自由主题
基本理论概念
低速层
所谓低速是指地震横波速度
低速层为滑脱层,易剪切层
Vs=√μ/ρ,μ是剪切模量,ρ是密度
密度向深处稳定增加,不足以形成突然的低速带
剪切模量:大,难剪切,刚性强;小,易剪切,刚性弱。
材料抵抗切应变的能力
G=E/(2(1+μ))
剪切模量G、弹性模量E、泊松比μ
单位为帕 Pa
物质变得易剪切时,Vs就变小了
固相波速比液相大
低速带的物质为剪切非常容易发生的地带
剪切粘度非常小,剪切运动过程中,分子之间几乎没有相互牵引的内摩擦力
液体剪切模量为0,因此横波无法穿越
低速层剪切粘度小,比软流圈都小好几个量级
剪切粘度,又称动力粘度
η=(F/A)/(du/dr),η,剪切粘度,F/A剪切应力,(du/dr)速度梯度(剪切速率)
液体受到外力作用时,分子之间产生的内摩擦力的量度
抵抗流体运动的阻力
粘度为单位速度梯度下流体所受的剪应力
单位为帕*秒 Pa*s
粘度也为剪应力与角变形率之间的比值关系
速度梯度表示流体运动中的角变形率
将流动着的液体看作许多相互平行移动的液层, 各层速度不同,形成速度梯度(dv/dx)
这是流体运动的基本特征
流体的两个基本参数
由于速度梯度的存在,流动较慢的液层阻滞较快液层的流动,因此.液体产生运动阻力.为使液层维持一定的速度梯度运动,必须对液层施加一个与阻力相反的反向力.在单位液层面积上施加的这种力,称为切应力τ(N/m2)
切变速率(D) D=d v /d x (S-1)
对于易剪切的层,受力可以很小,但速度梯度却变大,因此剪切粘度就会变小
在深度-温度线与地幔固液分隔线的叠加图上,软流圈上部和软流圈中部的温度线正好位于固相线右侧液相线区域。这一小片就是液态,也就拥有一个非常低的剪切粘度。
1300°是岩石圈底部,软流圈顶部的温度
这个温度,这个位置,正好地幔固液线与深度温度线相交
从这个位置开始,软流圈开始部分熔融转化为液态,直到地幔固液线与深度温度线再次相交并在随后分离
这个位置的熔融,从矿物学上可以用二辉橄榄岩反应生成*矿物期间释放大量的水,极大的降低了软流圈的粘度,来解释
运动粘度:流体的动力粘度η与同温度下该流体密度ρ之比,η/ρ
低速层热量高
易剪切,导致能流动,摩擦生热,产生热量高(过剩热,与地温梯度无关)
软流圈低速层的形成在矿物学上是因为二辉橄榄岩反应生成*矿物期间释放大量的水,极大的降低了软流圈的粘度的结果。
同时也与地幔固液线与温度-深度(压力)线重叠区域显示的一致。
低速带区域就是一个绝热区域,因此热量能聚集到吃惊的程度
低速层、地幔(上、下)、软流圈之间的关系?
低速带位于地幔和岩石圈之间的软流圈顶部附近(不是顶部),是岩石圈与地幔的界线,也是板块运动的界面
低速层的物理特征
低速层的平均深度?
110km
岩石圈底界:100km
软流圈底界:325km
地幔流底界:670km,其下地幔不再流动
核幔边界:2890km
低速层的横波速度
岩石圈4.4-4.6km/s
低速带(软流圈上部)4.2-4.4km/s
下软流圈4.4-4.8km/s
固体潮汐力
潮汐力虽小,横向运动150mm/12小时,上下运动0.1mm/12小时。
一年时间,累积效应为几cm/yr。
热点(火山岛链)
非固定热点(板块边界随时都在相对地幔和各自运动)
洋中脊附近热点
称为湿点,源自富水软流圈
俯冲带热点
固定热点(相对地幔不动)
板内热点(夏威夷热点)
火山岛链向东移动(变新)
地幔(软流圈向东流动),地壳相对向西流动,热点在地幔内固定(浅源)
热源可能为低速带上的剪切热(过剩热)
热点拐弯
夏威夷热点47ma距今的直线分布为洋中脊沿直线扩张的结果
47ma之前是扩张和沿大洋中脊滑动的联合作用形成斜线分布
热点是浅源的还是深源的?
地核-地幔边界(传统观点)
根据地表观察计算出来的旋转仅有0.2~0.4°/Ma
应该记录岩石圈和地幔的全部剪切
由此计算出的岩石圈西漂运动速度100mm/yr;与观测不符(上升距离变长,遭受剪切的路程变长)
观测结果可通过两个热点年龄差(同位素测年获得)与距离差获得
角速度?也与观察的不一致
低速带
计算出来的旋转>1°/Ma
这种运动学模式能够更好地解释全球版块的不对称现象
并不揭露在岩石圈和软流圈之间的全部剪切
由此计算的岩石圈西漂速度200mm/yr;与观测相符(上升距离仅为低速带到地表的距离,遭受剪切的路程相应变短)
由于西漂速度(计算和观测)相对于传统观点增大,也有助与解释热量来源(存在过剩热):更快的反拖曳速度意味着更强的剪切,更多的热量;同时源区也能够解释,未亏损的富流体低剪切粘度软流圈
角速度?与观察吻合
构造赤道
定义:通过岩石圈板块平均运动速度较快的区域的一条线
构造赤道与地理赤道的夹角为28°-30°
根据洋中脊扩张判断的运动轨迹
过去100ma的运动轨迹
根据 GPS数据判断出的运动轨迹
当今的运动轨迹
GPS测定的运动速度是以什么为参考系的?
太平洋热点(夏威夷)轨迹向东变新
说明岩石圈相对地幔向西移动
构造赤道反映的岩石圈相对软流圈的运动方向是通过全球的热点计算出来的
构造赤道至少从三叠纪以来都没有发生变化
包括其上的板块运动方向及下伏地幔流动方向
构造赤道构成的是网状旋转,速度4-13cm/yr
岩石圈向西,地幔向东,都是相对方向
板块运动
驱动力
板块之下软流圈的运动
板块运动方向受粘度控制
板块都是相对地幔向西走
实际是,低速带向东流动,带动板块向东走,板块速度慢,因此板块是相对地幔向西走
讨论地球上的任何运动都必须指定参照物
粘度西低东高,两板块分离拉伸。
粘度西高东低,两板块碰撞
各种速率的计算
板块俯冲速率
设,上覆岩石圈板块内陆某点运动速度为零,Vu=0
研究洋壳的作用
相对于上覆板块内陆某点(+表示远离,-表示靠近)
海沟楔顶运动速度为Vh,比如说西侧,Vh=20mm/yr;东侧,Vh=-60mm/yr
根据相对运动的原则,更加严格的表述是:增生楔运动速度H=u+h
下伏大洋板块运动速度为Vl,比如说西侧,Vl=-80mm/yr;东侧,Vl=-80mm/yr
根据相对运动的原则,更加严格的表述是:大洋板块运动速度L=u+l
大洋板块俯冲速度为Vs,不考虑方向,,比如说西侧,Vs=100mm/yr;东侧,Vs=20mm/yr
根据相对运动的原则,更加严格的表述是:板块俯冲速度S=H-L
目前以Tonga Trench(西侧)的俯冲速度Vs最快,达240mm/yr,增生楔运动速度Vh达160mm/yr,大洋板块运动速度Vl则较正常,为-80mm/yr
表明Tonga Trench的增生楔生长和扩张都很快,是太平洋消亡的前锋
Vs=Vh-Vl
洋中脊扩张速率
设,大洋板块A、洋中脊C、大洋板块B,均相对地幔向西移动
相对于地幔
大洋板块A运动速度为VA
洋中脊扩张速度为Vc
大洋板块B运动速度为VB
Vc=(VA-VB)/2
洋中脊移动速率
设,大洋板块A、洋中脊C、大洋板块B,均相对地幔向西移动
相对于地幔
大洋板块A运动速度为VA
洋中脊运动速度为VC
大洋板块B运动速度为VB
VC=(VA+VB)/2
汇聚缩短比C/S
设,上覆板块内陆某点速度为零,Vu=0
C,下伏板块运动速度,称为汇聚速度Vl
S,海沟楔顶的缩短速度
设,上覆岩石圈板块内陆某点运动速度为零,Vu=0
研究洋壳的作用
相对于上覆板块内陆某点(+表示远离,-表示靠近)
东侧,增生楔运动方向为靠近内陆(-),因此 S=Vh
西侧,增生楔运动方向为远离内陆(+),因此 S=Vh-Vl
意义:两个板块的汇聚过程中,俯冲和缩短的占比。
C/S>1,俯冲速度小于缩短速度
C/S>1为东侧俯冲带,表明汇聚速率对俯冲和缩短都有贡献
汇聚的能量主要用于缩短,缩短量大
根据提供的实例,俯冲带C/S为1.75,碰撞带C/S为1.3,俯冲带的缩短比碰撞大多了
C/S<1,俯冲速度大于缩短速度
C/S<1为西侧俯冲带,表明汇聚速率加速了增生楔与内陆的扩张,抑制了缩短
汇聚的能量主要用于俯冲,缩短量小
C/S比越高,说明岩石圈粘度越大
库爱特流(Couette flow)
粘性流体在两相对运动平行平板之间的层流流动
层流流体的温度有理论解
两板之间的距离为H,顶板的速度为U,温度为T1,底部的平板保持静止温度保持为T0
最大温度emax=Pr*E/8,在流体中间层产生
Ec=u2/CpΔt,埃克特数(Eckert number)
Cp为流体的定压比热
在压强不变的情况下,单位质量的某种物质温度升高1K所需吸收的热量,叫做该种物质的“定压比热容”,用符号Cp表示,国际制单位是:J/(kg·K)
普朗特数(Prandtl Number)
普朗特数Pr为运动粘度μ与热扩散系数α之比Pr=μ/α
此最大温度与低温梯度无关,是流体运动自生的热量,因此成为过剩热
过剩热能造成部分熔融强度增加,粘度进一步降低?
地质观察
俯冲带上我们可以测量什么?
抬升高度
西侧地形低,造山区域体积中枢线50km2
地形沉降,在深长海沟(海渊),沉积补偿,此外还伴随弧后盆地,海拔低
东侧地形高,造山区域体积中枢线475km2
构造隆起,形成地理高地
抬升速率
汇聚缩短比C/S
东侧大于1
重缩短,隆升大
设俯冲洋壳运动速度为0,即Vl=0
为了研究陆壳对俯冲的作用
相对于俯冲洋壳上某点(靠近速度方向为负)
增生楔运动速度Vh=-20mm/yr
上覆陆壳陆内某点运动速度Vu=-80mm/yr
增生楔后有巨量隆升,因此陆壳运动速度远大于增生楔运动速
陆壳的运动会有一部分分量用于隆升,剩余的才会推动增生楔运动
俯冲速度为Vs=-Vh=20mm/yr
由于Vu>Vh,因此上覆陆壳对俯冲是有施加作用的
东侧增生楔相对向洋运动速度小
以缩短隆升为主
东侧大陆岩石圈的隆升会导致地幔下移
就像大冰山要比小冰山高一样,隆升导致地幔下沉的同时,本身也能获得高地形
根据右侧“板块俯冲速率”的公式,东侧洋壳俯冲速度慢,约20mm/yr
西侧小于1
重俯冲,隆升小
设俯冲洋壳运动速度为0,即Vl=0
为了研究陆壳对俯冲的作用
相对于俯冲洋壳上某点(靠近速度方向为负)
增生楔运动速度Vh=-100mm/yr
上覆陆壳陆内某点运动速度Vu=-80mm/yr
陆壳运动速度赶不上增生楔是因为增生楔后有弧后扩张
增生楔的运动主要受到弧后扩张的推动,速度会超过后方推挤的陆壳
俯冲速度为Vs=-Vh=20mm/yr
由于Vu<Vh,因此上覆陆壳运动对俯冲是没有参与的
西侧增生楔相对洋运动速度大
以横向扩张生长为主
根据右侧“板块俯冲速率”的公式,西侧洋壳俯冲速度慢,约100mm/yr
抬升机制
东侧(可以证明,先取大陆岩石圈为参照物,再取地幔为参照物)
一般情况下,相对大陆岩石圈(设陆内某点速度为0),都有Vl>Vh且同向
只要满足Vh>0
无论地幔以任何速度向东流动(大陆岩石圈总是相对地幔向西运动),相对地幔看来(设地幔速度为0),都有Vs>Vl
也就是说,从地幔看来,俯冲到大陆岩石圈之下的洋壳板块总是推挤着未俯冲洋壳板片向西运动
从俯冲洋壳角度看,地幔物质在自己下方向东流动,向上的浮力托举着自己,因此东侧俯冲大洋岩石圈角度较小
东侧大洋岩石圈内部受力为拉伸
西侧(也可以证明,先取大陆岩石圈为参照物,再取地幔为参照物)
未出露大洋岩石圈相对地幔运动速度比已俯冲的要大
因此,在西侧,大洋岩石圈的俯冲也是受到来自东部未俯冲大洋岩石圈的向西推挤形成的
下推过程中,会受到相对静止的地幔的阻挡,因此角度变陡
角度变陡,从俯冲的大洋岩石圈来看,会对向东流动的地幔物质形成阻挡,因此会在其西侧大陆岩石圈之间的楔状角形成一个拐角流,软流圈上涌,导致大陆岩石圈产生粘度不一致的布丁化作用,拉伸而形成弧后盆地。
西侧大洋岩石圈内部受力为挤压
西侧俯冲的洋壳物质更多会挤压地幔,同时在洋中脊和东侧由于物质减少会形成负压,导致西侧的地幔向东部转移,补充缺失的物质
这种补充会在洋中脊发生,也会在洋中脊西侧的大洋岩石圈底部冷却增生,导致西侧大洋岩石圈比东侧要厚
下沉速率
西侧俯冲带由于俯冲板片的高角度下沉,并向后退(相对西侧大陆)
其上靠陆部分沉降快,远离部分沉降慢
综合作用,会出现俯冲带向海不断迁移的现象
岩石的PTt信息
洋壳汇聚速度
滑脱面深度
滑脱面所处位置越深,挤压楔体越厚
隆起斜坡坡角(靠海一侧)
增生楔坡角(靠海侧)α
西侧小,约1.89
东侧大,约4.8
增生楔底部俯冲角β
西侧大,约6.1
东侧小,约2.61
增生楔角=α+β
西侧>东侧
滑脱面下单斜层倾角
俯冲增生楔迁移信息
上&下板块厚度
热状态
重力异常
西侧重力异常数值(无论正负)大
西侧的负重力异常与地形上低点(海沟)并不吻合
东侧重力异常数值(无论正负)小
板片地震(深度、倾角、应力方向)
地震深度
西侧有较多深源地震
东侧几乎没有深源地震
俯冲板片深度
西侧深,最大深度达500-700km
东侧浅,最大深度300km,且常见断离板片,坠落深度约600km
俯冲板片倾角
西侧小,27°
东侧大,65°
弧后扩张?
俯冲速率
折扣
数量
批发
价格区分
捆绑销售
灵活度
Place 地点
分销渠道
仓储
库存
运输
订单
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广告
策略
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促销
直销
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