地球内部流变学  071M5011H

学期:2017—2018学年(春)第二学期 | 课程属性:专业普及课 | 任课教师:李忠海
授课时间: 星期四, 第1、2、3节
授课地点: 教2-114
授课周次: 1、2、3、4、6、7、8
授课时间: 星期二, 第1、2、3节
授课地点: 教2-114
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7
授课时间: 星期二, 第1、2、3节
授课地点: 教2-114
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7
授课时间: 星期四, 第1、2、3节
授课地点: 教2-114
授课周次: 1、2、3、4、6、7、8
课程编号: 071M5011H 课时: 42 学分: 2.5
课程属性: 专业普及课 主讲教师:李忠海
英文名称: Rheology in the Earth’s Interior

教学目的、要求

本课程主要面向构造地质学、固体地球物理学专业的博士、硕士研究生,尤其针对大地构造、地球动力学、地球内部物理学专业方向的研究生。本课程从地球内部形变和流变学的基本原理出发,结合岩石、矿物晶体变形的微观物理特征,从短时间尺度和长时间尺度分别对地球内部的动力学和运动学规律,以及二者之间的联系纽带——流变学性质进行理论讲解。同时,本课程强调理论与实践相结合,因此还将采用Matlab程序设计语言,讲授有限差分算法和Marker-in-Cell技术,进而对相关地球动力学方程进行数值求解,并对实际地球动力学问题进行数值建模,达到学以致用的目的。

预修课程

高等数学,普通物理

教 材

	自编讲义。
	以教师授课为主,辅以计算机程序设计实践。
	采取板书、电脑PPT、Matlab程序相结合。

主要内容

第一章 地球内部流变学简介及前沿研究进展(共3学时)
一、流变学的基本概念和研究内容。
二、通过具体实例介绍流变学的前沿研究进展,及其在地球科学、尤其是地球动力学研究中的重要性。
第二章 流变学理论基础(共12学时)
一、应力、应变与流变学方程。
二、弹性与固体:弹性性质是流变学中最基本的性质。应力和应变在弹性范围内是线性关系,变形可以完全恢复。本部分也介绍运动方程,应变能函数,应力相容条件等基本方程和概念。
三、黏性与流动:流体是流变学范围内和固体相对应的另一种物质属性。流体的运动状态是通过应变率张量和描述流体运动特性的黏滞性来确定的。许多物质的变形在不同的阶段具有不同的性质,它们可以通过弹性和黏性元件的组合来表示。
四、塑性与破裂:无论是弹性体和粘性体,达到塑性屈服强度后,其表现为塑性变形主导。本部分将介绍基于实验岩石学的不同物质的变形特征及脆-韧性转换,脆性破裂准则,及流体对破裂的影响等。
	第三章 程序设计与实践-I(9学时)
一、数值方法:Matlab程序设计方法,求解偏微分方程的有限差分算法和Marker-in-Cell技术。
二、编写程序,求解斯托克斯方程和物质守恒方程。
第四章 地球内部温度结构与热量传输(共3学时)
一、温度和热传输在地球科学中起着至关重要的作用,温度对于地球介质的流变性质有很大的影响,地球内部的热传递主要通过两种形式:对流和传导。地球动力学的许多重要过程,岩石圈的强度和变形、地幔对流等,都受到地球内部温度所控制。
	第五章 程序设计与实践-II(3学时)
一、编写程序,求解热量守恒方程。
二、该程序与前面的力学程序相耦合。
第六章 宏观流变学与地球动力学(共3学时)
一、地球内部结构与性质:层圈结构、物质结构、温度结构、密度结构、流变结构。
二、地幔粘滞系数:通过冰后回弹、大地水准面、地震活动性、板块俯冲等约束地幔的平均粘滞系数和流变强度结构。
第七章 地球内部流变的微观物理特征(共3学时)
一、晶体变形的微观机制:点缺陷和扩散,线缺陷和位错运动。
二、高温高压下岩石的扩散蠕变:稳态蠕变的现象与模型,岩石和矿物的蠕变,流体弱化作用,动态重结晶等。
三、高温高压下岩石的位错蠕变:橄榄石的位错蠕变,地幔矿物晶格优选定向及各向异性。
第八章 总结及考试(共6学时)
一、对地球内部流变学特征进行总结,并进一步探讨热-流变性质在地球动力学研究中的应用。
二、答疑和考试。

参考文献

Ranalli G., Rheology of the Earth, 2nd Edition, Chapman &Hall, 1995.
	Gerya T., Introduction to Numerical Geodynamic Modeling, Cambridge Univ. Press, 2010.
Turcotte D.L., Schubert G., Geodynamics, 2nd Edition, Cambridge Univ. Press, 2002.