李務倫

摘要：地球生成于熱星云物質(zhì)，在地球成長過成中星云物質(zhì)不斷匯集于原始地球，地球不斷增大，增大的同時，各種能量轉(zhuǎn)化為熱能，致使成長中的地球不斷升溫。地球一邊成長一邊升溫，升溫必將發(fā)生熱運動，熱運動促成原始地球物質(zhì)不斷地“自組織”的物理化學運動，從而產(chǎn)生物質(zhì)分異，圈層演化、大陸海洋的形成。持續(xù)不斷的熱運動引起大陸的聯(lián)合與裂解及海洋的擴張與地臺活化等，而這些無不與熱運動、熱力做功相關聯(lián)。

關鍵詞：地球運動動力；大陸漂移；海底擴張；熱力學第一定律；熱力學第二定律

海底擴張，大陸漂移以及地臺活化等，源于何因？學界并無定論，但地球動力各有主張，各有道理。但各種地球動力學說幾乎均繞過地球內(nèi)部是熱的、高溫的這一實際狀況，而忽視熱運動的方向與熱運動而引起的對外做功。熱運動做功是否是引起海底擴張、大陸漂移、地臺活化等的動力，通過對地球形成過程熱運動的分析，主張構造運動均緣于熱運動。目前有一些學者的大地構造的研究已指向了熱運動的作用，下面就從地球的起源開始分析這一熱力學過程的連續(xù)運動。

一、熱力學理論簡述

在討論地球熱力學運動中，主要涉及熱力學第一、二定律及熱循環(huán)過程和粒子受熱的運動變化。

熱力學第一定律：熱力學系統(tǒng)由某一狀態(tài)經(jīng)過任意過程到達另一狀態(tài)時，系統(tǒng)內(nèi)能的增量等于在這個過程中外界對系統(tǒng)所做功和系統(tǒng)所吸收的熱量的總和。數(shù)學表達式為：

不可能從單一熱源吸取熱量，其完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響。它有一個直接推論稱為克拉佰龍方程，它反應了相變的規(guī)律，表達式為：

循環(huán)過程：一系統(tǒng)由平衡態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷任意的一系列過程又回到原來的平衡態(tài)的整個變化過程，叫做循環(huán)過程。循環(huán)過程有正循環(huán)和逆循環(huán)之分。圖1中，p為壓強，v為比容，沿abcda循環(huán)為正循環(huán)，系統(tǒng)對外界做功，反之為逆循環(huán)，外界對系統(tǒng)做功。對于圖1及式（1）可用圖2形象表示。

粒子間作用關系：熱力學研究表明，溫度降低或升高形成礦物粒子間作用力發(fā)生變化，粒子勢能發(fā)生變化。粒子間作用力分為四類。在一些簡單情況下勢能可表述為：

二、對目前地球研究情況的簡述

（一）地球的起源及隕石

地球的起源與整個太陽系的起源相聯(lián)系，地球是從太陽系星云誕生的，是由較重元素組成的星子聚集、增生吸積凝結作用形成。有非均勻和均勻聚集模型兩種模型，均強調(diào)地球的升溫，巖礦均已熔融。隕石是來自地球以外的太陽系中其他天體的樣品，與地球成分相仿。

（二）地球動力學假說

地球動力學假說有很多：地球收縮說，地球彭脹說，地球脈動說，地球自轉(zhuǎn)說，重力分異說，重力作用說，涌流構造說，層塊構造熱涌說，熱點一地幔柱說，星際作用說等。

（三）地球的結構、密度、壓力及溫度

地球內(nèi)部結構，以布倫的地球分為地殼厚0～33km，地幔厚約2900km，地核半徑約3470km的方案廣為大家接受、認可。

圖4為溫度變化規(guī)律，從中可以看出，由地表到地心溫度逐漸升高，至地核處溫度高于3000k。

圖5中顯示了地球視密度隨深度的變化規(guī)律，地核處有一密度大躍升。

圖6是壓力隨深度的變化規(guī)律圖。地球內(nèi)的壓力從地表到3000km，壓力基本上是線性增大，約3000km附近有一轉(zhuǎn)折。在圖示的交點處壓力已到140萬個大氣壓，實際情況與這個數(shù)值相符的話地核已是超固態(tài)，原子已“壓碎”，壓出的電子形成“電子氣”。

（四）地球的年齡及滿足地球動力學的條件

有學者提出原始太陽系星云溫度高達2000k，地球最初為一個大火球。44億年以C02為主的大氣，溫度500度～600度。地球年齡為45.52億年，西澳大利亞的太古宇沉積巖的碎屑鋯石中有44億年～42億年的年齡，附近沉積變質(zhì)巖系中發(fā)現(xiàn)有生物變質(zhì)而成的有機碳。對地球形成后1.52—3.52億年如何演化至少現(xiàn)在還沒發(fā)現(xiàn)地質(zhì)記錄，也就意味著地球是熱的，甚至可能是熔融態(tài)。

馬宗晉等（2003年）提出的地球動力假說至少要滿足三個條件：1.能對全球的構造特征及其空間規(guī)律、構造演化過程做出解釋；2.所依賴的動力因子既有足夠的能量，其作用方式又能合理地說明構造變形場的特征；3.符合物理學一化學性質(zhì)。結合這三個條件以地球曾經(jīng)發(fā)生熔融為前提條件的話，比及前述的動力學模型，熱力學也許能對全球動力探究是個有益的不錯的選項。所以下面以原始星云是熱的為前提，敘述地球成長過程。

三、地球成長過程及熱力學運動

（一）地球的成長過程

通過對前面兩種模型比對認為：當某一較大星子對其附近星子的引力作用強時，引起附近星子撞向這一較大星子，使這一星子引力更大，對其附近星子作用力更強，撞向這顆星子數(shù)量隨時間推移將更密集和更多；到一定時間后撞向地球的星子達到高峰，爾后隨時間推移撞向地球的逐漸減少，其隕石撞擊地球的過程可能如圖7所示，圖8顯示了地球增長的這一過程。這一過程與太陽系力學平衡有關，是一復雜的天體力學過程。

（二）地球成長過程的熱力學過程

1.地球成長過程的增熱過程

在發(fā)生第一顆星子撞擊后，原始地球因以下四種情況生熱：（1）放射性生熱；（2）部分引力位能轉(zhuǎn)換為地球內(nèi)部熱能；（3）一部分重力位能轉(zhuǎn)換成地球內(nèi)部熱能；（4）地球的旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換成內(nèi)部熱能。這些能量促使原始地球溫度高于原始星云。

當原始星云物質(zhì)如圖7，隨時間不斷向原始地球撞擊，原始地球?qū)㈦S時間的增加、撞擊原始地球隕石的增多，原始地球持續(xù)升溫、半徑增大，如圖8；粒子間距離也增大，易揮發(fā)性元素進入太空。但先形成的地球內(nèi)部會低于后形成地球外部，依據(jù)第二定律外部熱量將通過輻射、傳導、對流、聲子、激子向內(nèi)傳輸；同時向低溫的外太空輻射能量，形成原始地球由外而內(nèi)，由低變高，其溫變化規(guī)律推測應與圖4相類似，其視密度、壓力也將類似于圖5、6。當?shù)竭_圖7中圖式的A點，原始地球升溫到最高，如圖8所示。

2.地球成長過程的物理化學運動過程隕石形成于一種環(huán)境且各種隕石成分的不同，熔融后在地球這種環(huán)境原子要打破原有存在狀態(tài)，將重新“自組織”，易揮發(fā)物質(zhì)形成原始大氣，“新礦物”依據(jù)重力平衡：輕者上浮，重者下沉，最初的分異伴隨第一次撞擊就開始了。熔融態(tài)比重小的并相近的不同礦物通過自組織布于原始地球表面，比重大的礦物居置其下，從而形成最初的“殼、幔、核”。這種過程隨隕石的持續(xù)增加而持續(xù)更新，到圖7所示的A點達到高峰。

從第一次隕石撞擊地球開始，由于原始地球與外太空存在溫差，因而形成地球內(nèi)部為供熱，外部為降溫，同時隕石分布原始地球的不均，因而存在橫向溫度的不均，所以融態(tài)的地球形成一個類似圖1、2的熱力循環(huán)系統(tǒng)。物質(zhì)的循環(huán)，其上升的地方可見其上升流，圖9大方框內(nèi)即是，上升流加速比重小的物質(zhì)上浮，視密度大下沉，當上升流上升到一定程度后溫度開始降低，溫度降低一直持續(xù)到進入視密度為d下部，然后開始升溫，逐漸形成下降流，下降流圖10小方框即是，下降流持續(xù)升溫直至升溫回到大方框內(nèi)，完成環(huán)流。依據(jù)第一定律升溫熔融物質(zhì)循環(huán)必對外做功，做功的結果漂浮物“殼”將受力變形，循環(huán)的物質(zhì)在“殼”下不斷俯沖，致使“殼”向多個中心匯聚形成很多“陸”。而圖9中處于視密度d，間的是另一種“殼”，至此最初的“大陸”“板塊”“俯沖”“擴張”運動形成。這種熱運動在原始地球上有很多很多，并且隨隕石的不斷增多，上述熱運動將越劇烈，到圖7顯示的A點到達高峰。圖9中d1

隨撞擊地球的隕石增多，地球半徑就不斷增大，地球內(nèi)部壓力不斷增大，到某一半徑時，根據(jù)克拉珀龍方程地心將出現(xiàn)固相（壓力小于140萬個大氣壓）；地心固相大小隨原始地球半徑增大而增大，當?shù)厍虬霃皆僭龃蟮揭欢ǔ潭龋瑝毫Τ^140萬個大氣壓，原始地心將出現(xiàn)超固態(tài)相，地球增長過程的物質(zhì)相態(tài)如圖8所示。至此，成長中的原始地球已成長為有大氣的由地心向外依次為：超固態(tài)相，固態(tài)相，液態(tài)相。

四、降溫過程地球的熱力分析

隕石減少到圖7示的A點，由于隕石還較多，保持一段時間后，溫度將開始下降。降溫的開始意味著粒子向平衡位置運動，如圖3所示。降溫根據(jù)克拉柏瓏方程必然引起相變。

（一）降溫初期的熱力學過程

如圖7所示，撞擊地球的隕石達到A后，在這一階段，撞擊地球的隕石仍是多而密集，降溫并不明顯甚至是保持隕石撞擊數(shù)量最多時達到的最高溫度，而在這一階段快結束時出現(xiàn)明顯的溫度降低。明顯的溫度降低，原始的地球大氣要做出“自組織”調(diào)整，因而易揮發(fā)物質(zhì)開始回到地球表面，大氣壓力下降。地球表面由此向平靜轉(zhuǎn)變，根據(jù)目前地球大陸為硅鋁層，地球的表層的礦物應當以鋁硅酸鹽為主。處于地球表面的鋁硅酸鹽通過輻射、傳導、對流、聲子、激子傳熱，逐漸以輻射為主向外輸送能量，失去能量后的硅鋁酸鹽表層黏度變大，硅鋁酸鹽逐漸出現(xiàn)塑性，如圖10所示，內(nèi)部固相進一步向地表靠近，溫度降至T。

（二）降溫中期的熱力學過程

在圖10中對處于圖示中期階段，以地球的降溫為主要，在某個時間點殼層出現(xiàn)固相，內(nèi)部固相進一步向地表靠近。由于地球圓周運動的作用，作用的結果黏度最小的巖漿處于赤道及其附近，這可能是地球溫度不均的一個原因，另就此階段隕石已非常少，但也會造成溫度的不均及內(nèi)部高溫，必然持續(xù)地造成圖9所示的熱力運動，這時已不如初期劇烈。但卻使得硅鋁層面積進一步減小，硅鋁物合并進一步加強，硅鎂物出露進一步加大，在圖9的大方框內(nèi)可能還見融態(tài)物上涌，出框后很快即見塑性，不久就見固性。

（三）降溫終期的熱力學過程

在圖10降溫終期，原始地球表面固相厚度更進一步加厚，內(nèi)部固相圈向地球表面方向進一步發(fā)展，直至出現(xiàn)目前地球的構造形態(tài)。盡管溫度的降低巖礦都已成為固相，但地球內(nèi)熱運動并沒有停止，在徑向上存在地溫梯度，在弧面上存在溫度不均，因此熱運動依然存在，只不過圖9所示的熱運動不再劇烈明顯，只是在大時間尺度上可觀察到。而內(nèi)部熱流的傳輸，由內(nèi)而外聲子、激子、對流逐漸減弱直至失去作用，而對于輻射、傳導也將逐步減弱，它們的作用在不同階段而不同。

五、降溫后的地球熱運動及動力

美國一個研究地球內(nèi)部結構的學術團隊，在核慢邊界發(fā)現(xiàn)致密團塊結構，見圖11。其中有兩塊，分別位于太平洋和大西洋的底部，尺寸都在大陸級別，厚度近800km。他們認為：新發(fā)現(xiàn)的結構，幾乎和地球的年齡非常接近，很可能是地球形成初期的殘留物。并推斷，這些巨大結構的存在很可能左右著地球的地質(zhì)運動，與火山和板塊運動等相聯(lián)系。圖12是他們發(fā)表的另一圖，在其圖上可看到類圖10所示的流線，若此即為，那么有理由推斷這些團塊就相當于圖2所示的鍋爐，因此可推斷熱力做功塑造了地球構造。圖9僅是一示意圖，根據(jù)圖12實際做功熱力流線要比其復雜得多，洋殼應當是熱力循環(huán)的一部分。

六、地球的熱力運動做功證據(jù)

海底擴張以及島弧下的俯沖帶及大洋中脊是熱力做功最好的證明。大洋中脊一般位于水下2.5km～2.7 km，高度是2km～3km，大洋中脊地殼厚度是2km～6km，寬度是1500km～2000km，大洋中脊裂谷一般寬度是20km～50km，深度是1km～3km。大洋中脊相當于圖9所示方框內(nèi)上部凸起部分。大洋中的島弧，如日本島弧，琉球島弧，阿留申島弧，等等，其下已被證明有洋殼俯沖，這一部分相當于圖9示的被硅鋁層掩蓋部分。

七、結語

地球自形成開始，熱運動即伴隨，地球的演化歷史不如說是地球熱運動的歷史。所以熱運動也許對開展地球構造及地球動力學研究會是一個不錯的選項。同時也當承認，即便是冷的原始星云，只要生熱達到一定的溫度，本文所論述的熱力過程一定發(fā)生。當然不排除上述研究得不當。