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地球深部过程对岩石圈演化的影响地球深部过程对岩石圈演化的影响 －来自地磁学的证据－来自地磁学的证据 朱日祥朱日祥 中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院地质与地球物理研究所 报告内容报告内容 1 地球内部结构地球内部结构 2 全球动力学事件全球动力学事件－活跃的地球－活跃的地球 3 地磁场与地球内部动力学地磁场与地球内部动力学 1 地球内部结构地球内部结构 www.seismo.unr.edu/.../ class/100/interior.html www.geo.cornell.edu/.../ 101images_fall.html Too Hot Exterior too cold Too Cold 水星金星地球火星木星土星天王星海王星冥王星水星金星地球火星木星土星天王星海王星冥王星 地球是太阳系最具活力的星球，地球是太阳系最具活力的星球， 重要原因是地球有液态的外核重要原因是地球有液态的外核. 产生了一系列地球动力学过程产生了一系列地球动力学过程 太阳 2 全球动力学事件全球动力学事件－活跃的地球－活跃的地球 2.1 地球外核流体运动－地磁场地球外核流体运动－地磁场 地磁极地磁极 地磁场－从地表观测地磁场－从地表观测 geology.asu.edu/.../ deep_earth/deep_earth4.html 地地 球球 外外 核核 地磁场最显著的特征－极性倒转地磁场最显著的特征－极性倒转 现在地磁场现在地磁场78万年前的地磁场万年前的地磁场 地磁极性在地球演化过程中频繁倒转吗地磁极性在地球演化过程中频繁倒转吗 地磁极地磁极 165Ma以来地磁极性倒转序列以来地磁极性倒转序列 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 110 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 165 160 155 150 145 140 135 130 125 120 115 Q Pleistocene Pliocene N e o g e n e Miocene P a l e o g e n e Oligocene Eocene P a l e o g e n e Paleocene L a t e C r e t a c e o u s Maastrichtian Campanian Santonian Coniacian Turonian Cenomanian E a r l y C r e t a c e o u s Albian E a r l y C r e t a c e o u s Aptian Barremian Hauterivian Valanginian Berriasian Middle Jurassic L a t e J u r a s s i c Tithonian Kimmeridgian Oxfordian Callovian MaMa Ma 113 113 拓展 －－地球深部动力学拓展 －－地球深部动力学 水星金星地球火星木星土星天王星海王星冥王星水星金星地球火星木星土星天王星海王星冥王星 太阳 太阳系其他星球是否有磁场太阳系其他星球是否有磁场 Dynamo 300nT No Field No solid inner core Dynamo 50000nT 无发动机过程产生的磁场无发动机过程产生的磁场，但，但在在南半南半球有球有200nT 剩剩磁磁.说明火说明火星星曾曾有有Dynamo,为什么火为什么火星的星的 Dynamo这样快就停止了这样快就停止了 Dynamo 50000nT Dynamo 2000nT Dynamo 2000nT Dynamo 2000nT Hard to say 高温高压高温高压液态液态的地球外核的地球外核 地地幔柱幔柱 Morgan’s mantle plume concept 1972 地地幔柱起源于幔柱起源于CMB上升快上升快 密度低密度低热热低速低速 在地表产生在地表产生热点热点 2.2 地地幔柱幔柱 地地震震学的证据学的证据 Wolfe et al., Nature, 1997 Zhao et al., EPSL, 2001 地地幔柱幔柱与与 非非地地幔柱幔柱学学说争论说争论 Don L Anderson Morgan http//www.http//www.mantleplumesmantleplumes.org/.org/ 存存在在不同源区不同源区的地的地幔柱幔柱 不同类型不同类型的的热点热点 地地幔柱幔柱在地表产生的在地表产生的热点热点 Hot spot 古古地磁研究表地磁研究表明，明，Emperor Seamount 是是81- 47Ma期期 间间太太平洋板块快速平洋板块快速运动运动时，时， Hawaiian plume在地表的在地表的 产物产物 Tarduno et al, Science, 2003 地磁学的证据地磁学的证据 地地幔柱幔柱在地表在地表形成大火成形成大火成岩岩省省 地幔柱地幔柱 岩石圈岩石圈底底部部 地地壳底壳底部部 Global distribution of Large Igneous Provinces LIPs, Coffin Eldholm 1992 大火成大火成岩岩省省的证据的证据 Mantle plume/CMB驱驱动动了了地地幔幔对流对流 www.nps.gov/yell/tours/fountainpaint/hotspot.htm 0 32 128 660 2900 Tarduno et al, EPSL, 2001 北美北美Craton古地磁结果古地磁结果 TPW～～18度度 地磁学的证据地磁学的证据 Wegener 2.3大陆漂移大陆漂移海底扩张海底扩张-新新全球构全球构造造观观 0 32 128 660 2900 非洲非洲 南美 大陆漂移大陆漂移的的古古地磁证据地磁证据 海底扩张海底扩张 0 32 128 660 2900 大火成岩省与生物灭绝大火成岩省与生物灭绝 2.4 深部过程对地表生深部过程对地表生命命过程的影响过程的影响 cDPTr J KTSCar 600 Age Ga Number of families becoming extinct 4002000 200 100 0 400 Deccan Traps Siberian Traps Emeishan basalts 地球深部过程对热河生物群剧生剧灭的影响地球深部过程对热河生物群剧生剧灭的影响 热河生物群复原热河生物群复原 火山灰沉积火山灰沉积 四合屯四合屯 带带 毛毛 恐恐 龙龙 张弥曼张弥曼,2001 Zhu et al., 2005 值值 得得 关关 注注 的的 问问 题题 1200 km 600 km 1700 km 2210 km 410 km 150 km 100 km 地壳 岩石圈 软流圈 地球内部构造地球内部构造 要认识具要认识具有有多种多样多种多样动动 力学过程的地球力学过程的地球, 研究研究 液态液态的地球外核是的地球外核是至关至关 重要重要的的 3 地磁场与地球内部动力学地磁场与地球内部动力学 磁磁倾角剩倾角剩磁磁强度强度 3.1 地磁极性转地磁极性转换换与地球动力学与地球动力学 早期早期对对M－－B极性转极性转换换的测的测定定 Hillhouse et al., EPSL, 1976 中国中国黄土记黄土记录录M－－B极性转极性转换期间换期间地磁场地磁场形态形态学学 极极 性性 转转 换换 过过 程程 由由 多多 次次 快快 速速 倒倒 转转 构构 成成 极极 性性 转转 换换 持持 续续 时时 间间 约约 5 千千 年年 Zhu et al., EPSL, 1994 M- B极性转极性转换记换记录录 南大南大西西洋洋－－10cm/yr Yamazaki et al EPS, 2001 分子分子动力学动力学 地球外核地球外核剪切粘滞剪切粘滞度为度为3.3-0.8710-2Pas 表表明明地球外核磁流体运动过程中地球外核磁流体运动过程中粘滞粘滞力与科力与科里里 奥利奥利力力相比可相比可以以忽略忽略不不计计 地球外核流体的运动是以地球外核流体的运动是以小规模小规模对流对流为为主主, 其运动其运动周周期期与地磁极性转与地磁极性转换换的的持续持续时间时间一致一致 There is no evidence for convection in the outer core if no geomagnetic field Zhang et al., PEPI, 2001 地球动力学地球动力学 地球外核流体的运动是以地球外核流体的运动是以小规模小规模对流对流为为主主 Lay et al_1998 Nature 中国中国黄土记黄土记录录M/B 极性转极性转换换过程过程 南大南大西西洋记洋记录录M/B 极性转极性转换换过程过程 发现发现不同不同地地区记区记 录录的的同同一一极性转极性转 换期间换期间地磁极从地磁极从 统计意义统计意义上上来来说，说， 具具有有环环太太平洋平洋分分 布布特特点点 Zhu et al., CJG, 1995 通通过过比较比较前前人人从理从理论论地地 磁磁得出得出的核的核幔幔界面界面流体流体 运动运动速度速度和和从地从地震震学学得得 出出的的下下地地幔幔结构结构.发现发现 地磁极地磁极变变化化路径路径与与下下地地 幔幔地地震震波波高速区高速区相相对对应应, 这这表表明明 地磁极性倒转地磁极性倒转不不仅仅与外与外 核流体运动核流体运动相相关，关，还受还受 控控于于下下地地幔幔结构的结构的变变化化 3.2 地磁场地磁场强度强度与地球内部过程与地球内部过程 地磁场地磁场变变化与地球深部过程有化与地球深部过程有密密切切的的相相关关性性 地磁倒转地磁倒转, 大陆漂移大陆漂移, 海底扩张海底扩张---方向变方向变化化 强度强度变变化－－与地球深部过程化－－与地球深部过程更更密密切切，但，但测测定定 地质地质历史历史时期时期地球磁场地球磁场古强度古强度的的 理理论论复杂复杂，，难难度大度大 地磁场地磁场古强度古强度测测定定究究竟难竟难在在何处何处 难难在在 要要求求在在实验室仿真实验室仿真自自然然 界获得界获得剩剩磁过程磁过程 实验实验要要求加求加热热无无矿矿物物变变化化 对岩石磁学理对岩石磁学理论论和实验和实验 设备设备与与环境环境的特的特殊殊要要求求 012345 1 2 3 4 5 100 250 330 400 460 520 NRM TRM 0200400600 0 200 400 600 800 0200400600 0 200 400 600 800 1000 温度温度 剩 磁 冷却 加热 根根据据剩剩磁的磁的热热特性特性 提出贫钛提出贫钛的的火山火山岩岩适适于古强度于古强度测测定定 Zhu et al., PEPI, 2001 根根据磁据磁滞回线滞回线测测定定 PSD为为主主的的火山火山岩岩适合适合于古强度于古强度测测定定 Zhu et al., PEPI, 2003 磁面理 Fk2/k3 形态参数 T 磁线理 Lk1/k2 各向异性度 Pk1/k3 T[2a2- a3/a1- a3]- 1, a1lnk1,a2lnk2,a3lnk3 根根据磁据磁组组构的研究构的研究 各向异各向异性性度度较小较小的的火山火山岩岩适合适合于古强度于古强度测测定定 1.001.011.021.031.041.05 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 11.021.041.061.08 - 0.8 - 0.4 0 0.4 0.8 1.2 适合适合区区 Zhu et al., GRL, 2003 SHT15 129.29 2.5 129.1 3.2 129.31 2.9Ma 年年代代学研究学研究-1 辽西火山岩133～105Ma Zhu et al, PEPI,2001,2003, 2004 Zhu et al., EPSL, 2005, CR, 2005 强度强度变变化与倒转频化与倒转频 率率为为负相负相关关 CNS期间期间地磁场地磁场强度强度 趋趋于于稳稳定定 VDM 1022Am 2 λ Age Ma VDM- 0.038t8.3 MeanVDM3.15 R20.75 λ λ 0.087t- 10.23 Mean 2.39 R20.87 80100120140160 0 3 6 0 2 4 6 CNS 地磁场地磁场强度强度研究研究突突破口破口－－CNS 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 110 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 165 160 155 150 145 140 135 130 125 120 115 Q Pleistocene Pliocene N e o g e n e Miocene P a l e o g e n e Oligocene Eocene P a l e o g e n e Paleocene L a t e C r e t a c e o u s Maastrichtian Campanian Santonian Coniacian Turonian Cenomanian E a r l y C r e t a c e o u s Albian E a r l y C r e t a c e o u s Aptian Barremian Hauterivian Valanginian Berriasian Middle Jurassic L a t e J u r a s s i c Tithonian Kimmeridgian Oxfordian Callovian MaMa Ma 113 113 Zhu et al., PEPI, 2003, EPSL,2004 04080120 160 200 240 280 320 360 400 0 2 4 6 8 10 12 14 VDM1022Am2 CNS PCRS 0 2 4 QTr K J T P C D Ma R Rate My- 1 04080120 160 200 240 280 320 360 400 地磁场地磁场强度强度＋＋倒转频倒转频率率 地球内部地球内部＋＋地质构地质构造造 超静超静磁磁带带前－前－强度强度 超静超静磁磁带后带后－－强度强度 04080120160200240280320360400 0 2 4 6 8 10 12 14 VDM1022Am2 CNS PCRS 0 2 4 QTr K J T P C D Ma R Rate My- 1 04080120160200240280320360400 Pangea 俯冲到俯冲到660km冷冷物质物质聚聚积积增增加加至至临临界界值值，，导导致致 上上下下地地幔幔分分层层对流对流状状态态被破坏被破坏，，冷冷物质物质被带被带 到到核核幔幔界面界面，，改改变变了了外核流体运动外核流体运动状状态，态，导导 致致强度强度逐渐增逐渐增加和加和地磁极性倒转频地磁极性倒转频率率逐渐降逐渐降 低低－－超静超静磁磁带带发生发生. Zhu et al., 2004 n 液态液态地球外核物理化学过程是全球动力学地球外核物理化学过程是全球动力学 事件的事件的重要驱重要驱动力动力 n 地磁场是地磁场是认识认识地球内部动力学过程的地球内部动力学过程的重重 要要途途径径之之一一 n 下下地地幔幔下下部结构部结构变变化影响地磁极性倒转化影响地磁极性倒转 和和强度强度变变化化 Conclusion Home page-