岩石圈动力学定量研究
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发布时间：2022-05-19 11:49
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时间：2023-10-11 12:58
一、岩石圈动力学研究的几个重要历史阶段
1.*漂移、刚性板块构造（1910～1968）
魏格纳从非洲和南美*边界几何相似性提出的*漂移假说起，一直到二战结束后大规模海底地形调查发现大洋中脊两侧火山岩地形图、磁性图、火山岩年龄图的对称性和全球地震分布的关系，才诞生了板块构造理论，而且是在岩石圈板块刚性的认识基础上，通过驱动机制假说完善了这个理论。板块构造理论解释了95%的发生在板块边界的地质现象，比如大洋中脊、俯冲带、岛弧、弧后盆地、板块碰撞造山带、增生楔等。威尔逊旋回阐述了洋壳板块从扩张到消亡的演化过程。特别是全球成矿带的分布和成矿类型与板块结合带的分布和性质密切关联。
但是板块构造理论的局限性在于岩石圈刚性的假定，而事实上人类认识到岩石圈从流变学性质角度可以分为上下两层（Scholz,1990），上部脆性的断裂组层强度主要受破裂强度控制，遵守Byerlee法则。下部韧性的塑性层主要体现流变性，遵守流动法则。在造山带，随着时间的持续，岩石圈的流变变形可以用Newton体和Maxwell体流变本构方程去描述应力和应变关系，而且应变速率与时间关系极为密切。
2.软板块构造（1987～1996）
在1987～1996年，岩石圈刚性的假定由于多个原因被批判，主要因为它不适合解释*构造而更适合大洋构造（Moller,1988），因为洋壳板块比*板块强度大。从岩石的流变学实验证据表明板块构造理论适合洋壳板块而不适合*板块内部。海洋大地水准面监测卫星资料强有力地支持*板块内部变形明显不同于洋壳板块。从区别刚性岩石圈板块的角度，用软板块理论解释*板块内部变形的基础是*岩石圈弹塑性流变模型，而区别于大洋岩石圈的黏弹性流变模型。
3.超板块构造（1980～）
由于外层空间行星研究的进展，人类从更宽广的视野整体考虑银河系中地球的岩石圈、大气圈、水圈和生物圈的相互作用，认为地球的各层圈在宇宙中是开放系统，经典的板块构造理论应该变革为碰撞理论（impact theory），进而合理地考虑科学的各分支，比如逻辑学、数学、社会科学。摈弃经典的线性系统思维，代之非线性动力学系统考虑。
二、岩石圈动力学定量研究时代的重要标志
1.两本重要著作
2002年，Springer出版社出版了葡萄牙里斯本大学地质系Antonio Ribeiro教授编写的专著《Soft Plate and Impact Tectonics》。该专著从全球构造理论的回顾、全球构造与刚性板块—基础和局限性、全球构造与变形板块、威尔逊旋回回顾、地球作为一个开放的动力学系统等五个方面论述了软板块和碰撞构造的主要观点。他从大洋岩石圈布丁体对增加的非地震应变、大洋岩石圈的均匀性缩短、岩石圈扭曲、黏弹性回弹、地震中破裂空间的构造意义、对于断裂用Scaling定律描述不连续变形中的有限应变和增加应变、有限动力学和板内应变、大洋和*岩石圈流变、驱动机制、*岩石圈随着时间变量的机制响应等多方面论述了大洋和*岩石圈变形的应力应变关系（本构关系），并且提供了不同构造地区、不同层次岩石变形参数，如泊松比、弹性模量、黏性系数、平均剪切应力等。从应力应变关系的角度重新理解威尔逊旋回不同阶段岩石圈变形。尽管在一些重要领域仍然过多地用文字描述，但是它已经表明用数学方法、流变学理论去理解岩石圈变形的基本思想，为进入定量研究岩石圈动力学奠定了原则基础。
2007年，Springer出版社出版了奥地利盖兹大学Kurt Stuwe的专著《Geodynamics of the lithosphere》第二版。虽然这是一本非常明显带有教科书性质的专著，主要原理与我国20世纪90年代出版的教材《岩石力学性质与构造应力场》相同，但是该专著从板块构造角度理解地球层圈的几何学、动力学、层圈机制、地球内部热量产生与温度、地热梯度及对岩石力学性质的影响、变质作用过程、岩浆作用过程、层圈变形形态与运动学、大洋和*岩石圈流变学应力应变关系等完全用数学化的应力—应变—几何—时间方程去描述地球不同构造带，比如*拉张环境下盆地沉降机制、盆地类型、沉降分析、*拉张本构模型；比如碰撞带中的*的热演化、机制描述、造山楔；比如大洋玄武岩和地幔柱、地幔岩石圈分层、低压高温变质作用、高压变质作用、构造超压等，以及在所有情况下适合的数学工具。
2.分层分区分带流变本构方程条件的约束
在不同构造单元建立本构方程，求解随时间变量的物质运动学规律，需要设定初始条件、应力级别、边界条件、随时间变化或者随热流变化的黏性系数、泊松比等。在任何构造单元建立本构方程和设定初始条件已经有明确的模型。
三、岩石圈动力学定量研究可能产生的重大影响
1.基于流变力学的造山带动力学理论和造山带精细结构
不同类型的造山带具有不同的结构。参与造山作用的不同岩石、影响的层圈深度、地热梯度都会导致岩石力学性质的差异。造山作用时间、应力方式、边界条件等因素都将导致造山带精细结构的巨大区别。
2.重要成矿带矿床就位精细结构
在不同类型和结构的造山带中，矿床就位的空间除了受造山带精细结构的制约，还受成矿类型的制约，比如与岩体有关的矿床（斑岩型、超基性岩型）、与断裂有关的热液脉型矿床、与沉积作用有关的层控型矿床等。
3.造山带和矿床就位精细结构的数值模拟（基于热场、流体场、流变应力场、应变场的动力学研究）
近20年来，具有热场、流体场、流变应力场、应变场联合计算模块的大型软件已经从最初的固体工程学应用领域拓展到构造地质学领域，并且有单模块成功应用的实例。目前面临的问题是，在已经具有较好研究基础的地区，开展多模块联合模拟并且用一些实例去检验和修正模拟参数，使之成为矿床就位精细结构预测的有效工具。
（于海峰执笔）
