地球熱平衡機制與地殼運動

1、地球熱平衡機制與地殼運動及地震預(yù)報的探討【該論文在中國科協(xié)第十屆年會2008防災(zāi)減災(zāi)論壇宣讀】摘要：地球內(nèi)部的熱能-地幔熱量是由于引力導(dǎo)致的壓力使巖石晶格 結(jié)構(gòu)破壞，巖石分子之間的鍵能釋放的結(jié)果。地?zé)崮鼙举|(zhì)上是引 力能的轉(zhuǎn)化形態(tài)。海洋地殼與陸地地殼的形成物理條件不同，散 熱性不同，因此，其地殼活動的特點也不同?；鹕?、地震的共性 是地球內(nèi)部熱能的積聚與釋放；地震預(yù)報宏觀上應(yīng)采用衛(wèi)星紅外 遙感技術(shù)、微觀上應(yīng)采用人工地震和層析成像技術(shù)。關(guān)鍵詞：地?zé)崮堋⒆匀唤缢姆N基本力、地殼與地幔交界面、能量轉(zhuǎn)化、 熱平衡機制?；鹕?，地震共性地殼運動的能量主要來自地球內(nèi)部的熱能。如火山噴發(fā)即是地球內(nèi)部存在 大量熱能的

2、明證。然而，地球存在已有46億年，年年都有火山噴發(fā)，年年都有 大地震發(fā)生。至今也沒有停息的任何跡象。地球內(nèi)部的熱能看來是無窮無盡，永 遠(yuǎn)都充滿著火熱的激情，不時來一次熱烈的釋放。那么，地球內(nèi)部的熱能到底來 自哪里呢？有些學(xué)者認(rèn)為地球內(nèi)部的熱能主要來自巖石中放射性元素衰變時不斷地釋 放放射能的積累，但是據(jù)研究結(jié)論放射性元素主要存在于地殼的巖石中，靠這點 放射能不足以維持地球內(nèi)部46億多年源源不斷的熱能釋放。太陽的光和熱來自太陽內(nèi)部發(fā)生的熱核反應(yīng)，即4個氫原子聚合為一個氦原 子時所釋放出來的核能。這種反應(yīng)需要極高的溫度和壓力。地球內(nèi)部不具備熱核 反應(yīng)的物理條件，也不具備核裂變連鎖反應(yīng)的物理條件，因

3、而，地球內(nèi)部的熱能 也不會來自核聚變反應(yīng)與核裂變反應(yīng)。在用地震波探測地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)地震波在地球內(nèi)部運動時有規(guī) 律性的變速現(xiàn)象，并據(jù)此分析研究，得出了地球內(nèi)部是分層結(jié)構(gòu)的結(jié)論，即最外 層是地殼，中層是地幔，里層是地核。在層與層之間有一個明顯的分界層面，地 震波就是在這些分界面層中發(fā)生變速現(xiàn)象的。其中，最值得注意的是地殼與地幔 的交界面（莫霍面），在這個面之上的是固態(tài)巖石，在這個面之下的是半流體態(tài) 的地幔物質(zhì)。當(dāng)半流體態(tài)的地幔物質(zhì)順著地殼裂隙向上涌動時，由于壓力遞減， 半流體態(tài)的地幔物質(zhì)就會變成流體態(tài)的巖漿。正是地幔物質(zhì)大規(guī)模浸入地殼才造 成了火山噴發(fā)、地震活動、造山運動等地質(zhì)現(xiàn)象。地

4、殼中的巖石分為火成巖（巖漿巖）與水成巖（沉積巖）兩大類?；鸪蓭r又 可分為花崗巖（緩慢凝固形成）、玄武巖（快速凝固形成）與變質(zhì)巖（巖石在高 溫高壓下重結(jié)品形成）三大類。大陸的地殼中以花崗巖和沉積巖為多，海洋的地 殼中以玄武巖為多，大陸地殼的平均厚度大約為4 0公里，海洋地殼的平均厚度 大約為2 0公里。從地殼已有4 6億年的歷史來看，地殼的厚度應(yīng)是相當(dāng)穩(wěn)定的， 如果隨著溫度的降低，地殼每年增厚1毫米，4 6億年時間，地球基本上就全部 成為固化的實心球了。顯然，地球內(nèi)部的熱能和地球向外散失的熱能有一個維持 平衡的機制，使地殼的厚度保持相對穩(wěn)定的數(shù)值。這個維持地球熱平衡的機制其原理是什么呢？從以上的

5、分析來看，已排除了 聚變與裂變能，也排除了地殼巖石的放射能。那么，在自然界存在四種基本能量 形式中，電磁力、引力、強相互作用、弱相互作用，這四種能量中，最有可能產(chǎn) 生地?zé)岬哪芰渴悄且环N呢？電磁波是向外發(fā)散的能量，通過特定的機制，才可以 轉(zhuǎn)化為機械能與熱能，強相互作用是核子結(jié)合能，即原子核能，弱相互作用是分 子結(jié)合能（化學(xué)鍵能），引力能是向心運動的能，也是一種大尺度聚合能。顯然， 地?zé)岬哪芰縼碓醋钣锌赡苁且δ芘c弱相互作用能。那么，這個能量是怎么轉(zhuǎn)化 的呢？在對地殼鉆探時，人們發(fā)現(xiàn)了每往下鉆深1 0 0 0米，溫度上升3 0。， 大陸地殼的平均厚度大約為4 0公里，按此處計算，溫度大約為1 2

6、0 0。，這 正是巖漿形成的溫度。為什么地殼的溫度隨深度的增加而增加？顯然，與壓力增加有關(guān)系，而壓力又是 與重力（引力）相關(guān)。我們據(jù)此可以認(rèn)為壓力增大使巖石分子間的距離更接近， 當(dāng)壓力使分子之間形成的晶格結(jié)構(gòu)無法保持時，巖石品格解體，分子之間的晶格 結(jié)合能釋放出來使固態(tài)的巖石變成流體態(tài)的巖漿物質(zhì)。而這個變化就是在地殼與 地幔交界面部位發(fā)生的。因此，地?zé)崮鼙举|(zhì)上是引力能，即引力能轉(zhuǎn)化為熱能。地震波探測大陸地殼與海洋地殼的厚度不等。從理論上講，只要壓力相同， 巖石的溫度就應(yīng)相同。所以，海洋地殼與地幔交界面的壓力不會比在陸地殼與地 幔交界面的壓力小。但因為海洋的平均深度為3 0 0 0米以上，水的導(dǎo)

7、熱性較差， 海洋地殼向外散失熱量較少，同時吸收太陽光熱又較多，所以海洋地殼的熱能散 失的較慢，地殼與地幔之間維持熱平衡的界面位置就比陸殼向上一些。由于海洋地殼與陸地地殼厚度不等，溫度有差異，在海陸地殼交界處，地殼 就會發(fā)生斷層或斷裂現(xiàn)象，這就是海溝形成的基本原因。大陸地殼斷裂的最直接 的物理原因就是熱脹冷縮作用。地表之上的巖石散熱快，處于收縮過程（包括風(fēng) 化和雨雪侵蝕）的狀態(tài)之中，而地殼深處的巖石散熱慢，處于熱脹的過程狀態(tài)之 中，上下不同的冷縮熱脹作用，就會使巖層斷裂，大陸地殼的斷裂還有以下各種 具體的因素在起作用：一是慢脹作用地殼表面物質(zhì)因氣象風(fēng)化等作用發(fā)生改變， 另外地球表面接受的來自宇宙

8、空間的隕石，宇宙塵埃，慧冰等物質(zhì)，使地球體積 質(zhì)量逐年加大，地殼與地幔之間的交界面（莫霍面）不斷地調(diào)整改變;二是快 脹作用（如巖漿上浸遇地下水后的劇烈汽化反應(yīng)）；三是巖漿冷凝時體積變化產(chǎn) 生的膨脹作用（使巖層抬升，地表形變）；四是地下流體水位和壓力發(fā)生變化， 滲入巖層裂隙后，引起巖體位移和滑動，形成斷裂；五是固體潮汐的引力觸發(fā)巖 層薄弱處發(fā)生斷裂；六是板塊構(gòu)造理論和地殼弦動理論所說的板塊水平位移，即 板塊互相碰撞擠壓造成的巖層斷裂。巖層斷裂是每時每刻都在發(fā)生的地質(zhì)運動現(xiàn) 象，而對人類安全產(chǎn)生威脅的是強度高、突發(fā)性的巖層斷裂，即破壞性地震，地 震預(yù)報的主要任務(wù)就是及時預(yù)報破壞性地震在何時、何地發(fā)

9、生。地球的自轉(zhuǎn)必然對地殼運動也會產(chǎn)生較大的影響，例如，低緯度的地殼由于線速 度較大，其離心力較大，因此，低緯度的地殼相對于高緯度地殼所受到的地球自 轉(zhuǎn)力影響就較大，巖層的內(nèi)應(yīng)力較高，巖層發(fā)生斷裂就較大較多。所以低緯度的 地殼中發(fā)生的破壞性地震和火山最多。大洋沿岸和島嶼的地震火山較多主要是因 為洋陸地殼在物理條件和物理性質(zhì)上的差異，而導(dǎo)致巖層斷裂較頻繁。大洋中部的洋脊形成和大陸上的巨大山脈形成很可能是在地球發(fā)生大災(zāi)變時產(chǎn) 生的。如地球曾經(jīng)發(fā)生過三次大冰期，由于太陽系環(huán)境的劇變，使地球迅速降溫 導(dǎo)致地球的熱平衡機制發(fā)生改變，地殼收縮力大于地殼膨脹力，加之地球自轉(zhuǎn)力 的作用，使地殼發(fā)生皺折運動，導(dǎo)致

10、一些皺折山脈的形成。而地球的間冰期，溫 度升高，地殼的膨脹力大于地殼收縮力，地殼巖層的斷裂作用突出，導(dǎo)致一些斷 層山脈的形成。而大型的火山噴發(fā)會改變地殼的力學(xué)平衡，導(dǎo)致一些地方隆起為 溶巖山地，一些地方下沉為沉降盆地。另外，直徑1公里左右的小行星撞擊會引發(fā)整個地球運動狀態(tài)的變化，如自轉(zhuǎn)速 度、自轉(zhuǎn)軸的傾斜度都會有改變，還會引發(fā)地球地幔物質(zhì)的震蕩，引起地殼頻繁 斷裂，發(fā)生較大的地震和火山噴發(fā)，導(dǎo)致地殼表面的地形改變。地球自形成以來 的46億年中至少遭遇過千次以上的小行星和大慧星撞擊，這是研究地球演化、 地球運動、地殼運動必須重視的自然歷史事實。不可否認(rèn)，地殼表面的現(xiàn)今形態(tài)， 在很大程度上是由小行

11、星、慧星、慧冰，隕石，宇宙塵埃造成的，只是由于地球 表面的氣象風(fēng)化作用太強，我們很難直觀地看出來罷了。而當(dāng)我們看水星、月球 表面的形態(tài)時，就會得出水星、月球的表面形態(tài)主要是由小行星、慧星、隕石造 成的結(jié)論?；鹕絿姲l(fā)與大地震是地球上最猛烈的自然運動現(xiàn)象。從表面上看，兩者似乎是完 全不同的兩種自然現(xiàn)象，就象刮風(fēng)與下雨是兩種氣象表現(xiàn)，刮風(fēng)是大氣流動，下 雨是降水，兩者在表面上沒有相同之處。但是，從動力來源上分析，火山噴發(fā)與地震，刮風(fēng)與下雨這些自然運動都有共同 的動力來源，即熱能的作用?？諝饫錈岵粍颍蜁鲃?；水受熱就會蒸發(fā)并形成 云霧?；鹕絿姲l(fā)是地球局部熱量集中于一點沖出地表；而地震則是地球局部熱量

12、 作用于脆弱巖層時脹裂巖層。雖然表面上看不出火山與地震的共同之處，但是地 震發(fā)生前，地溫、地下水溫的大幅度快速升高則明確顯示出熱能的集聚。椐歷史 地震資料，很多大地震前，當(dāng)?shù)囟加袦囟让黠@升高和動植物異常表現(xiàn)情況，如植 物反季節(jié)生長、開花，冬眠動物出洞。1975年2月4日遼寧海城7。3級地震前， 1月31日出現(xiàn)高氣溫、低氣壓；2月4日，日平均氣溫比常年高8度；2月3日 3時至10時，震區(qū)氣溫突然上升，形成一個以海城為中心的急劇升溫區(qū)，兩個 小時內(nèi)，海城增溫12度。1668年9月2日，山東莒縣8。5級地震前“酷暑方 揮汗”。1920年12月16日，寧夏海源8。5級地震“震前數(shù)日，四面天邊，變 黃如

13、火焰，人均感覺焦灼干燥?！?1976年7月28日唐山大地震前，人們普遍感 覺異常悶熱。2008年5月12日四川紋川8級大地震發(fā)生前，人們普遍感覺異常 悶熱范美忠博客日志也有記載。而“板塊運動”則不可能出現(xiàn)溫度突然升高的 情況。因為板塊機械運動和擠壓運動，應(yīng)當(dāng)表現(xiàn)為巖石內(nèi)應(yīng)力增大，巖層溫度不 會產(chǎn)生大幅度升溫現(xiàn)象。而很多研究地震的科學(xué)工作者卻受制于板塊構(gòu)造與板塊 運動理論學(xué)說，忽視巖石溫度和地下水溫度大幅升高這一重要的物理變化事實， 對地震的動力來源和發(fā)震機制的判斷理解呈現(xiàn)教條化傾向，即地幔物質(zhì)對流 導(dǎo)致板塊運動板塊互相碰撞擠壓一一導(dǎo)致巖層應(yīng)力增大巖層應(yīng)力達(dá)到 極限發(fā)生斷裂錯動形成地震。震區(qū)在震

14、前溫度異常升高，不容置疑地表明了地球內(nèi)部熱能在震區(qū)集聚的事實， 這是理解判斷地震成因和發(fā)震機制的關(guān)鍵所在。而過去在預(yù)測地震所依據(jù)的探測 資料數(shù)據(jù)上，由于思路原因，恰恰忽視了溫度探測和巖漿活動這一重要的地殼變 化，而把觀測重點放在非主要的項目上。根據(jù)地殼中存在局部熱能集聚和巖層突然大幅升溫的事實，不難推斷出火山噴發(fā) 與地震發(fā)生過程的機制原理：1、火山噴發(fā)過程：地幔物質(zhì)巖漿上涌，在靠近地 表的巖層中形成巖漿包或巖漿房并持續(xù)擴大體積融化周圍巖層，最終從某一點或 幾點沖出地表，形成火山噴發(fā)。2、淺源地震發(fā)生過程：地幔物質(zhì)巖漿沿巖層老 斷裂縫隙蔓延，在距地殼表面較深的巖層中形成巖漿床或巖漿墻，但由于巖漿

15、床、 巖漿墻距地表層的距離較長，且周圍巖層含水分較多，隨著巖漿不斷加溫周圍和 上部的巖層，被加溫巖層中的水分汽化并迅速膨脹，使巖層發(fā)生高溫高壓下的相 變，巖層大面積發(fā)生破裂，巖漿迅速在破裂部位擴展蔓延，引起更大范圍的巖層 升溫和脫水相變，水分增多后汽化的規(guī)模更大，膨脹力更強，進(jìn)一步使更大范圍 的巖層突然破裂（超過巖層受力極限），形成地震。3,深源地震發(fā)生過程：由 于小行星擊穿地殼，引起地幔物質(zhì)重組，在重力分異作用和過程中發(fā)生物質(zhì)急劇 相變，能量突然釋放而引發(fā)的震動。由上述的火山噴發(fā)與地震發(fā)生過程不難看出其共性都是巖漿侵入地殼，對巖石增 溫后引起巖石物理變化。其本質(zhì)是熱能量的積聚與釋放。本文所闡

16、述的地震發(fā)生過程機制能夠?qū)?yīng)地震前兆現(xiàn)象和前震、主震、余震全部 運動，并且也能夠?qū)?yīng)地震在某一地帶可多次重復(fù)發(fā)生，即地表水容易順著地殼 破裂處下滲，給此處巖石補充水分。為下一次地震的產(chǎn)生積累必要的汽化膨脹水 分質(zhì)量條件。從本文闡述的地震發(fā)生過程機制也可以歸納總結(jié)出地震及“地震三要素”形成 的規(guī)律性。1、地震的能量取決于地殼中某一部位形成的巖漿床或巖漿墻的體積 質(zhì)量與巖層接觸的面積。2、地震發(fā)生的震中位置取決于含水分較多的巖層在巖 漿床或巖漿墻上方及兩側(cè)方的位置。3、主震發(fā)生的時間取決于已形成的巖漿床 或巖漿墻向最近的含水較多的巖層擴展的速度與距離。根據(jù)上述地震發(fā)生過程機制和“地震三要素”的規(guī)律性，可以演繹推理出探測地 震及預(yù)報地震的主要手段方法，即宏觀上應(yīng)采取人造地球衛(wèi)星紅外遙感觀測技 術(shù)，以便于及時發(fā)現(xiàn)地球某處異常增溫和顯