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热度 1 hxiuzhou 2014-5-13 17:53

【提要: 内波在传播过程中会激发复杂流场 , 从而增强水体的紊动 , 对海洋以及湖库底部沉积物的输运以及打破水体密度分层起到重要作用 . 最近的一项关于内孤立波波列的水动力特性研究可为湖库水环境保护提供新思路 . 该研究发表于《中国科学 : 物理学 , 力学 , 天文学》 2014 年第 6 期 . 】最近的一项研究表明 , 内孤立波波列在传播过程中会激发复杂的底部边界层流态 , 增强了分层水体的紊动掺混 , 为海洋和湖库内波对底部沉积物的输运机理及其环境效应研究提供了线索 . 这项名为《内孤立波的生成和传播特性大涡模拟》研究论文发表于《中国科学 : 物理学力学天文学》英文版 2014 年第 6 期 , 从三维高精度数值模拟角度初步观察了内孤立波波列传播过程中的水动力特征 , 由河海大学水利水电学院王玲玲教授担任通讯作者撰写 . 水温分层多发于海洋和大型湖泊水库之中 , 所导致的水体密度层化将会抑制氧气及营养物质的垂向输运 , 使底层水体的含氧量减少 , 水环境恶化 . 然而 , 水体的稳定分层恰恰是形成内波的必要条件之一 . 内孤立波波幅通常比表面波波幅大 1 ～ 2 个数量级 , 中科院李家春院士曾形象地比喻内波为深水混合的 “ 搅拌器 ”. 如此大振幅、高能量的内孤立波是如何影响水环境的呢 ? 探索内孤立波水动力特性很有必要 . 国内外现有研究大多针对于单个内孤立波的水动力特性 , 而在真实的海洋和湖库环境中 , 内孤立波波列的发生更加频繁 . 本研究的创新之处在于 : (1) 利用一种新型大涡模拟模型 ( 动力拟序涡黏模型 ) 成功捕捉到内孤波完整的生成以及传播过程 , 并且分析了内孤立波波列底部边界层水动力特征 . (2) 与单个内孤立波不同的是 , 对于内孤波波列 , 其首个内孤波下游波面底部没有出现分离泡 ( 如图 1). 研究结果还表明内孤立波的底部流速特征类似于壁面射流 , 增强了壁面切应力 , 从而加强了内波流场对底部沉积物的输运 . 研究发现分离泡的高度约为总水深的 25% 左右 , 因此能够增强湖库底部水体的紊动和混合强度 . 图 1 内孤波波列流线图和局部流速矢量图. (a) 内孤波波列流线 ; (b) 分离泡 ; (c) 壁面射流 Figure 1. Streamlines and velocity vector fields of an internal solitary wave packet. (a) Streamlines; (b) separation bubble; (c) boundary jet. 该研究成果对分层湖库水动力以及湖库底部沉积物输运机理研究具有参考价值 , 此外 , 还可为湖库水环境保护和水生态可持续发展提供重要的理论依据 . 研究得到了国家自然科学基金资助项目 ( 批准号 : 51179058), 国家自然科学重点基金项目 ( 批准号 :51239003), 水利部公益性行业科研专项经费项目 ( 批准号 :201201017), 江苏省 111 项目 ( 批准号 :B12032), 江苏省普通高校研究生科研创新计划 ( 批准号 : CXZZ12_0244) 资助 . 来源论文 : ZHU Hai, WANG LingLing, TANG HongWu. Large-eddy simulation of the generation and propagation of internal solitary waves. SCIENCE CHINA Physics, Mechanics Astronomy, 2014, 57(6): 1128-1136. 全文pdf 订阅《中国科学: 物理学力学天文学》微信公众号，手机同步关注最新热点文章、新闻、科技资讯, 请添加微信号 SCPMA2014 或扫描下方图片关注.

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漫话内波（五）地球上最大的内波系统－莫霍面内波

热度 1 池顺良 2011-10-21 22:36

地球是个具有明显圈层结构的星球，从外到里分成地壳、地幔、地核三大圈层，各层的密度由外层地壳约 2.9 向里逐渐增大到内核的 12.5 。三个圈层间形成两个全球性界面：地壳、地幔间的莫霍界面和地幔、地核间的古登堡界面。地球的圈层结构（引自马宗晋，地球的非对称性， 2007 ）地球分层结构的知识主要是地震观测数据提供的，地震波在这些圈层界面上的折射和反射勾画出了这些界面的位置。由均衡原理决定，地形起伏与莫霍面起伏是镜像对称的。两者的起伏幅度间有一定相关关系。重力均衡使地形起伏与莫霍面起伏呈镜像对称下图是根据莫霍面深度和地面高程得到的全球地壳厚度图。由地壳厚度减地面标高，就是莫霍面深度。全球莫霍面的高低起伏可达到 50 公里，莫霍面内波无疑是是地球上规模最大的内波系统了！全球地壳厚度图，单位 km 。由地壳厚度减地面标高，可得莫霍面埋深。在高低起伏的莫霍面内波系统中蕴藏了巨大的重力位能，据计算达到 8.5 × 10 25 J 之多，约与全球地震活动 100 万年释放的能量值相当。我们根据大地构造运动在空间分布和时间演化上具有的波动运动特征，指出：全球大地构造运动正是壳－幔界面内波发生和演化过程的表现。内波的短波分量支配着区域性的造山运动（地槽活动）；长波分量则形成全球尺度的大地构造现象（海陆分布及全球洋中脊体系的形成）。全球大地构造运动现象可以用壳－幔分层界面发生的内波波动运动统一加以解释。以下仅举一例说明：构成大山脉的地层都是在原先不断沉降的槽地中沉积的地层回返抬升形成的。这一先沉积后回返抬升隆起成山脉的规律对所有山脉都不例外。以世界最高峰为例。喜山珠峰海拔 8848.13 米，是地球上最高的山峰，峰顶为水平产状浅海相沉积的奥陶纪早期结晶灰岩。珠峰地区由奥陶系至志留纪、泥盆纪、石炭纪 … 直到第三系，这些年代浅海沉积地层的总厚度为 1.2 万米。也就是说，山脉隆起前珠峰顶海相石灰岩地层位于古地中海下 1.2 万米深处。这 1.2 万米厚沉积地层形成经历了 5 亿年时间，到 5 千万年前开始隆升至现在高度。喜山珠峰峰顶地层浅海沉积的奥陶纪早期结晶灰岩，巨大的山体均由海底沉积地层构成。喜山的形成经过这样一个下降接收沉积，之后又隆升回返的过程。这实质上就是构成珠峰地层物质的一种驻波状波动运动。地槽造山带中沉降带－隆起带空间上交替分布的格局，时间上沉降带与隆起带的相互转化，表明地槽造山带活动是构造区域物质的二维驻波运动。应当由具有 “ 波动 ” 属性的物质运动实体机制控制和实现。地槽造山带活动、大山脉的形成，正是位于地壳下方、地球上最大的内波系统－莫霍面内波的生长和演化的结果。莫霍面内波的生长和演化又是如何导致大山脉形成的呢？有兴趣者请参阅本人“重新认识我们的地球”系列博文：全球构造运动潮汐动力说的根据 http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=51667do=blogid=297232 地球自转在全球构造运动中的主导作用 http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=51667do=blogid=299645 地槽（造山带）活动及其旋回性的潮汐动力机制（上、中、下） http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=51667do=blogid=301064

个人分类: 大地构造|14567 次阅读|2 个评论

漫话内波（一）前言

热度 1 池顺良 2011-10-17 09:01

波与波动是物质重要而又普遍的运动方式。水面的涟漪、海面上的波浪都是我们常见而熟悉的波。这类波都发生在两种可流动物质交界面上，当其中一层是大气，这类波就能被直接观测到。天空中的云浪、沙漠中的沙丘也是我们可直接观测的内波。海面上的波浪，似乎永无平息之时。但在很多情况下，这种内波不能直接被我们观测到。如海面之下的海洋内波，直到不久前才为海洋科学研究关注。大河底的沙波也是肉眼难以直接观测的。界面内波的发生起因于两层物质通过界面的相互作用：一层相对于另一层的运动，或层间发生应力的传递，或受到外界的扰动。因为极少有完全安静的环境，所以只要有两种可流动物质相连接，在它们的交界面上就会有界面内波出现。沙漠中的沙丘最高可达到 200m 高度，南海中的内波的幅度达到 170m 。但它们并不是地球上规模最大的内波。地球上最大的两种可流动物质交界面就在我们脚下深数十公里的地方，这里是地壳与地幔两种物质的交界面－莫霍面。地震探测发现，地球上最大的内波系统就在这里。地球上最深的莫霍面在青藏高原，深度约 70km ；最浅在深海沟处，深不到 20km 。莫霍面内波的波高可达到 5-6 万米，波长达数百、数千公里，海洋内波与之相比简直是微不足道了。地壳的密度低，地幔密度高，交界面的起伏致使重力失衡。因重力均衡作用，地表就会发生沉降和隆起，直到形成与莫霍面起伏呈镜像对称的地面起伏。地面起伏的幅度大致是莫霍面起伏幅度的四分之一，足以造成地球上最高耸的山脉及最深的海沟。这个巨大的内波系统中蕴藏的重力位能达到 8.5 × 10 26 J ，足够全球地震活动释放一百万年之久！但是，这个内波系统具有的威力目前尚未被地球科学充分和明确地认识到。当前地球科学主流学派认为，是地幔对流推动了全球大地构造运动，造成了地球上的高山深谷。本系列文章则指出，直接用壳、幔圈层间相互作用导致莫霍面内波生长来解释全球大地构造运动的发生和演化会比地幔对流说更简单而直接。

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重新认识我们的地球（之六）地槽（造山带）活动及其旋回性的潮汐动力机制（下）

池顺良 2010-3-12 20:24

地槽（造山带）活动及其旋回性的潮汐动力机制（下）池顺良五 . 地槽沉降的有限元数值模拟我们用发生在壳－幔交界面上内波的自激生长来解释地槽运动。这种内波生长过程可以当作双层粘性流体的运动稳定性问题来分析。 ( 钱宁讨论了双层粘性流体交界面的稳定问题和更为复杂的多层流体模式）。这里，我们通过一个二维的壳－幔有限元模型数值实验，研究在只有重力和潮波驱动力（在上文分析中引入的）作用下的壳－幔系统中发生的运动。对于地质时间尺度的运动，我们将壳、幔物质看作不可压缩的牛顿粘滞流体。图 1a. 是计算的起始模型。上层是密度 2.7 ，粘滞系数 10 20 Pas 的地壳，下层为密度 3.3 ，粘滞系数 10 21 Pas 的上地幔。重力作用在整个体系上而潮波驱动力只作用在莫霍面两侧的薄层中，大小与莫霍面的斜率成比例。（图 1 ）在这个模型中，莫霍面两侧物质的粘滞系数超过 10 20 Pas ，微弱的潮波驱动力不能引起明显变形而产生地壳运动（需要几百亿年时间才有变化）。但当莫霍面附近物质的粘滞系数降低到 10 15-16 Pas 时，莫霍面就开始变形，厚薄大致均匀的地壳会渐渐变得厚薄不均。一些地方的地壳逐渐变薄，其两侧则形成地壳加厚的地区。由于均衡原理，地壳减薄处地面下沉；地壳加厚处则地面隆起。地壳系统就在重力和潮波驱动力这两种力的支配下逐步演变，形成莫霍面的波浪起伏及与之成镜象对称的地面起伏。图 1. 重力、潮波驱动力和剥蚀搬运作用联合作用下的地壳演变 a) 平坦的初始地面和莫霍面； b)60 万年时的地壳结构； c)120 万年时的地壳结构（ 1 ）有剥蚀作用时的有限元模拟结果（图 1 ） . 演示了一个简化的二维壳－幔模型的演变过程。计算考虑了地表物质剥蚀搬运引起的负荷重分布。计算由大致厚薄均匀的地壳系统开始，时间步长为 0.6 万年。图中给出了开始时刻和 60 万年、 120 万年时的地壳结构。图中显示了两条沉降带和三条隆起带，形成的地面高差可达 2000 米。这一壳－幔系统的演变，完全是在重力、潮波驱动力和剥蚀搬运作用三种已知的动力因素下进行的。由上述数值试验结果得知，微弱的潮波驱动力驱动莫霍面两侧薄层物质的相向迁移能够在地质尺度时间中改变地壳厚度而引起地壳运动。产生这种运动需要的条件是，壳 -- 幔交界地区，物质的粘滞系数需要降低到某个值以下，地壳底部物质迁移的速率才能超过地表物质的剥蚀搬运强度而引起地壳运动。引起该处物质粘滞系数降低的原因看来是放射性热的长期积累。地壳底部热能的积聚成为地槽活动发生地点与时间的控制因素。（应是地槽活动旋回性的原因。）在我们的简单模型中，没有考虑冷地面沉降引起莫霍面处地壳物质温度的降低，因而沉降作用不能停止。实际情况应是当地槽沉降带中沉积了一、两万米的沉积地层后，由于冷地面下沉，地壳底部的粘滞系数增大，物质迁移速率缓慢，沉降作用自行停止。（ 2 ）无剥蚀作用时的有限元模拟结果对于一个没有剥蚀搬运作用的模型，演化过程进行到莫霍面和地面形成镜象对称的起伏波动后，潮波驱动力与重力回复力达成某种均衡，物质迁移停顿，地形特征能得到长期保持。这种情形发生在大洋底部发生的内波形成过程中。洋底形成的内波，由于缺乏剥蚀搬运的外动力地质作用，原始的内波地形可以相对稳定地长期保持。由于潮汐作用的全球性，莫霍面的内波活动不仅在区域性的地槽活动中发挥作用，也会在全球性地壳运动现象，如海陆分化、全球大洋中脊体系的形成中发挥作用。六 . 用莫霍面上内波生长解释地槽演化过程地槽沉积、回返，山脉的构造这些地质活动图象无疑是二百多年来地质学累积的最重要的财富。提出一个新的地壳运动力源机制的假说，能否与这些图象吻合，就成为核查这些假说生命力的重要依据。这里，我们把地槽的活动看作发生在大陆内部或海陆边缘的莫霍面自激波动运动的结果。我们设想某一地槽带开始发育前，已被剥蚀成准平原。地壳主要由某地质时代的结晶基底组成。莫霍界面也与地形相仿，基本是个平面。数亿年放射性热的积累，该处地壳底部物质重新开始塑化。在潮波驱动力驱动下，莫霍界面开始波动变形。形成一连串平行的条带状波动起伏。莫霍界面的变形及地壳底部物质的运移改变了地壳的厚度，破坏了地壳均衡。地壳加厚处，地面受到浮力要上升；地壳减薄处地面相反要拗陷沉降。于是地壳中便产生了重力均衡控制下的构造应力。在地幔隆起的边缘，构造应力可达到岩石的破裂强度。当界面变形发展到一定程度时，隆起和沉降带毗连的地方，地壳会被剪断，形成深达莫霍面的高角度正断层，发生强烈地震。注意到向斜底部的塑性物质主要是莫霍面下从两侧运移来的地幔物质，因此，沿着断层裂隙侵入和喷溢的大都是基性及超基性岩浆。随着界面变形的继续，差异升降运动不断发展。隆起处物质被剥蚀搬运到拗陷处沉积，这又使差异升降过程能够不断地进行。向斜不断地拗陷，堆积了越来越厚的沉积物，沉积物的厚度甚至可达到一、二万米。原来的低温地面陷入地壳深部，使莫霍界面处的地壳物质的温度越来越低，塑性也越来越差，于是物质运移及界面变形的速度渐渐减慢。但是地表的剥蚀搬运却没有减弱，于是向斜底部堆积的巨厚的沉积物便将此处地壳渐渐向下压平；背斜处由于被剥蚀减荷仍然不断上升。终于，地壳底部的波动起伏逐渐趋于平坦。地槽处于回返前的暂时平静时期。地槽回返即将开始。（图 2 ）图 2. 地槽回返示意图 a) 地槽回返前的平静期。注意， A 、 B 处积储了大量流动性好的地壳物质； b) A 、 B 处的地壳物质快速向 C 处集聚，地槽沉降区快速隆起回返； c) 沉降区快速隆起，上覆地层被大量剥蚀，底部地层压力降低， D 处地层物质发生等温减压就地熔融，形成巨大的花岗岩岩基。伴随地壳隆起，上部地层开裂，发生岩浆侵入、火山喷发等地质活动。原来的向斜（沉降带）地壳底部由于温度低、塑性差，已经没有地壳物质可移出供加厚背斜（隆起带）地壳就是说，此处只能接受地壳物质而无运出地壳物质的可能，但原来的背斜底部却积储了大量塑性很好的地壳物质。在已经趋于平坦的地壳底部，莫霍面会出现一些新的扰动起伏。终于，这些物质向原来的向斜底部集中。这种集中的趋势一旦形成便以越来越快的速度发展，向斜开始快速隆起。由于原来的向斜长期沉降，且沉降幅度各处不同，所以向斜底部的沉积岩层一般呈垂弧形。当回返开始，向斜底部受到运移来的地壳物质的上浮力而产生中央隆起时，垂弧形的沉积岩层被强制上抬，在中央隆起处岩层发生反向弯曲，岩层发生褶皱。随着中央隆起的快速隆升及隆起范围的扩大，褶皱向两侧推移。如果地槽原先的沉降作用强烈，回返隆起速度又快，中央隆起两侧的岩层的褶皱就可能十分强烈，以至发生逆掩、超复等现象。隆起继续进行，已被揉皱的岩层又被拉长，于是发生地壳的广泛开裂，形成众多的断裂。那些原先处于向斜深处高温高压环境，但尚未达到熔融状态的岩层，由于快速大幅度隆起，上复地层遭受强烈的剥蚀，环境压力大大减小，便发生范围广大的等温减压熔融现象。由于隆起的速度和幅度在中央隆起处最大，因而该处巨厚的沉积岩层发生重熔，形成中央隆起轴部大范围的花岗岩岩基。如安第斯山脉和科迪勒拉山脉轴部绵延万里的花岗岩岩基，尉为壮观（陈国能，花岗岩原地重熔说）。伴随着褶皱隆起、地层广泛开裂地槽区发生回返后期的酸性岩浆侵入和火山喷发活动。地槽活动初期，沉降带中发生的基性岩浆活动大都表现为基性岩浆的侵入和较平静的海底岩浆喷溢。地槽回返后期，中央隆起轴部发生的火山喷发活动，由于喷发的岩浆物质来自原先的地槽沉积物，富含水分和挥发性成分，粘滞性又大。因此，都是爆发性的喷发活动。随着喷发活动的进行，地壳热量大量散失，地槽渐趋稳定，成为不甚活动的地台区。同时重新积蓄热能，为下一旋回的活动准备条件。根据岩层中的放射性强度，可以估算出这种热量的积累过程约需数千万至数亿年。这就是构造旋回既有周期性，又非全球范围严格同期的原因。地槽发育中，沉降、隆起的多次反复及波浪式推进的回返过程都表示地槽运动的实体机制是某种自组织的波动过程。壳 -- 幔界面的内波就具有这种特性。作者当初只做了地槽发育初期仅考虑变形的有限元数值模拟（之后一直忙于钻孔应变仪研制，无瑕它顾）。如果考虑冷地面下沉带来的温度、粘滞系数变化，以及传热过程、相变等因素，应该可以模拟出地槽演化的全过程。七 . 潮汐作用策动下的莫霍面内波说，打开了认识地球的新窗口潮汐动力－莫霍面内波生长机制，提供了一种灵活而多样的构造运动动力机制。黄汲清根据中国大陆地槽活动特点提出多旋回构造运动观点：在每一次构造旋回开始，出现深断裂、蛇绿岩或超基性岩建造，继之是复理石大量沉积，地槽沉积带一部分褶皱成山，生成磨拉石建造，伴随着同期或后期的中酸性岩浆活动。每个旋回的情况，不尽相同，但地层褶皱是不可缺少的内容。在第一旋回中，当褶皱山系形成之后，地槽沉积带即迁移到第一褶皱带之旁，形成第二沉积带，当后者又褶皱成山，山前又形成第三沉积带，依次类推。地槽造山带极有规律的，类似有生命物体自组织的活动特征，需要一种灵活而多样的动力机制，才能给以恰当的解释。波动机制就具有这样的灵活和多样性。月球和太阳对地球的引潮力极其微弱，只有地表重力的 10 -7 。潮汐动力机制如何能推动构造运动，将数十公里厚的岩层剪断、抬起山脉，形成巨大的推覆构造！一系列放大机制起了重要作用：作用在整个地球上的引潮力被集中于壳－幔界面，实现了第一步放大；作用在莫霍斜坡面上的潮波驱动力只有重力的 10 -3 ，但在双层介质中移动物质只要克服壳、幔物质的密度差，再利用斜面效应，象蚂蚁那样搬山不止，改变了地壳的厚度。像曹冲称象，再利用巨大的均衡力（浮力）再次实现放大。于是，数十公里厚的地层被强制剪断；靠抬升起来的地层向下的重力滑动形成巨大的推覆构造。一系列令人印象深刻的大地构造运动的活剧就这样被一幕幕展开。

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