由廣義相對(duì)論引發(fā)的一個(gè)啟發(fā)性地質(zhì)學(xué)觀點(diǎn)

程峻峰

摘要 板塊學(xué)說(shuō)的建立是地質(zhì)學(xué)上的一個(gè)標(biāo)志性的重大突破，是地質(zhì)研究史上的一個(gè)重要里程碑。板塊學(xué)說(shuō)中產(chǎn)生了2個(gè)經(jīng)典理論，即重力形成機(jī)制和均衡補(bǔ)償理論，但是這2個(gè)理論都不足以完整地解釋板塊運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力機(jī)制問(wèn)題。本文嘗試用廣義相對(duì)論效應(yīng)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞 地質(zhì)學(xué)；板塊運(yùn)動(dòng)；地殼；動(dòng)力機(jī)制；重力形成機(jī)制；均衡補(bǔ)償理論；廣義相對(duì)論效應(yīng)

中圖分類號(hào) P5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095—6363（2016）17—0009—02

相對(duì)論從誕生以來(lái)，至今人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)還是不夠深刻的，應(yīng)用范圍也不夠廣泛。其實(shí)在許多方面，這個(gè)理論的適用價(jià)值卻是不可估量的，可以在多個(gè)領(lǐng)域得到驗(yàn)證和應(yīng)用，是極富前瞻性的跨學(xué)科多邊科學(xué)理論。在傳統(tǒng)的物理學(xué)理論不能很好地解決板塊運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力機(jī)制問(wèn)題時(shí)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的摸索和研究，發(fā)現(xiàn)廣義相對(duì)論效應(yīng)可以為此提供強(qiáng)大的理論依據(jù)和支撐，能夠解決地質(zhì)學(xué)中一些急需解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

1板塊運(yùn)動(dòng)理論的興起

從古至今，人類就沒(méi)有停止過(guò)對(duì)地球的探索。然而人們對(duì)地球的科學(xué)性認(rèn)識(shí)，是到了近代才開(kāi)始的，特別是對(duì)于板塊運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)，如大陸漂移現(xiàn)象，更是到了20世紀(jì)初期，而且也僅僅是個(gè)別學(xué)者在關(guān)注。一直到20世紀(jì)60年代后期，板塊學(xué)術(shù)才開(kāi)始由法國(guó)地質(zhì)學(xué)家勒皮雄等人正式提出，并從此形成了“百家爭(zhēng)鳴”的局面。但是，由于科學(xué)技術(shù)和勘探手段的限制等諸多原因，人類雖然已經(jīng)能夠邀游太空，卻無(wú)法真正勘探地球的內(nèi)部，如今最先進(jìn)的鉆探技術(shù)連地殼都沒(méi)有穿透，那么探索地球的內(nèi)部，從而更深刻更真實(shí)更全面地了解和認(rèn)識(shí)地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，就更是難上加難。

2傳統(tǒng)理論的優(yōu)勢(shì)與缺陷

自從板塊學(xué)說(shuō)建立以來(lái)，人類對(duì)地球的認(rèn)識(shí)的確變得更加清晰，板塊學(xué)說(shuō)逐漸得到了學(xué)界的認(rèn)可，并在不斷發(fā)展中得到了進(jìn)一步完善和廣泛應(yīng)用，深海鉆探和海洋地磁測(cè)量也證明了大陸漂移和海底擴(kuò)張的事實(shí)。然而這里有一個(gè)問(wèn)題仍然沒(méi)有得到很好的解決，那就是板塊運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力機(jī)制問(wèn)題。是誰(shuí)為板塊運(yùn)動(dòng)提供了動(dòng)力呢？關(guān)于這個(gè)問(wèn)題迄今為止有多種解釋。有的認(rèn)為動(dòng)力是因?yàn)橹亓λ鶎?dǎo)致的，有的認(rèn)為地球表面的高山深壑在天體運(yùn)動(dòng)的相互作用中，其產(chǎn)生的慣性動(dòng)量的分布不均衡為板塊運(yùn)動(dòng)提供了動(dòng)力，還有的認(rèn)為動(dòng)力來(lái)源于地球內(nèi)部的核反應(yīng)，等等。

上述理論在一定程度上都能看作是板塊運(yùn)動(dòng)的原因，但都有一定的缺陷，都不能為板塊運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力原因提供完整的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。導(dǎo)致這種理論缺陷的真正原因主要是以上理論都是局限在經(jīng)典物理學(xué)范疇進(jìn)行討論的。事實(shí)上，自從愛(ài)因斯坦的相對(duì)論誕生以來(lái)，物理學(xué)的發(fā)展發(fā)生了很大的變化，許多經(jīng)典理論已經(jīng)不再適用。而在地質(zhì)研究方面，我們也應(yīng)當(dāng)融入新的觀點(diǎn)，為地質(zhì)學(xué)注入新的血液。

3廣義相對(duì)論效應(yīng)對(duì)經(jīng)典板塊理論的中和與貢獻(xiàn)

在對(duì)廣義相對(duì)論的研究中，我們發(fā)現(xiàn)：引力會(huì)對(duì)它周邊的時(shí)空產(chǎn)生影響。我們對(duì)于地球的了解還非常少，但是現(xiàn)在已知的一點(diǎn)是：地球的板塊移動(dòng)是日積月累的結(jié)果。這就意味著，地球上任何細(xì)微的變化，都有可能在日后對(duì)地球的板塊造成影響，然后經(jīng)過(guò)上千萬(wàn)年甚至上億年的積累，這種影響就會(huì)給地球板塊帶來(lái)巨大的變化。這種源頭上的細(xì)微變化，就是由包括廣義相對(duì)論效應(yīng)在內(nèi)的3種機(jī)制的共同作用所產(chǎn)生的結(jié)果。

現(xiàn)在有一種最新的板塊運(yùn)動(dòng)機(jī)制理論：由于地球的白轉(zhuǎn)在各種力的作用下在變慢，地球的重力出現(xiàn)了不平衡，在重力作用下，地球有一個(gè)恢復(fù)到圓球體的趨勢(shì)，于是板塊被撕裂并向兩極漂移。這種機(jī)制叫作重力形成機(jī)制。

在地質(zhì)學(xué)的研究中，還有一個(gè)很經(jīng)典的理論，叫做均衡補(bǔ)償理論。這個(gè)理論是一定深度以上的巖石圈的重力有自動(dòng)趨向于一致的傾向。這種機(jī)制就被稱為均衡補(bǔ)償機(jī)制。這個(gè)理論的意義在于強(qiáng)調(diào)了地殼雖然有保持均衡的趨向，但并非永遠(yuǎn)處于均衡狀態(tài)，因而當(dāng)質(zhì)量不均衡時(shí)，這種機(jī)制就會(huì)自動(dòng)啟發(fā)以促動(dòng)地球使其趨向于均衡狀態(tài)。這種機(jī)制能夠很好地解釋地殼的升降運(yùn)動(dòng)。但是要完善這個(gè)理論，還需要引入地球流變學(xué)理論，也就是地幔物質(zhì)是一種粘彈性體的理論。

以上2種機(jī)制都能夠很好地解釋地球地殼運(yùn)動(dòng)的機(jī)制，但是如果這2個(gè)理論同時(shí)存在的話，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)新的問(wèn)題，那就是地球的地殼運(yùn)動(dòng)應(yīng)該會(huì)在更早的時(shí)間停止。其原因如下：當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)在各種力下逐漸變慢，并造成了重力的不平衡時(shí)，這的確會(huì)引起板塊被撕裂并向兩極漂移；然而此時(shí)第2個(gè)機(jī)制——均衡補(bǔ)償機(jī)制也同時(shí)會(huì)起作用。由于自轉(zhuǎn)變慢是極其緩慢的，所以自轉(zhuǎn)變慢所產(chǎn)生的重力不平衡與地幔這種粘彈性體所產(chǎn)生的均衡補(bǔ)償機(jī)制很容易產(chǎn)生一種動(dòng)態(tài)平衡，并且達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后這兩種機(jī)制效應(yīng)都會(huì)同時(shí)消失，此時(shí)由于重力不平衡所造成的板塊運(yùn)動(dòng)也會(huì)隨之停止。此后由于受到各種力自轉(zhuǎn)變慢，而自轉(zhuǎn)變慢又導(dǎo)致了重力不平衡，重力不平衡所產(chǎn)生的板塊運(yùn)動(dòng)又會(huì)很快地與均衡補(bǔ)償機(jī)制平衡，其結(jié)果就導(dǎo)致不再發(fā)生板塊運(yùn)動(dòng)了。

那么這個(gè)時(shí)候是誰(shuí)為地殼提供了運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力呢。接下來(lái)就要運(yùn)用廣義相對(duì)論來(lái)解釋這個(gè)問(wèn)題了。

按照廣義相對(duì)論，固有時(shí)和引力場(chǎng)度規(guī)下的坐標(biāo)時(shí)存在以下關(guān)系：

其中g(shù)₀₀是引力場(chǎng)度規(guī)的分量。引力場(chǎng)越強(qiáng)時(shí)，坐標(biāo)時(shí)相對(duì)固有時(shí)的延遲就越大，反之越小。

我們知道地球板塊的大小是不一樣的。根據(jù)均衡補(bǔ)償機(jī)制理論，補(bǔ)償基面大約在海平面下50km處。根據(jù)數(shù)據(jù)，在大洋板塊下的補(bǔ)償基面上39km都是地幔，平原處板塊下的補(bǔ)償基面上23km是地幔，高原處板塊下的補(bǔ)償基面上16km是地幔，而高山處板塊下的補(bǔ)償基面上幾乎沒(méi)有地幔。這就證明板塊下面的地幔確實(shí)是不均勻的，也就是說(shuō)板塊所受到來(lái)自地幔的引力場(chǎng)的影響是不一樣的。由此，根據(jù)上述理論，大洋板塊所受到引力場(chǎng)的平均作用應(yīng)該大于陸地板塊所受到的引力場(chǎng)的平均作用。這樣就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)現(xiàn)象，那就是大洋板塊的能量損失比陸地板塊的能量損失要多。這種能量損失的現(xiàn)象，類似于引力紅移。因?yàn)槟芰繐p失，所以就會(huì)導(dǎo)致大洋板塊的水平運(yùn)動(dòng)速度慢于陸地板塊的運(yùn)動(dòng)速度，這就會(huì)導(dǎo)致板塊之間的擠壓或張裂。

綜合上述理論，我們可以這樣來(lái)解釋地球板塊的水平運(yùn)動(dòng)模型：當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)因?yàn)楦鞣N力的作用而變慢時(shí)，地球會(huì)產(chǎn)生重力不平衡，這個(gè)時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)2種現(xiàn)象：1）會(huì)產(chǎn)生板塊分裂并且造成其水平運(yùn)動(dòng)；2）啟動(dòng)均衡補(bǔ)償機(jī)制。

但以上現(xiàn)象很快又會(huì)因?yàn)榫庋a(bǔ)償而達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡。此時(shí)均衡補(bǔ)償機(jī)制又使得板塊下方的地幔不均衡，各板塊受到的引力作用不均勻，這種不均勻又會(huì)由于廣義相對(duì)論效應(yīng)而使得板塊繼續(xù)擠壓或張裂，這種板塊活動(dòng)加上地球自轉(zhuǎn)變慢的影響又導(dǎo)致重力的不均勻，地球重力不均勻又使板塊運(yùn)動(dòng)，均衡補(bǔ)償機(jī)制又會(huì)中和因?yàn)橹亓Σ痪鶆蚨a(chǎn)生的板塊運(yùn)動(dòng)，然后地幔又不平衡，進(jìn)而引力又不平衡，板塊又受到相對(duì)論效應(yīng)影響。上述過(guò)程會(huì)不斷地循環(huán)，從而使板塊永不停息地運(yùn)動(dòng)。這里要注意的是，這個(gè)循環(huán)周期是極其漫長(zhǎng)的。

在這個(gè)循環(huán)周期中，因?yàn)橹亓Σ黄胶鈱?dǎo)致的板塊運(yùn)動(dòng)會(huì)隨著均衡補(bǔ)償機(jī)制效果被削弱，盡管有各種作用力會(huì)使得地球自轉(zhuǎn)繼續(xù)減慢，但是這種減慢過(guò)程是極其緩慢的。因此因重力不平衡而導(dǎo)致的板塊運(yùn)動(dòng)很容易與均衡補(bǔ)償機(jī)制達(dá)到一種平衡。而相對(duì)論效應(yīng)如上文所述會(huì)隨均衡補(bǔ)償機(jī)制的增強(qiáng)而增強(qiáng)，這就彌補(bǔ)了板塊運(yùn)動(dòng)因均衡補(bǔ)償機(jī)制而丟失掉的“動(dòng)力”。當(dāng)然根據(jù)上述理論，這里并不是提供了真正意義上的動(dòng)力，而是使得板塊運(yùn)動(dòng)速度不相同。

由此我們可以得出結(jié)論：廣義相對(duì)論效應(yīng)是可以很好地運(yùn)用在板塊運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)上的，用以補(bǔ)充傳統(tǒng)板塊學(xué)說(shuō)理論的不足。它可以充分說(shuō)明板塊運(yùn)動(dòng)是由這種效應(yīng)與重力形成機(jī)制和均衡補(bǔ)償機(jī)制相互協(xié)調(diào)而形成的。

4結(jié)論

地質(zhì)學(xué)上的板塊學(xué)說(shuō)，是地質(zhì)學(xué)上的一個(gè)重要體系，對(duì)于人類更好地了解和認(rèn)識(shí)地球有著現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義?？茖W(xué)地應(yīng)用相對(duì)論理論，利用廣義相對(duì)論效應(yīng)來(lái)徹底解決板塊運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)力機(jī)制問(wèn)題，是相對(duì)論理論與傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)理論的一個(gè)完美結(jié)合。暫且把這種結(jié)合稱著為“相對(duì)效應(yīng)第三板塊理論”，并擬在日后的研究中予以進(jìn)一步的完善和系統(tǒng)化，以建立或形成理論物理意義上的全新的板塊學(xué)說(shuō)體系。endprint