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洋底動力學(xué):應(yīng)用篇 版權(quán)信息
- ISBN：9787030698735
- 條形碼：9787030698735 ; 978-7-03-069873-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
洋底動力學(xué):應(yīng)用篇 內(nèi)容簡介
本書介紹了洋底流固耦合、洋底殼幔耦合、洋底深淺耦合三大方面的理論及數(shù)值模擬方法，以及不同耦合過程的應(yīng)用實例。本書以地球系統(tǒng)科學(xué)思想為指導(dǎo)，構(gòu)建了從淺部海洋沉積物輸運、盆地成藏－成礦、地震－海嘯過程，到深部俯沖過程、洋中脊增生、深海盆地過程之間的多圈層耦合技術(shù)體系，深入介紹了深部地幔柱－俯沖系統(tǒng)與淺部動力地形之間的耦合機制。這是一本既有基礎(chǔ)知識，又有前沿研究成果的教學(xué)參考書。 本書資料系統(tǒng)、圖件精美、內(nèi)容深入淺出，適合從事海底科學(xué)研究的專業(yè)人員和大專院校師生閱讀和應(yīng)用。部分前沿內(nèi)容也可供對古氣候動力學(xué)、地貌學(xué)、海洋地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、大地構(gòu)造學(xué)、地球系統(tǒng)科學(xué)感興趣的廣大科研人員及多學(xué)科交叉人員參考。
洋底動力學(xué):應(yīng)用篇 目錄
目錄
第1章 洋底流固耦合模擬應(yīng)用 1
1.1 海洋沉積物輸運動力學(xué) 1
1.1.1 水動力環(huán)境及數(shù)值模擬 2
1.1.2 海洋沉積物輸運數(shù)值模擬 11
1.1.3 河口海岸泥沙運動 17
1.1.4 陸架泥沙運動 20
1.1.5 深海陸源碎屑沉積物運動 25
1.1.6 深海內(nèi)波沉積 30
1.2 盆地動力學(xué)與成藏-成礦數(shù)值模擬 34
1.2.1 沉積盆地的沉降史分析 34
1.2.2 成藏、成礦流體運移過程 56
1.3 地震-海嘯觸發(fā)機制 74
1.3.1 地震觸發(fā)機制 74
1.3.2 海嘯觸發(fā)與傳播機制 84
1.4 俯沖脫水-脫碳機制 103
1.4.1 俯沖脫碳過程 106
1.4.2 俯沖脫水過程 129
1.5 俯沖形變機制 151
1.5.1 弧前區(qū)構(gòu)造變形 151
1.5.2 弧后區(qū)構(gòu)造變形 161
1.6 深海熱液羽狀流與物質(zhì)輸運 175
1.6.1 熱液系統(tǒng)基底多相流體流模擬 175
1.6.2 熱液系統(tǒng)中的滲透性和熱演化 180
1.6.3 巖漿-熱液體系中含鹽的流體流動 192
1.6.4 熱液系統(tǒng)水體中流體流動模式變化 198
1.6.5 熱液鹽度變化 214
1.6.6 熱液羽狀流與物質(zhì)輸運 218
第2章 洋底深淺耦合模擬應(yīng)用 223
2.1 伸展裂解系統(tǒng)動力學(xué) 223
2.1.1 裂谷、被動陸緣到洋陸轉(zhuǎn)換帶過程 223
2.1.2 地幔柱相關(guān)裂解的數(shù)值模擬 238
2.1.3 小尺度對流與裂解 255
2.1.4 大陸裂解到洋中脊擴張3D熱力學(xué)模擬 257
2.2 洋脊增生系統(tǒng)動力學(xué) 270
2.2.1 洋中脊動力學(xué)要素 270
2.2.2 轉(zhuǎn)換斷層成因數(shù)值模擬 274
2.2.3 洋中脊巖漿動力學(xué)模擬 284
2.2.4 洋中脊多次躍遷 336
2.3 深海盆地系統(tǒng)動力學(xué) 359
2.3.1 小尺度對流與板內(nèi)火山成因 359
2.3.2 邊緣對流與洋內(nèi)俯沖啟動 362
第3章 洋底洋陸耦合模擬應(yīng)用 365
3.1 地幔柱與超大陸動力學(xué) 365
3.1.1 地幔柱結(jié)構(gòu) 367
3.1.2 地幔柱理論的驗證——預(yù)測與觀測 370
3.1.3 地幔柱生成區(qū)與超大陸旋回 387
3.2 俯沖消減動力學(xué) 398
3.2.1 俯沖消減系統(tǒng)分布 398
3.2.2 俯沖消減系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 400
3.2.3 俯沖系統(tǒng)中的巖漿作用 414
3.2.4 俯沖動力系統(tǒng)模擬 429
3.3 動力地形模擬 495
3.3.1 動力地形 495
3.3.2 殘留地形 496
3.3.3 動力地形提取 499
3.3.4 動力地形演化 504
3.3.5 動力地形計算實例 510
參考文獻 529
索引 606
后記 609
第1章 洋底流固耦合模擬應(yīng)用 1
1.1 海洋沉積物輸運動力學(xué) 1
1.1.1 水動力環(huán)境及數(shù)值模擬 2
1.1.2 海洋沉積物輸運數(shù)值模擬 11
1.1.3 河口海岸泥沙運動 17
1.1.4 陸架泥沙運動 20
1.1.5 深海陸源碎屑沉積物運動 25
1.1.6 深海內(nèi)波沉積 30
1.2 盆地動力學(xué)與成藏-成礦數(shù)值模擬 34
1.2.1 沉積盆地的沉降史分析 34
1.2.2 成藏、成礦流體運移過程 56
1.3 地震-海嘯觸發(fā)機制 74
1.3.1 地震觸發(fā)機制 74
1.3.2 海嘯觸發(fā)與傳播機制 84
1.4 俯沖脫水-脫碳機制 103
1.4.1 俯沖脫碳過程 106
1.4.2 俯沖脫水過程 129
1.5 俯沖形變機制 151
1.5.1 弧前區(qū)構(gòu)造變形 151
1.5.2 弧后區(qū)構(gòu)造變形 161
1.6 深海熱液羽狀流與物質(zhì)輸運 175
1.6.1 熱液系統(tǒng)基底多相流體流模擬 175
1.6.2 熱液系統(tǒng)中的滲透性和熱演化 180
1.6.3 巖漿-熱液體系中含鹽的流體流動 192
1.6.4 熱液系統(tǒng)水體中流體流動模式變化 198
1.6.5 熱液鹽度變化 214
1.6.6 熱液羽狀流與物質(zhì)輸運 218
第2章 洋底深淺耦合模擬應(yīng)用 223
2.1 伸展裂解系統(tǒng)動力學(xué) 223
2.1.1 裂谷、被動陸緣到洋陸轉(zhuǎn)換帶過程 223
2.1.2 地幔柱相關(guān)裂解的數(shù)值模擬 238
2.1.3 小尺度對流與裂解 255
2.1.4 大陸裂解到洋中脊擴張3D熱力學(xué)模擬 257
2.2 洋脊增生系統(tǒng)動力學(xué) 270
2.2.1 洋中脊動力學(xué)要素 270
2.2.2 轉(zhuǎn)換斷層成因數(shù)值模擬 274
2.2.3 洋中脊巖漿動力學(xué)模擬 284
2.2.4 洋中脊多次躍遷 336
2.3 深海盆地系統(tǒng)動力學(xué) 359
2.3.1 小尺度對流與板內(nèi)火山成因 359
2.3.2 邊緣對流與洋內(nèi)俯沖啟動 362
第3章 洋底洋陸耦合模擬應(yīng)用 365
3.1 地幔柱與超大陸動力學(xué) 365
3.1.1 地幔柱結(jié)構(gòu) 367
3.1.2 地幔柱理論的驗證——預(yù)測與觀測 370
3.1.3 地幔柱生成區(qū)與超大陸旋回 387
3.2 俯沖消減動力學(xué) 398
3.2.1 俯沖消減系統(tǒng)分布 398
3.2.2 俯沖消減系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 400
3.2.3 俯沖系統(tǒng)中的巖漿作用 414
3.2.4 俯沖動力系統(tǒng)模擬 429
3.3 動力地形模擬 495
3.3.1 動力地形 495
3.3.2 殘留地形 496
3.3.3 動力地形提取 499
3.3.4 動力地形演化 504
3.3.5 動力地形計算實例 510
參考文獻 529
索引 606
后記 609
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洋底動力學(xué):應(yīng)用篇 節(jié)選
第1章 洋底流固耦合模擬應(yīng)用 洋底流固耦合研究長期以來一直是海洋地質(zhì)學(xué)的一道難題。洋底流固耦合是跨圈層的重要地質(zhì)過程，包括河口-深海的泥沙輸運、沉降沉積過程及其對海底盆地地貌的修飾過程、陸架沉積盆地中的油氣輸運過程、水合物形成與分解過程、海底滑坡過程、洋底金屬成礦與巖漿過程、地震與海嘯的耦合過程、俯沖脫水-脫碳過程、俯沖形變導(dǎo)致的深時環(huán)流變遷過程、流體參與的洋陸過渡帶形變過程、軟流圈-巖石圈相互作用中的流固耦合過程、海底熱液成礦過程，等等。本章圍繞多種多樣的洋底流固耦合方式，系統(tǒng)整理集成相關(guān)*新應(yīng)用成果，以啟迪未來研究。 1.1 海洋沉積物輸運動力學(xué) 海洋沉積物輸運動力學(xué)是地球表層系統(tǒng)的重要動力學(xué)過程之一，它不僅塑造了地球表面陸地和海底的地貌，而且還改變著長期或短期的地球環(huán)境，并控制了深時和現(xiàn)今全球變化、沉積體系、層序格架、沉積礦產(chǎn)資源分布和相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害。海洋沉積物主要受控于河口海岸帶水體動力過程、淺海陸架到深海大洋動力過程，且與洋底構(gòu)造格局和巖石圈動力過程有密切聯(lián)系，一方面板塊構(gòu)造理論解釋了洋底古沉積物分布與變遷的原因，另一方面也可以運用沉積物分布、類型、運移特征、沉積相組合等來查明板塊構(gòu)造環(huán)境、運動規(guī)律、演化歷史。海洋沉積物輸運動力學(xué)，即是從動態(tài)的觀點來研究沉積物的形成過程以及沉積物與海洋間發(fā)生的各種物理、化學(xué)和生物作用。尤其是運用現(xiàn)代觀測技術(shù)和數(shù)值模擬手段對沉積過程及其各項參數(shù)進行定量描述，可以“將今論古”地解釋歷史沉積過程和板塊演化。由于沉積物的運移很大程度上依賴于海洋動力環(huán)境特征，因此海洋沉積物輸運動力學(xué)具有多學(xué)科交叉的特點，并逐步由河口、近海、陸架發(fā)展到深海沉積動力學(xué)研究。 本節(jié)主要從現(xiàn)代觀測和數(shù)值模擬角度出發(fā)，分別介紹海洋沉積動力環(huán)境特征、海洋沉積物輸運數(shù)值模擬以及河口海岸、陸架近海和深水環(huán)境的沉積物輸運過程。 1.1.1 水動力環(huán)境及數(shù)值模擬 海水在各種動力作用下發(fā)生運動，波浪、潮汐和海流是海洋動力的基本要素。 1.1.1.1 波浪 (1)基本概念 在風(fēng)和其他外力作用下，海水質(zhì)點以其原有平衡位置為中心點做周期性的起伏運動，稱為波浪。波浪運動的實質(zhì)是海水表面以波動形式傳播，水質(zhì)點并不隨波向前運動，而是作圓周運動。一個完整的波浪由波峰、波谷、波高、波長、周期、波速等要素組成(圖1-1)。在實際的海洋中，波動是一種十分復(fù)雜的現(xiàn)象，在很多情況下，都不是真正的周期性變化。 圖1-1 波浪要素 中國近海冬季盛行偏北向浪，夏季盛行偏南向浪，春秋季為過渡季節(jié)。渤海年平均浪高為0.3～0.6m，黃海和東海在0.6～1.2m，南海在0.6～0.8m，西沙以南海區(qū)約1.4m。季節(jié)上，冬季各個海區(qū)平均風(fēng)應(yīng)力較大，平均浪高也達到*大；夏季各個海區(qū)平均浪高有所降低，但是在臺風(fēng)的影響下，中國南部海區(qū)浪高增加，*大可達8～10m。風(fēng)浪周期冬季*長，大部分海區(qū)在4～5s，而在夏季只有3s左右。 (2)控制方程 波浪模型從**代的波能平衡模型(Gelci et al.，1956)、第二代的頻譜模型(Hasselmann，1962)，發(fā)展到如今的第三代波浪模型，如適用于近海的SWAN模型、XBEACH模型及適用于大洋的WAM和WAVEWATCH模型。以SWAN波浪模型為例，該模型以動譜密度為未知變量，并考慮了由地形及水流引起的淺水和折射效應(yīng)，由障礙物引起的波浪繞射、風(fēng)生浪、白浪、底面摩擦與波浪破碎引起的能量衰減以及非線性波-波相互作用等。模型的控制方程為動譜密度的守恒方程，在笛卡兒坐標下其表達形式為 (1-1) 式中，為動譜密度函數(shù)，E(σ，θ)為能量密度函數(shù)；σ為波浪的相對頻率；Cx、Cy分別為波浪在x-y方向的傳播速度；Cσ和Cθ分別為波浪在σ和θ方向的傳播(變形)速度。 式（1-1）中左端**項為動譜密度隨時間的變化，第二、第三項為動譜密度在x-y方向的傳播，第四、第五項為波浪受地形及水流作用在σ和θ方向的變形。右端S為以動譜密度表示的源項，可以表示為 S=Sin+Sds+Snl(1-2) 式中，Sin為風(fēng)浪的生成、發(fā)展；Sds為底面摩擦、白浪、波浪破碎導(dǎo)致的能量損失；Snl為波-波相互作用。 1.1.1.2 潮汐和海流 (1)基本概念 在天體(主要是月球和太陽)引潮力的作用下，海水在垂直方向上周期性地起伏或漲落運動，稱為潮汐，海水在水平方向上的流動稱為潮流。 圖1-2 潮汐要素 潮汐要素是描述潮汐曲線的參數(shù)(圖1-2)。在潮汐運動中，海面漲到*高位置時，稱為高潮，其高度(一般由基準面起算)為高潮高；海面落到*低位置時，稱為低潮，其高度為低潮高。相鄰的高潮高和低潮高之差稱為潮差。漲潮時潮位不斷增高，達到一定的高度以后，潮位短時間內(nèi)不漲也不退，稱為平潮，平潮的中間時刻為高潮時；當(dāng)潮位退到*低的時候，與平潮情況類似，也發(fā)生潮位不退不漲的現(xiàn)象稱為停潮，停潮的中間時刻為低潮時。從低潮到高潮海面逐漸升高的過程稱為漲潮，從低潮時到高潮時的時間間隔稱為漲潮時；從高潮到低潮海面逐漸降低稱為落潮，從高潮時到低潮時的時間間隔，稱為落潮時。 近岸海域潮差大小可影響水深變化，進而對海洋動力要素產(chǎn)生重要影響并實現(xiàn)對海岸地貌的塑造。中國近海潮差*小僅有幾十厘米，*大近10m。渤海、黃海受到海岸線的影響，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的潮波系統(tǒng)，南黃海潮流沙脊群觀測到*大潮差9.39m。在東海，受地形影響，琉球群島附近潮差約1.5m，靠近中國大陸潮差明顯增大，浙江溫州附近實際潮差可達8m。南海潮差比東海小，廣東沿岸潮差一般在1～3m。 海流是因太陽輻射、蒸發(fā)、降水等不均勻而形成的密度不同的水團，在風(fēng)應(yīng)力、科氏力、引潮力、壓強梯度力等作用下大規(guī)模相對穩(wěn)定地流動。它是海水的主要運動形式之一。海流的空間尺度可從數(shù)百米到全球范圍。海流的流速大小不一，有的地區(qū)可達1m/s，有的僅為0.001～0.01m/s。海流是三維的，其在水平方向和垂直方向上都存在。由于真實海洋的水平尺度遠大于垂直尺度，故水平方向上的流動要比垂直方向上的流動強。所以，習(xí)慣上把水平方向上的運動狹義地稱為海流。 在行星風(fēng)系作用下，大洋表層海水形成環(huán)流系統(tǒng)，一個環(huán)流又可由數(shù)個海流組成(圖1-3)。在南北半球都存在一個與副熱帶高壓對應(yīng)的大環(huán)流，北半球的為順時針，南半球的為逆時針；它們之間為赤道逆流；太平洋與大西洋在北半球都存在強盛的西邊界流，太平洋中稱為黑潮，大西洋中稱為灣流，南半球的西邊界流較弱，主要有巴西暖流與東澳大利亞暖流。此外北太平洋與北大西洋西側(cè)都有從高緯南下的寒流。印度洋南部環(huán)流特征總體上與南太平洋、南大西洋類似，但印度洋北部為季風(fēng)性環(huán)流，冬夏兩個半年流向相反。南極大陸沿岸是南極繞極流。 中國東部海域海流總體上由北上的暖流流系和南下的沿岸流系組成，形態(tài)上構(gòu)成氣旋式環(huán)流(圖1-4)。暖流流系在陸架海域自南向北運動，包括黑潮、臺灣暖流、對馬暖流、黃海暖流；沿岸流系分布在近岸水域，包括渤海沿岸流、蘇北沿岸流和浙閩沿岸流等。南海環(huán)流系統(tǒng)主要受季風(fēng)影響，表現(xiàn)出季風(fēng)漂流和西向強化的特點。 (2)控制方程 早在20世紀50年代，美國、蘇聯(lián)以及歐洲國家等的學(xué)者就開始研發(fā)海洋模式；20世紀60年代末，美國地球物理流體動力學(xué)實驗室(GFDL)開發(fā)了大洋環(huán)流模式(Ocean General Circulation Model，OGCM)，推動了基于海洋原始方程組的數(shù)值解來模擬三維大洋環(huán)流的研究。20世紀80年代中期，POM(Princeton Ocean Model)(Blumberg and Mellor，1987)數(shù)值模型產(chǎn)生，后來發(fā)展成適用于淺水環(huán)境(河流、海灣、河口和近岸以及水庫和湖泊)的版本ECOM(Estuarine Coastal Ocean Model)。如今，比較常用的海洋動力數(shù)值模型主要包括適用于近海曲折岸線的FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)數(shù)值模型、區(qū)域海洋ROMS(Regional Ocean Modeling System)模型等。另外，還有模塊化海洋模型MOM4、麻省理工學(xué)院廣義坐標模型MITgcm、美國海軍近岸海洋模型NCOM、適用于大洋的混合坐標海洋模型HYCOM等。這些海洋模型采用不同的物理框架，包括能量守恒、體積或質(zhì)量守恒，引入或不引入Boussinesq近似、湍封閉方程，以及內(nèi)外模分離等不同方案；模型垂向采用深度Z坐標，或隨地形變化及其混合坐標，或?qū)踊捌浠旌献鴺说龋粚Ｑ竽Ｐ偷膮?shù)化研 圖1-3 全球大洋表層環(huán)流 圖1-4 中國東部海域冬季環(huán)流
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