李务伦
再谈地幔对流及其衍生地质现象(13)/李务伦
2021-12-17 10:53
阅读:1451

在之前的文字中,多次谈到地幔对流,而事实上关于地幔对流,因为地球物理学学者,通过地震资料认为软流圈下是固体,对流不可能穿透地幔相变界面,故而学界普遍不承认地幔对流的存在。尽管如此,仍有一部分学者坚持地幔对流的存在,通过一些地震资料,不断地改变算法,试图通过数理理论证实地幔对流的存在。虽有一些成果,从目前公布的成果看,能尽如人意的,学界共同认可的,在能触及资料中还没有看到。尽管如此,笔者就不多的资料和对对流结构的思考,再谈一些看法。同时对俯冲物质、大陆根、被动大陆边缘等在球内性质约束下的形成做分析。

1、地球化学资料

地球化学和陨石研究表明,地球元素组成:Fe(34.6%)、O(29.5%)、Si(15.2%)、Mg(12.7%)、Ni(2.4%)、Ca和Al(2.2%)、S(1.9%)、其它元素(1.5%)。陨石分三类:①铁陨石,占陨石总量的6%,金属含量大于90%,主要由铁镍金属、陨硫铁以及少量的Fe,Ni,Co,Ti,Zr,Cu的硫化物、碳化物、氧化物、磷化物和磷酸盐,以及自然铜、石墨等矿物组成;②-石陨石(石-铁陨石),占陨石总量的2%,金属含量大约50%,由大致等体积的硅酸盐相和铁镍金属相组成;③石陨石,占陨石总量的92%,主要由硅酸矿物组成。根据是否含球粒陨石分为球粒陨石和无球粒陨石两个亚类。球粒陨石84%,无球粒陨石8%。

从这些资料中我们不难发现,硅酸盐占绝对优势,而这些硅酸盐主要由铁、氧、硅、镁组成;另根据目前对地核的认识,铁元素大多因球内性质,早期通过对流和分异居于球心,因此地幔的仍以氧、硅、镁、铁为主。根据克拉贝隆方程,这些主要元素,以不同的相及不同的结构,形成各种矿物,但万变不离其中,或者说地幔物质或上或下不断地改变着组合结构,影响着地幔不同深度物理化学性质;从而造成地幔密度由内而外的降低。这从已有地幔密度成果,地幔密度是基本连续变化的,可以推断上述结论应当存在。

2、重力资料

1为大西洋北部横跨洋脊的重力资料,自由空气异常变化不大,而总体看由洋脊向两侧存在递减趋势;布格异常变化较大,由洋脊向两侧存在递增趋势。

图片1.png

 

1  横跨洋脊的重力资料

2为沟-弧重力资料,自由空气异常从右向左,近海沟处逐渐降低,过海沟则逐渐增大,至岛弧顶部达到最高,而后降低;布格异常从右向左近海沟处,布格异常逐渐降低,进入岛弧后形成一台阶,而后到岛弧最高点达到最低,而后开始增加;均衡异常基本和自由空气异常特点基本相同,在布格异常台阶处存在极大值。

图片2.png

2   -弧重力异常图

3、俯冲带地震资料

3为俯冲带,俯冲带俯冲最大可识辨深度大于1700km,最小可识辩图示标示深度800km,能冲过670km,俯冲形态各异。

图片3.png

3   消减带地震成果及态势

4、对流结构特征

4为稳定圆形热源下,对流结构剖面示意图,这一结构的过程过往文中已做分析,此处仅给出特征。1、受热后的液体,具有上浮强度,上浮强度为E=-E(r)21)/ρ1,(ρ2ρ1,密度为ρ1的物质位于密度为ρ2的物质中);2、每一上浮物上部等压力面上凸,下部下凹;3、每一上浮物的顶部物质富集,压力增大,底部物质减少,形成负压;4、在持续的热作用下形成对称环流;5、近环流边界物质存在亏损。

图片4.png

4  对流结构剖面示意图

之所以存在以上这些特征,受热后的液体密度变小,根据球内性质将上升,连续的上升形成图示的热结构。连续的上升,对前部物质形成正压力,从而物质富余;而上升的后部必引起负压,负压斜上外展,物质亏损。负压造成对上升物质经近水平运动降温回返的牵引,负浮力出现。热结构内部和外侧上下部,等压力面如图中所示。

5、地幔存在对流的论述

自由空气异常通常用来研究地球形状和大地水准面布格异常通常用于研究地球内部物质的分布。在分析图4时,得出上升流的的顶部造成其前部,物质富余,改变了等压力面,使之上凸,在表面上形成最高点,同时并影响周边;等压面与图1中自由空气异常的形态相似,地形与图4的表面相类。同样在图4中上升流的后部形成负压,物质亏损,同时影响周边;等压力面与图1中布格异常相似。由此可见,洋脊基本可以初步断定为热上升流引起而形成的,因此在洋脊的底部应当存在负压。

4中的顶部物质,向周边运移并降温,密度升高从而形成俯冲,而负压外扩上展,对俯冲形成牵引,导致俯的左右物质亏损,同时使得外侧形成壅水,上部的等压力面与图2中的自由空气异常相似。负压使得图4两侧物质亏损的同时,对其相邻物也造成亏损,因此形成图4示的下部等压力面。这时的等压力面与图1中的布格异常相似。由此可见海沟-岛弧重力异常是洋脊底部负压导致的,负浮力的根源也得以解答。

从以上叙述中,基本可以给出,地幔中存在对流。但对流是否可穿透相变界面呢?从图3中的最大可识辨深度大于1700km看,以及主要造岩组成元素看,地幔对流于时下的地球不但存在,而且还是全地幔,如图5所示。

上述分析的对流,是热引起的,热成为了对流的动力源,既然是源,就符合拉普拉斯方程∆u=0,因此上升流中可用流线如图5示的描述。上升流能量耗尽,形成重力源,从而形成重力流。上升流的底部负压,同样是负压源,形成负压流。因而地幔对流具有图5示的流线。笔者将此受热形成的受迫热对流,称为热结构。图4示的热结构称为点源热结构,长条型热源形成的热结构称为线源热结构。热结构间相遇,则根据流线不相交原理,则产生干扰。目前最为有名的转换断层,应是两平行线源热结构流线相互干扰的的结果。至此,转换断层可以说在理论上得到全面的解释。其它热结构可参见网状周期性地球构造动力的合力场强度解释”一文。

图片5.png

5  热运动流线剖面及投影示意图

6、被动大陆边缘及陆根的形成原理

在图3中,消减带俯冲的形态多向外,很少回弯,并不符合前述对流的形态。在全球各大洋均存在洋脊,而在大西洋、印度洋、北冰洋几乎都不存在俯冲带,俯冲带主要集中在太平洋。这一特点在图3中看的十分清楚。为什么出现这种情况呢?下面对这一情况根据球内性质,结合对流解释这一现象。

在大西洋、印度洋、北冰洋俯冲带仅有几个地方存在,更多的是被动的大陆边缘,不存在俯冲。根据图5在大陆的边缘应当存在俯冲,而事实上确没有。这样应当作何解释呢?在以上三洋中三洋的快速扩张,根据球内性质,洋低物质来源于链源热结构的底部,这就造成负压,在满足海底物质的符合球内性的同时,需要从它处调拨物质到其链源热结构的底部,其调拨方式在“对地球动力学问题的认识总结(12)https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3433895&do=blog&id=1315245”中进行了叙述。为专门说明被动大陆边缘的形成,下面再进行讨论。

如图6所示,中部的对流不断地横向扩展,海底面积不断横向扩大,强劲的负压开始从图示的两边调拨物质到中部,由于小密度物的密度低,从而形成对负压的屏蔽,所以要到小密度物没有覆盖的地方调拨物质,随着左右两侧海底物质的被调出,小密度物及其下部三角区域向左右两侧图示的漂移,以满足球内性质,从而中部形成被动的大陆边缘。如果小密度物下长期被热扰动,反复如图6,时左时右,仅是不断地接受下部的辐射热和传导热,其下部各种矿物,在球内性质的作用下,依造密度上小下大的原则不断调整,从而形成相对低温、不同矿物集团层状大陆根;这也就解释了古老地盾为什么存在大陆根的原因。

    图6中间部位对流的扩张,图示的对两侧对流的物质索取,对刚性的海底物质来说,形成了拉力。这一力传递到左右两侧的洋脊,无疑使得洋脊具有了拉张现象。


图片6.png 

 

6  扩张,消减、漂移剖面示意图

7、俯冲形态的形成原因分析

回过头再看图3太平洋周边俯冲形态。太平洋目前有成果显示,有收缩的态势。KER、TON两俯冲带,俯冲可识辨深度1700km;前者出现1300km一平台,而后下部有回弯南太平洋的态势,后者平台不如前者明显,下部也有回弯南太平洋的态势;这种态势,一、应于澳大利亚南部洋中脊有关;二、说明帕比提火山或南太平洋中脊负压强劲。MAR俯冲回弯明显,最大可识辩深度1000km,其原因可能与马里亚纳海沟以西存在存在琉球海沟和菲律宾海沟有关,也可能是中部太平洋对流有关,情况较为复杂,实难下结论。IZU、RYU、HON、KUR、KAM、CAS、FAR、COC、PER、CHI,这些俯冲各自俯冲最大可识辩深度大于1700km,均向大西洋和北冰洋方向俯冲,根据两洋基本全是被动大陆边缘,以及两洋有扩张的成果看,这些俯冲带的外冲符合了图6的原理;CAL、HEL两俯冲以同样的原因俯冲,后者可视辨深度分别为1000km。

但在大西洋中西部ANT俯冲,可识辩深度800km且向太平洋方向俯冲,而COC俯冲方向大西洋。前者反映大西洋扩张强劲,后者说明安提瓜弧以西的加勒比海可能存在强劲的上升流、或安提瓜弧以西太平洋洋脊扩张强劲。SCO俯冲,其方向南太平洋,根据谷歌地球,德雷克海峡以东到该俯冲以西的海域,可以明显的识辨出北东东向的链源洋脊,海峡南侧,存在明显北东东向的消减,因而该俯冲应于链源洋脊扩张有关。

在太平洋北部ALA俯冲,在可视辩的范围内,存在回弯态势,这反映北冰洋在阿拉斯加方向基本没有扩张,太平洋在阿拉斯加方向上没有明显的收缩有关。

在印度洋JAV俯冲,最大可视辨深度1100km,方向向北,而北部的南海,以及加里曼丹以东,东帝汶以北,马鲁古省以西,南他加禄以南所围地区。从谷歌地球上看,黄岩岛以东明显存在消减,即南海至少曾存在扩张,所围地区也有明显扩张的痕迹,JAV北向俯冲也在情理中。SUM俯冲,可视辩深度1000km,虽没有JAV明显北向俯冲态势,但也在中下部及下部存在向南海方向补充物质的情形。IND俯冲,该俯冲存在明显度的回弯,首先反映了印度洋对流的强劲;二一个反映了青藏高原周边,如塔里木盆地、四川盆地、柴达木盆地等,对其的硅铝物的围限作用,这就使得北冰洋方向对南部物质的索取形成了阻碍;三一个强劲的的印度洋对流使得印度次大陆不断俯冲到青藏地体之下,根据球内性质,硅铝物大量富集,挤压下部硅镁物质向周边运移,能满足了北冰洋方向扩张对物质的所求。

通过以上的分析,太平洋整体看存在收缩的势态;印度洋也同样如此;大西洋和北冰洋整体存在扩张。在球内性质的规范下,收缩的大洋冷海底俯冲出现了图3示的状态,扩张的大洋存在被动的大陆边缘,并造成大陆漂移。南极洲周边几乎全是被动的大陆边缘,围绕南极洲洋脊对南极洲形成挤压,在南极洲中部造成内敛,这一内敛被大地测量结果所证实。内敛的原因是围绕南极的海底扩张,负压对南极洲中部下部物质的索取造成。

从上面的分析看,地球这个巨系统,在其演化过程中,球内性质约束着内部的一切物质运动,当热运动扰动着物质运动时,如目前存在的地球于大洋中的网状中脊,强劲的中脊造成扩张,从而造成硅铝物及以下物质的运动,同时造成它处收缩,因而造成全球构造运动具有准同时性。上面的分析并没有涉及自转与地外的作用,根据已有的球内强度方程,强度的叠加改变时时影响着球内的任一质点运动,从而在地质构造中形成各种记录。

8、结语

这文首先通过具体的资料,简单的验证了受迫热对流的全地幔的存在,分析了大陆漂移的形成原理,及被动大陆边缘的形成原理,捎带的解释了大陆根的形成等;而后分析了俯冲在球内性质的约束下的形态。可能这些还不尽人意,请读到的老师,提出你们的质疑和批评意见,使我能得到改正错误的机会!在此首先表示感谢!

转载本文请联系原作者获取授权,同时请注明本文来自李务伦科学网博客。

链接地址:https://wap.sciencenet.cn/blog-3433895-1316963.html?mobile=1

收藏

分享到:

当前推荐数:1
推荐人:
推荐到博客首页
网友评论1 条评论
确定删除指定的回复吗?
确定删除本博文吗?