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广东海洋大学 地球磁场拦截了太阳辐射来的带电粒子，还有来自宇宙的射线，使它们未能冲到地面，而是留在高空，环绕地球流动，这对于生物的生存与繁衍具有重要的作用[Merrill, et. al., 1996; Parker, 1979]。人类认识磁性已有2500多年的历史，认识地磁场，也有400多年的历史，但是，到目前为止，仍有很多有关地磁场的重大问题没有解决，仍是科学界研究的重点、热点[Merrill, et. al., 1996]。我们在综合分析地磁学、地质学、冰川学、天文学、地球物理学等方面资料后，就地磁场的形成，特别是地磁场的能量来源方面，提出了新的理论。
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人类对地磁场的认识过程 人类很早就认识了地磁这种地球物理现象，中国约在公元前5世纪成书的《山海经》中，已有磁石及其产地的记载。公元前5世纪至公元前3世纪前后（战国时期），出现了用磁石制成的司南[陶世龙等，1999]。11世纪北宋沈括在《梦溪笔谈》中第一次记载了指南针，并最早发现了磁偏角[史謌，2002]。1600年，英国吉尔伯特（Gilbert）发表了《论磁石、磁体和地球这个大磁场》，叙述了地磁场类似于一个磁化球体的磁场；磁针的指极性；地磁场的变化（地磁偏角）；地磁倾角等。它的两个磁极在地理的南北极附近[Merrill, et. al., 1996; Parker, 1979; Moffatt, 1978]。1837年，德国的高斯（C. F. Gauss）发明了磁强计，1838年他运用球谐分析的方法，阐明了地球的磁性绝大部分来源于地球的内部。高斯从数学的角度论证和完善了吉尔伯特的理论，建立了现代地磁学[Merrill, et. al., 1996; Parker, 1979; Moffatt, 1978]。 地磁场的一小部分来自地球以外的空间。太阳风、电离层、极光等都对地磁场有影响，使它产生短时期的变化，它们都和太阳活动有密切的关系[Parker, 1979]。 地磁场球谐分析结果表明，外源场仅占总磁场的万分之几到千分之几，偶尔可达百分之几。由此可看出，地磁场的来源主要在地球内部。全球地磁要素的地理分布和地壳以及上地幔大构造带的位置不相符合，表明地磁场主要不是由地壳和地幔产生，而是由地核以及核、幔界面附近的物质所产生的[史謌，2002]。地磁场的长期变化具有全球性的统一特征，这也说明它是来源于地核内部或核幔边界[史謌，2002]。 地磁场的成因，至今还没有定论，是地球物理学重大理论难题之一。人们对地磁场的成因作过各种各样的探讨，创立了众多的假设。其中较重要的有三种：铁磁体假说、热电假说和发电机假说[Merrill, et. al., 1996]。 根据地球的平均比重大，地壳、地幔的比重小，及陨石资料（铁是陨石中含量最大的重金属），一般认为地核由铁、镍等重金属物质构成。而铁又是产生磁性的重要物质。所以，铁磁体假说出现，它认为地核本身就是一个大磁化体，由此也就决定了地球具有偶极特性的磁场。但因为地核的温度远超过居里点，所有的铁磁性物质，在这一温度下都将丧失其磁性，所以，这一假说是不可能成立的[Merrill, et. al., 1996]。
地磁场具有快速变化（几十年至2000年）的特点，这说明地磁场的形成肯定与地壳和地幔无关，因为地壳、地幔主要呈固态的特性，决定了其中各种过程具有漫长的地质时间尺度，不可能出现几十年或几百年的明显变化。而外核为液态，具有快速反应外部激励和变化的能力。而铁、镍等物质，又是电的良导体。从而提出由于带电物质热对流造成地磁场的热电假说。但是，要产生如今强度的地磁场，需要 目前为止获得最多支持的假说，是发电机假说。由铁、镍等构成的液态外核具有高导电性和高流动性，这些物质在地核外磁场中的相对运动，及与磁场相互作用，就有可能产生电流；这种电流又会产生磁场。在一定条件下，当新产生的磁场和原磁场叠加，就产生自激作用，像一台发电机一样，产生地磁场。这种假说刚产生时提出的“单圆盘发电机假说”，尚不能解释地磁场反转问题。后来又出现“非稳定发电机假说”、“双圆盘发电机假说”等各种各样的发电机假说，用以解释地磁场的各种自然现象及其反转问题[史謌，2002；Buffett and Bloxham, 2002; Loper, 1978; Jones, 2000; Christensen, et. al., 2001; Glatzmaier, 2002; Roberts and Glatzmaier, 2000]。
这种理论自20世纪40-50年代发展起来，到目前为止，可以一般地解释至今所知的地球磁场的各种特点，越来越受到多数人的支持。但这个假说最大的问题是磁流体“发电机”的能量来源问题。不少人试图用外核中液态物质的热对流、物质分异、放射性蜕变、核幔自转轴向运动差异等来解释[Loper,
1978; Jones, 2000; Buffett, et. al., 2000; Stevenson, 1987; Loper, 1978;
Gubbins, 2001; Wahr, 1988; Le Mouël,
et. al., 1992; Yoshida and Hamano, 1995]，但总不能得到满意的结果。有研究者经计算提出，要产生如今强度的地磁场，地核相对地幔旋转运动速率必须达到 综上所述，目前为止，人类对地磁场的认识过程可以分为以下5个阶段：1.人类认识到有磁性存在，再认识磁性物质具有指极性；2.认识到地球相当于一个大磁球体，具有地磁场，并认识到磁要素；3.将数学的球谐分析方法引进地磁场，通过磁要素计算知道地磁场主要来自地核及核-幔边界，并建立现代地磁学；4. 建立地核及核-幔界面系统的发电机假说；5.认识到核、幔的相对自转运动，也即地核及核-幔界面发电机系统相对于地核外磁场的自转运动。但是，地核为什么会相对于地幔自转运动（如加快）？地核相对地幔自转运动（如加快）的能量来自何处？也就是地磁场的能量来自何处？一直是悬而未决的地球物理学重大难题[陶世龙等，1999；Stix and Roberts, 1984; Jault and Le Mouël, 1989; Jault and Le Mouël, 1990; Love and Bloxham, 1994; Holme, 1998]。但这又是地磁场诸多问题最终得以解决必须回答的问题。
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冰川及其分类
大气温度降低，当两极或高山地区温度降至
北极冰川集中在格陵兰岛，占全球冰川的9%。南极冰盖，集中了全球90%的冰川，位于南极洲上，面积1.4× 极地冰盖，可以分为三种：两极均是深海洋（海洋的深度大于冰川的入水深度，冰川不能直接和海洋底相接触）时形成的冰川——海洋冰川，两极均位于大陆时形成的冰川——双极冰川和一极是大陆一极是海洋时形成的冰川——单极冰川。
若极地冰川形成于海洋中，由于海水的水平对流和垂直对流，底层的冰较易熔化，这样，就不容易造成冰雪的累加使冰川加厚，很难形成厚大的冰川。若极地冰川形成于陆地，陆地的导热能力差于水，而保温能力则强于水，且没有对流。这样，就容易造成冰雪的累加使冰川加厚，容易形成厚大的冰川。所以，若两极都是陆地，就形成双极冰川（如第四纪南极和北极冰川同时存在的时期）。若一极是陆地，一极是海洋，则形成单极冰川（如现在的南极冰川）。若两极都是海洋，就不形成厚冰川，直到大气温度足够冷，冰川的边缘和陆地接触，阻止了海水的对流作用，使冰川得以逐渐加厚，才形成厚大冰川。这种冰川一旦形成，就是大面积、大规模的巨大冰川（如元古宙末期地球演化史上最大的冰川）。
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冰川形成和消融对地球自转的作用 下面，我们以双极冰川为例，具体说明冰川的形成和消融对地球自转的影响。 我们假设冰川形成前，地球处于均衡状态（见图1，a）。当冰川形成时，海洋里的水逐渐转移至两极，使水圈变薄，而极地冰川则越来越厚大（见图1，a-b）。这样，以南、北极为轴（地轴），地球的半径缩短。因为地轴和地球自转轴基本一致，这样，就造成以地球自转轴为轴心的地球自转半径缩短。
图1：冰川形成和消融对地球自转的影响（所有图为通过两极的剖面图）。
A，冰川；B，北极；C，水圈；D，固体地球；E，南极。a，未形成冰川时均衡状态的地球；b，冰川在两极形成，但均衡调整尚未开始；c，处于均衡平衡的地球；d，两极冰川消融，均衡调整尚未开始；e，冰川消融后地球恢复a的均衡状态。 因为冰川形成前后地球的质量没有变化，所以，冰川形成前后地球的自转总动量应不变，即： ∑P=∑v+∑ω=C （1） （∑P，总动量；∑v，总线动量；∑ω，总角动量； C，常数）。 因为，对于地球上绕自转轴自转的某一质点，则有： ω=Δφ/Δt=2π/T=2πf （2） v=Δs/Δt=2πr/T=2πrf （3） v=ωr （4） （ω，角速度；r，自转半径；v，线速度）。由（4）式可知，若角速度不变时，绕自转轴旋转的某一质点的线速度与它的自转半径成正比。 所以，当海水从赤道或中纬度地区转移至两极形成冰川时，假设地球自转的角速度不变，随着其自转半径的缩短（主要由水圈变薄造成），线速度将减小。这样，地球自转的总线动量（∑v）也将减小。 因为∑P=∑v+∑ω=C，所以，当∑v减小时，∑ω必然增大。∑ω增大，地球自转的角速度也就必然增大，也即地球的自转必然加快。 简单地说就是，当赤道或中纬度地区的海水转移至极地形成冰川时，导致整个地球的线动量减小，将引起地球自转的角动量增加，使地球自转加快。 冰川形成后，由于大量的冰川质量加于极地地壳上，将造成冰川区域重力正异常（也即大地水准面负异常）。由于地球的均衡作用，在冰川重力的作用下，冰川将和冰川下的地壳一道下陷。由于地球具有软流圈，地球具有固体潮，所以，可以说地球具有一定的流体性。软流圈外是固态的岩石圈。所以，可以把地球看成一个由固态岩石圈圈闭的流体球。根据流体力学原理，液体是不可能压缩的。所以，当冰川和其下的岩石圈下沉时，必然造成地球的膨胀（见图1，b-c）。若是单极冰川的形成，单极冰川缓慢作用于地球这个塑性球，将造成冰川所在半球中纬度区域膨胀，相对半球的中纬度地区收缩。若是形成双极冰川，在两极冰川的挤压下，则造成赤道地区膨胀（水圈厚度不变,膨胀主要由固体地球膨胀造成）。总之，不管形成的是单极冰川或双极冰川，都将导致地球赤道及中纬度区域总体上膨胀。由于地球赤道及中纬度区域膨胀，地球自转半径增大，造成线动量增大，这样，要维持总动量不变，角动量将减小，即地球的自转减慢。 当冰川期结束，大气温度升高，极地冰川消融。大量的极地冰川融化流入赤道或中纬度的海洋，将使赤道和中纬度海洋上升。由于海洋上升，使水圈厚度增大，而固体地球没有变化，导致地球的半径增大（见图1，c-d），线动量增大，相应地，地球自转的角动量将减小，也即地球自转将减慢。 冰川消融后，冰川区域，由于大量的冰川质量移出，将造成冰川区重力负异常（也即大地水准面正异常）。由于地球的均衡作用，冰川消融后的地区，将逐渐反弹性上升（如现在的斯堪的纳维亚及北美大湖地区）[陶世龙等，1999；Stacey, 1992]。由于冰川消融后地壳的上升，地球这个由岩石圈圈闭而成的液体球，体积将缩小，直至恢复冰川形成前的均衡状态（见图1，d-e）。由于体积的缩小，地球的自转半径将减小（主要由固体地球缩小造成）。这样，地球的线动量减小，将导致地球角动量增加，也即地球的自转加快。 这样，地球经冰期和间冰期形成一个循环，地球的自转变化也经历一个循环。即：自冰川已形成后，冰川及冰川下地壳一道下降，引起均衡下沉开始作为起点，直至冰川消融后，冰川区地壳反弹性回升开始时为止，这一段时间，为地球赤道及中纬度区域不断膨胀（包括固体地球和水圈），半径不断增大的过程。在这段时间内，地球的自转不断减慢，称为地球自转减慢期 自冰川消融后，冰川区地壳反弹性回升开始时为起点，直至冰川已形成，但冰川及冰川下地壳尚未由于均衡作用而下降时为止，这一段时间，为地球赤道及中纬度不断收缩，半径不断缩短的过程。在这段时间内，地球的自转不断加快，称为地球自转加快期。
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冰川形成和消融对地核自转的作用
在 自冰川已形成后，冰川及冰川下地壳一道下降，引起均衡下沉开始作为起点，直至冰川消融后，冰川区地壳反弹性回升开始时为止，由于地球赤道中纬度区域的地幔以外的体积不断膨胀（主要包括地幔、地壳和水圈），半径不断增大，地球的自转减慢。但地核和地幔之间为液态的外核，所以，当地幔的自转速度变慢时，由于惯性的作用，地核（特别是固态内核）仍保持原来的速度自转。这样，就造成地核自转速度比地幔快。地球自转变慢的速度越大，地核相对于地幔变快的速度也就越大。 自冰川消融后，冰川区地壳反弹性回升开始时为起点，直至冰川已形成，但冰川及冰川下地壳尚未由于均衡作用而下降时为止，地球赤道及中纬度地区的体积不断收缩（主要包括地幔、地壳和水圈），半径不断缩短，地球的自转不断加快。 根据以上相同的原理，当地球自转变快时，由于惯性的作用，地核仍保持原来的速度自转。这样，就造成地核自转速度比地幔慢。地球自转速度变快得越快，地核相对于地幔变慢的速度也就越快。 地球自转速度减慢或加快所维持的时间越长，地核相对于地幔自转加快或减慢所维持的时间也越长。 地核这种相对于地幔自转速度加快或减慢所能维持的时间，除与地球自转速度减慢或加快所维持的时间有关外，还与外地核液体的粘性有关。当地球自转速度减慢或加快停止后，地核相对于地幔加快或减慢并不会马上停止，还会维持一段时间。这一段时间维持的长短，与外核液体的粘度有关：液体外核的粘度相当强，甚至成为固态，这时所维持的时间最短，时间为零，即地核相对于地幔没有滞后现象，也没有地核和地幔的相对自转运动；液态外核的粘度相当弱，甚至没有粘度，这时所维持的时间将无限长，即地核永远也不会和地幔的速度一致；在这两个极端之间，液态外核粘度越大，所维持的时间越短，粘度越小，所维持的时间越长。 不管外核液体的粘性如何，它总有一定的粘性，在这个粘性作用下，地核相对地幔的这种自转速度变化，总会越来越小，最终自转速度会和地幔一致。
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冰川形成和消融对地磁场的影响 由于地球自转的变化，引起地核相对于地幔的自转变化。地核外的地球具有一定的磁性，地核主要由铁和镍构成，为良导体。当地核这个良导体相对于地核外的磁场转动时，根据现在得到广泛承认的发电机原理，将产生地磁场[Kutzner and Christensen, 2000; Roberts and Glatzmaier, 2000; Yoshida and Hamano, 1995]。虽然地核外磁场非有不可，但地磁场的强度，主要与地核相对于地幔运动的速度有关。地核相对于地幔运动的速度越大，产生的地磁场越强；速度越小，产生的地磁场越弱。 我们以上分析的冰川模型，是理想的模型。其实，在实际的地球演化过程中，情况远比这复杂。 因为大陆在漂移，当冰川形成时，两极地区，可以一极是陆地，一极是海洋；可以两极都是陆地；也可以两极都是海洋。以上这种极地的海、陆分布情况，在冰川的形成或消融过程中，还可以相互转化，所以，情况相当复杂。例如现在，北极冰川在不断消融，冰川下地壳在反弹性上升，而南极地区由于南极冰川形成后的均衡调整尚未完成，重力负异常[King-Hele, 1969]，说明其仍在不断下沉。这种下沉，一直要到南极的重力异常为0，没有大地水准面异常时为止。所以，冰川的形成和消融对地球的这种作用，是所有冰川的综合作用，我们不能只考虑单个冰川的作用。 当一极冰川的形成和消融造成赤道及中纬度区域的地球半径减小，而另一极冰川的形成和消融则造成赤道及中纬度区域的地球半径增大，地球赤道及中纬度的半径到底是减小或是增大，则由这两种冰川作用的相对强弱来决定。在一定的时段内，对地磁极的影响，主要由相对较强的那个冰川作用来决定。但是，在一定时段内，总体上是一个作用力较强的冰川作用占优势，但由于某种原因，导致作用力相对较弱的冰川作用，在短期内超过了原先较强的冰川作用，这样，都将造成地磁场的相应变化。 不管情况有多复杂，只要在冰川的综合作用下，造成了赤道及中纬度地区膨胀，半径增大，地球的自转速度将减慢；地核相对于地幔的自转速度将加快。若在冰川的综合作用下，造成赤道及中纬度地区收缩，半径减小，地球的自转速度将增快；地核相对于地幔的自转速度将减慢。 地球的自转速度，除受冰川的形成和消融影响外，还受大气对流等其它因素的综合影响[Lamberk and Cazenave, 1976]。在不同的时间尺度下，地球的自转都在发生变化。严格地说，所有能引起地球自转速度变化的因素，都会引起地核相对于地幔的自转变化，都会引起地磁场的变化。但是，地核的质量相当大，约占地球总质量的31.3%，地核的惯量相当大。地幔和固体内核之间有相当厚的液体外核。这样，地球的自转变化，先得通过地幔传至外核的核-幔界面，引起核-幔界面扰动；然后再传至液体外核和固体内核的界面，引起内、外核界面的扰动，最后传至固体内核。这种传送有一个过程。受大气对流等影响造成的小时间尺度（一般为几年或几十年）的地球自转波动，能量相对较小。这种波动，还没有传到固体内核，就已经被液体外核吸收，所以，这种波动很难引起内、外核界面的扰动，很难对固体内核的运动产生明显的影响。但是，由于它影响了核-幔边界及液体外核的扰动，也会对地磁场产生影响，例如，它能引起地磁异常的漂移，也会对地磁场的强弱产生一定的影响[Voorhies, 1991; Le Mouël, et. al., 1981]。 地磁场的强弱，可以由两个方面来决定：一是地球自转的变化，一是时间。若地球自转减速，则地核相对于地幔自转加速，即地核有一个相对于地幔的自西向东（和地球自转方向相同）的运动，通过发电机自激原理，并具有一定的地磁场强度。只要地球自转保持这个恒定的减速，则地核自转将保持这个恒定的加速。这样，地磁场强度将不断增加。若地球自转的减速停止，在外核液体的粘性作用下，地核相对于地幔的运动速度也将越来越小，经过一定时间，最终停止。最后地核的自转速度和地球的自转速度一致。这样，地磁场强度将逐渐减弱，最终消失。若地核和地球的自转速度一致后，地球自转再加速，则地核相对于地幔自转再减速，即地核有一个相对地幔的自东向西（和地球自转方向相反）的运动。这样，地磁场强度又将增加。当地球自转加速停止一定时间后，地核相对地幔的运动速度也将越来越小，最终停止，地核和地球的自转速度再度达到一致。这样，地磁场的强度将越来越弱，最终消失。 上面讨论的地球和地核相应的变化过程，是一个理想过程。而在实际情况中，要比这种情况复杂得多。例如，当地球自转减速停止，由于液体外核将来自内地幔的地球自转变化的能量传至固体内核有一个过程，地核的加速尚未完全停止；但这时地球自转又开始加速。这将对地核造成一个减速作用，这就好像给加速自转的地核一个急煞车。若这个急煞车的能量不足以抵消地核加速的能量，地核自转仍将处于加速的过程。这时，地磁场强度将变弱。若这个能量刚好等于地核加速的能量，地核将和地球的自转一致。这时，地磁场将消失。若这个能量大于地核加速的能量，地核自转将直接从加速状态变为减速状态。这样，地磁场又将逐渐增强。 地磁场的方向，由地核相对于地幔自转时的发电机原理决定。能影响发电机原理产生自激地磁场的方向的一切因素，理应能影响地磁场的方向。 地磁场的强度，由地核相对于地幔的自转速度大小决定。地核相对于地幔自转速度越大，地磁场越强；地核相对于地幔自转的速度越小，地磁场越弱。能影响这个速度的一切因素，理应能影响地磁场的强弱。
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地磁场的能量来源 电产生磁，磁产生电。但磁或电的产生，都是以消耗其它能量为前提的。水力发电机，以水的重力势能作为能源；核能发电机，以核能作为能源；太阳能发电机，以太阳能作为能源；火力发电机，以煤、天然气等的燃烧产生的热能作为能源。那么，形成地球磁场的这个发电机，也肯定得有其它能量的供给，才可能得以运转。 由于太阳的能量，海水变成水蒸汽，并被风将其转运至极地区域形成冰川。由于大量的海水转移至极地区域，使地球的总线动量减少，导致地球总角动量的增加，即使地球的自转加快。由于刚性的下地幔和刚性的内核之间是液态的外核，由于惯性的作用，内核相对于下地幔自转速度将减慢。这个地核相对于地幔的自转运动，造成地磁场的形成。由于海水变成水蒸汽和形成风的能量，均来自太阳，所以，我们可以说，地磁场形成的能量最终来源于太阳能。
参考文献 秦大河，任贾文. 南极冰川学. 北京：科学出版社. 2001. 1-220 史謌. 地球物理学. 北京: 北京大学出版社. 2002. 98-161 陶世龙，万天丰，程捷. 地球科学概论. 北京: 地质出版社. 1999. 89-100
Buffett B A, Bloxham J. Energetics of numerical geodynamo
models. Geophys. J. Int. 2002, 149:
211-224
Buffett B A, Garnero E J, Jeanloz R. Sediments at the top
of Earth’s core. Science, 2000,
290: 138–1342
Christensen U R, Aubert J, Cardin P, et al. A numerical
dynamo benchmark. Phys. Earth Planet. Inter. 2001,
128: 25-34
Glatzmaier G A. Geodynamo simulations - How realistic are
they?. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2002,
30: 237-257
Gubbins D. The Rayleigh number for convection in the
Earth’s core. Phys. Earth Planet. Inter. 2001,
128: 3-12
Holme R. Electromagnetic core-mantle coupling—— Jault D, Le Mouël J L. Core-mantle boundary shape: constrains inferred from the pressure torque acting between core and mantle. Geophys. J. Int., 1990, 101: 233-241 Jault D, Le Mouël J L. The topography torque associated with a tangentially geostrophic motion at the core surface and inferences on the flow inside the core. Geophys. Astrophys. Fluid Dyn., 1989, 48: 273-296
Jones C A. Convection-driven geodynamo models. Philos.
Trans. R. Soc. A. 2000, 358:
873-897. King-Hele, D G. The shape of the Earth. Royal Aircraft Establishment Technical memorandum Space, 1969, 130, 1-10
Kutzner C, Christensen U. Effects of driving mechanisms in
geodynamo models. Geophys. Res. Lett. 2000,
27: 29-32. Lamberk K, Cazenave A. Long term variations in the length of day and climate change. Geophys. J. R Astro. Soc., 1976, 46: 555-573 Le Mouël J L, Courtillot V, Jault D. Changes in Earth rotation rate. Nature, 1992, 355: 26-27 Le Mouël J L, Madden T R, Ducruix J, Courtillot V. Decade fluctuations in geomagnetic westward drift and Earth rotation. Nature, 1981, 290: 763-765
Loper D E. Some thermal consequences of a gravitationally
powered geodynamo. J. Geophys. Res. 1978,
83: 5961-5970 Love J J, Bloxham J. Electromagnetic coupling and the toroidal magnetic field at the core-mantle boundary. Geophys. J. Int., 1994, 117: 235-256
Merrill R T, McElhinney M W, McFadden P L. The Magnetic
Field of the Earth, Academic Press,
Moffatt H K. Magnetic Field Generation in Electrically
Conducting Fluids,
Parker E N. Cosmical Magnetic Fields: Their Origin and
Their Activity, Poupinet G, Souriau A, Coutant O. The existence of an inner core super-rotation questioned by teleseismic doublets. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2000, 118: 77-88
Roberts P H, Glatzmaier GA. Geodynamo theory and
simulations. Rev. Modern Phys. 2000,
72: 1081-1123 Song X D, Richards P. G. Seismological evidence for differential rotation of the Earth’s inner core. Nature, 1996, 382: 221-224 Souriau A, Poupinet G. Inner core rotation; a test at the worldwide scale. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2000, 118: 13-27
Stacey
F D. Physics of the Earth. Third Edition.
Stevenson D J. Limits on lateral density and velocity
variations in the Earth’s outer core. Geophys. J. R. Astron. Soc. 1987,
88: 311-319 Stevenson D. J. Planetary magnetic fields. Earth and Planetary Science Letters, 2003, 208: 1-11 Stix M Roberts P H. Time-dependent electromagnetic core-mantle coupling. Phys. Earth Planet. Inter., 1984, 36(1): 49-60 Voorhies C V. Coupling an inviscid core to an electrically insulation mantle. J. Geomag. Geoelectr., 1991, 43: 131-156 Wahr J. The Earth’s rotation. Ann. Rev. Earth planet. Sci., 1988, 16: 231-249 Yoshida S, Hamano Y. Geomagnetic decadal variations caused by length-of-day variation. Phys. Earth Planet. Inter., 1995, 91: 117-129
各位若想了解这方面有关的详细情况，请各位参见廖永岩著，海洋出版社2007年5月版的《地球科学原理》（28.00元）一书。也可以在以下网址找到这本书的详细目录：http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=7010 也可以在以下网址找到有关这本书的部分相关内容:http://www.sciencenet.cn/blog/user_index.aspx?userid=3534 注：本文摘于廖永岩著《地球科学原理》一书。 来源: http://www.sciencenet.cn/blog/rock6783.htm
左右地球科学发展的重要假说
广东海洋大学.廖永岩著.电子信箱：rock6783@126.com
就地球演化、大地构造及地球动力学方面，目前提出的对地学界影响较大的假说，主要有地球膨胀说、地球收缩说、地球脉动说、地槽与地台说、海底扩张说、地幔对流说、地幔柱假说、板块构造说、潮汐说、地球自转说、地洼说、涌流构造说等。下面，我们对其进行简单介绍。
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地球收缩说
地球收缩说是最早的一种地球动力学假说，源于皱缩苹果与冷却地球的直观对比。这一假说通常按Jeffreys（1929）的提法表述。假定地球起初是一个炽热的天体，在其发展的早期，分异为一个铁质的核部和一个基本上是硅质的幔部。幔部从液态铁核处的基底开始向外凝固，通过传导而不是对流逐渐冷。从地心到地表 收缩假说基本上是一种固定论，无法解释板块运动或大陆位移。更有甚者，收缩说认为全球的应力场是同样的，无应变面以上是压缩，无应变面以下是拉伸。这和地球的实际应力状态大相径庭。 有人详细考察全球大陆和大洋的分布，发现大部分大陆和大洋是正相对应的。还提出过四面体收缩来解释这种分布。它所依据的假说是，一个收缩的球体趋向于缩成具有最小体积的四面体形。四面体的四角将与大陆相对应，它的面则与大洋盆相对应。调整四面体的尺寸，还可以解释大陆和大洋面积的比值为1：2。Davison （1888）提出过类似设想：地球只在上层中发生收缩（由冷却引起），这些层处于内部引张的状态。由于大陆压力的影响，大陆之下的引张量必将远小于大洋区下的引张量。这种状况趋于使大洋盆地更进一步沉降，而且也是导致大洋盆地成为永久性的一条物理上的原因。任何造山效应都是在大洋与大陆交接的地方表现得最为突出，这就使人们提出了大地生长的思想。 对四面体收缩说的主要批评意见是，从性能上看，地球最上层的皮无法阻止其本身的面积因切向力的作用而发生改变。此外，这样一个外壳的变形理论似乎表明，这种变形应该是屈曲，而屈曲球壳的变形是对称于一条直径的，其形状的偏离由一系列沿着以对称直径为轴的平行纬圈的球调和函数给出。这就反把四面体收缩的设想给排除了。 早期的收缩说一直流行至20世纪50年代。由于地球在地质历史进程中很可能发生过某种收缩，因此，对收缩说的研究并没有因它有上述明显不足而终止。后来还发展过两种收缩假说。第一种是弹性不稳定说。按这种假说，当地球变冷时，岩石圈因褶皱作用而变弯（皱缩的苹果）。Jeffreys （1962）认为，这种皱缩幅度极大，以致它们在弹性上可能不稳定，即断裂-收缩假说（Jeffreys， 1962； Meyerhoff et al.， 1972）。MacDonald（1963）论证，由于放射性元素衰变产生的热量，地球并不是一开始就产生收缩，而是一直到最后的11亿年前左右才有收缩发生。他主张的收缩模式也是断裂-收缩模式。最近Meyerhoff et al.（1992）等提出了一种全球构造的新概念-涌流构造，把地球的收缩作用作为构造运动的触发器。可见，虽然单独的收缩作用不能解释所有构造运动的成因，但地球的收缩作用在地球动力学中的影响仍是需要考虑的。
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地球膨胀学说 地球膨胀说认为地球一直在不断膨张。从1620年培根（F. Bacon）提出地球膨胀的观点以来，曾经提出过好几个地球膨胀的假说，来解释造山运动和大陆及大洋的形成等。膨胀说假定地球是由若干层组成的，最顶上一层代表地壳，其下相邻的一层代表膨胀层。造山效应就发源于这个膨胀层，所产生的应力又转而使地壳屈服。这一假说可以岛弧和海沟的形成以及造山要素之间的联系做出解释，特别是能解释海洋造山运动。也有人用地球膨胀作为大陆的成因。例如Hilgenberg（1933）根据大陆可以拼合为一个球面的实况，认为初期的地球比现在小得多，并被硅铝壳所覆盖，后因地球膨胀，体积增大，硅铝壳因受拉张而破裂，其碎块逐渐分离形成大陆。与此同时，地球的大洋也随表层的崩解而形成和发展。 地球的洋脊、裂谷系统理所当然地被地球膨胀论者作为支持其据说的重要证据。据推测，膨胀是从像大西洋中脊那样的大破裂口开始的。随着对洋脊、裂谷系探测研究的深入开展，20世纪50-60年代以来，地球膨胀说一度又显得十分活跃。Carey（1976）把大陆漂移、海底扩张和地球上各级规模的构造都归因于地球的膨胀。他提出，地球的膨胀是非对称的，南半球比北半球膨胀得更显著，因此所有大陆皆向北移动，而所有环绕太平洋的大陆看来正向着太平洋运动。
地球膨胀说的主要问题是其难以解释地球膨胀所引起的巨大密度变化。例如，如果地球的直径以因数2增加，将引起面积以因数4增加，体积以因数8增加，密度以因数8减小。现代地球的平均密度为
引起地球膨胀的可能机制据认为主要有：1、热效应；2、地球内部物质的化学变化或相变；3、万有引力常数的缓慢减小。虽然在地球历史中，特别是在地球的早期，有可能存在着热的纯增长，因而有地球整体的轻微膨胀，但是，其效应看来只不过能造成一些深海沟等，不可能有更大的影响。将引起膨胀所要求的能量和在化学键中的可用能量进行对比，来估计地球内部的化学变化或相变能否导致地球大规模的膨胀，发现地球半径均匀地膨胀20%所要求的能量，要等于打破组成地球的分子的几乎全部化学键所需的能量。因此，地球内部物质的化学变化这种机制产生的能量也不足以造成大陆的大规模膨胀。估算由引力常数的减小所能得到的能量，同样无法说明大于 虽然地球膨胀说存在种种问题，这些问题目前仍未能得到合理解决，但仍有一些支持者在继续探索。 ΚРОПОТΚИЙ（1989）得出伴有质量增大的地球膨胀会使自由落体加速度（g）的值大增。古地球的g仅为现今地球g值的40%。G的增大伴随着地壳下物质密度增大，最终将导致较老地壳相对于年轻地壳不断上浮。地壳的这一性状正好被地质资料所证实。例如，在大西洋型和太平洋型洋壳与陆壳的相连地区，老地壳逐步占据了较高位置。所以，相对于更年轻地壳发生了老地壳的不断出露。他还作了地球质量和体积随时间呈指数增长来探讨地球发展历史的8项推断。由它们引伸的主要论点，与实际资料不相矛盾，又可详细说明地质现象的物理化学原理，一些重要的大地构造作用得到合乎逻辑的阐明，同时许多大地构造概念得到了运用。他还推断，由于膨胀，地球族行星的爆炸是不可避免的。
Owen（1992）认为，Carey的地球膨胀说正处于大陆漂移说早期被否定的那种状况；Carey对地球动力学的贡献未受到应有的重视。Owen根据大量海洋地壳扩张数据和地质及古生物资料，论证了地球在过去200Ma期间不仅发生过大陆漂移，还发生过膨胀，从今天直径的80%膨胀到今天的值。他还用横贯太平洋的卫星激光测距结果来证明其论断。卫星激光测距结果表明，太平洋中大陆的收敛明显小于为了平衡扩张所需要的值。他指出，从地核是稳态和均变论的思想出发无法理解地球膨胀的概念。Kremp（1992）依据核-幔边界处的外核温度比地幔底部D’’层的温度至少高 3 地球脉动说 地球收缩说和地球膨胀说都包含一定合理性，又都存在一定问题。在这两种假说基础上很自然地便产生了地球一段时期膨胀，另一段时间收缩，膨胀和收缩交替发生的地球脉动说。在地球膨胀期，地壳受到引张作用，产生出大规模的隆起与拗陷，大型裂谷和岩浆喷发；在地球收缩期，地壳受到挤压作用，产生出褶皱山系，并伴有岩浆活动。 脉动学说虽然较好地解释了构造运动的周期性，但却不能解释地壳构造的方向性，并且对胀、缩的原因有不同看法，因此，自1933年布契尔（W. N. Bucher）提出这一学说以来，一些研究者曾试图将此学说加以改进。 ΚРОПОТΚИЙ（1989）提出了一个将脉动说与壳下流和大陆活动论结合起来的地球动力学新模式。他认为，地球动力学模式既要考虑地球的收缩，也要考虑它的膨胀，即建立在脉动假说的原则上。按此观点，当地球收缩和膨胀交替时，收缩效应集中在一些带上，而膨胀效应集中在另一些带上，在此种情况下，处于中间的断块应该从拉张带移向挤压带，所以在脉动的地球动力学模式中自然包括大陆活动论原则。这一模式还考虑了在地球半径增减交变作用下地幔内物质的移动，认为地球挤压力可促使壳下流观点主张的物质分离和移动。该模式的提出者认为，体现脉动假说和解释岩石圈移动的假说相结合的地球动力学模式是目前最有前景的模式。 4 涌流构造（Surge Tectonic）说 涌流构造是迈耶霍夫等（Meyerhoff et al. 1992）提出的一个新全球构造和地球动力学模型。他们认为，大多数地表构造，包括板块构造不能解释的一些构造现象，可用软流圈的涌动来解释。软流圈涌动的驱动机制是地球收缩引起的岩石圈塌陷。当冷却凝固了的岩石圈块段塌陷到软流圈中时，部分岩浆按重力法则上涌，一直达到岩浆密度与周围岩石密度基本平衡的位置上，才会稳定下来。这一过程像巨型液压机一样，遵循帕斯卡定律，能将所受压力通过岩浆的涌动传递到各个方向。强的岩浆涌动对构造运动起决定作用。
岩浆涌动的通道，迈耶霍夫等（Meyerhoff
et al. 1992）称为涌流通道，是岩石圈中最基本的构造单元，可以通过近40种物性标志加以鉴别。涌流通道暂分为洋盆涌流通道、大陆边缘涌流通道和大陆涌流通道三大类。大洋中脊及其主要分支下的通道，是洋盆涌流通道中的主干通道，其长度可达几百万米，宽度可以从 迈耶霍夫等（Meyerhoff et al. 1992）认为，全球高热流带（>55mW/m2）相互连通的网状分布形式，用现有的地球动力学假说无法解释，但可以认为这些高热流带是由下伏的浅层岩浆通道-涌流通道形成的。如果涌流通道被强烈压缩，它们应该变成裂谷带或褶皱带。每个通道的变形形式是它上面的岩石圈厚度的函数。 据说，在由从事板块构造研究的科学家自1965年以来汇集的36个数据集中，用板块构造学说只能解释13个。它们是洋中脊、大陆裂谷、走滑带、岩浆弧、大洋和大陆山区、深海沟、贝尼奥夫带、地槽、造山岩体、蛇绿岩套、混杂岩、变质核杂岩体和拆离断层带。其余23种构造现象的时代都为侏罗纪或更新一些，它们仅出现在高热流带之下，都和浅部的岩浆运动，因而和涌流通道有关。这23种现象包括高热流带、微地震带、长的线性断裂和裂隙带、构造带分段性、两侧对称的双向褶皱带、地幔底辟、构造地层地体、与褶皱带平行的拉抻线理、反向变质梯度、地幔片麻岩穹隆、热泉链、成行的熔岩区、岩墙群、非造山岩体链、金伯利岩筒、长条状蒸发岩盆地、岩石圈低速带、异常上地幔透镜体、高导层、向东迁移的构造带、弥散板块边界、大地电磁复合体和旋卷构造等。 声谱仪显示洋中脊被成千上万条平行洋中脊的裂隙切割，证实洋中脊下面软流圈流动并不与洋中中脊垂直，而是与洋中脊平行。迈耶霍夫等（1992）把这作为批判海底扩张和证实岩浆通道存在的证据。 涌流构造假说的提出者认为，这一假说的一个重要优点是，它不仅提供了一个将岩浆活动和构造作用的各个方面统一起来的机制，而且还在解释所观测到的所有构造现象上具有内在的协调一致性。不过应该看到，他们对许多构造现象的解释还是很初步的。例如，前已提及，迈耶霍夫等列出了54种向东迁移的构造现象，笼统地指出这与地球自转有关，但未作深入的机制分析。涌流构造的触发机制是地球收缩引起的岩石圈塌陷。地球收缩引起岩石圈塌陷的可能性和强度以及地球收缩与地质旋回的相关性等也是涌流构造假说还须深入解决的问题。虽然还不能说涌流构造假说已很完善，但它对板块构造假说的批判和所提出的许多问题对地球动力学研究确实是有启发性的。
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大陆漂移说 大陆漂移的思想由来已久。英国哲学家培根（Bacon, 1620）指出，大西洋两岸海岸线的吻合并不是一种偶然的巧合。地理学家斯奈德（Snider, 1858）在《地球形成及其奥秘》一书中，用欧、美两洲古生代煤层中化石的相似性作为依据，首次把大西洋两侧大陆加以拼合。美国学者泰勒（Taylor, 1910）指出，欧亚、北美和澳大利亚大陆的移动，是形成环太平洋岛弧和褶皱山系的原因。 德国气象学家和地球物理学家魏格纳（Wegener）将这些简朴、零散的大陆漂移思想加以发展，在其1912年的“大陆的生成”和1915年的《海陆的起源》一书中，系统地论述大陆漂移问题，创建了大陆漂移说（Wegener, 1929; Wegener, 1966; Wegener, 2001）。 魏格纳认为，大陆由较轻的刚性硅铝层组成，它漂浮在较重的粘性硅镁质洋底上。在中生代以前，地球上所有大陆曾经结合成统一的巨大陆块，称之为联合古陆或泛大陆（Pangaea）；围绕泛大陆的广阔海洋，叫做泛大洋。中生代开始，联合古陆裂解、分离，产生了大西洋和印度洋，分离出的碎块逐渐漂移到目前所在的位置，而泛大洋则收缩为现在的太平洋。魏格纳用图解表示的过去大陆的位置与20世纪50年代以后根据崭新的资料得出的模式异常类似。为发展大陆漂移说，魏格纳利用了现代植物和化石的分布；古代冰川作用在现代热带地区的一些地质证据；尤其是海洋对面两岸海岸线的对称相配，如南大西洋两侧的非洲和南美洲的海岸线就是相配的。魏格纳还认为，年轻的海床比老海床浅；大陆漂过海盆犹如木筏漂过大海。这些都可与现代板块构造学说对照。 魏格纳的观点与现代板块构造学说的区别，可用加里福尼亚地区的运动加以说明。魏格纳（1924）把加里福尼亚看成一块薄的裂片，离开它的母体向北美东南方向漂移，它犁过下地壳，使下加里福尼亚变得弯曲，并沿着加里福尼亚海岸基底凸起。板块构造学说则认为，是两个厚板块彼此在圣安德烈斯断裂和加里福尼亚湾作剪切运动，下加里福尼亚是沿着位于主要板块边界邻近的次级断裂的延伸，不是受到挤压。 移动大陆的原动力是什么？根据大陆漂移的方向主要有两种趋势，一是自地球的两极向赤道的离极运动，如原来聚在南极的冈瓦纳古陆分离后逐渐北漂；另一趋势西漂，如美洲大陆向西漂移，在其西缘形成科迪勒拉和安第斯山系，在其东缘形成一系列群岛（如亚洲、澳大利亚东缘的群岛）。魏格纳认为，大陆漂移的驱动力主要是向西漂移的力和指向赤道的离极力；西漂的力源于日、月引力所产生的潮汐摩擦力；离极力则来自地球自转的离心力。计算表明，这些力的数据确实太小。虽然魏格纳强调，小的力如果长期作用也可能移动大陆，但大多数人认为，这些力都不足以克服对大陆运动的摩擦阻力。因此，杰弗里斯（Jeffreys, 1929）在其《地球》一书中有力地指出，大陆漂移说在理论上根本是不可能的。 在有关大陆漂移机制的讨论中，霍姆斯（Holmes, 1931）首先提出了地幔对流模式。他认为，大陆由有上覆硅铝层的厚玄武岩质地壳组成，地球内部的重力能和热能可以引起地幔对流，如果地幔内的流体上升到大陆中央并向两侧散开时，大陆就会从这里向两侧裂开，大陆块体被地幔对流携运，留下了大陆之间的破裂和延伸区，成为新的大洋，随着玄武岩浆在对流上升流之上喷出，大洋的面积增大，在对流下降处，玄武岩被转换为榴辉岩并下沉入地幔，为前进的大陆让出位置，并在深处熔融而成玄武岩质岩浆，重新在对流上升处升起，完成对流循环。 魏格纳等将大陆看成是主动的因素，认为“大陆本身是把坚硬的地幔推开而前进”的；霍姆斯则引入了像在传送带上那样被携运的被动大陆的概念。霍姆斯的假说后来发展成海底扩张假说和地幔对流说。
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海底扩张说：
19世纪70年代，通过英国“挑战者”号调查船的环球考察，已知道北大西洋中部有一条海底山系。1925-1927年间，通过德国“流星号”的回声探测，确定了整个大西洋纵列着一条长达 20世纪60年代初，一些学者提出，大洋中脊的高热流有可能用地幔中的上升对流来说明，这样也可解释大洋脊的拉张性质。其中，美国地质学家赫斯（Hess, 1962）和迪茨（Dietz, 1961）把对流方案发展，提出了海底扩张的概念。迪茨1961年的论文首先提出了洋底扩张这一名词，但是，首创海底扩张说的还是赫斯（就连迪茨本人也承认这一点），虽然赫斯的论文“大洋盆的历史”1962年才发表。
海底扩张说圆满地解释了大洋的主要地壳层（大洋层3）的厚度均一性、洋底年龄及洋脊上沉积物超复等当时难以理解的地质问题。赫斯认为，“大洋层3”底部代表现代的或过去的
迪茨的模式与赫斯的模式相似。但迪茨认为，洋壳是玄武岩质的辉长岩，上地幔则为榴辉岩。玄武岩在高压下变为榴辉岩的地方就是莫霍面。另外，迪茨还把地球表面至
威尔逊（Wilson,
应当指出的是，赫斯和迪茨的海底扩张说中的地幔对流包括“大洋层3”，这既不同于早先认为地幔对流发生在玄武岩质地壳下的霍姆斯模式（Holmes,
1931），也不同于后来将地幔对流限制在岩石圈下的威尔逊模式（Wilson, 从板块构造角度，海底扩张说可概括为：地幔物质在大洋中脊随地幔上升流上涌形成新的大洋岩石圈，新生的岩圈随着软流圈的侧向流动推挤着原有的岩石圈从洋中脊向两侧扩张移动，在海沟处大洋岩石圈随着地幔下降流而俯冲消亡，不断更新。洋中脊是大洋岩石圈的生长带，海沟是大洋岩石圈的消亡带。
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板块构造学说： 板块构造学说是20世纪60年代中期由Wilson（1965），McKenzie et al.（1967），Morgan（1968），Le Pichon（1968），等人提出的大地构造学说。它是大陆漂移和海底扩张学说的自然引伸，还包括了岩石圈、软流圈、转换断层、板块俯冲、大陆碰撞和地幔对流等一系列概念，有人称为全球构造学说。“板块”这一术语是Wilson（1965）在论述转换断层的一篇短文中首先提出的。它表示地球表层（岩石圈）被活动带分割所成的大小不一的球面盖板。它的面积很大，厚度很小，并按地球表面轮廓弯曲。 依据构成板块的岩石圈类型，板块可分为大洋板块和大陆板块。构成板块的岩石圈顶层为大洋地壳的板块为大洋板块，如太平洋、大西洋、菲律宾海等板块。岩石圈顶层的一部分为大陆地壳的板块是大陆板块，如欧亚、北美、南美、非洲等板块。 板块构造学说就是关于这些岩石圈板块相互作用，并认为这种相互作用是大地构造活动基本原因的学说。初期的板块构造学说的要点如下： 1固体地球上层在垂向上分成弹粘性的岩石圈和粘性软流圈，下垫弹粘性的中圈。岩石圈在软流圈表面作相对运动。 2岩石圈在侧向上分成数目有限的大、小板块，它们是刚性的和相对稳定的，并按球面运动规律不断改变着彼此之间的相对位置。 3板块边界分为三种类型：A分离扩张型；B俯冲会聚型；C平移剪切型或转换型。 4板块在离散边界处的扩张增生得到会聚边界处俯冲消减的完全补偿，地球体积保持不变。 5地幔中的热对流是板块运动的驱动力。
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热点-地幔柱假说： 太平洋中的夏威夷海岭和天皇海岭，是由成线状展布的一系列火山堆构成的火山链，其岩石年龄的分布具有明显的定向性。岛链东南端的夏威夷岛火山年龄不超过80万年，岛上的基拉韦厄火山是目前仍在活动的活动火山。从夏威夷岛沿岛链向西北，随着距离的增加火山岩的年龄依次增加。在夏威夷海岭与天皇海岭的转折处，火山年龄约4000万年。天皇海岭呈NNW走向伸向堪察加半岛东侧，北端的明治海山的年龄则达7000万年。 威尔逊（Wilson, 1963b）为解释火山岛链年龄的递变现象而提出了热点的概念。所谓热点是地幔中相对固定和长期的热物质活动中心，它们向活火山提供富集各种微量元素的岩浆。随着岩石圈板块经过热点的不停运动，先形成的火山从热点处移开并逐渐熄灭成为死火山，新的火山又在热点上方形成，结果就形成了一串年龄定向分布的线状火山链。这类火山活动时，熔浆向外溢出，无地震发生，因此，所形成的火山链也叫无震海岭。上述夏威夷-天皇海岭火山链的走向，实际上记录了太平洋板块的运动方向：在4000万年前是从南向北沿NNW向运动，最晚在2600万年以后转变为从东向西沿NWW向运动。
地幔柱是摩根（Morgan,
1972b）为解释热点成因而提出的概念。地幔柱是地幔深处，甚至核-幔边界上产生的圆柱状上升的热物质流。它携带地幔物质和热能直至地幔上层，并在岩石圈和软流圈分界处四散外流，激起软流圈中的水平运动，从而可将地幔柱当作板块运动的驱动机制。热点处的火山活动是地幔柱物质喷出地表的反映。由于炽热的地幔物质向上涌流，导致密度较高的物质盈余，形成正重力异常，因而重力特高的地方，也往往是火山分布的地方。摩根还强调，热点大体上固定于地幔中，因此，板块相对于热点的运动，便是相对于地幔固定部分的运动，也就是相对地理极或地球自转轴的绝对运动。摩根（Morgan,
热点假说在深海钻探第55航次钻探夏威夷-天皇海岭时证明了其正确性，船上所作的古生物鉴定和陆上所作的放射性测年所提供的年龄，证明了所预言的太平洋板块向北的运动。由火山岛年龄和它们距夏威夷基拉韦厄火山的距离，推导出的太平洋板块的运动速度大约为
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地槽与地台学说：
地槽学说的出现使褶皱带发育在特定地位置地问题变得容易回答：地槽填充了具有塑性的沉积物，褶皱作用也就在地槽带中发生。19世纪中叶，美洲的地质学也得到了迅速的发展。就像美国的经济发展一样，美国的地质学研究也就是从东部逐渐向西部扩展的，阿巴拉契亚山脉可以说是美国地质学的摇篮。美国地质学家霍尔（J.
Hall, 1857）对阿巴拉契亚的地质研究，把大地构造学说带到了新的起点。霍尔在长期的研究中发现，阿巴拉契亚山有一套地层自西向东逐渐增厚，在宾夕法尼亚地区厚度达到 1873年，美国地质学家丹纳（J. D. Dana, 1873）在其论文“论地球冷缩的一些结果，包括山脉起源和地球内部性质的讨论”中将霍尔在阿巴拉契亚发现的长条形的沉积盆地命名为地槽（geosyncline），从此地槽学说成为大地构造学说的主流。丹纳在考虑造山作用时注意到以下三个基本事实：其一，大洋中广泛分布着火山，这是洋壳非常活动的证据；其二，大陆腹地古老地层占据的地区没有现代火山，也很少发生地震，说明陆壳非常稳定；其三，受过强烈扰动的造山带和相伴的火成岩带和变质岩带大多出现在洋-陆边界。丹纳认为地球的冷却过程是从大陆腹地开始的，并且使洋壳收缩塌陷，其派生的侧向压力在洋陆边界集中，使地壳发生弯曲形成地槽。地槽的形成需要一个长期的过程，才能形成巨厚的堆积。在地球冷却持续到一定阶段后，沉积层在侧向压力的作用下也将发生褶皱，而且沉积越厚，褶皱也就越强烈，同时在深部岩浆的作用下发生变质作用。地槽在经过褶皱的剧变之后逐渐趋于稳定，成为大陆的组成部分，扩大了大陆的面积。在大陆边缘的褶皱山脉受到流水的剥蚀，逐渐地被夷平，剥蚀下来的碎屑物再一次被送到新的地槽中，孕育着下一次的褶皱造山。这就是丹纳的“大陆扩张学说”。 1887年，俄国学者卡尔宾斯基（А. П. Κарпинский）研究欧洲东部的地质时发现，出露在芬兰、卡列里、乌克兰等地的前寒武纪岩石是广大的前寒武纪结晶基底的一部分，这个基底被产状平缓的沉积盖层所覆盖。这就是后来被称之为“俄罗斯地台”的，由基底和盖层构成的，地台双层构造概念。由于地台具有坚硬的结晶基底和几乎不变形的盖层，当时大多数地质学家都相信，地台在形成之后就不再遭受强烈的变形。 从霍尔1857年关于地槽概念的提出，经过几代人的努力，到1965年美国学者奥布英（J. Aubouin）出版的《地槽》一书，对槽台理论进行了全面的总结和提出，这个地球科学观在地质学界的影响超过了一百年的历史。即使是板块构造理论的提出，也还是不能涵盖槽台学说的所有内容，尤其是大陆构造的研究，许多相关的概念至今仍在使用。
各位若想了解这方面有关的详细情况，请各位参见廖永岩著，海洋出版社2007年5月版的《地球科学原理》（28.00元）一书。也可以在以下网址找到这本书的详细目录：http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=7010
也可以在以下网址找到有关这本书的部分相关内容:http://www.sciencenet.cn/blog/user_index.aspx?userid=3534
注：本文摘于廖永岩著《地球科学原理》一书。
参考文献：
陈永生，李自安.
地球形成与演化的一种新说法.
北京：石油工业出版社.
1998：13-79
马宗晋，杜品仁，洪汉净.地球构造与动力学.
广州:
广东科技出版社.2003，1-130
Bacon
F. Nouvnm Organum Scientiarum. Bucher W H. Volcanic explosions and overthrusts. Am. Geophys. Union Trans., 14th Ann. Meeting 1933, 14, 238-242
Dana J.
D. On some results of the earth's contraction from cooling including a
discussion of the origin of mountains and the nature of the earth's interior.
American Journal of Science, 1873, 5: 423-443
Carey W
S. The Expanding Earth.
Davison C. Philos. Trans. Roy. Soc. London Ser. A, 1888. 178: 240
Dietz
R. S. Continent and ocean basin evolution by spreading of the sea floor. Nature,
1961,
190: 854-857
Hess H.
H. History of ocean basins. Petrologic studies--A volume in honor of A. F.
Buddington. Geol. Soc. America. 1962: 599-620
Hilgenberg O C. Vom wachsenden Erdball. Holmes A. Radioactivity and earth movements. Trans. Geol. Glasgor, 1931, 18: 559-606
Jeffreys H. The Earth.
Jeffreys H. The Earth (4th edition).
Kremp G
O W. Earth expansion theory versus statical Earth assumption. In: Chatterjee S
et al. eds. New Concepts in Global Tectonics.
Le
Pichon X. Sea-floor spreading and continental drift. Journal of Geophysical
Research, 1968, 73: 3661-3697 MacDonald G J F. The Deep structure of continents. Rev Geophys., 1963, 1(4):587-665
McKenzie D. P., Parker R. L. The north Pacific; an example of tectonics on a
sphere. Nature, 1967, 216: 1276-1280 Meyerhoff A A, Meyerhoff H A, Briggs K S Jr. Continental drift V: proposed hypothesis of earth tectonics. Journal of Geology, 1972. 80(6):663-692
Meyerhoff A A, Toner I, Morris A E L, et al. Surge tectonics: a new hypothesis
of Earth dynamics. In: Chatterjee S et al. eds. New Concepts in Global
Tectonics.
Morgan
W. J. Deep Mantle Convection Plumes and Plate Motions. The American Association
of Petroleum Geologists Bulletin, 1972b, 56: 203-213
Morgan
W. J. Plate Motions and Deep Mantle Convection. Studies in Earth and Space
Sciences. Memoir - Geological Society of America, Geological Society of America
(GSA), Boulder, CO,
Owen H
G. Has the earth increased in size? In: Chatterjee S et al. eds. New Concepts in
Global Tectonics.
Snider A. La eréation
et ses mystéres
dévoilées.
Taylor
F. B. Bearing of the Tertiary mountain belt on the origin of the earth's plan.
Geological Society of
Wegener
A. Die Entestehung der kontinente. (=The origin of continents). Geologische
Rundschau, 1912: 3: 276-292 (in German) Wegener A. Die Entstehung der Kontinente und Ozeane. Braunschweig, Germant: F Vieweg ung Sohns. 1915
Wegener, A. Die Entestehung der kontinente und Ozeane.(The origin of continents
and oceans) ed. 4.
Wegener
A. The origin of continents and oceans. Translated from the third German edition
by J. G. A. Skerl.
Wegener, A. The origins of the continents. Journal of Geodynamics, 2001, 32:
31-63
Wegener
A. The origin of continents and oceans (translated from German by John Biram). Wilson J. T. A new class of faults and their bearing on continental drift. Nature, 1965, 207: 343-347
Wilson
J. T. A possible origin of the
Wilson
J. T. Evidence from islands on the spreading of ocean floors. Nature , 来源: http://www.sciencenet.cn/blog/rock6783.htm |