地月系的形成与早期地球的演化

　　内 容 简 介
　　本文简介了地月系的形成后,着重对原始地球的演化作了大胆的推理：
　　1、原始地球形成时，表面上没有硅铝层。
　　2、原始地壳是在莫霍洛维奇面下。
　　3、原始地球的地心没有固体核。
　　4、地球内部向外输送热量是不均衡的。
　　5、对地磁极倒转的解释。
　　6、地磁极倒转后，北半球大陆会向南迁移。
　　太阳诞生初期，地球绕太阳公转轨道上的气尘圈受到太阳风的扰动或彗星的轰炸，产生断裂口，并不断向两边卷缩（向外）。这时断裂层中物质的温度很高，很可能处于熔融状态或接近熔融状态下。随着两球质量和体积的不断增大，形成了两颗大小不一，自转方向相反的星球，中间连着一条弧形的带子，它们一起绕着太阳公转。由于断裂层中的物质不断地散热，因此，随着两球距离的不断缩短，整个断裂层中物质的温度也逐渐降低，特别是两球中间带子中物质的密度小，散热快。当两球比较接近时，带子中的物质凝结成温度较低的、稠密的小颗粒（包括气尘物质），不断地掉落到两球上去。所以，当两球接近时，都已经有了一个比较坚硬的外壳，外壳上覆盖着一层很厚的、疏松的尘埃土。它们都保有一定的大气，特别是地球的大气层很厚，而且大气中充满了干燥的尘埃物质。
　　地球和月球围绕太阳公转的方向相同，地球绕太阳公转的速度比月球绕太阳公转的速度快。当地球追上并接近月球时，尽管两球之间的引力很大，但是月球巨大的运动惯性，致使月球不象其它物体以重力加速度的方式掉向地球。地球追上月球就象航天飞机追上空间站一样。这就是说，地球和月球碰撞时的速度并不是很快。假如这时火星已形成并住有人，他就会在好多天的时间里看着地球追着月球跑。
　　月球在撞上地球前，由于地球从太阳里获得的角动能大于月球从太阳里获得的角动能，当地球追上月球时，地球略占公转轨道的外围，月球略占公转轨道的内圈。同时，月球在地球和太阳引力的作用下，也具有向轨道圈内让的趋势。特别是月球进入地球的大气圈后，地球大气对月球具有很大的水平推力，因此，月球也会像流星一样以弧线的形式掉向地球。这就是说，月球和地球在轨道上不是正面碰撞，再加上地球快速自转，削弱了两球部分的撞击力，以及两球表面疏松尘土的缓冲作用，月球撞上地球时，两球才没有产生爆炸。月球就像是在地球上＂软着陆＂，但也在地面上砸出一个很大的窟窿，有相当部分的体积嵌入地球表层。由于地球内部充满了可塑性的熔融物质和一些放射性元素衰变时产生的气体元素，月球被地球内部的压力反弹出来，再加上地球快速自转的缘故，月球就像一个大车轮，以接触面的东端为转轴，沿着地球自转的方向向外滚出，它的自转方向被彻底地改变。所以地月系形成后，月球的自转方向与绕地球公转的方向都和地球的自转方向相同。也是由于这种原因，使得月球的自转周期和绕地球公转的周期近乎相等。这也能够很好地解释月球绕地球公转的轨道为什么近似圆形，以及白道面与黄道面为什么如此接近…
　　目前＂中空的月球＂似乎被一些天文学者炒得沸沸扬扬，神秘莫测。其实月球是实心的，不过，月球内部确实存在着一些不相连接的＂孔洞＂，这些孔洞只不过是月球火山爆发后冷却下来的岩浆室。在现今的月球上有可能残留着当时与地球接触面摩擦被烘烤的痕迹。至于月球表面与地球表面物质含量的差异性，我们必须追溯到太阳诞生后，是以什么样的机制把重元素物质抛离球面的。太阳向外抛撒物质并不像光一样均匀，而是一波一波地进行，就像耀斑爆发后以日饵的形式向外抛出粒子，这样就会导致在同一个气尘圈中，不同的区域物质的含量不同。所以在同一个气尘圈中形成的两颗星球，物质的含量也就不一定相同，何况月球表面垒积了很多的陨石物质。另一方面，地球经过分异过程和大面积的火山爆发，表面物质与月面物质不同也是可以理解的。
　　月球在地球的着陆点很可能是在地球赤道略为偏北的地方。月球对地球的强烈撞击，使地球内部的物质向南半球方向运动，这也许就是地球固化定型后，南半球稍微凸起的原因。月球在地面上软着陆，开始时仍在不停地逆向自转，使两球的接触面不能牢固地黏合在一起，而且把大量的泥土和岩石从西面压入地底，这些被压入地底的岩石的反作用力会把月球的西边托起。因此，月球才有可能被地球内部的压力反弹出来，以及地球快速旋转的离心力甩出。月球被地球甩出后，绝大部分的月球大气仍留在地球的大气层里。按照以往的一些理论认为，水是从岩石里包含的水合化合物中分化出来的。月球的质量是地球质量的八十一分之一，这样，月球上水的总储量也应该有地球上水总储量的百分之一，但月球上似乎没有这么多水。这说明水的主要来源不是从岩石中分化出来，而是从大气氧化过程中产生的。不过，月球和地球是同一个圈层中的物质凝聚成的，这就意味着月岩中会包含一些水合化合物。地月系形成后不久，月球核心部位曾经达到相当高的温度，会把岩石中的水分离出来。目前还没有发现月面上有水流动痕迹的迹象，也许月球内部包含的水从来就没有流出过月球表面。在月壳底下或许有可能存在着一个同温圈层，并且允许液态水的存在，月球上的水就储存在这个圈层里。这是一个令人鼓舞的大胆推测，值得科学界花大力气去探索和取证。
　　月球在地面上软着陆时，它的自转方向与地球的自转方向相反，因此，月球表面上疏松的尘土会聚集在古洋的西部地区。（注：古洋是由月球在地球上砸出来的窟窿演化形成的。）这些聚集在古洋西部的尘土或多或少地受到挤压，致使这些尘土相对于地球其它地区的疏松的尘土来得结实一些。
　　月球被地球内部的压力弹出后，在地球赤道地区留下一个很大的窟窿，大气流经这里时就产生了大旋涡，促使这个窟窿逐渐扩大，并不断地向两极侵蚀。地球表面上的尘土在大气风暴的作用下，形成一个个大土丘，像沙漠中的沙丘一样。这些土丘在大气风暴的搬运下，在地球表面上到处乱窜，而且这些土丘的质量很大，对地球内部施加不平衡的压力，促使地球内部分异的加剧。
　　一些放射性元素衰变时产生的氧与氢元素合成水，这些水首先以蒸汽的形式逸散到大气中去，促使大气中的固体微粒逐渐黏合在一起，形成小颗粒掉到地面上来。随着地球表面温度的降低以及合成的水越来越多,地面开始潮湿,大部分的土丘根部蓄上了水,能比较牢固地黏在原始地壳上(地球的原始地壳是在莫霍洛维奇面下),其余的部分在大气风暴的搬运下,依附到其它的土丘上,或填满其它相邻土丘的沟壑,就这样逐渐演化成一片以古洋西岸为边界的,几乎连接南北两极的古大陆板块 (莫霍面上的硅镁层)。地球和月球是同一个断裂层中的物质凝聚成的，那么，最原始地球表面的物质含量与最原始月面物质含量应该具有类同之处。地球内部经过漫长的分异过程，一些较轻的，富含硅、铝的岩浆以火山爆发的形式冲出球面。地面曾经经过多次大面积的火山爆发，以及深层火成岩的变质作用，沉积岩的作用，甚至遭受陨石的轰击等，致使现今地球表面物质成分与原始地球表面的物质成分不同。这说明地球刚形成时的地面早已经被一层很厚的地壳所覆盖。地球刚形成时的原始地面应该是在现代地壳的硅镁层之下，也就是在莫霍洛唯奇面下。
　　古大陆形成过程中，受＂季风＂的直接影响是很大的。由于当时地球表面比较光滑而且没有植被，虚浮在原始地壳上的尘土在季风的搬运下，会在风力较弱的地方沉积下来。这样，在靠近地球的南北极圈处，就形成了两片古大陆板块，而且穿过赤道连接着一条开口向东偏南的大陆带。由于古洋占据了地球表面的一大部分，特别是古洋地区的旋风作用，致使地球在很早时期就可能形成三轴椭球体，而且南大陆的面积大于北大陆的面积。（注：这时的古洋可能还没有蓄上水）
　　地球上合成的水越来越多，一些洼地和沟壑蓄上了水，促使地球原始绿色植物的出现。绿色植物出现后，植物在光合作用中放出游离氧，对原始大气产生缓慢的氧化作用，随着绿色植物的增多，这种氧化作用逐渐加快，致使原始大气发生了根本性的变化。一氧化碳变为二氧化碳，甲烷变成水汽和二氧化碳，氨变成水汽和氮。植物光合作用的持续进行，氧气才从二氧化碳中分解出来，最后逐渐形成以氮和氧为主的现代大气。大气氧化过程中，雷电起了很大的作用，导致有机物的产生。另一方面，生命的起源有可能来源于植物果实的霉变发酵作用。
　　由于地球表面温度的降低，原始大气在氧化过程中产生的水汽，大部分凝集成液态水降落到地面，汇聚到洼地中，并逐渐充满了大洋。
　　地球上水的来源，很可能是多方面的。
　　1、地球聚集过程中，包含了一些水合化合物；
　　2、原始大气弥漫着许多蒸汽云；
　　3、大气氧化过程中合成水（主要）；
　　4、放射性元素衰变时产生的游离氧与氢元素合成水；
　　5、紫外线辐射产生游离氧并与太阳辐射出来的氢核结合成水。因此，地球上水的总储量很可能还在极其缓慢地增多。
　　地月系形成后，地球受到以下几方面的作用，致使地球内部的物质再次熔融：
　　1、放射性元素（包括短寿命放射性元素）衰变时产生的热积累。
　　2、月球和太阳引起的潮汐能被保存下来。
　　3、类似于太阳形成过程的压缩效应的热积累。
　　地球主要通过上述的几种效应，使地球内部绝大部分的物质熔融，并进行了全方位的分异过程。在分异过程中，重的物质沉入地心，轻的物质浮上来。轻的物质浮上来的同时，也把内部的热量带上来，但在原始刚性地壳的阻隔下，聚集在现今的软流圈处。这时，地球的水圈已经存在，大洋底下的原始地壳向外散热，在很大程度上是靠水的热对流传递，而古大陆板块（莫霍面上的硅镁层）就像一席很大的被子，盖在底下的原始地壳上，致使古大陆板块底下的原始地壳的软化程度胜于大洋底下的原始地壳。因此，地球早期大规模的火山爆发应发生在古大陆上的一些薄弱地带。随着火山爆发的持续进行，古大陆板块越积越厚，大洋的水位也越来越高。因此，地球早期出露在海平面上的陆地很可能比现今的陆地少得多。由于原始地壳的软化，再受到潮汐的水平挤压力，地球自转速度变化的水平挤压力和月球、太阳的引力，以及地球内部分异过程中的不平衡压力等，致使古大陆板块开始产生裂缝，并不断飘移。地壳板块的运动，也就意味着大规模造山运动的开始。
　　地球漫长的演化过程中，地壳大体可以分为三大阶段：
　　第一代地壳：原始地壳（莫霍面下），时间：地月系形成后不久。
　　第二代地壳：古大陆形成（主要是莫霍面上的硅镁层），时间：地壳板块运动之前。
　　第三代地壳：现代地壳（硅镁层十硅铝层），时间：地壳板块运动之后。
　　软流圈的存在给地壳运动带来蓬勃的生机。下地幔向上输送热量大于地壳向外散热，很可能就是导致软流圈能够长期存在的主要原因。下地幔中的物质长期处于高温高压的环境中，具有溯性变形的特点，它向上输送热量除了＂传递＂之外，还伴有局部的溯性流动。而近似钢体的地壳向外散热，主要以传递的方式来完成，这就导致了热量在地壳下面的富集，形成软流圈。但也有可能是软流圈所处的位置的温度、压力等条件，正好允许岩石的熔融态和固相同时存在。软流圈中热量的不断聚集，就会迫使地壳要以某种新的散热方式来达到平衡。目前，我们都知道地壳向外输送热量的主要机制是洋底扩张，并伴随有局部的火山爆发。从古陆桥的分离——接融；大西洋的张开——闭合，似乎可以看出，地球内部向外输送热量不是均衡的，而是一波一波地进行，只是由于时间间隔很长，让人难以捕捉其信息，这和地球出现的大冰期应该有着某种密切的联系。有趣的是大陆冰川和地壳运动的活跃期似乎交替出现，好象也没有证据证明大陆冰川期间，有广泛的地表岩浆活动。这可以从两个方面来理解：
　　1、假如下地幔向上输送热量是平稳的，软流圈不断蓄积热量的结果就会使地壳运动的活跃期具有较为准确的周期性，而且地壳的释热方式是爆发性的，时间也不会持续得很久。
　　2、如果下地幔向上输送热量是不均衡的，它同样会导致地壳运动的活跃期与宁静期交替出现，只是时间持续的长久一些，而且地壳这种释热方式大部分是局部爆发性的，从地质历史上我们可以把它划分出来。
　　纵观地壳的演化史，似乎比较符合上面的第二种说法，这会给人一种出乎意料的感觉。如果说下地幔在不同时期向外输送热量是不均衡的，那么，地球中心部位产生的热量也是不均衡的。这在文章的后面讲到地磁极倒转时，再加以讨论。
　　寻找地球原古大陆的方法，决不可以简单地用现今地壳的板块去拼凑。从太平洋板块的多次更新，以及阿尔卑斯山的造山运动可以看出，现今地貌只不过是地球漫长时期演化过程中的其中的一幅图画。探索地球早期地貌的方法，应该利用残留在岩石中的古地磁去拼凑，并结合古代几次大冰川作用遗留下来的证据加以研究。不过，遗憾的是既使用这种方法，也不能准确地追溯到地球原古时代的古大陆板块。因为原始地球形成时，表面上没有硅铝层。地球漫长的演化过程中，几乎把原始地球地貌的信息全部消融。1、原古大陆上面覆盖着几千米至几十千米的硅铝层；2、广泛的深层岩浆活动，以及上覆硅铝层的重压，使原古大陆的物质产生变质或重结晶，这从物质成份上很难区分开来；3、板块运动把原古大陆扯得支离破碎，甚至被消减。从以上的三个方面来看，似乎暗示着我们人类将永远无法确切地回映原始地球的地貌。然而，随着科学技术的发展，今后的地球物理学家们是否能找出一种更好的方法来研究原始地球，还是一个未知之数。
　　原始地球的地心没有固体核。因为地球如果是冷凝的，它在分异过程中，地心的物质应该先熔化，或者靠近地心的物质熔化后，必定先流入地心，使地心的物质产生熔融；如果地球是热聚的，那么地心本来就是熔融的。地心的固体核，是在地壳大规模的火山爆发，以及下地幔的固结之后，才逐渐产生的。
　　地球早期的地热，主要来源于放射性元素（包括短寿命放射元素）衰变时产生的热积累。而现在的地热，一方面主要是来源于地球内地核增大所释放的凝固热，以及长寿命放射性元素衰变时产生的热积累；另一方面是由于内地核受到月球和太阳的引力作用，对外地核施加不平衡的压力，这种高压控制下的物质移动或流动将产生很大的热量。
　　由于地月系围绕着它们共同的质心旋转，并且地球自转的角速度大于月球绕地球公转的角速度。因此，月球对内地核的引力作用，致使内地核对靠近月球的外地核熔融物质的挤压，会使外地核熔融物质逆着地球自转的方向流动。（这也许就是导致地球自转速度变慢的主要原因。）又由于外地核熔融物质（主要是铁元素）长期处于高温高压的环境中，容易失去电子，呈现正离子态，而正离子的运动就好比闭合电流中的空穴运动。如果我们把外地核这种携带正离子态的熔融物质的环形流动，理解为闭合电流，那么，我们就可以根据环形电流产生磁场的右手螺旋法则进行判断。以右手握环形导线，四指指向电流方向，也就是外地核熔融物质的流动方向，则拇指指向为环形导线内部的磁力线方向，因此，地球的磁南极是N极，磁北极为S极。地磁极倒转是由于外地核熔融物质运动方向倒致所引起的。可见，内地核的运动，不仅受到月球的引力作用，甚至还受到外地核与下地幔交接处的固体表面所制约，同时与外地核熔融物质的粘稠度也有直接的联系。外地核不断向下地幔提供热量的结果，就是使其母体本身温度降低，粘稠度增大，从而限制内地核运动的自由度。当外地核熔融物质的粘稠度增大到一定的数值时，内地核对外地核施加的逆向机械转矩，不能引起外地核熔融物质逆着地球自转的方向流动，使正向磁场消失。而外地核熔融物质随着地球自转的方向转动，所产生的逆向磁场的磁极位置，很可能和正向磁场的磁极位置重合，只是磁极的方向相反。这也许就是地磁极倒转的根本原因。当现代地球磁场的磁极方向发生反转后，加在外核的逆向机械转矩消失，地球的自转速度不仅不会减慢，反而可能会加快。这一期间，地球内部的产能机制减弱，对外输送热量降低。由于地核对外输送能量极其缓慢，也许要经过几千年或几万年的时间之后才能对地表产生影响。到时地壳板块相互作用相对减小，大规模火山爆发，大地震的次数也相对减少，地面温度降低，甚至可能形成大冰期。当外地核熔融物质的粘稠度达到某一个极限值时，就会使靠近内地核的熔融物质产生相变，使内地核增大，同时释放出很大的凝固热，促使外地核熔融物质粘稠度的降低。内地核对外地核施加的逆向机械转矩又会使外地核熔融物质逆着地球自转的方向流动，从而使地磁极再次发生反转。
　　纵观地球46亿年漫长的演化史，地球的磁极方向至少发生十次以上的倒转。这就是说，大陆板块从南移向北，再从北漂向南，至少经历过十次以上的大搬家。另外，这里有必要额外阐明一个极其重要的问题。当前人们都懂得万物生长靠太阳，但对月球存在的必要性，似乎还不被科学界所重视。设想如果没有月球引力对内核施加的机械转矩，地核的产能机制就会大幅度降低，在不远的将来，地球会逐渐冷却，地表水渗入地底，地球表面会变得和火星表面一样荒芜。到那时，地球人将不得不变成地老鼠，生物圈将面临着灭亡的威胁。
　　外地核熔融物质粘稠度的变化，会使其体积也跟着相应的变化，使地球的半径产生轻微的伸张和收缩，这也许是导致地壳破裂的一个原因。
　　现代一些地球物理学家利用古地磁拼凑法，认为北半球各大陆在一亿多年前与南极大陆汇聚于南极处。是什么原因使得各大陆北迁？其动力机制是什么？我想，前次地磁极倒转是造成各大陆北迁的根本原因。因为各大陆的岩石中包含了很多的磁性物质，这些磁性物质在岩石的形成过程中，被当时的地球磁场所磁化，并且这种磁性会保留很长的时间，因此，这些被磁化了的磁性物质会与倒转后的地球磁场产生排斥作用。所以，如果地球再次发生地磁极倒转，北极区可能先隆起，然后北半球各大陆会向南迁移。全球地壳的动力学机制将受到严重的破坏，地震和火山爆发会频繁出现。到那时，北极区可能成为一片汪洋，大洋的洋底扩张主要会在北极区或北极圈附近。大西洋北部首先大面积裂开。北冰洋的扩张必定导致洋底板块在大陆边沿的消融。这种作用会导致大陆北边被抬起，产生缓慢的造山运动。岩石中的磁性物质和新地球磁场的对抗，给各大陆板块加上机械转矩，导致全球性板块运动的加急，甚至会导致某些板块产生破裂，或沉入洋底。同时，南极大陆也有可能向北漂移。如果这样，覆盖在南极大陆上的冰川就会被驮到低纬度区域而逐渐溶化，到那时地球将会产生翻天覆地的变化。
　　（说明：这篇文章在2016.3发表于自然科学杂志<文摘版>）
　　作者： 林友顺