1、論地幔中軟流層物質的運動形式談地殼的垂直運動煤炭科學研究總院西安科學院王文祥用全球應力場的演化規律來研究上地幔中軟流層物質的運動形式， 就會對地殼運動的成因及構造行跡的展布規律有著更深層次的認識。 下面談我們對軟流層物質在地質歷史時期中的運動規律。31地球內圈的分層結構利用現代地球物理探測手段，人們對地球內圈的結構分層研究，認識越來越趨于一致。目前根據地震波速在地球內部的演化規律，地球的圈層結構大致提出如下模式。巖石圈：它包括地殼和上地幔的 B 層。厚度在 60 公里左右。其中地殼又分為三層，即沉積層。硅鋁層，硅鎂層。地幔：包括上地幔和下地幔，厚度約為2900 公里。上地幔約為1000公里。如

2、圖。地核：它包括外核、過度層、內核。圖 12地球部分分層示意圖二、有關地幔對流的假說在研究地殼構造運動的動力來源時，我們對地球中的各個圈層最感興趣的就是軟流層。大多數人的現代概念都認為軟流層是由塑性固體介質組成的（其成分相當于二輝橄欖巖），它是物質發生緩慢活動和形變的場所。早在構造地質學研究初期，哈佛奈（W.Hafner ）所建立的斷層成生機制的第三種附加應力，就開始以地殼下面的對流作用來解釋其成因的。有關地殼運動起因在地質學界先后出現的各種假說，如大陸漂移說、 地幔對流說、 洋底擴張說和現今的板塊學說等等都是在地幔中的軟流層上做文章的。至于“地幔對流” 異致剛性巖石圈的移動。現今的間接證據大

3、概有四點。1、分析人造衛星軌道擾動現象，自由大氣重力異常有幾十毫伽，可波及數千公里。如果說剛性的巖石圈板塊處于這樣寬的異常條件的控制下，顯然是不可能的，對于其下面的軟流層來講會更弱一些。因此異常必須是對地幔對流的結果，即向上對流導致了重力異常的產生和它的淺凹形式。2、當巖石圈漂流越過軟流圈的上拱處時，可以產生幅度有一公里或更多些的垂直翹曲。這種現象可以在大陸和大洋盆地中經常看到的。他們是有著重要地質意義的進程，持續時間長短不一， 有的可達1 億年之久。 在某些造陸運動的穹起作用中，他們可能出現于軟流圈的上拱處， 這可能由于地幔對流的分支所引起。有人認為巖石圈中板塊的裂開就是發生在這樣的穹心處。

4、3、現今地熱場的研究，通過對地幔中出來的熱流率的測量，可以看出越靠近海嶺地方熱流率越高，越遠離海嶺的地方熱流率越低。這樣地殼下面地熱場的不均衡也可導致熱點對流。1、 火山活動和地震波測量，均說明地殼下面某些部位確有液相物質存在，這就為熱對流提供了物質基礎。關于地幔對流的形式，其局部形態的縮影都是圖 13 地幔軟硫層對流示意圖一個模式。如圖 13。上面列舉的這些間接證據都是以地殼上面某一較大區域范圍內的地質資料作為依據而進行全球范圍推論的。 有關對流產生的原因，多是從側向密度變化和測向溫度變化來進行解釋的。 局部現象能否反映事物的本質，溫度、密度效應能否作為對流的動力來源，我們可以從下面的試驗中

5、做出判斷。3 3對流現象的邊界條件任何一個物理現象的出現，都要受自己特定的成生條件加以限制。在物質世界中， 對流現象的產生也是一樣。下面我們可以做這樣兩個試驗來對對流現象進行研究。第一個實驗取相同大小的m 個燒杯，使燒杯內所盛物質（水和面粉）的體積相同。第一個杯子里不放面粉，第二個杯子里放5 克面粉，第三個杯子里放10 克面粉，按此種方法一直放到第m 杯。然后各杯子里充水，并充分攪拌均勻，使第m 杯中的面和水成蒸饅時的硬面團塊，放入杯子里。 各杯子底部用小火徐徐加熱。這時我們就會看到，熱的三種傳播方式是不一樣的。在第 1、2、3 等號杯子中，熱的三種傳播方式是以熱傳導和熱輻射的形式出現的。根據

6、熱的傳導公式Q(T2T1 )S（ 32）異熱系數， 兩界面距離， S 界面面積， TT 1 是兩界面溫度， Q 熱量和熱的輻射公式EC0(T) 4（ 33）10010-4， T 輻射體的溫度 輻射體的黑率， C0 輻射常數，它等于 136在低溫情況下， 物體內熱量的傳播主要是以熱傳導熱對流為主。在高溫情況下， 則以熱輻射為主。而中間的杯子中，熱量傳播的方式介于二者之中。這個試驗說明， 當物體內部分子的熱運動的動能大于分子的勢能時，這時由于分子熱運動就會導致物質分子間對流現象的產生。當分子熱運動的動能小于或等于分子間的勢能時，這時分子熱運動就不會導致分子間對流現象的發生，很顯然，靠近第m 杯附近

7、的塑性面團內淀粉顆粒與水分子的勢能要遠大于第1、2、3 等杯子中成稀粥狀淀粉顆粒與水分子之間的勢能。 因此當塑性面團受熱時， 即使在有側向溫差存在的情況下，也不會有物質分子對流現象的產生。第二個試驗如圖 14。（ 1）球 1 與球 2 之間注滿了水，球3 位于球 2 中心處，球2 與球 3 之間是空氣。（2）球 1 與球 2 之間充滿了幾種密度不同的塑性很強的固體介質把球1 與球 2 之間分成截然不同的幾部分。假若是在失重的情況下，我們對球3 均勻加熱，受熱均勻的球 2就通過中間物質把熱量傳給球 1。在（）（）兩種情況下，我們都不會觀察到球1與球2中間物質對流現象的產生。在第種情況下，球2 表

8、面各處溫度均勻。在第種情況下，球1 表面各處溫度稍有差導。圖 14同心球之間熱量的傳遞示意圖上面這一試驗就與我們的地球類似，如果軟流層物質是均一的，即導熱系數是一常數，那么就不存在側向溫度差導，因此就不具備產生對流現象的動力來源。顯然這一假說與地質資料是矛盾的； 在第二種情況下，我們知道地球內部的溫度和壓力都是隨深度的增加而提高6溫度下， 熱量的傳播方式主要是熱輻射，因此盡管軟流層內的物質存在著導熱系數不同，但由于所造成的溫差很小，這可從全球地熱測量資料中得到證實（個別巖漿活動例外）。另外由于軟流層的壓力是如此之大，這時物質分子間的勢能也是相當驚人的，因此由側向溫差效應或側向密度效應并不能對物

9、質分子內部結構進行調整，更談不上物質分子之間的相互運移了，因此該試驗也說明了在地球內部軟流層中并不存在因側向溫度差異或側向密度差異而引起的物質的對流。 下面是對板塊的擴張 （洋隆、 洋中脊） 和板塊的壓縮 （海溝處板塊的俯沖）的解釋。3 4從全球應力場的演化規律來研究軟流層物質的運動前面我們已經對全球平面應力場演化規律作了如下解釋。如圖 7。在一個銀河年內，依次出現六種類型全球應力場，這種平面應力場是以地質體的密度而進行自然分層的。從圖12 中可見，當地殼作為一個層次來處理時，軟流層和B 層就應歸屬為另一個層次了。在討論徑向離心慣性力的時候，公式F m（2） RCOS中的m 是地殼中某一質點的

10、質量，他等于體積與密度的乘積，是地球自轉角速度，是角速度的增量，R 是地球半徑，是引力方向與赤道半徑的夾角。式中F 的大小與球半徑和密度的大小成正比。就軟流層而言，其密度比地殼大，比其底層小，其半徑比地殼小，比其底層大。那么在全球應力場演化的過程中，軟流層中的應力場演化規律也就同地殼中的應力場演化規律相同，但就某一局部軟流層中的“塊體”而言，作用其上的應力大小與其上、 下層中相應的地質體的應力大小相比是不同的，有如下幾種情況；1、上<軟<下2、上<軟>下3、上>軟<下4、上>軟>下其中上、軟、下分別代表作用在上、中、下三層位中相應地質體上的正應力

11、。不管是那一種情況， 我們可以看到， 軟流層中的物質都要在應力作用發生緩慢地塑性變形。由于軟流圈不象地殼那樣，分成若干塊體，在某一時間域的限定之下，其空間域或物質域均不相同。 軟流層是一個整體， 物質域在時間域的限定之下幾乎是相同的，所以在全球應力場作用下， 應力集中帶就落在了應力對稱面的球大園上。在應力場作用下， 軟流層中的物質其運移方向都指向應力集中帶，這樣在該帶上就形成了一個波狀隆起。該帶的隆起就導致了其上的地殼受到了一個垂直向上的力。比如在第A 型應力場中，在赤道附近就形成一個凸起的球大圓， 將地球分成南北兩部分，這時南北兩半球上軟流層內應力的分布是以赤道面作為對稱面的。 隨著應力場沿

12、逆時針方向進行旋轉，凸起的球大圓也要隨之發生緩慢的按逆時針方向進行旋轉。可見整個球體上的應力分布圖15。從圖 15 可以看出，當全球應力場由南北位置轉移到北西南東方向時，南北半球上面的應力狀態只有AB 條帶上可近似認為是對稱的，其它均不對稱。 在 AB 條帶左側， 南半球應力大于北半球應力， 而且越遠離 AB 條帶，應力相差越懸殊。在AB 條帶右側，情況正好相反；北半球應力大于南半球應力，而且越遠離 AB 條帶，應力相差越懸殊。在南、北半球應力出現差異的情況下，軟流層中物質的塑性變形也出現分異， 我們可以分析其中的一個條帶， 就可以推知整個軟流層中物質運移的規律。我們取 AB 條帶右側的第五個

13、條帶進行分析。如圖16，圖 15軟硫層中的球大圓凸起示意圖在第 A 型應力場中，在赤道附近形成一個凸起的球大圓，在A 5B 5 條帶上，凸起的中心線位置是 CD ，凸起的北緣是 C1D 1，凸起的南緣是 C D。當全球應力場由南北方向轉移至北西方向時， 由于北半球上的應力大于南半球上的應力， 從應力的積累和松馳的角度來看，北半球上 A 5B 5 條帶上的應力處于積累狀態，軟流層逐漸由西北向向南東方向運移，在 C1D 1、C2D 2 形成隆起。與此同時，南半球的軟流層物質由于應力處于松弛態CD C D處的突起逐漸消失，這樣凸起的中心線位置就由CD 處運移 C D處，調整后的隆起，使得南半球圖 1

14、6軟硫層中 A 5B 5 條帶的變形分析示意圖上條帶上的應力成對稱分布。無疑，這種隆起位置的調整，越靠近AB帶越不明顯，越遠離AB 帶越明顯。根據AB 條帶在南北方向和北西南東方向上應力大小來分析，可知此時AB 帶上的波峰也隨著方位的調整而逐漸變小，以至最后消失。如此。 至此我們可以看出， 軟流層中凸起的球大園隆起，態分布。球大園隆起在一個銀河年內，圍繞地球運轉A 5B5 條帶是如此，其它條帶也是總是使南北半球上的應力呈對稱狀一周，其演化規律如下圖 17。圖 17不同類型應力場軟硫層中的球大圓凸起示意圖應力場為 A 型時，即圖中的（1）、球大園隆起峰值最大，出現在赤道位置上。當應力場進入第 B

15、 型時，即圖中的（2），球大園隆起峰值變小，出現在北東南西方向上。當應力場進入第 C 型時，球大園隆起開始逐漸消失，即圖中的（3）。當應力場進入第D 型時，球大園隆起已不存在。當應力場進入 E 型時，即圖中的（ 5），球大園隆起開始進入萌芽狀態。當應力場進入 F 型時，即圖中的（ 6），球大園起已明顯形成出現在北西南東方向上。球大園隆起的這種位置變遷就像波在水面上傳遞一樣。這一點正是張伯聲教授波浪鑲嵌說的形成機理和動力來源。 當著球大園隆起所形成的垂向力作用到其上的地殼中時， 就會產生多種地質效應。 這主要決定在時間域限定之下的該區域的空間域和物質域， 即幾何邊界條件，位移邊界條件，應力邊界條

16、件，古構造條件、古地理環境，材料組分的物性特征等等。因此，在球大園隆起的部位，有的可形成巖石圈斷裂，導致巖漿活動，造成熱導常區，有的只形成淺層斷裂；有的形成隆起，遭受風化剝蝕，有的形成凹陷，接受沉積成巖；有的形成褶皺， 有的形成斷陷所有這些， 有的能夠保留下構造形跡可查，有的沒有沒有保留下構造痕跡無法考證。在球大園消失時，也就是全球應力場進入第C、D、E 期時，由于應力自東向西，或自西而東在不同緯度上其大小不一樣，從而使得各板塊上面的應力大小也出現差異，因此在全球范圍內可出現大規模的徑向斷裂或緯向上的轉換斷層。此時同樣也可造成軟流層中靠上部的物質或 B 層發生相變，引起巖漿活動，形成海嶺或海溝

17、。與此同時，重力的均衡代償作用在這三期應力場中也經歷了“產生”、“成長”、“消亡”三個階段。在第D期，重力均衡代償最為明顯，有的地區逐漸上隆，有的地區則出現凹陷或斷陷。以上就軟流圈的整體運動進行了概略分析。下面談談軟流圈的局部運動。從圖12 可以看出， 由于 B 層的存在， 就使得軟流層與 B 層所組成的層體頂部界面出現凹凸不平。再加上地殼中各板塊的幾何界面條件，應力邊界條件和位移邊界條件不同；各板塊對其頂界面所施加的剪應力大小和方向不同， 某些放射性元素的豐度不同而造成的局部熱異常，板塊交接處又有俯沖和仰沖之分等等。這些條件就導致了軟流層上部局部塊段發生各種不協調的形變，從而也導致其上的地殼產生各種地質構造現象