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分异与受迫热对流-热结构的特征(2)/李务伦

已有 505 次阅读 2021-10-13 17:32 |系统分类:科研笔记

“从球内性质看‘陆’物的形成(1)”中,谈及早期的陆物形成与分异和受迫热对流-热结构有关,但它们在球内性质背景下的特征、结构、性质并没有交代。在以往的叙述中“网状周期性地球构造动力的合力场强度解释2[http://blog.sciencenet.cn/blog-3433895-1282916.html]“物体上浮内部结构及规律与重力资料的关系--兼论“负浮力”的性质(系列2),[http://blog.sciencenet.cn/blog-3433895-1283238.html]”等论及,下面系统总结如下。

1、分异

分异在这里给出如下的描述:分异是指不同密度的混合物质,在引力强度作用下,进行自动分离形成大密度物在下,小密度物在上,形成层状物的过程。但要说清这一描述,还必须从球内性质说起,更根本的要从万有定律谈起。在以往博客中详细论及,这里在简单叙及如下。根据万有引力定律,一质点质量为m,而另一质点质量为1,质点为m在距单位质点为r的地方引力定义为引力强度EE(r)=-Gmr/r3。根据E(r)=-Gmr/r3不难得出,质点m形成的引力场是一球形场,在同半径的球上引力强度相等、引力位相等,所有引力线均为为直线,方向指向m。假如同半径上每一根引力线上均存在同密度的单位质点,且同形态相互接触,相邻的单位质点间的相互作用力,根据力学原理是相邻间的作用力是相等的,从而形成等厚的稳定球壳。这应是最为直白解释太空舱相当量不规则液体,能在不太长的时间收缩为球的根本原因。在液体球内同半径上,压力相等,从而形成稳定的平衡,这也进一步解释了,太空舱中不规则液体形成球体的原因。

假如在上述液体球内存在一密度小于液体球密度的塑性物质,显然小密度的物质造成球心方向压力变小,从而产生不平衡,因此压力大的地方液体将向压力小的地方运移,使得小密度物向球外运移,这是浮力形成的根本原因,也是分异的形成所在。为较为全面的认识分异,通过图示进一步说明。

如图1所示,根据球内性质6,图1a)中密度为ρ1的长方体位于密度为的液体中,前者密度小于后者,显然长方体必然上浮。上浮强度E=-E(r)21)/ρ1,长方体自然会上升,从而导致其上部密度为ρ2液体富集,下部液体亏损;原平行的长方体上下等压力面L1L2分别上凸L1和下凹L2;长方体顶部增压△P0,底部减压△P0;长方体上部的正压导致液体向周边运移扩散,底部的负压导致周边液体向长方体下汇聚,这一散一汇导致液体上下贯通,同时随着上升速度的加快,长方体的周边因粘滞力,使得长方体周边液体具有做图示的圆周运动的势态。同样对于1b)长方体密度大于液体的密度,其长方体运动情况则与上浮相反。

图形1.jpg 

1 浮、沉或分异原理示意图

 

根据上面的分析,分异就是物质上浮,因此分异具有以下特征:1、具有上浮强度,上浮强度为E=-E(r)21)/ρ1,(ρ2ρ1,密度为ρ1的物质位于密度为ρ2的物质中);2、上浮物上部等压力面上凸,下部下凹;3、上浮物的顶部物质富集,压力增大,底部物质减少,形成负压;4、上浮物上部物质向周边运移,底部周边物质向上浮物底部汇聚,并实现这两部分物质上下贯通,上浮物上升快时周边出现圆周运动。有了上述对分异的特征总结,盐丘等地质现象也就好解释了。但分异的产生背景是球内性质。

2、对流

对流的定义是:流体内温度不均匀时伴随流体的宏观运动而产生热传递现象称为对流。有以下两种:强迫对流、自然对流两种形态。基于目前发现地幔柱、海沟处存在负浮力、洋中脊及两侧重力资料存在对称性等。同时有一派学者认为地幔存在对流,另一派学者则认为对流不存在。到底存在不存在地幔对流,我们先看强迫对流的结构特征。图1(a)中如果能够形成连续的长方体上升,长方体将不断地脱离中心区域,而中心区域液体将如图所注方向运动起来,这就与烧水沸腾相类似。因此下面以烧水为例讨论并总结强迫对流的特征,如图2所示。

图片1.png 

2  对流结构示意图

2中在烧杯的底部存在稳定持续对称的热源,热源上部的水受热后受热后的水分子间距离增大,密度变小。根据前面对分异的分析,密度变小后的液体开始上升,随着热的不断供给烧杯中的水不断地获得热能,中部的液体上升速度越来越快,从而形成图示的运动结构。由底部受热后的液体,由开始上升,因上浮强度的存在,其上升速度越来越快,从而形成中部高,向两侧变低的形态。所以每一上升的前部会压力增大,液体富余,而其后部压力减小,液体亏损。到达顶部的液体,在引力强度的作用下、在底部液体的支撑下向周边斜下运移,使得周边液体受到冲击,而激起壅水,向周边斜下运移的液体继续在壅水下俯冲;因每一上升的液体后部都存在负压,这些负压下传至底部,使得底部的周边物质向中部汇聚接受加热,可这一周边向中部汇聚的物质,在其后部压力小的地方又产生负压、液体亏损,这种负压持续向压力小的地方后传,直至与壅水下俯冲物相衔,从而对流形成;等位面也发生了图示的变化。

通过上面的简单分析可总结强迫对流具有以下特征:1、受热后的液体,具有上浮强度,上浮强度为E=-E(r)21)/ρ1,(ρ2ρ1,密度为ρ1的物质位于密度为ρ2的物质中);2、每一上浮物上部等压力面上凸,下部下凹;3、每一上浮物的顶部物质富集,压力增大,底部物质减少,形成负压;4、在持续的热作用下形成对称环流;5、近环流边界物质存在亏损。

3、分异与对流特征与重力资料的对比

3是横跨洋脊的重力资料,图4是岛弧的重力资料。

图片2.png 

3  横跨洋脊的重力资料

图片3.png 

4  沟-弧重力异常图

自由空气异常是实测重力值经高度与大地水准面间的高差造成的影响后,所得到的重力值与标准重力之差,自由空气异常通常用来研究地球形状和大地水准面;布格异常是实测重力值经高度校正后,在消除实测站与大地水准面之间的物质的影响和测站附近地形起伏的影响后所得的异常值,布格异常通常用于研究地球内部物质的分布。根据这一叙述,3中的自由空气异常与上升物的顶部等压力面相类;布格异常与上升物的底部等压力面相类。图4中,在海沟处自由空气异常由远海到海沟连续变低;布格异常由远海到海沟连续变低,这也与图2中的等压力面相类。由此简单类比,可见地幔对流在地球演化中始终没有缺席,同时根据对流特征可以得出洋中脊是张性的,海沟存在负浮力是必须的。另杨学祥老师的理论上得出地球不同圈层存在旋转差异(实际资料也得验证),也与对流相关联,从这也可进一步间接的看出地幔对流的存在。杨老师的理论成果是对地球动力学的一大十分重要的贡献。

在以往的文字中,将图2示的对流称为点源热结构。对这一点源热结构,极为希望读到的老师对我以往和现在的分析提出修改建议,在此首先表示谢意!同时希望老师们提供与对流结构有关的新的地质实际资料,在此也首先表示谢意!



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