地壳形成和大陆漂移的一种解释

　第5卷　第3期

1999年9月地质力学学报JOURNALOFGEOMECHANICSVol.5　No.3　Sep.1999　　文章编号:100626616(1999)0320047206

地壳形成和大陆漂移的一种解释

钱　维　宏

(北京大学地球物理系,北京　100871)

摘　要:大陆地壳的形成及其演化是地球动力学或大陆动力学需要解决的问题。本文

关键词:大陆地壳;大陆漂移;动力学

中图分类号:P541　　　　　,也是地学领,因为地学领域中的很多学科直接与地球表面的地形或其变化有关。然而,,最吸引人,而又未能圆满解答的问题。要解决这一问题,仅仅靠地质学是不够的,它需要天文学、地球物理学等多学科的广泛努力。显然,原始大陆地壳的形成必定与地球的形成有关。但是,尚没有一个天文学的理论能够解释地球的内部结构和相邻行星的自转方向。尽管地质学理论很多,但没有一个能令人完全信服地解释现今地球表面的主要构造。本文作者本着一个事实:地球有一个形成和演化的历史,这一历史是连续记载的,历史就记载在地球的宏观结构中。因此,描写这一历史的理论只能是唯一的和连续的,这一理论在天文上要能解释现今太阳系中行星运动的一些结构,在地质上要能解释地球的全球构造。

1　自然界中的宏观结构

自然界表现为混沌的形态,而自然科学的研究就是要透过混沌的表象去发现规律。

银河系中的结构。银河系是由质量巨大的银河中心和中心以外的恒星星云组成的。银河系的整体形态像一个飞碟。在一个平面内,恒星星云绕银河中心作螺旋运动,表现出若干个密度分布不同的悬臂。

太阳系中的结构。太阳是太阳系的中心,它集中了太阳系99%以上的质量。在太阳自转的平面上,目前发现有9大行星和若干小行星绕太阳旋转。太阳系中99%的角动量集中在这些行星上。

土星2光环系统中的结构。在土星自转平面上,除了有它的卫星外,还存在一个由大量质点组成的光环绕土星旋转。质量主要集中在土星上,而角动量集中在卫星和光环上。

地2月系统中的结构。地球和月球构成了一个旋转系统,地2月系的质量中心在地球上。月球的绕转也几乎在地球的自转平面上。

收稿日期:1999207220

作者简介:钱维宏(1957—),男,副教授,从事地球物理及大地构造研究工作。

48地　质　力　学　学　报1999上述系统属于天文学的范畴。这些系统虽然层层嵌套,但它们都有一个共同的特点:存在一个自转的中心体,中心体包含了系统的绝大部分质量,在中心体自转赤道平面上存在绕中心体旋转的物质,它们具有较大的角动量。可以认定,每个系统的现今状况都是该系统演化过程的中间表现。如果我们不考虑每个系统的大小,而只考虑它们演化过程中的相对年龄,那么,太阳系和行星系统是发展得较完善的,而银河系正处在发展之中,土星2光环系统可看作它们之间的中间过程。于是,我认为太阳系在发展过程中,曾有一个时期类似于现代银河系的结构,即在太阳中心体的引力作用下大量的星云物质在一个旋转平面上沿一些悬臂向太阳中心运动。最后,只有那些引力等于离心力的星云物质绕太阳中心作轨道运动。太阳与其外星云物质的运动形态就类似现代土星与其光环的分布。按理,星云物质绕太阳运动的线速度应该是离太阳递减的,在引力中重的物质离太阳近,而轻的物质离太阳远。

大气中的结构。大气是一层可压缩的流体,,经向方向存在着行星尺度的Hadley环流、Ferrel纬向方向存在

[1]Walker环流和局地海气耦合环流。(S0)和

[2。

。,这里主要考虑年际尺度的海洋环流。这种环流主要受大气风应力和地球自转的影响。纬向方向上也存在着表层流体的辐合带并受海盆边缘地形的影响。

现代地壳上的结构。分析地壳上已存在的空间分布结构包括:沿地中海、青藏高原南边缘、斐济、加勒比海和地中海一线的地球大圆将地球分成两半,两半球上大陆面积相等,阿尔卑斯—青藏高原造山带就在这一大圆上;避开造山带附近的地槽区,普遍存在莫霍面深度由这一大圆向两侧加深;在以这一大圆分开的两半球上,南半球岛屿都位于大陆板块的东侧和东北侧[3],北半球鸟屿都位于大陆板块的东侧和东南侧;如果人为地让大圆南侧的大陆板块,每一块都从现在的位置开始向西南方向作靠近南极板块移动,其结果不但证实了魏格纳所提出的非洲大陆与南美大陆之间的吻合关系,而且所有这一大圆南侧的大陆两两之间都有较好的缝合。反过来,这一现象告诉我们,大陆漂移是有方向性的;海岭(洋中脊)和火山链也是有规则的,而火山只是包含在火山链中的局地对流。

地球内部分地幔、地球外核和地球内核,可将其看作具有不同流体属性的圈层,虽然人们不能直接观测,但可以推测也会存在着行星尺度的结构和局地对流。

相邻圈层之间由于热力和动力(摩擦和地形)不均匀产生的耦合必然有角动量的交换,现已较为明确的是固体地球与大气在年际时间尺度上的角动量交换[4]。同样,地球内部不同圈层之间热力和动力(地形)的耦合也会存在角动量的交换,从而产生水平相对运动,即可能的大陆板块漂移或地震。

2　地球的天文演化

我们将从现代太阳系的结构看太阳刚形成时的情形。如将太阳系中的行星绕太阳公转的线速度按离太阳的距离取成自然对数,则行星公转的线速度是离太阳的距离光滑递减的。这代表了速度分布的一个总趋势。太阳刚形成时,太阳外的星云物质的运动可看成连续介质的运动。于是,流体力学的基本方法可以应用。既然是一种流体,那么在总体线速度递减的基础上

第3期钱维宏:地壳形成和大陆漂移的一种解释49一定存在小尺度的流体波动。在冥王星所在的半径范围内有7个波动,波峰到波谷之间的流体切变与波谷到波峰之间的流体切变刚好相反。如果定义波谷到波峰之间形成的涡旋为正转涡旋,那么波峰到波谷之间形成的涡旋就是逆转涡旋。在同一个切变带内可以形成若干个涡旋,我们称之为行星胚胎。在同一个切变带内只能有一个胚胎发展成为行星,其它胚胎在绕太阳运动过程中由于速度差的原因,最终都会进入逐渐发展起来的行星引力场内,不是被行星所捕获,就是成为行星的卫星而告终。月球就是被地球最后捕获的一个胚胎,在地球引力场的作用下,它向地球靠近的速度不断加快,当引力等于离心力的时候,这一胚胎就成了地球的卫星。月球在发展过程中也是靠捕获其它小胚胎增长起来的,与地球同处于一个切变带,所以它的自转方向与地球相同。

类地行星由于离太阳较近,重金属成分较类木行星多,且密度大,,形成的行星比类木行星小。。小行星带处,由于切变小没能形成较大的行星。,会形成一些反转的行星胚胎。

,于是最初的胚胎温度是很低的。这。,通过引力捕获其它胚胎,大量的胚胎撞,,加之可能存在的热核反应,从某一个时刻开始地球胚胎表面呈熔融的流体壳层了,这一熔融流体壳层称之为岩浆圈层。当地球胚胎所在的切变带内的小胚胎和其它物质全被地球胚胎捕获或成为它的卫星后,地球的岩浆圈层最厚,当时岩浆表层的温度最高,这一时刻被定义为地球天文演化阶段的结束。

我们来分析天文演化阶段结束时岩浆圈层与固体内核的耦合作用。作为岩浆圈层流体,局部热力对流会将重的富含铁的成分下沉到内核附近,增加了内核的质量和旋转速度。相反,轻的富含碳硅成分上升到岩浆的表层,减慢了表层岩浆流体的旋转速度。这时由固体内核和岩浆圈层组成的系统,角动量应该是守恒的。由于对流及物质重新分布的结果,内核得到了角动量,而岩浆圈层流体失去了相等的角动量。

为描述岩浆流体在角动量发生变化时的运动,我们把坐标系建立在内核上。假定岩浆流体得到角动量时出现向东的流动,反之出现向西的流动,并且流动速度是纬度的函数,即

=ΑcosΥdtdt(1)

这里,uA为岩浆流体的纬向速度,8A为岩浆圈层流体的整体角速度,Α为岩浆质点到地心的距离,Υ为纬度。此外,用I和Ξ分别表示地球系统总的转动惯量和角速度,用IA和8A分别表示岩浆圈层的转动惯量和角速度,用IS和8S表示固体内核的转动惯量和转动速度。我们先考虑不同圈层角动量交换只改变它们的转动速度,而不改变转动惯量的情况。于是,由系统的总角动量守恒的约束[5]

△(IΞ)=IA△8A+IS△8S=0

得到

△8A=-Α△8S(3)(2)

其中,Α=IS