4岩石圈力学机制

地壳： 上地壳（20-25km）：脆性断裂，弹塑性变形，弹性 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。 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 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。 断裂可能达到50km。 软流圈：125km, 软流圈：125km, 流动
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）
5.4. 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）
φ = φ0 e − cy
其中，φ是深度为ｙ时的孔隙度，φ。为表面孔隙度，ｃ为 压实系数。ｃ主要与岩性有关。一般含泥质较高时，上述公 式与实际的情况比较一致。
在正常压实情况下通常采用的压实参数： 在正常压实情况下通常采用的压实参数：
岩性 表面孔 隙度 0.63 0.49 0.56 0.70 压实系数
5.2. 应变
应力: 物质的附加内力应力: 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。 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 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。
（3）. 挠曲均衡：由于地壳、尤其是上地壳是具有弹性的，
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 + ∆ρgw = 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
引起均衡作用的地质因素： 引起均衡作用的地质因素：
泊松效应：纵、横向应变的比值的绝对值是常数。 泊松效应：纵、横向应变的比值的绝对值是常数。 V=εl(纵)/εb(横) V=εl(纵)/εb(横 • 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 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。
形变：分为线应变和剪切应变。 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， 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， ∆(应力)= Ε . ε(应变), ∆(应力)= ε(应变), E为杨氏模量； E为杨氏模量；
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 （密度为2.7-2.5)，而下地壳为玄武质的（密度为 2.82.8-3.1) 。上、下地壳是一流变带（20-25km），震 。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) 地壳（平均密度为2.9)与上地幔（密度为3.4之间Moho面分隔（由Moho 1909年发现）。 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 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” 岩石圈是一相对刚性的连续的板块，“漂浮”在软流 圈上。 • 以上特性决定着岩石圈的力学机制。
Y
S
Es
ρm − ρs Y =S ρm − ρw
Es
• 均衡沉降与总沉降的关系:
ρm − ρs Es = S (1 − ) ρm − ρw
• 均衡沉降与构造沉降的关系:
Y
S
Es
ρs − ρw Es = Y ( ) ρm − ρs
Es
ρs − ρw Es = Y ρm − ρs
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。
构造沉降过程的恢复
• 构造沉降量 • =总沉降量-（沉积物压实+古海平面变 化+沉积物重力均衡沉降量）
每一沉积层的密度可表示为：
ρ b = φ R w + (1 − φ ) ρ g
多层的密度则可表示为：
ρ si =
∑
(
φ j ρ w + (1 − φ j ) ρ gi
S
)y
j
沉积物重力负载的均衡沉降
页岩 砂岩 泥砂岩 白垩
0.51 0.27 0.39 0.71
φ = φ0 e
wk.baidu.com
− cy
y1 Vw Vｓ y2
Yｗ
Yｓ
在某一深度Y 1 和Y 2 之间，岩层中水充填的孔隙：
φ = φ0 e
− cy
Yw = φ0 ∫ e −cy dx =
y2
y1
φ0
C
(e −cy1 − e −cy 2 )
沉积物颗粒的体积： 那么，其厚度：
5、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。
5.1、 5.1、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)。 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）。 125-200km）。 • 软流圈之上的上地幔和地壳构成了岩石圈（125km)。 软流圈之上的上地幔和地壳构成了岩石圈（125km)。 软流圈 地壳 地幔
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。
ρ cr = ρ c (1 − ∂Tcr )
ρ ma = ρ 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。
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， 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； D(应力)= 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。 泊松效应：纵、横向应变的比值的绝对值是常数。 V=el(纵)/eb(横 V=el(纵)/eb(横)
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）与构造沉降的关系
Y
S
Es
ρm − ρs Y =S ρm − ρw
Vｓ＝Vｔ（整体）－Vｗ(孔隙水）
Ys = y2 − y1 − yw = y2 − y1 −
φ0
C
(e −cy1 − e −cy 2 )
y1 (Y2-Y1) Yｓ y2
Yｗ
y’
y’’ y1 y2 当岩层回剥到Y 当岩层回剥到Y’ 和Y’’ 的高度时，沉积物部分（Vs）不 的高度时，沉积物部分（Vs） 变而只有孔隙中的水发生变化(Vw)。 变而只有孔隙中的水发生变化(Vw)。 岩层水充填的厚度为： y’
洼陷带： 浅湖-深湖、湖底扇 轴向河流、三角洲
缓坡带： 滨浅湖、湖湾、湖滩坝沉积 河流-三角洲
Sequence architecture in Rift or fault basins: a case study on the Erlian basin
沉积物压实
沉积物堆积后随着盆地的沉降被不断压实，孔隙减小，厚 度变小。要恢复盆地的沉降史必须对沉积物的压实过程进行 校正。这是进行盆地各种过程的正、反演模拟的基础。 • 沉积物的压实过程受到岩性、超压、成岩作用等因素影响， 岩性往往起主导作用。在这里主要是考虑沉积层在上覆沉积 在这里主要是考虑沉积层在上覆沉积 物的重力作用下发育孔隙度减小的过程。 物的重力作用下发育孔隙度减小的过程。 • 在正常的压实情况下，孔隙度和深度关系可认为服从指数 孔隙度和深度关系可认为服从指数 分布（athy, 1930；hedbery，1936；ruby和Hubbert，1960）： 分布
五、盆地沉降史分析
盆地沉降史恢复是盆地分析的一项重要内容。 回剥技术是通过现今地层恢复沉降过程的方法，已发展 成为一门比较成熟的定量分析手段。沉积盆地的总沉降量主 要与构造作用、沉积物压实、重力均衡、海（湖）平面变化 或古水深变化等因素有关。 盆地沉降史恢复的主要内容包括： • • • • 沉积层随盆地沉降的压实过程 盆地古水深变化过程 海（湖）平面升降过程 构造沉降过程
构造演化 沉积物埋藏史 生排烃史 沉积充填演化
• 古水深估算
沉积相、遗迹化石组合与盆地几何形态和古水深关系
沉积体几何形态与古水深关系
低水位楔（三角洲） 斜坡扇 水道、天然堤体系 盆底扇
低水位体系域如果沉积在具有陆架坡折带的盆地中， 通常可以分成：盆底扇、斜坡扇和低水位楔。
陡坡带： 冲积扇 扇三角洲、水下扇
Es
海平面变化引起的均衡作用：
Sw = Sl
ρm − ρw
ρm
因此，考虑Airy均衡的构造沉降量为：
ρm − ρs ρm Y =S − Sl + ( wd − Sl ) ρm − ρw ρm − ρw
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 + ( ρ m − ρ c ) gw = ρ c gh0 sin 2π λ dx
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
塑性变形：外力消除后，保留了部分变形。 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， 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。
岩石圈变形特点
•
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
ρ cr = ρ c (1 − ∂Tcr )
上地幔
ρ ma = ρ m (1 − ∂Tma )
Yw = φ0 ∫ e dx =
− cy y"
y'
φ0
C
(e −cy ' − e −cy" )
y’’
y’
y’’ y1 y2 新的位置上的岩层的厚度由下式给出：
S = y ' '− y ' = Ys + Yw = [ y2 − y1 −
φ0
C
(e −cy1 − e −cy2 )] + [
φ0
C
(e − cy ' − e −cy " )]
5.3. 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。 （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。