2015, Vol. 30
地球动力学是研究整体地球内部(主要是地壳)物质运动形式、力源、力学性质及力学过程的一门科学，它是地球科学的一个组成部分.1911年洛夫(A.E.H.love)在《地球动力学的若干问题》著作中首先使用了地球动力学这个词.
早期的地球动力学假说，主要是依据大陆构造运动的特征从地球整体寻找动力的来源，相继提出了如地球收缩说、地球膨胀说、地球收缩与膨胀交替进行的地球脉动说及潮汐说等.20世纪60年代之后，随着对大洋底和地球深部探测研究的快速发展，主要依据大洋构造运动的特征从地球内部寻找动力的来源，相继提出了地幔分异与对流说、热点-地幔柱说、涌流构造说等.随着天体研究的进展，又有人从地球之外寻找动力的来源，提出了巨大陨击事件假说.
地球是太阳系的成员之一，它的产生、发展及消亡的“生命”过程都与太阳系的整体演化过程密切相关.大陆构造和大洋构造都是在漫长的、整体统一的动力作用下形成和演化的.因此，地球动力学的力源问题不能看做只是地球自身的问题，它是太阳系演化的一部分，并参与了地球演化的全部“生命”过程.上述的诸多假说，虽然都或多或少解释了大陆构造和大洋构造的某些局部特征，但没有一种假说是完善的，特别是对力源的认知距离其本质还相去甚远.
地球动力学的力源问题为什么长期得不到解决？其原因可能有如下几个方面:
(1)人们以往拥有的科学技术手段尚不能观测到地壳内部物质运动及应力状态变化的状况，积累的地球内部资料太少.
(2)以往研究者的研究思路不够宽广，尽管现代地球科学有许多新的认知和发现，但多数学者、甚至在近代高等专科院校教科书中都一直认为，地球动力学的力源只有来自地球的自身及其内部.
(3)地球动力学力源问题长期得不到解决，预示着地球形成以来，宇宙中可能有一种新的的自然力(相互作用)一直作用于地球上，它的重要作用尚未被人们所发现.
地球科学的发展是与整体自然科学、整体基础科学的发展紧密相联系的，地球科学要不断吸收各个学科的新成就才能发展自己.同时，地球既是人类赖以生存的场地，又是了解和认识自然(宇宙)奥秘的最佳窗口.地球科学的新成就与新发现，也为其他自然科学的发展提供了新的思维及验证平台.如天体物理学中(光压)斥力相互作用(2008，2012)的发现，就是在研究地震及极移的成因时，发现太阳光压才是地震的力源及激发自转轴摆动的激发源，并利用全球地震活动的观测资料及极移运动的观测资料为这一宏观自然现象的客观存在提供了可靠的证据后才提出的.
本文作者依据太阳光压理论，对地球动力学的力源、日-地间能量(动量)相耦合的物理机制及全球地壳内部应力分布特征等方面作了为期数十多年(1991~2014)的研讨，论证了太阳辐射出的光压才是地球动力学唯一充分可靠的力源.
1(光压)斥力相互作用
早在1901年，俄国物理学家列别捷夫(Н.Н.Лебедев)就发现并测定了光压的存在.近一百多年来，除1905年爱因斯坦(A.Einstein)提出了光子说，认为光子不但具有能量，还具有动量的认知外，谁也没有把恒星辐射出的光压在自然界(主要是在恒星系内)的演化中起到的重要作用当成回事.
宋贯一(2008，2012)先后发现并提出了(光压)斥力相互作用理论.(光压)斥力相互作用的主要特性是:
(1)恒星发光是宇宙中的普遍规律，恒星内部的核聚变是(光压)斥力相互作用的能源，它可辐射到宇宙中的所有物体；
(2)能源扩散方式为体扩散，扩散速度为光速；
(3)只有排斥力(矢量)，斥力方向为以恒星为中心沿恒星与被照射物体两质点连线向外；
(4)媒介粒子是光子(其他粒子占比例甚小)，其性质稳定，寿命可达无限长；
(5)对物体的作用方式是碰撞，通常仅作用于物体的表面；
(6)作用力范围为长程力(理论上可达无限远)；
(7)在通常情况下，只对恒星系内的物体起重要作用.
(光压)斥力相互作用的数学表达式为
以太阳系为例，把太阳每秒钟向太空辐射的能量约为3.82×1026 J；日地距离为1.5×1011 m；地球接受到的太阳辐射表面积约为2.5 ×1014 m2代人(光压)斥力相互作用的数学表达式，计算出太阳对地球产生的斥力约为0.7×107 N.
(光压)斥力相互作用的发现，形象地描述了宇宙中的每一个恒星系像一个不断充入“气体”(光子)的“气球”一样不断向外膨胀，对天体物理学中为什么宇宙一直处于膨胀状态之中这一难题的解决给出了可用牛顿力学理论加以描述的答案.
2 地球动力学的能量(动量)问题
太阳每秒钟向太空辐射的能量约为3.82×1026 J，这种能量产生于太阳内部的核聚变，并主要以光子(其他粒子所占比例甚小)辐射的形式向外空输送，以光子直接碰撞的方式与太阳之外星体及星际物质相耦合.地球每秒钟接受到的太阳辐射能量占太阳辐射出的总量的二十二亿分之一，约为1017 J的量级.自地球形成以来，地球接受到来自太阳的辐射能量约为1034 J，它相当于太阳内部的核聚变一年所产生能量的总和.
(1)自地球形成以来，太阳的辐射能量就一直作用于地球上.
(2)自地球形成以来，地球接受到的太阳能量的总和约为地球自身贮存的所有能量(包括重力能、旋转能、放射性物质衰变及结晶能等)总和的103倍.
(3)当太阳光直射到地球表面时，如果全部被吸收，每平方米的地球表面受到的压力为4.5×10-6 N.该压力是一种矢量，其方向与日地间的引力方向恰恰相反，故称太阳(光压)斥力.对整个地球来说，太阳照射地球表面上的面积约为2.5 ×1014 m2(实际上太阳直射面积要小很多)，以平均压力估计，对地球产生的斥力可达108 N左右的量级.
(4)地球本身不会发光，地球表面物质对太阳光的平均反射率约为30%.仅日-地之间来说，地球反射太阳光对太阳产生的斥力极小，可以忽略不计.因此，太阳对地球产生的是单向(光压)斥力.
地球形成以来，地球表面就一直受到来自太阳的(光压)斥力作用，这种斥力是非常巨大的，它在太阳系的形成及演化过程中一直起着十分重要的作用.由于人生活在地球表面上，在强大的重力场环境中，人们只对太阳光的能量十分敏感，而对太阳光的动量(光压)则毫无感觉(当人处于失重的自然条件下，才会对太阳光压十分敏感)，这就是(太阳光压)斥力相互作用长期未被人们所重视的原因.
上述四个条件说明，太阳的能量(动量)不但足以引起地球多次旋回构造运动演化中所需的力源，而且这种外力是可以用牛顿力学加以测量和描述的.所以，在探讨地球动力学的诸多能源(力源)选项研究中，太阳的能源(力源)应当是最佳选择.
3 日-地间能量(动量)相耦合物理机制问题
基于太阳黑子活动的11 年周期与地球上的自然灾害有明显统计相关的事实，自19世初期以来，世界各国的地球物理学家都把日—地关系，特别是太阳活动对地球重大自然灾害的影响列为研究课题．自1890年以来，美国天文学家Langley和Abbot先后连续50年测量“太阳常数”变化表明，“太阳常数”的长期变化是相当微小的，平均在0.1%左右．这个结果对日-地关系的研究产生了很大打击，如此微小的太阳能量变化不足以解释太阳活动对地面气象等要素变化的制约．因此，太阳活动与地球上的自然灾害等直接相耦合关系的研究落入了低潮．20世纪50年代后期，人类进入太空时代，相继发现了太阳风、太阳扇形磁场和地球磁层等重要物理现象．在这种背景下，日-地关系的研究重新引起了广泛的兴趣．近几十年来，世界上多数学者都把日-地关系的研究重点放在太阳风、太阳扇形磁场等与地球磁层相耦合机制的研究上，试图通过地球空间各层次中的耗散和转换，引起地球空间环境灾害性的变化，认识空间天气过程的物理机制和变化规律.时至20世纪末期，尽管各国科学家付出了巨大的努力，成功的日-地间能量(动量)相耦合的物理机制仍未找到．其实，日-地关系从物理本质来看，是太阳的能量和质量向地球的输送和转化问题．太阳向外输送能量和质量的主渠道是依靠光子来实现的，其它粒子辐射(如太阳风)所占比例甚小，只有研究太阳光子辐射与地球的直接耦合转化机制才有可能揭示出日地关系的实质．
3.1 日-地间能量(动量)天然耦合物理机制的发现
轧制是人类长期实践活动中，设计、总结出的一套对金属塑性物体进行压力加工的方法之一，它可将外力通过轧辊的压缩有效地转化为轧件内应力，使其产生人们所需要的塑性变形.
令人惊奇的是，本文作者(宋贯一和杨同林，1991;宋贯一，1999)发现，自然界存在着一种结构奇特且有点神秘的天然“轧机”，尽管该“轧机”与人们在金属塑性压力加工中使用的轧机形态上迥然不同，但结构及原理则是相同的. 该“轧机”的主要结构特征是:
(1)地球自转.地球是一个实体(不包括大气圈)，它相对太阳作自转运动，转动方向为由西向东.在这个天然“轧机”的机制中，可把地球当做一个由西向东(逆时针方向)转动的球形“轧辊”，称“轧辊A”，转动周期是一天(一昼夜).
(2)地球公转.地球绕太阳公转，公转的轨迹是一个椭圆轨道，依此轨迹边界画作一个椭球体，这个椭球体可以看做是充满光子的实体(它的神秘之处是，该实体看似无踪无型，但可以与所接触到的任何物体实现无缝耦合对接，并提供压力，起到实体的作用).在这个天然“轧机”的机制中，可把这个椭球体当做一个由东向西(顺时针方向)转动的“轧辊”，称“轧辊B”，转动周期是一年.
(3)依据地球的内部分层结构特征，地壳与地幔之间形成明显的天然不连续面，即莫霍面.把地壳单独独立出来，地壳则是处于上述两个“轧辊”之间的“轧件”.
(4)天然“轧机”的总体结构是:两个相互平行且转动方向相反的“轧辊A”和“轧辊B”；“轧件”(地壳)处于两个“轧辊”之间，由地球的自转带入“轧缝”，前进方向与地球自转轴垂直；“轧辊B”与“轧件”接触面是无缝“咬合”(由于地球表面凸凹不平，分布极不规则，这种耦合方式目前人工还做不到)，“轧辊B”与“轧件”接触面上的正压力(轧制压力)正是太阳辐射对地壳产生的斥力(光压).此种天然结构形式是实现对地壳进行有效轧制(纵轧)的必要和充分条件．
(5)地壳每天将被“轧制”一遍，自地球形成以来，这种“轧机”就客观存在并从不歇息地运行着.
3.2 地壳内部水平应力(应变)的产生机制
基于地壳被“轧制”机制属于纵轧方式(轧件的纵轴线与轧辊的轴线垂直)，当地壳(“轧件”)在两个转动方向相反的“轧辊A”及“轧辊B”之间通过，不管地壳表面每平方米接受到的轧制压力(光压)如何的微小，对大尺度(数千万平方公里)的塑性地壳(物体的空间尺度愈大，其塑性愈加明显)来说，该“轧制”机制都会把太阳对地球产生的辐射斥力(光压)自然地、有效地、持续不断地转化为使地壳内部物质运动(形变)的水平应力.
天然“轧机”各部分的能源结构是:“轧辊A”的转动来自于地球的自转，所消耗的能量是由地球自转速度的减慢转换而来的；“轧辊B”的转动来自于地球的公转，所消耗的能量是由地球公转速度的减慢为代价的；“轧辊B”与地壳表面(“轧件”)之间的“轧制压力”由太阳辐射斥力(光压)提供，现今的能源功率可达1017 W.
3.3 地壳内部水平应力(应变)的分布特征
(1)当地壳表面接受到太阳光照射的那一时刻，地壳表面物质即受到“轧制”，地壳内部水平附加应力的总体分布特征是:沿 E-W 方向及 S-N 方向增加，但以E-W方向增加为主(由纵轧机制决定的)；与其相应的应变将会使地壳厚度变薄，长度(沿E-W方向)和宽度(沿S-N 方向)增加，且以长度增加为主．1991年，宋贯一把单位体积地壳表面物质因受外力轧制在其内部产生的附加应力、应变及应力波的强弱称为“轧展”效应.
(2)基于地球是球体，地壳表面受到的“轧制力”(光压)的大小和“轧辊A”(地球)表面转动的线速度均随纬度的升高而递减，“轧展”效应强弱的差异会自然地把地壳表面分成与纬度相平行的若干条带(称“轧制板带”).同一“轧制板带”内单位体积地壳产生的“轧展”效应是相等的. “轧制板带”内产生的“轧展”效应强度随纬度的升高而递减，在地球的高纬度地区，由于地表自转速度及太阳光压强度的急剧下降，“轧展”效应也随之迅速减弱，两极地区则递减为零.
(3)基于“轧辊A”是与地壳一起转动的，现今其赤道表面上的转动线速度约为 0.456 Km/s；“轧辊B”的转动线速度为29.8 km/s；及太阳辐射斥力(光压)仅作用于“轧件”的表面(地壳表面)等特征，形成了典型的对地壳进行搓轧的天然条件.这种搓轧机制，造成地壳“轧展”效应首先仅产生于地壳的表层物质内部，随着轧制时间的增长，逐步向纵深部发展.因此，地壳内部水平应力强度是随深度的增加而下降(地壳内部的水平应力是由浅表向深部传递的，而不是相反)；地壳表层物质的运动速度要大于其下部地壳物质的运动速度(大陆表面地壳的运动速度不代表整个大陆块体的运动速度).
(4)地壳表面的物质属性大体可分为固态的陆地和液态的海洋两种.由于液体是不可被“轧制”的，所以地壳“轧展”效应只能产生于陆地上.只有大陆地壳由于受到“轧制”将不断向外增生.
(5)由于陆壳不是单一均匀物质组成(岩性、基底厚度、地表形态、构造特征等的差异)，陆壳表面受轧制后，其表层的运动速度也是不均匀的.
3.4 地壳内部水平应力转化为垂直应力的动力学机制及垂向构造产生的原因
地壳每天被“轧制”一遍，地壳被“轧制”必然使其表面积在不断地延展扩大.由于球形地壳的几何表面积(包括洋壳)是限定的，客观条件不允许地壳总体几何表面沿水平方向延展，只有向垂直(空间)方向延展才是增加地壳表面积的唯一出路，于是导致地壳内部的水平应力向垂直方向的转变.地壳被“轧制”所产生的水平方向延展，必然会使一部分地壳产生挤压，继而产生褶皱、逆掩、俯冲等形形色色的增加地壳几何表面积的垂向构造活动，这就是地壳物质产生垂向构造活动的动力学机制.
地壳的水平运动和垂直运动，正是地壳被“轧制”后地壳表面物质伸展与被限定之间矛盾相互斗争和发展的产物．地壳水平(伸展、引张、裂陷)运动与垂直(褶皱、造山)运动是在空间上相互依存，在物质上相互补偿，在演化上相互转化的多旋回活动．
3.5 日-地间能量(动量)相耦合“轧制”式物理机制客观存在的证据
众所周知，地壳表面是由固体的陆地和液体的海洋组成．由于液体的切变摸量(刚性摸量)等于零，在半开放的系统，液体没有传递定向压力的能力，海洋(液体)是不可被“轧制”的，地壳“轧展”效应只能在占全球地壳表面积约30%的陆壳上产生．依据本文4.1~4.4节论述的日-地间能量(动量)相耦合物理机制分析推断，各纬度带内(中、低纬度带)产生的“轧展”效应总体强度必然受各纬度带内陆地表面积大小的制约，即地壳陆地表面积沿纬向的地理分布应是控制地表各纬度带内(包括陆壳和洋壳)地壳运动强弱的主要因素.
天然地震是地壳运动的表现形式之一，它是一种快速的释放地壳运动力源的特殊形式，是衡量地壳活动程度的灵敏指标.因此，地球各纬度带内所含陆地表面积的大小是否确实控制着各纬度带内地震活动能量释放的多少，则是鉴定日-地间能量(动量)相耦合“轧制”式物理机制是否存在的关键．
世界上任何一位地球物理学家，在探讨地震的成因及其可能的控制因素研究中，都不曾会考虑到地壳上各纬度带内陆地表面积的大小会与地壳上相应整个纬度带内(包括陆地和海洋)发生的构造地震所释放的能量之间会有什么成因联系，只有发现日-地间存在有能量(动量)相耦合的“轧制”式物理机制之后，依据“轧制”的特性才提醒研究者去做上述验证的.
近百年来全球地震的观测统计资料完全证实了上述论断(见图 1)．由图 1可以看出，地球的中、低纬度带内所含陆地表面积沿纬向的地理分布曲线与地球的中、低纬度带内强震(MS≥7.0)能量释放沿纬度的分布曲线几乎完全一致(强相关).它是迄今为止人们从理论上所推断出的制约全球强震活动能量释放的最强控制因素，实际观测资料证实了日-地间能量(动量)相耦合“轧制”式物理机制的客观存在．
 | 图 1 全球强震(MS≥7.0)活动释放能量在不同时段的纬向分布与陆地表面积沿纬向分布对比曲线[ 宋贯一，1999 ] Fig. 1 Correlation curves of latitudinal distribution of energy release of globle strong Earthquakes(MS≥7.0)in different stages and latitudinal distribution of l and superficial area |
本文提出的地球动力学力源理论与以往提出的地球动力学假说迥然不同:
1)在研究思路上完全摆脱了传统的地壳运动的力源只有从地球内部去寻找思维模式的束缚，把太阳辐射能源确认为地壳运动的力源.
2)在研究方法上完全摆脱了依据形态学、运动学去推猜力源模式(依据观测到的构造形态及运动特征推猜可能的力源)的束缚，从因-果(而不是果-因的推猜)关系出发，即首先从选择地球接受到的最强大的太阳辐射力源着手，研究力源是通过什么样的天然耦合物理机制转换为地壳内部水平应力的，然后依据地壳内部水平应力(应变)的分布特征，推断出各纬度带内(中、低纬度带)产生的“轧展”效应总体强度所受的控制因素是什么，再用全球地震观测资料去证明它.
3)这种力源的耦合转换机制看似“神秘”，其实人们每天都生活在其中，但浑然不觉(不识庐山真面目，只缘身在此山中).它不但足够强大，而且是可以用牛顿力学加以描述的、可以定量计算的、及耦合机制是可以用实验模拟加以验证的.
通过对日-地间能量(动量)相耦合“轧制”式物理机制的分析，得知地壳运动是地壳表层物质的运动，它不代表、也不是地壳某些块体(板块)的整体运动；地壳内部的某些垂向构造及盆地的形成机制不是地壳下部莫霍面的隆升引起的等等.这一切恰恰与以往地球科学家所提出的各种地壳运动力源传递方向相反，但确被近期地球科学的新发现所证明了的.由此看来，所谓板块学说运动模式的描述是不全面的，力源模式是猜想的，也是不存在的，(太阳光压)斥力(通过“轧制”式耦合物理机制的转换)才是地壳运动的真正力源.
把地质科学仅当做一门观测科学，或者把地质科学仅当做一门区域性而不具备普遍性的科学是错误的.造成上述错误认识的原因，是地质科学中因果关系的理性认识比其他自然科学更加复杂、更加困难.目前地质科学尚处于形态学、运动学认识阶段，与理性(成因地质学)的认识阶段还需要有一个质的飞跃.本文对地壳运动力源的解析，初步拉开了成因地球动力学研究的序幕.作者相信，随着人们对(光压)斥力相互作用理论的认知和运用，成因地球动力学将会迎来全面发展繁荣的新时代.
致 谢 本文图件由王吉易研究员帮助绘制，作者表示谢意.
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