地球科学家也爱吃?

提到地球的结构,大家是否会立刻回答:三层,像鸡蛋一样,地壳-地幔-地核。


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然而,事情并不是想象中的那么简单。今天我们就先浅浅地说一说地壳-地幔部分。

地壳的组成离不开岩石。但如果说岩石是弹性的,你会不会很吃惊?



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什么?怎么可能?!岩石那么坚硬,你居然说它是弹性体?


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(图片来自:lepsiageografia.sk)

先别急,让我们加上时间的尺度。俗话说,要以发展的眼光看问题。眼光要放长远不是吗。举个例子,如果以小时这样的尺度来看,你和你的小伙伴去掰一块石板,通常情况下肯定是掰不断的对吧,但是这并不代表这块石板没有变形呀!只是它的变形太太太微小了,根本是看不见的。

但是!如果从地质年代的尺度来看,这里我们动辄就说百万年的(呵,渺小的人类),在这种时间尺度下看,一直承受荷载,也就是说一直在受到力的作用的岩石圈就是弹性的!通俗地讲就是岩石在受到能使它发生破裂的那个力(屈服应力-yield stress)之前的变形,都是随承受的力线性变化的,可以理解为初高中讲的胡克定律,F=kx。


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(图片来自:lepsiageografia.sk)


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青藏高原的一个褶皱(图片来自paleoseismicity.org)

岩石在常压(大气压)、室温下是脆性的(brittle),即岩石可认为近似表现为弹性,直到破裂(fracture)。然而,尽管在浅部和低压的环境下,破裂是岩石很重要的属性,但是在很多其他的情况下,岩石可表现为韧性的、具有延展性的(ductile)。可见,温度、压力还有应变速率(大概可理解为微观尺度下变形的速率)在探究岩石究竟是脆性还是韧性时,是非常重要的条件。


我们知道,随着深度增加,地下的压力和温度都在增加,当岩石所受的来自四面八方的压力(围压)强度达到可使岩石发生脆性破裂时,就会产生脆-韧性转换的状态。为了研究地壳岩石和地幔岩石的这种行为方式,我们就需要用到弹塑性流变学。


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图1 两种流变性强度模型示意图

图中的横轴代表承受的应力,单位MPa(数值对比感受:标准大气压为1.01MPa)纵轴表示深度。

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如上图1a,较弱的下地壳夹于较强的脆韧性转换区(BDT: brittle-ductile transition area)和较强的上地幔之间,这就是“果冻三明治”(jelly sandwich)模型。这个模型既简单又极具说服力,长期以来,在板块构造领域中理解大陆何以变形时具有广泛的应用。


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图2 果冻三明治


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图3 培根芝士三明治

焦糖布丁模型,如图1b,指的是地幔比较弱,承受外力的主要部分是上地壳。


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图4 焦糖布丁,最上面一层的焦糖薄壳比较脆硬

之所以会提出这些不同的模型,是因为在地学研究中,从地震的分布、弹性岩石圈的厚度和流变学数据这三方面会产生不相容的结果。

那么这些模型具体应用在哪里了呢?多说无益,来人呐,上例子。


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比如下图所示:在研究青藏高原的地下流变结构时,有学者的研究结果指出:青藏高原东部的流变强度为“焦糖布丁”型,而再向东到了四川盆地以下,就转变为了“果冻三明治”型。


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图5 来自文献3

另外,在青藏高原中部,分布着一个共轭走滑断层区,在探究这种构造是如何形成的方面,有学者提出,该区域的流变结构表现为三明治型,如下图:


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图6 来自文献4

或者更确切的说是一个横放的三明治。如图6C所示,中间白色的区域属性较为软弱,其南北两侧的灰色区域为比较强硬的块体。在南北向挤压力的作用下,中间较软弱的区域就有可能出现共轭走滑。


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图7 被挤压的三明治和汉堡

看到这里,有没有觉得,地球物理学者们也很爱吃,想到什么模型都能和食物联想起来。啊~汉堡好可爱啊!走啦走啦,现在去吃个可爱的汉堡包吧。

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参考文献

[1] Regenauer-Lieb K, Weinberg R F, Rosenbaum G. The effect of energy feedbacks on continental strength. Nature, 2006.

[2] Burov E B. The equivalent elastic thickness (Te), seismicity and the long-term rheology of continental lithosphere: Time to burn-out “crème brulee”? Insights from large-scale geodynamic modeling. Tectonophysics, 2010.

[3] Lin C, Berntsson F, Zhang Z, et al. Seismically constrained thermo-rheological structure of the eastern Tibetan margin: Implication for lithospheric delamination. Tectonophysics, 2014.

[4] Yin A, Taylor, M H. Mechanics of V-shaped conjugate strike-slip faults and the corresponding continuum mode of continental deformation. Geological Society of America Bulletin, 2011.

[5] Turcotte D L, Schubert, G. Geodynamics Second Edition. Cambridge, 2002.


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