地球膨胀阶段的划分

自从人们意识到地球曾经膨胀过,地球膨胀的模式一直是人们探索的课题。在本文内容形成之前,有四种比较突出的扩展模式:单一扩展模式、非对称扩展模式(Carey模式)、Williams模式和脉冲扩展模式。由于缺乏系统理论的指导,地球的四种膨胀模型虽然从一个方面或几个方面考虑,但都无法避免局限性,有时甚至无法自圆其说。

地球的膨胀体现在两个方面:一是短期膨胀,主要是地球绕太阳运行时太阳的作用引起的,体现在地球大气的变化上;一种是长周期膨胀,主要是地球绕银核运动时银核的作用引起的,体现在地球岩石圈的变化上。地球的膨胀是由于膨胀力,膨胀力本质上是一种膨胀力。地球轨道运行一周,膨胀力作用在一个周期,压缩力作用在另一个周期。地球上的膨胀力既不是总量增加的过程,也不是单调减少的过程,而是在压缩力之后单调增加,达到最大值之后单调减少,是一种具有周期函数特征的力。在这种力的作用下,地球的膨胀表现为地球半径增量△R随时间呈现振幅和跨度不对称的曲线形状,如图4-8所示。可以看出,在地球漫长的历史中,地球半径是在“增大-减小-增大-减小”的循环中逐渐增大的。

图4-8膨胀过程中地球增量半径与时间关系示意图。

膨胀力作用在地球上使地球膨胀的过程可以分为四个阶段:表面积膨胀阶段,体积膨胀阶段,膨胀力继续增大,膨胀力继续减小直至为零。每个阶段都用图表来说明(如图4-9所示)。

图4-9大陆块体伸展的过程。

1—地球的膨胀使陆块裂开,增加了地球的面积;2-地球持续膨胀,导致地幔逸出,地球体积增大;3-地球受到越来越大的膨胀,地球表面积和体积变大,同时大量岩浆逸出,大洋中脊越来越向外突出;4-地球仍在膨胀,但作用力逐渐减小,岩浆逸出量逐渐减少,大洋中脊向内凹。

1.表面积膨胀阶段

地球表面区域的扩张阶段是指从地壳开始开裂到岩浆从裂谷逸出之前的阶段。

地球受到膨胀力后,地球各层都会膨胀,这些变化都反映在地壳外层。因为膨胀引起的体积增加必须通过增加表面积来完成,所以作为刚体的地壳就开裂了。张力气氛可分为板间张力和板内张力两种。当拉伸裂纹逐渐加深变宽时,一方面完成了体积增量的充气;另一方面也是主要方面,扩大了地球的表面积。在地球膨胀的初始阶段,这种张力和裂缝的过程是随着地球体积的增大从裂缝-裂谷-裂谷逐渐发展起来的(图4-10)。

图4-10板块的断裂和运动过程

a板块在地球的膨胀收缩力下在中间断裂;B—随着不断扩展,裂纹形成一个开口;c-形成裂谷

2.体积膨胀阶段

地球体积膨胀阶段是指岩浆从裂谷逸出的开始,岩浆持续流出的结束。这个阶段实质上包括两个阶段,我们将在后面讨论。

虽然理论上地球的体积膨胀是从地球受到膨胀力的那一刻开始的,但实际上是无法划分这一点的。随着岩浆开始大量逸出裂谷,设定地球体积膨胀阶段的起点具有实际和理论意义。

3.岩浆流出量的持续增加

岩浆外渗持续增加阶段是指从岩浆从裂谷逸出到岩浆外渗突然急剧下降这段时间,大洋中脊变化曲线上的上升趋势和急剧下降(如图4-11)。

图4——大西洋中脊代表的地球体积膨胀阶段(1英寻= = 1.8288米)。

a-岩浆流出量持续增加阶段;b——岩浆流出量持续减少的阶段。

当裂谷开始出现大量逃逸的岩浆时,说明地球内部物质的体积增长速度快于地壳的膨胀速度,地球的整体膨胀开始向新的动力发展。当膨胀力继续作用,内部物质的体积膨胀越来越大时,由于地壳的重载,岩浆的流出量也越来越大,从而形成了从裂谷岩浆最初流出开始,向阳中脊方向越来越突出的地形特征(见图4-6)。

4.岩浆流出量持续减少的阶段

岩浆外渗量持续减少直至为零的作用阶段是指岩浆外渗量突然急剧下降直至岩浆停止持续流动(见图4-11)。

显然,地图显示这一阶段在山脊变化曲线上不对称是可以理解的。从第三阶段到第四阶段,岩浆的逸散是从一种动态平衡状态向另一种动态平衡状态的过渡。因为扩张的增量减小,地球各圈层向外扩张的边界条件(包括地壳板块的松散环境)和岩浆逃逸的大小没有改变,所以会出现各种对称和非对称的脊形。

从时间上看,图4-11中的A、B两个阶段是不相等的;就扩张的变化而言,A和B两个阶段也是不同的。图中距离不同的原因是B阶段是膨胀力的后期,此时地球仍在膨胀,但膨胀增量越来越小;在经历了A阶段的持续增大过程后,地球持续减小的膨胀增量主要体现在地球半径的膨胀上。因为B阶段地球整体膨胀足以完成膨胀力引起的地球体积变化,岩浆逸出量越来越少;而A阶段地球的整体膨胀速度不足以平衡体积变化。

5.地球收缩阶段

地球结束了膨胀力,然后变成了完全受收缩力影响的阶段。在这个阶段,地球的半径继续减小。