地球热平衡机制与地壳运动

1、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

2、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

3、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

4、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 温高压下重结品形成）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4 0公里，海洋地壳的平均厚度 大约为2 0公里。从地壳已有4 6亿年的历史来看，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，4 6亿年时间，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

5、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1 0 0 0米，温度上升3 0。， 大陆地壳的平均厚度大约为4 0公里，按此处计算，温度大约为1 2

6、0 0。，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，岩石品格解体，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3 0 0 0米以上，水的导

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、 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， 1月31日出现高气温、低气压；2月4日，日平均气温比常年高8度；2月3日 3时至10时，震区气温突然上升，形成一个以海城为中心的急剧升温区，两个 小时内，海城增温12度。1668年9月2日，山东莒县8。5级地震前“酷暑方 挥汗”。1920年12月16日，宁夏海源8。5级地震“震前数日，四面天边，变 黄如

13、火焰，人均感觉焦灼干燥。” 1976年7月28日唐山大地震前，人们普遍感 觉异常闷热。2008年5月12日四川纹川8级大地震发生前，人们普遍感觉异常 闷热范美忠博客日志也有记载。而“板块运动”则不可能出现温度突然升高的 情况。因为板块机械运动和挤压运动，应当表现为岩石内应力增大，岩层温度不 会产生大幅度升温现象。而很多研究地震的科学工作者却受制于板块构造与板块 运动理论学说，忽视岩石温度和地下水温度大幅升高这一重要的物理变化事实， 对地震的动力来源和发震机制的判断理解呈现教条化倾向，即地幔物质对流 导致板块运动板块互相碰撞挤压一一导致岩层应力增大岩层应力达到 极限发生断裂错动形成地震。震区在震

14、前温度异常升高，不容置疑地表明了地球内部热能在震区集聚的事实， 这是理解判断地震成因和发震机制的关键所在。而过去在预测地震所依据的探测 资料数据上，由于思路原因，恰恰忽视了温度探测和岩浆活动这一重要的地壳变 化，而把观测重点放在非主要的项目上。根据地壳中存在局部热能集聚和岩层突然大幅升温的事实，不难推断出火山喷发 与地震发生过程的机制原理：1、火山喷发过程：地幔物质岩浆上涌，在靠近地 表的岩层中形成岩浆包或岩浆房并持续扩大体积融化周围岩层，最终从某一点或 几点冲出地表，形成火山喷发。2、浅源地震发生过程：地幔物质岩浆沿岩层老 断裂缝隙蔓延，在距地壳表面较深的岩层中形成岩浆床或岩浆墙，但由于岩浆

15、床、 岩浆墙距地表层的距离较长，且周围岩层含水分较多，随着岩浆不断加温周围和 上部的岩层，被加温岩层中的水分汽化并迅速膨胀，使岩层发生高温高压下的相 变，岩层大面积发生破裂，岩浆迅速在破裂部位扩展蔓延，引起更大范围的岩层 升温和脱水相变，水分增多后汽化的规模更大，膨胀力更强，进一步使更大范围 的岩层突然破裂（超过岩层受力极限），形成地震。3,深源地震发生过程：由 于小行星击穿地壳，引起地幔物质重组，在重力分异作用和过程中发生物质急剧 相变，能量突然释放而引发的震动。由上述的火山喷发与地震发生过程不难看出其共性都是岩浆侵入地壳，对岩石增 温后引起岩石物理变化。其本质是热能量的积聚与释放。本文所阐

16、述的地震发生过程机制能够对应地震前兆现象和前震、主震、余震全部 运动，并且也能够对应地震在某一地带可多次重复发生，即地表水容易顺着地壳 破裂处下渗，给此处岩石补充水分。为下一次地震的产生积累必要的汽化膨胀水 分质量条件。从本文阐述的地震发生过程机制也可以归纳总结出地震及“地震三要素”形成 的规律性。1、地震的能量取决于地壳中某一部位形成的岩浆床或岩浆墙的体积 质量与岩层接触的面积。2、地震发生的震中位置取决于含水分较多的岩层在岩 浆床或岩浆墙上方及两侧方的位置。3、主震发生的时间取决于已形成的岩浆床 或岩浆墙向最近的含水较多的岩层扩展的速度与距离。根据上述地震发生过程机制和“地震三要素”的规律性，可以演绎推理出探测地 震及预报地震的主要手段方法，即宏观上应采取人造地球卫星红外遥感观测技 术，以便于及时发现地球某处异常增温和显