論地幔中軟流層物質(zhì)的運動形式

1、論地幔中軟流層物質(zhì)的運動形式談地殼的垂直運動煤炭科學(xué)研究總院西安科學(xué)院王文祥用全球應(yīng)力場的演化規(guī)律來研究上地幔中軟流層物質(zhì)的運動形式， 就會對地殼運動的成因及構(gòu)造行跡的展布規(guī)律有著更深層次的認識。 下面談我們對軟流層物質(zhì)在地質(zhì)歷史時期中的運動規(guī)律。31地球內(nèi)圈的分層結(jié)構(gòu)利用現(xiàn)代地球物理探測手段，人們對地球內(nèi)圈的結(jié)構(gòu)分層研究，認識越來越趨于一致。目前根據(jù)地震波速在地球內(nèi)部的演化規(guī)律，地球的圈層結(jié)構(gòu)大致提出如下模式。巖石圈：它包括地殼和上地幔的 B 層。厚度在 60 公里左右。其中地殼又分為三層，即沉積層。硅鋁層，硅鎂層。地幔：包括上地幔和下地幔，厚度約為2900 公里。上地幔約為1000公里。如

2、圖。地核：它包括外核、過度層、內(nèi)核。圖 12地球部分分層示意圖二、有關(guān)地幔對流的假說在研究地殼構(gòu)造運動的動力來源時，我們對地球中的各個圈層最感興趣的就是軟流層。大多數(shù)人的現(xiàn)代概念都認為軟流層是由塑性固體介質(zhì)組成的（其成分相當于二輝橄欖巖），它是物質(zhì)發(fā)生緩慢活動和形變的場所。早在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究初期，哈佛奈（W.Hafner ）所建立的斷層成生機制的第三種附加應(yīng)力，就開始以地殼下面的對流作用來解釋其成因的。有關(guān)地殼運動起因在地質(zhì)學(xué)界先后出現(xiàn)的各種假說，如大陸漂移說、 地幔對流說、 洋底擴張說和現(xiàn)今的板塊學(xué)說等等都是在地幔中的軟流層上做文章的。至于“地幔對流” 異致剛性巖石圈的移動?，F(xiàn)今的間接證據(jù)大

3、概有四點。1、分析人造衛(wèi)星軌道擾動現(xiàn)象，自由大氣重力異常有幾十毫伽，可波及數(shù)千公里。如果說剛性的巖石圈板塊處于這樣寬的異常條件的控制下，顯然是不可能的，對于其下面的軟流層來講會更弱一些。因此異常必須是對地幔對流的結(jié)果，即向上對流導(dǎo)致了重力異常的產(chǎn)生和它的淺凹形式。2、當巖石圈漂流越過軟流圈的上拱處時，可以產(chǎn)生幅度有一公里或更多些的垂直翹曲。這種現(xiàn)象可以在大陸和大洋盆地中經(jīng)?？吹降?。他們是有著重要地質(zhì)意義的進程，持續(xù)時間長短不一， 有的可達1 億年之久。 在某些造陸運動的穹起作用中，他們可能出現(xiàn)于軟流圈的上拱處， 這可能由于地幔對流的分支所引起。有人認為巖石圈中板塊的裂開就是發(fā)生在這樣的穹心處。

4、3、現(xiàn)今地?zé)釄龅难芯?，通過對地幔中出來的熱流率的測量，可以看出越靠近海嶺地方熱流率越高，越遠離海嶺的地方熱流率越低。這樣地殼下面地?zé)釄龅牟痪庖部蓪?dǎo)致熱點對流。1、 火山活動和地震波測量，均說明地殼下面某些部位確有液相物質(zhì)存在，這就為熱對流提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。關(guān)于地幔對流的形式，其局部形態(tài)的縮影都是圖 13 地幔軟硫?qū)訉α魇疽鈭D一個模式。如圖 13。上面列舉的這些間接證據(jù)都是以地殼上面某一較大區(qū)域范圍內(nèi)的地質(zhì)資料作為依據(jù)而進行全球范圍推論的。 有關(guān)對流產(chǎn)生的原因，多是從側(cè)向密度變化和測向溫度變化來進行解釋的。 局部現(xiàn)象能否反映事物的本質(zhì)，溫度、密度效應(yīng)能否作為對流的動力來源，我們可以從下面的試驗中

5、做出判斷。3 3對流現(xiàn)象的邊界條件任何一個物理現(xiàn)象的出現(xiàn)，都要受自己特定的成生條件加以限制。在物質(zhì)世界中， 對流現(xiàn)象的產(chǎn)生也是一樣。下面我們可以做這樣兩個試驗來對對流現(xiàn)象進行研究。第一個實驗取相同大小的m 個燒杯，使燒杯內(nèi)所盛物質(zhì)（水和面粉）的體積相同。第一個杯子里不放面粉，第二個杯子里放5 克面粉，第三個杯子里放10 克面粉，按此種方法一直放到第m 杯。然后各杯子里充水，并充分攪拌均勻，使第m 杯中的面和水成蒸饅時的硬面團塊，放入杯子里。 各杯子底部用小火徐徐加熱。這時我們就會看到，熱的三種傳播方式是不一樣的。在第 1、2、3 等號杯子中，熱的三種傳播方式是以熱傳導(dǎo)和熱輻射的形式出現(xiàn)的。根據(jù)

6、熱的傳導(dǎo)公式Q(T2T1 )S（ 32）異熱系數(shù)， 兩界面距離， S 界面面積， TT 1 是兩界面溫度， Q 熱量和熱的輻射公式EC0(T) 4（ 33）10010-4， T 輻射體的溫度 輻射體的黑率， C0 輻射常數(shù)，它等于 136在低溫情況下， 物體內(nèi)熱量的傳播主要是以熱傳導(dǎo)熱對流為主。在高溫情況下， 則以熱輻射為主。而中間的杯子中，熱量傳播的方式介于二者之中。這個試驗說明， 當物體內(nèi)部分子的熱運動的動能大于分子的勢能時，這時由于分子熱運動就會導(dǎo)致物質(zhì)分子間對流現(xiàn)象的產(chǎn)生。當分子熱運動的動能小于或等于分子間的勢能時，這時分子熱運動就不會導(dǎo)致分子間對流現(xiàn)象的發(fā)生，很顯然，靠近第m 杯附近

7、的塑性面團內(nèi)淀粉顆粒與水分子的勢能要遠大于第1、2、3 等杯子中成稀粥狀淀粉顆粒與水分子之間的勢能。 因此當塑性面團受熱時， 即使在有側(cè)向溫差存在的情況下，也不會有物質(zhì)分子對流現(xiàn)象的產(chǎn)生。第二個試驗如圖 14。（ 1）球 1 與球 2 之間注滿了水，球3 位于球 2 中心處，球2 與球 3 之間是空氣。（2）球 1 與球 2 之間充滿了幾種密度不同的塑性很強的固體介質(zhì)把球1 與球 2 之間分成截然不同的幾部分。假若是在失重的情況下，我們對球3 均勻加熱，受熱均勻的球 2就通過中間物質(zhì)把熱量傳給球 1。在（）（）兩種情況下，我們都不會觀察到球1與球2中間物質(zhì)對流現(xiàn)象的產(chǎn)生。在第種情況下，球2 表

8、面各處溫度均勻。在第種情況下，球1 表面各處溫度稍有差導(dǎo)。圖 14同心球之間熱量的傳遞示意圖上面這一試驗就與我們的地球類似，如果軟流層物質(zhì)是均一的，即導(dǎo)熱系數(shù)是一常數(shù)，那么就不存在側(cè)向溫度差導(dǎo)，因此就不具備產(chǎn)生對流現(xiàn)象的動力來源。顯然這一假說與地質(zhì)資料是矛盾的； 在第二種情況下，我們知道地球內(nèi)部的溫度和壓力都是隨深度的增加而提高6溫度下， 熱量的傳播方式主要是熱輻射，因此盡管軟流層內(nèi)的物質(zhì)存在著導(dǎo)熱系數(shù)不同，但由于所造成的溫差很小，這可從全球地?zé)釡y量資料中得到證實（個別巖漿活動例外）。另外由于軟流層的壓力是如此之大，這時物質(zhì)分子間的勢能也是相當驚人的，因此由側(cè)向溫差效應(yīng)或側(cè)向密度效應(yīng)并不能對物

9、質(zhì)分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，更談不上物質(zhì)分子之間的相互運移了，因此該試驗也說明了在地球內(nèi)部軟流層中并不存在因側(cè)向溫度差異或側(cè)向密度差異而引起的物質(zhì)的對流。 下面是對板塊的擴張 （洋隆、 洋中脊） 和板塊的壓縮 （海溝處板塊的俯沖）的解釋。3 4從全球應(yīng)力場的演化規(guī)律來研究軟流層物質(zhì)的運動前面我們已經(jīng)對全球平面應(yīng)力場演化規(guī)律作了如下解釋。如圖 7。在一個銀河年內(nèi)，依次出現(xiàn)六種類型全球應(yīng)力場，這種平面應(yīng)力場是以地質(zhì)體的密度而進行自然分層的。從圖12 中可見，當?shù)貧ぷ鳛橐粋€層次來處理時，軟流層和B 層就應(yīng)歸屬為另一個層次了。在討論徑向離心慣性力的時候，公式F m（2） RCOS中的m 是地殼中某一質(zhì)點的

10、質(zhì)量，他等于體積與密度的乘積，是地球自轉(zhuǎn)角速度，是角速度的增量，R 是地球半徑，是引力方向與赤道半徑的夾角。式中F 的大小與球半徑和密度的大小成正比。就軟流層而言，其密度比地殼大，比其底層小，其半徑比地殼小，比其底層大。那么在全球應(yīng)力場演化的過程中，軟流層中的應(yīng)力場演化規(guī)律也就同地殼中的應(yīng)力場演化規(guī)律相同，但就某一局部軟流層中的“塊體”而言，作用其上的應(yīng)力大小與其上、 下層中相應(yīng)的地質(zhì)體的應(yīng)力大小相比是不同的，有如下幾種情況；1、上<軟<下2、上<軟>下3、上>軟<下4、上>軟>下其中上、軟、下分別代表作用在上、中、下三層位中相應(yīng)地質(zhì)體上的正應(yīng)力

11、。不管是那一種情況， 我們可以看到， 軟流層中的物質(zhì)都要在應(yīng)力作用發(fā)生緩慢地塑性變形。由于軟流圈不象地殼那樣，分成若干塊體，在某一時間域的限定之下，其空間域或物質(zhì)域均不相同。 軟流層是一個整體， 物質(zhì)域在時間域的限定之下幾乎是相同的，所以在全球應(yīng)力場作用下， 應(yīng)力集中帶就落在了應(yīng)力對稱面的球大園上。在應(yīng)力場作用下， 軟流層中的物質(zhì)其運移方向都指向應(yīng)力集中帶，這樣在該帶上就形成了一個波狀隆起。該帶的隆起就導(dǎo)致了其上的地殼受到了一個垂直向上的力。比如在第A 型應(yīng)力場中，在赤道附近就形成一個凸起的球大圓， 將地球分成南北兩部分，這時南北兩半球上軟流層內(nèi)應(yīng)力的分布是以赤道面作為對稱面的。 隨著應(yīng)力場沿

12、逆時針方向進行旋轉(zhuǎn)，凸起的球大圓也要隨之發(fā)生緩慢的按逆時針方向進行旋轉(zhuǎn)?？梢娬麄€球體上的應(yīng)力分布圖15。從圖 15 可以看出，當全球應(yīng)力場由南北位置轉(zhuǎn)移到北西南東方向時，南北半球上面的應(yīng)力狀態(tài)只有AB 條帶上可近似認為是對稱的，其它均不對稱。 在 AB 條帶左側(cè)， 南半球應(yīng)力大于北半球應(yīng)力， 而且越遠離 AB 條帶，應(yīng)力相差越懸殊。在AB 條帶右側(cè)，情況正好相反；北半球應(yīng)力大于南半球應(yīng)力，而且越遠離 AB 條帶，應(yīng)力相差越懸殊。在南、北半球應(yīng)力出現(xiàn)差異的情況下，軟流層中物質(zhì)的塑性變形也出現(xiàn)分異， 我們可以分析其中的一個條帶， 就可以推知整個軟流層中物質(zhì)運移的規(guī)律。我們?nèi)?AB 條帶右側(cè)的第五個

13、條帶進行分析。如圖16，圖 15軟硫?qū)又械那虼髨A凸起示意圖在第 A 型應(yīng)力場中，在赤道附近形成一個凸起的球大圓，在A 5B 5 條帶上，凸起的中心線位置是 CD ，凸起的北緣是 C1D 1，凸起的南緣是 C D。當全球應(yīng)力場由南北方向轉(zhuǎn)移至北西方向時， 由于北半球上的應(yīng)力大于南半球上的應(yīng)力， 從應(yīng)力的積累和松馳的角度來看，北半球上 A 5B 5 條帶上的應(yīng)力處于積累狀態(tài)，軟流層逐漸由西北向向南東方向運移，在 C1D 1、C2D 2 形成隆起。與此同時，南半球的軟流層物質(zhì)由于應(yīng)力處于松弛態(tài)CD C D處的突起逐漸消失，這樣凸起的中心線位置就由CD 處運移 C D處，調(diào)整后的隆起，使得南半球圖 1

14、6軟硫?qū)又?A 5B 5 條帶的變形分析示意圖上條帶上的應(yīng)力成對稱分布。無疑，這種隆起位置的調(diào)整，越靠近AB帶越不明顯，越遠離AB 帶越明顯。根據(jù)AB 條帶在南北方向和北西南東方向上應(yīng)力大小來分析，可知此時AB 帶上的波峰也隨著方位的調(diào)整而逐漸變小，以至最后消失。如此。 至此我們可以看出， 軟流層中凸起的球大園隆起，態(tài)分布。球大園隆起在一個銀河年內(nèi)，圍繞地球運轉(zhuǎn)A 5B5 條帶是如此，其它條帶也是總是使南北半球上的應(yīng)力呈對稱狀一周，其演化規(guī)律如下圖 17。圖 17不同類型應(yīng)力場軟硫?qū)又械那虼髨A凸起示意圖應(yīng)力場為 A 型時，即圖中的（1）、球大園隆起峰值最大，出現(xiàn)在赤道位置上。當應(yīng)力場進入第 B

15、 型時，即圖中的（2），球大園隆起峰值變小，出現(xiàn)在北東南西方向上。當應(yīng)力場進入第 C 型時，球大園隆起開始逐漸消失，即圖中的（3）。當應(yīng)力場進入第D 型時，球大園隆起已不存在。當應(yīng)力場進入 E 型時，即圖中的（ 5），球大園隆起開始進入萌芽狀態(tài)。當應(yīng)力場進入 F 型時，即圖中的（ 6），球大園起已明顯形成出現(xiàn)在北西南東方向上。球大園隆起的這種位置變遷就像波在水面上傳遞一樣。這一點正是張伯聲教授波浪鑲嵌說的形成機理和動力來源。 當著球大園隆起所形成的垂向力作用到其上的地殼中時， 就會產(chǎn)生多種地質(zhì)效應(yīng)。 這主要決定在時間域限定之下的該區(qū)域的空間域和物質(zhì)域， 即幾何邊界條件，位移邊界條件，應(yīng)力邊界條

16、件，古構(gòu)造條件、古地理環(huán)境，材料組分的物性特征等等。因此，在球大園隆起的部位，有的可形成巖石圈斷裂，導(dǎo)致巖漿活動，造成熱導(dǎo)常區(qū)，有的只形成淺層斷裂；有的形成隆起，遭受風(fēng)化剝蝕，有的形成凹陷，接受沉積成巖；有的形成褶皺， 有的形成斷陷所有這些， 有的能夠保留下構(gòu)造形跡可查，有的沒有沒有保留下構(gòu)造痕跡無法考證。在球大園消失時，也就是全球應(yīng)力場進入第C、D、E 期時，由于應(yīng)力自東向西，或自西而東在不同緯度上其大小不一樣，從而使得各板塊上面的應(yīng)力大小也出現(xiàn)差異，因此在全球范圍內(nèi)可出現(xiàn)大規(guī)模的徑向斷裂或緯向上的轉(zhuǎn)換斷層。此時同樣也可造成軟流層中靠上部的物質(zhì)或 B 層發(fā)生相變，引起巖漿活動，形成海嶺或海溝

17、。與此同時，重力的均衡代償作用在這三期應(yīng)力場中也經(jīng)歷了“產(chǎn)生”、“成長”、“消亡”三個階段。在第D期，重力均衡代償最為明顯，有的地區(qū)逐漸上隆，有的地區(qū)則出現(xiàn)凹陷或斷陷。以上就軟流圈的整體運動進行了概略分析。下面談?wù)勡浟魅Φ木植窟\動。從圖12 可以看出， 由于 B 層的存在， 就使得軟流層與 B 層所組成的層體頂部界面出現(xiàn)凹凸不平。再加上地殼中各板塊的幾何界面條件，應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件不同；各板塊對其頂界面所施加的剪應(yīng)力大小和方向不同， 某些放射性元素的豐度不同而造成的局部熱異常，板塊交接處又有俯沖和仰沖之分等等。這些條件就導(dǎo)致了軟流層上部局部塊段發(fā)生各種不協(xié)調(diào)的形變，從而也導(dǎo)致其上的地殼產(chǎn)生各種地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象