地球科学原理之十一 地幔浮力面理论

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为了说明冰川的形成和消融为什么会造成地球的均衡调整，我们先来做一个木块浸水小实验。将一些不同形状、大小及比重的木块，放入一盆水中（见图1）。因为木块的比重比水小，木块将浮在水中。根据阿基米德原理（浮力定理），由于水对浸入水中部分的木块产生的浮力与木块的重量相等，不管木块的体积大小（只要不大于盆的水体），不管木块的比重大小（只要小于水的比重），不管木块的形状，也不管木块位于盆中水的什么高度，只要没有外力作用，最后，木块都会因为浮力作用，而停留在水面上。我们将这时的盆内水面，叫做“浮力面”（见图1，a, e）。



图1. 木块浸水平衡实验.  A，大比重木块；B，普通比重木块；C，小比重木块；D，木块；E，加在上面的小木块；F，加在下面的小木块.

    不管木块是什么形状和大小，比重较大时，木块浸入水中的部分较多，比重较小时，木块浸入水中的部分较少(见图1，a)。

    不管是什么形状、大小及比重的木块，若在水面下木块上增加一小块木块（浸入水中）（见图1，f），由于增加的浮力大于增加的重力，则整个木块要相对“浮力面”上升，后又在“浮力面”处重新形成平衡（见图1，g）；若我们在水面上木块上增加一小块木块(见图1，c)，由于浮力不变，而重力增加，木块将要相对“浮力面”下降，后又在“浮力面”处重新形成平衡（见图1，d）。我们将这种“浮力面”两侧的浮力和重力改变后又重新形成平衡的现象，叫做“浮力面平衡”（见图1）。

地球从外到内由地核、地幔和岩石圈构成(见图2)。海洋岩石圈外是水和大气，大陆岩石圈外是大气。地幔部分可当成一种流体（见图2，B，C，D）。若把岩石圈看成是由很多个小块（岩石壳小块，将级成岩石圈的一部分称为岩石壳）组成，每个岩石壳小块都浮在比重较大的地幔流体上。不管岩石壳小块原来位于什么高度（距地心的距离），由于岩石壳小块的重力（包括岩石圈上的水和大气的重力）和地幔对浸入地幔中岩石壳部分产生的浮力相等，岩石壳小块和地幔最后会在上面的木块浸水实验中的“浮力面”处达到一种流体静力学平衡。我们将这个地幔和岩石壳形成的“浮力面”称作“地幔浮力面”（图2，F）。“地幔浮力面”是一个想象平面。因为，在实际的地球中，地幔外全部被岩石圈包围，是看不到这个“地幔浮力面”的。

    假设不考虑月球及其它星球对地球的影响及自转因素的话，地球的“地幔浮力面”是一个圆球面。若考虑到地球的自转，过两极作一个切面，地球的“地幔浮力面”是以赤道为长轴，两极为短轴的椭圆。所以，“地幔浮力面”和“大地水准面”的形状相似，只是比“大地水准面”稍小，且位于地壳下方。

    假设没有外力的影响，地幔处于流体静力学平衡状态。不管是大陆岩石壳或海洋岩石壳，岩石圈、水和大气的重量和地幔对其的浮力相等，都在“地幔浮力面”处保持平衡。根据上面的木块浮力实验可知：若在“地幔浮力面”下加一岩石壳（比地幔比重小）物质，整个岩石壳将上升；后又在“地幔浮力面”处重新形成平衡；若在“地幔浮力面”上加一岩石壳物质，岩石壳将下降，后又在“地幔浮力面”处重新形成平衡。我们将这种“地幔浮力面”两侧的浮力和重力改变后又重新形成平衡叫做“地幔浮力面平衡”。  



图2. 地球的内部结构.  A，岩石圈；B，软流圈；C，部分上地幔；D，下地幔；E，地核；F，地幔浮力面.

根据“地幔浮力面平衡”原理，若某一处的岩石壳“地幔浮力面”下生出了多余的“根”，那它必须相对于“地幔浮力面”上升，也就是它必须长出相应的“枝”来。反过来，或某一岩石壳在地上长出了一定重量的多余 “枝”，由于它的重量增加，那它必须相对“地幔浮力面”下降，也就是说，它必须相应地长出“根”来。

    从以上我们知道了冰川的形成和消融能造成地球均衡调整，那么，冰川形成为什么会有造海作用？什么叫做诱发地震？且听下回分解。

未完，待续。

下回预告：地球科学原理之12  诱发地震及冰川形成时的造海作用



（注：本“地球科学原理”系列，是根据廖永岩著，海洋出版社（2007年5月）出版的《地球科学原理》一书改编而来，转载者请署明出处，请不要用于商业用途）

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liuzhi

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