B02 地球的圈層結(jié)構(gòu)與物質(zhì)組成-02地球的熱能與構(gòu)造演化New

地球的起源與演化

IntroductiontoOrigin

andEvolutionoftheEarth黃金水中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽合肥地球的圈層結(jié)構(gòu)與非均勻性

地球的放射性生熱與構(gòu)造演化地球的圈層結(jié)構(gòu)與物質(zhì)組成地球內(nèi)部放射性生熱：宇宙化學(xué)模型：10TW（CU=7.8）地球化學(xué)模型：20TW（CU=21.8）地球動(dòng)力學(xué)模型：30TW（CU=31.8）地球表面熱流地球的表面熱流—陸地陸地平均熱流：65±1.6mW/m2高熱流構(gòu)造區(qū)與海溝相連的火山鏈（Andes）拉張構(gòu)造區(qū)（美國(guó)西部）大部分大陸構(gòu)造帶具有平均熱流（Alps，Himalayas）穩(wěn)定區(qū)域熱流與年齡相關(guān)（放射性元素分布）1/2

是放射性元素產(chǎn)生地球的表面熱流—海洋海洋平均熱流：101±2.2mW/m22%是放射性元素產(chǎn)生地殼薄(0.2)，含量低(0.1)熱流取決于年齡相關(guān)Ac=2.0e8km2; Qc=13e12WAo=3.1e8km2; Qo=31.3e12WA=5.1e8km2; Q=44.3e12Wq=87mW/m2放射性同位素生熱率知道含量可以確定生熱量我們無(wú)法測(cè)量地球內(nèi)部的放射性元素含量，我們又是怎么知道的呢？利用表面熱流估算放射性生熱放些性生熱=地表散熱：Q=H*MMEarth=5.97e24kg;

Q=44.3TW;H=7.42e-12W/kg地核放些性元素含量很低MMantle=4.0e24kg;

Q=44.3TW;H=11.1e-12W/kg地殼放射性元素對(duì)應(yīng)熱流37mW/m2（17%）H=9.22e-12W/kg

36.7TW地幔冷卻（20%）H=7.38e-12W/kg29.5TW放射性同位素生熱率知道含量可以確定生熱量我們無(wú)法測(cè)量地球內(nèi)部的放射性元素含量，我們又是怎么知道的呢？地球的生熱與散熱地表散熱：Q

=

47

TW（44～48）散熱等于生熱：Q=H*M;地球M=6x1024kg;

H=7.42x10-12W/kg地核無(wú)內(nèi)生熱：地幔M=4x1024kg;

H=11.1x10-12W/kg地殼放射性（8

TW;17%）H=9.22x10-12W/kg地幔冷卻（+coreheating?20%;9TW）H=7.38x10-12W/kg(30TW)Q地表=

47

TWQrad=38-8

TWCrust8TWMantel30-8TWQsecQcore

Qcore=

8

TW（Turcotte

and

Schubert,2014）Qsec=

9

TW顧及地核冷卻的估算總內(nèi)生熱30

TWQ地表=

47

TWQrad=

30

TWCrust8TWMantel22TWQsec=9

TWQcore=

8

TW地球的動(dòng)力學(xué)模型地球化學(xué)模型Qrad=

20

TW地幔冷卻速度：10

TW～80?C/Gyr；17

TW～140?C/Gyr；27

TW～210?C/GyrAtwo-layermodel:Q地幔冷卻速度：10

TW～80?C/Gyr；宇宙化學(xué)17

TW～140?C/Gyr；地化27

TW～210?C/Gyr；動(dòng)力學(xué)放射性生熱率帶來(lái)的問(wèn)題1、地幔冷卻速率放射性生熱率帶來(lái)的問(wèn)題1、地幔冷卻速率2、表面動(dòng)力地形3、地核冷卻速度（內(nèi)核大?。〧iveTectonicModesofMantleConvectionandItsImplicationforEarth’sTectonic

EvolutioninHistoryOutlineIntroductionDebatesinpre-cambrainplatetectonicsNumericalsimulationsModelandResultsFivetectonicmodesofmantleconvectionConclusionKorenaga

2013;Paulin

et

a，2018;Zheng2023現(xiàn)今地球內(nèi)部現(xiàn)今地球的板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的典型特征：洋脊和俯沖帶板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與威爾遜循環(huán)重大科學(xué)問(wèn)題：板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)什么時(shí)候開(kāi)始？地球的構(gòu)造演化：共識(shí)與爭(zhēng)議Stern2008，2018;Carwoodetal2018;Zheng&Zhao,2020;Carwood2020;Zheng2023共識(shí)：早期與現(xiàn)在存在差異爭(zhēng)議：停滯、板塊、活動(dòng)？(Hawkesworthet

al.,2016;Stern,2018)(Carwoodet

al.,2018;Carwood,2020)Introduction:Dabatesonpre-cambrainplatetectonics（PalinandSantosh,2021）Introduction:Numericalsimulations(SolomatovandMoresi,1997)(MoresiandSolomatov,1998)Introduction:Numericalsimulations（Tackley,2000a,b,c；Tackley,2023）（Langemeyer,etal,2021,2022）Mallardetal,2016Problemsremian：

PlatetectonicsisthefundamentalprocessthatgovernsthesolidEarth.However,whenplatetectonicsbeganandwhatthepre-platetectonicslookslike?We

trytoanswerthisquestionbyperformingalargenumberofthree-dimensionalnumericalsimulationsinasphericalshell

domain地球的生熱與散熱Q地表=

47

TWQrad=30

TWCrust8TWMantel22TWQsec=9

TWQcore=8

TW地球的動(dòng)力學(xué)模型地球動(dòng)力學(xué)地化化學(xué)宇宙化學(xué)地殼888地幔22122地核81010/15冷卻91727/22

問(wèn)題：1）板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)什么時(shí)候開(kāi)始？2）地球早期的構(gòu)造有何不同（停滯、板塊、活動(dòng)）？3）內(nèi)生熱與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的關(guān)系？Modelandresults3Parameters:(Ra;H;??yield)Freesurface;givenboundaryTRuntoasteadystateNon-platemobile-lid:diffusively

deformedplatesPlate-likemobile-lid:rigidplateswithnarrowtrenchesandridgesEpisodicplate-likemobile-lid:occasionallywitharigidlidEpisodicstagnant-lid:occasionallywithsubductionStagnant-lid:arigidlidFivetectonicmodesofmantleconvection:非板塊移動(dòng)層蓋類(lèi)板塊移動(dòng)層蓋幕式類(lèi)板塊移動(dòng)層蓋幕式停滯層蓋停滯層蓋五種地幔對(duì)流模式Non-platemobile-lid:largerM;relativelysmallerPPlate-likemobile-lid:largerMandPwithlessvariationEpisodicplate-likemobile-lid:

relativelargerPandMwithlargevariations(smallisshort)Episodicstagnant-lid:relativesmallerPandMwithlargevariations(smallislong)Stagnant-lid:smallerMandPMobility(M)andplateness(P)Theyieldstressisthemostimportant;AsRaincreases,therangeofyieldstressforplate-likemobile-lidconvectivemodedecreases,andthetransitionstressdecreases;ThetransitionstressdecreasesasHincrease.PresentEarth:plate-likemobile-lidorepisodicplate-likemobile-lidyieldstressof150–250MPaTheearlierEarth:300Khigher;H4timeslargerEpisodicstagnant-lid

Datafitting:Transitionalyieldingstress上地幔1350

C，下地幔3000~3500

C(Schubert等,2001;Deschamps和Cobden,2022)。早期認(rèn)為下地幔約為5×1021Pas，后續(xù)的研究顯示，下地幔的粘性范圍約在1022~1023Pas，上下地幔的粘性差大約10~1000倍(Schubert等,2001;Steinberger和Calderwood,2006;?í?ková等,2012)。根據(jù)地球化學(xué)預(yù)測(cè)的地球內(nèi)生熱率約為3.4×10

12W/kg，宇宙化學(xué)的結(jié)果為其1/2倍，地球動(dòng)力學(xué)結(jié)果約為其1.5倍(?rámek等,2013)。考慮到我們的模型沒(méi)有顧及絕熱壓縮，并且處于擬穩(wěn)狀態(tài)，當(dāng)今地球的代表性數(shù)值為：上地幔1350

C、下地幔2500

C，下地幔粘性～5×1022Pas，內(nèi)生熱率～5×10

12W/kg?？傻肦ai=106、Ti=0.55，H=7040億年前地球的溫度超過(guò)2000

C，進(jìn)入太古代，溫度降至1500~1600

C，此后溫度緩慢下降(Davies,1993)。來(lái)自地球化學(xué)的估算顯示，太古代地球的溫度介于1500~1800

C，早期冷卻速率很低，地幔溫度主要在元古代開(kāi)始快速下降(Herzberg等,2010)。地球早期的熱狀態(tài)和熱演化過(guò)程仍存爭(zhēng)議(Davies,2009;Herzberg等,2010)，我們假定太古代以前地球溫度比現(xiàn)在高約300

C時(shí)，在Arrhenius公式中取E=360KJ/mol，計(jì)算可得下地幔的粘性大約是早期的65倍。太古代以前地球的代表性數(shù)值取為：Rai=6.5×107、Ti=0.65，H=318。

TheearlyEarthwasintheepisodicstagnantlidconvectivemode,whichmeanssubductionmightstillexistatthattime.Thepresenceoftheepisodicplate-likemobilelidconvectionregimeinEarth’slaterhistoryindicatesthattheremightalsobeintermittentsurfacestagnationduringtheplatetectonics,whichmayprovideanexplanationforthequietperiodoftectonicactivityaround1.0GaoftheEarth.Thisindicatesthatthetectonicinactivityduringageologicalperiodisnotanindicatorthattheplatetectonicsdidnotstart.platetectonicsstartYieldingstress150MP200MPaFastcoolingatearlystage3.8Ga2.0Ga