第三章 地幔对流和地幔动力学分解

2、地幔物质发生对流的物理背景
2.3地幔热生成 • Davies （1980）根据地球表面热流测量结果 估 算 了 全 球 热 流 约 为 4.1×1013W ， Sclater 等 （ 1980 ， 1981 ） 估 算 出 地 球 总 热 量 为 4.2X1013W。在地球总热量中约有0.45－0.65来 自 放 射 性 元 素 衰 变 释 放 的 热 能 （ Davis ， 1980 ），而 Schubert 等（ 1980 ）则认为有 0.65 － 0.85的地球总热流来自放射性物质的衰变。 因此放射性物质衰变提供的热能成为维持地漫 对流的主要能源。
1、地幔对流假说的科学依据及对流模型
• 第三，无论是天然地震还是人工爆炸产生的地震波 是唯一可以穿透地球介质的射线，地震波携带着有 关地球内部结构、物质性质的信息。地震学家们利 用地震波不仅发现了地球内部分为固体的内核、液 体的外核、固体地幔和地壳等径向不均匀的分层结 构，而且还发现了地球深层内部横向不均匀结构 （Dziewonski，1984；Su et al，1994）。大洋中脊 下部存在不断形成的洋中脊的热的物质；俯冲带下 部存在延续到 670km甚至更深至 1000－1500km冷 的物质；从核幔边界向上升起的地幔热柱可以直至 地表而形成热点，这难道不是威尔逊循环的另一半 吗？
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1、地幔对流假说的科学依据及对流模型
• 然而，30年代物理学家霍姆斯提出的地幔对流作 为一个地球物理学的概念和猜想却使得大陆漂移 学说渡过了它最为艰难的时期。从20年代的大陆 漂移到50年代的海底扩张、60年代的板块构造理 论，板块构造这个革命性的理论对于人类认识自 然的影响可以和16世纪哥白尼的太阳中心学说， 17世纪的牛顿万有引力理论，19世纪后期的生物 学进化理论和20世纪的量子力学和相对论相提并 论。
1、地幔对流假说的科学依据及对流模型
• 本世纪初，魏格纳的大陆漂移假说震撼了整个地 球科学，尽管魏格纳列举了大量的地质学、地理 学、气候学和古生物学的证据，论证了我们这个 行星的几个大陆在两亿年前曾经是一个古大陆， 后来被分裂、漂移，形成了现代的格局。但当时 大陆漂移学说却面临绝境，因为没有人能够解释 大陆为什么能漂移。与之相反，著名的地球物理 学家Jeffreys从理论上证明固体的硅铝层地壳和 硅镁层地幔之间存在的巨大摩擦力使大陆不可能 漂移。
1、地幔对流假说的科学依据及对流模型
• 地幔作为地球结构中最大的部分，成为研究中一个 最重要环节。研究地幔对流在地幔中运行的模式， 探讨它对地壳、岩石圈构造、运动，和对地核物质 运动的影响，以及研究它们之间的相互作用已成为 当代固体地球科学研究的最优先研究的课题之一。
1、地幔对流假说的科学依据及对流模型
科学的发展和地球科学家们长期的努力，至少可 以从四个方面去证实地幔对流的存在。 • 第一，无论从地质时间尺度去估计，还是从现 在大地测量的数据，都证实了板块运动是一个客 观的存在。从古地磁极的轨迹；大洋中脊磁条带 异常；相对于热点的海山链的研究等资料确定可 以定量地描述在过去两亿年地质史中最新一次板 块构造运动的方向及速率（ Minster and Jordan 1978；DeMets etal，1990）。所以板块运动本身 证明了地幔对流的存在，而且它是全球规模的。
1、地幔对流假说的科学依据及对流模型
• 第二，观测表明在过去近百年的历史中，北欧 斯堪的纳维亚半岛和北美大湖区在不断地上升， 而这两个地域在一万年以前曾被巨大的冰盖覆 盖。由于气候的变暖，在几百年很短的时间中 巨大的冰盖熔化消失了，随之产生了地壳持续 地上升。自然，此种冰后期的地壳回升运动必 定需要一个可流动的地幔的支持，以填补其由 于地壳抬升而留下的空间。此种冰后期的回升 现象证明了地幔中至少局部区域物质流动的可 能。
2、地幔物质发生对流的物理背景
2.1地幔粘滞性 • 地震学强有力地证明：地幔处于固体状态，因为它 允许纵波（P）和横渡（S）通过。然而，实验物理 学同时还证明：一个物体的力学响应不仅与物质本 身结构有关，也与外界环境如温度、压力有关，同 时还与加载力的持续时间有关。实验及观察都得出 同一结论：地幔足够的软，容许对流存在。另外， 固体物理学的理论和实验研究也为地幔粘滞性研究 提供了有效的途径。
第三章、地幔对流和地幔动力学
• 壳幔物质与深部过程是大陆动力学研究的 关键科学问题之一。壳幔物质的组成与性 质、化学与物理学控制深部过程及其动力 学。壳幔内物质的密度差异驱动物质对流， 温度差异驱动热对流，两者常常相互伴生。 密度的大小既依赖于温度，又与物质组成、 挥发份含量密切相关。对流或流动尚需一 定的粘度条件。因此，壳幔物质在化学和 物理学上的不均一性是对流的驱动力
1、地幔对流假说的科学依据及对流模型 • 第四，地球化学的资料使人们能看到的 直接来自深部物质的结构和成分。大量 数据表明这些物质可以来自地壳下部、 上地幔 670km间断面，甚至核幔边界。 显然是流动的地幔将这些物质带至地表。 总之，现代已有足够的证据证明地幔对 流的存在
2、地幔物质发生对流的物理背景
2、地幔物质发生对流的物理背景
2.2地幔热状态 • 地幔热状态和地球热演化历史有不可分割的 联系，而地幔对流却与地幔热状态直接有关。 因为地幔热状态不仅决定对流是否可能发生， 而 且 也 影 响 地 幔 的 粘 滞 结 构 。 Jeanloz 和 Richter （ 1979 ）研究地幔热结构时发现，在 下地幔的顶部，即 670km 深度左右的区域可 能有500－700K的温度跳跃，可能存在一个热 边界层；
固体的地幔是否可能对流这一根本性的问题一直 是地学家们最为关注的。因为科学家们从不希望把自 己的研究建立在一个毫无物理依据的虚幻之上。物理 学的法则告诉我们，重力场中热对流之所以能够存在， 必须具备以下三个条件： l ）组成系统的物质必须“软”到“足以流动”的程 度， 2 ）系统内的温度梯度必须至少略大于组成系统的物 质的绝热自压温度梯度， 3）有足够的能量以维持对流进行。 以下将就此三方面的问题作一简要地讨论。