第四章 地质作用与地质年代

4.1 地球的能量系统

地球并不是一个封闭的体系，她每时每刻都在宇宙中运动着，同时也在宇宙中进行着能量与物质的交换。而且能量和物质总是紧密地联系在一起的，伴随着物质的获得或丧失，地球系统也同时获得或丧失了能量。

一切地质作用都是以能量为基础的，地球的能量系统由以下几个方面构成：太阳能、放射能、物理能和其他能源。

太阳能是地球从太阳辐射中获得的能量，虽然地球从太阳辐射中所获得的太阳能只是太阳辐射能的22亿分之一，但地球平均每秒钟仍可获得1.8×1017焦耳的太阳能（图4-1）。太阳的辐射使植物和依靠光合作用繁殖的藻类生物大量繁殖，构成生物链的基础。在一定条件下，太阳能通过有机界的参与可以转化成煤和石油储存起来。太阳能还可以使大气发生环流形成风能，使水蒸气上升构成水的势能。因此可以说太阳能是地球生物活动（包括人类在内）的主要能源。

图4-1 太阳时刻向外辐射能量

放射能是地球中的放射性物质在裂变过程中所产生的能量（图4-2）。在地球形成的早期，短半衰期的放射性元素很多，这些放射性同位素大部分已经裂变成稳定元素。因此可以认为地球形成早期，应比现在具有更高的温度，很有可能在整个地球的表层都是岩浆的世界。由于地球仍然含有很多长半衰期的放射性元素，而且放射性物质的总量也很大，现今地球由放射性物质所产生的依然能量高达到1.2×1014焦耳/秒。

图4-2 放射性元素裂变释放能量示意图

物理能主要是地球的旋转动能（包括自转和公转）和引力能。地球的旋转能在一定的时间尺度中基本保持在一定的总量范围里。地球公转所具有的能量在太阳系中处于平衡的状态，只有在与其他天体相互作用时才发生改变，因此对地球本身的物质运动和平衡的影响要么是一种长周期的作用，要么是一种灾难性的作用。

据地球的自转速度计算，现今地球自转的总能量约为2.14×1029焦耳，这样巨大的能量哪怕有亿分之一的变化，其能量变化就相当于34000次8级地震的能量变化，势必引起地球的剧烈变动。

地球的重力是地球物质产生的万有引力和自转离心力合力，构成了地球的重力场。重力能是一种势能，只有物质在重力场中发生位移时才产生能量的变化。地球获得的重力能主要在圈层分异的早期，而现今地球基本上已经在按物质的密度分层。因此，重力能的变化在现今地质作用中已经不起到主导作用。

引潮力是太阳和月亮的引力对地球共同构成的作用力，由于地球的自转和太阳、月亮与地球的相对位置会发生周期性的变化，引潮力也发生周期性的变化。引潮力在地球上最明显的结果是引起海水的潮汐变化，其功率大约为1.4×1012焦耳/秒。

除此以外，地球的能量系统中还有化学能、结晶能、生物能等其他的能量形式（图4-3），并在地球的演化中起到一定的作用。

图4-3 矿物在结晶过程中也会释放能量

由于岩石圈主要由刚性岩石组成，热导率很低，根据地壳的平均热流值计算，地壳的平均散热量为1.8×1013焦耳/秒，因此仍有大量的热能在地球的内部积聚，构成了地球内动力地质作用的能量基础。地球内部的能量在积累到一定的程度之后就会转化成物质运动的形式释放出来，这就导致火山、地震、变质作用和构造运动等内动力地质作用的发生。