Question

地幔对流与俯冲板块的角度问题

Answer 1

俯冲板块的角度问题是板块构造理论中的重要问题，也是典型的地幔对流的例子。利用地震学观测，可以至少从地震震源的分布、地震层析成像和地震波传播Q值分布三个方面来探讨俯冲板块的几何形态、俯冲深度和俯冲角度等问题。

一般物理学知识告诉我们：如果除了重力之外，没有别的力作用于俯冲板块之上，则俯冲板块的角度应当接近于90°，显然这与观测的结果（全球各大俯冲带俯冲角度在20°～90°之间，大多数为45°左右）大不相同，表明必定有重力之外的别的力作用于俯冲板块之上。

图3-6 地幔对流形态模型

作为一个模型，可以用地幔物质流动来讨论俯冲板块下插入“可流动”的地幔中产生的对流以及它们作用在俯冲板块之上的力和重力矩的平衡问题。以一定速度向下俯冲的板块可以延伸无穷远并将地幔分成两个部分：岛弧角部分、海洋角部分。Turcott和Schu⁃bert（1982）用二维流体模型讨论了此问题，他们得出：在俯冲板块的俯冲角为45°时，对于岛弧角一边作用于俯冲板块上的压力为P _D=-8.55μU/r（式中负号表示向上的吸引力），对于海洋角一方而言，作用于下俯冲板块下部的压力为P _H=0.462μU/r（式中正号表示流体向上“托”起下俯冲板块的力）。由此可以看出，无论是岛弧角方面作用于下俯冲板块上表面的吸力；还是作用在其下表面的托力都使其抗拒重力的作用而保持一定的俯冲角度。同时还可以从上述两压力计算公式看出：作用在上表面的吸力比作用于下表面的托力要大一个数量级左右。

俯冲带是板块构造中最为复杂的地域，也是地幔动力学最引人入胜的地方。作为威尔逊循环的重要组成部分之一，岩石圈板块在这里将重新返回地幔之中。有证据表明，在地球表面上运行了将近亿年的海洋岩石圈板块，由于冷却的作用变得坚硬而致密。当它在重新返回地幔时，其内部这一性质将保持很长的时间，至少可以保持到670km的地震波速不连续面附近。与此相反，我们可以从动力学的角度出发去探讨那些作用在俯冲板块上的力的影响，这些力包括：

（1）阻止俯冲板块在地幔中运动的黏滞力，自然这一力受俯冲板块周围地幔岩石及矿物的流变特性和结构的影响。

（2）由于板块以一定的速度插入地幔之中，而其内部热来不及和外部通过传导交换，俯冲板块内部处于绝热自压状态，因此俯冲板块内部的温度将比周围地幔一直保持较低的状态，也就是说俯冲板块内部的岩石密度将比周围大。俯冲板块内部重力、负浮力将牵引俯冲板块向地幔中插入。

（3）俯冲板块在向地幔深处插入运动过程中，其岩石矿物发生相变而产生的热力学力。

这种相变过程不仅可以使俯冲板块物质状态发生变化，而且使其温度以及与之相应的重力负浮力同时发生变化。计算表明：全球范围内每年大约有200～300km³海洋岩石圈沿俯冲带俯冲进入地幔之中，这部分冷而致密的物质所存储的势能可以转化为板块和地幔对流的机械能。当俯冲板块达到670km深度之后，由于该界面处上、下地幔之间黏滞性的差异，其俯冲物质将堆积在界面附近。当堆积物多到一定程度的时候，它将作为整体沉入下地幔之中，而在下地幔之中形成一些冷而致密的块体，所以下地幔中的密度横向不均匀性，可能反映了地幔对流所携带的沉入下地幔的俯冲带物质。这就是地幔对流和现代板块构造的直接联系。