岩石圈

岩石圈是什么

岩石圈是,类地行星或天然卫星的外层,其机械性质是刚性的。在地球上,岩石群是由地壳和上地幔的一部分组成,在数千年或更长的时间尺度上表现出弹性。岩石行星的最外层,即地壳,是根据它的化学组成和矿物学来定义的。

岩石圈下的一层被称为软流圈

地球的岩石圈

岩石圈

图解地壳、地幔及岩石圈。By derivative work: Srimadhav

地球的岩石圈包括地壳和最上面的地幔,构成地球坚硬的外层。岩石圈被细分为构造板块。岩石圈的最上层通过土壤形成过程与大气、水圈和生物圈发生化学反应,被称为土壤圈。岩石圈下面是软流圈,软流圈是上地幔较弱、较热和较深的部分。岩石圈-软流圈边界是由对应力响应的差异定义的:岩石圈在很长一段地质时期内保持刚性,在这段时间内它通过弹性和脆性破坏而变形,而软流圈通过塑性变形而变形并容纳应变。

概念的提出

岩石圈是地球坚固的外层,这一概念是由A.E.H.洛夫在他1911年的专著《地球动力学的一些问题》中提出的,约瑟夫·巴瑞尔进一步发展了这一概念,他写了一系列关于这一概念的论文,并引入了“岩石圈”一词。这一概念是基于大陆地壳上存在明显的重力异常,他由此推断,在能够流动的较弱的层(他称之为软流层)之上,必定存在一个坚固的上层(他称之为岩石圈)。1940年,雷金纳德·奥尔德沃斯·戴利(Reginald Aldworth Daly)在他的开创性著作《地球的强度和结构》(Strength and Structure of the Earth)中进一步阐述了这些观点。它们已被地质学家和地球物理学家广泛接受。强岩石圈基于弱软流圈的概念是板块构造理论的基础。

岩石圈类型

岩石圈有两种类型:

  • 海洋岩石圈,与海洋地壳有关,存在于海洋盆地中(平均密度约为每立方厘米9克)
  • 大陆岩石圈,与大陆地壳有关(平均密度约7克每立方厘米)

岩石圈的厚度被认为是与脆性和粘性行为之间的过渡相联系的等温线的深度。由于橄榄石通常是上地幔中最弱的矿物,因此常采用橄榄石开始粘胶变形的温度(~1000℃)来设定这一等温线。大洋岩石圈的厚度一般在50 – 140公里之间(但在大洋中脊以下并不比地壳厚),而大陆岩石圈的厚度大约在40公里到280公里之间;岩石圈的地幔部分主要由橄榄岩组成。地壳与上地幔的区别在于在莫霍面发生的化学成分的变化。

大洋岩石圈

海洋岩石圈主要由镁铁质地壳和超镁铁质地幔(橄榄岩)组成,比大陆岩石圈密度大,因此地幔与长英质岩石构成的地壳有关。海洋岩石圈随着年龄变老和远离洋中脊而变厚。这种增厚是通过传导冷却发生的,它将热的软流圈转化为岩石圈地幔,并导致海洋岩石圈随着年龄的增长而变得越来越厚且稠密。事实上,大洋岩石圈是地幔对流的热边界层。大洋岩石圈地幔部分的厚度可以近似为一个热边界层,其加厚为时间平方根:

岩石圈增厚和时间的关系

这里,h是大洋地幔岩石圈的厚度, kappa是硅酸盐岩石的热扩散率(大约10−6 m2/s), t是给定岩石圈部分的年龄。年龄常等于L/V,其中L为洋中脊扩展中心的距离,V为岩石圈板块的速度。

在几千万年的时间里,海洋岩石圈的密度低于软流圈,但在这之后,它的密度逐渐超过软流圈。这是因为化学分化的海洋地壳比软流圈轻,而地幔岩石圈的热收缩使其比软流圈密度大。成熟大洋岩石圈的重力不稳定性导致在俯冲带,大洋岩石圈不可避免地下沉到上覆岩石圈之下,上覆岩石圈可以是大洋的,也可以是大陆的。新的大洋岩石圈不断在大洋中脊产生,并在俯冲带被回收回地幔。因此,海洋岩石圈比大陆岩石圈要年轻得多:最古老的海洋岩石圈大约有1.7亿年的历史,而大陆岩石圈的一部分有数十亿年的历史。大陆岩石圈最古老的部分位于克拉通之下,那里的地幔岩石圈比典型的岩石圈更厚、密度更小;这种地幔“克拉通之根”的密度相对较低,有助于稳定这些区域。

俯冲岩石圈

地球物理研究21世纪初的假定,大块的岩石圈俯冲到地幔深度2900公里在地幔边界附近,其他 则“漂浮”在上地幔,有些伸到地幔到400公里但仍与上面的大陆板块相连,类似约旦在1988年提出的“构造圈”的程度。

俯冲岩石圈

By KDS4444Own work, CC BY-SA 4.0, Link

地幔捕虏体

地球科学家可以通过研究金伯利岩、煌斑岩和其他火山通道中形成的地幔捕虏体,直接研究次大陆地幔的性质。对这些捕虏体的历史进行了多种方法的研究,包括对锇和铼同位素丰度的分析。这些研究证实,尽管地幔流动伴随着板块构造,但某些克拉通之下的地幔岩石圈持续存在了30亿年以上。


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