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地球主要变动机制及其规律

作为一个天体,地球的变动主要是自身物质演变、所处宇宙空间环境状况的变化和空间运动状态的变动。

地球自身物质演变,指组成地球的物质(包括球外陨落物质)按自身规律演化进展,如元素衰变,矿物、岩石形成、分解、重新组合,地核、地幔、地壳、水圈、大气圈、生物圈的演化等。

地球空间运动状态变动,指地球作为一个天体在空间中运动特点的变化,如自转速度、公转速度、自转轴倾角、黄道面与银道面夹角,公转轨道形状等变化。

地球空间环境状况变化,指地球所处的宇宙空间周围物质分布、物理场等变化,如空间星际物质分布密度、种类、数量的变化,空间辐射场、宇宙射线、磁场、引力场强度的变化、空间太阳辐射量的变化等。

地球自身物质是在一定的宇宙因素制约下演化进展的。

地球的一切变动都是地球物质演化和宇宙因素变动二者直接、间接或叠加作用的结果。

在各级层次天体及其相互之间的宇宙因素影响下,地球会产生各种不同周期、不同程度、不同特点的变动规律。

银河年宇宙因素

在银河系宇宙因素中,银心引力、G值、空间物理场和物质分布等都随着太阳公转而呈银河年周期变化,所以这些因素称为银河年宇宙因素。

据Wyatt,S.P.(1977)估量,目前太阳距近银心点位置不远,约几百万年后即可到达近银心点。

这样,太阳在前两个近银心点位置的时间分别是2.4、4.8亿年左右。

其他事实表明,地球历史中空间条件的变动特点与银河年因素的地球效应是一致的(表3)。

因此,在银河年因素作用下,在地球周围卫星、行星、太阳等层次天体的综合影响下,地球就有规律地发生银河年周期变动。

表3寒武纪以来地球演变的银河年特点

下面主要阐述银河年宇宙因素影响下地球产生的银河地球律的主要特点。

地球空间运动状态变动规律

地球自转速度在近银心点,银心引力大,太阳公转速度快、地日距离变大,地球自转速度和太阳向心吸引力之间的平稳状态改变,地球自转速度减慢;G值在近银心点变小,使太阳对地球吸引力变小,地日距离大,地球膨胀,半径增大,因而地球自转速度慢;同时在近银心点空间物质密度大,地球运动受到的阻力较大,也使地球自转速度变慢。

上述因素综合影响,在近银心点时地球自转速度最慢,在远银心点的情形则相反。

地球自转轴倾角主要受地球自转速度以及黄赤交角等变化的影响。

地球自转快时自转轴倾角小,慢时大;若自转轴指向(如指向麦哲伦星云)变化不大,则黄道面与银道面夹角变大时,地球自转轴倾角变大,反之变小。

但地球的转轴倾角主要还是受地球自转速度变化的影响。

所以在近银心点,地球自转速度慢,地球自转倾角大,在远银心点则相反。

在二迭纪近银心点时,地球自转轴倾角估量为70°。

地史中地球自转轴并不是固定的。

地日距离在近银心点G值变小,太阳对地球的吸引力减小,银心引力使太阳公转加快,这就使地日、地月距离相应变大,故日月潮汐力变小;在远银心点恰好相反。

地球公转轨道偏心率在近银心点太阳公转速度快,地球近日点和远日点距离差别大,故地球公转轨道偏心率大;在远银心点相反。

地球空间环境状况变化规律

宇宙射线强度银心是一个很强的宇宙射线辐射源。

在近银心点,地球与银心距离近,地球接受到的宇宙射线强度大;同时太阳受银心辐射影响也大,活动激烈,本身辐射也增强。

所以在近银心点,地球上宇宙射线强度大,在远银心点相反。

地史中地球在近银心点时宇宙射线暴露年龄峰值大,远银心点时小,就说明了这一事实。

太阳辐射量太阳光度(L)与G值有下列正比关系:

式中M⊙为太阳质量,R⊙为太阳光径,K=8πG/C2为广义相对论常数,C为光速。

在近银心点G值小,太阳辐射量变小;同时地日距离变大,空间物质密度大,故地球接收到的太阳辐射量最少;相反,在远银心点时地球接收到的太阳辐射量最多,这时地表平均温度较高。

空间物质密度银河系物质分布越靠近银心密度越大。

在近银心点时,地球周围空间的宇宙尘埃、气体等密度大,这时降落到地球上的宇宙尘就多,远银心点则相反。

地球磁场极性地史中地球在近银心点磁场极性以负为主,在远银心点以正为主,很可能与银道面介质中磁力线的分布有关。

若银道面上磁场分有南北两极,则地球绕银河系旋转一周,经过二种磁性方向不同的磁力线的时间就各占一半,这就可能使地球磁场极性正负倒转出现银河年周期变化。

同时,银道面上下磁场方向相反,地球在银道面上下波动以及其他运动,就可能引起地球磁场极性的次一级周期变化。

地球各圈层物质演变规律

地球半径G值在近银心点变小,地球自身物质之间吸引力变小,地球相应膨胀,故地球半径变大;在远银心点G值大,地球物质之间吸引力强,地球收缩,半径变小。

地壳运动地壳是地球极薄的一固体层。

作为一个旋转天体,整个地壳变动即地壳运动主要是由地球自转速度变化产生的应力所引起的。

这已被地球形状、地壳运动特点以及“构造体系”的存在等大量事实充分证明了。

王仁等人计算表明,只要地球自转速度单向变化率为10-10/年,并连续107—108年,就足以引起全球地壳运动。

地史中地球自转速度在银河年中单向变化率在107—108年内估量可达10-8/年,要比王仁等人计算所需的变化率大二、三个数量级,这完全可以引起地壳运动。

加里东、海西、印支、燕山、喜山期等运动都恰好在地球自转速度单向变化数107年后发生的。

“构造体系”主要是燕山运动以来形成的,这正是最近一个银河年中地球自转速度由快变慢单向变化半个银河年周期所造成的地壳运动格局。

地球自转速度变化引起地壳运动,而前者又是随着银河系宇宙因素的影响而呈银河年周期变化的,所以全球地壳运动也呈现出相应的周期规律性。

地球从近银心点向远银心点运动时,地球自转速度由慢变快,故在远银心点附近地球两极及高纬度地区以拉张断裂构造运动为主,赤道附近及低纬度地区以挤压褶皱构造运动为主;地球从远银心点向近银心点运动时的情形则相反。

而且在远银心点附近,地球自转速度快,地壳运动强烈即地壳运动强度定量指标高,如燕山运动、加里东运动等。

值得指出的是:

地球自转速度变化所造成的地壳变动格局是复杂的,在地球不同深度、不同区域、不同岩性中的地壳变动格局特点也会有差别。

“构造体系”只是地壳中一种褶皱构造格局,菱形断裂、镶嵌构造或许三角八面体等构造变形都是可能存在的。

“板块”只是地壳断裂而分离了的地块,自地壳断裂形成以来就有了板块和板块运动,并且板块运动主要是地球自转速度变化引起的,同样具有银河年周期特点。

地球自转轴在地球上的位置不是固定的,它随着地球在银河系中运动所受到的银河系宇宙因素的影响而发生周期迁移。

因此,全球应力场分布在地史不同时期是变化的。

中生代板块扩张轴可能就是板块断裂时的古地球自转轴。

地球自转速度和地球收缩膨胀的银河年变化都是银河年宇宙因素影响的结果。

地球收缩膨胀又在一定程度上影响着地球自转速度的变化。

地球自转速度快慢、地球收缩膨胀的银河年周期变化,就造成了地壳运动以及地球上许多变动的银河年周期性(旋回)。

黄汲清、张伯声等都认为有两亿多年的地壳运动周期,这正是地球自转速度银河年周期变化的结果。

李四光提出的地壳运动“车阀效应”的原因应该有宇宙因素,而不主要是地球自身因素。

岩浆活动岩浆活动主要是地球内部物质向外运动,它主要受地壳运动、地球收缩膨胀等因素的影响。

地壳运动、地球收缩膨胀呈银河年周期变化,岩浆活动强度也表现为相应的周期性。

在近银心点时,地壳运动强度弱,岩浆活动、变质作用也弱,火山岩体积就小。

地球从近银心点向远银心点运动,地壳运动加剧,岩浆活动、变质作用增强,到远银心点时达到最强,故火山岩体积在远银心点附近最大。

岩浆岩岩性的时空分布规律

岩浆岩岩性的时空分布规律主要与地球收缩膨胀、地壳运动类型有关。

在近银心点地球膨胀,使地球内部物质向外运移,这时基性、超基性等岩浆岩出露、分布较多,如世界上新生代和二迭纪地球在近银心点附近时玄武岩的分布就很多,87Sr/86Sr比值也较低;在远银心点地球收缩,使地球物质向内移动,这时中酸性、酸性等岩浆岩的出露、分布较多,如燕山期、加里东期大量分布有花岗岩(如华南地区)。

同时,岩浆岩岩性在地球空间上的分布还受到地壳运动类型的操纵。

在断裂尤其是深大断裂构造运动地区,地球内部物质容易出露,岩浆岩岩性以超基性、基性等分布为多;在褶皱构造运动地区,则以地壳较外层的物质如中酸性岩以及混合岩为多。

所以在近银心点时,地球两极附近及高纬度地区将大量侵入、出露超基性、基性岩,赤道附近及低纬度地区则以混合岩、中酸性岩为多;在远银心点则反之。

由此可见地球在演化过程中既收缩又膨胀,而且是呈银河年周期规律变化的。

因此,地球在银河系中运动,岩浆活动、变质作用强度有规律地呈现出强-弱-强、岩性呈酸-基-酸的银河年周期变化,这使地球上岩石、矿物、矿床、元素等的时空分布也表现出相应的周期性。

但由于漫长地史中多个岩浆活动周期的叠加以及物质演化的不可逆性,地球物质分布特点就十分复杂了。

宇宙地球学根据各级层次天体宇宙因素的地球效应特点,从具有同时性、整体性、全球性的地球变动资料,主要采纳将今论古、从阶段寻周期、从小周期寻更大周期、将周期论比周期的周期类比法来探讨、研究地球在宇宙因素影响下的演变规律和历史。

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