3岩石圈

（1）Pratt 的均衡作用 地壳的密度发生变化，上地幔不变。
（2）Airy均衡作用 当在岩石圈上加载或减载时，则发生重力均衡升降。假定 均衡面（软流圈顶面）之上的岩石圈是由一系列的上浮柱体 所构成，在这些柱体上加载所造成的均衡过程称为局部均衡 或Airy均衡。
沉积物重力负载的均衡沉降
岩石圈可看作是浮于软流圈之上的板 块刚体，其底面可看作重力均衡面。假定 均衡面（软流圈顶面）之上的岩石圈是由 一系列的上浮柱体所构成，当盆地水体被 沉积物充填时，则发生Airy均衡沉降。 设盆地原有的（构造）沉降为 Y（水 载盆地）盆地被沉积物充填时，按浮力原 理可得: • 总沉降（S）与盆地的构造沉降的关系
挠曲均衡沉降则为:
W = C * Es
其中，
C= W = W
m c m c +
D 2 4 ( ) g
ETe D= 12(1 v 2 )
3
总沉降与构造沉降的关系:
S = Y (1 + C
s w ) m s
当C=1，则有：
s w m w S = Y (1 + C ) =Y m s m s
板 块 构 造
Plume Tectonics(Shigenori Maruyama,1994)
2. 应变
应力: 物质的附加内力-使物体内质点发生位 置变化的内力改变量。
应变：固体在应力作用下的形变。
外力：分为面力和体力，面力是作用于物质的 表面，取决于表面积和表面方向；体力，物质 内的质点都受到的外力作用，与重力，体积， 密度有关。
•
岩石圈的内部，热传导是最重要的；
• 岩石圈以下的地球深部对流作用可能极为重要； • 在盆地内热传导和对流可能都起着重要作用，断裂、节 理超压带等是促进对流的主要因素。
热异常
岩石圈的密度与温度的关系：
地壳
cr = c (1 Tcr )
上地幔
ma = m (1 Tma )
Y
S
Es
m s Y =S m w
Es
• 均衡沉降与总沉降的关系:
m s Es = S (1 ) m w
• 均衡沉降与构造沉降的关系:
Y
S
Es
s w Es = Y ( ) m s
Es
s w Es = Y m s
分别取上地幔、沉积物和 水的比重ρm、ρs、ρw为3.3、 2.6和1.0，则 Es=-2.3Y， 沉积物均衡后的总沉 降是构造沉降的2.3倍。
• 地壳或岩石圈的上部具有弹性性质，地震波的 传播证实了这一点，许多岩石变形理论都是从地壳 的弹性力学出发的。
塑性变形：外力消除后，保留了部分变形。 地壳又具有塑性变形的性质，弹塑性材料，高温高 压、外力作用时间长，塑性，蠕动，韧性变形。 脆性变形（断裂）：地表浅层，高强度外力作用， 岩石又表现出脆性性质。
软流圈
地壳
地幔
地核
宋晓东发现地核转速比地幔快
• 地壳可分为上地壳和下地壳。上地壳为花岗质的 （密度为2.7-2.5)，而下地壳为玄武质的（密度为 2.8-3.1) 。上、下地壳是一流变带（20-25km），震 源带。 • 地壳（平均密度为2.9)与上地幔（密度为3.4-3.35) 之间Moho面分隔（由Moho 于1909年发现）。 • 软流圈（密度为3.3)的顶面为等温面（1330C），重 力均衡面。 岩石圈是一相对刚性的连续的板块，“漂浮”在软流 圈上。
引起均衡作用的地质因素：
a. 岩石圈厚度加大或变薄； b. 水、沉积物、地质体等的加载或去载；
c. 岩石圈内各层圈的密度发生变化（热、相变等）
4. 热效应
（1）岩石圈中热的输导方式
热作用控制着岩石的流变性质，对岩石圈作用起重要控 制。 热在岩石圈中传递可通过以下三种方式实现： a. 热传导（公式：） b.热对流 c. 辐射（电磁）
挠曲刚度
ETe D= 2 12(1 v )
3
Te为有效弹性厚度；E为杨氏模量，V为柏 松比。
弹性应变：遵循虎克定律，应力与应变成正比， D(应力)= E . e(应变), E为杨氏模量； 泊松效应：纵、横向应变的比值的绝对值是常数。 V=el(纵)/eb(横)
（3）. 挠曲均衡：由于地壳、尤其是上地壳是具有弹性的，
其中，ρc和ρm 分别 表示地壳和上地幔 O℃时的密度，α为 热膨胀系数。Tcr和 Tma分别为地壳和 上地幔的平均温度。
cr = c (1 Tcr )
ma = m (1 Tma )
（2）热隆和热衰 减沉降
热作用可改造岩石 圈的密度结构，从而破 坏原来的均衡，出现再 均衡而引起隆起或沉降。
即有一定的挠曲刚度。因此，岩石圈的均衡事实上是挠曲均衡 （Watts，1988）。
d 4w d 2w D 4 + p 2 + Dgw = Q( x) dx dx
其中，W为挠曲均衡的垂向沉降量；g为重力加速度，Q为 负载。
w
沉积物重力均衡沉降机制
当水平应力为零时，假定负载为周期负载时，挠曲均衡造 成的沉降可表达为: d 4w x D 4 + ( m c ) gw = c gh0 sin 2 dx
若沉积物负载服从Sin函数分布，局部均衡（W∞ ）与挠曲 均衡（W）的比值为:
C= W = W
2百度文库
m c m c +
D 2 4 ( ) g
上式中
称为波数，λ＝２倍的盆地宽度。若盆地很宽
或有效弹性厚度很小时，即ｃ趋近于１，为局部均衡。 若已知岩石圈的有限弹性厚度，沉积物挠曲均衡沉积可由 下列的简单算式得出： W= C W∞
形变：分为线应变和剪切应变。 线应变又称为垂直应变，它改变固体单元的体积； 剪切应变改变的是固体单元的形状，包括纯剪切和简 单剪切。
(a)纯剪切应变
(b)简单剪切应变
弹性应变：外力消除后恢复原状，遵循虎克定律， 应力与应变成正比， D(应力)= E . e(应变), E为杨氏模量；
泊松效应：纵、横向应变的比值的绝对值是常数。 V=el(纵)/eb(横)
岩石圈变形特点
地壳： 上地壳（20-25km）：脆性断裂，弹塑性变形，弹性 变形。断裂、褶皱。 流变带、地震震源、断裂终止带； 下地壳（25-31.2km），韧性变形带。 上地幔：塑性韧性，蠕动变形，一般不断裂，有些深 断裂可能达到50km。 软流圈：125km, 流动
3. 重力均衡作用
岩石圈可看作是浮于软流圈之上的板块刚体，其底面可 看作为重力均衡面。
岩石圈力学机制
沉积盆地的形成演化受控于岩石圈的动力学过程。
1.地球的组成
对于地球内部结构的 认识主要是通过地震波（P 波和S波）、实验模拟及侵 入到地表的深部物质。 地球的分层体现在两 个方面： （1）物质组成的差异； （2）流变性质。
• 地球可分为地核、地幔、地壳。 • 地幔可分为上地幔（31.2-700km)和下地幔(700km-2886km)。 • 上地幔的上部存在一个熔融的、弱物质带，称为软流圈 （125-200km）。 • 软流圈之上的上地幔和地壳构成了岩石圈（125km)。