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发布时间:2020-06-05 13:41:30

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作者:袁健

出版社:浙江大学出版社

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地球生理

地球生理试读:

内容提要

本书试着从地球自身的组织结构出发,从OP分离入手,通过定义地胞、性态函数、机能变量、振荡轨道、平衡效应、聚拢中心等概念,从机理上对地球中的物质迁动及其所体现出的平衡效应进行了理论分析。在把核振荡所引起的振荡效应视为代表并对其给出了定量讨论的同时,重点提出了用地球“生理”的学说体系来统一解释地球演变的模式和见解,进而探讨性地提出了利用核振荡作为统一化指标,通过做地史心电图来研究地史事件的一个新途径,并把地磁场的形成归因于地核与地表的角速度较差而产生的平行电流。

通过这一新的学说构架出一个新的框架来研究地学,尝试把地球物理、构造地质、地球磁场和自然哲学等在此融会贯通。最后在应用地球“生理”学说重新阐释了地学凝结的基础上,给出了本书的重点论旨:地球以其独具的结构特色进行着自身的“生理”性活动。“生理”活动时,地球的物质质量发生了重新分配,从而使地转轴、地球转速、黄赤夹角、地磁场都在拟周期性地变化着;平衡效应不仅是地球自组织结构体维护自身物质统一的基础,而且是一直以来,直到将来的各式地球事件得以形成的原因。序

岁月蹉跎,2012年故意生活,刻意生活。人生想象的状态如登山,已过不惑,如处于山的鞍部,而似乎我的心中有正鞍亦有反鞍,高峰和低谷正反相呼,菩提和烦恼上下相应,且驻且行,不觉然又回眸到大学时代著述的《地球生理》,青葱岁月,怀拢理想,当初18岁的认真、稚嫩之笔对大地母亲的故意理解、刻意理解......

回头来勘正成文于1987年的原版《地球生理》,哲学的回望多了,数学物理的回归少了,因而这次的补正主要是新加了一点当前的有关研究、资讯的补丁。在这里要特别感谢为兹提供热情帮助的周华敏硕士,希望这些“补丁”能一扫原文的尘灰,带给读者一些新鲜。而未可更改的仍是,本文观点思想已定型于25年前的一件“古董”作品。或于岁月正观已远,反观又很近。

个人感言“渺”不足言,聊为序。袁健2013年1月第一章地球的组织结构

本章引言:

从地球自身的结构性出发,可以在地球内划分出这样一个结构体组织水平逐级升高的层次:元素、矿物、地胞、地组、地系、圈层。其任何一个实体在地球内都具有一个特定的空间范围,有着其独特的性态、功能,并依靠其各自性态函数的“环境变量”和“机能变量”的互相耦合,共同构成一个具有多层次系统——子系统网的地球总体,体现出地球的自组织性。第一节地球的起源演化和径向分层

事物的存在都是一个永恒演变的序列,其序列的端极便是生和灭。宇宙也是一个无限演化过程的集合。虽人的一生能看到的只是一瞬,但智慧之神却可以施之于无限的推测。

几百年来,天文观测告知了人们许多想象之外的事。各种天体无不处在聚积与分散、塌缩与爆炸、生成与死亡的演化之中。年纪大了的星球逐渐地暗下去,青春年少的星星又正在热起来......到处都发生着随能量的不断扩散和集结而导致的生生灭灭。

地球早期的演化过程,一直是个争论很热烈的问题。就目前的研究而言,关于太阳系的起源和地球的形成演化主要有三个假说:灾变说、俘获说、星云说。灾变说认为太阳是先形成的,由于某个事件,如恒星与太阳相碰撞或距离很近,从太阳中拉出一部分物质,并赋予巨大的转动角动量,这些物质后来逐渐形成了行星及卫星,地球就是在大约46亿年前当太阳还年轻的时候从围绕太阳的星云和尘埃里脱胎而出的。俘获说同样也认为太阳是先形成的,但是认为原始行星物质是来自其他星际,被太阳的引力俘获而来。

星云说认为,形成太阳的物质基础是星云,即大团旋转着的气体和尘埃,形成太阳系的动力是自引力,及星云各部分相互吸引的引力。由于原始收缩的太阳具有磁场,而太阳外围的圆盘星云内有电离气体,所以太阳与圆盘星云内产生了一种磁致力矩,使得太阳的角动量转移给星云圆盘,因而圆盘形成的行星具有较大的角动量,旋转速度会加快,而太阳由于失去角动量而转速越来越慢。星云说是最为流行的和被人们认可的有关太阳系起源的假说。图1.1为星云说的一个简单解说图。图1.1 星云假说模型图

太阳在收缩的过程中表面温度保持着3500℃左右,因此,作为太阳系行星之一的地球在形成的过程中,会接收太阳所辐射出来的热量。当地球的自转角动量足够大,热量的转化达到一定程度时,就会出现在近融熔状态下以引力为主导的分离过程。这样,组成地球的原始物质里,在地球轨道附近地区,沸点低的挥发性物质相继逃逸,逐渐演化形成大气圈、水圈、地壳。而不易挥发的铁、镁、硅等元素则凝聚为尘埃,通过碰撞黏合而形成块状物质,沉积到地球内部形成地核。这就是星云学说所认为的地球的形成演化过程。

地球内部的物质不均匀性使得地球内部的弹性性质不一样,而地震波中的体波在弹性参数不同的介质中的传播速度是不一样的,因此,根据地震波速度相的变化可以把地球划分为几个性质相异的圈层。

依据在地球内部传播的地震波的走时、频率、视速度、振幅特性或者面波的频散等特性、地球自由振荡的本征周期,以及一些其他的数据,可以反演得到地球内部速度和密度的分层模型,进而推测地球内部各圈层介质的速度分布和结构(如图1.2所示)。图1.2 地震波速度与地球内部构造

根据地震波传播速度的突然变化,先后发现地球内部存在着7个显著的地震波速不连续界面,其中最主要的不连续界面有3个。

1909年,克罗地亚学者莫霍洛维奇(A.Mohoroviche,1857—1936)发现,在地球内部大约33km处,纵波速度从7.0km/s迅速增加到8.1km/s左右;横波速度则从4.2km/s增加到4.4km/s左右,出现了一个明显的波速分界面,速度加快,证明出现了密度很大的可塑性固体层。人们把这一个地震波速不连续的界面,命名为莫霍面。莫霍面的出现深度,全球平均为33km,在大洋之下平均仅为7km。后来,人们就把莫霍面之上的地层称为地壳,莫霍面之下到古登堡面之间的地层称为地幔。

1914年,由美籍德裔学者古登堡(B.Gutenberg,1889—1960)通过大量天然地震震相分析发现:位于地下2885km深处存在一个速度不连续面。在这个面上,纵波速度由13.6km/s突然降低为7.98km/s,横波速度从7.23km/s到突然消失,这个面被命名为古登堡界面。此界面之下到地心,称为地核。人们常把地球内部的地壳、地幔和地核比喻为鸡蛋的鸡蛋壳、蛋清和蛋黄。

1936年,丹麦地震学家莱曼女士首先发现,在地球内部从2900km以下进入地核,纵波速度逐渐回升,横波速度因不能通过,恒为零,直到大约5300km深处,横波又重新出现,这时纵波的速度也呈明显跳跃,从而形成了地球内部的第三大间断面,称为“L”面,是内核与外核的分界面。

目前仍习惯采用 A~G字母来命名地球内部的7个不连续面,A—地壳,B—上地幔,C—过渡层,D—下地幔,E—外核,F—间断面,G—内核。具体的分层信息如表1.1所示。表1.1 地球内部的分层

据“初步地球参考模型(PREM)”改编。

自莫霍面至地面的A层称为地壳。各地区的地壳构造差别很大,这不仅显示了过去地壳演化所遗留的痕迹,而且说明现代地壳内部的作用过程及其对地表的影响。地壳内也没有全球性的界面,莫霍面在大陆和海洋下面都存在,它的正常波速为8.0~8.3km/s。但是在活动构造带上,莫霍面上的波速较正常值低得多。从莫霍面到650km的深度之间的B层、C层称为上地幔,B层中的横向变化也很复杂。把莫霍面至地幔低速层的顶面称为盖层。海洋底的盖层厚度约为40km,下面是180km 厚的低速层。大陆地盾的盖层很厚,可达150~200km。

另外,在上地幔内部(即B层内),还存在一个地震波的低速层,其深度一般在地表之下60~200km 之间。在低速层内,地震波速反而比上部减少5%~10%,这表明此处岩石强度较低,可能局部熔融。低速层的上下并没有明显的界面,地震波速表现为渐变的特征。低速层后来就被命名为软流圈。软流圈以上、岩石强度较大的部分(包括地壳和上地幔顶部)称为岩石圈。岩石圈和软流圈共同组成了地球的构造圈。

低速层下面深度为220~400km间的介质是比较均匀的。400~670km间的地层称为过渡层(C层),速度梯度较大。

670km以下至2891km,称为下地幔(D层)。相对说来,下地幔比较均匀,速度梯度较小,速度的变化也比较均匀,但是在1800km以上的某些层区,其速度梯度也显示有较小的变化。下地幔底是厚150km的D″层,它的纵波速度为13.7km/s,横波速度为7.3km/s。D″层的速度梯度接近于零,表明这里的温度梯度特别大,或者是物质成分发生变化,它才能补偿因压力所产生的速度正梯度。

P波通过幔核界面后,速度陡降,而S波不能通过外核。由地球物理资料人们获得了地球外核E层属于液态性质,而内核G层属于固态性质的认识结果。知识链接1.为什么能用地震波来探测地球的内部结构?

地震波是由于地球内部介质局部发生急剧破裂,地下岩石受到强烈冲击所产生的弹性振动传播波,它能在整个地球传播。地震波可分为纵波、横波、面波和界面波四种类型。纵波(P波),也称疏密波,通过物体时,物体质点的振动方向与地震波传播的方向一致,传播速度最快,能通过固体、液体和气体传播,地震发生后,纵波最先到达地面,引起地面上下颠簸。横波(S波),通过物体时,物体的质点振动方向与地震波传播方向垂直,在地壳中传播速度比纵波慢,只能通过固体介质传播,比纵波到达地面晚,横波能引起地面摇晃。纵波、横波合称体波,体波在地球体内部可以向任何方向传播。面波(L波),是纵波或横波到达地面后,从震中沿地面表层向四周传播的次生波。利用面波的波散现象,可推算相应地区的地壳和上地幔的结构状况和性质。界面波是在两个弹性层之间的平界面附近传播的地震波。目前人们还不能对地球整个内部进行直接观察研究,由于不同的地震波,具有不同的性质和传播特点,地震波在地球深处传播时,如果传播速度突然发生变化,这突然发生变化所在的面,称为不连续面,根据不连续面的存在,人们间接地知道地球内部具有圈层结构。因此可以利用地震波来探测地球的内部构造。知识链接2.地球的圈层结构

地球圈层分为地球外圈和地球内圈两大部分。地球外圈可进一步划分为四个基本圈层,即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈;地球内圈可进一步划分为三个基本圈层,即地幔圈、外核液体圈和固体内核圈。此外,在地球外圈和地球内圈之间还存在一个软流圈,它是地球外圈与地球内圈之间的一个过渡圈层,位于地面以下平均深度约150km处。这样,整个地球总共包括八个圈层,其中岩石圈、软流圈和地球内圈一起构成了所谓的固体地球。对于地球外圈中的大气圈、水圈和生物圈,以及岩石圈的表面,一般用直接观测和测量的方法进行研究。而地球内圈,目前主要用地球物理的方法,例如地震学、重力学和高精度现代空间测地技术观测的反演等进行研究。地球各圈层在分布上有一个显著的特点,即固体地球内部与表面之上的高空基本上是上下平行分布的,而在地球表面附近,各圈层则是相互渗透甚至相互重叠的,其中生物圈表现最为显著,其次是水圈。第二节地球的自组织性

日常生活中,我们可以察觉到地表是凹凸不平、不均匀的,既有高山、河流,又有低谷、盆地、海洋等。就如地球表面所表现出来的切向上和径向上物质组成的不均匀性一样,整个地球内部的物质组成也是不均匀的。前文已经谈到,由于地球内部的弹性性质的不均匀性,在地震波相速度上表现为速度的突变,以此来探测地球内部的不连续分界面,从而形成了地球内部构造的划分依据。

那么,地球内部的物理性质那么多,例如有密度、磁性、电性、反射性、地热、压力等,这些性质在地球内部是否也有差异呢?能否依据这些物理性质来对地球进行一定的划分呢?

逻辑上,这是可以的。例如,由于地球表面的起伏不平、地下物质的密度分布不均匀,因此就可以用重力仪来实测该点的重力观测值与该点的正常重力值之间的差异,从而获得地球的重力异常场,进而研究地球内部物质密度的分布情况。再如,通过研究测定岩石或古代文物的磁性,可以研究地史时期和人类文明史期的古地磁方向、强度及其演变规律,这就是古地磁学的研究工作。而且还可以利用地球内部的磁性变化来研究地球从形成到现在所发生的一些演变,如大陆漂移、极移等。另外,地球的地热场也是地球的基本物理场之一,它表示地球内部各圈层中的温度分布状态,地球内部的温度分布不仅与空间位置有关,还随时间变化,地球的地温增温率是随着深度的增加而减少的,因此可以通过测量地球的地温来研究地球内部结构的变化情况等。这些都说明了研究地球内部结构的方法有很多,不同专业的研究学者一直在致力于通过研究地球内部物质不同的物理性质来推进对地球的认识。

综观这些研究,可以发现地球内部物质组成是不均匀的,地球内径向上的成层性已经显示了地球内径向上的不均匀性。而且目前的各种观测数据也显示:地球内也很难构成一个完整的连续的界面。这一事实也说明了,地球内部各圈层同样也存在切向上的不均匀性。地球内部的这种不均匀性体现了地球是处于一个变化、发展的系统中。

地球内物质组成上的不均匀自然是地球在宇宙中不断演化发展的结果,这个复杂的不均匀体现了地球内已拥有的较好的有序结构。一定的有序结构体是形成地球内不同等级的组织系统的基础。地球内不同等级组织系统的形成反映了地球的自组织性。

对于一个由大量子系统所组成的系统来说,在一定的条件下,它的子系统之间自发地通过非线性的相互作用就能产生协同现象和相干效应,并形成自己一定的组织功能和时空结构,使系统表现出新的有序状态,常把这个特性叫做系统的自组织性。地球内这种系统状态的形成和发展也正是地球的自组织性的具体表现。知识链接3.自组织系统(self-organizing system)

自组织是指在不存在外部指令的情况下,系统按照相互默契的某种规则,各尽其责而又协调地自动形成有序结构。自组织理论是20世纪60年代末期开始建立并发展起来的一种系统理论。它的研究对象主要是复杂自组织系统的形成和发展机制问题,即在一定条件下,系统如何自动地从无序走向有序。从系统论的观点来说,“自组织”是指一个系统在内在机制的驱动下,自行地从简单向复杂、从粗糙向精细的方向发展,不断提高自身的复杂度和精细度的过程;从热力学的观点看,“自组织”是指一个系统通过与外界交换物质、能量和信息,而不断地降低自身的熵含量,提高自身有序度的过程;从统计力学的观点看,“自组织”是指一个系统自发地从最可几状态向几率较低的方向迁移的过程。自组织理论主要由三个部分组成:耗散结构理论、协同学、突变论。任何一个组织都必须具备自组织的一个基本要素,否则就失去了存在的基础和发展的动力。同时,自组织系统具有分离性、层次性、进化性等特征。目前整个宇宙是最大的自组织系统,这个自组织系统又是由无数自组织系统构成,因此地球也具有自组织性。图1.2 自组织系统第三节地球内组织水平的分级

在地球内建立一个坐标系后(如质心坐标系),对应于一确定点R(x,y,z)来说,它所处的位置和自身的物理特性决定了它所相应的各特征参数的特有组合。这个由位置影响或控制的性态参数组合使该点“物质元”从本质上与其他各“物质元”区别开来。

对于某“物质元”的众多性态参数中的一种来说,可以认为它是其位置坐标x,lt@span i=1>y,lt@span i=1>z的函数。比如对压力p、温度T、受力F、速度v、摩尔质量M等性态因子来说,则有:

这样,若要把某一“物质元”的各种性态特征全面地描叙出来,就要用许多函数式。为了降低这个困难,在理论上概括地表示出地球内某一“物质元”的所有物化特性,特取定一个函数Y,我们假设它总括了一切决定该点性态特征的因子,并称这个能表征地球内一个物质实体的各种性态特征的函数Y,为该特定物质元的“性态函数”,即

性态函数的取值称为该点的“性态值”。这样,在抽象出了这个000Y 函数后,对于地球内某点x,y,z处,物质的各种性态来说,就可以借助函数Y 简洁地描叙出来:000

这时的Yx,y,z就是该点物质所有特性的综合指标,也即该“物质元”的性态值。通过性态值的唯一确定,可以认为由性态函数为地球确定了一个“性态场”。

假设对于地球内某一空间的Y 函数而言,具有一阶连续偏导数,则对该空间内的任一点R(x,y,z)来说,就可以确定出一个梯度向量:

它的方向与取得Y 函数最大方向导数的方向一致,而它的模为该方向导数的最大值。因为该向量表征了性态函数的梯度,故简称其为“性态梯度”,记作g radY,则对某点R(x,y,z)来说,有:

从数学意义上,可以很容易地知道,某处性态梯度的方向也就是该处性态函数Y 变化率最大的方向,它和该处性态陡变面的法线方向一致。相对应地,地球的性态梯度就是地球性态函数变化最快的方向。

地球内部是不均匀的,这种不均匀性表征了地球内的系统自组织性。正因为地球内有这样的不均匀性,所以若给性态函数Y 任取几个适当数值的等量面的话,即:则通过这些等量面在地球体内的交接错杂分割,就可以在理论上把整个地球从性态的变化程度上划分成许多大小不一、形状各异、性态特具、等级有别,但又彼此之间空间共轭、相互作用的小组织单位。

为了显示地球体的这种结构特点,如果通过质心O任作一等量面C的截痕图,则它会有如图1.3所示的形式。而这些被等量面网状分割出的小“地块”,它们内部的物质性态在一定程度上有同类性,性态值相近,性态梯度相当。由于这一个个小地块内的物质元,它们连结在一起,并有相似的性态值和性态梯度值,所以它们从各自相似的“气质”和“环境”出发,自发组成了地球内一个个相对独立的结构单位,并具有各自特有的边界和功能。这些成群小单元的出现,既是地球内物质组成不均匀的显现,同时又是地球自“出世”以来体内物质不断分异演化而走向有序的必然结果。图1.3 地球的等量面截痕图

就如人体是由最基本的生理单位——细胞组成一样,笔者想把地球内实际存在的,由具有最相似的性态值和性态梯度的物质实体所组成的、在结构和功能上具有一定独立性的小地块称作“地胞”。并同样假定其为地球内“生理”结构的最小单元和最基本单位。那么,到此就可以这样说:“庞大的地球体是由千千万万个地胞所组成的”。

有了地胞的概念之后,我们就可以在较为有具体意义的单位上来分析地球内的系统结构。但由于地胞所占的空间很小,用它来分析庞大的地球时使用起来还不够方便,笔者想再类似性地提出“地组”和“地系”两个单位的概念。

所谓“地组”,指在空间上紧密结合起来的、具有一定结构和功能形式的,性态函数能彼此耦合的地胞群。所谓“地系”,是指在时空上相互作用,行径上多为一体的地组组合体。这样,从性态函数的等位面取值上来说,则从地胞、地组到地系,C值逐级增大。等级单位内的性态梯度值相近,而边界上,性态梯度值发生突变,因此可以用定义性态梯度的方法来求取边界处的性态梯度的导数,如果性态梯度的导数值不为零,则该处为等值面的边界。因为在同一等级面内,或说地胞内,性态梯度的变化率不大,近似为零,由此可以得到等级单位的边界条件为:

现在回到当今已通用的几个概念上来考察它们内涵间的联系,则可以说:板块即为地球表层(岩石)内的“地系”;地球圈层即为与地心径向距离相当、速度相近的“地系”结合起来形成的。地表的地台和地槽为与“地组”相当的等级单位;而“地胞”则有如地表的一块岩体、一个山丘或一个湖泊,它可大可小,形态各异,但组成均一。

这些等级不同的概念构成如图1.4所示的地球内组织水平的分级系列。图1.4 地球组织水平分级知识链接4.人体的组成

人体是由细胞组成的,细胞是生物体中结构和功能的最基本单位。就像是一栋建筑物由许许多多的砖块组成一样,人体大约包含100万亿个细胞。这些细胞相当微小,大多数要借助显微镜才能看到。细胞的繁殖是通过细胞的分裂、分化来实现的,单细胞生物中的细胞分裂就是个体的繁殖。在多细胞生物中,细胞分裂是个体生长、发育和繁殖的基础。分裂后的细胞,在形态、结构和功能上向着不同的方向变化,细胞分化的结果是形成不同的组织。细胞死亡是细胞衰老的结果,是细胞生命现象的终止。由形态的相似,结构相同,执行相同功能的细胞所组成的细胞群叫做组织。人体基本的组织分为四类:肌肉组织、神经组织、结缔组织和上皮组织。不同的组织,按一定的次序结合在一起构成器官,每个器官都具有一定的形态和功能,器官在人体内的工作比组织内的工作要复杂得多。每一个器官都是人体内器官系统的一部分。能够共同完成一种或几种生理功能的多个器官,按照一定的次序组合在一起就构成了系统。人体共有8大系统,各种器官和系统共同组成生命体。由此可以看出,人体各个部分的协调作用,充分体现出人体是一个统一的有机体。人体是由细胞、组织、器官和系统组成的。最小的单位是细胞,最大的单位是系统。而我们美丽的地球具有与人体生理结构相类似的结构特征。由地胞、地组、地系、圈层共同构成了今天生机勃勃的地球。第四节机能变量和环境变量

无论是一个元素,一个地胞,还是一个地系,甚至是整个地球,我们都可把这些组织水平不同,但同样具有一定自组织结构的物质实体称为“结构体”。由这些结构体组建成了地球的系统——子系统网,每个层次上的系统在空间又都具有其特定的范围和功能。

任何一个能够维持其机能的系统必须依赖于外界环境提供输入和接受输出,其行为也因而经常地受到环境的影响。但是每个系统又不是“完全被动”地接受环境的影响,在正常的情况下,即在一定的限度内,其本身都具有一定的反馈机能,使它们能够完成自动调节,逐渐修复与调整因外界“干扰”而受到的“损伤”,维持其正常的功能和结构,保持其相对平衡的状态。

正是由于地球内具有这样多层次、多水平的错综联结的系统——子系统网,才使地球作为一个地球整体存在,而且具有极大的结构稳定性,才使地球成为能有一定运行规律的行星,才使地球有了可以用天文时间来考察的“生理过程”。

为了从性态函数的角度,来研究地球内的一个结构体其内部与外部的作用和变化,我们可以从两个互补的方向上来考虑,从而把决定一个结构体性态函数的性态因子分为两大部分:环境变量和机能变量。

环境变量体现在研究对象的Y 函数里,但却直接由外部环境决定并首先反映外界条件变化的性态因子(如:原子反应、热辐射等)。机能变量是指在研究对象的Y 函数里,地球内部的自组织系统中的某一部分所应有的作用和功能,是地球本身所固有的能力,它使得地球不会完全被动地接受外部环境的影响,具有一定的抗干扰能力。

由环境变量和机能变量的互相配合、相互作用,共同组建了一个结构体的性态函数,表现了其发展变化的外因和内因。第二章地球的OP分离

本章引言:

地核深居地球的腹心,它里面的活动情况人殊难了解;但正因其为地球的“心腹”,所以地核的任何变动都可能引发全球性的效应。反过来说,则一切能对整个地球显示出巨大改造的作用,其作用过程的总效果也可能最统一地体现在地核的动态特征里,尤如OP分离过程的OP。第一节地核的物化性质

现在人们已经很清楚地球是由地壳、地幔、地核三部分组成的,但是以目前的科学技术水平,人类对地球内部的勘探深度最大也不过12km,而地球的半径足足有6370km之深。因此,我们所触摸到的地球,实际上就像吃苹果时用刀子划开的果皮——仅仅限于薄薄的表面一层。一直以来,人们无法直接认识地球内部的结构,地球内部乃至中心究竟是什么东西?千百年来始终是一个未解之谜。但是人类对地球并不是一无所知的,智慧的人类根据地球的运动变化,不断向地球深处去探索。图2.1 P波阴影区(来自USGS)

早在1910年,科学家们就发现如果地震波路径可以密集地覆盖地球内部的话,那么就有一个特别的空白区是完全没有地震波可以穿越的,这个区域是角距离约为103°到143°处(角距离:以弧度表示的从震中到测站在地球的大圆上走的距离),并命名为“阴影区”。阴影区的存在是由于地核的存在,使得在地球内部传播的地震波发生折射和反射,地面一部分地区记录不到直接到达的地震纵波和横波。古登堡指出P波和S波必须穿越2900km的深度,才可能抵达离震源103°弧距的地表。S波在此处消失,表示此深度以下由液态物质所组成,后来这个界面被称为古登堡界面,为地幔和地核的不连续面。通过古登堡界面的P波速度急剧下降,这有力地证明了低速地核的存在。

后来,随着监测地震的仪器灵敏度的不断提高,科学家发现在阴影区内,也就是距离震中角距103°~143°,也有些微弱的P波出现,1936年,莱曼发现通过核幔边界进入地核的P波在103°附近,振幅减弱,速度降低。而在143°以后,P波的振幅又重新增大,速度从8.2km/s左右逐渐增加到10.4km/s左右,而此时也能检测到S波。因此她发表了一篇文章,指出:假设地核还可以再分成两个部分——属于液态的外部地核和固态的内部地核,固态内地核的存在,则可以解释部分P波会在内地核中及内地核和外地核的边界上进行折射,而在阴影区内出现微弱的信号。这个观点随后得到了古登堡和杰弗利斯的证实。图2.2 地震波在地球内部的传播路径

近些年来,人们根据爆炸的资料重新求得精确的 PcP和ScS走时,同时参考地球自由振荡的数据,精确的地震波走时算得最佳的地核半径为3485km,又进而把地核分为 E、F、G 三层,这如图2.3所示。内外核的分界面在5155km左右。

因为横波不能通过外核,所以一般推测外核主要是由铁、镍、还有一定量的轻元素(如氧、硅、碳等)物质构成的熔融态或近于液态的物质组成。液态的外核会缓慢地流动,所以有学者推测地球磁场的形成可能与此有关。由于横波在内核中出现,所以内核可能是固态的。但是关于内核的物质构成,学术界有不少争议,一般认为是由铁、镍组成,但究竟为何物,还有待进一步的研究,最新的研究显示,地核的内部可能富含金、铂和其他亲铁元素,地球内核很有可能是一个“金核”,但是这一猜想目前还没有得到证实。然而,地球的内外核之间并不是截然分开的,在内、外核之间有一个过渡层,深度在地下4980~5120km之间。图2.3 地核内部的分层

地核的总质量为1.88e24千克,占整个地球质量的31.5%,体积占整个地球体积的16.2%,体积比太阳系中的火星还要大。密度从地33幔的5.55g/cm突然跳到9.9g/cm。外核的厚度为1742km,平均密度3约为10.5g/cm,物质呈液态。过渡层的厚度只有515km,物质处于由液态向固态过渡的状态。内核厚度为1215km,平均密度增至12.9g/3cm。在外地核,压力范围是136~329GPa,到内核部分就增加到了329~365GPa。地核内部不仅压力大,而且温度也高,可达4000~7000℃。根据地球化学和地球物理测量与实际资料推断,用同位素年代学方法测得的地核年龄大约为47亿年,与地球的年龄相当。

据报道,2007年4月,美国科学家罗伯特-范德休斯和他的团队公开表示他们已经测出地核-地幔边界的温度大约为3700℃,内核与外核交界处的温度为6300℃,并且估计地核内部温度可能高达6600℃,几乎与太阳表面一样热。

我们知道,地核是由铁、镍组成,在这么高的温度下,铁理应处于熔融状态了,为何还会有固态的内核呢?原因是,越向地核深入,压力会不断增加,铁的熔点也会不断增高,铁的熔点要比温度上升得快一些,因此,在地球的内核处,铁核变成了固态的内核。压力使得铁的熔点变得非常高,以至于在这么高的温度下也不能融化内核。虽然科学家们很难在实验室里模拟,但是科学家们深信不疑的一点是:地球内部是一个温度极高且极不平静的世界。地球比较稳定的旋转系统是由于质量很大的太阳,以其巨大的引力维系着行星和卫星内部的各种物质始终处于永不停息的运动之中。知识链接5.地心之谜“科幻小说之父”法国作家儒勒·凡尔纳于1864年写了《地心游记》,讲述了李登布洛克教授在一次偶然的机会进行了一次地心旅行。他从汉堡出发,按照前人的指引,由冰岛的一个火山口下降,途中历尽艰险和种种奇观,从鱼龙的嘴里死里逃生,遭遇水源的危机......最终排除万难,在地心环游了地球一周,在一次危险的火山喷发中他被炙热的岩浆喷到了地中海的斯德隆布利岛......

尽管这个故事不太可信,但它表明了人类对地球内部的探索从来没有停止过。从柏拉图时代起,人们就开始猜测地心处也许可能存在生命。柏拉图设想:地球内部布满了隧道和空洞。而美国地球学家多利鲁则认为:地球的中心绝非泥浆熔岩,而是直径约160公里的空洞。科学家埃德蒙·哈雷发现:地球磁场有时有轻微变化,这也暗示着地球可能有几个磁场同时存在。后来也有研究人员假设:地球内部很可能藏着另一个“地球”,有适宜的气候,独特的动植物,甚至存在特殊文明等。他们认为,极光实际上是地球北极薄地壳处泄漏出来的气体。一些研究者还认为,地心文明是外星人的杰作,他们对于人类无休止的争战感到厌倦,于是移居地下,静观人类的发展。UFO并不是其他星系的来客,而是地下居民的交通工具......

而美国加州理工学院的达维史蒂文森在2003年5月15日出版的《自然》杂志上提出一种探测“地心”的构想:先在地表引发威力达数百万吨黄色炸药威力的核爆,挖掘一条长与深各300m,但宽度只有一米的壕沟,然后注入数十万吨的炽热熔铁,熔铁像巨大的刀锋切开地球的岩层,灌入铁水的同时,科学家会在其中放入一个葡萄柚大小的由特殊材料制成的探测器。探测器随着热的铁水逐渐渗入地球内部,大约1个星期之后能够到达地球外核附近。目前国际上有一个大陆深钻计划,中国是三个主要负责国家之一,在中国青藏地区,打一个8km深的深洞。以后会有无人驾驶的飞船,虚拟人驾驶着飞船进入“地心”。

2008年,美国伊利诺斯州立大学的科学家首次成功地制作了下面这个地核的三维立体模型,基本揭开了地核的奥秘,这有助于我们更好地了解地球内核的特性、矿物属性和演变过程。图2.4 地核三维立体模型第二节地球的质心

在平时,为了处理问题的方便,我们常把地球看作标准的球对称体,这时地球的质心和几何中心合二为一,而且地球本身的几何中心和质心理应就十分接近(或重合),于是我们就笼统地合称其为“地心”,但这并不能抹掉它们之间的区别。

对于地球的动力学讨论,我们可以把它看成是由无限多的质点相互联结起来所组成的质点组。这样,地学中常用的两个概念要借之诠释,则有:“内生作用”就是该质点组内的相互作用,“外生作用”就是该质点组外的物体对质点组内质点间的相互作用。

对于机械力来说,内力是满足牛顿运动第三定律的,故质点组中任何一对质点间(设第i个和第j 个)的相互作用恒等而且反向,即

如假定地球这个质点组由n个质点组成,则质点组中诸内力的合力亦必为零,即12n12n

设这n个质点的质量为m,m, …,m,位于p,p, …,p诸点,这些点对某一指定参考点的位矢量是,则质心C对此同一点的位矢满足以下关系:这个位矢末端(始端仍在O)所确定的一点,即定义为所谓质点组的中心。在某种意义上,可以把它看作是诸质点位矢的平均值,且是以质量为权重的平均值。拿直角坐标系来说,则质心的坐标为ccc(x,y,z),其表达式见(2.4)。

地球体内无论其组成物质的空间位置怎样变化,但任何时刻总都ccc会有上面这个质心(x,y,z)存在。为了后面讨论上的方便,就此直ccc接建立以整个地球质心为中心的参照系,这样则有:x=y=z=0。

同样的道理,若我们把地球从核幔界面,内、外核界面处分离成三部分来分别考虑的话,则它们各自会有一个质心存在。在这里设定整个地球的质心为O,地球内核的质心为P,内核外整个地球的质心为K,整个地核的质心为L,则由地球内部的密度分布方程和各部分相应的体积,代入式(2.5):

就可以分别计算得:R20

M=∫4πrρdr(2.5)240

O所代表的质量:M=5.974×10kg24P

P所代表的质量:M=0.09675×10kg24K

K所代表的质量:M=5.694×10kg24L

L所代表的质量:M=1.882×10kg

从这里可以看出,地核虽体积只占到整个地球的16.2%,但其质量却占到整个地球的31.5%。第三节地球的核振荡——OP分离

太阳系是一个比较稳定的旋转系统。质量很大的太阳,以其巨大的引力维持着一个天体系统以它为中心做周期性的圆周运动。地球是太阳系中一颗普通又特殊的行星,它带着自己的卫星——月球,沿椭圆轨道绕太阳运行。然而地球围绕的不是太阳的中心,而是太阳和地球共同的质量中心——椭圆轨道的一个焦点上,这个焦点距离太阳的质心仅仅为450km。同时地球还受到太阳系、甚至宇宙空间中的其他行星、恒星对它的引力作用。由此可见,地球并不是孤立地存在于宇宙空间的,它和其他的天体之间有着密切的相互引力作用。

其实,按椭圆轨道绕太阳运动的并非为地球的中心,而是地—月系统的公共质心。月球绕公共质心的运动既有公转,又有自转,周期均为一个月,而地球绕公共质心的运动则是一种平移运动。由于地球质量为月球的81.5倍,故按前节里的质心计算法则可首先计算得地—月的公共质心位于地球内部2/(3r)的地方(r为地球的半径),即距离地球地心4671km。这样,如果仅把理论上地球围绕太阳运行的轨道选为一参考轨道的话,则显而易见,轨道构成实际上是遭到了月球的“介入”,此时地球质心O在参考轨道上已是呈“振荡”性地运转了。而且,除了有“近在咫尺”的月球的引力作用外,还有其他诸行星、卫星引力场的参与。

因此,事实上地球质心O在空间的轨迹,不仅有月球引致的“大振荡”,而且有其他诸星体引致的“小振荡”;不仅有月球引致的为期一月左右的振荡周期,而且还同时叠加有空间里诸多其他按一定规律运行的星体所引致的多种时相的振荡周期。由此可见,地球环绕太阳所循行的轨道,对于理论上为一标准椭圆的轨道来说,实际上已为一种很复杂的带有“振荡性”的轨道了,笔者特称此轨道为“振荡轨道”。

地球作为一个整体在“振荡轨道”上运行着,并整体性地经受着“轨道振荡”的效应力,但轨道振荡对地球内各结构体所效生出的作用力却并非等同。首先是因为各个地胞都有自己独特的环境变量和机能变量,其次是因为各地胞的惯量不等。这样,各结构体在共同受到轨道振荡的作用时,相互之间就可能效生一定量的相对运动。

如果把地核中的固体内核看作一个独立的部分,把除此之外的整个地球看作另一独立的部分,再考虑到两者相连接处的液态外核隔层和两者之间显著的密度差异,那么就可以很好地推想:地球的轨道振荡必然会直接引致地球内核P一定形式的轨道振荡,这被称为“核振荡”。

事实上,科学家们已经发现:内地核并不在地球球体的正中央,而是偏向了西半球的方向。他们通过模拟地核内铁镍颗粒的状态,发现由于地球的自西向东自转,当铁镍颗粒从固态的内地核逐渐运动到液态的外地核时,就形成了对流。但这种对流在各个方向上是不均匀的,内地核东半球的铁镍颗粒被熔化后被对流带走,流向了西半球。而内地核西半球的液态铁镍表面已经凝固,形成了内地核的一部分。这样就使得地球的内核偏向了西半球。科学家还说,这样的过程还在持续进行,地球的心脏——内地核还在不断更新。但内核不可能一直向西偏移的,而是呈现出一种螺旋振荡式的。由此,也再一次说明了,我们的地球内核,确实是很不“安定”的,它一直在振荡的轨道上运动,处于不断运动的平衡状态。

为了接着从地球内部来分析内核P的轨道振荡,在此先定义一个重要的概念:“OP分离”。所谓OP分离,即是用来特指地球中固相内核的质心P和整个地球的质心O处于分离的状态过程。

虽然目前人们对地核各类性状的了解或多或少还建立在“臆定和推断”的程度上,但看来如下这3个“认定”,已基本上能被我们用来作为探讨地球内部其他一些问题时的可信“假设”:

1.根据速度特征可以把地核从1215km处粗略地分为性态明显有别的里、外两层。

2.地核主要由铁、镍组成,其密度很大,电导率、热导率很高。

3.地核具有极高的温度和压力值,由于压力提高使物质熔点的提高,使地球内核呈固相性态,外核呈液相性态。

现在我们若从相态和时空的角度来“遥瞰”一下地核,即有这样一个引人关注的情况:

在一个高压高温高能的半径为2900km的球状有限空间内,一个半径约为1215km的固态星核(指地球内核)沉居在一个体积约为它的30倍的液态外核的中心,接受着来自四面八方高压的胁迫和自身惯性因素的束缚。

试问,这个内核的质心P能做到每时每刻都和地球的质心O“心心相印”吗?

答案应是否定的。

因为即使是一块晶体,它其中的原子在其晶格结点上也有无尽的热振动。任何一个宏观上体现出的物理值也不过是其微观状态上众多值域的平均。假若某时刻,地球内核的外围对于地球内核所发生的众多作用不能完全地平衡——这是一个必然的可能,那OP分离的可能也就是现实了。

再问:两个质心O、P间能无限自由地相离吗?

这个答案也是否定的。

一来,只要OP间一有距离,就会一直受到万有引力的作用,万有引力的作用效果是使O、P两者合二为一。二来,一旦内核闯入外核空间时,就会受到外核的压性抵制和反推。三来,引致OP分离的原因本身又是形成OP分离量的限制原因。所以,P只能在一定的程度内与O分离,O是P的均态“席位”。知识链接6.超导重力仪测内核的平动振荡参数

近年来,随着空间技术对地球内部动力学的日趋需求,液态地核的动力学效应和固体内核的平动振荡理论的研究和检测越来越重要,而固体内核的平动振荡检测至今还是国际上地球科学研究中的一个前沿性课题。在众多的地球物理方法中,重力测量是除了地震方法之外,唯一可用于探测地球内部构造特征和动力学现象的有效手段。随着美国GWR公司新型高精度超导重力仪器(SG)的研制成功和国际网络资料的积累,地球固态内核的平动振荡研究和检测有了新的前景和希望。地球固体内核在其平衡位置附近的平动振荡是地球内部动力学问题的基本模式。目前全球分布有14个台站GWR超导重力仪,21个高精度潮汐重力观测系列,在欧洲有7个台站,亚洲有3个台站(中国武汉有一个),北美和南半球各有2个台站。科学家们利用超导重力仪在检测地球液态核和固态内核动力学现象方面做了很多有益的尝试,研究结果表明,利用重力手段精密测定地球固态内核的平动振荡参数将有助于人们正确认识地球液态外核和固态内核边界层的精细结构和密度分布特征。第四节OP分离的系统论

如果把地核作为我们所要研究的主体,那么就可以选择古登堡面作为系统的边界。该界面内的物质由相互作用和相互依存的地胞结成具有其特定功能的结构整体——地核系统。

系统内的组成物质从其自身的有序性特征形成了自己所特有的系统层次和结构。这里的地核系统除已明显有一个固相的内核沉居在液相外核的中央这一级结构层次外,还有内核和外核这两大部分内各自的不均匀性所表现出的次级结构层次。

一个系统所特有的组织和层次,决定了该系统的结构和功能型式。结构是部分空间中的有序,功能是系统内过程的有序。归根结底,结构和功能完全是一回事,在物理世界里都表现为物质的能量运动。只不过,结构之称,人们多用于对系统内而言,而功能之称用于对系统外而言。如果用一系列参数来描叙地核系统的结构特征的话,那么它的发展就可以看作是依赖于这许多参数的变化。而在这众多的参数中,OP显然不可排除。同时,OP也是最宜于选作代表性的参数来考虑。这是因为:其一,OP最直观地描叙了地核系统时空结构的宏观状态;其二,OP作为概念本身,意义具体明确;其三,从特征参数OP展开的理论分析,显得方便简捷,可行性很好。

当一个系统的发展在受到本身的变动或外界的干扰的时候,系统内的各特征参数就会产生或大或小的“涨落”。涨落即自发地偏离某一平衡态,这既是微观分子固有的一个普适现象,又是始终存在于多自由度的体系中。由于地核系统内各级系统的独立作用,以及它们在局部所产生的各种耦合,还有环境变量的随机波动等等,使得系统的宏观状态发生着对其定态值的偏离而产生涨落。而的产生和的变化正是地核系统的宏观状态在时空上发生的,对定态值偏离的一种具体体现。

在一个系统中,由于这些子系统(如地系下的地组、地胞)之间既有自发的无规则的独立运动,又有因系统之间固定的关联而形成的协同运动,从而形成的系统的涨落又反过来更加剧了系统内各要素之间的相互作用,使它们各自的发展在有限的时空结构内产生激烈的竞争。这样,因相互干涉,这其中的一些涨落(小涨落)就可能随时间而被放大成系统的大涨落(协同效应),同时更多的一些小涨落则自行消减下去,从而在总体意义上,把系统从一个旧的状态带入了一个新的状态。对于地核系统,如从这个角度上具体地来说,这个因协同效应而产生的大涨落就可能意味着大幅度的OP分离了,由其效生出地球体的“生理”大调整,从而把地核系统带入一个新的状态。知识链接7.协同效应和系统论

协同效应,经常被表述为1+1>2,原本为一种物理化学现象,又称增效作用,是指两种或两种以上的组分相加或调配在一起所产生的作用大于各种组分单独应用时的作用的总和。

所谓的系统是指由相互联系、相互作用的若干部分,以一定的结构组成的具有特定功能的有机整体。系统论是研究系统的一般模式、结构和规律的学问,它研究各种系统的共同特征,用数学方法定量地描述其功能,寻求并确定适用于一切系统的原理、原则和数学模型,是具有逻辑和数学性质的一门科学。第五节OP分离的类型

由于引致OP分离的因素复杂众多,影响OP分离“常态”进行的因素也同样复杂众多,因而也从根本上使OP分离的过程形式本身相当复杂。

为了便于展开对OP分离的讨论,我们取地球的质心O为参考零点建立坐标系,那么按照P点一定时域内的运动径迹,则首先可以把该时域内的模量归入这三个基本分量形式里。

无论哪种形式的OP分离,从较长一个时间上来考虑,总体上都是以O点为平均态的,因此,对OP分离的地史过程也就可以借“振荡”一词来描叙。虽然这个振荡并不等同于常规的物理振荡,但它却有着一种类似于物理振荡的波动特性或说涨落形式。接着,为了定量地描述某一时域内核振荡的量级,这里,笔者提出“振荡度”和“振荡量”两个概念,具体的定义可表示如下:

振荡度N:

振荡量Z:123

这里r= |OP|。Z、Z、Z分别为离O量、归O量和环O量。Z的单位为km,而N是一个百分数。

有了振荡度N和振荡量Z这两个概念后,就可以对OP分离复合过程——核振荡,从级度上进行分类。具体的划法如下所述:

A.一级振荡。把N≤5的核振荡称为一级振荡,可以认为它是地球内的基本振荡。这时OP的距离可远至113.5km,振荡度为[0,4.99]。从原先拟划的振荡度上看,虽等级很小,但从其分离量113.5km来看,已是一个相当可观的数字,更何况它也许就如同人体心脏的正常脉动范围一样,是一个“常态”进行的过程,所以对该区间内的核振荡应该给予深刻细致的研究。

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