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海陸變遷的原因是什麽?

魏格納提出了“兩種成分”,但沒有弄清這些力量來自哪裏。這個問題是理論思維的核心,也就是地球動力學的主要問題。這些力可以概括為三個來源:①地球體積的膨脹和收縮,②地球內部的地幔對流,③與地球自轉有關的力。

地球體積變化力

地球收縮理論是解決地殼運動動力來源的最早假說。最早可以追溯到16世紀蘋果幹的類比,從康德-拉普拉斯星雲理論提出開始就以科學的形式出現。博蒙特第壹個提出了相對完整的地球收縮假說。他認為地球脫離太陽就是壹個熱融體。地表冷卻成固體地殼後,由於內部持續冷卻,地殼塌陷,產生側壓力,產生褶皺和凹陷。休斯在他的《地球的面貌》中也采用了地球收縮理論,解釋了剛性塊體和柔性塊體推壓形成褶皺山脈。傑弗裏斯對地球收縮過程的構想更為具體,認為地球收縮發生在地表以下70 ~ 700公裏的深度範圍內,導致70公裏厚的地殼被擠壓折疊。

地球膨脹的觀點是培根在1620年提出的。用地球膨脹來解釋大西洋兩岸的相似性,是從曼托瓦尼開始的,他在19年底提出了這個觀點。20世紀,林迪曼認為大西洋的形成是地球體積膨脹導致地殼拉伸破裂的結果(1927)。根據大陸可以拼接成壹個球體的事實,希爾根·伯格提出地球從壹個非常小的體積迅速膨脹,導致表面開裂,逐漸分離成各個大陸(1933)。根據天體演化的觀點,哈爾姆認為原始地球的密度很高,半徑只有5430公裏,不斷膨脹後只有6371公裏。在水總量不變(1955)的前提下,Eguid根據古地圖計算了各個時期的大陸面積,計算出地球半徑的增長率為0.24毫米/年。從1958開始,凱裏通過各種方式合並大陸,恢復漂流前的形狀,得出原始地球的半徑只有今天地球半徑的3/4。然而,其他研究表明,幾億年前的地球半徑和今天的地球半徑沒有太大差別。

盡管地球膨脹論的信徒們仍在研究和捍衛他們的論點,但由於諸多疑點,他們並不被大多數研究者所接受。地球大規模膨脹的可能性存疑。如果半徑增加2倍,地球表面增加4倍,體積增加8倍,那麽地球物質的密度應該減少8倍,從目前的平均密度5.52g/cm3。回到過去,原始地球的密度是44 g/cm 3,很難解釋。1968年,Baelz根據地球內部高壓沖擊波的數據推斷出地球半徑的變化不會超過100公裏。

由於收縮理論和膨脹理論的困難,提出了收縮和膨脹交替脈動理論。Bucher在1933中提出地球的收縮和膨脹是周期性交替發生的。收縮期,地殼被擠壓產生褶皺,擴張期,地殼被拉伸產生裂谷。1936年,Glip以地球脈動考慮地質歷史中古生代的多次全球海侵海退,得出地球脈動周期與這壹代相當的結論。1943年,Shneiderov用地球脈動理論解釋了全球大地構造的發展過程,認為每次地球收縮的幅度都小於前壹次的膨脹,即地球在以脈動的方式膨脹,並據此得出結論:大規模的快速膨脹導致地殼被拉伸形成海洋,而小規模的緩慢收縮導致地殼被擠壓折疊成山。從65438年到0950年,烏姆格羅夫將造山運動、巖漿活動、海侵海退和生物進化等全球旋回歸因於地球脈動。1963年,沃德通過對古地磁數據的研究,推算出億萬年前地球半徑的變化。泥盆紀、二疊紀和三疊紀對應的地球半徑分別是今天地球半徑的1.12倍、0.94倍和0.99倍,似乎證明了地球的脈動。1982年,張伯勝等人將地球體積的膨脹和收縮與地球自轉速度的變化聯系起來。根據地球自轉速度和緩慢的地質演化時期,他認為地球正在以脈動的方式收縮。

地幔對流力

作為地殼運動的動力來源之壹,地幔對流長期以來壹直被推測。雖然霍普金斯早在1839年就推斷下地殼存在物質對流,但作為地質動力提出的卻是費希爾。費希爾在《地殼物理學》(1881)壹書中試圖用地幔對流來解釋火山和造山運動,壹度被認為是無稽之談,無人問津。首次用地幔對流解釋大陸漂移的霍姆斯理論(1928)也被忽略。1935年,皮克裏斯建立了對流模型,解釋了上升流形成大陸,下降流形成海洋,認為只要大陸自動保持比海洋熱,地幔對流就會永遠持續下去。皮克裏斯的工作吸引了格裏格斯、邁納茲和錢德裏斯卡等後繼者。到了20世紀60年代,作為海底擴張和板塊運動的主要動力機制,地幔對流理論得到進壹步發展,各種地幔對流模型相繼提出。先是“深部地幔對流模型”占主導地位,後來又被“淺部地幔對流模型”所取代。後來又出現了考慮地球自轉的對流模型,以及深淺地幔對流相結合的模型,如波動模型、熱柱對流模型等。通過對板塊運動的分析,Forseth認為地幔對流即使存在也不起主要作用。就目前的情況來看,關於地幔對流的機制還存在不同意見,能否帶動板塊有規律地運動還是壹個懸而未決的問題。

地球自轉相關力

地球體積變化和地幔對流產生的力不足以形成大陸塊體的定向漂移運動,因此與地球自轉有關的力就顯得尤為重要。這個問題涉及三個方面:①地殼的轉動慣性離心力;(2)轉速變化引起的地殼物質運動的構造力;③地殼與內圈轉速差引起的相對運動力。在魏格納時代,前兩種轉動相關力已被討論過,而第三種轉動相關力是近十年才被關註的。

20世紀初,泰勒將大陸漂移的驅動力歸結為地球自轉產生的離心力。這種力在赤道最大,向兩極逐漸減小,在地球的兩端達到零。為了解釋大陸漂移發生在第三紀,他假設通過捕獲當時快速旋轉的月球作為衛星,增加了地球的自轉速度,從而導致了離心力的增加和大陸漂移。但是這個力很小,只有重力的1/300。因此,魏格納主張地球表面的月球和太陽之間的潮汐摩擦降低了地球的自轉速度,從而推動大陸向西漂移。

引力是指地球引力和地球自轉離心力的合力,杜特用引力驅動機制解釋了大陸漂移。這種引力理論實際上是壹種古老的地質結構理論。地球內部的重力隨著深度增加,開始向核心表面驟降,到地心為零。地球引力的不平衡是地殼運動的重要原因。

“分離理論”也與旋轉有關。“分離力”的概念是指浮力和重力的合力,最早由Jatoforth提出。因為它的方向指向赤道,魏格納把它作為驅動大陸板塊向赤道移動的動力。後來愛潑斯坦等人通過計算證明了分離力確實能促進大陸塊體的運動。

地殼和地球內圈的相對運動也是地球自轉的壹個次要好處。在地球的地質演化過程中,內圈的物質不斷向中心集中,使得內圈的旋轉質量越來越小,所以旋轉動量在增加。由於地幔和地殼之間有壹層很薄的軟流圈,內環的自轉速度高於地殼,發生相對運動,地殼相對於內環向反自旋方向運動,從而提供了驅動大陸塊體西移的動力。近年來,地震波分析的結果被報道:地核的旋轉速度略快於地殼的旋轉速度。