地球物理学专题-板块运动模型-2014

1、地球物理学专题地球物理学专题板块构造运动模型板块构造运动模型 武汉大学武汉大学 许才军许才军 板块构造运动概述板块构造运动概述 板块构造的基本单元板块构造的基本单元 板块构造运动（相对板块构造运动（相对/ /绝对运动）绝对运动） 全球板块运动模型建立方法全球板块运动模型建立方法 地质地球物理方法地质地球物理方法 空间大地测量方法空间大地测量方法板块构造运动模型板块构造运动模型板块构造学说概述板块构造学说概述板块构造学说的发展和创立大致可分板块构造学说的发展和创立大致可分 3 3个阶段：个阶段：19121912年德国学者年德国学者A.L.A.L.魏格纳提出了大陆漂移说，魏格纳提出了大陆漂移说，5

2、050年代古地年代古地磁的研究测得各地在地质时代中的磁极位置变化多端，用大陆磁的研究测得各地在地质时代中的磁极位置变化多端，用大陆固定论无法解释，采用大陆漂移说则可得到圆满解释，大陆漂固定论无法解释，采用大陆漂移说则可得到圆满解释，大陆漂移说随之受到重视。移说随之受到重视。6060年代美国地质学家年代美国地质学家H.H.H.H.赫斯和赫斯和R.S.R.S.迪茨提出了得到海底磁迪茨提出了得到海底磁异常研究支持的海底扩张说，论述了地壳的产生和消亡，并获异常研究支持的海底扩张说，论述了地壳的产生和消亡，并获得深海钻探的验证。得深海钻探的验证。19651965年加拿大学者年加拿大学者J.T.J.T.威

3、尔逊建立转换断层概念并指出，连威尔逊建立转换断层概念并指出，连绵不绝的活动带网络将地球表层划分为若干刚性板，绵不绝的活动带网络将地球表层划分为若干刚性板， 1967-1967-19681968年法国人年法国人 X.X.勒皮雄、美国人勒皮雄、美国人D.P.D.P.麦肯齐将转换断层概念外麦肯齐将转换断层概念外延到球面上，定量地论述了板块运动，确立了板块构造学的基延到球面上，定量地论述了板块运动，确立了板块构造学的基本原理。本原理。 板块构造的基本单元板块构造的基本单元板块构造的基本单元或是组成板块的一部分，或是板块构造中的关板块构造的基本单元或是组成板块的一部分，或是板块构造中的关键地域，主要有：

4、岩石圈，大洋中脊，消减带，转换断层，大陆碰键地域，主要有：岩石圈，大洋中脊，消减带，转换断层，大陆碰撞带，三联点等，其中岩石圈是板块构造的最基本的单元。撞带，三联点等，其中岩石圈是板块构造的最基本的单元。1 1）大大洋中脊洋中脊是板块发散边界之一，它是新生岩石层板块的地方是板块发散边界之一，它是新生岩石层板块的地方。2 2）消减带消减带是板块边界之一，它是板块的汇聚、消亡的地区。一个是板块边界之一，它是板块的汇聚、消亡的地区。一个完整而典型的消减带包括岩石层板块、海沟、火山和弧后扩张盆地完整而典型的消减带包括岩石层板块、海沟、火山和弧后扩张盆地等几个部分等几个部分。3 3）转换断层转换断层是板

5、块边界的一种特殊形式，是联结发散边界和汇聚是板块边界的一种特殊形式，是联结发散边界和汇聚边界的一种板块边界边界的一种板块边界。 转换断层是板块边界的一种特殊形式转换断层是板块边界的一种特殊形式，是联结发散边界和汇聚，是联结发散边界和汇聚边界的一种板块边界边界的一种板块边界 ，它是连接洋脊，它是连接洋脊( (也称中脊也称中脊) )与洋脊、洋脊与洋脊、洋脊与海沟、海沟与海沟的与海沟、海沟与海沟的走向滑动断层，断层错动在其两端突然走向滑动断层，断层错动在其两端突然终止，转换成洋脊的拉张或海沟的挤压终止，转换成洋脊的拉张或海沟的挤压 。转换断层（转换断层（transform faulttransfor

6、m fault） 转换断层（转换断层（transform faulttransform fault） 转换断层与一般平移断层的区别在于：转换断层与一般平移断层的区别在于：平移断层的活动沿断裂带整个长度发生，而转平移断层的活动沿断裂带整个长度发生，而转换断层的错动则局限于脊轴之间的段落（图换断层的错动则局限于脊轴之间的段落（图1 1中中BCBC段），在与脊轴相交处错动骤然终止。段），在与脊轴相交处错动骤然终止。转换断层与平移断层的错动方向恰好相反，如转换断层与平移断层的错动方向恰好相反，如图图1 1所示转换断层为右旋，平移断层为左旋错动。所示转换断层为右旋，平移断层为左旋错动。平移断层持续活动会

7、使两侧脊轴之间的错开幅平移断层持续活动会使两侧脊轴之间的错开幅度越来越大，转换断层的活动却不能使错开幅度度越来越大，转换断层的活动却不能使错开幅度增大。增大。地震资料表明，断裂带地震活动只发生于地震资料表明，断裂带地震活动只发生于BCBC段，段，BCBC段以外则为断裂带被动段落（段以外则为断裂带被动段落（ABAB、CDCD段段) )。转换断层（转换断层（transform faulttransform fault） 板块构造的基本单元板块构造的基本单元 4 4）大陆碰撞大陆碰撞带带同样属于板块的汇聚边界。当两个大陆相遇时同样属于板块的汇聚边界。当两个大陆相遇时由于大陆地壳比重小而阻止其深入地幔

8、之中，结果两大陆产生由于大陆地壳比重小而阻止其深入地幔之中，结果两大陆产生碰撞。碰撞的直接结果为造山运动。两个大陆板块相碰撞，强碰撞。碰撞的直接结果为造山运动。两个大陆板块相碰撞，强烈挤压后被缝合在一起，其出露于地表的接触带称地缝合线烈挤压后被缝合在一起，其出露于地表的接触带称地缝合线。 5 5）三联点三联点是一种特殊的板块边界，它描述了三个板块的边界是一种特殊的板块边界，它描述了三个板块的边界的结合部。通常的形式是洋脊的结合部。通常的形式是洋脊- -洋脊洋脊- -洋脊（洋脊（R-R-RR-R-R），洋脊），洋脊- -转转换断层换断层- -转换断层（转换断层（R-F-FR-F-F），洋脊），洋

9、脊- -海沟海沟- -海沟（海沟（R-T-TR-T-T）。三联）。三联点的板块运动速度必须满足闭合回路条件点的板块运动速度必须满足闭合回路条件：0BAACCBVVV板块构造运动板块构造运动 板块构造学说认为相邻两板块之间的相对运动实际上是围绕通板块构造学说认为相邻两板块之间的相对运动实际上是围绕通过地球中心的一个轴的旋转运动，通常用欧拉定理来表述。过地球中心的一个轴的旋转运动，通常用欧拉定理来表述。刚体绕某一固定点的转动可表示为绕过此固定点的某一瞬轴的刚体绕某一固定点的转动可表示为绕过此固定点的某一瞬轴的转动。如果把地球看成一个球体，把球心看成强制在地球表面转动。如果把地球看成一个球体，把球心

10、看成强制在地球表面上运动的刚性板块运动的固定点，则这些刚体板块的运动可表上运动的刚性板块运动的固定点，则这些刚体板块的运动可表示为绕过球心的某定轴的转动，这个轴即为欧拉轴。示为绕过球心的某定轴的转动，这个轴即为欧拉轴。 板块相对运动板块相对运动 以某一板块为参考的板块运动，称为板块相对运动，包括两个参以某一板块为参考的板块运动，称为板块相对运动，包括两个参数：速度和方向数：速度和方向 板块平面运动板块平面运动 是板块是板块A A相对于板块相对于板块B B的运动速度的运动速度, , 是板块是板块B B相对于板块相对于板块A A的运动速度的运动速度 ABVBAVABBAVVjViVVyxAB板块相

11、对运动板块相对运动 对于板块球面运动，已知两板块之间的相对运动的角速度对于板块球面运动，已知两板块之间的相对运动的角速度 和观测点相对于旋和观测点相对于旋转极的角距离转极的角距离 , ,则则两板块相对运动的速度两板块相对运动的速度为：为： 板块球面运动板块球面运动 sinrv板块边界上的点相对运动速度矢量板块边界上的点相对运动速度矢量 jijiVVVrrr()jijiVrrrrriiiijjjjejiiiijjjnjiRRVRRV)cos(cossinsin(cos)cos(cossinsin(cos)sin(cos)sin(cos22ejinjiijVVVejinjijiVVarctg描述板

12、块运动框架示意描述板块运动框架示意 板块边界带上点的相对运动速度矢量分量公式推导板块边界带上点的相对运动速度矢量分量公式推导 方法方法1 1(1)(1)123123coscoscossinsincoscoscossinsincoscoscossinsincoscoscossinsinjijijijjjjjjjjiiiiiiiiVrrreeeRRReeeRRR板块边界带上点的相对运动速度矢量分量公式推导板块边界带上点的相对运动速度矢量分量公式推导 (2)(2)cossinsincossinsincossinsincossinsincoscossincoscossincoscossincoscos

13、sincoscoscossincossincoscoscoscoscossinxjijjjjiiiiyjijjjjiiiizjijjjjjiiVRRVRRVRR cossincoscosiij 站心坐标框架下速度与地心站心坐标框架下速度与地心坐标框架下速度的相互转换坐标框架下速度的相互转换zyxuenVVVVVVsinsincoscoscos0cossincossinsincossin(3)(3)(2)(2)式代入式代入 (3) (3)式展开整理可得式展开整理可得cossincossinsincoscossincossincoscossincosnjijjjiiiejijjjjiiiiVRRV

14、RR zyxuenVVVVVVsinsincoscoscos0cossincossinsincossin板块边界带上点的相对运动速度矢量分量公式推导板块边界带上点的相对运动速度矢量分量公式推导 0000sincossinsin0coscoscossincoscos0 xxyyzzxyzVzyVzxVyxrrrrrr 方法方法2 2(4)(4)(3)(3)板块边界带上点的相对运动速度矢量分量公式推导板块边界带上点的相对运动速度矢量分量公式推导 考虑考虑(6)(6)sincoscoscoscossincossincossincoscossinsincossincossincossinsincosc

15、oscossinsincossinsincoscosneVRRRVRRRRRR coscoscossinsinxyzsincos0cossinsinsincosxynezVRRVRRR(4)(4)式代入式代入 (3) (3)式展开整理可得式展开整理可得可得可得板块边界带上点的相对运动速度矢量分量公式推导板块边界带上点的相对运动速度矢量分量公式推导 (7)(7)(7)(7)式和式和(6)(6)式可得式可得cossincossinsincoscossincossincoscossincosnjijjjiiiejijjjjiiiiVRRVRR jijijiVrrr 板块绝对运动板块绝对运动 相对于某

16、一与板块无关的参考标架的板块运动，称为绝对板块运动相对于某一与板块无关的参考标架的板块运动，称为绝对板块运动 绝对参考架（绝对参考架（平中圈框架平中圈框架）的确定：）的确定：相对于下层地幔平均位置固定的框架，即假设下层地幔是固定的，或至少相对于下层地幔平均位置固定的框架，即假设下层地幔是固定的，或至少其内部运动相对于板块运动小得多。其内部运动相对于板块运动小得多。实现途径实现途径：Wilson-MorganWilson-Morgan的热点假设：在地幔中存在一系列热点，其位置相对于的热点假设：在地幔中存在一系列热点，其位置相对于下层地幔固定，板块相对热点的运动即为板块的绝对运动，这可通过测量下层

17、地幔固定，板块相对热点的运动即为板块的绝对运动，这可通过测量跨越热点的火山链的年龄和长度得到；跨越热点的火山链的年龄和长度得到；岩石圈无整体旋转岩石圈无整体旋转(No-Net-Rotation)(No-Net-Rotation)假设：如果岩石圈与软流圈的耦假设：如果岩石圈与软流圈的耦合是侧向均匀的，并且板块边界的力矩对称作用于两个相邻板块，则岩石合是侧向均匀的，并且板块边界的力矩对称作用于两个相邻板块，则岩石圈无整体旋转圈无整体旋转( (或叫平均岩石圈或叫平均岩石圈) )参考架就是相对于下层地幔不动的绝对参参考架就是相对于下层地幔不动的绝对参考架，相对于该框架的运动即为板块的绝对运动。考架，相

18、对于该框架的运动即为板块的绝对运动。 全球板块运动模型建立方法全球板块运动模型建立方法 建立板块运动模型的方法建立板块运动模型的方法- -地质地质/ /地球物理方法地球物理方法 a.a.热点假说建立板块运动模型热点假说建立板块运动模型 (AM1-2;HS2-NUVEL-1)(AM1-2;HS2-NUVEL-1) 是第是第i i个火山传播速率或方位角，个火山传播速率或方位角， 是第是第i i个数据的模个数据的模型估计值，它是该板块相对于热点旋转的欧拉矢量型估计值，它是该板块相对于热点旋转的欧拉矢量 的函数，的函数， 是第是第i i个数据的标准差个数据的标准差. .obsidpredidhspla

19、tei 22minihsplateprediobsiddNNR（Not-Net-Rotation）参考框架是基于一种平衡条件：即所）参考框架是基于一种平衡条件：即所有岩石圈板块所受到的力矩总和等于零，也就是说，没有纯力矩有岩石圈板块所受到的力矩总和等于零，也就是说，没有纯力矩作用于整个岩石圈。作用于整个岩石圈。 观测量：观测量： 1)1)相邻板块的相对运动速率观测值：相邻板块的相对运动速率观测值：包括海底扩张速率、汇包括海底扩张速率、汇聚速率和错动速率；聚速率和错动速率； 2)2)板块相对运动方向的主要观测量板块相对运动方向的主要观测量：转换断层方位角和地震：转换断层方位角和地震滑动矢量。滑动

20、矢量。 b.岩石圈无整体旋转参考框架（岩石圈无整体旋转参考框架（NNR）下建立板块运动模型）下建立板块运动模型rVpqpqprqrpqrDFpmD是拖曳系数是拖曳系数 ()Tr FDrr rrrrrr相对于岩石圈参考架整个地球的角动量为零相对于岩石圈参考架整个地球的角动量为零0)(rrdADpppmp两个刚性板块两个刚性板块p和和q在球面的相对运动可以用一个角速度矢量在球面的相对运动可以用一个角速度矢量来表示来表示 pqF作用在岩石圈底部任意部分每单位面积上的拖曳力作用在岩石圈底部任意部分每单位面积上的拖曳力 在整个板块在整个板块P之下的拖曳力矩之下的拖曳力矩 “板块板块”m代表下地幔，相对它

21、的速度为板块的绝对速度代表下地幔，相对它的速度为板块的绝对速度 由矢量变换公式由矢量变换公式 ()()()()()abca c ba b cabca c bb c a rrdArrdArrdALpm)()()(可得可得设设 ，可以得到，可以得到 单位球）( 1rrrrdAALpmpmpp)(coscoscos VSSVSSdiv RdR dSR ndsXYZdXYZdsxyzXdydzYdxdzZdxdy下面推导下面推导 具体表达式具体表达式高斯公式高斯公式 rrdApm)(1231231231 12 23 3()()()(coscoscos)()()()()()(ipmissiisiisii

22、iiiiVVpmPpmVPpmdA rrxrdAxeee dAxdydzedzdxedxdyexxxeee dxyzeee ddVS 单位球上考虑）而而 pmppmppSAL所以所以定义定义 )(pppSIAQ0ppmppQD则在全球岩石圈上的平衡条件为则在全球岩石圈上的平衡条件为pQpm 称第称第P个板块的转动惯量张量，它完全取决于板块个板块的转动惯量张量，它完全取决于板块Q的几何的几何分布，分布， 取决于两板块的相对旋转矢量取决于两板块的相对旋转矢量 ompopm又又ppopppppomQDQD所以所以又因为又因为 ppopppomQQ23()48433pPPpPSVQA ISdAdRRI

23、ppopomQ83所以所以根据岩石圈无整体旋转的条件得出的模型有根据岩石圈无整体旋转的条件得出的模型有MinsterMinster和和JordonJordon导出导出的的AM0-2AM0-2以及由以及由ArgusArgus和和GordonGordon导出的导出的NNR-NUVEL-1ANNR-NUVEL-1A模型模型 板块相对运动板块相对运动NUVEL-1NUVEL-1模型模型(G.J.I,1990,101:425-478)(G.J.I,1990,101:425-478) 板块绝对运动板块绝对运动NUVEL1-NNR模型模型(GRL,1991,18(11):2039-2042) 板块绝对运动板

24、块绝对运动HS2-NUVEL-1HS2-NUVEL-1模型模型(JGR,1990,17(8):1109-1112)(JGR,1990,17(8):1109-1112) NNR-NUVEL-1A,DeMets C, Gordon R, Argus D et al. GRL, 1994, 21: 2191 板块运动模型板块运动模型第五代板块运动模型第五代板块运动模型 ？空间大地测量方法建立板块运动模型空间大地测量方法建立板块运动模型全球板块运动模型全球板块运动模型 NNR-ITRF2000VELNNR-ITRF2000VEL MORVEL (Geologically current plate m

25、otions )MORVEL (Geologically current plate motions )(Demets et al ,Geophys. J. Int.(2010) 181, 180)(Demets et al ,Geophys. J. Int.(2010) 181, 180) 建立板块运动模型的方法建立板块运动模型的方法-空间大地测量方法空间大地测量方法cossinsinsincossincos0 xeynrzVrrrVrrzyxGzyxxyxzyzVVV000sincos0sincossinsincoscoscoscossinsinexnyuzGVVVVVV 建立板块运动模型

26、的方法建立板块运动模型的方法-空间大地测量方法空间大地测量方法1/ 2222arcsin/arctan/xyzzyx 问题问题?mmm欧拉运动参数欧拉运动参数2222222222222222222222222222222(1)()()xyzxyzxyyxzyzxzzxyxyxyyxxyxymmmmmmmmmmm 全球板块运动模型全球板块运动模型NNR-ITRF2000VEL 协议地球参考系应遵循的一条标准是地球参考架定向随时间的演变要满足相协议地球参考系应遵循的一条标准是地球参考架定向随时间的演变要满足相对于地壳无整体对于地壳无整体( (残余残余) )旋转的条件旋转的条件, ,而（朱文耀等）发

27、现而（朱文耀等）发现 ITRF2000ITRF2000参考架不参考架不满足无整体旋转的条件，推导出在构建满足无整体旋转的条件，推导出在构建ITRF参考架时满足无整体旋转的条件参考架时满足无整体旋转的条件方程，建立了新的无整体旋转的全球板块运动模型方程，建立了新的无整体旋转的全球板块运动模型NNR-ITRF2000VELNNR-ITRF2000VEL 在构建在构建ITRF过程中实现参考架无整体旋转过程中实现参考架无整体旋转 1, 用用NNR-NUVELlA地质模型实现地质模型实现Tisserand条件条件 2, 基于全球板块运动模型的基于全球板块运动模型的Tisserand条件条件 3, ITRF2000全球板块运动模型及全球板块运动模型及ITRF2000角动量和的计算角动量和的计算 朱文耀朱文耀等，等，ITRF2000 ITRF2000 的无整体旋转约束及最新全球板块运动模型的无整体旋转约束及最新全球板块运动模型