板块运动的动力

王昌益

大地构造研究表明、地表卫星照片显示：地壳运动虽很复杂，但全球性规律特别强。如大洋中隆贯穿全球、规模巨大的裂谷系贯穿全球、与裂谷相伴的岩浆喷溢活动贯穿全球。再如，地球上的大陆就象十分寒冷条件下漂浮在海洋中的冰川在潮汐作用下被逐渐分裂并飘移一样在不断瓦解分异，如图所示。这说明地壳受着全球统一的作用控制。

面对全球地壳运动规律和大地构造的现实状态，地质学家们相继建立了许多关于地壳运动动力源问题的学说，对地壳运动进行了多方位解析。例如：1板块运动（大陆漂移、海底扩张、地幔对流）（魏格纳）2地球自转角速度变化（李四光）3固体潮汐力作用4内生和外生双重动力源共同作用（蔡东升 卢华夏）5地球翻转的全球性统一大变动，导致了地球表层的巨大板块的惯性变动（常健民）6重力均衡作用……然而，如此多的地运学说却都不能指导人们准确预测地震。这是为什么？我个人认为，人们还是不那么确切地掌握地壳运动规律，没有真正掌握地壳运动与其控制作用之间的确切关系，缺乏研究地壳运动规律的定量理论。

控制地壳运动的作用究竟是什么？作用学认为，控制地壳运动的作用并不是一种具有特定大小和特定方向的作用，而是由多作用合成起来的一种作用变量。合成这一作用的多作用主要是：

1地心引力作用

地心引力是牛顿确定的一种力。牛顿认为，“将地球上的各种物质束缚在一起、使其获得指向地心方向的动量增量的作用是地球产生的一种吸引本领，叫地心引力。自然界普遍存在这种力，叫万有引力。”事实上，不受相互吸引作用的两个物体之间的关系变化也遵守牛顿的“万有引力定律”，任何两个物体之间的距离关系变化都遵守牛顿的万有引力定律。牛顿万有引力定律只不过是反映“两个质点之间的距离关系变化规律”的定律。即，根据两质点间的距离变化加速度a与两质点质量m₁和m₂与它们分别受的合力F₁和F₂之间的关系式

a=F₂/m₂-F₁/m₁=F/m₂

得，任意质点m₁相对于另一任意质点m₂受的合力（即m₁对m₂的吸引力）是

F=m₁m₂a=m₁F₂-m₂F₁

万有引力实际上就是两质点之间的相对力。地心引力也不是地球对物质的吸引力，而是受外作用控制生成的相对力（它的一部分由来自太空且通过地球所在空间运动的物质形成，另一部分则由物质与地球之间的相对动量产生）。这种作用是控制物质指向地心方向运动的最重要的作用。

根据万有引力定律，质量为M的地球对质量为m的地质体所产生的地心引力大小是W=GMm/D².式中，D为M与m间的质心间距，G为引力常数。引力W与牛顿第二定律确定的力有着本质区别。根据牛顿第二定律，在地心引力作用下，相对于地心以a为加速度运动的m所受的、由牛顿第二定律确定的力（也就是地心引力）是f=ma；设M对m的引力是f₂，m对M的引力是f₁，M和m在运动中仅受f₁和f₂的控制，从而发生关系变化.根据关系变化规律，则有

a=f₂/m-f₁/M=f/m，

a就是m相对于M的运动加速度，等于地心引力加速度。a与地心引力之间的关系式是

W=Mf₂-mf₁=Mf=Mma=GMm/D²=ma.

与牛顿第二定律相统一的地心引力F₁实际上就是相对力f ，即，

F₁=f或 F₁=Gm/D².

地心引力的作用方向始终指向地心，其作用具有持久性和连续性特点。如果没有其它作用存在，它在地质历史时期t内会使地球的任意物质部分获得指向地心方向的相对动量增量达到

Δmv=F₁t=Gmt/D²

这样一个非常巨大的值。与此相应，在地质历史时期t内地心引力应使m增加的引力位移量是

ΔL=Gt²/2D²

可见，地心引力对地质体的变形与运动有着极大的控制作用，它是支配地质体向地心方向运动与变化的主要作用力。

2地球自转离心作用

在力学中，离心力被认为是向心力的反作用力，与向心力的大小相等、方向相反。然而，事实上，力学中的那种离心力是不存在的。向心力主要由转动物以外的作用物质对转动物构成作用产生，向心力的反作用力由转动物产生，它是对产生向心力的作用物质形成的作用，它作用在旋转体以外的作用物质之上，而不是作用在转动物上的力。离心力可由外来物质对转动物进行作用产生，但在无外作用生成离心力的情况下，离心力一般由旋转物的动量产生，在仅有向心力和旋转线动量mv两个量控制下作匀速圆周运动的现象中，旋转线动量mv就等于离心力，即

F₂=mv=mωr

式中，ω为圆周运动角速度；r为圆周半径；在转动现象中，线速度v的量纲是米/秒2。线动量与向心力的合成量就是支配物体作圆周运动的合力。在地球表面存在的地质体所受的离心力也就等于该地质体的质量m与m绕地球自转轴转动的线速度v之积，等于m与地球自转的角速度ω和旋转圆周半径r三者之积。离心力F₂的作用方向与旋转线速度方向一般成ω角，与向心力方向成（90°+ω/2）角。m受向心力的大小为

R=2mvsin(ω/2)；

m受离心作用力的垂直分量是

F₂₁=mvsin(ω/2)；

仅是向心力的二分之一，m受离心力的水平分量是

F₂₂=mvcos(ω/2).

变速圆周运动的离心力等于质点质量m与旋转线速度变量v之积。即

F²=mv.

变速圆周运动的向心力大小是

R=m(v²+u²-2vucos)^1/2

式中，v和u分别是m的运动初速度和末速度。在匀速圆周运动现象中，线动量mv作为控制圆周运动的一个力，虽然大小不变，但方向不断变化，它与向心力的合力

F=F₂+f=mv+R

仅是一瞬间作用量，所以，离心力是在一瞬间支配物体作匀速圆周运动的力，在特定一段时间内，离心力产生的离心作用量是F2对时间t的向量积分，即

A₂=∫₀^tF₂dt=m∑v_i=m(v₀+v₁+v₂+…+v_t)

所以，恒定大小的匀速圆周运动线动量或离心力也不是恒力，而是变力。总之，离心力是切向惯性力，它是控制地球物质作切向运动的主要作用力。地心引力F1与地球自转离心力F2合成为重力，即，G=mg.

3日月引力

随着地球的自转运动，在地表上任一地质体“受太阳或月亮吸引的引力”随时间推移不断变化，地球每转一周，太阳对其吸引的引力变化便呈现一个周期；月亮对地质体的引力接近一周期。太阳的引力周期为23小时56分4秒；月亮的引力周期稍长，大约是24小时50分24秒。在相同时刻，太阳和月亮对地球上的每个地质体的引力都不同；随时间推移，各地质体受的日月引力都不断变化。地球相对太阳的自转周期是23时56分4秒，地球相对太阳的自转角速度是15.041°/小时；地球相对月亮的自转角速度是14.49°/小时。太阳和月亮对地质体“吸引的引力”函数可统一表示为

F₃(F₄)=Gm/[R²+D²-2DRcosαcosβ-2R(R²cos²α+D²-2RDcosαcosβ)1/2sinαsinφ]

式中，G为引力常数；m为地质体质量；R为地质体质心与地心间距；D为地球与太阳或地球与月亮间的质心间距；α为地球自转轴与R间的夹角；β为地球自转轴与D间的夹角；D’是太阳或月亮的质心与板块绕地球自转轴旋转产生的圆的圆心O’点之间的间距；r是地质体质心P点与其绕地旋转圆心O’点间的距离（自转半径）；φ为r与D’之间的夹角。随着时间的延长，φ角不断发生变化，即

φ=180°-（φ1+ 2φ2 t/T）.

式中，t为从太阳或月亮对地质体吸引力最小时(地质体与太阳或月亮最远的时刻)开始计时的时间，单位为小时；T为地球相对太阳或月亮的自转周期；φ1和φ2分别是φ的最小和最大值。当r=R，α=β=90°时，D’=D，

F₃=Gm/(R²+D²-2Rdcosφ)

此时，φ₁=0，φ₂＝180°，φ＝180°－15.041°t .根据式19，可以看出，在午夜0时，太阳对地质体的吸引力是

F₃＝GM/（R＋D)²；

近早上六点，太阳对地质体的吸引力是

F₃＝GM/（R²＋D²）；

近中午12点，地质体受的太阳引力是

F₃＝GM/（R－D)²；

近傍晚6点，

F₃＝GM/（R²＋D²）；

近次日午夜12点，

F₃＝GM/（R＋D)².

可见，日月引力对地质体的作用每时每刻都在变化，而且日复一日地呈现周期性变化。还有，在地球上的每个不同地质体都受这种作用，在同一时刻，它们受这种引力作用的大小和方向都不同，并且，这种引力作用差异每时每刻都在持续和变化。每一地质体受的日月引力，在每个周期(一天)内，都从正到负、从负到正、再从正到负、再从负到正快速发生转变；同时，位居东西的两块不同大陆或位居南北的两块不同大陆受的日月引力形成力偶状态，使面向日或月的地球表面总是受挤压、构成挤压区；而背向日或月一面的某些部位总是受引张、构成引张区。当太阳与月亮位于地球同一侧、且近日食期时，太阳和月亮对地质体的吸引力合成量较大，此时期地质体的振动位移也将较大，所以，此时期是地壳运动剧烈期。日月引力是大陆分裂和差异运动的重要控制动力。这就是为什么一直以来世界上的许多专家总是认为地下电磁脉冲和火山、地震发生规律与日月位置有关的原因。虽然日月引力与地心引力、离心力相比是非常小的，但其作用方向与大小都是不断变化的，它与重力等合成起来足以使大陆板块发生微小的振动；虽然地质体对作用的反映不能象大洋中水对作用反映那样灵敏，但也会在日月引力往复作用下发生微小的、不均匀的波动，从而引起地震、火山与岩浆活动。更重要的事，日月运动引起的潮汐作用能取食地幔物质发生潮汐运动，进而加大地壳部分差异运动的力度。

4地幔潮汐作用

地幔潮汐对地壳形成的作用由作潮汐运动的地幔岩浆流产生，设其量为F₅,则有

F₅=ρQ²t/SE².

式中，ρ表示地幔岩浆的物质密度；Q表示通过板块所在空间运动的岩浆流的实际流量；t表示演讲与板块之间相互作用的时间；S表示岩浆与板块之间的接触面积；E表示运动板块的虚度。可见，地幔岩浆流对板块的作用力与其流量的平方成正比，与作用面积成反比，与板块的虚度平方成反比。板块受岩浆作用的作用量是

A=∫₀^tρQ²tdt/SE².

另外，地壳还受辐射光压作用、地表运动物质（水流、泥石流等）的机械作用、相邻地质体的作用、被动的阻碍束缚作用等。

地质体受的阻碍束缚作用由支承托浮作用、相邻地质体的阻碍作用、摩擦和抗变作用共同合成。由各种被动力共同合成的这种阻止或限制地质体运动与演化的力称地质体受的阻力，记为R，R值可根据作用的对立统一规律来确定。即

R＝－TF

地质体受的主动力F由上叙各种力向量合成，阻力则因主动作用发生而产生。设地质体在主动力F和被动力R的支配下以a为加速度运动，那么，

F＋R＝(1-T)F＝EF＝ma

式中，m为地质体的质量。因此，阻力与主动力之间的关系式是

R＝-(1-ma/F)F=ma-F

根据地壳运动与作用之间的这种关系规律，我们可以通过观测质量为m、实度为T、虚度E的地质体的运动加速度a值来确定地质体m受的合作用力变量值

F=ma/E=ma/(1-T).

板块受的合作用量是

A=∫₀^tmadt/(1-T)

=∫₀^t{G m/D²+mv

+Gm/[R²+D₁²-2D₁Rcosα₁cosβ₁-2R(R²cos²α₁+D₁²-2RD₁cosα₁cosβ₁)^1/2sinαsinφ₁]

+Gm/[R²+D₂²-2D₂Rcosα₂cosβ₂-2R(R²cos²α₂+D²-2RDcosα₂cosβ₂)^1/2sinα₂sinφ₂]

+ ρQ²t/SE²+…+R}dt.

这种合作用变量呈周期性变化，板块就是在这个呈周期性变化的合作用力控制下运动的。

板块在周期性变化的合作用控制下作周期性的往复运动，这种周期性的往复作用与往复运动使地球上的大多数地质体在每天内都有受两次挤压作用和两次引张作用的机会。很显然，具有全球性规模的巨大裂谷是应力集中点，是易破裂点，岩浆侵入、火山活动和地震爆发在此进行的机会最多。汶川地震正是发生在贯穿于整个中国西北至东北的裂谷系中的应力集中点处。我认为，在未来十年内，从渤海到汶川一带，仍然是地震多发地带。

总之，控制地壳运动的作用是由多种作用合成、呈中期性变化的合作用。