天文地球动力学

天文地球动力学郑大伟（中国科学院上海天文台２０００３０）关键词　地球自转，极移，天文地球动力学天文地球动力学是用天文手段测定和研究地球各种运动状态及其力学机制的一门学科。它所研究的运动主要是地球整体的自转运动和公转运动，以及地球内部、地壳、水圈、大气...     

地壳运动整体观论纲

本文在全面讨论了构造体系与全球运动场、板块构造与旋转扩张、断块构造、镶嵌构造、地洼说与地球自转、构造迁移的方向性及地球水圈、气圈和生物圈的运动规律以后,提出了地球动力系统统一观,并进一步论述了包括重力、热力、离心惯性力等在内的地球动力系统中,地球自转和自转速度不均衡乃是发动地壳运动的主因,而地球整体的运动和变化,又受着天体活动的影响。
本文纲要性地指出,地壳上各种地质现象与相关的自然现象是一个有联系的整体,受控于地球整体的运动系统。      

运用地球动力合成作用原理揭示地壳运动—“大陆漂移”力学原因

推动地壳运动的力包括地球公转惯性力，等速自转力，星际引力和重力，其合力是大陆漂移的真正动力。     

地球节律的成因

地球节律主要受地球内部能量间歇性的释放所控制。旋转系统有不同于非旋转系统的位能、热能和旋转能的相互转换方式。在重力分异和热对流过程中，地核不仅有巨量热能，而且有巨量的旋转能和放射性蜕变能。这是地球能量释放的内因。天文因素使地球内核周期性地南北振动，使地球轨道、体积，形状、自转速度、公转速度和差异旋转状态周期性地变化。这是地球能量间歇性释放的外因。对作差异旋转的内核而言，万有引力常数Ｇ的变化可以改变太阳辐射量和太阳系体积，影响核幔的角动量交换和地壳地幔容积，造成热幔柱的形成与喷发，控制了核幔边界的能量交换过程。这是天文周期与地质旋回一一对应的原因，也是地球节律产生的根本原因。这使人们可以从天文周期预测地质变动。     

地球内部构造和动力学的地震学研究

扼要论述地震学研究在地球内部构造和动力学领域中取得的新进展。我国人工震源的观测在青藏高原、下扬子、大别造山带、华北地震区等获得了一批地壳细结构的成果,已广泛地用于地球动力学研究中。天然地震观测资料的层析成像取得了我国大陆地壳上地幔三维结构的图像。虽然大多数结果提供了地球动力学的背景,但就其分辨率而言还不足于进行有效的大陆动力学研究。笔者认为,提高最终三维模型的分辨率是当前地震学研究的关键之一。美国的两个地震学研究小组根据各自研究工作,揭示了地球内核自转比地幔和地壳部分快,是地震学对地球科学的重大贡献。     

东西构造带形成机制和有关问题的讨论

<正> 早在二十年代初期,李四光教授在研究中国和东亚各种类型构造体系的时候,就明确指出地壳表面存在着沿一定纬度分布的东西向构造带。以后又进一步讨论了它们长期发展的历史和它们在全球的规模。他从不同类型构造体系在地壳上分布和排列的规律,探索构造运动的起源,认为这些构造体系所表现的方向性显然与地球的旋转轴有一定的联系,它们的成生与地球自转角速度的变化密切相关,当地球自转角速度发生变化时,它的离心惯性力也随着发生变化,离心惯性力的水平分力推动着地壳的定向水平运动——经向和纬向水平运动。     

同步耦合断裂及其动力学依据

通过对地球自转速率变化推动构造运动的可能性以及地球自转角速度变化的原因和依据的讨论，提出地球自转惯性力差是决定板块相对运动趋势的主要动力学因素之一，揭示了加速期和减速期经、纬向构造之间的分布规律性，认为经、纬向构造之间的耦合关系是一种客观存在，同步耦合断裂就是由地球自转速率变化所反映的动力学状态决定的。同时，笔者对同步耦合断裂概念及耦合区构造组合的研究意义进行了探讨。     

地球公转轨道偏心率变化的构造运动响应

最近3Ma发生的主要构造运动和气候变化事件,在准0.4Ma周期上与地球轨道偏心率变化存在一致性。据黄土高原地层记录划分的构造气候旋回界限,日历年龄分别为0.07、0.46、0.83、1.32、1.70、2.08、2.74MaBP,对应于偏心率曲线波动幅度由大变小时段的特定转折位置。文中分析了地球公转运动变速的基本数据及其对地球自转运动和圈层相互作用的可能影响,探讨了轨道偏心率变化对构造运动的驱动机制,并指出了构造气候旋回研究可为地质力学理论发展展示良好的前景。      

地球自转速率变化引起的全球应力场

本文用有限元方法计算了地球自转变化引起的全球应力,包括离心惯性力和纬向惯性力引起的应力。离心惯性力变化引起的应力其主方向为SN向和EW向,应力的大小随着地球自转角速度的持续增加而积累,其量级可能达到几十到几百兆帕或更大。纬向惯性力引起的应力,在均匀地球的情况下,主应力方向为NE向和NW向。在地壳厚度按一定规律分布时,应力场的分布沿EW方向具有分带性,并且与全球大洋中脊的分布有对应关系,但应力幅度很小。      

天文因素对火山爆发的调制、触发作用

本文分析得到:1957—1982年间,全球低纬度火山爆发有73.9％和高纬度火山爆发有62.5％,分别发生在地球自转年际变化的减速段和加速段;火山爆发的日期,一般多发生在3天内遇到3个以上天文奇点引潮力共振加压的叠加之时,强火山爆发都发生在4个以上此种共振加压之时。表明地球自转速度变化和天文奇点引潮力共振加压在不同时间尺度上,分别对火山爆发具有调制和触发作用。其物理机理,两者都是引起火山附近地壳异常加压,促使岩浆受到挤压而累积能量或触发爆发。     

中国大陆侏罗纪以来六大动力体系和资源预测

本文阐述了笔者在近几年参加"中国岩石圈三维结构"研究和中、俄、蒙、哈、韩合作编制1∶250万"亚洲中部及邻区地质图系"工作中获得的一些新认识和新观点.概略地说主要包括四点:①地球自转和公转产生的惯性离心力和从高纬度向低纬度的挤压力是永久性的、永恒的,是为其他"后生"的各种动力体系"垫底"的,因此笔者称其为"本底动力体系";②在"本底动力体系"基础上侏罗纪以来新产生、并影响中国大陆及海域的动力体系,除东部的太平洋海底扩张动力体系和西(西南)部印度洋海底扩张动力体系外,还有尚未引起重视的北部蒙古一鄂霍次克中生代继承性的动力体系与北冰洋海底扩张动力体系;③在东(东南)、西(西南)和北面各方向的动力体系向中国大陆及海域"联合"挤压下,按"扇形力原理"(一端受挤压时,另一端被拉张)打造了中国东部及海域软流圈物质上涌,正是由于软流圈物质上涌的强大动力体系导致了中国东部中新生代岩石圈剧变和构造、岩浆、裂谷、成矿、地震、火山等等复杂的地质与成矿作用;④为什么太平洋、印度洋(以及大西洋)海底扩张最强烈的区域主要出现在赤道两侧的南、北纬度60°范围内(其中又以南、北纬度30°内更为强烈)?究其原因,是由于地球自转与公转的离心力和由高纬度向低纬度的挤压力(总之是"本底动力体系")在赤道及其两侧最集中、最强大而引发的.因此,著名地质学家李四光先生以地球自转和公转的动力体系理论为基础创建的地质力学理论和构造体系学说,中国地质学家绝不应忘记、更不能放弃,而是要把李四光先生的理论和学说与当代动力学理论和全球构造学说有机结合起来,取长补短,创建出能够确切揭示中国重大基础地质问题的真谛和切实解决重要成矿与找矿问题实际的新理论.笔者将以上的新认识和新观点应用于地质、找矿的新思路和新方法,主要也有四点:①以温度100℃和深度4.25km为"底界面".寻找和优选地热勘查开发区;②以不同时代、不同方向和不同性质的动力体系所形成的断裂系统控矿(特征)为依据,寻找"内生"矿产的勘查"靶区";③以深部热力和动力作用对油气田形成的重要意义为依据,按"三步走"的方法寻找新的油气勘查开发区;④以10～20 km深处的温度值和岩石有效弹性为依据,并结合新生代活动断层特点,作为地震预测预报的依据和方法之一.     

Mechanics of land subsidence due to groundwater pumping

This paper presents the formulation of the basic mechanics governing the changes in stress states from groundwater pumping and comparisons among predicted land subsidence from this mechanics with existing analyses and field data. Land subsidence is a growing, global problem caused by petroleum and groundwater withdrawal, mining operations, natural settlement, hydro‐compaction, settlement of collapsible soils, settlement of organic soils and sinkholes. This paper is concerned with the land subsidence due to groundwater level decline by groundwater pumping. It is shown that the stress state consists of asymmetric stresses that are best simulated by a Cosserat rather than a Cauchy continuum. Land subsidence from groundwater level decline consists of vertical compression (consolidation), shear displacement and macro‐rotation. The latter occurs when conditions are favorable (e.g. at a vertical interface) for the micro‐rotation imposed by asymmetric stresses to become macro‐rotation. When the length of the cone of depression is beyond √2 times the thickness of the aquifer, simple shear on vertical planes with rotation is the predominant deformation mode. Otherwise, simple shear on horizontal planes is present. The predicted subsidence using the mechanics developed in this paper compares well with data from satellite‐borne interferometric synthetic aperture radar. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

广义塑性力学理论

实验表明 ,经典塑性力学难以反映岩土材料的变形机制 ,究其原因在于经典塑性力学作了传统塑性势假设、关联流动法则假设和不考虑应力主轴旋转的假设。 广义塑性力学放弃了这些假设 ,采用了分量理论 ,由固体力学原理直接导出塑性公式 ,它既适用于岩土材料 ,也适用于金属。     

Rotational-oscillatory variations in the Earth rotation parameters within short time intervals

A mathematical model for rotational-oscillatory motions of the Earth is constructed by applying celestial mechanics to the spatial problem of the Earth-Moon system subject to the Sun’s gravitation. Some basic phenomena associated with tidal irregularity in the Earth’s axial rotation and the polar oscillations are studied. It is shown that the perturbing component of the gravitational-tidal forces orthogonal to the plane of the lunar orbit is responsible for some short-term perturbations in the Moon’s motion. The constructed model for the rotational-oscillatory motions of the deformable Earth includes both the main high-amplitude perturbations and more complex small-scale motions attributed to short-term lunar perturbations with combinational frequencies. Numerical modeling (interpolation and forecasting) of the Earth rotation parameters within various time intervals based on astrometric data obtained by the International Earth Rotation Service is presented.     

Vein arrays as kinematic indicators in kinked anisotropic materials

Vein arrays associated with natural kink bands have been, even recently, used by some workers as kinematic markers to distinguish between the migration and the rotation models of kink band mechanics.In an outcrop of schistose meta-agglomerate, conjugate kinks and synthetic sinistral shears are associated with a component of sinistral slip along the foliation. Discordant scalariform vein arrays form in association with the shears, but not the kinks. Tension gash elements of the arrays form by combined layer-parallel slip and layer-parallel extension along the rotated schistosity. They are only kinematically significant at the scale of the length of the rotated segment anisotropy.Applying this analysis to kink bands elsewhere, it is concluded that discordant vein arrays are not diagnostic of the rotational kink band model, or of high resolved shear stress on kink boundaries.     

太阳系行星公转速度变化与低温灾害

地质资料表明,地球的加速运动与冷冻低温及冰期相对应。运用相对论公式导出星体加速运动时吸收能量和减速运动时释放能量的结论。这是差异旋转的新能源,活动星系核的高效产能率是其天文证据,由于不能超过光速,黑洞边界可能存在巨大能量交换,但没有物质交换。这一新能源是地质旋回与天文周期一一对应的原因,也是物质和反物质同时存在的原因。根据天文周期,可以预测未来的气候变化和地质灾害     

岩体转动的块体理论分析

应用石根华块体理论的基本思想，采用理论力学中定轴转动理论分析岩石块体理论中的滚动起始条件，讨论了转动块体的力学模型和数学表达，提出了转动块体的判定条件。     

试论新技术革命下的科学钻探

科学钻探是一项技术含量高的高科技科学工程，也是一项庞大而又复杂的系统工程，它的实施离不开新技术革命，新技术革命是科学钻探的技术基础，随着新技术革命的不断发展，必将促进科学钻探向更快更好更深的方向前进。     

Some remarks about kinematics “with rotation” and stress-rate

In experiments like simple shear or torsion with the hollow cylinder device, we often talk about kinematics “with rotation”; on the other hand, experiments like compression with a true triaxial apparatus are called “without rotation”. We analyse the difference between these two kinds of kinematics with well known concepts of continuum mechanics. This analysis is conducted in terms of kinematics because the consequences in terms of stress (rotation or no rotation) must be deduced by the use of constitutive relations. In a second part we analyse the stress-rate and we try to give a physical meaning of such an operator. As a conclusion we think that the usual Jaumann derivative is the most meaningful for incremental formulation of constitutive relations.