周向应力在地壳运动中的作用

doi:10.13745/j.esf.2020.1.24

摘要/Abstract

摘要：

地壳运动的驱动力一直存在争议。目前虽然提出了很多假说,但这些假说所描述的驱动力数量级均较小,不足以推动地壳运动;另外,大量实际地应力测量表明,水平主压应力在三个地应力分量中最大,被看作地壳“异常”压力,其机理也没有统一的认识。因此,有必要弄清楚地壳运动的动力来源是什么及为什么会出现这种水平应力占主导的现象。受背斜构造或石拱桥的侧向支撑的启发,通过地球模型受力分析得出,地壳作为球壳在自重下会相互挤压,在圆周方向产生很强的周向应力。周向应力大于重力,且由重力派生,和实测的地应力特征是一致的。推测该应力在20 km深处约为900 MPa,足以驱动板块运动(>500 MPa)。因软流圈是可流动的,其上面的岩石圈只要存在薄弱带,该应力就会释放,板块之间从而产生相对运动。整个洋壳和拱桥类似,在该力的作用下,会在俯冲带处下插至陆壳深部,俯冲带就是岩石圈的薄弱区,它因此会承担部分甚至全部洋壳的重量。最后提出,没有独立于重力的、可独立起作用的构造力或碰撞力,周向应力是地壳运动的唯一具有足够数量级的驱动力。

关键词: 周向应力, 板块运动, 地球动力, 地幔对流, 重力, 构造运动

Abstract:

It is still controversial what drives crustal movement. Although there are many competing theories, the magnitude of the driving force described in these theories is too small to drive crustal movement. In addition, many in-situ stress measurements showed that the horizontal principal compressive stress is the largest of the three in-situ stress components and considered as the crustal “anomaly” pressure, however, there is no unified mechanistic explanation for this observation. Therefore, it is necessary to find out what the source of the driving force is and why such horizontal stress dominants. Inspired by anticlinal structures and stone arch bridge that are supported by lateral force, and through stress analysis of the Earth model, we concluded that the crust, as a spherical shell, can experience lateral extrusion from its own weight, which acts as circumferential-direction stress. Consistent with the in-situ measured stress characteristics, this circumferential-direction stress is derived from and greater than gravity. We estimated that the stress is about 900 MPa at 20 km depth, enough for driving plate movement (needs at least 500 MPa). Because, as asthenosphere can flow, stress will be released as long as there is a weak zone in the lithosphere above it, resulting in relative motion between plates. The whole oceanic crust behaves like an arch bridge: under circumferential-direction stress, it can insert into the deep part of the continental crust at the subduction zone, the weak area of the lithosphere, so the subduction zone bears part or even all of the weight of seafloor. Finally, we proposed that there is no structural force or collision force independent of gravity that can work independently, the circumferential-direction stress is the only driving force strong enough for crustal movement.

Key words: circumferential-direction stress, plate movement, geodynamic force, mantle convection, gravity and tectonic movement

中图分类号:

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图/表 13

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梁光河^[57]	地球内部热力	超临界流体爆炸,在地下隐爆或烟花爆炸,地幔上涌后热力驱动,如地幔上涌推动	2017	中国科学院
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Zhang^[58]	热力	超大陆裂解时地幔上涌的力35 MPa,俯冲后退力10 MPa	2018	澳大利亚科廷大学
杨巍然^[59]	开与合相互转化	开合构造	2019	中国地质大学(武汉)

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Turcotte^[11]	膜应力	板块在不同纬度形状会变化Membrane	1973	康奈尔大学
马杏垣^[45]	重力说	重力构造	1981	中国地质大学(北京)
Rampino^[40]	巨大陨石撞击	地质韵律与彗星撞击:诱发深部地幔物质上涌板块放射状扩张	1984	哥伦比亚大学
Royden^[46]	层流模型	青藏地区是大陆汇聚的结果,下地壳太弱,上地壳变形与下地幔运动脱节	1997	剑桥马萨诸塞州技术学院
陈津明^[47]	理论应力	计算理论径向应力和环向应力	1993	成都理工大学
杨志华^[48]	抽拉构造	核元素转化过程中所产生的巨大能量	1993	长安大学
许志琴^[31]	放射性及热		1996	南京大学
Meyerhoff^[34,35,36]	冷收缩、涌流构造	地球收缩引起的岩石圈塌陷	1996
宋贯一^[49]	太阳辐射能	地壳“轧展” 效应	1999	河北地震局
马宗晋^[33]	层块构造热涌	幕式排“浆”,同涌流类似	2000	中国地震局
Schellart^[13]	俯冲拉力	俯冲拉力约41~61 MPa	2004	墨尔本莫纳什大学
黄定华^[50]	地核偏心	地核偏离球心造成动力	2004	中国地质大学(武汉)
李扬鉴^[51]	大陆层控构造说	水平力和重力同时作用	1996	中化集团
Klemperer^[52]	层流模型	重力产生横向流动	2006	斯坦福地球物理系
杨光忠^[8]	楔状动力	地心无限大应力	2007	贵州地调局
Stern^[20]	热边界层(岩石圈)的反向浮力	反向浮力和变形岩石圈与下伏黏性软流圈地幔的耗散作用	2007	得克萨斯大学
崔笃信^[53]	板块碰撞力	青藏高原的主要动力源为印度板块对欧亚板块的碰撞力和与重力势能变化引起的偏应力	2009	中国地震局
李启成^[6]	固体潮	外部力才能起作用	2008	中国地震局工程所
Yoshida^[16]	俯冲拉力		2011	日本Kochi大学
张培震^[19]	认可层流模型,板块相互作用	地壳厚度差、地形高差也能产生横向力	2013	中国地震局
郝晓光^[9]	重力说地幔物质流动	地幔密度异常导致有升有降	2014	中国科学院测量所
李德威^[54]	三级层流	深源岩浆底辟上升是地球垂直运动的主要动力源。地球及其子系统水平运动的主要驱动力是地球内部三个软流层固态流变物质的顺层流动	2000	中国地质大学(武汉)
郑永飞^[55]	发展板块理论	弧下深度(80~160 km)大洋岩石圈的重力下沉	2015	中国科技大学
方曙^[5]	离极力	地转离极作用和旋转半径变化造成的地转不同步作用	2016	内蒙古第十地质矿产勘查院
滕吉文^[29]	放射性及热	内部热能、放射性	2016	中国科学院地质与地球物理研究所
唐春安^[56]	冷收缩、大龟裂	地球内部的热积累造成岩石圈破裂及其由此造成的热量释放,形成地球的周期性热波动,是地壳周期性活动的主要驱动力	2015	大连理工大学
梁光河^[57]	地球内部热力	超临界流体爆炸,在地下隐爆或烟花爆炸,地幔上涌后热力驱动,如地幔上涌推动	2017	中国科学院
万天丰^[41,42]	陨石撞击,地幔羽浮力	大陆裂解,放射状板块运动,碰撞破碎带产生大陆增生	1992	中国地质大学(北京)
Zhang^[58]	热力	超大陆裂解时地幔上涌的力35 MPa,俯冲后退力10 MPa	2018	澳大利亚科廷大学
杨巍然^[59]	开与合相互转化	开合构造	2019	中国地质大学(武汉)

动力类型	所致应力量级	作用方向	特点	地球动力学意义
地幔对流	1 MPa	与地幔对流方向一致	静态	尚在争议与探讨中
重力	1~100 MPa	因具体情况不同而有别	静态	有一定区域性构造意义,其全球性意义体现在洋脊推力上
地幔上涌	35 MPa	向上	静态
热动力	1~10 MPa	垂直于等温线梯度带	静态	有一定区域性构造意义,其全球性意义体现在洋脊推力上
洋脊推力	1~10 MPa	垂直于洋脊走向	静态	驱动全球构造运动的基本动力之一
板块负浮力	1~10 MPa	平行于俯冲方向	静态	在岛弧-海沟带有区域性动力学意义
俯冲拉力	41~61 MPa	水平方向	静态
陆陆碰撞阻力	1~10 Pa	垂直于碰撞带向外	静态	在碰撞带有一定区域性动力学意义
薄膜应力	1 MPa	向内或向外呈放射状环状	静态	对板内张裂可能有一定成因意义
自转变速所致惯性离心力	0.001 MPa	自转加快时向赤道或向西	静态	若应力不能长期积累则无显著构造意义
周期性引潮力	0.01 Pa	周期性变化	交变应力	导致固体潮汐应变,尚对地震有一定触发作用
西向引潮力	0.1 MPa	西向为主	交变应力	驱动全球构造运动的基本动力之一
科里奥利力	≤0.001 Pa	东向或西向	静态为主	对构造变形无显著意义
陨击力	≥100 MPa	垂直主应力与放射状水平应力	瞬间为主	对陨击坑等局部构造成因有明显动力学意义
离极力差	5~8 MPa		静态

动力类型	所致应力量级	作用方向	特点	地球动力学意义
地幔对流	1 MPa	与地幔对流方向一致	静态	尚在争议与探讨中
重力	1~100 MPa	因具体情况不同而有别	静态	有一定区域性构造意义,其全球性意义体现在洋脊推力上
地幔上涌	35 MPa	向上	静态
热动力	1~10 MPa	垂直于等温线梯度带	静态	有一定区域性构造意义,其全球性意义体现在洋脊推力上
洋脊推力	1~10 MPa	垂直于洋脊走向	静态	驱动全球构造运动的基本动力之一
板块负浮力	1~10 MPa	平行于俯冲方向	静态	在岛弧-海沟带有区域性动力学意义
俯冲拉力	41~61 MPa	水平方向	静态
陆陆碰撞阻力	1~10 Pa	垂直于碰撞带向外	静态	在碰撞带有一定区域性动力学意义
薄膜应力	1 MPa	向内或向外呈放射状环状	静态	对板内张裂可能有一定成因意义
自转变速所致惯性离心力	0.001 MPa	自转加快时向赤道或向西	静态	若应力不能长期积累则无显著构造意义
周期性引潮力	0.01 Pa	周期性变化	交变应力	导致固体潮汐应变,尚对地震有一定触发作用
西向引潮力	0.1 MPa	西向为主	交变应力	驱动全球构造运动的基本动力之一
科里奥利力	≤0.001 Pa	东向或西向	静态为主	对构造变形无显著意义
陨击力	≥100 MPa	垂直主应力与放射状水平应力	瞬间为主	对陨击坑等局部构造成因有明显动力学意义
离极力差	5~8 MPa		静态

参数	数值
扇形半径/m	6 370
扇形角度/(°)	10
弹性模量/GPa	50
泊松比	0.25
岩体密度/(kg·m^-3)	2 700