程峻峰

摘要 板塊學(xué)說的建立是地質(zhì)學(xué)上的一個標志性的重大突破，是地質(zhì)研究史上的一個重要里程碑。板塊學(xué)說中產(chǎn)生了2個經(jīng)典理論，即重力形成機制和均衡補償理論，但是這2個理論都不足以完整地解釋板塊運動的動力機制問題。本文嘗試用廣義相對論效應(yīng)來解決這個問題。

關(guān)鍵詞 地質(zhì)學(xué)；板塊運動；地殼；動力機制；重力形成機制；均衡補償理論；廣義相對論效應(yīng)

中圖分類號 P5 文獻標識碼 A 文章編號 2095—6363（2016）17—0009—02

相對論從誕生以來，至今人們對它的認識還是不夠深刻的，應(yīng)用范圍也不夠廣泛。其實在許多方面，這個理論的適用價值卻是不可估量的，可以在多個領(lǐng)域得到驗證和應(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動的動力機制問題時，經(jīng)過長期的摸索和研究，發(fā)現(xiàn)廣義相對論效應(yīng)可以為此提供強大的理論依據(jù)和支撐，能夠解決地質(zhì)學(xué)中一些急需解決的現(xiàn)實問題。

1板塊運動理論的興起

從古至今，人類就沒有停止過對地球的探索。然而人們對地球的科學(xué)性認識，是到了近代才開始的，特別是對于板塊運動的認識，如大陸漂移現(xiàn)象，更是到了20世紀初期，而且也僅僅是個別學(xué)者在關(guān)注。一直到20世紀60年代后期，板塊學(xué)術(shù)才開始由法國地質(zhì)學(xué)家勒皮雄等人正式提出，并從此形成了“百家爭鳴”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，卻無法真正勘探地球的內(nèi)部，如今最先進的鉆探技術(shù)連地殼都沒有穿透，那么探索地球的內(nèi)部，從而更深刻更真實更全面地了解和認識地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，就更是難上加難。

2傳統(tǒng)理論的優(yōu)勢與缺陷

自從板塊學(xué)說建立以來，人類對地球的認識的確變得更加清晰，板塊學(xué)說逐漸得到了學(xué)界的認可，并在不斷發(fā)展中得到了進一步完善和廣泛應(yīng)用，深海鉆探和海洋地磁測量也證明了大陸漂移和海底擴張的事實。然而這里有一個問題仍然沒有得到很好的解決，那就是板塊運動的動力機制問題。是誰為板塊運動提供了動力呢？關(guān)于這個問題迄今為止有多種解釋。有的認為動力是因為重力所導(dǎo)致的，有的認為地球表面的高山深壑在天體運動的相互作用中，其產(chǎn)生的慣性動量的分布不均衡為板塊運動提供了動力，還有的認為動力來源于地球內(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動的原因，但都有一定的缺陷，都不能為板塊運動的動力原因提供完整的理論依據(jù)和實踐指導(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)范疇進行討論的。事實上，自從愛因斯坦的相對論誕生以來，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)當融入新的觀點，為地質(zhì)學(xué)注入新的血液。

3廣義相對論效應(yīng)對經(jīng)典板塊理論的中和與貢獻

在對廣義相對論的研究中，我們發(fā)現(xiàn)：引力會對它周邊的時空產(chǎn)生影響。我們對于地球的了解還非常少，但是現(xiàn)在已知的一點是：地球的板塊移動是日積月累的結(jié)果。這就意味著，地球上任何細微的變化，都有可能在日后對地球的板塊造成影響，然后經(jīng)過上千萬年甚至上億年的積累，這種影響就會給地球板塊帶來巨大的變化。這種源頭上的細微變化，就是由包括廣義相對論效應(yīng)在內(nèi)的3種機制的共同作用所產(chǎn)生的結(jié)果。

現(xiàn)在有一種最新的板塊運動機制理論：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，地球有一個恢復(fù)到圓球體的趨勢，于是板塊被撕裂并向兩極漂移。這種機制叫作重力形成機制。

在地質(zhì)學(xué)的研究中，還有一個很經(jīng)典的理論，叫做均衡補償理論。這個理論是一定深度以上的巖石圈的重力有自動趨向于一致的傾向。這種機制就被稱為均衡補償機制。這個理論的意義在于強調(diào)了地殼雖然有保持均衡的趨向，但并非永遠處于均衡狀態(tài)，因而當質(zhì)量不均衡時，這種機制就會自動啟發(fā)以促動地球使其趨向于均衡狀態(tài)。這種機制能夠很好地解釋地殼的升降運動。但是要完善這個理論，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種機制都能夠很好地解釋地球地殼運動的機制，但是如果這2個理論同時存在的話，就會出現(xiàn)一個新的問題，那就是地球的地殼運動應(yīng)該會在更早的時間停止。其原因如下：當?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，這的確會引起板塊被撕裂并向兩極漂移；然而此時第2個機制——均衡補償機制也同時會起作用。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)生的均衡補償機制很容易產(chǎn)生一種動態(tài)平衡，并且達到動態(tài)平衡后這兩種機制效應(yīng)都會同時消失，此時由于重力不平衡所造成的板塊運動也會隨之停止。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)生的板塊運動又會很快地與均衡補償機制平衡，其結(jié)果就導(dǎo)致不再發(fā)生板塊運動了。

那么這個時候是誰為地殼提供了運動的動力呢。接下來就要運用廣義相對論來解釋這個問題了。

按照廣義相對論，固有時和引力場度規(guī)下的坐標時存在以下關(guān)系：

其中g(shù)₀₀是引力場度規(guī)的分量。引力場越強時，坐標時相對固有時的延遲就越大，反之越小。

我們知道地球板塊的大小是不一樣的。根據(jù)均衡補償機制理論，補償基面大約在海平面下50km處。根據(jù)數(shù)據(jù)，在大洋板塊下的補償基面上39km都是地幔，平原處板塊下的補償基面上23km是地幔，高原處板塊下的補償基面上16km是地幔，而高山處板塊下的補償基面上幾乎沒有地幔。這就證明板塊下面的地幔確實是不均勻的，也就是說板塊所受到來自地幔的引力場的影響是不一樣的。由此，根據(jù)上述理論，大洋板塊所受到引力場的平均作用應(yīng)該大于陸地板塊所受到的引力場的平均作用。這樣就會導(dǎo)致一個現(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。因為能量損失，所以就會導(dǎo)致大洋板塊的水平運動速度慢于陸地板塊的運動速度，這就會導(dǎo)致板塊之間的擠壓或張裂。

綜合上述理論，我們可以這樣來解釋地球板塊的水平運動模型：當?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)因為各種力的作用而變慢時，地球會產(chǎn)生重力不平衡，這個時候就會出現(xiàn)2種現(xiàn)象：1）會產(chǎn)生板塊分裂并且造成其水平運動；2）啟動均衡補償機制。

但以上現(xiàn)象很快又會因為均衡補償而達到一種動態(tài)平衡。此時均衡補償機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，這種不均勻又會由于廣義相對論效應(yīng)而使得板塊繼續(xù)擠壓或張裂，這種板塊活動加上地球自轉(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動，均衡補償機制又會中和因為重力不均勻而產(chǎn)生的板塊運動，然后地幔又不平衡，進而引力又不平衡，板塊又受到相對論效應(yīng)影響。上述過程會不斷地循環(huán)，從而使板塊永不停息地運動。這里要注意的是，這個循環(huán)周期是極其漫長的。

在這個循環(huán)周期中，因為重力不平衡導(dǎo)致的板塊運動會隨著均衡補償機制效果被削弱，盡管有各種作用力會使得地球自轉(zhuǎn)繼續(xù)減慢，但是這種減慢過程是極其緩慢的。因此因重力不平衡而導(dǎo)致的板塊運動很容易與均衡補償機制達到一種平衡。而相對論效應(yīng)如上文所述會隨均衡補償機制的增強而增強，這就彌補了板塊運動因均衡補償機制而丟失掉的“動力”。當然根據(jù)上述理論，這里并不是提供了真正意義上的動力，而是使得板塊運動速度不相同。

由此我們可以得出結(jié)論：廣義相對論效應(yīng)是可以很好地運用在板塊運動學(xué)說上的，用以補充傳統(tǒng)板塊學(xué)說理論的不足。它可以充分說明板塊運動是由這種效應(yīng)與重力形成機制和均衡補償機制相互協(xié)調(diào)而形成的。

4結(jié)論

地質(zhì)學(xué)上的板塊學(xué)說，是地質(zhì)學(xué)上的一個重要體系，對于人類更好地了解和認識地球有著現(xiàn)實的指導(dǎo)意義?？茖W(xué)地應(yīng)用相對論理論，利用廣義相對論效應(yīng)來徹底解決板塊運動中的動力機制問題，是相對論理論與傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)理論的一個完美結(jié)合。暫且把這種結(jié)合稱著為“相對效應(yīng)第三板塊理論”，并擬在日后的研究中予以進一步的完善和系統(tǒng)化，以建立或形成理論物理意義上的全新的板塊學(xué)說體系。endprint