固体地球系统的复杂性与自组织临界性.pdfVIP

第 5 卷 第 4 期 地学前缘( 中国地质大学, 北京) ol. 5 No . 4 1998 年 10 月 Eart h Science Frontiers( China U niversit y of Geoscien ces, Beijing) O ct . 1998 固体地球系统的复杂性与自组织临界性 於崇文 ( 中国地质大学, 北京, 100083) ( 上接第3 期第182 页) 34 属 本主题研究的主要课题有: 行星和地球上的岩浆洋; 地幔对流与壳 幔相互关 系; 洋脊下岩浆的成生与运移; 俯冲带岩浆作用; 地壳岩浆房中岩浆的分异与演化; 地球电动机( geodynamo) 及核 幔耦合与相互作用 地磁场的起源; 地球液态外核 的固结与对流及固态 内核的旋转以及其他问题。从固体地球系统的复杂性与自组织临界性 的视角和国际上的研究现状, 笔者认为以下四个基本问题宜先作进一步的深入探讨。 341 行星和地球上的岩浆洋 关 行星的演化有一种观点认为地球、月球可能还有其它一些类地行星在其形成过程 中曾经历高温条件, 正是这种足以熔化地幔和地核深度中硅酸盐、硫化物和金属的高温生成 了行星规模的岩浆洋( magma oceans) 。我们有理由认为行星分异的本性可能受早期岩浆 洋存在的很大影响。根据现在的认识, 一个具有给定总体成分和大小的初始熔融的地球体 当其固结时应该形成特征的壳、幔和核。固结过程受许多因素的支配, 其中包括冷却速率、 相平衡、结晶分离、相密度关系、流变学和对流方式等( T onks, M elosh, 1993[ 85] ; Warren, 1993[ 86] ; Morse, 1993[ 87] ; Y uen 等, 1993[ 88] ; Solomat ov, Stevenson, 1993[ 89~ 9 1] ) 。反之, 如果一个行星在其形成和演化过程中并未经历广泛的硅酸盐熔融, 则岩浆洋将遵循与以上 不同的分异途径, 并产生一种与初始熔融状态截然不同的辐射状质量分布。换言之, 早期岩 浆洋的存在与否可能是决定类地行星 最后状态的关键。 342 硬湍性热对流( hard turbulent thermal convect ion) 与地幔的热演化 7 8 对 Pr 数无穷大的流体, 当 Ra 数在 10 ~ 10 之间时, 地幔对流向混沌发展, 并且地 幔从软湍流( soft t urbulence) 向硬湍流( hard turbulence) 转变, 与之相应地固态热传输的方式 也改变为以大规模的对流旋卷( convect ion rolls) 和小规模互不连结的热柱为主导。这两种 湍性热对流的流动构造之相互作用与竞争具有高度的复杂性, 并且影响着板块构造、俯冲带 的移动、热点的时 空分布、造山过程、地震和火山作用( Y uen 等, 1993[ 88] ; Balachandar, [ 92] [ 93] [ 94] [ 95] 1992 ; Chossat, Stewart, 1992 ; Fow ler, 1992 ; Y uen , M alevsky, 1992 ; T ur cot te 等, 1992[ 96] ; Peltier, Solheim, 1992[ 97] ; T urcott e, 1992[ 9 8] ) 。 硬湍性热对流反映地幔对流对时间的高度依赖性。它有助 深入了解行星内部的动力 学行为, 特别是早期地球 内岩浆洋中的湍性对流动力学和板块构造型式的转变。 343 洋中脊下岩浆的萃取( 部分熔融) 与运移 古老基底岩石部分熔融时岩浆熔体的萃取和运移之本质是低粘度熔体通过粘滞状蠕