地球物理學(xué)專題-板塊運(yùn)動(dòng)模型

1、地球物理學(xué)專題 板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)模型 武漢大學(xué) 許才軍,板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)概述 板塊構(gòu)造的基本單元 板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（相對/絕對運(yùn)動(dòng)） 全球板塊運(yùn)動(dòng)模型建立方法 地質(zhì)地球物理方法 空間大地測量方法,板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)模型,板塊構(gòu)造學(xué)說概述,板塊構(gòu)造學(xué)說的發(fā)展和創(chuàng)立大致可分3個(gè)階段： 1912年德國學(xué)者A.L.魏格納提出了大陸漂移說，50年代古地磁的研究測得各地在地質(zhì)時(shí)代中的磁極位置變化多端，用大陸固定論無法解釋，采用大陸漂移說則可得到圓滿解釋，大陸漂移說隨之受到重視。 60年代美國地質(zhì)學(xué)家H.H.赫斯和R.S.迪茨提出了得到海底磁異常研究支持的海底擴(kuò)張說，論述了地殼的產(chǎn)生和消亡，并獲得深海鉆探的驗(yàn)證。 1965年

2、加拿大學(xué)者J.T.威爾遜建立轉(zhuǎn)換斷層概念并指出，連綿不絕的活動(dòng)帶網(wǎng)絡(luò)將地球表層劃分為若干剛性板，1967-1968年法國人X.勒皮雄、美國人D.P.麥肯齊將轉(zhuǎn)換斷層概念外延到球面上，定量地論述了板塊運(yùn)動(dòng)，確立了板塊構(gòu)造學(xué)的基本原理。,板塊構(gòu)造的基本單元,板塊構(gòu)造的基本單元或是組成板塊的一部分，或是板塊構(gòu)造中的關(guān)鍵地域，主要有：巖石圈，大洋中脊，消減帶，轉(zhuǎn)換斷層，大陸碰撞帶，三聯(lián)點(diǎn)等，其中巖石圈是板塊構(gòu)造的最基本的單元。 1）大洋中脊是板塊發(fā)散邊界之一，它是新生巖石層板塊的地方。 2）消減帶是板塊邊界之一，它是板塊的匯聚、消亡的地區(qū)。一個(gè)完整而典型的消減帶包括巖石層板塊、海溝、火山和弧后擴(kuò)張盆地

3、等幾個(gè)部分。 3）轉(zhuǎn)換斷層是板塊邊界的一種特殊形式，是聯(lián)結(jié)發(fā)散邊界和匯聚邊界的一種板塊邊界。,轉(zhuǎn)換斷層是板塊邊界的一種特殊形式，是聯(lián)結(jié)發(fā)散邊界和匯聚邊界的一種板塊邊界 ，它是連接洋脊(也稱中脊)與洋脊、洋脊與海溝、海溝與海溝的走向滑動(dòng)斷層，斷層錯(cuò)動(dòng)在其兩端突然終止，轉(zhuǎn)換成洋脊的拉張或海溝的擠壓 。,轉(zhuǎn)換斷層（transform fault）,轉(zhuǎn)換斷層（transform fault）,轉(zhuǎn)換斷層與一般平移斷層的區(qū)別在于： 平移斷層的活動(dòng)沿?cái)嗔褞д麄€(gè)長度發(fā)生，而轉(zhuǎn)換斷層的錯(cuò)動(dòng)則局限于脊軸之間的段落（圖1中BC段），在與脊軸相交處錯(cuò)動(dòng)驟然終止。 轉(zhuǎn)換斷層與平移斷層的錯(cuò)動(dòng)方向恰好相反，如圖1所示轉(zhuǎn)換斷

4、層為右旋，平移斷層為左旋錯(cuò)動(dòng)。 平移斷層持續(xù)活動(dòng)會(huì)使兩側(cè)脊軸之間的錯(cuò)開幅度越來越大，轉(zhuǎn)換斷層的活動(dòng)卻不能使錯(cuò)開幅度增大。 地震資料表明，斷裂帶地震活動(dòng)只發(fā)生于BC段，BC段以外則為斷裂帶被動(dòng)段落（AB、CD段)。,轉(zhuǎn)換斷層（transform fault）,板塊構(gòu)造的基本單元,4）大陸碰撞帶同樣屬于板塊的匯聚邊界。當(dāng)兩個(gè)大陸相遇時(shí)由于大陸地殼比重小而阻止其深入地幔之中，結(jié)果兩大陸產(chǎn)生碰撞。碰撞的直接結(jié)果為造山運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)大陸板塊相碰撞，強(qiáng)烈擠壓后被縫合在一起，其出露于地表的接觸帶稱地縫合線。 5）三聯(lián)點(diǎn)是一種特殊的板塊邊界，它描述了三個(gè)板塊的邊界的結(jié)合部。通常的形式是洋脊-洋脊-洋脊（R-R-R

5、），洋脊-轉(zhuǎn)換斷層-轉(zhuǎn)換斷層（R-F-F），洋脊-海溝-海溝（R-T-T）。三聯(lián)點(diǎn)的板塊運(yùn)動(dòng)速度必須滿足閉合回路條件：,板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng),板塊構(gòu)造學(xué)說認(rèn)為相鄰兩板塊之間的相對運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是圍繞通過地球中心的一個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通常用歐拉定理來表述。 剛體繞某一固定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)可表示為繞過此固定點(diǎn)的某一瞬軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。如果把地球看成一個(gè)球體，把球心看成強(qiáng)制在地球表面上運(yùn)動(dòng)的剛性板塊運(yùn)動(dòng)的固定點(diǎn)，則這些剛體板塊的運(yùn)動(dòng)可表示為繞過球心的某定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)軸即為歐拉軸。,板塊相對運(yùn)動(dòng),以某一板塊為參考的板塊運(yùn)動(dòng)，稱為板塊相對運(yùn)動(dòng)，包括兩個(gè)參數(shù)：速度和方向,板塊平面運(yùn)動(dòng),是板塊A相對于板塊B的運(yùn)動(dòng)速度, 是板塊B相對于

6、板塊A的運(yùn)動(dòng)速度,板塊相對運(yùn)動(dòng),對于板塊球面運(yùn)動(dòng)，已知兩板塊之間的相對運(yùn)動(dòng)的角速度 和觀測點(diǎn)相對于旋 轉(zhuǎn)極的角距離 ,則兩板塊相對運(yùn)動(dòng)的速度為：,板塊球面運(yùn)動(dòng),板塊邊界上的點(diǎn)相對運(yùn)動(dòng)速度矢量,描述板塊運(yùn)動(dòng)框架示意,板塊邊界帶上點(diǎn)的相對運(yùn)動(dòng)速度矢量分量公式推導(dǎo),方法1,(1),板塊邊界帶上點(diǎn)的相對運(yùn)動(dòng)速度矢量分量公式推導(dǎo),(2),站心坐標(biāo)框架下速度與地心坐標(biāo)框架下速度的相互轉(zhuǎn)換,(3),(2)式代入 (3)式展開整理可得,板塊邊界帶上點(diǎn)的相對運(yùn)動(dòng)速度矢量分量公式推導(dǎo),方法2,(4),(3),板塊邊界帶上點(diǎn)的相對運(yùn)動(dòng)速度矢量分量公式推導(dǎo),考慮,(6),(4)式代入 (3)式展開整理可得,可得,板塊

7、邊界帶上點(diǎn)的相對運(yùn)動(dòng)速度矢量分量公式推導(dǎo),(7),(7)式和(6)式可得,板塊絕對運(yùn)動(dòng),相對于某一與板塊無關(guān)的參考標(biāo)架的板塊運(yùn)動(dòng)，稱為絕對板塊運(yùn)動(dòng),絕對參考架（平中圈框架）的確定： 相對于下層地幔平均位置固定的框架，即假設(shè)下層地幔是固定的，或至少其內(nèi)部運(yùn)動(dòng)相對于板塊運(yùn)動(dòng)小得多。 實(shí)現(xiàn)途徑： Wilson-Morgan的熱點(diǎn)假設(shè)：在地幔中存在一系列熱點(diǎn)，其位置相對于下層地幔固定，板塊相對熱點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)即為板塊的絕對運(yùn)動(dòng)，這可通過測量跨越熱點(diǎn)的火山鏈的年齡和長度得到； 巖石圈無整體旋轉(zhuǎn)(No-Net-Rotation)假設(shè)：如果巖石圈與軟流圈的耦合是側(cè)向均勻的，并且板塊邊界的力矩對稱作用于兩個(gè)相鄰板塊

8、，則巖石圈無整體旋轉(zhuǎn)(或叫平均巖石圈)參考架就是相對于下層地幔不動(dòng)的絕對參考架，相對于該框架的運(yùn)動(dòng)即為板塊的絕對運(yùn)動(dòng)。,全球板塊運(yùn)動(dòng)模型建立方法,建立板塊運(yùn)動(dòng)模型的方法-地質(zhì)/地球物理方法 a.熱點(diǎn)假說建立板塊運(yùn)動(dòng)模型 (AM1-2;HS2-NUVEL-1) 是第i個(gè)火山傳播速率或方位角， 是第i個(gè)數(shù)據(jù)的模 型估計(jì)值，它是該板塊相對于熱點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的歐拉矢量 的函數(shù)， 是第i個(gè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差.,NNR（Not-Net-Rotation）參考框架是基于一種平衡條件：即所有巖石圈板塊所受到的力矩總和等于零，也就是說，沒有純力矩作用于整個(gè)巖石圈。 觀測量： 1)相鄰板塊的相對運(yùn)動(dòng)速率觀測值：包括海底擴(kuò)張速率

9、、匯聚速率和錯(cuò)動(dòng)速率； 2)板塊相對運(yùn)動(dòng)方向的主要觀測量：轉(zhuǎn)換斷層方位角和地震滑動(dòng)矢量。,b.巖石圈無整體旋轉(zhuǎn)參考框架（NNR）下建立板塊運(yùn)動(dòng)模型,D是拖曳系數(shù),相對于巖石圈參考架整個(gè)地球的角動(dòng)量為零,兩個(gè)剛性板塊p和q在球面的相對運(yùn)動(dòng)可以用一個(gè)角速度矢量 來表示,作用在巖石圈底部任意部分每單位面積上的拖曳力,在整個(gè)板塊P之下的拖曳力矩,“板塊”m代表下地幔，相對它的速度為板塊的絕對速度,由矢量變換公式,可得,設(shè) ，可以得到,下面推導(dǎo) 具體表達(dá)式,高斯公式,而,所以,定義,則在全球巖石圈上的平衡條件為,稱第P個(gè)板塊的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量張量，它完全取決于板塊Q的幾何 分布， 取決于兩板塊的相對旋轉(zhuǎn)矢量,又

10、,所以,又因?yàn)?所以,根據(jù)巖石圈無整體旋轉(zhuǎn)的條件得出的模型有Minster和Jordon導(dǎo)出的AM0-2以及由Argus和Gordon導(dǎo)出的NNR-NUVEL-1A模型,板塊相對運(yùn)動(dòng)NUVEL-1模型(G.J.I,1990,101:425-478),板塊絕對運(yùn)動(dòng)NUVEL1-NNR模型 (GRL,1991,18(11):2039-2042),板塊絕對運(yùn)動(dòng)HS2-NUVEL-1模型(JGR,1990,17(8):1109-1112),NNR-NUVEL-1A,DeMets C, Gordon R, Argus D et al. GRL, 1994, 21: 2191,板塊運(yùn)動(dòng)模型,第五代板塊運(yùn)動(dòng)

11、模型 ？,空間大地測量方法建立板塊運(yùn)動(dòng)模型 全球板塊運(yùn)動(dòng)模型 NNR-ITRF2000VEL MORVEL (Geologically current plate motions ) (Demets et al ,Geophys. J. Int.(2010) 181, 180),建立板塊運(yùn)動(dòng)模型的方法-空間大地測量方法,建立板塊運(yùn)動(dòng)模型的方法-空間大地測量方法,問題,歐拉運(yùn)動(dòng)參數(shù),全球板塊運(yùn)動(dòng)模型NNR-ITRF2000VEL,協(xié)議地球參考系應(yīng)遵循的一條標(biāo)準(zhǔn)是地球參考架定向隨時(shí)間的演變要滿足相對于地殼無整體(殘余)旋轉(zhuǎn)的條件,而（朱文耀等）發(fā)現(xiàn) ITRF2000參考架不滿足無整體旋轉(zhuǎn)的條件，推

12、導(dǎo)出在構(gòu)建ITRF參考架時(shí)滿足無整體旋轉(zhuǎn)的條件方程，建立了新的無整體旋轉(zhuǎn)的全球板塊運(yùn)動(dòng)模型NNR-ITRF2000VEL,在構(gòu)建ITRF過程中實(shí)現(xiàn)參考架無整體旋轉(zhuǎn),1, 用NNR-NUVELlA地質(zhì)模型實(shí)現(xiàn)Tisserand條件 2, 基于全球板塊運(yùn)動(dòng)模型的Tisserand條件 3, ITRF2000全球板塊運(yùn)動(dòng)模型及ITRF2000角動(dòng)量和的計(jì)算,朱文耀等，ITRF2000 的無整體旋轉(zhuǎn)約束及最新全球板塊運(yùn)動(dòng)模型NNR-ITRF2000VEL, 第33 卷 增 刊SCIENCE IN CHINA ( Series D ),用NNR-NUVELlA地質(zhì)模型實(shí)現(xiàn)Tisserand條件,相對于這個(gè)參考架整個(gè)地球的角動(dòng)量為零 :,國際協(xié)議地球參考系的定義采用相對于地殼無整體旋轉(zhuǎn),NNR-NUVELlA全球地質(zhì)板塊運(yùn)動(dòng)模型滿足Tisserand條件,可以利用速度7參數(shù)轉(zhuǎn)換公式將ITRF速度場轉(zhuǎn)換到NNR-NUVELlA模型的速度場上，使ITRF滿足Tisserand條件,基于全球板塊運(yùn)動(dòng)模型的Tisserand條件,全球地殼共劃分有14個(gè)大板塊,利用ITRF2000中的速度場計(jì)算板塊的歐拉矢量,小板塊由于臺(tái)站數(shù)量不夠，歐拉矢量口不能直接確定，