地壳应力起源

摘要

地壳应力起源于岩石圈内部和地幔深部密度横向不均匀,是地球动力学的根本问题之一.本文通过建立求解岩石圈三维力平衡方程的有限元模型,计算这两方面的贡献.对于岩石圈内密度异常对地壳应力的贡献,通过计算岩石圈重力势能的横向差异而得到;而对于深部地幔密度异常的贡献,则利用经过资料约束的三维全球地幔对流模型产生的拖拽力作为底部边界条件,耦合在岩石圈有限元模型中而获得.全球地幔对流模型引入了以大陆主要地质特征和海洋板块冷却机制为依据的横向粘性变化,同时为观测的板块运动方向、板块速度的散度与旋度之比、重力水准面异常和残余地形所约束.我们的地壳应力模型很好的解释了地表观测的应力形态和方向.模拟同时显示,只有合理的地幔的拖拽力和岩石圈内密度变化的组合才能拟合观测资料;坚硬且粘性在横向上变化3～4个数量级的岩石圈模型最符合实际观测;地壳偏应力的量级在20～70MPa之间.最优应力拟合模型还揭示,地幔拖拽力与板块运动之间存在着复杂关系:地幔拖拽力在有些地方驱动板块运动,而在另外一些区域(如北美西部)则阻碍板块运动.