地中海一线。大陆块到达低纬后又经过了东西方向的

漂移,并且形成了洋中脊。

关键词　冈瓦纳　地球演化　辐合带

1　冈瓦纳古陆动力学研究的一种思想

古陆的概念是魏格纳根据各大陆几何形态的边缘吻合特征提出来的假说,随着全球地球科学研究的进展,这一假说正被越来越多的事实所证实(刘小汉等,1991)[1]。但是,大陆是怎样形成的?是否存在古陆核的增生过程?古陆形成后又是怎样裂解的?促使其裂解的机制是什么?或者怎样解释驱动大陆漂移的力?这是自魏格纳提出大陆漂移说以来一直未能解决,也是当前地质界格外关注的问题。地学领域各个学科中都不同程度地面临着一个核心问题,那就是地球本身的形成机制问题。

冈瓦纳古陆的地理范围包括现在的南极洲、南美洲、非洲、阿拉伯半岛、马达加斯加、斯里兰卡、印度、澳大利亚和新西兰等陆块。作者曾定性分析得出,在地质时期古地磁赤道曾位于地中海、青藏高原南边缘、斐济、加勒比海、地中海一线[2],这是地球地质演化早期岩浆圈层的表层辐合带位于这一位置的缘故[3]。这一岩浆流体辐合带近似在地球的一个大圆上,辐合带两侧的半球上大陆面积近似相等。这个辐合带南侧的大陆为冈瓦纳古陆的分裂部分,辐合带北侧的大陆为劳亚古陆的部分。根据冈瓦纳各大陆板块两两之间的边缘缝合关系,并以南极大陆板块为参照系,把南美大陆南端的合恩角连同南美大陆板块一起拉回到南极大陆边沿的凹进部分的罗斯海去,把非洲大陆南端的厄加勒斯角连同非洲大陆板块一起拉回到南极大陆边缘的另一凹进部分威德尔海去,再把澳大利亚大陆板块拉回到南极大陆毛德皇后地与威尔克斯地的海岸附近去,我们就能得到一幅冈瓦纳古陆的拼合图。由这个拼合图到现今几个大陆块的位置作漂移矢线,发现南半球的这些大陆是相对南极向东北方向呈辐射状漂移开极地附近的。显然,岛屿多位于北半球大陆块的东南侧和南半球大陆块的东北侧。对冈瓦纳古陆的这样一个拼合和分裂漂移过程的描述说明,大陆块的漂移是有方向性的。辐合带以南的大陆板块向东北方

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向漂移,并且不能越过这一辐合带。从定性的角度看,地球自转是长期减慢的,用缓变流体因地球自转减慢引起的附加力来解释大陆漂移的方向性,正好可以解释冈瓦纳古陆的分裂和漂移趋势[2],但是,这个力太小了。

近年来笔者从行星地球演化的观点出发,交换,得到了描写某一圈层相对另一圈层运动变化的数学表示。示,2我们知道,,如大气圈、水圈、岩石圈、地幔圈层、外核岩,人们较好地认识了地气界面、海气,因为这些界面是人类能够直接测量的,而地球内部的一些界面是。能直接测量的那些界面,人们知道是水平不平坦的,同时,这个界面上热力和其它力的物理属性也是不均匀的。近年来,人们认为地球内部圈层界面也不是均匀的,在这些圈层之间也存在着相对运动。迄今,我们较多地认识了大气、海洋和地壳三者之间的相对运动。虽然我们不能直接测定地球内部圈层之间的相对运动,但地球磁场及其变化就反映了地球内部圈层的相对运动。圈层间有相对运动的存在和质量的交换,必然导致圈层间角动量的交换。对某一圈层而言,其内部还存在着角动量的再分配问题,这将导致同一圈层在水平面上的相对运动。这种情况如果发生在大气中,则存在着东风带和西风带强度和位置的变化;如发生在地壳中则会因板块不同部位的水平运动导致大陆板块边缘的造山运动;如发生在岩浆流体中,则会出现全球和局部磁场的强度和方向的变化。

如何描述某一圈层的相对运动呢?我们取地球上所有的圈层在内构成一个系统,这个系统从地心到大气顶。假设这个系统的状态可由R个变量来描述,这些变量,如任一圈层中的温

T度、压力、密度、速度等,所有R个状态变量的集合为S=(d1、d2,…,dR)(这里T为矩阵转

置),d1,d2,…,dR分别为温度、密度和流速分量等,其中任一变量dp={dp(i,j,k)};i,j,k=(1,2,…,∞)为描述任一分子的空间坐标。大多数动力系统都是非线性的,存在一个非线性算子N和一个线性算子L;系统还受外力的作用F(矩阵形式),如太阳辐射,质量通量,日、月和其他行星的引潮力等。于是,这一系统的任一行为(无论是结构还是对流)都包含在下列数学模型

+(N+L)S=Ft(1)

中。(1)式中S描述的是R维相空间的一个点,S随时间的变化是外部强迫F和内部动力学(N+L)作用的结果。在任一时刻t0相空间中只有一个点S0,随着时间t的变化,相空间中的S就形成了一条轨迹。

(1)式是一个确定性的方程,只要知道了系统内部的作用关系(N+L)和外强迫F,则我们可以确切地知道整个系统(包括大气、海洋和地球内部)在过去、现在和将来的状态(或结构)了。当然,地球大陆的早期状态,现在为什么有这样的分布和未来的发展也就可确定了。实际上,自然的变化就是遵循(1)式,包括宇宙及太阳系的演化也是这样,只不过人类对(1)式中的(N+L)和F的认识太少,很多还是一无所知。

在地球系统的所有圈层中,人类对大气的认识要比对海洋的认识多,对海洋的认识又比对22

地球内部的认识多。对大气来说,我们可以写出比较明确的形式,如只考虑大气中的大尺度水平运动的动量和气压S=(u,v,p)T,则

N=+0

0000,+=u+0+

+v,xyΘx

L=f0,gy,z

(),x沿纬圈向东为正,y沿经圈向北为正;x,y方向的风速;z指向天顶为正;f=28sinΥ为Coriolis参数;Θ为密度;Σx、Σyx方向和y方向上大气所受到的地球表面摩擦力项;g为重力。这时方程(1)式的坐标系是建立在以8旋转的地球上的。

在月2年际时间尺度内,人们发现大气与固体地球之间存在着角动量守恒交换[4,5,6]。特别在月到年时间尺度内,Rosen(1993)总结认为大气西风角动量的异常部分与固体地球的角动量异常是守恒的。于是,我们曾用固体地球自转速度的变化d8