殼-幔動(dòng)力學(xué)與活化構造(地洼)理論

卷( Volume)29,期( Number)1,總(SUM)104頁(yè)( Pages)87~98,2005,2(Feb,2005)大地構造與成礦學(xué)Geotectonica et Metallog殼-幔動(dòng)力學(xué)與活化構造(地洼)理論陳勝早Geomatrix Consultants, Inc, 2101 Webster St, 12 Floor, Oakland, CA 94612, USA)摘要:殼-幔動(dòng)力學(xué)是地球內部物理學(xué)和大地構造演化的重要研究方向之一。本文從地球物理角度出發(fā),以物理概念和數學(xué)描述相結合的定量方式,對陳國達院士生前所創(chuàng )建的活化構造(地洼)理論研究中的某些地球深部動(dòng)力學(xué)冋題進(jìn)行了較系統的綜合評述和探討。主要論題包括巖石圈的性質(zhì)與物理學(xué)、地幔流變學(xué)、重力與均衡理論地球的溫度和熱傳遞,諸如熱傳導、物質(zhì)的物理運動(dòng)所引起的熱傳輸、地球內部的熱對流及地幔柱的形成和作用等。作者特別強調了構造演化的定量分析問(wèn)題,如熱時(shí)間常數、熱應力與其它力源、水平運動(dòng)與垂直運動(dòng)的關(guān)系,以及地殼斷裂作用。巖石圈的構造作用與演化是與深部熱運動(dòng)有關(guān)的水平(壓縮和擴張)應力和由地殼厚度差異所導致的垂直應力差的共同結果。熱應力的構造意義主要表現為短時(shí)間尺度的脆性斷裂或柔性應變松弛過(guò)程。局部對流機制對活化構造(地洼)研究值得重視關(guān)鍵詞:殼-幔動(dòng)力學(xué);巖石圈物理;地幔流變;重力與均衡;地球溫度與熱傳遞;活化構造中圖分類(lèi)號:P541文獻標識碼:A文章編號:1001-1552(2005)0140087-121理論背景化(地洼)構造理論的重要內核;殼體概念和地幔蠕動(dòng),熱能聚散交替說(shuō)則為活化構造理論的兩個(gè)重要?；罨瘶嬙? Activated Tectonics)或地洼(Dwa)護層(陳國達,1996;Chen,2000)。從動(dòng)力學(xué)的角度出理論是由著(zhù)名地質(zhì)學(xué)家、中國科學(xué)院院士陳國達教發(fā)殼體( Crustobody)的形成、演化、時(shí)空分布和運移授早于20世紀50年代后期所創(chuàng )建并經(jīng)其后數十年特征無(wú)疑受控于深部動(dòng)力演化過(guò)程。由于殼體構造的不斷充實(shí)、發(fā)展而形成的一種新的大地構造與成的多樣性與復雜性,試圖以全球構造的模式來(lái)統一解礦理論(陳國達,1956,1959a,b,c,1996;Chen,釋其形成、演化過(guò)程及全球殼體構造格局將是相當困2000)。其發(fā)展過(guò)程基于但又超越了傳統的槽一臺難的。然而,將殼體理解為大的巖石圈層塊構造,將理論,解釋了單一槽-臺轉化說(shuō)所難以解釋的地臺其局部或區域演化過(guò)程與熱體制及其演變歷史聯(lián)系“活化”或“地洼”現象、成因及相關(guān)的成礦規律。在起來(lái),對解決深部動(dòng)力機制是十分有益的。從這個(gè)意研究方法上,它不僅要解釋板塊構造理論所強調的義上來(lái)講現今用于解釋板塊構造的地幔對流研究方板塊邊界問(wèn)題,而且要更多、更深層次地解釋板內的法亦可為活化構造理論所參考或借鑒。但這并非指構造現象、成礦作用與力學(xué)機制。這就決定了活化全球規模的地幔對流體系,而是局部對流和熱擴散對構造理論在本質(zhì)上區別于板塊構造的均勻巖力圈力巨型殼體構造的制約和影響。學(xué)假定,對地球深部動(dòng)力學(xué)提出了新的挑戰陳國達院土生前對活化構造的深部動(dòng)力機制研地洼(活化區)概念和地殼動(dòng)定轉化遞進(jìn)說(shuō)是活究充分把握了問(wèn)題的本質(zhì),從熱能這一關(guān)鍵論題入中國煤化工收稿日期:20040920作者簡(jiǎn)介:陳勝早(1952-),先后獲南京大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位和加拿大 Carleton大學(xué)CNMH至博士后(p38-18和加拿大 NSERC博士后研究課題(1988-1991)。曾任 Laurentian大學(xué)物理-天文系( ELRFS)研究員(1991-1995),中國科學(xué)院長(cháng)沙大地構造研究所客座研究員(1993-1998),現在美國加州 Geomatrix Consultants,ln,從事地震學(xué)和地震災害評估研究工作88大他虛戰第29卷手,為殼-幔動(dòng)力學(xué)研究奠定了基礎,開(kāi)辟了新的領(lǐng)巖( Peridotite)的流變學(xué)變化特征來(lái)定義的。由于地域。作者認為,對殼體構造依據其構造類(lèi)型、演化階幔巖的流變特性在巖石圈底部的一定范圍內表現為段和成礦機理等進(jìn)行分類(lèi),采用適當的熱動(dòng)力模式,溫度的連續函數,在巖石圈和軟流圈之間可能存在以定量分析的方法來(lái)完善這一相對復雜的深部動(dòng)力個(gè)過(guò)渡帶,即下部熱邊界層(LTBL)。該熱邊界層模型,對最終實(shí)現活化構造的熱演化模擬具有極其包含于熱學(xué)上的巖石圈之內,而排除于力學(xué)上的巖重要的理論和現實(shí)意義。石圈之外。上地幔低速層有時(shí)出現于100~200km亞洲陸海殼體大地構造》一書(shū)的出版(陳國達深度范圍內,但它不是處處普遍存在的,因而不能作等,1998)展示了活化構造理論研究的重大進(jìn)展和確定巖石圈底界的充分判斷標志。成就,也揭示了地質(zhì)觀(guān)察、地球物理探測和深部構造隨著(zhù)大地測量和地球動(dòng)力學(xué)的研究進(jìn)展(htp與動(dòng)力學(xué)相結合的研究方法的必要性和可行性。為www.earth.ox.ac.uk,2004),有證據表明至少大繼續這一研究方向和研究領(lǐng)域的探索,本文擬就殼陸巖石圈在地質(zhì)時(shí)間尺度里表現為類(lèi)似于地幔的粘幔動(dòng)力學(xué)研究的相關(guān)議題加以概述,以期與同仁滯性流體。當形變加快時(shí),其粘滯性相對減小,并強學(xué)者共同探討,攜手合作;并愿以此為契機,共同緬烈地依賴(lài)于溫度,象乳脂糖似的。牛津大學(xué)地球科懷陳國達院士為祖國科學(xué)事業(yè)所作出的卓越貢獻,學(xué)系的研究表明,許多復雜的大陸形變是由兩組力學(xué)習他老人家對地球科學(xué)孜孜不倦、無(wú)私奉獻的精的相互作用而引起,即板塊運動(dòng)導致的水平壓縮與神,勇攀高峰,不斷進(jìn)取,為欣欣向榮的科學(xué)明天而擴張和由形變引起的地殼厚度變化而最終產(chǎn)生的壓堅持不懈地繼續奮斗。力差異。作者(陳勝早,1983,1988)對此得出相同的認識?；谶@一原則,有望在已知形變帶中尋找2地幔與地殼物理概論我們所期待的某種特定的形變類(lèi)型和風(fēng)格。圖1是山爆發(fā)和造山作用等地球動(dòng)力宏觀(guān)現象。地幔對流60地幔和地殼的構造物理作用引起地震活動(dòng)、火0110120將地球內部放射性衰減和地球冷卻所獲得的熱能轉換成板塊構造運動(dòng)的連續位移。但一般認為,地球表面的形變主要發(fā)生于板塊邊界斷層(如俯沖帶和大陸板塊邊界相鄰的寬廣形變帶(如喜馬拉雅碰撞帶)。然而,即便就板塊構造而論,迄今也未能對其驅動(dòng)力問(wèn)題得到滿(mǎn)意的定量解釋。有人甚至懷疑全球板塊構造的基本原則( Pratt,2000)。為定量地解釋那些存有爭議的問(wèn)題,我們需要了解更多關(guān)于地球內部結構和地幔粘滯性變化的信息。2.1巖石圈的力學(xué)性質(zhì)地殼和地幔的最上部分組成地球的巖石圈外層,其厚度一般約100~150km。目前對巖石圈的10性質(zhì)和力學(xué)行為有兩種基本假定:一是認為巖石圈為熱學(xué)上的地球外殼,其中熱傳導是主要的熱傳遞0120方式;其二,將巖石圈定義為運動(dòng)學(xué)或力學(xué)上的地球外殼,其中速度場(chǎng)的水平分量在垂向上呈均勻分布,圖1由第四紀斷層滑移速率計算得到的亞洲速度場(chǎng)與理論速度場(chǎng)的比較.理論計算假定亞洲大陸是粘滯即不存在垂直速度梯度。性流體并由印度大陸的北向運動(dòng)而產(chǎn)生形變(見(jiàn)牛巖石圈之下的軟流圈則以熱對流為主導,并大學(xué)地球科學(xué)系:hp:∥w.et.aeuk水平速度場(chǎng)的較大垂直梯度為特征。巖石圈和軟流中國煤化工 ated from slip rates oned with a theoretical圈之間的邊界并不是簡(jiǎn)單地由地球物理方法,如地CN MH Gumption that Asia i震學(xué)方法來(lái)確定的,因為該邊界并非物質(zhì)成分上的viscous nuid, deformed by Indias northwardmovement( See Oxfords Department of Earth不連續面。相反,它是由組成地幔的巖石——地幔Scienceshttp://www.earthox.ac.uk)第1期陳勝早:殼-幔動(dòng)力學(xué)與活化構造(地洼)理論亞洲實(shí)測速度場(chǎng)與理論預測速度場(chǎng)的比較實(shí)例(見(jiàn)中,有時(shí)將剪切應變率定義為以上所示牛津大學(xué)地球系網(wǎng)站),其中假定亞洲大(5)陸巖石圈是一沾滯性的流體,因印度大陸的北向運移而產(chǎn)生形變。巖石流變具有明顯的時(shí)間效應。在低溫低壓情2.2地幔流變特性況下,即使負載時(shí)間較長(cháng),它也呈彈性行為,例如巖在相對長(cháng)的時(shí)間尺度里(比如103-104年),地石圈的上部地殼。在短時(shí)間負載的條件下,即使具球的熱狀態(tài)意味著(zhù)地幔流。這與在短時(shí)間尺度(幾備高溫高壓環(huán)境,地球總體仍然呈現彈性特征。只秒到幾小時(shí))情況下所討論的某些流變特性,諸如有高溫高壓和長(cháng)時(shí)間負載條件同時(shí)具體,它才呈現地震波傳播的非彈性響應和地球自由振蕩是不同流體特性(牛頓和非牛頓流體)的,因為在高頻情況下,地球表現為一個(gè)彈性體,盡瞬時(shí)蠕變函數c(t)有不同的表達形式。用于管存在非理想彈性特性,即滯后的彈性響應——非說(shuō)明實(shí)驗觀(guān)測的經(jīng)驗定律包括指數滯后方程彈性。(t)=A[I-exp(-t/r)]地球內部的流變特性同樣適應于地核——液體 Andrade蠕變方程:外核的對流產(chǎn)生地球磁場(chǎng)。因此在地球動(dòng)力學(xué)研究E(1)=At“,a>1(7)中,地球在總體上被視為流體。上部巖石圈有些例以及對數蠕變律:外,那是因為較淺的地殼部分溫度過(guò)低而不足以產(chǎn)6,(t)=Aln(1+at)生足夠的粘滯松弛( Ranalli,1995)。其中A,r,a和a均為物質(zhì)參數(內在參數)。當然,指數律蠕動(dòng)和非牛頓粘滯性是重要的流變學(xué)概物質(zhì)流變還依賴(lài)于外在參數,即環(huán)境參數,如溫度、念。對牛頓流體而言,剪切應力與剪切應變率之間壓力等。呈線(xiàn)性關(guān)系。另一類(lèi)流體雖然在小應力情況下也呈非線(xiàn)性流變時(shí)間效應表現為塑性瞬時(shí)應變。其現出穩態(tài)流動(dòng),但其函數關(guān)系為非線(xiàn)性的,此即非牛表達式通常兼具 Andrade一型(7)時(shí)間依賴(lài)性和對頓流體。迄今為止,最重要的非線(xiàn)性應力-應變率應力的非線(xiàn)性依賴(lài)性:關(guān)系通常表現為指數律方程,其中應變率與應力的E,(t)=Aa"t"°(9)n次方有關(guān)(n>1)。這種非牛頓流變行為對硅質(zhì)多或寫(xiě)成恒定應力條件下應變率形式:晶物質(zhì)在高溫低壓情況下十分常見(jiàn)(T>。T。,其中6()≈Am(1-a)aT為固態(tài)溫度;≈10~100MPa)。 Ranalli(1995)其中a>1(通常a≈3),m≥1,應變率隨時(shí)間而減對此導出了以張量形式表達的指數律蠕動(dòng)方程小巖石形變實(shí)驗表明,由應力突然改變所誘發(fā)的在簡(jiǎn)單剪切情況下,os和s是唯一的應力和下地殼和上地幔粘滯性流動(dòng)可導致震后所常見(jiàn)的地應變率非零分量。此時(shí)σ'=σs,sg=ss,因此表形變。這種地表形變實(shí)際上是地球流變特性對于A(yíng)o2)大地震的應力響應。多數地球動(dòng)力學(xué)模型借助于線(xiàn)其中A一般表示為壓力、溫度和物質(zhì)參量的函數,n性(牛頓)應力-應變率關(guān)系來(lái)解釋下地殼和上地幔的流變特征。但許多實(shí)驗結果證實(shí),業(yè)經(jīng)變形的如果參量A不是由簡(jiǎn)單的剪切而是由單軸應熱巖石圈的粘滯流更符合指數律—應變率正比于力實(shí)驗所確定的(A'),上述張量方程(1)應表示為應力的n次冪。 Freed and Burgman(2004)用地幔如下形式:粘性流動(dòng)指數律,取n=3.5,成功地解釋了20世紀(3)90年代發(fā)生于美國南加州的兩個(gè)大地震所引起的地表形變的時(shí)空演化,并證明至少在 Mojave沙漠地非線(xiàn)性(非牛頓)粘滯性,亦即有效粘滯性η,定幔之下義為中國煤化工流動(dòng)律一般具有(4)如下CNMHG and bu2004)其中ys=2s為剪切應變率的表述。在流體動(dòng)力學(xué)e=Age-/kr(11)犬他和嘉飆第29卷其中6為應變率(S),A是預先給定的指數因子作用為特征。地幔熱物質(zhì)的運移或蠕變作用對構造(MPaS"),a是偏差應力(MPa),即a=σ1-o3,地貌、地殼類(lèi)型和成礦機理亦應有重要的相關(guān)性H代表活化能( kJmol),R為氣體常數(Jmol1(陳勝早,1988)。K),T是溫度(K)。在下地殼和地幔上部約200值得注意的是,位于地球內部約2900km深度km深度的溫度、壓力條件下,物質(zhì)流動(dòng)伴隨著(zhù)位錯的D過(guò)渡層,壓力高達135GPa,溫度約2000K蠕變,此時(shí)的冪指數n通常在2與4之間變化。有4000K。在與此相當的溫、壓條件下竟發(fā)現了繼鈣效粘滯性(n=a/26)以指數律物質(zhì)流動(dòng)的形式鈦礦( Perovskite)之后新的晶體結構(Post- peros(11)表示為kite)(Dufy,2004)。這一實(shí)驗發(fā)現與理論推測的地n=a(")e"r/(2A)(12)幔底部約200~300km厚度區間的相變相符,并與其應力依存性意味著(zhù)粘滯性隨應力的增加而減小。地震波速度在該處的突然改變或不連續相一致。其這種應力狀態(tài)的突然變化在地震前后的瞬間是十分密度比鈣鈦礦高出1%~2%。該新相晶體的物理明顯的。震前的粘滯性將隨著(zhù)地震應力通過(guò)粘滯流性質(zhì)和熱動(dòng)力考慮對地球動(dòng)力學(xué)研究將產(chǎn)生重要影動(dòng)的消耗而得到恢復。由高冪次(n>3)指數律可響?？闯?粘滯性在孕震過(guò)程中的減小是很顯著(zhù)的,這就2.4地球的重力均衡與巖石導致了非常迅速的早期震后應變率,并與牛頓流變2.4.1重力勢能與重力場(chǎng)(n=1)形成鮮明的對照。重力勢能是地球內部演化的一種重要能量形作者(陳勝早,1998)曾從微觀(guān)地球物理的角度式。重力場(chǎng)之所以重要,是因為它與地球內部的密討論了地幔流和蠕變問(wèn)題。其有關(guān)內容可作參考。度分布有關(guān)。根據高斯( Gauss)發(fā)散定理,可證明重2.3地幔柱的形成與熱釋放力位滿(mǎn)足拉普拉斯( Laplace)方程:地幔占地球體積的最大部分,它不僅通過(guò)對流a u au aUV“U(13)釋放其自身的熱,而且作為地核(液態(tài)外核)對流和釋放熱量的轉動(dòng)樞紐。地幔的結構并不象早先所認其球坐標(r,6,A)表達式為為的那么均勻。地震成像發(fā)現上地幔和核-幔邊界aUCMB)區域以強烈的非均勻性為特征,而中地幔表sine現出微弱的非均勻性( Ritsema et al.,1999)。因此1 aU0(14)地?；蛟S可進(jìn)一步劃分出化學(xué)成分上截然分明的三層或更多層。由此認為地幔對流也不是整個(gè)地幔的其中rO和A分別為半徑余緯度(=90°-9,9為單一對流或上、下地幔雙層對流,而更可能為多層對緯度)和經(jīng)度。流(陳勝早,1997; Anderson,2004)。通常以球諧函數展開(kāi)式(略去高階項)來(lái)表示在地幔的最下部約250km厚度區間,即D”過(guò)式(14)的解。在實(shí)際應用中,位于海平面上的重力渡帶雖然其所占體積較小,但對理解許多與此相關(guān)標準值由大地參考系重力公式(GRS67)給出的地球物理現象將起到關(guān)鍵性的作用。地幔柱g=9.78031846(1+0.005278895sinφ+( Plume)的形成起因于此,核-幔的相互作用以及0.00003462sinφ(15)消減巖石圈板片的返回也與此關(guān)系密切?！盎罨瘶嬈渲術(shù)。表示重力為緯度(q)的函數,以ms2為單造”的不同構造類(lèi)型、殼體的時(shí)空分布和演化格局位。其它常用的重力單位為伽(gl=cms-2)。在考(陳國達,1996,1998;Chen,2000)或許亦可從中得慮重力異常時(shí),一般以毫伽(1mga=10gal)為單到啟示。位地幔柱穿過(guò)地幔和地殼可形成火山島或火山鏈利用重力異常反演巖石圈密度結構是研究深部(夏威夷)(如 Jacob,2000);接近地表時(shí)可形成洋殼構造的重要途徑。有關(guān)研究方法和文獻參見(jiàn)陳勝早較厚的洋底高原;儲存于深部地?？尚纬苫瘜W(xué)和礦(19198ah19oa1993,1997a、b,1998物學(xué)上的地幔成層結構( Gasperini et al.,2000)。巖Cher中國煤化工石圈因地幔柱的底部加熱和抬升而發(fā)生破裂,進(jìn)而2.4CNMHG形成板塊擴張中心或大型裂谷系。在大陸地區,這大陸高程起伏與巖石圈內密度分布的某種相關(guān)種與“地幔熱點(diǎn)”有關(guān)的構造應以地幔物質(zhì)的底劈性早已為人們所認識,如地表形態(tài)與Moho甚至青第1期陳勝早:殼一幔動(dòng)力學(xué)與活化構造(地洼)理論藏高原巖石圈底面的鏡象關(guān)系(陳勝早,1983,位等勢面。巖石圈密度結構的側向變化會(huì )引起大地1992a)即為一例。重力場(chǎng)在地球表面的異常變化反水準面異常( geoid anomalies映深部質(zhì)量的分布差異,長(cháng)波長(cháng)異常反映的深度大,△h-2丌G△p(x,x)zdz(18)反之亦然。橫貫造山帶的重力測量表明,海拔高程大的地區一般表現為深部質(zhì)量虧損。即地表的質(zhì)量式中G為萬(wàn)有引力常數(6.67×10mkg's2,過(guò)剩由深部的質(zhì)量虧損所補償,這就是Aiy型的均△h以米為單位衡補償——山根說(shuō)。另一種補償模式,即 Pratt均衡(18)式表明,大地水準面異?？芍苯优c密度分模型,基于同樣的原理,但考慮地殼側向密度變化而布的偶極矩( dipole moment)相聯(lián)系。若石圈重力勢假定在某一相同的深度上不同的殼體具有相同的靜能的變化由大地水準面異常而反映出來(lái)。約5m高壓力這一深度即均衡補償深度。這兩種均衡模式的大地水準面異常相當于大約1×102Nm的重力均早于巖石圈概念的提出,并考慮均衡補償可在地位變化。均衡大地水準面異常與不同構造區的高程殼內實(shí)現。變化關(guān)系及補償區域問(wèn)題見(jiàn)作者另文闡述(Chen對青藏高原與北印度洋地區的重力與均衡研究2004)。表明,均衡補償可能發(fā)生于石圍底面,或在地殼厚3溫度、熱傳遞與對流——地球局限于地殼厚度(陳勝早,1992a; Chen and Ranalli,動(dòng)力學(xué)的核心論題1997)。這是因為重力均衡補償僅僅考慮了垂向壓地球內部的溫度參數在地球動(dòng)力學(xué)中起到核心力,而忽略了水平溫度梯度變化所引起的側向密度作用。溫度控制地球的流變性,與地幔粘性流和巖梯度由熱力所誘發(fā)的水平密度變化可導致熱均石圈厚度有關(guān),并通過(guò)各種形式的能(量)流而影響衡作用,并進(jìn)而導致巖石圈的地表高程變化。這不大地構造演化過(guò)程。在地球演化的動(dòng)力、化學(xué)和地僅會(huì )擴大均衡補償的區域面積而且加大均衡補償質(zhì)分析中,熱對流機制又起著(zhù)十分關(guān)鍵的作用。深度。經(jīng)典意義上的均衡補償只是局部的垂向應力的3.1熱傳遞的基本形式熱能傳遞有兩種基本形式:一是通過(guò)物質(zhì)的熱平衡。在深度h處,垂直應力σ表示為擴散,即熱傳導( conduction);二是通過(guò)物質(zhì)的物理(sdZ(16)運動(dòng)而傳輸熱量( advection)其中g(shù)為重力加速度,p(z)一密度為深度(Z)的函熱傳導的速率(熱流)取決于物質(zhì)的性質(zhì)。由數。對于常密度的情形,(16)式即變?yōu)閛a=pghFourier熱擴散定律,熱流q在各向同性介質(zhì)中與溫此即流體靜力平衡條件下(σzx=σx=σn)的巖度梯度成正比,但方向相反,即q,=-kVT=-kaT/ax(19)石圈單位柱體在深度h處的壓力(p=σ)。式中負號表示熱流方向與地溫梯度方向相反。K為在均衡巖石圈底面,單位面積上柱體的重力位熱導率。對各向異性物質(zhì)而言,熱導率是一個(gè)張量可以垂直應力的積分表示之。因此,兩個(gè)相鄰巖石圈(K)。當x與深度方向(Z)一致時(shí),(19)式即簡(jiǎn)化柱體的重力位之差可寫(xiě)成△U=g△p(x,z)zdz(17)為9=-KVT=-Kz熱導率的另一表達形式為其中△p(x,z)=p1(x1,z)-p2(x2,z)。對于常密度熱擴散系數(k)K=K/pC(20)情形,即△p=p-p2。重力位的橫向變化可引發(fā)相當可觀(guān)的水平作用式中p為密度,C為C或Cv,即等壓(P)條件下的力(浮力),并為巖石圈的水平運動(dòng)和形變提供重要比熱或等容(體積V)條件下的比熱。的驅動(dòng)力。重力是作用于巖石圈質(zhì)量并分布于整個(gè)以歐勒( Eulerian)參考系描述質(zhì)點(diǎn)的運動(dòng),通過(guò)個(gè)固質(zhì)量所在體積內的體力,它垂直于重力位等勢面而中國煤化工可表述為指向地心。巖石圈的均衡作用受控于水平和垂直兩YHECNMHGv ar +v, ar種作用力。大地水準面(geod)是與海平面相一致的重力=i+·只T(21a)大他虛嘉飆眼第29卷式中x1、x2、x3依次為相互正交的三個(gè)坐標軸方向,其中右邊第二項與物質(zhì)運動(dòng)傳輸熱量有關(guān),參見(jiàn)即x,y,z。僅考慮任一方向熱物質(zhì)運動(dòng)速度為V(21)式。的情形(其余兩個(gè)方向速度分量為0),此時(shí)(21a)表3.3熱對流示為地球內部的溫度分布表明,熱傳導作用難以在Dt+V VT(21b)地球已知年齡的時(shí)間范圍內完成其對內部熱產(chǎn)生的傳遞過(guò)程,而要求熱對流,即熱物質(zhì)對流運動(dòng)為主要其中溫度梯度VT。僅代表該考慮方向上的溫度偏的熱傳遞方式。對流的基本條件是物質(zhì)必須為流變微分。(21)式表明,溫度的時(shí)間微分由兩項組成:學(xué)意義上的“流體”。當時(shí)間因子足夠大(>103年)代表空間中某一固定點(diǎn)溫度對時(shí)間的依賴(lài)性;時(shí),巖石圈之下的地幔物質(zhì)可以滿(mǎn)足這一條件。VVT為對流項,代表非均勻溫度分布質(zhì)點(diǎn)運動(dòng)所引對流在本質(zhì)上是重力不穩定的結果,而重力失起的溫度變化率(注意:VT的量綱為n1)。這穩被認為起因于熱變化所引起的密度不平衡。這種就是物質(zhì)運動(dòng)熱傳遞與熱擴散的區別之處與熱狀態(tài)直接相關(guān)的密度非均衡所導致的浮力才是3.2熱擴散與熱運動(dòng)方程驅動(dòng)對流的真正動(dòng)因。由熱能平衡條件很容易導出熱傳導( heat con流體可由底部加熱,也可由內部加熱而形成上duction)方程升的熱柱(密度較小),到上表面冷卻后而形成下沉的“冷”柱(密度較大),從而完成對流循環(huán)。如前所cp=KV T+pH(22a)述,地幔對流可以是整個(gè)地幔對流,也可以是成層對式中H為單位質(zhì)量的熱產(chǎn)生。若以熱擴散系數κ流(圖2)或局部對流(圖3),亦可能為地幔底劈或代替熱導率K,則有(22a)的另一表達形式:熔融遷移(圖4)。作者強調在總體對流體制控制下TH(22b)的成層對流和局部對流的“對流體系”(陳勝早1997b)。其中VT=V·Vr=9T,d2TaT+,即溫度梯度從物理學(xué)的角度出發(fā),熱對流的數學(xué)表達式必須遵循能量守恒、質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒定律,它們可的散度。對非穩定熱狀態(tài)(T/0≠0)但無(wú)熱源(H=0)依次表示為溫度方程、連續性方程和運動(dòng)方程:aT的情況,熱傳遞方程寫(xiě)成kV2T-VaT H(27a)VaT1 aT(23)0(pV)(27b)此即熱擴散( diffusion)方程。對穩定狀態(tài)(?T/?t=0)并無(wú)熱源的情況,熱傳+nV2V1-∞p0(T-T。)X2=0(27c)導方程(22)簡(jiǎn)化為其中p、η、κ和C分別代表密度、粘滯性、熱擴散系(24)數和比熱,V為速度,P和T為流體壓力和溫度,H此即拉普拉斯方程。(注意:熱導率K為常量的假同(2)(25)和(26)式,代表放射性和剪切摩擦熱,定只是一種近似。對一些實(shí)際問(wèn)題,有時(shí)必須保留其偏微算子,如各向異性的情形。對多晶體介質(zhì)而L為潛熱( latent heat)率—與相變和熔融有關(guān)[唯言,熱導率K恒定的假定是近乎合理并可以接受不同于(26)式的地方],X代表單位質(zhì)量的體的。)力——依賴(lài)于溫度異常和熱膨脹系數α。式(27c)對穩定狀態(tài)但有熱源存在的情況(H≠0),熱傳中體力的唯一非零分量是x,=g(重力加速度)。單導方程變?yōu)?位質(zhì)量的浮力為2g(T-7)H/K(25)對流問(wèn)題的求解要求(27a)和(27e)同步解,取這就是泊松( Poisson)方程。決于中大古積, Dalier(1989)對此作了對于既有熱傳導又有熱物質(zhì)運移的情形,給出廣中國煤化工數,如Rleigh數熱傳導(擴散)和熱運動(dòng)的統一方程式如下:CNMH女和 Peclet數等也可aT+p·VrH(26)用于對流起始問(wèn)題的研究( Ranalli,1995)。其中Rayleigh數適用于流體由底部加熱和由內部加熱的第1期陳勝早:殼-幔動(dòng)力學(xué)與活化構造(地洼)理論T(K)中脊}1z10001000下地幔整體地幔對流化學(xué)和動(dòng)力學(xué)邊界核-幔邊22洋中脊1000↓密度下地幔2000學(xué)和動(dòng)力學(xué)邊界30003000圖2整個(gè)地幔對流和成層對流模式以及相關(guān)的粘滯性和溫度隨深度的變化(見(jiàn) Peltier et al.,1989);下地幔的粘滯性變化范圍由 Ranalli(1995)補充Fig 2 Pattern of whole- mantle and layered convection with relevant viscosity and temperature variations with depthFrom Peltier et aL., 1989): viscosity range in the lower mantle added by Ranalli( 1995)表達式分別表示為:小規模對流Rn=ag△Th/(kU)(28a)R, =agpHh/(KUK)巖右圈式中a、K、K、、H和p具有同前物理意義;h和△T分別代表對流層的厚度和穿過(guò)該層的溫度差,U為運動(dòng)粘滯性。一般來(lái)說(shuō),R。大于臨界值R~10°量軟流圈級時(shí)對流可能發(fā)生,但其臨界值取決于邊界條件和熱擾動(dòng)的波長(cháng)。軟流圈Peclet數表示熱運動(dòng)與熱擴散之比,即圖3形成板內非“熱點(diǎn)”脊的小規模對流或擴張模型示意( Sandwell et al.,1995)。熔融作用發(fā)生于對流元其中v為特征速度,l代表對流系的特征長(cháng)度,K的的內翼或巖石圈扭裂變薄帶的“地幔上涌”之上方物理意義同前。一般來(lái)說(shuō),P.>10時(shí),物質(zhì)的熱運F,3 Schematic illustration of two of the models sug動(dòng)占熱演化的主導地位,熱擴散可忽略;而Pe△T底劈地幔流綜上所述,地球的溫度變化和熱傳遞方式在地(a)地幔底劈模型球演化過(guò)程中起著(zhù)核心作用,其定量分析對大地構造研究必然具有廣闊的應用前景。非轉換地殼4大地構造作用與演化的定量分析問(wèn)題地幔巖石墨熔融區域d-tb)三維熔融遷移模型K-2+pH=0(33)圖4(a}與底劈作用有關(guān)的地幔上涌模型,或稱(chēng)地幔底利用適當的邊界條件q=-qs和T=T可劈模型:因上地幔對流不穩定性而形成一系列底劈對(33)積分求得任意深度z的地溫分布或刺穿構造。熔融產(chǎn)物和地殼厚度受控于底劈構造的位置T,=T,+2-4x(34)b)受控于板塊擴張幾何形態(tài)的被動(dòng)式上涌模型其中T和qs為巖石圈頂部的表面溫度和表面熱或稱(chēng)三維熔融遷移模型(見(jiàn) Magde et al.,1997)Fig 4(a)Model of upwelling associated with the for-流,A=pH代表單位體積的熱產(chǎn)生。mation of a series of diapirs due to convective in熱響應時(shí)間(r)是在熱傳導條件下衡量介質(zhì)對tle. Melt pr熱擾動(dòng)的特征反應時(shí)間尺度。在地質(zhì)意義上,它相and crustal thickness is controlled by the loca當于“地幔柱”在巖石圈底面加熱時(shí)巖石圈上頂面tions of the diapirs感應到來(lái)自其底部熱擾動(dòng)所需的時(shí)間。很明顯,熱b) Model of passive upwelling controlled by the響應時(shí)間依賴(lài)于巖石圈的厚度(h),反比于熱導率geometry of plate spreading( from Magde et aL.(K)或熱擴散率(K),一般有r∝h2/k,通常取比例1997)系數為。對巖石圈特征厚度h=100-125km,K其中υ為運動(dòng)粘滯性或粘度,其余參數的意義同前。=106m2s1,r≈32~50Ma?？梢?jiàn),巖石圈熱傳導Pr值大時(shí),流體對動(dòng)量的擴散作用相對快于熱擴散。是一個(gè)相當長(cháng)的過(guò)程,50Ma幾乎相當于跨越一個(gè)通過(guò)快速的動(dòng)量耗散,沿垂直熱邊界層的浮力將夾帶新生代的地質(zhì)時(shí)期(始新世始于約56Ma,古新世也更多的流體進(jìn)入運動(dòng)狀態(tài)因而導致粘滯流邊界層的不過(guò)始于約65Ma)。厚度遠大于熱邊界層。 Reynolds數由下式表示:在物理意義上,熱響應時(shí)間亦即熱時(shí)間常(31)數——在這個(gè)特征時(shí)間尺度內,熱擾動(dòng)衰減至初始其中V、l和υ皆具有同上意義。Re值大時(shí),層流不值的50的執撲動(dòng)奮減可達約3r的時(shí)間復存在,而呈湍流狀態(tài)。區中國煤化工與巖石圈熱時(shí)間常數對流環(huán)的水平與垂直尺度比在簡(jiǎn)單情況下通常(3CNMHG關(guān)的裂谷盆地的沉為1~3。對流熱傳遞的相對重要性一般以 Nusselt陷過(guò)程可達約100~150Ma。熱擾動(dòng)和熱沉陷隨時(shí)間呈指數衰減。巖石圈的厚度因構造單元的不同而勝早:殼-幔動(dòng)力學(xué)與活化構造(地洼)理論變化,熱時(shí)間常數也隨之而改變(表1列出一些特△E=pg2+p.8H+)△pg(△H)2(36)征參考值)?？梢栽O想,僅靠熱傳導作用,要在青藏高原形成一個(gè)熱裂陷盆地可能需要約130-180Ma式中p.為地殼密度,△P為殼幔密度差。由于△E的時(shí)間,因為那里的巖石圈最大厚度可達120~140與4和△H呈非線(xiàn)性關(guān)系,因而為克服重力而形成km(陳勝早,1992,1993;Chen,2004)。造山帶所做的功將隨造山帶的平均高程呈非線(xiàn)性增加。在均衡條件下,平均高程和地殼厚度均會(huì )達到表1熱時(shí)間常數在熱傳導情況下隨巖石圈厚度的變化定的極限值。當兩者超過(guò)該極限時(shí),造山帶則會(huì )側向增長(cháng),因而與側向密度變化所引起的水平應力Table 1 Thermal constant varying with lithospheric作用可相比較。這就說(shuō)明了均衡調整并非垂直柱體thickness under thermal conduction內的調整,而是一定區域范圍內的調整。反映巖石(K=10-6m2s1)圈密度非均勻的密度矩的應用對大陸碰撞帶特別重h(km)5060708090100110120130140150200要,如喜馬拉雅碰撞帶的均衡研究(Chen,2004),因r(Ma)812162126323946546372129為整個(gè)巖石圈都增厚了。3r(Ma)243648637896117138162189216387地幔柱的作用也可由(36)式加以分析。地幔柱從巖石圈底部擠人同樣會(huì )引起地形高程的變化作為實(shí)例分析,下?lián)P子新生代裂谷盆地和贛江因而引起位能的增加。以地幔柱擠入巖石圈1km流域一長(cháng)江中、下游“三聯(lián)”裂谷系(陳勝早,1983,為例,取地殼密度pc=2800kgm3,用一級近似估1990b,1990c)可考慮為與熱裂陷有關(guān)的裂陷盆地算,地形高程每改變1km就會(huì )產(chǎn)生約1.4x10系。那里不僅有異常地幔頂部的發(fā)現,而且有中地Nm-的附加張力。由此附加張力而產(chǎn)生的效應是殼膨脹的結構形態(tài)和地表斷陷的對應特征(陳勝提高地幔溫度,比平均對流溫度高約300℃。這意早,1987b;Chen,1988)。這表明,除熱傳導作用之味著(zhù)軟流圈的解壓熔融將出現于裂谷作用的更早階外,尚有地幔熱物質(zhì)上涌或殼-幔邊界處局部熔融段。熔融物質(zhì)運送到巖石圈內又會(huì )加強巖石圈勢能的可能性。該區中地殼膨脹-壓縮和Mho隆凹相并使之弱化,從而增加業(yè)已開(kāi)始的擴張形變。間的橫向變化特征(陳勝早,1992b;Chen,1992)進(jìn)4.3驅動(dòng)力源與熱應力步提示,對其進(jìn)行局部對流或地幔底劈作用的深構造運動(dòng)與演化的驅動(dòng)力源問(wèn)題始終是一個(gè)充入定量研究是十分必要的。中國東部中、新生代盆滿(mǎn)爭議的論題。熱應力作為一種非延續(non-re-地的深部構造及形成機理基本相似(陳勝早,1995; newable)力源,起因于溫度變化所引起的體積改變Chen,1995)量。在地殼中、上部15-20km巖石圈壓力和各向42殼體的垂向與水平運動(dòng)——地幔柱的作用同性彈性條件下,由溫度改變△T而產(chǎn)生的應力滿(mǎn)板內由地殼厚度和(或)密度變化所引起的擴足 Duhamel-Neumann定律,應用于連續介質(zhì)平衡方張與壓縮應力的構造意義并不亞于板塊邊界的應力程而將熱彈性問(wèn)題簡(jiǎn)化為彈性問(wèn)題,從而得到狀態(tài)。簡(jiǎn)單的應力分析( Dalmayrac and MolnarEa2△T(37)1981)表明,在常密度情況下,垂向應力σa的梯度與密度成正比;在均衡補償深度上,造山帶之下的垂式中E為楊氏模量,yp為泊松比,a為線(xiàn)性體膨脹直應力高于平原或盆地地帶。從能量角度考慮,可系數。利用已知地殼參數,△T=100K時(shí)就可導致以得到與此相同的結論( Molnar and Lyon-Caen,約100MPa量級的熱應力( Turcotte and Schubert,1988)?？紤]地殼增厚和正常地殼厚度的兩個(gè)單位1982)。這個(gè)量級的應力值顯然是不可忽略的柱體,如果它們處于均衡狀態(tài),并以l和△H代表增與熱應力相近或稍高的非延續應力還有與巖石厚柱體的地形高程和“山根”,則這兩個(gè)柱體之間的圈在聚斂帶撓曲有關(guān)的應力差以及板塊曲率半徑隨位能差表示為緯度變應力亦化/藩瞄效應一 membraneHeffect)中國煤化工士作用的可延續應△E=(P2(z)-P5(z))dz(35)力與CNMHG圈載荷有關(guān),其中H為標準地殼厚度,P和Ps分別代表增厚柱般具有10~100MPa應力變化范圍( Bott and Kusz體和標準柱體的靜壓力。其結果簡(jiǎn)化為nir,1984)。板內由巖石圈不均勻性所引起的應力第29卷亦可具有相當量級的應力分布( Hasegawa et al.,孔隙流體壓力時(shí),即有(38)式所描述的不同類(lèi)型的1985;陳勝早,1988,1990;Chen,1990b)。所有這些斷層滑動(dòng)條件。應力聯(lián)合作用于地殼體而導致巖石圈的不同形式的從上節力源問(wèn)題的分析可看出,在地殼斷層帶形變,如擴張、擠壓、剪切或其結合,并由此而導致不溫壓條件下,臨界應力差不大可能超過(guò)100MPa,這同的構造風(fēng)格或特征。就要求流體孔隙壓力必須在斷層滑動(dòng)中起相當重要然而,熱應力在長(cháng)期地球動(dòng)力過(guò)程中所起的作的調節作用(式38)。比較A=0和A=0.9時(shí)斷層用或許是有限的。作為一種非延續性應力,它會(huì )伴滑動(dòng)所需應力差( Sibson,1974)則不難發(fā)現,高的流隨地殼脆性破裂或柔性應變松弛而釋放。對于粘彈體孔壓對斷層摩擦滑移是十分必要的,除非地殼的性體而言,其有效性只限于熱事件年齡的 Maxwell有效摩擦系數低于實(shí)驗室測量值。松弛時(shí)間或更短(<103年量級)。 Maxwell松弛時(shí)應該指出的是,以上討論是建立在均勻、各向同間可解釋為在相同荷載條件下以與彈性應變相同的性介質(zhì)和一個(gè)主應力軸垂直的假定上的,式(38)只恒定應變率完成蠕變所需的時(shí)間(n/=c/)。這適用于非內聚性介質(zhì),而且早先存在的斷層走向必相當于地幔粘滯性條件下冰期后彈性回返的時(shí)間須與構造應力場(chǎng)相一致。作為一種近似方法,在許(約10年量級)。在 Maxwell時(shí)間(rx)內,地球以多情況下,對于上地殼介質(zhì)的實(shí)際構造背景,分析途彈性響應為主;t>rn時(shí),地球則以粘滯性響應為徑是可行的;對研究已知斷層的活化作用更有重要主。因此,熱應力的構造意義主要表現在地殼介質(zhì)參考意義。有關(guān)新斷層形成和已知斷層走向隨機分的彈性行為時(shí)間尺度內。布的滑移條件可參考 Ranalli and Yin(1990)和Yin4.4地殼斷裂動(dòng)力學(xué)問(wèn)題and Ranalli(1992)。地殼斷裂是一短時(shí)間的應力釋放過(guò)程,但孕育斷裂作用的構造力的形成是一長(cháng)時(shí)間的應變能積累5結語(yǔ)過(guò)程。在巖石圈上部T≤700K、最大深度10~30殼-幔動(dòng)力學(xué)研究是地球科學(xué)領(lǐng)域的前沿課km的地殼內(深度范圍隨地溫而略有變化),斷裂題,也是活化構造(地洼)理論(陳國達,1996)研究作用一般為脆性或準脆性破裂。但在更大的深度區的重要方向之一。該研究方向涉及地球物理、地球間物質(zhì)呈流變特性,“斷層”往往形成于相對窄的化學(xué)和高溫高壓巖石學(xué)等眾多分支學(xué)科。本文僅從韌性剪切帶。與斷裂作用相關(guān)的流變模型通常為彈地球物理學(xué)的角度,以物理概念和數學(xué)描述的定量性和脆性的但塑性流變模型有時(shí)也不失為合適的結合為途徑,對有關(guān)研究論題、方法現狀和遠景進(jìn)假定。許多作者對巖石破裂力學(xué)作了詳細的報道,行了較為系統的綜合評述和探討。希望以此為基其中動(dòng)力摩擦和巖石孔隙流體壓力的斷層作用更受礎,對活化構造理論所涉及的地幔蠕動(dòng)、熱能聚散問(wèn)親睞(Chen,1998a,1998b)。 Sibson(1974)對逆沖題作些定量方面的探索和補充。在陳國達院士仙世走滑和正斷層三類(lèi)不同的斷裂機制的應力差隨深度周年之際,為紀念他老人家的杰出成就和巨大貢變化以及對有、無(wú)孔隙壓力的極限情況進(jìn)行了綜合獻,衷心祝愿他所創(chuàng )建的活化構造(地洼)理論不斷研究得出在相同深度上逆斷層的應力差最大,正斷充實(shí)、完善和發(fā)展,為大地構造與成礦理論研究發(fā)揮層最小;對相同的應力差,則有正斷層作用深度最更大的指導作用。大,逆斷層最小。對8=的特別情況,三種斷層應力差的極限致謝:作者感謝中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所所長(cháng)夏斌研究員的邀請來(lái)所進(jìn)行學(xué)術(shù)交流和科研合條件可簡(jiǎn)化為同一表達式(om,-omn)≥apgz(1-A)(38)作。感謝楊心宜教授提議撰寫(xiě)本文并給予不斷的關(guān)式中aF是與斷層類(lèi)型有關(guān)的因子,A為孔隙流體;感謝邱亮斌副編審對撰寫(xiě)本文的支持和鼓勵。(壓力)因子,即孔隙流體壓力與巖石靜壓力之比(A參考文P/pgz)。Om和σm代表最大和最小主壓應力。中國煤化工般有R=σnn/σ-,因此斷層滑動(dòng)的臨界條件取陳著(zhù)重討論華夏古陸問(wèn)CNMHG形式σmn≥RUmn,考慮最大應力差時(shí),該不等式即陳國達.1959a地殼的第三基本構造單元—地洼區科學(xué)表示為(am,-mn)≥(R-1)σmn。當進(jìn)一步考慮通報,4(3)第1期陳勝早:殼-幔動(dòng)力學(xué)與活化構造(地洼)理論陳國達.1959b.地臺活化區及其找礦意義,北京:地質(zhì)出版 Chen Shengzao.1990a. 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Main topics discussed here, purely from geophysicalviewpoints, involve the nature and physics of lithosphere, mantle rheology, gravity and isostasy, temperature of theEarth and heat transfer including heat conduction, advection and thermal convection. Key topics of practical significance in quantitative geotectonics are particularly studied, such as thermal stress, heat response time( thermal constant), horizontal and vertical crustal movements, potential energy and roles of plume, as well as crustal faulting.A physical and quantitative approach is followed in stating the problems and solutions, which is necessary for betterunderstanding and attacking some of the most difficult issues in mantle and crustal dynamics that is also an important component of the activated tectonics( Diwa)theory. Tectonic Processing and dynamic evolution of the litho-sphere ( crustobody, as termed by Chen Guoda) is caused by a combination of horizontal compressive and extensional)forces, associated with thermal movement in the mantle, and the vertical differential forces due to variationsof crustal thickness. Thermal stress is most likely associated with a short time scale (less than Maxwell time, say10 year)in which it may be released by brittle fracture or ductile relaxation of strain. Due to the non-renewablenature of thermal stress, its long term geotectonic role, with the mantle viscous time scale greater than Maxwelltime ) seems to be of uncertainty. Local and small scale mantle中國煤化工 ve mechanism of acti-vated tectonics( Diwa) that is worthy of further studyingCNMHGKeywords: crust-mantle dynamics; lithospheric physicsmantleand isostasy: Earth s temture and thermal transfer: activated tectonics