由广义相对论引发的一个启发性地质学观点

程峻峰

摘要 板块学说的建立是地质学上的一个标志性的重大突破，是地质研究史上的一个重要里程碑。板块学说中产生了2个经典理论，即重力形成机制和均衡补偿理论，但是这2个理论都不足以完整地解释板块运动的动力机制问题。本文尝试用广义相对论效应来解决这个问题。

关键词 地质学；板块运动；地壳；动力机制；重力形成机制；均衡补偿理论；广义相对论效应

中图分类号 P5 文献标识码 A 文章编号 2095—6363（2016）17—0009—02

相对论从诞生以来，至今人们对它的认识还是不够深刻的，应用范围也不够广泛。其实在许多方面，这个理论的适用价值却是不可估量的，可以在多个领域得到验证和应用，是极富前瞻性的跨学科多边科学理论。在传统的物理学理论不能很好地解决板块运动的动力机制问题时，经过长期的摸索和研究，发现广义相对论效应可以为此提供强大的理论依据和支撑，能够解决地质学中一些急需解决的现实问题。

1板块运动理论的兴起

从古至今，人类就没有停止过对地球的探索。然而人们对地球的科学性认识，是到了近代才开始的，特别是对于板块运动的认识，如大陆漂移现象，更是到了20世纪初期，而且也仅仅是个别学者在关注。一直到20世纪60年代后期，板块学术才开始由法国地质学家勒皮雄等人正式提出，并从此形成了“百家争鸣”的局面。但是，由于科学技术和勘探手段的限制等诸多原因，人类虽然已经能够邀游太空，却无法真正勘探地球的内部，如今最先进的钻探技术连地壳都没有穿透，那么探索地球的内部，从而更深刻更真实更全面地了解和认识地球的内部结构，就更是难上加难。

2传统理论的优势与缺陷

自从板块学说建立以来，人类对地球的认识的确变得更加清晰，板块学说逐渐得到了学界的认可，并在不断发展中得到了进一步完善和广泛应用，深海钻探和海洋地磁测量也证明了大陆漂移和海底扩张的事实。然而这里有一个问题仍然没有得到很好的解决，那就是板块运动的动力机制问题。是谁为板块运动提供了动力呢？关于这个问题迄今为止有多种解释。有的认为动力是因为重力所导致的，有的认为地球表面的高山深壑在天体运动的相互作用中，其产生的惯性动量的分布不均衡为板块运动提供了动力，还有的认为动力来源于地球内部的核反应，等等。

上述理论在一定程度上都能看作是板块运动的原因，但都有一定的缺陷，都不能为板块运动的动力原因提供完整的理论依据和实践指导。导致这种理论缺陷的真正原因主要是以上理论都是局限在经典物理学范畴进行讨论的。事实上，自从爱因斯坦的相对论诞生以来，物理学的发展发生了很大的变化，许多经典理论已经不再适用。而在地质研究方面，我们也应当融入新的观点，为地质学注入新的血液。

3广义相对论效应对经典板块理论的中和与贡献

在对广义相对论的研究中，我们发现：引力会对它周边的时空产生影响。我们对于地球的了解还非常少，但是现在已知的一点是：地球的板块移动是日积月累的结果。这就意味着，地球上任何细微的变化，都有可能在日后对地球的板块造成影响，然后经过上千万年甚至上亿年的积累，这种影响就会给地球板块带来巨大的变化。这種源头上的细微变化，就是由包括广义相对论效应在内的3种机制的共同作用所产生的结果。

现在有一种最新的板块运动机制理论：由于地球的白转在各种力的作用下在变慢，地球的重力出现了不平衡，在重力作用下，地球有一个恢复到圆球体的趋势，于是板块被撕裂并向两极漂移。这种机制叫作重力形成机制。

在地质学的研究中，还有一个很经典的理论，叫做均衡补偿理论。这个理论是一定深度以上的岩石圈的重力有自动趋向于一致的倾向。这种机制就被称为均衡补偿机制。这个理论的意义在于强调了地壳虽然有保持均衡的趋向，但并非永远处于均衡状态，因而当质量不均衡时，这种机制就会自动启发以促动地球使其趋向于均衡状态。这种机制能够很好地解释地壳的升降运动。但是要完善这个理论，还需要引入地球流变学理论，也就是地幔物质是一种粘弹性体的理论。

以上2种机制都能够很好地解释地球地壳运动的机制，但是如果这2个理论同时存在的话，就会出现一个新的问题，那就是地球的地壳运动应该会在更早的时间停止。其原因如下：当地球自转在各种力下逐渐变慢，并造成了重力的不平衡时，这的确会引起板块被撕裂并向两极漂移；然而此时第2个机制——均衡补偿机制也同时会起作用。由于自转变慢是极其缓慢的，所以自转变慢所产生的重力不平衡与地幔这种粘弹性体所产生的均衡补偿机制很容易产生一种动态平衡，并且达到动态平衡后这两种机制效应都会同时消失，此时由于重力不平衡所造成的板块运动也会随之停止。此后由于受到各种力自转变慢，而自转变慢又导致了重力不平衡，重力不平衡所产生的板块运动又会很快地与均衡补偿机制平衡，其结果就导致不再发生板块运动了。

那么这个时候是谁为地壳提供了运动的动力呢。接下来就要运用广义相对论来解释这个问题了。

按照广义相对论，固有时和引力场度规下的坐标时存在以下关系：

其中g₀₀是引力场度规的分量。引力场越强时，坐标时相对固有时的延迟就越大，反之越小。

我们知道地球板块的大小是不一样的。根据均衡补偿机制理论，补偿基面大约在海平面下50km处。根据数据，在大洋板块下的补偿基面上39km都是地幔，平原处板块下的补偿基面上23km是地幔，高原处板块下的补偿基面上16km是地幔，而高山处板块下的补偿基面上几乎没有地幔。这就证明板块下面的地幔确实是不均匀的，也就是说板块所受到来自地幔的引力场的影响是不一样的。由此，根据上述理论，大洋板块所受到引力场的平均作用应该大于陆地板块所受到的引力场的平均作用。这样就会导致一个现象，那就是大洋板块的能量损失比陆地板块的能量损失要多。这种能量损失的现象，类似于引力红移。因为能量损失，所以就会导致大洋板块的水平运动速度慢于陆地板块的运动速度，这就会导致板块之间的挤压或张裂。

综合上述理论，我们可以这样来解释地球板块的水平运动模型：当地球自转因为各种力的作用而变慢时，地球会产生重力不平衡，这个时候就会出现2种现象：1）会产生板块分裂并且造成其水平运动；2）启动均衡补偿机制。

但以上现象很快又会因为均衡补偿而达到一种动态平衡。此时均衡补偿机制又使得板块下方的地幔不均衡，各板块受到的引力作用不均匀，这种不均匀又会由于广义相对论效应而使得板块继续挤压或张裂，这种板块活动加上地球自转变慢的影响又导致重力的不均匀，地球重力不均匀又使板块运动，均衡补偿机制又会中和因为重力不均匀而产生的板块运动，然后地幔又不平衡，进而引力又不平衡，板块又受到相对论效应影响。上述过程会不断地循环，从而使板块永不停息地运动。这里要注意的是，这个循环周期是极其漫长的。

在这个循环周期中，因为重力不平衡导致的板块运动会随着均衡补偿机制效果被削弱，尽管有各种作用力会使得地球自转继续减慢，但是这种减慢过程是极其缓慢的。因此因重力不平衡而导致的板块运动很容易与均衡补偿机制达到一种平衡。而相对论效应如上文所述会随均衡补偿机制的增强而增强，这就弥补了板块运动因均衡补偿机制而丢失掉的“动力”。当然根据上述理论，这里并不是提供了真正意义上的动力，而是使得板块运动速度不相同。

由此我们可以得出结论：广义相对论效应是可以很好地运用在板块运动学说上的，用以补充传统板块学说理论的不足。它可以充分说明板块运动是由这种效应与重力形成机制和均衡补偿机制相互协调而形成的。

4结论

地质学上的板块学说，是地质学上的一个重要体系，对于人类更好地了解和认识地球有着现实的指导意义。科学地应用相对论理论，利用广义相对论效应来彻底解决板块运动中的动力机制问题，是相对论理论与传统地质学理论的一个完美结合。暂且把这种结合称着为“相对效应第三板块理论”，并拟在日后的研究中予以进一步的完善和系统化，以建立或形成理论物理意义上的全新的板块学说体系。endprint