岩石圈与流变学
岩石圈是地球凉而坚硬的外壳,在地质时间尺度上表现出刚性行为,其流变学(定义岩石是脆性、弹性还是韧性)控制着板块的弯曲、断裂和变形。
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Definition
岩石圈是地球相对较冷、坚硬的外层,由地壳和最上地幔组成,在地质时间尺度上表现出刚性或弹性行为;其流变学描述了其岩石如何变形,从地表附近的脆性破坏到深处的韧性蠕变。
Scope
本主题涵盖岩石圈作为热力学和机械边界层,以及赋予其强度的流变学:通过温度和洋壳随年龄冷却来定义,对载荷的弹性和弯曲响应,以及随深度变化的脆性到韧性转变。它涉及屈服强度包络线,热力学、地震和弹性岩石圈之间的区别,以及决定其强度的变形机制。重点在于使板块构造成为可能的地表外部的强度和机械行为。
Core questions
- 岩石圈是如何从热力学、地震学和力学角度定义的?
- 洋壳如何随着冷却和老化而增厚和沉降?
- 什么是脆性到韧性转变,强度如何随深度变化?
- 岩石圈强度如何控制弯曲和载荷的支撑?
Key concepts
- 岩石圈作为热边界层
- 洋壳的冷却和沉降
- 脆韧性转变和屈服强度包络线
- 弹性和弯曲刚度
- 热力学、地震和弹性岩石圈
Key theories
- 冷却热边界层
- 洋壳是地幔对流的冷上部热边界层;当它远离洋脊时,会以可预测的方式冷却、增厚和沉降,海底深度随年龄的平方根增加。
- 屈服强度包络线
- 岩石圈随深度的强度受限于其凉爽上部的脆性摩擦破坏和深处的韧性蠕变,这定义了一个屈服强度包络线,决定了其有效弹性厚度以及它如何支撑载荷。
Mechanisms
由于岩石强度强烈依赖于温度,凉爽的上地幔抵抗流动并表现为连贯的板块;在地表附近,变形是脆性的,受断层摩擦控制,而更深、更热的岩石则通过韧性蠕变屈服,这些区域之间的转变,连同板块的厚度,决定了其弯曲刚度以及在海山和冰盖等载荷下的弯曲方式。
Clinical relevance
岩石圈流变学控制着地震的发生位置、盆地的沉降方式和山脉的支撑方式,以及固体地球对加载和卸载的响应,为构造解释、盆地分析和冰后期回弹研究提供了信息。
History
强岩石圈位于弱软流圈之上的概念是早期板块构造的核心;随后对洋壳半空间冷却模型、实验室岩石强度研究以及载荷弯曲分析的工作,构建了对岩石圈流变学的现代理解。
Key figures
- Donald Turcotte
- Anthony Watts
- Shun-ichiro Karato
Related topics
Seminal works
- turcotte2014
- watts2001
- karato2008
Frequently asked questions
- 岩石圈和软流圈有什么区别?
- 岩石圈是形成构造板块的凉而刚性的外层,而其下方的软流圈更热、更弱,容易变形,因此板块可以在其上方滑动;边界本质上是热力学和机械的,而非成分上的。
- 为什么海底会随着远离洋中脊而变深?
- 随着洋壳老化并远离洋脊,它会冷却,变得更致密并收缩,因此会下沉;这种冷却和沉降遵循规律的模式,深度大致随岩石圈年龄的平方根增加。