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法測量地球內(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法測量地球內(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；動力學(xué)放射性生熱率帶來的問題1、地幔冷卻速率放射性生熱率帶來的問題1、地幔冷卻速率2、表面動力地形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)造運動的典型特征：洋脊和俯沖帶板塊構(gòu)造運動與威爾遜循環(huán)重大科學(xué)問題：板塊構(gòu)造運動什么時候開始？地球的構(gòu)造演化：共識與爭議Stern2008，2018;Carwoodetal2018;Zheng&Zhao,2020;Carwood2020;Zheng2023共識：早期與現(xiàn)在存在差異爭議：停滯、板塊、活動？(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地球的動力學(xué)模型地球動力學(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

問題：1）板塊構(gòu)造運動什么時候開始？2）地球早期的構(gòu)造有何不同（停滯、板塊、活動）？3）內(nèi)生熱與構(gòu)造運動的關(guān)系？Modelandresults3Parameters:(Ra;H;??yield)Freesurface;givenboundaryTRuntoasteadystateNon-platemobile-lid:diffusively

deformedplatesPlate-likemobile-lid:rigidplateswithnarrowtrenchesandridgesEpisodicplate-likemobile-lid:occasionallywitharigidlidEpisodicstagnant-lid:occasionallywithsubductionStagnant-lid:arigidlidFivetectonicmodesofmantleconvection:非板塊移動層蓋類板塊移動層蓋幕式類板塊移動層蓋幕式停滯層蓋停滯層蓋五種地幔對流模式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，地球動力學(xué)結(jié)果約為其1.5倍(?rámek等,2013)。考慮到我們的模型沒有顧及絕熱壓縮，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始快速下降(Herzberg等,2010)。地球早期的熱狀態(tài)和熱演化過程仍存爭議(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，在Arrhenius公式中取E=360KJ/mol，計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