论地幔中软流层物质的运动形式

论地幔中软流层物质的运动形式

—谈地壳的垂直运动

煤炭科学研究总院西安科学院王文祥

用全球应力场的演化规律来研究上地幔中软流层物质的运动形式，就会对地壳运动的成因及构造行迹的展布规律有着更深层次的认识。下面谈我们对软流层物质在地质历史时期中的运动规律。

3．1 地球内圈的分层结构

利用现代地球物理探测手段，人们对地球内圈的结构分层研究，认识越来越趋于一致。目前根据地震波速在地球内部的演化规律，地球的圈层结构大致提出如下模式。

岩石圈：它包括地壳和上地幔的B层。厚度在60公里左右。其中地壳又分为三层，即沉积层。硅铝层，硅镁层。

地幔：包括上地幔和下地幔，厚度约为2900公里。上地幔约为1000公里。如图。

地核：它包括外核、过度层、内核。

图12 地球部分分层示意图

二、有关地幔对流的假说

在研究地壳构造运动的动力来源时，我们对地球中的各个圈层最感兴趣的就是软流层。大多数人的现代概念都认为软流层是由塑性固体介质组成的（其成分相当于二辉橄榄岩），它是物质发生缓慢活动和形变的场所。早在构造地质学研究初期，哈佛奈（W.Hafner）所建立的断层成生机制的第三种附加应力，就开始以地壳下面的对流作用来解释其成因的。有关地壳运动起因在地质学界先后出现的各种假说，如大陆漂移说、地幔对流说、洋底扩张说和现今的板块学说等等都是在地幔中的软流层上做文章的。至于“地幔对流”异致刚性岩石圈的移动。现今的间接证据大概有四点。

1、分析人造卫星轨道扰动现象，自由大气重力异常有几十毫伽，可波及数千公里。如果说刚性的岩石圈板块处于这样宽的异常条件的控制下，显然是不可能的，对于其下面的软流层来讲会更弱一些。因此异常必须是对地幔对流的结果，即向上对流导致了重力异常的产生和它的浅凹形式。

2、当岩石圈漂流越过软流圈的上拱处时，可以产生幅度有一公里或更多些的垂直翘曲。这种现象可以在大陆和大洋盆地中经常看到的。他们是有着重要地质意义的进程，持续时间长短不一，有的可达1亿年之久。在某些造陆运动的穹起作用中，他们可能出现于软流圈的上拱处，这可能由于地幔对流的分支所引起。有人认为岩石圈中板块的裂开就是发生在这样的穹心处。

3热流率越高，越远离海岭的地方热流率越低。

这样地壳下面地热场的不均衡也可导致热点对流。

1、 火山活动和地震波测量，均说明地壳下面

某些部位确有液相物质存在，这就为热对流提供了

物质基础。 关于地幔对流的形式，其局部形态的缩影都是 一个模式。如图13。

上面列举的这些间接证据都是以地壳上面某一较大区域范围内的地质资料作为依据而进行全球范围推论的。有关对流产生的原因，多是从侧向密度变化和测向温度变化来进行解释的。局部现象能否反映事物的本质，温度、密度效应能否作为对流的动力来源，我们可以从下面的试验中做出判断。

3．3 对流现象的边界条件

任何一个物理现象的出现，都要受自己特定的成生条件加以限制。在物质世界中，对流现象的产生也是一样。下面我们可以做这样两个试验来对对流现象进行研究。

第一个实验

取相同大小的m 个烧杯，使烧杯内所盛物质（水和面粉）的体积相同。第一个杯子里不放面粉，第二个杯子里放5克面粉，第三个杯子里放10克面粉，按此种方法一直放到第m 杯。然后各杯子里充水，并充分搅拌均匀，使第m 杯中的面和水成蒸馒时的硬面团块，放入杯子里。各杯子底部用小火徐徐加热。这时我们就会看到，热的三种传播方式是不一样的。在第1、2、3等号杯子中，热的三种传播方式是以热传导和热辐射的形式出现的。根据热的传导公式

S T T Q )(12-=η

λ （32） λ异热系数，η两界面距离，S 界面面积，T 2 \T 1是两界面温度，Q 热量

和热的辐射公式

40)100

(T C E ε= （33） ε辐射体的黑率，C 0辐射常数，它等于136⨯10-4，T 辐射体的温度

在低温情况下，物体内热量的传播主要是以热传导热对流为主。在高温情况下，则以热辐射为主。而中间的杯子中，热量传播的方式介于二者之中。

这个试验说明，当物体内部分子的热运动的动能大于分子的势能时，这时由于分子热运动就会导致物质分子间对流现象的产生。当分子热运动的动能小于或等于分子间的势能时，这时分子热运动就不会导致分子间对流现象的发生，很显然，靠近第m 杯附近的塑性面团内淀粉颗粒与水分子的势能要远大于第1、2、3等杯子中成稀粥状淀粉颗粒与水分子之间的势能。因此当塑性面团受热时，即使在有侧向温差存在的情况下，也不会有物质分子对流现象的产生。

图13 地幔软硫层对流示意图

第二个试验

如图14。（1）球1与球2之间注满了水，球3位于球2中心处，球2与球3之间是空气。（2）球1与球2之间充满了几种密度不同的塑性很强的固体介质把球1与球2之间分成截然不同的几部分。假若是在失重的情况下，我们对球3均匀加热，受热均匀的球2就通过中间物质把热量传给球1。在（１）（２）两种情况下，我们都不会观察到球1与球2中间物质对流现象的产生。在第１种情况下，球2表面各处温度均匀。在第２种情况下，球1表面各处温度稍有差导。

图14 同心球之间热量的传递示意图

上面这一试验就与我们的地球类似，如果软流层物质是均一的，即导热系数是一常数，那么就不存在侧向温度差导，因此就不具备产生对流现象的动力来源。显然这一假说与地质资料是矛盾的；在第二种情况下，我们知道地球内部的温度和压力都是随深度的增加而提高的。在上地幔中，最高温度可达1500－１600℃，最高压力可达106巴，很显然在这样高的温度下，热量的传播方式主要是热辐射，因此尽管软流层内的物质存在着导热系数不同，但由于所造成的温差很小，这可从全球地热测量资料中得到证实（个别岩浆活动例外）。另外由于软流层的压力是如此之大，这时物质分子间的势能也是相当惊人的，因此由侧向温差效应或侧向密度效应并不能对物质分子内部结构进行调整，更谈不上物质分子之间的相互运移了，因此该试验也说明了在地球内部软流层中并不存在因侧向温度差异或侧向密度差异而引起的物质的对流。下面是对板块的扩张（洋隆、洋中脊）和板块的压缩（海沟处板块的俯冲）的解释。

3．4 从全球应力场的演化规律来研究软流层物质的运动

前面我们已经对全球平面应力场演化规律作了如下解释。如图7。在一个银河年内，依次出现六种类型全球应力场，这种平面应力场是以地质体的密度而进行自然分层的。从图12中可见，当地壳作为一个层次来处理时，软流层和B层就应归属为另一个层次了。在讨论径向离心惯性力的时候，公式

ωRCOS

ϑ

ω

=

+

m

F2）

（∆

中的m是地壳中某一质点的质量，他等于体积与密度的乘积，ω是地球自转角速度，ω

∆是角速度的增量，R是地球半径，ϑ是引力方向与赤道半径的夹角。