论地幔中软流层物质的运动形式

论地幔中软流层物质的运动形式

—谈地壳的垂直运动

煤炭科学研究总院西安科学院 王文祥

用全球应力场的演化规律来研究上地幔中软流层物质的运动形式,就会对地壳运动的成因及构造行迹的展布规律有着更深层次的认识。下面谈我们对软流层物质在地质历史时期中的运动规律。

3.1 地球内圈的分层结构

利用现代地球物理探测手段,人们对地球内圈的结构分层研究,认识越来越趋于一致。目前根据地震波速在地球内部的演化规律,地球的圈层结构大致提出如下模式。

岩石圈:它包括地壳和上地幔的B层。厚度在60公里左右。其中地壳又分为三层,即沉积层。硅铝层,硅镁层。

地幔:包括上地幔和下地幔,厚度约为2900公里。上地幔约为1000公里。如图。 地核:它包括外核、过度层、内核。

在研究地壳构造运动的动力来源时,我们对地球中的各个圈层最感兴趣的就是软流层。大多数人的现代概念都认为软流层是由塑性固体介质组成的(其成分相当于二辉橄榄岩),它是物质发生缓慢活动和形变的场所。早在构造地质学研究初期,哈佛奈(W.Hafner)所建立的断层成生机制的第三种附加应力,就开始以地壳下面的对流作用来解释其成因的。有关地壳运动起因在地质学界先后出现的各种假说,如大陆漂移说、地幔对流说、洋底扩张说和现今的板块学说等等都是在地幔中的软流层上做文章的。至于“地幔对流”异致刚性岩石圈的移动。现今的间接证据大概有四点。

1、分析人造卫星轨道扰动现象,自由大气重力异常有几十毫伽,可波及数千公里。如果说刚性的岩石圈板块处于这样宽的异常条件的控制下,显然是不可能的,对于其下面的软流层来讲会更弱一些。因此异常必须是对地幔对流的结果,即向上对流导致了重力异常的产生和它的浅凹形式。

2、当岩石圈漂流越过软流圈的上拱处时,可以产生幅度有一公里或更多些的垂直翘曲。这种现象可以在大陆和大洋盆地中经常看到的。他们是有着重要地质意义的进程,持续时间长短不一,有的可达1亿年之久。在某些造陆运动的穹起作用中,他们可能出现于软流圈的上拱处,这可能由于地幔对流的分支所引起。有人认为岩石圈中板块的裂开就是发生在这样的穹心处。

3

热流率越高,越远离海岭的地方热流率越低。

这样地壳下面地热场的不均衡也可导致热点对流。1、 火山活动和地震波测量,均说明地壳下面

某些部位确有液相物质存在,这就为热对流提供了物质基础。

关于地幔对流的形式,其局部形态的缩影都是一个模式。如图13。

上面列举的这些间接证据都是以地壳上面某一较大区域范围内的地质资料作为依据而进行全球范围推论的。有关对流产生的原因,多是从侧向密度变化和测向温度变化来进行解释的。局部现象能否反映事物的本质,温度、密度效应能否作为对流的动力来源,我们可以从下面的试验中做出判断。

3.3 对流现象的边界条件

任何一个物理现象的出现,都要受自己特定的成生条件加以限制。在物质世界中,对流现象的产生也是一样。下面我们可以做这样两个试验来对对流现象进行研究。

第一个实验

取相同大小的m个烧杯,使烧杯内所盛物质(水和面粉)的体积相同。第一个杯子里不放面粉,第二个杯子里放5克面粉,第三个杯子里放10克面粉,按此种方法一直放到第m杯。然后各杯子里充水,并充分搅拌均匀,使第m杯中的面和水成蒸馒时的硬面团块,放入杯子里。各杯子底部用小火徐徐加热。这时我们就会看到,热的三种传播方式是不一样的。在第1、2、3等号杯子中,热的三种传播方式是以热传导和热辐射的形式出现的。根据热的传导公式

Q=λ

η(T2-T1)S (32)

λ异热系数,η两界面距离,S界面面积,T2 \T1是两界面温度,Q热量

和热的辐射公式

E=C0ε(T100) (33) 4

ε辐射体的黑率,C0辐射常数,它等于136⨯10-4,T辐射体的温度

在低温情况下,物体内热量的传播主要是以热传导热对流为主。在高温情况下,则以热辐射为主。而中间的杯子中,热量传播的方式介于二者之中。

这个试验说明,当物体内部分子的热运动的动能大于分子的势能时,这时由于分子热运动就会导致物质分子间对流现象的产生。当分子热运动的动能小于或等于分子间的势能时,这时分子热运动就不会导致分子间对流现象的发生,很显然,靠近第m杯附近的塑性面团内淀粉颗粒与水分子的势能要远大于第1、2、3等杯子中成稀粥状淀粉颗粒与水分子之间的势能。因此当塑性面团受热时,即使在有侧向温差存在的情况下,也不会有物质分子对流现象的产生。

第二个试验

如图14。(1)球1 与球2之间注满了水,球3位于球2中心处,球2与球3之间是空气。

(2)球1 与球2之间充满了几种密度不同的塑性很强的固体介质把球1 与球2之间分成截然不同的几部分。假若是在失重的情况下,我们对球3均匀加热,受热均匀的球2就通过中间物质把热量传给球1。在(1)(2)两种情况下,我们都不会观察到球1 与球2中间物质对流现象的产生。在第1种情况下,球2表面各处温度均匀。在第2种情况下,球1表面各处温度稍有差导。

上面这一试验就与我们的地球类似,如果软流层物质是均一的,即导热系数是一常数,那么就不存在侧向温度差导,因此就不具备产生对流现象的动力来源。显然这一假说与地质资料是矛盾的;在第二种情况下,我们知道地球内部的温度和压力都是随深度的增加而提高的。在上地幔中,最高温度可达1500-1600℃,最高压力可达106巴,很显然在这样高的温度下,热量的传播方式主要是热辐射,因此尽管软流层内的物质存在着导热系数不同,但由于所造成的温差很小,这可从全球地热测量资料中得到证实(个别岩浆活动例外)。另外由于软流层的压力是如此之大,这时物质分子间的势能也是相当惊人的,因此由侧向温差效应或侧向密度效应并不能对物质分子内部结构进行调整,更谈不上物质分子之间的相互运移了,因此该试验也说明了在地球内部软流层中并不存在因侧向温度差异或侧向密度差异而引起的物质的对流。下面是对板块的扩张(洋隆、洋中脊)和板块的压缩(海沟处板块的俯冲)的解释。

3.4 从全球应力场的演化规律来研究软流层物质的运动

前面我们已经对全球平面应力场演化规律作了如下解释。如图7。在一个银河年内,依次出现六种类型全球应力场,这种平面应力场是以地质体的密度而进行自然分层的。从图12中可见,当地壳作为一个层次来处理时,软流层和B层就应归属为另一个层次了。在讨论径向离心惯性力的时候,公式

F=m(ω+∆ω)RCOSϑ 2

中的m是地壳中某一质点的质量,他等于体积与密度的乘积,ω是地球自转角速度,∆ω是角速度的增量,R是地球半径 ,ϑ是引力方向与赤道半径的夹角。

式中F的大小与球半径和密度的大小成正比。就软流层而言,其密度比地壳大,比其底层小,其半径比地壳小,比其底层大。那么在全球应力场演化的过程中,软流层中的应力场演化规律也就同地壳中的应力场演化规律相同,但就某一局部软流层中的“块体”而言,作用其上的应力大小与其上、下层中相应的地质体的应力大小相比是不同的,有如下几种情况;

1、σ

2、σ

3、σ

4、σ上 σ > σ

上、软 > σ σ下 上 软 下 上 软 下 其中σσ软、σ下分别代表作用在上、中、下三层位中相应地质体上的正应力。

不管是那一种情况,我们可以看到,软流层中的物质都要在应力作用发生缓慢地塑性变形。由于软流圈不象地壳那样,分成若干块体,在某一时间域的限定之下,其空间域或物质域均不相同。软流层是一个整体,物质域在时间域的限定之下几乎是相同的,所以在全球应力场作用下,应力集中带就落在了应力对称面的球大园上。在应力场作用下,软流层中的物质其运移方向都指向应力集中带,这样在该带上就形成了一个波状隆起。该带的隆起就导致了其上的地壳受到了一个垂直向上的力。比如在第A型应力场中,在赤道附近就形成一个凸起的球大圆,将地球分成南北两部分,这时南北两半球上软流层内应力的分布是以赤道面作为对称面的。随着应力场沿逆时针方向进行旋转,凸起的球大圆也要随之发生缓慢的按逆时针方向进行旋转。可见整个球体上的应力分布图15。从图15可以看出,当全球应力场由南北位置转移到北西南东方向时,南北半球上面的应力状态只有AB条带上可近似认为是对称的,其它均不对称。在AB条带左侧,南半球应力大于北半球应力,而且越远离AB条带,应力相差越悬殊。在AB条带右侧,情况正好相反;北半球应力大于南半球应力,而且越远离AB条带,应力相差越悬殊。在南、北半球应力出现差异的情况下,软流层中物质的塑性变形也出现分异,我们可以分析其中的一个条带,就可以推知整个软流层中物质运移的规律。我们取AB条带右侧的第五个条带进行分析。如图16,

在第A型应力场中,在赤道附近形成一个凸起的球大圆,在A5B5条带上,凸起的中心线位置是CD,凸起的北缘是C1D1,凸起的南缘是C′D′。当全球应力场由南北方向转移至北西方向时,由于北半球上的应力大于南半球上的应力,从应力的积累和松驰的角度来看,北半球上A5B5条带上的应力处于积累状态,软流层逐渐由西北向向南东方向运移,在C1D1、C2D2形成隆起。与此同时,南半球的软流层物质由于应力处于松弛态CD C′D′处的突起逐渐消失,这样凸起的中心线位置就由CD 处运移C′D′处,调整后的隆起,使得南半球

上条带上的应力成对称分布。无疑,这种隆起位置的调整,越靠近AB带越不明显,越远离AB带越明显。根据AB条带在南北方向和北西南东方向上应力大小来分析,可知此时AB带上的波峰也随着方位的调整而逐渐变小,以至最后消失。A5B5条带是如此,其它条带也是如此。至此我们可以看出,软流层中凸起的球大园隆起,总是使南北半球上的应力呈对称状态分布。球大园隆起在一个银河年内,围绕地球运转 一周,其演化规律如下图17。

应力场为A型时,即图中的(1)、球大园隆起峰值最大,出现在赤道位置上。当应力场进入第B型时,即图中的(2),球大园隆起峰值变小,出现在北东南西方向上。当应力场进入第C型时,球大园隆起开始逐渐消失,即图中的(3)。当应力场进入第D型时,球大园隆起已不存在。当应力场进入E型时,即图中的(5),球大园隆起开始进入萌芽状态。当应力场进入F型时,即图中的(6),球大园起已明显形成出现在北西南东方向上。

球大园隆起的这种位置变迁就像波在水面上传递一样。

这一点正是张伯声教授波浪镶嵌

说的形成机理和动力来源。当着球大园隆起所形成的垂向力作用到其上的地壳中时,就会产生多种地质效应。这主要决定在时间域限定之下的该区域的空间域和物质域,即几何边界条件,位移边界条件,应力边界条件,古构造条件、古地理环境,材料组分的物性特征等等。因此,在球大园隆起的部位,有的可形成岩石圈断裂,导致岩浆活动,造成热导常区,有的只形成浅层断裂;有的形成隆起,遭受风化剥蚀,有的形成凹陷,接受沉积成岩;有的形成褶皱,有的形成断陷„„所有这些,有的能够保留下构造形迹可查,有的没有没有保留下构造痕迹无法考证。

在球大园消失时,也就是全球应力场进入第C、D、E期时,由于应力自东向西,或自西而东在不同纬度上其大小不一样,从而使得各板块上面的应力大小也出现差异,因此在全球范围内可出现大规模的径向断裂或纬向上的转换断层。此时同样也可造成软流层中靠上部的物质或B层发生相变,引起岩浆活动,形成海岭或海沟。与此同时,重力的均衡代偿作用在这三期应力场中也经历了“产生”、“成长”、“消亡”三个阶段。在第D期,重力均衡代偿最为明显,有的地区逐渐上隆,有的地区则出现凹陷或断陷。

以上就软流圈的整体运动进行了概略分析。下面谈谈软流圈的局部运动。从图12可以看出,由于B层的存在,就使得软流层与B层所组成的层体顶部界面出现凹凸不平。再加上地壳中各板块的几何界面条件,应力边界条件和位移边界条件不同;各板块对其顶界面所施加的剪应力大小和方向不同,某些放射性元素的丰度不同而造成的局部热异常,板块交接处又有俯冲和仰冲之分等等。这些条件就导致了软流层上部局部块段发生各种不协调的形变,从而也导致其上的地壳产生各种地质构造现象而异于全球性构造发育规律。如图18。在板块的不同边界上就形成了不同的推复构造和隆起剥蚀区、沉积凹陷区。

上面简要介绍了软流层整体和局部的运动方式,较好的解释了作为地幔对流的所谓四点间接证据。指出了软流层的运动模式—整体水平运动的结果导致局部地带的垂直运动。而地壳运动正是由于这两个层位中的水平运动和垂直运动的相互迭加和相互转化,才造成了地壳上面各种构造形迹的产生。

参 考 文 献

1、动力地质学原理 成都地院普通地质教研室编

2、板块构造概论 安延恺 编

3、普通物理学 程守朱 江之永等编

4、地质力学教程


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