地球科学
地幔环流说2.0
投稿人:李玉民 投稿时间:2025-04-16 22:10 访问量:

靠自身引力维系的高速旋转系统,若缺少外力矩,且有大量物质径向移动,会因角动量守恒向内层角速度大差异旋转进化。把太阳系几大行星看作圈层,各行星公转即为圈层自转,无论角速度还是线速度都随公转半径减小而增大。地球高速自转;内热外冷,通过热对流散热,大量物质热对流径向运动,造成地球圈层由外到内角速度增大。

刚性中间圈、塑性软流圈和刚性岩石圈由内到外分布。三个圈层分别以角速度ω1、ω2和ω3转动,ω1>ω2>ω3。理想情况下塑性软流圈内ω4>ω2>ω5。以岩石圈为参考,软流圈以角速度ω=ω2-ω3>0向东旋转,形成一个东向环形流,故称地幔环流说。

 

                                              

圈层差异旋转示意图

软流圈底部受热上升物质卷入以岩石圈为参考的东向环流中,向下游移动,散热后降落,轨迹简化如图。若以中间圈为参考,则曲线是逆时针方向。曲线是理想化物质热对流运移轨迹,非集中、稳定和持续的大规模地幔流。此为物质分散、间歇升降,借助地球圈层环单向横移,路径交叉的分层热对流模型。

 

软流圈物质热对流轨迹示意图

软流圈相对岩石圈运动过程中受陆根和俯冲板片等岩石圈向下突起阻挡,受迫改变方向和速度,形成地幔导流。软流圈底部受岩石圈下起伏影响弱,东向运动为主;顶部受岩石圈下起伏干扰强,导流为主;在底部拖曳下,顶部有恢复东向趋势。若软流圈上层前方封堵过强,无法导流从侧面绕过,会下潜从深处越过封堵,称为地幔潜流。大陆断陷带和褶皱带LAB面上拱形成地幔流通道。大陆、俯冲板片和克拉通根阻挡地幔流。俯冲板片上有两种板舌窗:单条板舌出现部分破损缺失,如舌端断裂脱离,称为板舌面窗。插入角角度、舌根轴位置或拗型等不同的两条相邻板舌之间的窗口,称为板舌间窗。板舌窗是软流圈撕裂板片的结果,也是物质越过俯冲带的通道。绘制距地表约150km以内的软流圈上层导流粗估图:

软流圈上层导流粗估图

板块运动有径向构造运动和切向平移运动。切向运动分相对运动和绝对运动。相对运动观测精度可达毫米级。地表未找到可靠与中圈相对静止参考物,绝对运动模型不可靠。切向运动分经向运动和纬向运动。古地磁等对经向位置有不同程度定位能力,纬向定位能力差。受力方向决定加速度方向,不决定即时速度方向。板块相对位移是相对速度对时间积分结果,既不代表绝对运动速度反向,更不代表受力反向。以非守恒型边界推测两侧板块受力反向是思维定式。估测软流圈相对岩石圈总体东向运动速度比板块相对运动速度至少高一个量级。

地表剥蚀、搬运、沉积和软流圈对岩石圈的剥蚀、搬运、壅积形成径向剪力是径向构造主驱力。软流圈对陆板有两种典型剥蚀:对地幔流离去侧大面积剥蚀为面状剥蚀,属机械剥蚀。被剥蚀侧塌落,形成高低断带。常发生在大陆东侧,断带近南北向。溯源侵蚀造成蚀面向上游后退,分批形成裂离陆源岛。地幔流受阻挡像河流一样发育通道,为线状剥蚀,化学剥蚀和机械剥蚀双重作用。一般从上游向下游发展,且常循脆弱的前期褶皱构造带展开。常近东西向发育,断带两侧高度差较小。剥蚀造成大陆裂解。软流圈物质运动受阻,产生壅积,壅积造成岩圈下局部顶托力大于重力。强烈壅积可致隆起,甚至破裂,造火山、火山岛弧和褶皱山脉,大面积壅积可造高原。壅积发生在岩石圈底面下凸的地幔流来侧,故火山、火山岛弧和褶皱山脉多在克拉通、大陆和俯冲带西侧。岩石和板块的抗剪强度远低于抗压强度,径向剪力比切向压力更易使板块褶皱和断裂。剥蚀、沉积和壅积不仅产生强大载荷,更因跨距形成强大弯矩,导致岩板褶皱甚至破裂。剥蚀和壅积产生的径向力和岩板弯曲方向一致,效率高。软流圈对板块的拖曳力是板块相对漂移主驱力。拖曳力包括推力和摩擦力。推力主要作用于俯冲带、大陆、陆内克拉通深根地幔流来侧面,与板块面积和质量缺乏相关性,是相对运动主力。地幔流在板块边界不反向,摩擦力与板块面积和质量近正比关系,对相对运动贡献较小。经向非守恒型板块边界多为板块受力近同向和绝对运动速度近同向,速率快慢所致。软流圈对岩石圈拖曳力是切向的,与板块漂移方向一致,效率高。

剥蚀、沉积和壅积都是点滴进行,物质量和引发的径向剪应力缓慢累积。应力累积到极限引发构造运动并得以释放。故构造运动有缓慢发育,急变定型现象。阻挡物上下游物质增减缓慢累积造成对阻挡物推力逐渐增大。通过阻挡物破损或向下游移动得以缓解。径向力与切向力强弱都和软流圈与岩石圈相对速度有关。圈层差速是前期星云收缩、重力分异和热对流在旋转作用下累积和摩擦消耗余量,非即时热对流速度,比估算的热对流速度及板块相对速度高得多。

板块运动能量来源于热能,力间接来自热对流。径向构造和切向平移既有各自的主驱力,径向力和切向力作用又有叠加。岩石圈切向受力主要有两种:一是径向运动物质的切向碰撞,是岩石圈绝对西向运动动力。二是接触面上软流圈对岩石圈拖曳力,因圈层存在相对运动而产生,总体向东,是岩石圈绝对运动阻力,却是板块相对运动动力。

太平洋区域地幔流总体从西向东。马里亚纳俯冲是逆流俯冲,智利俯冲是顺流俯冲。板片受向东推力f推。f推可分解成平行板片的f拉和垂直板片的f压。

太平洋东西俯冲带差异图

洋西侧f推使俯冲带东撤。f拉减小俯冲力。f压向下折曲板片,使贝尼奥夫带倾角增大。f压使洋板弯曲,内周压,外周张,海沟洋侧斜坡上发育张性断层和地堑。软流圈对小增生脊东侧微板块拖曳力形成板块间弱压力。板块间压力小,刮削能力弱,增生楔不发达。大量沉积物、水和气体等进入软流圈,提高熔融度,分异强。板片西侧对东流地幔流斜向上导流,向上导流使上面物质增多,重力加大,向上导流被压制,转而向深处潜流。板片东侧软流圈向东运动,从深处板舌窗通过的地幔流上升补充。洋东侧f推使俯冲带东进。f拉增大俯冲力。f压向上抬升板片,使贝尼奥夫带倾角减小,大陆限制减小程度。f压加大板块间压力。板块间压力大,刮削能力强,增生楔发达。板片下相对贫水等,熔融分异弱。地幔流在板片西侧被斜向下导流,小部分经浅处板舌间窗到板片与陆根之间,大部分从深处板舌窗越过俯冲带和大陆。洋东西两侧板片均阻拦地幔流,形成壅积,产生对岩圈盖板向上压力f壅。西侧壅积在两板块之间,下压俯冲板片,上抬盖板,形成深海沟。上覆单层弱盖板,舌盖东端可活动,壅积物易泄露形成火山岛弧。俯冲板片单独承受东向推力,易撕裂或向下折曲。板片西端折曲,海沟轴东移,壅积区随之东移远离大陆,故造洋内岛弧。太平洋板块不因西端折曲而整体同步西移。东侧壅积在两板块之下,一起抬升,形成浅海沟。壅积区始终追随在大陆侧下方,故造陆内山弧。

地幔环流说从角动量守恒原理和热对流、导流、剥蚀、壅积等自然规律出发,结合地球物质物理-化学特性,推导力和作用,解释现象。地球内热能足够大;因岩石圈和软流圈物化特性,力作用方式和方向高效,且大小有累积能力,足以驱动板块运动。软流圈总体东向运动可以解释构造经纬相关性、东西非对称性和大量构造朝东定向现象。导流可以解释构造非完全经纬相关现象。是唯一能全面合理解释太平洋东西沟弧盆系差异、印度洋四周张压差异、地中海南北造山差异、美洲大陆东西造山差异和MELT资料反映的东太平洋海隆两侧非对称现象等的假说。可以解释特提斯域单向裂解和聚合。分散热对流和径向分异保持地球圈层结构,平移拦截萃取低密度岩浆聚集造大火成岩省。假说基本满足马宗晋提出的地球动力学说三条基本要求。将影响构造学、地质学、地磁学、成矿学、地震学、岩石学等。