地球热平衡机制与地壳运动

地球热平衡机制与地壳运动及地震预报的探讨

【该论文在中国科协第十届年会2008防灾减灾论坛宣读】

摘要：地球内部的热能-----地幔热量是由于引力导致的压力使岩石晶格结构破坏，岩石分子之间的键能释放的结果。地热能本质上是引

力能的转化形态。海洋地壳与陆地地壳的形成物理条件不同，散

热性不同，因此，其地壳活动的特点也不同。火山、地震的共性

是地球内部热能的积聚与释放；地震预报宏观上应采用卫星红外

遥感技术、微观上应采用人工地震和层析成像技术。

关键词：地热能、自然界四种基本力、地壳与地幔交界面、能量转化、热平衡机制。火山，地震共性

地壳运动的能量主要来自地球内部的热能。如火山喷发即是地球内部存在大量热能的明证。然而，地球存在已有４６亿年，年年都有火山喷发，年年都有大地震发生。至今也没有停息的任何迹象。地球内部的热能看来是无穷无尽，永远都充满着火热的激情，不时来一次热烈的释放。那么，地球内部的热能到底来自哪里呢？

有些学者认为地球内部的热能主要来自岩石中放射性元素衰变时不断地释

放放射能的积累，但是据研究结论放射性元素主要存在于地壳的岩石中，靠这点放射能不足以维持地球内部４６亿多年源源不断的热能释放。

太阳的光和热来自太阳内部发生的热核反应，即４个氢原子聚合为一个氦原子时所释放出来的核能。这种反应需要极高的温度和压力。地球内部不具备热核反应的物理条件，也不具备核裂变连锁反应的物理条件，因而，地球内部的热能也不会来自核聚变反应与核裂变反应。

在用地震波探测地球内部结构时，科学家发现地震波在地球内部运动时有规律性的变速现象，并据此分析研究，得出了地球内部是分层结构的结论，即最外层是地壳，中层是地幔，里层是地核。在层与层之间有一个明显的分界层面，地震波就是在这些分界面层中发生变速现象的。其中，最值得注意的是地壳与地幔的交界面（莫霍面），在这个面之上的是固态岩石，在这个面之下的是半流体态的地幔物质。当半流体态的地幔物质顺着地壳裂隙向上涌动时，由于压力递减，半流体态的地幔物质就会变成流体态的岩浆。正是地幔物质大规模浸入地壳才造成了火山喷发、地震活动、造山运动等地质现象。

地壳中的岩石分为火成岩（岩浆岩）与水成岩（沉积岩）两大类。火成岩又可分为花岗岩（缓慢凝固形成）、玄武岩（快速凝固形成）与变质岩（岩石在高温高压下重结晶形成）三大类。大陆的地壳中以花岗岩和沉积岩为多，海洋的地壳中以玄武岩为多，大陆地壳的平均厚度大约为４０公里，海洋地壳的平均厚度大约为２０公里。从地壳已有４６亿年的历史来看，地壳的厚度应是相当稳定的，如果随着温度的降低，地壳每年增厚１毫米，４６亿年时间，地球基本上就全部成为固化的实心球了。显然，地球内部的热能和地球向外散失的热能有一个维持平衡的机制，使地壳的厚度保持相对稳定的数值。

这个维持地球热平衡的机制其原理是什么呢？从以上的分析来看，已排除了聚变与裂变能，也排除了地壳岩石的放射能。那么，在自然界存在四种基本能量形式中，电磁力、引力、强相互作用、弱相互作用，这四种能量中，最有可能产生地热的能量是那一种呢？电磁波是向外发散的能量，通过特定的机制，才可以转化为机械能与热能，强相互作用是核子结合能，即原子核能，弱相互作用是分子结合能（化学键能），引力能是向心运动的能，也是一种大尺度聚合能。显然，地热的能量来源最有可能是引力能与弱相互作用能。那么，这个能量是怎么转化的呢？在对地壳钻探时，人们发现了每往下钻深１０００米，温度上升３０℃，大陆地壳的平均厚度大约为４０公里，按此处计算，温度大约为１２００℃，这正是岩浆形成的温度。

为什么地壳的温度随深度的增加而增加？显然，与压力增加有关系，而压力又是与重力（引力）相关。我们据此可以认为压力增大使岩石分子间的距离更接近，当压力使分子之间形成的晶格结构无法保持时，岩石晶格解体，分子之间的晶格结合能释放出来使固态的岩石变成流体态的岩浆物质。而这个变化就是在地壳与地幔交界面部位发生的。因此，地热能本质上是引力能，即引力能转化为热能。

地震波探测大陆地壳与海洋地壳的厚度不等。从理论上讲，只要压力相同，岩石的温度就应相同。所以，海洋地壳与地幔交界面的压力不会比在陆地壳与地幔交界面的压力小。但因为海洋的平均深度为３０００米以上，水的导热性较差，海洋地壳向外散失热量较少，同时吸收太阳光热又较多，所以海洋地壳的热能散失的较慢，地壳与地幔之间维持热平衡的界面位置就比陆壳向上一些。

由于海洋地壳与陆地地壳厚度不等，温度有差异，在海陆地壳交界处，地壳就会发生断层或断裂现象，这就是海沟形成的基本原因。大陆地壳断裂的最直接的物理原因就是热胀冷缩作用。地表之上的岩石散热快，处于收缩过程（包括风化和雨雪侵蚀）的状态之中，而地壳深处的岩石散热慢，处于热胀的过程状态之中，上下不同的冷缩热胀作用，就会使岩层断裂，大陆地壳的断裂还有以下各种具体的因素在起作用：一是慢胀作用[地壳表面物质因气象风化等作用发生改变，另外地球表面接受的来自宇宙空间的陨石，宇宙尘埃，慧冰等物质，使地球体积质量逐年加大，地壳与地幔之间的交界面（莫霍面）不断地调整改变]；二是快胀作用（如岩浆上浸遇地下水后的剧烈汽化反应）；三是岩浆冷凝时体积变化产生的膨胀作用（使岩层抬升，地表形变）；四是地下流体水位和压力发生变化，渗入岩层裂隙后，引起岩体位移和滑动，形成断裂；五是固体潮汐的引力触发岩层薄弱处发生断裂；六是板块构造理论和地壳弦动理论所说的板块水平位移，即板块互相碰撞挤压造成的岩层断裂。岩层断裂是每时每刻都在发生的地质运动现象，而对人类安全产生威胁的是强度高、突发性的岩层断裂，即破坏性地震，地震预报的主要任务就是及时预报破坏性地震在何时、何地发生。

地球的自转必然对地壳运动也会产生较大的影响，例如，低纬度的地壳由于线速度较大，其离心力较大，因此，低纬度的地壳相对于高纬度地壳所受到的地球自转力影响就较大，岩层的内应力较高，岩层发生断裂就较大较多。所以低纬度的

地壳中发生的破坏性地震和火山最多。大洋沿岸和岛屿的地震火山较多主要是因为洋陆地壳在物理条件和物理性质上的差异，而导致岩层断裂较频繁。

大洋中部的洋脊形成和大陆上的巨大山脉形成很可能是在地球发生大灾变时产

生的。如地球曾经发生过三次大冰期，由于太阳系环境的剧变，使地球迅速降温导致地球的热平衡机制发生改变，地壳收缩力大于地壳膨胀力，加之地球自转力的作用，使地壳发生皱折运动，导致一些皱折山脉的形成。而地球的间冰期，温度升高，地壳的膨胀力大于地壳收缩力，地壳岩层的断裂作用突出，导致一些断层山脉的形成。而大型的火山喷发会改变地壳的力学平衡，导致一些地方隆起为溶岩山地，一些地方下沉为沉降盆地。

另外，直径１公里左右的小行星撞击会引发整个地球运动状态的变化，如自转速度、自转轴的倾斜度都会有改变，还会引发地球地幔物质的震荡，引起地壳频繁断裂，发生较大的地震和火山喷发，导致地壳表面的地形改变。地球自形成以来的４６亿年中至少遭遇过千次以上的小行星和大慧星撞击，这是研究地球演化、地球运动、地壳运动必须重视的自然历史事实。不可否认，地壳表面的现今形态，在很大程度上是由小行星、慧星、慧冰，陨石，宇宙尘埃造成的，只是由于地球表面的气象风化作用太强，我们很难直观地看出来罢了。而当我们看水星、月球表面的形态时，就会得出水星、月球的表面形态主要是由小行星、慧星、陨石造成的结论。

火山喷发与大地震是地球上最猛烈的自然运动现象。从表面上看，两者似乎是完全不同的两种自然现象，就象刮风与下雨是两种气象表现，刮风是大气流动，下雨是降水，两者在表面上没有相同之处。

但是，从动力来源上分析，火山喷发与地震，刮风与下雨这些自然运动都有共同的动力来源，即热能的作用。空气冷热不匀，就会流动；水受热就会蒸发并形成云雾。火山喷发是地球局部热量集中于一点冲出地表；而地震则是地球局部热量作用于脆弱岩层时胀裂岩层。虽然表面上看不出火山与地震的共同之处，但是地震发生前，地温、地下水温的大幅度快速升高则明确显示出热能的集聚。椐历史地震资料，很多大地震前，当地都有温度明显升高和动植物异常表现情况，如植物反季节生长、开花，冬眠动物出洞。1975年2月4日辽宁海城7。3级地震前，