地球的膨胀阶段划分

自从人们认识了地球曾经发生过膨胀运动后,有关地球膨胀的模式就一直成为人们探求的课题。在本文内容形成以前,有四种膨胀模式较为突出:单一膨胀式,非对称膨胀式(凯里模式),威廉斯模式,脉冲膨胀式。四种有关地球的膨胀模式,由于缺乏系统理论的指导,尽管在某一方面或某几方面考虑周到,但总不能避免局限性,有时甚至出现不能自圆其说的情况。

地球的膨胀体现在两方面:一种是短周期的膨胀,主要是由于地球绕太阳运行受太阳的作用而引起的,体现在地球大气层的变化上;一种是长周期的膨胀,主要是由于地球绕银核运行受银核的作用而引起的,体现在地球的岩石圈的变化上。地球膨胀是由于地球受到了膨胀力作用,这种作用力实质上是一种胀缩力。在地球轨道一周内,一段时期表现为膨胀力作用,而在另一段时期内则表现为压缩力作用。地球所受膨胀力既不是一概增大的过程,也不是单调减小的过程,而是在压缩力之后表现为单调增加,当达到极大值后又表现为单调减小,是一种含周期性函数特征的作用力。在这种力作用下,地球的膨胀表现在地球半径的增量△R随时间呈一种幅度、跨度为非对称的曲线形态,这种形态可用图4-8加以示意。由此可见,在地史长河中,地球的半径在“增加-减小-增加-减小”的循环往复中逐渐地增长。

图4-8 膨胀过程中地球半径增量随时间变化关系曲线示意图

膨胀力作用于地球使地球发生膨胀的过程可分为四个阶段:表面积扩充阶段,体积扩充阶段,膨胀力持续增大作用阶段,膨胀力持续减小直至为零作用阶段。各阶段用图简示(如图4-9)。

图4-9 陆块的张裂过程

1—地球膨胀使陆块分裂而增加地球面积;2—地球继续膨胀使地幔外逸而增加地球体积;3—地球受不断增大的膨胀作用,地球表面积、体积变大的同时岩浆大量外逸,洋中脊越来越向外凸出;4—地球仍在膨胀,但作用力逐渐变小,岩浆外逸量逐渐减小,洋中脊向内凹进

1.表面积扩充阶段

地球的表面积扩充阶段,是指地球从地壳发生张裂开始,到岩浆从裂谷中逸出前的阶段。

地球受到膨胀力作用后,地球的各个层圈都将发生膨胀,这些改变量全部体现在包裹在外的地壳上。由于膨胀所引起的体积增加必须通过表面积的增加来完成,所以,作为刚性体的地壳发生张裂。张裂氛围分板间张裂和板内张裂。当张裂逐渐加深加宽时,一方面完成了体积增量的空气填充;另一方面,也是主要的方面,则使地球的表面积得到了扩张。这样的张裂过程在地球膨胀的最初阶段,随着地球体积的变大,而由裂缝—裂口—裂谷逐渐展开(图4-10)。

图4-10 板块的破裂与运动过程

a—板块在地球的胀缩力作用下在中部发生破裂;b—随着持续膨胀,裂缝形成开口;c—形成裂谷

2.体积扩充阶段

地球的体积扩充阶段是指岩浆从裂谷中逸出开始,到岩浆停止持续流出为止。这一阶段实质上包含了后面即将谈到的两个阶段。

尽管地球的体积膨胀从理论上讲,是在地球受膨胀力作用开始的瞬间就已经开始,但却无法在实际中将这一起点划分出来。将地球的体积扩充阶段的起点定在岩浆开始从裂谷中大量外逸,是具有实际意义和理论意义的。

3.岩浆外逸量持续增大阶段

岩浆外逸量持续增大阶段是指从岩浆由裂谷中大量逸出开始,到岩浆外逸量突然急剧下降前为止,在洋中脊变化曲线上表现为上升趋势出现急剧下降(如图4-11)。

图4-11 大西洋洋中脊所表现的地球体积膨胀阶段(1英寻=1.8288m)

A—岩浆外逸量持续增大阶段;B—岩浆外逸量持续减小阶段

当裂谷中开始出现大量外逸的岩浆时,表明地球内部物质的体积增大速度大于地壳膨胀速度,地球的整体膨胀开始向新的动态发展。当膨胀力持续作用,内部物质体积膨胀量越来越大时,由于地壳的重载使岩浆的外逸量也越来越大,从而形成了由裂谷最初的外逸岩浆之处向洋中脊方向呈现越来越凸出的地形特征(参见图4-6)。

4.岩浆外逸量持续减小阶段

岩浆外逸量持续减小直至为零的作用阶段,是指岩浆外逸量从突然急剧下降到岩浆停止持续流出为止(见图4-11)。

显然,图面显示出这一阶段在洋脊变化曲线上为非对称性,是可以理解的。岩浆的外逸从第三阶段到第四阶段,是从一种动态平衡状态向另一种状态过渡的。由于膨胀的增量出现减小,而地球各个圈层向外膨胀的边界条件(包括地壳板块的松散环境),岩浆外逸口的大小等并没有发生改变,所以会出现各种对称与非对称的洋脊形态。

从时间上讲,图4-11中的A,B两个阶段是不相等的;从膨胀的改变量来讲,A,B两个阶段也是不相同的。图中距离长短不一是因为,B阶段为膨胀力作用的后期,此时地球尽管还在膨胀,但膨胀增量越来越小;在经过了A阶段持续加大过程后,地球持续减小的膨胀增量主要体现在地球半径的膨胀上。由于B阶段地球整体膨胀已经足以完成因膨胀力作用而产生的地球体积的改变量,所以,岩浆的外逸量越来越少;而A阶段地球整体膨胀速度则不足以平衡体积改变量。

5.地球收缩阶段

地球结束了膨胀力作用,随之变成了完全受收缩力作用的阶段,在此阶段,地球的半径持续变小。