【doc】地球自转引起大陆板块向赤道漂移的动力

【doc】地球自转引起大陆板块向赤道漂移的动力 地球自转引起大陆板块向赤道漂移的动力 第51卷第2期 1996年3月 地理 ACTAGEOGRAPHICASINICA voI-51.No.2 Mar.,l996 l一} 地球自转引起大陆板块向赤道漂移的动力 垒明德 (南京气象学院基础科学系,南京21t4 }:14\ 提要本文从力学原理出发,讨论了由于地球自转,大陆板块受到一个沿纬圈指向东的 主矩和指向赤道的主矢作用,致使板块向赤道作俯冲运动. 词 ,,,/力/-饲————,,————一——————,',l?.f—Trl,/,I 自1912年魏格纳大陆漂移学说问世,其后曾一度沉寂.直到本世纪六七十年代,海底 扩张和板块构造说的提出,才使大陆漂移的概念被大多数人所注视和接受. 半个多世纪以来,对引起大陆漂移的驱动力研究,始终处于神秘莫测之中.至今,人 们认为驱动力可能是地幔对流..,热库——地幔涌流【,潮汐力E,离极力]……等. 魏格纳认为,虽然初看起来大陆的漂移显出一幅极为复杂的各种运动情景,但却只有 一 条原则,即大陆板块移向赤道和向西漂移.因此,我们应该分别考查这种运动的两种分 力.本文讨论了由于地球的自转引起板块向赤道漂移的动力来源.下面首先通过实 验说明 轻的物体在转动系中的运动,以便于着重讨论漂浮物块在转动参照系中的运动态 势,这种 运动态势将给板块向赤道漂移创造了条件. 1轻物体和漂浮物体在转动系中的运动态势 在以恒定角速度转动的转盘上放一容器, 球,如图1所示.实验发现,小球在以角速度为 的转动参照系中,将受到重力芦,绳子予及惯性 离心力而处于相对平衡状态,平衡方程为 尸+_一=0(1.1) 式中,户一m,一m,其中为重力加速 度,为小球至转轴的距离,方向背离转轴. 如果容器内充满了空气,且同时以转动, 则必须还要考虑空气浮力的作用,平衡方程(1— 1)须加以修正.为了讨论方便,在物理学中常应 用有效质量的概念,定义有效质量 M—m—m.=(P)(1-2) 式中m和m.分别为小球和小球排开同体积空气 来稿日期:1994—07;收到修改稿日期:1g95—11 容器内用轻绳悬吊着一个质量为m的小 ; 图1转动系中小球受力图 Fig.1Diagramofforcesactingonasmall ballinarotatingsystem 2期金明德:地球自转引起大陆板块向赤道漂移的动力143 的质量,P和分别为小球和空气介质的密度,V为小球体积.此时,小球的平衡方程为 Mg+于+M=0(1—3) 上式在转轴方向和垂直于转轴方向的分量方程为 fTcosa—Mg=(—.)g(1-4) 【Tsina=Afr一(—0)r(1-5) (1—5)式的右端用力F之,写成矢量式,即 = (一.).(1—6) 下面对(1-6)式加以讨论: (1)当》.时.即P》,这是力学中通常讨论的情况,物体的密度此空气的密度要 大得很多,该物体称为重物体,此时 : . 若>.,(1—6)式中.项不能忽略,但的方向仍与;的方向同向. (2)当=.时,即P=,所讨论的物体密度与空气相同,或者就是空气块,显然, 它不会产生偏离,由(1—6)式也直接得到一0. (3)当<时,即P<P.,物体的密度比空气小,该物体称为轻物体,如充有氢气的 小球.当然,此时系氢气球绳子的另一端应固定在容器的底板上.实验发现,小球(氢气 球)将作如图1中虚线所示的方向偏离.由(1-6)式也可直接给出,因为<m.,导致P<o, 力是负值,表示小球所受的力的方向与的方向相反,即指向转轴方向,这种现象正是物理 学中负质量效应的必然结果. 现在再来讨论一个漂浮物块在转动系中的 运动态势.设密度为P的长方形物块,漂浮在密 度为P和的流体介质之间,且p.>P>,将 此容器同样置于以角速度为苗转动的转盘上, 如图2所示,物块将作倾斜的态势.由于物块是 漂浮在P和p.的介质之间,可将物块分成上, 下两个部分,上,下部的质心分别位于Ct和c 处.因为物块的上部处于P的介质中,物块相 对P而言是重物体,而物块的下部处于P的介 质中,相对而言则是轻物体.因此,根据 (1-6)式,物块上,下部的质心将受到两个方向 相反的力的作用.图2转动系中物块平衡图 . .L).(1—7)ig1.0'gofineq =(1一 一 inarotatingsystem = (:一o2)(1-8) 式中,一P,一P,m.=pIV,m..一P,V和分别为漂浮物块上,下部的体 积,为质心相对转轴的位置矢量.由于>‰,<,所以,.与同向,与反 向因为物块是漂浮在p和的介质之间,必须满足 (1+2)g=(v】+p2v2)g一(m.】+o2)g' 即' 144地理51卷 T/'t]'IM一,n—Tl 所以 lF..1一lF1(1—9) 上式表示,漂浮物块所受主矢=0,物块不产生平移运动,但主矩?0,且 Mx(1—10) 式中,?为c相对c的矢径.主矩的方向垂直纸面向里,该主矩使物块沿顺钟向产生 转动.由于物块是处在流体介质中,同时要受到介质的拖拽力矩的作用,当这两个力矩达 成平衡时,物块的倾斜度就不再改变,形成右俯左仰的势态,如图2所示. 自转地球上板块的运动态势 板块构造学说的基本原理之一是,地球上层刚性的岩石圈漂浮在塑性的软流圈上, 岩 石圈又可划分为若干大小不一的板块,软流圈里物质的高流动性是岩石圈板块能 在软流圈 上漂移的原因.板块类同上面讨论的漂移物块一样. 设在北半球有一板块,质心位于纬度处,如图3中实线 所示.同样将板块分成上,下两部分,它们的质心分别为 C和Cz,C和C到地轴的距离分别为r_和,仿(1—7) 和(1-8)式,写出 『F..=(m1一mo1)1(2—1) IF=(m2一m.,)(2—2) 式中r_和r分别为c和C相对地球转轴的位置矢量. 由于l>lI,所以lI>1,致使作用于板块上的 两个不同的力..和的合成结果,主矢?0和主矩 M?0,主矢为 Fr一(m】一m0L)(r1一)(1) 一 (m】一.1)?C1Cz?COS(1)(2—3) 将使板块的质心C作平动运动,而主矩 图3板块受力图 Fig.3Diagram0fforcesacting onaplate 一 rc1f2?sinq~?F+Clf2?sinq~?F](2—4) 将使板块绕质心C作转动,当主矩与受软流圈的阻力矩达到平衡时,板块将产生南 倾北仰的 态势,如图3中虚线块所示.式中单位矢量霞为主矩方向沿纬圈指向东. 不难看出,主矢在沿径圈指向南的分量为 5) =?sinq~(2— 此力正是使板块朝向赤道方向运动的驱动力. 选取质心位于p=45.处的板块,面积为s=10ITI,厚度一10m,岩石圈板块的密 度P一2.8×10.kg/m.,软流圈密度一3.3x10kg/m,空气密度P一1.29kg/m,地球 自转角速度一7.29x10,rad/s,则可计算出 3.57×10.N?ITI 2期金明德:地球自转引起大陆板块向赤遭漂移的动力145 F,, 5.58×l0"N 因此,在白转地球上的板块,在受到主矩和主矢的作用下.使板块向赤道方向作俯 冲运动. 3结语与讨论 板块动力学是地学界深入研究的重大课题之一.要圆满地,定量地解决板块的驱动机 制,目前,还是困难重重.这里暂且不考虑地幔对流……等驱动力,就是仅考虑地球自转 所引起的板块倾斜.也不止本文所单一讨论的南俯北仰,还伴随有西俯东仰和西北俯东南 仰等各种倾斜,这就形成了板块运动的复杂情景. 作者认为,地球至今已有60×10.a的历史.在这漫长的历史长河中,由于地球内部原 因产生的板块移动方向.从统计学的观点出发应该是各向均等的.但是,板块移动有明显 的方向性,不是与地球白转轴平行就是垂直.这是客观事实.固此,在讨论板块移动的 方向时,必须要考虑地球白转所带来的影响. 由计算结果,板块受指向赤道的力似乎小了一点.作者认为,在白转地球上的板块, 它时时刻刻受到这个定向力的作用,它必定会沿力的方向漂移,只是漂移速度的快慢问题. 这与白转地球上运动物体受到柯里奥利力作用相似.由于地球白转角速度太小.对 于某些 运动,柯里奥利力不明显.但是,长时期的累积效应就非常明显.如北半球河流冲刷右岸, 火车轨道磨损右轨……等.更何况大陆漂移的时间尺度是用亿年来衡量,而每年漂移的距 离仅数厘米[.因此,本文计算结果.是有价值的. 作者认为,如果在本文所讨论的南俯北仰的板块下面出现了地幔对流.无疑将加速板 块向赤道作俯冲运动.因此,要圆满地解释板块运动,应该同时考虑地球的内部和外部原 因,这样才能建立起一种完整,统一的动力学模式. 参考文献 1金性春.板块构造学基础上海:上海科学拄术出版社1982—114.26273 2夏德梧.地球动力学原理王仁黄杰藩译.北京地震出版社1986300. 3竹内均.地壳运动假说牟维国译.北京:地震出版社.1978220 4王大曾.活动的地球北京科学出版社1881118123 5班武奇陈材杰编.板块构造学说的来龙击脉.北京:科学出版社.1984142 6魏格纳.海陆的起源北京商务印书馆.1984.159. 7李金斯.地球的演化.张友南译.北京:科学技术出版社,1982.177. 8美国地球动力学委员会编.岩石圈.沈德富等译北京:地震出版社.19871. 9孙殿卿,高庆华.地质力学与地壳运动.北京:地震出版社1982195 10李四光.地质力学概论.北京科学出版社,1973.附页 作者简介 金明德,男,1939年生.副教授.l964年毕业于南京大学空间物理专业.已发表《理论力学》,《理论力学 辅导》两本专着,以及在基础物理研究方面的10余篇 l46地理51卷 DYNAMICSoFTHEEARTHSRoTATIoN—CAUSED EQUATORWARDDRIFTOFCONTINENTALPLATES JinMingde (Depart~ntofbasicCoursesNanflhgI~tituteofM??.log.~danjing210044 KeyWords:continentaldisplacement,continentalplates,headdownwarddrifting Abstract Thedynamicsofcontinentalplateshasbeenoneofthemajorsubjectsinthecontextofgeo- scienceandthehypothesisonthedrivingmechanicshasbeencontroversialforoverahalfofthiscen— tury.Muchevideneeshowsthattheplatemotionbearsarelationtotheearth'srotationinsueha waythatitismarkedlydirectional,i.e.eitherverticalorparalleltotherotationalaxis. Startingfromtheprinciplesofmechanics,thepaperinvestigatesthecharacteristicsofalight bodyinarotationalframe,fonowedbyaddressingthestateofafloatingbodyinsuchasystem.Itis believedthatsuchmodelappliesutterlytothestudyofgeoplates. Oneofthebasicprinciplesinthetheoryonplatetechtoniesstatesthatsinceplatesofdifferent sizesfloatovertheplasticmovablesphere,thehighfluidityofthematterthereingivesrisetothe driftoftheplates.Onaccountoftherotationplatesareundertheeffectofaforcesystem. Thisarticleisconfinedtothediscussiontheeffectsontheplatemotionoftheprincipalmo— mentactingeastwardalongtheparallelandthedominantvectoractingequatorward.theformerre— sponsiblefortheinclinationwiththehead(tail)downward(up 一)andthelatterleadingthecenterof massoftheplatetotranslateequatorward.i.e..theplatetravelsequatorwardinamannerofhead (tail)downward(up一).