博文

地震火山活动中的帕斯卡定律扩展：中生代巨大火成区模型计算

已有 3290 次阅读 2021-3-8 20:44 |个人分类:全球变化|系统分类:论文交流

地震火山活动中的帕斯卡定律扩展：中生代巨大火成区模型计算

杨学祥，杨冬红（吉林大学）

地震火山活动中的帕斯卡定律扩展

帕斯卡定律只能用于液体中，由于液体的流动性，封闭容器中的静止流体的某一部分发生的压强变化，将大小不变地向各个方向传递。压强等于作用压力除以受力面积。根据帕斯卡定律，在水力系统中的一个活塞上施加一定的压强，必将在另一个活塞上产生相同的压强增量。如果第二个活塞的面积是第一个活塞的面积的十倍，那么作用于第二个活塞上的力将增大至第一个活塞的10倍，而两个活塞上的压强相等（如图1）。

可用公式表示为：

即：F₁\ S₁ = F₂\ S₂

帕斯卡定律在生产技术中有很重要的应用，液压机就是帕斯卡原理的实例。它具有多种用途，如液压制动等。

若一个流体系统中有大小两个活塞，在小活塞上施以小推力，通过流体中的压力传递，在大活塞上就会产生较大的推力。据此原理，可制造水压机，用于压力加工。

如果把地球的地壳看成是封闭系统，壳下400米的软流层看成是流体，由于流体不可压缩，在力F₁的作用下，面积为S₁的活塞下降H₁高度，通过压强传递，力F₂使面积为S₂的活塞上升H₂高度，且有（保持体积不变）

S₁×H₁= S₂×H₂（1）

这是海平面升降导致陆壳和洋壳反向升降的地震模型。但是，在现实中，由于系统密闭不佳导致泄漏，部分流体流出地壳形成火山。则有

S₁×H₁= S₂×H₂ – S₃×H₃ （2）

其中，S₃×H₃ 为火山岩浆或喷出气体和流体的体积。在海平面变化只引发火山喷发的模型中，有

S₁×H₁= S₃×H₃ （3）

120Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台的体积为36×10⁶km³，15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩体积为1.3×10⁶km³，释放的CO₂分别为5.8×10¹⁷ kg和2.1×10¹⁶ kg。

地球上的陆地和海洋总面积约5.1亿平方千米,其中海洋面积约3.61亿平方千米,占全球总面积的71％,陆地面积约1.49亿平方千米,占全球总面积的29％.地球上海洋连成一片,而陆地则相互分离.

海洋面积约3.61亿平方千米，根据地壳均衡原理，海平面上升300米导致洋壳下降100米，由（3）式算的喷出岩浆的体积为36×10⁶km³，与实际喷出量基本吻合（120Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台的体积为36×10⁶km³）。我们称地震火山活动中的帕斯卡定律扩展为杨氏定理。

15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩体积为1.3×10⁶km³，相当于洋壳下降3.6米，海平面上升10.8米所形成的地壳均衡。与图1有很好的对应关系。

根据地质学的地壳均衡理论（单位均衡面上的物质柱体质量相等），大陆冰盖融化，负载减少，大陆地壳要均衡上升；海平面上升，负载增大，海洋地壳要均衡下降。斯堪的纳维亚半岛在1万年前有2000米厚的冰盖融化，已经均衡上升了500米，并将继续上升200米。同样，全球平均海平面上升了130米，洋壳均衡下降了43米（地壳与水的密度比大约为3：1）。所以，斯堪的纳维亚半岛并没有因为海平面上升而被淹没。对于没有冰盖的大陆，海平面的实际上升仅87米，减少了三分之一。洋壳下降挤压下方岩浆流向大陆地壳底部，使沿海大陆均衡上升。由于地球表面是球面，洋壳下降，球面半径缩小，洋壳将插入到大陆地壳之下，使大陆边缘受到挤压和抬升。

末次冰期融化，全球平均海平面上升了130米，洋壳均衡下降了43米，相当于陆壳上升108米，或喷出岩浆15.48×10⁶km³。

气候变化导致的冰川期与温暖期交替，形成地表巨量海水在两极冰盖、大陆冰川和大洋海盆之间往返转移，相应的地壳均衡运动迫使地下软流层发生反向流动，推动地壳运动，达到地壳重力均衡。在地球的球面上，地壳均衡不仅能产生地壳的垂直运动，而且能产生地壳水平运动。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-916671.html

数据来源

现代火山活动有明显致冷的记录。短周期的对应关系是：小冰期对应强火山活动，小气候最适期对应弱火山活动。但是，火山长周期的对应关系却是：火山活动峰值与全球无冰期对应，而谷值与大冰期对应^{[14, 42]}。

据Coffin和Eldholm（1993）海洋考察结果，巨大火成区所显示的大陆溢流玄武岩和大洋溢流玄武岩的喷发强度与全球高温和大气CO₂高浓度对应（见图1-3）^[43]。

图1 全球巨大火成区

120Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台，其释放的热量为6×10²⁶J，海洋的质量为1.45×10²⁴g，可使全球海水温度增高33℃，平均每万年海温升高0.1℃^[42]

有证据表明，在古新世末不到6000年的时间内大洋底层水增温4⁰C以上^[33]

海底火山活动引发的海温增高和CO₂排放在全球气候变化中的作用不容忽视，这是白垩纪强烈火山活动、大气中高浓度CO₂和异常高温一一对应的原因。最近发现在15~20Ma前南极的夏季温度要比现在高出大约11℃，最高可以达到大约7℃。这一南极地区的“绿化”过程最高峰大致出现在中新世中期，距今大约16.4~15.7Ma。中新世中期的温暖环境被认为应当对应于400~600ppm的大气二氧化碳浓度^[44]。15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩喷发是大气CO₂浓度增加的原因（见图2）。