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地心应力高估了4倍? - 2020造山带岩浆岩高级研讨会

已有 3813 次阅读 2020-9-27 11:10 |系统分类:科研笔记| 地球动力学, 地核, 应力场, 地幔, 地壳

      2020造山带岩浆岩高级研讨会会议上,我报告了地球内部的周向应力观点,认为目前地心应力估计过高,为360GPa,实际可能低于94GPa,高估了4倍!


      会议由南京大学主持(2020年9月26-27日),在南京仙林校区国际交流中心召开的学术会议上,我做了大会报告,提出了岩石圈的球壳效应,导致水平挤压应力大于垂直应力。在会上,从理论推导、模拟实验和实际野外观察综合分析后阐明了周向应力的观点。同时,还用浅显的背斜构造、石拱桥受力来阐述了岩石圈的球壳效应。如下图所示


图1 周向应力的作用方式

      提出了周向应力会在岩石圈薄弱处释放,如拱桥垮塌一样。这是静力学问题,因局部出现了失衡,地壳相对运动就产生了,核心是“局部事件”。最后,落到实处,认为汶川地震并不是印度板块的推挤造成的,而是地壳均衡作用,产生了青藏高原与四川盆地的差异升降作用,青藏高原高地形强烈剥蚀,欠均衡而抬升,4mm/yr;川西坳陷山前带沉积,轻微下沉1mm/yr,二者一升一降,导致了龙门山断裂带下的岩石圈破损,周向应力(压应力)释放所致,如下图所示为该地区的地形、地质剖面图,及地壳垂直运动平均数据。


图2 汶川地震同震破裂强度及地壳垂直位移

      从上图的汶川地震的同震破裂可以看出,很多构造现象,天然地震,先存断裂等并不是大规模的“构造运动事件”-如印度板块碰撞欧亚板块 - 所致,而是一个局部构造调整现象,或局部构造现象,如汶川地震、庐山地震、唐山地震等,其破裂强度最大为震中,向外距离越远,破裂程度越低。任何力学物理实验都能证明,应力作用点处破裂最强,远离作用点处弱(此处无法反驳,除非中华传统武术中的隔山打牛功夫)。如下图所示,此图来自于本次会议所拍:


图3 推挤及破裂过程-作用点处破裂最大(吉林大学,周健波

      同样,提出了郯庐断裂并不是一个完整的断裂带而延伸几千公里。这种先存断裂,从高精度三维地震勘探所解译的构造图中看出,郯庐断裂在渤东、渤南并不明显和连续;所“指认”的郯庐断裂在南东向剖面上只是一条很小的断裂,如下图顶部剖面图中部所示,剖面左面的多条大的、通天穿基底的断裂发育,它们若不是区域性断裂,那它们的“脸”往哪儿搁?这些大断裂方向却不完全是郯庐断裂的北东向,而东西向,北西向等,很多方向均存在,均为“毛毛虫”断裂,即无头,无尾,还是弯曲的,反映是一个局部事件所引起的破裂构造,更谈不上太平洋板块俯冲了。如下图所示,为郯庐断裂在渤中、渤东及渤南凹陷的高精度三维地震勘探构造图中的表现


图4 郯庐断裂的存在性分析

      还有很多例子,无一例外的是这样的表现。如下图,为塔中发育了走滑断裂。再强调一遍,很多盆地的构造图也是这样,无一例外!


图5 塔里木盆地塔中地区某层反射层构造图

      由于在以前的博文中已详细阐述了周向应力的思路,在这里暂且不多表了。

      这里想强调一下本博文最重要的点是,现在地幔岩等其各种深部温、压条件的推测,是基于直角坐标系下的线性叠加分析或垂向积分而得到的。下图是被作为经典的地球内部应力随深度变化的曲线,地心应力为360GPa


图6 地球内部应力随深度变化的曲线

      大致是这样一个计算,如1km水深是10Mpa,地球平均密度为5.8g/cm3,按半径6370km计算,得到的地心应力为6370km*5.7g/cm3 *10≈360GPa。

      事实上,分析其错误,如下图所示。(a)为直角坐标系,从地表到地心,按平铺,地心的受到的应力为上覆岩层的重力应力之和(考虑了加速度的变化),垂向应力和水平应力老死不相往来,最后得到最底部地心的应力为上覆各层的叠加,为360GPa,而右侧(b)则使用了球坐标系,得到地心所受的应力不是上覆所有物体的重量之和产生的应力。按钱伟长教授的计算,大约为94GPa。二者相比,目前的认识,比94GPa高了足足4倍!

      钱伟长教授的理论地球模型虽未考虑流变性,但地核是固态,地层之间具有剪切约束,符合类似于拱桥的侧向支撑的原则,但钱先生未提到这种侧向支撑效应。94GPa和360GPa的偏差,其实就是一种周向应力的侧向向支撑效应,很多重量被侧向(水平”方向、或环向)所支撑,使其向下的压力/应力减小。


(a) 直角坐标系                         (b)球坐标系


(c)

图7 地球内部受力分析示意图

      图(c)表达了传统认识地心的压力, 将地壳、地幔、地核当成平板,一层一层叠起来,任一点的应力等于上覆地层压应力之和。其中,地壳+地幔为146GPa;地核205GPa,合计为351GPa,近似为360GPa 。  

      下图为钱先生著作的原文(P336):



图8 地心应力的理论计算结果(钱伟长,19956)

      式(11-45) 中的结果9.4*1011g/cms2即是94GPa。加拿加嵇教授说其推导可能有错,但我不信。若考虑流变性,实际地心应力应比这个还小得多,甚至为0GPa。

      据此,我们的核幔边界、壳幔边界处的应力也该随之做修改,这是难以避免的。

      参加此次会议的有多位院士,专家,如郑永飞、许志琴院士、周院士、地科院王涛教授、中国地质大学郑建平教授等。下面是会场情况:


图9 会场大屏


图10 南京大学杰出青年王孝磊主持会议(岩石地球化学委员会新任主席)


图11 郑永飞教授作报告


图12 地科院地质所王涛教授做报告


图13 东北大学刘博教授做报告


图14 郑建平教授主持会议


图15 吉林大学周健波作报告


图16 我的汇报现场


图17 汇报近景


图18 会议部分日程


图19 广州地化所刘涛教授做报告



在此感谢南京大学曾罡教授,将我的汇报安排得如此靠前。


2020年9月27日于南京南-北京南的复兴号高铁上。


补充:

      在此还感谢原成都理大学的陈津民教授,他于1993年计算了理论地球模型下的地应力物征。经与陈津民先生交流,他认为钱伟长教授的计算结果可能有问题。他用了他1993年的文章中的地球的应力,经向位移公式:

w=Ar十B/r2十(1十u)(1-2u)fr2/4(1-u)E

      其中f为体积力,u为波松比,当时是讨论地壳应力,所以体积力f为常量,密吝2.84克/cm3,重力加建度9.8m/S2。現在讨论内部应力,最简单的办法体力仍为常数,密度5.8克/cm3,重力加速度度7.3m/S2,外压力和钱一样为零,地心外压力为有限值,今B=0,因为钱体力有r.所以我们的位移解比钱(r)低一次。得经向应力Tr=EA/(1-2u)十fr/2(1-u),r=6370Km,Tr-=0,得EA/(1-2u)=fb/2(1-u),得Tr=-fb/2(1-u)十fr/2(1-u),地心压力Tr=fb/2(1-u),若波松比取0.3~0.5,则地心压力为(193~270)GPa。


并认为钱伟长有一些错误:

      钱伟长还有一个错误,(3-n)/(1-n)近似等于3~4,其中n为波松比,只有n=0,才能得3,所以94GPa是泊松比为零得到的,显然松比不能为零。如果n=0.33,(3-n)/(1-n)=4,94GPa将变成125GPa。

      再加上我们重力加速度均值7.3m/S2,而钱伟长的重力加速度均值只4.9m/s2,如果钱把均值提高到7.3m/S2,地心压力就捉高到187GPa


      (我对陈先生计算的批注:沉积盆地平均泊松比为0.25,所以,陈先生取大了些,一般认为深部泊松比可以低至0.2,若取0.2,则实际为164GPa。也就是说,无论取什么参数,这种球壳效应是存在的。

      关于泊松比,这里查到内核泊松比为0.44,剪切波速度为3km/s-Belonoshko,2007;地壳为0.2,地幔为0.27-Sheorey,1994)


参考文献

[1]钱伟长,叶开沅. 弹性力学,科学出版社,1956, pp336.

[2]陈津民. 地球的应力:球壳型重力应力的理论公式[J]. 成都地质学院学报, 1993, 20(1):109-117.

[3]Belonoshko A B,Skorodumova N V,Davis S et al. Science,2007,316:1603

[4]Sheorey P R . A Theory for in-Situ Stresses in Isotropic and Transversely Isotropic Rock[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining ences & Geomechanics Abstracts, 1994, 31(1):23-34.




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