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地壳运动不是构造力或碰撞力驱动的

已有 1542 次阅读 2020-3-14 14:50 |系统分类:科研笔记

感谢《地学前缘》发表了我的文章《周向应力在地壳运动中的作用》,2020,27(1):221-233,可以点击此处到地学前缘官网下载。为让大家能理解我的看法,用下面一段直白的文字阐述一下。

驱动地壳运动的动力到底是什么?这个问题争论了很多年。地槽学说明明知道重力作用起主导,但地壳运动却表现为水平运动;板块学说描述了水平方向的构造现象,地层弯曲、断层逆冲,总得有个水平力推挤它吧,但却难以找到这个动力。于是,板块上陆、板块拖拽力、脊推力、板块碰撞力、岩浆活动力、地幔柱活动力闪亮登场,还有些很多动力假说:内部热力、自转力、离极力,我搜集了37种力(见《周向应力在地壳运动中的作用》表1),但似乎都存在,分析其数量级,从0.01Mpa-50Mpa(见文章中的表2),但均不过瘾,没法推动地壳运动,因为有学者估算过,至少450Mpa(刘鎏,2012),才足以推动印度板块向北运动,那动力到底是什么?

这里不得不提到一个力,在地应力测量中,发现一个奇特的现象,区域水平主压应力大于垂直应力,且垂直应力甚至还小于重力,几乎没有例外(海拔太高除外,如青藏地区),深部也是这样,常被称为“地壳异常压力”。

很多例子,德国KTB科学钻探9.1km全井段均出现了最大水平主压应力大于垂直应力SH>Sv>Sh的现象。

地壳异常压力从哪儿来?

有以下学者分析过,按年代Clark(1961); 李四光(1973); MI Ashiro(1979); 乐光禹(1986); 罗永国(1988); 吕古贤(2017)等,未列完,挂一漏万。

2000年由国家科技部、国家自然科学基金委、国家计委组织召开了地壳异常压力学术研讨会,并邀请了中科院、地科院、地大、北大等一些专家教授来做专家会诊,提出了可能这个力是除重力之外的一种力,可能是构造力、瞬时压力、结晶力、变质作用、岩石相变等,这些会产生局部巨大的异常压力。最后形成会议纪要,发表在《地质力学学报》20009月第6卷第3期,题目叫《地壳异常压力学术研讨会》。他们的解释,还是不过瘾!

那真相是什么?

事实上,可能是我们的常识错了,将地壳当平面的了,平常我们的分析是在直角坐标系下,分析重力和应力场,几乎再大的尺度也是这样,认为地壳在几百公里范围内可以看成平板。试想一下,在桌上摆两本书,要让书弯曲、相互挤压,必然侧面会施加一个推力,如下图所示:

image007.jpg

但如果斜着放呢?下面这两本书之间就有作用力,有“侧面支撑效应”(底部红楼梦就别关注了,这里只想表达“支撑效果”

image009.jpg

更多例子,如背斜构造、拱桥,如下图所示。显然,其中任一点处,其水平挤压都要大于垂直应力。侧面不需要额外的力,相互因重力负荷而具有“侧面支撑效应”。背斜的底部则为低应力状态,拱桥的下面为0应力状态。因尺度小,地层的刚性(弹性模量)够,背斜底部即使掏空,背斜构造还不致于跨塌。

那岩石圈可以和它类比吗?如下图,取任一段岩石圈,它两侧会受到相接触的岩石圈的挤压力,缘于岩石圈自身指向地心的重力,当压迫软流圈,软流圈可流动时,则会产生对相邻岩石圈的挤压,这个力,我们称为周向应力,通过理论计算说明,它大于径向应力,即我们称的垂直应力。而周向应力是沿圆周方向的,就是我们平常所称呼的区域水平主压应力,但此时不能再称为水平应力的了,而只能称为沿圆周方向或环向的周向应力,而垂直应力则只能称为径向应力了。这个计算在过去有大量学者推过公式(非我个人发明,不敢居功),且有的学者计算过。如力学大师铁摩辛柯在1951的专著里推导过理论地球模型下的径向应力和周向应力的公式;钱伟长在1956的专著里也推导过,而McCutchen1982)、王仁(1991)、王连捷(1991)、陈津明(1993)、Sheorey1994)、裴启涛(2016)则做过计算,他们成功地用理论公式解释了前述“地壳异常压力”,但遗憾的是,他们没把它当成一种驱动力。也就是说,这个“异常压力”其实不异常,是正常的,它不是独立存在的,更不能当成“构造附加力”,或构造力,而是依赖于重力的力。

显然,如果这岩石圈是完整的,厚度均匀无破损且刚性足够强,如潜水艇的外壳,则它们相互支撑,虽然有重力,但对软流圈的压力为0,类似于拱桥。但事实上,岩石圈刚度不够,于是会有一部分分力会压在软流圈上,而侧向或周向应力挤压占主导。这就解释了长期争议的“地壳异常压力”,不需要相变、变质作用产生。

image015.png

这时,一旦岩石圈有破损,如消减带、巨厚沉积盆地发育地区,则此应力会释放,并产生相对运动,这就是地壳运动的本质。一般地壳厚度也才30-60公里,而巨厚沉积盆地,如柴达木盆地(16公里)、孟加拉扇22公里厚、南里海盆地25公里厚,占比例很高,这些地区在加载了巨厚盆地后,岩石圈向下挠曲,破损,成为薄弱带了。据理论模型计算外推,在20公里深度,周向应力可达900Mpa,足以推动地壳运动。

如果这个还不好理解,我们将上面的图,以地心为中心,截取任一个锥形,如下图所示:

image017.png乒乓球模型.png

如上面锥形图,表示将地球剖分成这样的形状,两侧AB的受力会被相邻块体平衡掉,相当于固定两侧。然后我们在里面放乒乓球,这时,我们看看离地心最近的1号球,它的受力显然不是它正上方的球体重量之和,大部分力被侧面所分流,甚至于取出1号球,系统也不会跨掉,垂向受力小于上覆重量;但如果是一个长方体凹槽,如上面第二张图,则最深一层的球体(1号球、6号球)所受的力是它上覆所有球体之和(2号+3号+4号),即此时没有侧向支持作用,垂向受力完全等于重力。

上面仅以大白话阐明文章的观点,标题“地壳运动不是构造力或碰撞力驱动的”只是文章的结论,并非是否定构造力来证明周向应力的存在。

基于此,还提出以下观点:

1、构造地质学中,常说的引起构造运动的构造力、板块碰撞的力其实并不存在。为解释大量水平方向的挤压,浅层逆冲而找的一个独立于重力存在的,可持续推动构造运动的附加构造力、差应力等是不存在的!若我们在印度大陆所测的地应力不会比中国东部的地应力有什么差别(未查资料,但可以肯定)。

2、构造运动,不是动力学问题,而是静力学问题,碰撞顶多是一个比喻。原因是,每年的地壳运动速度,还不如人体指甲盖生长速度,这个运动不会产生动能。按平均每年3cm的运动速度,且全球按100公里厚的岩石圈一起按此速度同向运动,按牛顿第二定律 F=ma计算,产生的作用力大约是78500吨m/s2,约等于2个长征5号火箭的推力(按起飞重量654吨,加速度50m/s2计算),这个数量级的力对地壳运动没影响。

3、内地核为什么是固体有了全新的解释,在为球状了球体的侧向支持作用!按前人的观点,内地核温度4500℃,压力是300GPa,但其实其温度、压力并不高,可能是0应力,即没有围压,重力加速度也为0,温度也不高。甚至于岩石圈底部也有可能出现0应力;

4、地槽说有重力但作用方向不对;而板块学说作用方向正确却难寻动力,那么周向应力就实现了将重力转化成水平作用力的过程。我们不需要再打着灯笼到处找水平方向的作用力,所以我这里称 “构造力”、“碰撞力”为神仙力。在平常我们的构造分析时,若要北东方向的力,就让印度板块俯冲来背锅,作用力说来就来,板块学说上陆,逼迫大陆也要俯冲;要北西方向的作用力,就说是太平洋板块来俯冲,毫不含糊,理直气壮。

5、地壳运动的本质是,周向应力的释放,在薄弱带处的应力释放产生地壳的相对运动。诱因不是来自于地球内部,而是外因(另撰文,此文中未涉及)。据此,不可能出现大规则的大陆漂移。

6、岩石圈可有多个应力状态。以拱桥/背斜模型为启示,岩石圈可被分割成多个单元,每个单元的周向应力有三种可能状态:1)完全被周围单元所支撑,这时,它对底部软流圈的垂向压力可能趋近于02)完全自由状态,这时,此单元陷落,重量直接压在软流圈上,软流圈相当于地球上的一个巨型液压机(Meyerhoff所言),会导致其它薄弱地区岩浆喷发,即对应大火成岩省,或超大陆裂解;3)半自由状态,就是现在各大块体的状态,相对稳定。

7、垂直运动则以重力均衡调整为主。本文虽未提及,但认为造山运动是均衡作用造成的,全球几乎是挤压应力状态,除非海拔较高的地区,如青藏高原,燕山运动。


自文章发表后,一些专家提出了一些好的建议,下面做一个综合回复

1)於文辉教授提出,"要关注的空间和时间尺度,毕竟拱桥模型和大规模的岩石圈在尺度上不同,需要考虑其流变性"。这个的确考虑得不够,但不影响主体结论,即周向应力大于垂直应力。

2)秦四清教授提出要考虑多圈层,已考虑,但文章里未做说明,这是个遗漏。

3)山西续世朝:“升降运动需要考虑”,的确文中未提到,但认为重力无衡可主导垂直运动。

4)谭钦银高工:“周向应力能否使板块朝一个固定方向运动”。本文也太赞同板块会朝一个固定方向运动,只是哪儿有薄弱带,就会有岩石圈的“汇聚”。

5)西出阳关及杨树:“地球的自转已经显示水平应力大于垂直力”,和自转没关系,只有有重力,离心力加上地球随球形状,赤道与两极总共的差值只占地球重力的0.53%,自转对力的方向几乎没影响。

6)孙少敏:“地球自转导致了板块的运动与碰撞”,可能有影响,但无法解释其它行星如金星、火星为何没有板块运动。

7)骑蜗牛闯天下2:“谜团太多,细思极幻”,的确,需要加上其它行星整体考虑,但个人认为权重小。

8)Hotzhou:“释放的过程是应力集中,还是应力极度下降”,如现在的消减带,巨厚盆地对岩石圈的破坏,使其向下挠曲,毕竟有软流圈的约束,应力会缓慢释放。

9)查永进:”个人认为可能与地月、地阳运动引起潮汐等作用于地幔,引起地幔蠕变,牵引地壳运动“。

100-200公里厚的岩石圈其内应力相当大,在100公里深处产生的水平挤压力估计可以达到4000Mpa,而潮汐力约只有5Mpa。

 10)王小晨:“没有大西洋板块的说法,何以有大西洋板块的运动及其作用力;表1是应力大小不是驱动力大小;周向应力是用拱桥的模型推导的,这在物理上是不通的“,谢谢你考虑得很全面。文章提了大西洋中脊,未提板块;表1是多种动力假说,你可能指的表2,是引用的文献,说明各种动力的数量级;拱桥模型的导是引用的,用来说明这种侧向支撑现象,但本文周向应力则是借用了前人的推导,主要是Sheorey1994.

11)Lz弧帆:"1)高山的产生?2)同一深度水平应力大于垂直应力;3)拱桥的桥墩哪儿来?"1)传统认为是造山运动,而造山的力呢却没人提出来,我这里文章未涉及,但认为造山运动是均衡作用的结果。高山的出现不是为推板块,我文章里说即使没山,是均匀的蛋壳状,也会出现沿圆周方向的力。2)能说明问题,放在桌上的书,对桌子的压力理论上讲,应等于书的重量,但在地层条件,书下面若给个压力计,压力居然小于其重量;而侧面的挤压大于其重量,这就说明了侧向支撑效果。3)相互挤压,和深潜器类比,下潜后,外壳受到很强的挤压,若外壳不是一次成形的,而多块金属壳拼接而成的,则它们相互支撑,如金属壳1的拱桥支点是A与B;而壳2的拱桥基座是B和C。同样对地球模型而言,内部的软流圈之下浮着的岩石圈,若分成多个块体,则相互支撑。如下图所示:

潜水艇模型.jpg

 






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