地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度計(jì)算方法綜述

焦亞先 李文正 闕永泉 邱楠生

摘要：地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度體現(xiàn)了長時間尺度上的巖石圈熱學(xué)作用，可以反映地球深部動力學(xué)過程。介紹了地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度的計(jì)算方法，探討了這種方法的參數(shù)選取和影響因素，并對比了地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度與其他類型巖石圈厚度的差異及其原因。結(jié)果表明：地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度的計(jì)算結(jié)果受地殼分層結(jié)構(gòu)、巖石生熱率、巖石熱導(dǎo)率以及地表熱流的影響；地質(zhì)歷史時期內(nèi)的地殼分層結(jié)構(gòu)要結(jié)合巖石學(xué)、巖石地球化學(xué)等領(lǐng)域最新研究成果得出；地表熱流較低（42 mW·m-2）時，巖石圈地幔生熱率對計(jì)算結(jié)果的影響非常顯著，巖石圈地幔生熱率變化0.02 μW·m-3，地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度計(jì)算結(jié)果最高變化40 km，巖石圈地幔熱導(dǎo)率每變化0.2 W·（m·K）-1，地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度變化15 km；地表熱流為60 mW·m-2時，巖石圈地幔生熱率每變化0.02 μW·m-3，地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度變化3 km，巖石圈地幔熱導(dǎo)率每變化0.2 W·（m·K）-1，地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度變化5 km；地表熱流增高1 mW·m-2，地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度約增加3 km；地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度與巖石學(xué)、地震學(xué)巖石圈厚度略有差異，其差異取決于流變邊界層的厚度。

關(guān)鍵詞：巖石圈厚度；地?zé)釋W(xué)；地表熱流；熱導(dǎo)率；生熱率；地殼分層結(jié)構(gòu)；流變邊界層

中圖分類號：P314.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

巖石圈的概念是1914年Barrell相對于軟流圈而提出的，其含義是具有高強(qiáng)度的地球外殼[1]。隨著板塊構(gòu)造理論的發(fā)展，20世紀(jì)六七十年代，巖石圈被定義為若干漂浮于軟流圈之上、在較長地質(zhì)時間尺度上保持剛性的塊體板塊，包括地殼和上地幔高速蓋層[2]。巖石圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)是地幔動力學(xué)及板塊構(gòu)造學(xué)說的基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，廣大學(xué)者已經(jīng)不單純從剛性力學(xué)領(lǐng)域研究巖石圈，而是越來越多地關(guān)注其地震學(xué)結(jié)構(gòu)、溫度、化學(xué)成分、彈性、巖石組成、導(dǎo)電性等多方面的性質(zhì)。地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度體現(xiàn)了長時間尺度上的巖石圈熱學(xué)作用，因此，其厚度定義的標(biāo)準(zhǔn)是較合理的[3]。前人應(yīng)用地?zé)釋W(xué)原理研究巖石圈厚度主要側(cè)重其地質(zhì)意義，對地質(zhì)時期內(nèi)各參數(shù)如何選取以及不同參數(shù)對結(jié)果的影響研究較少。筆者主要從地?zé)釋W(xué)角度闡述了巖石圈厚度的計(jì)算方法，定量探討了不同參數(shù)對計(jì)算結(jié)果的影響，同時綜述了其他方法定義巖石圈厚度的原理，并對比了幾種方法的異同，分析了各種計(jì)算方法產(chǎn)生差異的原因。

1地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度

1.1計(jì)算方法

地?zé)釋W(xué)定義的巖石圈是指以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行熱傳遞的巖石圈層，其下部為以熱對流為主要方式的軟流圈[4]。巖石地球化學(xué)的研究表明，軟流圈處于部分熔融狀態(tài)，其熔融物質(zhì)成分類似于干玄武巖[5]，因此，軟流圈的溫度應(yīng)高于干玄武巖固相線溫度，而巖石圈溫度應(yīng)低于干玄武巖固相線溫度，巖石圈底部溫度應(yīng)等于干玄武巖固相線溫度[5]。依據(jù)此原理，在巖石圈內(nèi)，熱傳導(dǎo)方式遵循一維熱傳導(dǎo)方程

Ti，upper=Ti，lower+qi，upperZi/Ki-

AiZ2i/（2Ki）（1）

式中：Zi為第i層構(gòu)造層的厚度；Ti，upper、Ti，lower分別為第i層構(gòu)造層上、下界面的溫度；Ai為第i層構(gòu)造層的巖石生熱率（

摘要：地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度體現(xiàn)了長時間尺度上的巖石圈熱學(xué)作用，可以反映地球深部動力學(xué)過程。介紹了地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度的計(jì)算方法，探討了這種方法的參數(shù)選取和影響因素，并對比了地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度與其他類型巖石圈厚度的差異及其原因。結(jié)果表明：地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度的計(jì)算結(jié)果受地殼分層結(jié)構(gòu)、巖石生熱率、巖石熱導(dǎo)率以及地表熱流的影響；地質(zhì)歷史時期內(nèi)的地殼分層結(jié)構(gòu)要結(jié)合巖石學(xué)、巖石地球化學(xué)等領(lǐng)域最新研究成果得出；地表熱流較低（42 mW·m-2）時，巖石圈地幔生熱率對計(jì)算結(jié)果的影響非常顯著，巖石圈地幔生熱率變化0.02 μW·m-3，地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度計(jì)算結(jié)果最高變化40 km，巖石圈地幔熱導(dǎo)率每變化0.2 W·（m·K）-1，地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度變化15 km；地表熱流為60 mW·m-2時，巖石圈地幔生熱率每變化0.02 μW·m-3，地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度變化3 km，巖石圈地幔熱導(dǎo)率每變化0.2 W·（m·K）-1，地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度變化5 km；地表熱流增高1 mW·m-2，地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度約增加3 km；地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度與巖石學(xué)、地震學(xué)巖石圈厚度略有差異，其差異取決于流變邊界層的厚度。

關(guān)鍵詞：巖石圈厚度；地?zé)釋W(xué)；地表熱流；熱導(dǎo)率；生熱率；地殼分層結(jié)構(gòu)；流變邊界層

中圖分類號：P314.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

巖石圈的概念是1914年Barrell相對于軟流圈而提出的，其含義是具有高強(qiáng)度的地球外殼[1]。隨著板塊構(gòu)造理論的發(fā)展，20世紀(jì)六七十年代，巖石圈被定義為若干漂浮于軟流圈之上、在較長地質(zhì)時間尺度上保持剛性的塊體板塊，包括地殼和上地幔高速蓋層[2]。巖石圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)是地幔動力學(xué)及板塊構(gòu)造學(xué)說的基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，廣大學(xué)者已經(jīng)不單純從剛性力學(xué)領(lǐng)域研究巖石圈，而是越來越多地關(guān)注其地震學(xué)結(jié)構(gòu)、溫度、化學(xué)成分、彈性、巖石組成、導(dǎo)電性等多方面的性質(zhì)。地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度體現(xiàn)了長時間尺度上的巖石圈熱學(xué)作用，因此，其厚度定義的標(biāo)準(zhǔn)是較合理的[3]。前人應(yīng)用地?zé)釋W(xué)原理研究巖石圈厚度主要側(cè)重其地質(zhì)意義，對地質(zhì)時期內(nèi)各參數(shù)如何選取以及不同參數(shù)對結(jié)果的影響研究較少。筆者主要從地?zé)釋W(xué)角度闡述了巖石圈厚度的計(jì)算方法，定量探討了不同參數(shù)對計(jì)算結(jié)果的影響，同時綜述了其他方法定義巖石圈厚度的原理，并對比了幾種方法的異同，分析了各種計(jì)算方法產(chǎn)生差異的原因。

1地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度

1.1計(jì)算方法

地?zé)釋W(xué)定義的巖石圈是指以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行熱傳遞的巖石圈層，其下部為以熱對流為主要方式的軟流圈[4]。巖石地球化學(xué)的研究表明，軟流圈處于部分熔融狀態(tài)，其熔融物質(zhì)成分類似于干玄武巖[5]，因此，軟流圈的溫度應(yīng)高于干玄武巖固相線溫度，而巖石圈溫度應(yīng)低于干玄武巖固相線溫度，巖石圈底部溫度應(yīng)等于干玄武巖固相線溫度[5]。依據(jù)此原理，在巖石圈內(nèi)，熱傳導(dǎo)方式遵循一維熱傳導(dǎo)方程

Ti，upper=Ti，lower+qi，upperZi/Ki-

AiZ2i/（2Ki）（1）

式中：Zi為第i層構(gòu)造層的厚度；Ti，upper、Ti，lower分別為第i層構(gòu)造層上、下界面的溫度；Ai為第i層構(gòu)造層的巖石生熱率（

摘要：地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度體現(xiàn)了長時間尺度上的巖石圈熱學(xué)作用，可以反映地球深部動力學(xué)過程。介紹了地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度的計(jì)算方法，探討了這種方法的參數(shù)選取和影響因素，并對比了地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度與其他類型巖石圈厚度的差異及其原因。結(jié)果表明：地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度的計(jì)算結(jié)果受地殼分層結(jié)構(gòu)、巖石生熱率、巖石熱導(dǎo)率以及地表熱流的影響；地質(zhì)歷史時期內(nèi)的地殼分層結(jié)構(gòu)要結(jié)合巖石學(xué)、巖石地球化學(xué)等領(lǐng)域最新研究成果得出；地表熱流較低（42 mW·m-2）時，巖石圈地幔生熱率對計(jì)算結(jié)果的影響非常顯著，巖石圈地幔生熱率變化0.02 μW·m-3，地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度計(jì)算結(jié)果最高變化40 km，巖石圈地幔熱導(dǎo)率每變化0.2 W·（m·K）-1，地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度變化15 km；地表熱流為60 mW·m-2時，巖石圈地幔生熱率每變化0.02 μW·m-3，地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度變化3 km，巖石圈地幔熱導(dǎo)率每變化0.2 W·（m·K）-1，地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度變化5 km；地表熱流增高1 mW·m-2，地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度約增加3 km；地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度與巖石學(xué)、地震學(xué)巖石圈厚度略有差異，其差異取決于流變邊界層的厚度。

關(guān)鍵詞：巖石圈厚度；地?zé)釋W(xué)；地表熱流；熱導(dǎo)率；生熱率；地殼分層結(jié)構(gòu)；流變邊界層

中圖分類號：P314.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

巖石圈的概念是1914年Barrell相對于軟流圈而提出的，其含義是具有高強(qiáng)度的地球外殼[1]。隨著板塊構(gòu)造理論的發(fā)展，20世紀(jì)六七十年代，巖石圈被定義為若干漂浮于軟流圈之上、在較長地質(zhì)時間尺度上保持剛性的塊體板塊，包括地殼和上地幔高速蓋層[2]。巖石圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)是地幔動力學(xué)及板塊構(gòu)造學(xué)說的基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，廣大學(xué)者已經(jīng)不單純從剛性力學(xué)領(lǐng)域研究巖石圈，而是越來越多地關(guān)注其地震學(xué)結(jié)構(gòu)、溫度、化學(xué)成分、彈性、巖石組成、導(dǎo)電性等多方面的性質(zhì)。地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度體現(xiàn)了長時間尺度上的巖石圈熱學(xué)作用，因此，其厚度定義的標(biāo)準(zhǔn)是較合理的[3]。前人應(yīng)用地?zé)釋W(xué)原理研究巖石圈厚度主要側(cè)重其地質(zhì)意義，對地質(zhì)時期內(nèi)各參數(shù)如何選取以及不同參數(shù)對結(jié)果的影響研究較少。筆者主要從地?zé)釋W(xué)角度闡述了巖石圈厚度的計(jì)算方法，定量探討了不同參數(shù)對計(jì)算結(jié)果的影響，同時綜述了其他方法定義巖石圈厚度的原理，并對比了幾種方法的異同，分析了各種計(jì)算方法產(chǎn)生差異的原因。

1地?zé)釋W(xué)巖石圈厚度

1.1計(jì)算方法

地?zé)釋W(xué)定義的巖石圈是指以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行熱傳遞的巖石圈層，其下部為以熱對流為主要方式的軟流圈[4]。巖石地球化學(xué)的研究表明，軟流圈處于部分熔融狀態(tài)，其熔融物質(zhì)成分類似于干玄武巖[5]，因此，軟流圈的溫度應(yīng)高于干玄武巖固相線溫度，而巖石圈溫度應(yīng)低于干玄武巖固相線溫度，巖石圈底部溫度應(yīng)等于干玄武巖固相線溫度[5]。依據(jù)此原理，在巖石圈內(nèi)，熱傳導(dǎo)方式遵循一維熱傳導(dǎo)方程

Ti，upper=Ti，lower+qi，upperZi/Ki-

AiZ2i/（2Ki）（1）

式中：Zi為第i層構(gòu)造層的厚度；Ti，upper、Ti，lower分別為第i層構(gòu)造層上、下界面的溫度；Ai為第i層構(gòu)造層的巖石生熱率（