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地球科学原理之11 地幔浮力面理论

已有 4747 次阅读 2009-3-16 17:57 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记| 地球科学, 浮力, 地幔, 均衡调整, 重力均衡

 
 

广东海洋大学

廖永岩

(电子信箱:rock6783@126.com

 

    为了说明冰川的形成和消融为什么会造成地球的均衡调整,我们先来做一个木块浸水小实验。将一些不同形状、大小及比重的木块,放入一盆水中(见图1)。因为木块的比重比水小,木块将浮在水中。根据阿基米德原理(浮力定理),由于水对浸入水中部分的木块产生的浮力与木块的重量相等,不管木块的体积大小(只要不大于盆的水体),不管木块的比重大小(只要小于水的比重),不管木块的形状,也不管木块位于盆中水的什么高度,只要没有外力作用,最后,木块都会因为浮力作用,而停留在水面上。我们将这时的盆内水面,叫做“浮力面”(见图1a, e)。

1. 木块浸水平衡实验.  A,大比重木块;B,普通比重木块;C,小比重木块;D,木块;E,加在上面的小木块;F,加在下面的小木块.

    不管木块是什么形状和大小,比重较大时,木块浸入水中的部分较多,比重较小时,木块浸入水中的部分较少(见图1a)

    不管是什么形状、大小及比重的木块,若在水面下木块上增加一小块木块(浸入水中)(见图1f),由于增加的浮力大于增加的重力,则整个木块要相对“浮力面”上升,后又在“浮力面”处重新形成平衡(见图1g);若我们在水面上木块上增加一小块木块(见图1c),由于浮力不变,而重力增加,木块将要相对“浮力面”下降,后又在“浮力面”处重新形成平衡(见图1d)。我们将这种“浮力面”两侧的浮力和重力改变后又重新形成平衡的现象,叫做“浮力面平衡”(见图1)。

地球从外到内由地核、地幔和岩石圈构成(见图2)。海洋岩石圈外是水和大气,大陆岩石圈外是大气。地幔部分可当成一种流体(见图2BCD)。若把岩石圈看成是由很多个小块(岩石壳小块,将级成岩石圈的一部分称为岩石壳)组成,每个岩石壳小块都浮在比重较大的地幔流体上。不管岩石壳小块原来位于什么高度(距地心的距离),由于岩石壳小块的重力(包括岩石圈上的水和大气的重力)和地幔对浸入地幔中岩石壳部分产生的浮力相等,岩石壳小块和地幔最后会在上面的木块浸水实验中的“浮力面”处达到一种流体静力学平衡。我们将这个地幔和岩石壳形成的“浮力面”称作“地幔浮力面”(图2F)。“地幔浮力面”是一个想象平面。因为,在实际的地球中,地幔外全部被岩石圈包围,是看不到这个“地幔浮力面”的。

    假设不考虑月球及其它星球对地球的影响及自转因素的话,地球的“地幔浮力面”是一个圆球面。若考虑到地球的自转,过两极作一个切面,地球的“地幔浮力面”是以赤道为长轴,两极为短轴的椭圆。所以,“地幔浮力面”和“大地水准面”的形状相似,只是比“大地水准面”稍小,且位于地壳下方。

    假设没有外力的影响,地幔处于流体静力学平衡状态。不管是大陆岩石壳或海洋岩石壳,岩石圈、水和大气的重量和地幔对其的浮力相等,都在“地幔浮力面”处保持平衡。根据上面的木块浮力实验可知:若在“地幔浮力面”下加一岩石壳(比地幔比重小)物质,整个岩石壳将上升;后又在“地幔浮力面”处重新形成平衡;若在“地幔浮力面”上加一岩石壳物质,岩石壳将下降,后又在“地幔浮力面”处重新形成平衡。我们将这种“地幔浮力面”两侧的浮力和重力改变后又重新形成平衡叫做“地幔浮力面平衡”。 

 

2. 地球的内部结构.  A,岩石圈;B,软流圈;C,部分上地幔;D,下地幔;E,地核;F,地幔浮力面.

根据“地幔浮力面平衡”原理,若某一处的岩石壳“地幔浮力面”下生出了多余的“根”,那它必须相对于“地幔浮力面”上升,也就是它必须长出相应的“枝”来。反过来,或某一岩石壳在地上长出了一定重量的多余 “枝”,由于它的重量增加,那它必须相对“地幔浮力面”下降,也就是说,它必须相应地长出“根”来。

    从以上我们知道了冰川的形成和消融能造成地球均衡调整,那么,冰川形成为什么会有造海作用?什么叫做诱发地震?且听下回分解。

未完,待续。

下回预告地球科学原理之12  诱发地震及冰川形成时的造海作用

 

(注:本“地球科学原理”系列,是根据廖永岩著,海洋出版社(20075月)出版的《地球科学原理》一书改编而来,转载者请署明出处,请不要用于商业用途

 

 

 

 






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