B02 地球的圈层结构与物质组成-02地球的热能与构造演化New

地球的起源与演化

IntroductiontoOrigin

andEvolutionoftheEarth黄金水中国科学技术大学安徽合肥地球的圈层结构与非均匀性

地球的放射性生热与构造演化地球的圈层结构与物质组成地球内部放射性生热：宇宙化学模型：10TW（CU=7.8）地球化学模型：20TW（CU=21.8）地球动力学模型：30TW（CU=31.8）地球表面热流地球的表面热流—陆地陆地平均热流：65±1.6mW/m2高热流构造区与海沟相连的火山链（Andes）拉张构造区（美国西部）大部分大陆构造带具有平均热流（Alps，Himalayas）稳定区域热流与年龄相关（放射性元素分布）1/2

是放射性元素产生地球的表面热流—海洋海洋平均热流：101±2.2mW/m22%是放射性元素产生地壳薄(0.2)，含量低(0.1)热流取决于年龄相关Ac=2.0e8km2; Qc=13e12WAo=3.1e8km2; Qo=31.3e12WA=5.1e8km2; Q=44.3e12Wq=87mW/m2放射性同位素生热率知道含量可以确定生热量我们无法测量地球内部的放射性元素含量，我们又是怎么知道的呢？利用表面热流估算放射性生热放些性生热=地表散热：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地壳放射性元素对应热流37mW/m2（17%）H=9.22e-12W/kg

36.7TW地幔冷却（20%）H=7.38e-12W/kg29.5TW放射性同位素生热率知道含量可以确定生热量我们无法测量地球内部的放射性元素含量，我们又是怎么知道的呢？地球的生热与散热地表散热：Q

=

47

TW（44～48）散热等于生热：Q=H*M;地球M=6x1024kg;

H=7.42x10-12W/kg地核无内生热：地幔M=4x1024kg;

H=11.1x10-12W/kg地壳放射性（8

TW;17%）H=9.22x10-12W/kg地幔冷却（+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顾及地核冷却的估算总内生热30

TWQ地表=

47

TWQrad=

30

TWCrust8TWMantel22TWQsec=9

TWQcore=

8

TW地球的动力学模型地球化学模型Qrad=

20

TW地幔冷却速度：10

TW～80˚C/Gyr；17

TW～140˚C/Gyr；27

TW～210˚C/GyrAtwo-layermodel:Q地幔冷却速度：10

TW～80˚C/Gyr；宇宙化学17

TW～140˚C/Gyr；地化27

TW～210˚C/Gyr；动力学放射性生热率带来的问题1、地幔冷却速率放射性生热率带来的问题1、地幔冷却速率2、表面动力地形3、地核冷却速度（内核大小）FiveTectonicModesofMantleConvectionandItsImplicationforEarth’sTectonic

EvolutioninHistoryOutlineIntroductionDebatesinpre-cambrainplatetectonicsNumericalsimulationsModelandResultsFivetectonicmodesofmantleconvectionConclusionKorenaga

2013;Paulin

et

a，2018;Zheng2023现今地球内部现今地球的板块构造运动的典型特征：洋脊和俯冲带板块构造运动与威尔逊循环重大科学问题：板块构造运动什么时候开始？地球的构造演化：共识与争议Stern2008，2018;Carwoodetal2018;Zheng&Zhao,2020;Carwood2020;Zheng2023共识：早期与现在存在差异争议：停滞、板块、活动？(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地球的生热与散热Q地表=

47

TWQrad=30

TWCrust8TWMantel22TWQsec=9

TWQcore=8

TW地球的动力学模型地球动力学地化化学宇宙化学地壳888地幔22122地核81010/15冷却91727/22

问题：1）板块构造运动什么时候开始？2）地球早期的构造有何不同（停滞、板块、活动）？3）内生热与构造运动的关系？Modelandresults3Parameters:(Ra;H;𝛔yield)Freesurface;givenboundaryTRuntoasteadystateNon-platemobile-lid:diffusively

deformedplatesPlate-likemobile-lid:rigidplateswithnarrowtrenchesandridgesEpisodicplate-likemobile-lid:occasionallywitharigidlidEpisodicstagnant-lid:occasionallywithsubductionStagnant-lid:arigidlidFivetectonicmodesofmantleconvection:非板块移动层盖类板块移动层盖幕式类板块移动层盖幕式停滞层盖停滞层盖五种地幔对流模式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)。早期认为下地幔约为5×1021Pas，后续的研究显示，下地幔的粘性范围约在1022~1023Pas，上下地幔的粘性差大约10~1000倍(Schubert等,2001;Steinberger和Calderwood,2006;Čížková等,2012)。根据地球化学预测的地球内生热率约为3.4×10

12W/kg，宇宙化学的结果为其1/2倍，地球动力学结果约为其1.5倍(Šrámek等,2013)。考虑到我们的模型没有顾及绝热压缩，并且处于拟稳状态，当今地球的代表性数值为：上地幔1350

C、下地幔2500

C，下地幔粘性～5×1022Pas，内生热率～5×10

12W/kg。可得Rai=106、Ti=0.55，H=7040亿年前地球的温度超过2000

C，进入太古代，温度降至1500~1600

C，此后温度缓慢下降(Davies,1993)。来自地球化学的估算显示，太古代地球的温度介于1500~1800

C，早期冷却速率很低，地幔温度主要在元古代开始快速下降(Herzberg等,2010)。地球早期的热状态和热演化过程仍存争议(Davies,2009;Herzberg等,2010)，我们假定太古代以前地球温度比现在高约300

C时，在Arrhenius公式中取E=360KJ/mol，计算可得下地幔的粘性大约是早期的65倍。太古代以前地球的代表性数值取为：Rai=6.5×107、Ti=0.65，H=318。

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