西太平洋边缘海盆地的扩张过程和动力学背景

收稿日期:20000406;修订日期:20000628

作者简介:任建业(1963—　),男,博士,副教授,主要从事区域构造和盆地动力学研究工作。

基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(49732005)

西太平洋边缘海盆地的扩张

过程和动力学背景

任建业,　李思田

(中国地质大学,武汉430074)

摘　要:西太平洋集中发育了全球75%的边缘海盆地,这些盆地形成于始新世、渐新世—中新

世和晚中新世—第四纪3个边缘海扩张幕。文中介绍了边缘海盆地的基本特征和发育模式,详

细讨论了西北太平洋边缘海盆地周缘板块构造时空格架及其对边缘海盆地形成、演化和关闭过

程的控制作用。太平洋板块的俯冲及俯冲带的后退,印度—亚洲大陆碰撞的远程效应以及澳洲

与印度尼西亚的碰撞是边缘海盆地的3个重要的区域性控制因素。印度—亚洲大陆的碰撞所

形成的向东和东南的地幔流可能推动了东亚大陆东侧和南侧俯冲带的后退,并引发弧后扩张作

用。同时,由这一碰撞引起的东亚大陆边缘NE 或N N E 向断裂的右旋走滑,进一步影响和控制

了边缘海盆地的几何学特征及演化。澳大利亚和印度尼西亚的碰撞阻碍了俯冲带的后退,导致

了南海、Sulu 海和Celebes 海盆地的扩张终止。同时这一碰撞推动菲律宾海板块向北运移,并使

Bonin 弧与中央日本碰撞,导致日本海关闭。

关键词:边缘海盆地;俯冲后退;幔舌构造;N NE 向断裂的右旋走滑作用

中图分类号:P541　文献标识码:A 文章编号:10052321(

2000)03020311自从弧后盆地的概念出现以来[1～3],主动大陆边缘海盆地的形成和演化机制就成为地球科学研究中广泛关注的前沿课题。早期的研究多集中在西太平洋超巨型俯冲带对边缘海盆地发育的控制作用,近10多年来,更多地集中于印度板块与欧亚大陆碰撞的远程效应导致的巨型NE 或NNE 向断裂右旋走滑作用对边缘海盆地几何学特征和形成过程的影响。近年来地震层析成像技术突飞猛进的发展和火山作用的研究,已经使人们对边缘海深部的状况有了更清晰的认识,地幔柱以及与碰撞有关的向东或南东方向流动的深部地幔流(mantle flow )引起的幔舌(m antle lobes )构造被广泛用来解释边缘海盆地的形成和演化。本文总结了边缘海盆地的基本特征,介绍和评述了边缘海盆地研究方面的一些最新进展,在全球构造和区域板块和深部构造框架内探讨了边缘海盆地扩张的过程和动力学背景。1　边缘海盆地与板块俯冲带

西太平洋是现今地球上超巨型俯冲带发育区,该俯冲带环绕太平洋北部和西部边缘,从—

203—第7卷第3期

2000年9月地学前缘(中国地质大学,北京)Earth S cience Frontiers (C hina University of Geosciences ,Beijing )Vol .7No .3Sept .2000

北太平洋的阿留申海沟,向南过西太平洋的日本海沟、马里亚纳海沟,并一直延伸到南太平

图1　全球边缘海盆地的分布图

Fig .1　Distribution map of gl obal marginal s ea basins

(据Tamaki 等[4],1991修改)

JPI :日本菲律宾印度尼西亚俯冲带;IBM :Izu Bonin M ariana

俯冲带;NGH :新圭亚那—新海布里坦俯冲带洋新西兰南部的Puysegur 海

沟。在这一超巨型的俯冲带

与欧亚大陆和澳洲大陆之间

集中发育了全球75%的边缘

海盆地(图1)。因此,边缘海

盆地是西太平洋边缘最突出

的地质特征之一。根据边缘

海盆地与俯冲带的关系,可以

将边缘海盆地划分为与俯冲

带有关的和与俯冲带无关的

两大类型[4]。与俯冲带有关

的边缘海盆地又可进一步分

为两个亚类,其中弧后盆地分

布最广泛,发育在活动岛弧的弧后一侧。现今仍然活动的马里亚纳盆地和Lau 盆地就属这种类型,这两个盆地分别

发育在马里亚纳岛弧和Tonga 岛弧的弧后一侧,而马里亚纳岛弧和Tonga 岛弧是大洋岛弧,所以马里亚纳盆地和Lau 盆地被称为大洋型弧后盆地。大陆型的弧后盆地发育在大陆弧的弧后一侧,日本海是最典型的例子。第二亚类与俯冲带有关的边缘海盆地类型是捕获洋壳型边缘海盆地,一般是由于在洋盆中新的俯冲带的发育,通过捕获洋壳而形成。Aleu -tian 盆地和Tasman 盆地是典型的实例[4,5]。

与俯冲带无关的边缘海盆地发育较少。最典型的例子是Caribbean 海中的Cay man 海槽,40M a 以来一直作为一个北美和Caribbean 板块之间的拉分盆地而活动[6]

。Caroline 边缘海盆地位于西太平洋赤道海沟系向海的一侧,显然是一个与俯冲带无关的盆地。然而,这个盆地曾经可能是一个弧后盆地,然后被“焊接”到太平洋板块,向西移动到现在的位置。按中国南海、Sulu 海、Celebes 海、Coral 海和New Caledonia 盆地现在所处的板块构造位置,它们远离海沟,似乎与板块俯冲无关,但是大多数盆地的板块构造演化的重建表明,在它们的形成过程中都曾与俯冲带相邻,后来由于俯冲带的后退而成为残余弧后盆地。2　边缘海盆地的主要特征和发育模式

2.1　基本特征概述

与大洋盆地比较,边缘海盆地具有明显的特征:(1)绝大多数边缘海盆地分布在西太平洋区域,另外少量的分布在大西洋的西侧。尤其值得注意的是大多数边缘海盆地分布在大陆的东侧。边缘海盆地的分布与俯冲带有密切的关系,但是并非有俯冲带的地方就有边缘海盆地。例如,秘鲁智利海沟有强烈的俯冲,但南美大陆西侧没有边缘海盆地发育。(2)西太平洋巨型俯冲带至少已有180Ma 的活动历史,但是今天海洋中留存的边缘海盆地形成

—

204—　边缘海演化与中国近海能源勘查　地　学　前　缘　2000,7(3)

于80Ma (图2)以来。边缘海盆地的寿命很短,一般均小于25M a 。一个例外是Caribbean 海的Caym an 海槽的活动延续了40M a 以上,至今仍然活动。(3)

现存的西北太平洋边缘海

图2　边缘海盆地张开的时间

Fig .2　Timing of marginal sea bas in opening

(参考Tamaki 等[4],1991修改)

盆地主要发育于3个扩张幕:始新世扩张幕;渐新世—中新世扩张幕;晚中新世—第四纪扩张幕。从图2中可以看出不同扩张幕时期形成的边缘海盆地。(4)一些边缘海盆地在扩张作用停止后即转向关闭、消失,一般是由盆地的俯冲造成的。15～12Ma 前,日本海的扩张作用停止。目前,日本海正在沿日本岛弧的西侧的一个新形成的俯冲带向日本岛弧之下俯

—

205—　2000,7(3)　地　学　前　缘　边缘海演化与中国近海能源勘查

冲消亡[7]。中国南海盆地和菲律宾海盆正在沿着Nankai

Ryukyu Philippine 海沟俯冲。南亚Molucca 盆地沿其东、西两侧的一对俯冲带俯冲,几乎消失。

2.2　弧后盆地的发育模式长期以来,弧后盆地的发育机制一直是一个难以解决的问题。研究者从不同的角度提出了许多的模式。如果仅考虑岩石圈板块的运动,这些模式可以概括为两个基本的类型,即主动扩张模式和被动扩张模式。前者如图3中的模式1到模式3,后者如模式4到模式6。

图3　弧后盆地扩张模式

Fig .3　M odels of back arc basin spreading

模式1即板块诱发的上涌模式,下

插到岛弧之下的俯冲板片,由于摩擦生

热熔融[1]或者是下插板片引起的次生地

幔对流[3]导致弧后扩张,形成弧后盆地。

模式2即所谓的地幔热柱注入模式,与

热点(hot spot )或热区(ho t region )的活

动有关[8]。模式3是俯冲板片滞留体崩

塌模式,Maruyam a (1997)[9]用此模式解

释中国东部的裂陷作用和日本海的张

开。

模式4表示仰冲板块相对于俯冲带

后退,引起弧后扩张。Manus 盆地是一

个典型的例子[10],太平洋板块以10cm /

a 的速度向北西移动,带动Manus 盆地以

同样的速度扩张。与模式4相反,模式5

和模式6假定海沟向洋盆方向后退[11]。这种后退作用取决于俯冲带之下软流圈的流动。向东流动的软流圈(模式4)或软流圈向下流动(模式5)[11]导致俯冲板块向东移动,造成岩石圈不稳定性,并引起海沟向

东后退,从而被动地引发弧后扩张。向东的软流圈运动可以由地球的自转引起[12],或者与印度洋板块与欧亚大陆的碰撞挤出作用有关[13,14]。模式5和模式6较好地解释了边缘海盆地的分布和伸展、收缩交替变化导致的弧后盆地的扩张和消亡,是未来弧后盆地形成机制研究的一个方向。模式4只有M anus 盆地一个实例,因此,该模式也许仅仅在一定的条件下起作用。

3　大陆碰撞和陆内变形对边缘海盆地发育的影响

弧后盆地形成机制的问题主要涉及为什么伸展盆地发育在会聚板块的边缘?为什么弧后盆地主要分布在西太平洋?为何它们不是与所有的岛弧有关?近几年,大陆碰撞的远程效应和边缘海盆地演化的板块构造重建取得了很大的进展,弧后盆地中深海钻探和地球物理观测已经积累了丰富的资料,特别是典型边缘海盆地扩张年龄的精确确定及其变形几何学的研究促进了对弧后盆地的形成机制的了解。下面将举出已经被详细研究的日本海为例,介绍这方面的研究进展,试图阐明:(1)NNE 向巨型走滑带的右旋作用对弧后盆地发育

—

206—　边缘海演化与中国近海能源勘查　地　学　前　缘

　2000,7(3)

的影响;(2)NNE 向巨型走滑带右旋作用的动力来源。

3.1　大型NNE 向剪切带的右旋走滑作用与日本海的扩张

日本海是典型的大陆型弧后盆地,南部由于一系列弧裂陷作用形成的NE 向海底高地和裂谷盆地交替排列导致复杂的海底地形;北部以宽阔的深海洋盆为特征,海底地形相当简单。日本海洋壳发育区呈一向东张开的三角形形态。磁异常条带显示洋盆扩张作用首先始于东侧,向西逐渐扩展,海底扩张的方向为NW SE 向。磁条带、热流和ODP (大洋钻探项目)资料表明,原日本岛弧的伸展裂陷作用开始于30Ma ,海底扩张始于28Ma ,并在18M a 停止[15]。一些研究者认为,扩张作用持续到15～12M a [16],与Izu -Bonin 弧和中央日本之间的碰撞时间基本一致。大约在10Ma 前,洋盆中形成新的收缩构造体制,并最终导致第四纪晚期盆地东侧俯冲带发育[7]。

盆地张开的几何学不仅受盆地内部构造的控制,而且受盆地边缘构造演化的控制。在晚渐新世到中中新世的扩张期间,盆地东侧边缘是一条巨型的走滑剪切带(图4)。这条剪图4　日本海盆构造格架Fig .4　Tectonic framew ork of the J apan S ea

切带从俄罗斯Sakhalin 岛起始,向南过日本

北海道一直延伸到日本中部,延伸长度达

2000km [15,16]。剪切带由两个主要的分支

组成,北部的分支从Sakhalin 岛延伸到北海

道,以右旋走滑挤压为特征;从北海道向南是

该剪切带的南部分支,以右旋走滑伸展为特

征,并构成了日本海盆东侧边界。这条剪切

带的右旋走滑位移量达到400km 。在日本

海盆的西南侧,南朝鲜和日本之间的Tsushi -

ma 海峡,发育第二条右旋剪切带,位移量达

到200km 。这两条巨型右旋走滑剪切带的

活动时期是晚渐新世到中中新世,与日本海

盆的张开时间一致。从变形机制分析,在右

旋走滑作用条件下,东侧剪切带的南端将形

成一个局部的引张区,日本海盆就处于这个

引张区内。由于东部边缘右旋走滑剪切带比西南边缘右旋走滑剪切带有更大的位移(分别为400km 与200km )[16],因此,在张开期间,弧后右旋走滑伸展应力场将导致西南日本弧反时针旋转,而北部分支的右旋走滑挤压应力场将使日本弧东北部分顺时针旋转,这已经被日本岛弧的古地磁资料所证实[17]。在盆地东缘剪切和伸展区的交会点上,高剪切应变速率使岩石圈完全破裂形成新的洋壳,其后伸展区的大部分位移被洋壳的扩张所吸收。这种沿盆缘走滑断层岩石圈被撕裂,从而触发海底扩张作用的过程被Tamaki (1995)[15]认为是弧后盆地形成的一个普遍的过程。

3.2　印度—亚洲大陆的碰撞与亚洲大陆东部NNE 向剪切带的右旋剪切运动

除了日本海盆和南海盆地东部之外,东亚大陆内部也有大型的NN E 向走滑断裂发育,最典型的是郯庐断裂带。新生代裂陷作用期间,这些断裂表现为右旋走滑作用[18]。因此,NNE 向大型陆内右旋走滑剪切带发育于亚洲大陆东部,并与遭受弧后伸展的亚洲东缘斜交。从日本海的情形我们看到,在右旋剪切带截击弧后伸展,并控制扩张几何特征的区域,

—207—　2000,7(3)　地　学　前　缘　边缘海演化与中国近海能源勘查

将产生不对称的弧后扩张作用。为了探讨东亚地区沿NNE 向走滑带发生右旋运动的动力

学背景,Fournier 等(1994)[19]作了关于大陆碰撞效应的模拟实验(图5)。这一个模拟实验

试图运用漂浮在低速软流圈之上的大陆岩石圈“三层”结构模型,模拟大陆的碰撞过程。应变样式通过上层(砂层)断裂排布显示。右侧微弯曲的边缘是自由边界。随着“楔入体(印度)”向北运动,在挤出构造的北部边缘区域发育了许多NE 向的左旋剪切构造体系(由图中

图5　大陆碰撞模拟实验图示

[19]Fig .5　Line draw ing of a small scale anal ogy experiment of continental collis ion 的细实线表示),与这些左旋剪切带相伴发育了

几条相关的、近南北向共轭右旋剪切带(由图中

的粗实线表示)。在模型的东北部区域发育不连

续的块体(微板块),块体的北界为左旋剪切带,

东界和西界为右旋剪切带,块体顺时针方向微弱

旋转。这个实验证明印度—亚洲大陆的碰撞导

致了亚洲大陆东部大型NNE 向陆内走滑剪切带

的右旋走滑作用。最近的研究表明,这一碰撞的

远程效应最远已经传递到了Okhotsk 海域[20]。

4　西北太平洋边缘海盆地发育的

板块构造背景

西北太平洋地区主要的弧后盆地分布在欧

亚板块的东缘和菲律宾海板块的东部。在东亚

大陆的边缘有4个大型盆地,相对于俯冲带,这些盆地表现为不对称的张开。Kuril 盆地的形态与日本海盆相对应,呈向西张开的三角形形态,

张开时间也为30～15M a (图2)。南海盆地的形态与日本海类似,Taylor 等(1983)[21]基于磁条带11到5d 的鉴定,确定南海的扩张年龄为32～17Ma 。Bariais 等(1993)[22]进一步识

别出磁条带5c ,因而将其扩张年龄确定为32～15.64Ma 。Sulu 海盆地的性质仍有争议,一

些研究者认为是一个捕获型的盆地[23],基于ODP 资料的研究,Rangin 等(1990)[24]认为这

个盆地是欧亚大陆的边缘裂陷和扩张所致,扩张期为早、中中新世。位于东亚大陆边缘的所有大型弧后盆地的一个共同特征是边缘海盆地扩张之前一般都经历了长期的伸展。日本海28Ma 开始扩张前,首先是原日本弧的弧后伸展作用[15]。南海在32Ma 开始扩张前已经遭受了古新世以来长约30Ma 左右的伸展[25,26]。这些盆地的扩张作用似乎与俯冲带的方向斜交,而且在它们的演化过程中明显地受到大规模的走滑作用的影响,如同日本海盆一样。在南海的张开过程中,红河断裂的左旋位移达到500km [27]

;沿日本海边缘的右旋走滑运动可以远离俯冲带向北延伸到2000km 远的Sakhalin 岛,总位移达到400km [16],这些特征很难仅仅由太平洋板块的俯冲来解释,正如图5模拟实验所示,可能与印度—亚洲大陆碰撞的远程效应有关。

同一时期在菲律宾海板块的东缘形成两个大的弧后盆地,Shikoku 盆地和Parece -Vela 盆地,这是世界上最大的两个弧后盆地,其东侧是Bonin -Mariana 沟弧系,盆地的扩张期为27～15Ma (图2)。这两个边缘海盆地在几何学上显示出对称特征,并平行于俯冲带分布。

—208—　边缘海演化与中国近海能源勘查　地　学　前　缘　2000,7(3)

由于菲律宾海板块的周缘都以俯冲带为界与欧亚板块分隔,显然,印度—亚洲大陆碰撞的远程效应不会影响到菲律宾海板块。因此,Shikoku 盆地和Parece -Vela 盆地的形成和演化主要与太平洋板块的俯冲有关。

由上所述,我们有以下重要的认识。第一,欧亚板块东缘的边缘海盆地既受太平洋板块俯冲的影响,又受印度—亚洲大陆碰撞的远程效应形成的右旋走滑作用的控制,所以,盆地图6　45Ma 以来西太平洋边缘海盆地周缘板块构造重建(据Jolivet 等1994[16]

,简化,说明见正文)Fig .6　Reconstruction of plate tectonic evolution around marginal s ea basins of the western Pacific since 45M a 的几何学形态以相对于俯冲带不对称发育

为特征;菲律宾海板块仅受到太平洋板块

俯冲的影响,没有受到上述碰撞远程效应

的影响,因而形成平行俯冲带的对称的弧

后盆地。由此可见,局部构造应力场对盆

地的几何学形态形态及演化有重要的控

制。第二,西太平洋地区几乎所有大型的

弧后盆地,不论其发育在靠近东亚大陆的

边缘,还是菲律宾海板块的东缘,它们几乎

是在同一时间张开和闭合的,这个时间大

体是30～10M a (图2)。这表明共同的板

块构造背景控制了边缘海盆地的发育,图

6显示的板块构造时空演化说明了这一背

景。图6是基于大陆变形的地质资料和边缘海盆地和周缘板块的地质、地球物理资

料所作的边缘海盆地演化的板块构造重建

[16]。在图中明确表示了45Ma ,25M a ,15M a 和

现今四个关键时期板块边界的位置。从图中可以看出,边缘海盆地的形成和演化是在一个现今除了菲律宾海板块东缘外已经不再活动的板块运动学和动力学的格架内进行的。变形的伸展分量(在图6中表示为km /EU )向日本海沟和Sunda 海沟的弧后区增加,表明海沟的俯冲后退(rollback )是弧后盆地张开的主要机制。板块俯冲速率由慢到快的快速变化,地球自转引起的[12]、或者是大陆碰撞引起的[13,14]向东或东南的地幔流都是俯冲带后退的可能原因。西北太平洋地区的边缘海盆地从张开到关闭的变化大体是澳大利亚与印度尼西亚第一次碰撞发生时。此时,这个地区的应力场变化为不同的情形。在15Ma 左右,Sunda 弧的东部海沟的后退和伸展终止,转为挤压。红河断层由左旋转变为右旋[27]。东南亚不再向南移动,南海被限制在左旋的秦岭断层和右旋的红河断层之间向东挤出。马尼拉海沟形成于早中新世,之后南海逐渐向菲律宾岛弧之下俯冲。Sulu 海盆在它张开之后不久开始下插到Sulu 岛弧之下。Celebes 海盆从15Ma 开始消减到Sulaw esi 岛之下。菲律宾群岛的左旋压扭运动至少从20Ma 开始活动一直延续到现在,现今的菲律宾海沟形成于大约5M a 前。在15M a 时,Bonin 弧与中央日本碰撞发生时,日本海的扩张开始停止,逐渐转为挤压。由于澳大利亚板块的递进碰撞,太平洋—菲律宾海—欧亚板块三联点在渐新世和早、中中新世向北运移到现今的位置。因此东亚大陆东部边缘太平洋板块主动俯冲作用的自由边界长度随着菲律宾海板块的向北漂移被逐渐减少到日本海沟的长度。上述这些情形是从20Ma 到10Ma 之间逐渐发生的。

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209—　2000,7(3)　地　学　前　缘　边缘海演化与中国近海能源勘查

值得注意的是,在这一复杂的演化过程中,Bonin 弧后的Shikoku 盆地和Parece -Vela 盆地的扩张作用一直进行。现今仍然活动的冲绳海槽和马里亚纳盆地处于正向俯冲带的部位。

图7　西太平洋边缘海盆地演化的主要控制因素

Fig .7　M ajor controlling factors for the evolution of marginal

sea bas ins of the w estern Pacific 纵上所述,我们可以概括出西太平

洋弧后盆地的演化的3个重要的区域板

块构造控制因素:(1)太平洋板块的俯冲

后退作用是弧后盆地发育的主要机制,

纯俯冲后退作用产生对称扩张的弧后盆

地,如现今仍然活动的M ariana 盆地和冲

绳海槽以及已经停止活动的Shikoku 盆

地和Parece -Vela 盆地。(2)印度—亚洲

大陆碰撞的远程效应导致了东亚大陆边

缘强烈的右旋走滑作用,进而影响了边

缘海盆地的几何学及其演化。假如没有

碰撞的远程效应,日本海、南海等边缘海盆地将会如同Shikoku 盆地、Parece -Vela 盆地、M ariana 盆地和冲绳海槽一样以对

称的方式张开。(3)澳大利亚、欧亚和菲律宾海板块的碰撞作用是边缘海盆地关闭的主要动力因素。图7概要表示了上述因素的相互作用效应。

5　边缘海盆地发育的深部动力学背景

近10年来,以天然地震数据为基础的地震层析技术发展迅速,人们已经能够获得非常精细的深部软流圈的三维图象。环太平洋天然地震层析成像成果在西太平洋区域发现了一系列的软流圈上隆区[28],其分布区与边缘海盆地区吻合。边缘海盆地的研究者将其解释为区域性的地幔柱(Plume ),地幔热区[8],幔流或幔舌[13,14]。

热区注入模式是20世纪80年代中期曾经流行的一个模式。Miyashiro (1986)[8]对比了

整个西太平洋地区的边缘海盆地的形成年龄,发现所有15Ma 之前发育的边缘海盆地从澳洲大陆东侧的Tasman 盆地开始向北发育年龄逐渐变新(图2)。因此,他认为一个直径可能是地幔柱10倍大小的地幔热区可以相对于大陆以及地幔深部自由移动。并认为这个热区在晚白垩世时位于澳大利亚地区,然后逐渐向北运移,在一定条件下于不同的时期注入弧后地区,引起岩石圈加热、变薄和裂开。这个热区现今位于华北之下,由高热流、强烈的第四纪火山活动和热异常地幔等表现出来。这个模式的主要问题是现今亚洲大陆之下的地幔流动方向是由西向东和东南方向,而不是由这个模式假定的北西方向。

弧后盆地下部热异常的另一个解释是与俯冲相联系。有关这方面的最新进展是考虑岩石圈内俯冲板片滞留体的影响。地震层析揭示的板块俯冲可抵达670km 的岩石圈深部过渡层部位,形成俯冲板片滞留体,最终这滞留体会下沉到下地幔[9](图3中的模式3)。

M aruy ama (1997)[9]认为,俯冲板片滞留体灾难性崩塌过程中,可以诱导地幔发生从钙钛矿

—

210—　边缘海演化与中国近海能源勘查　地　学　前　缘　2000,7(3)

+方铁矿相到γ橄榄岩相的相变化,这种相变是一种放热反应,因而可以驱动下地幔物质上升。如果灾难性崩塌的规模足够大,就会在670km 热边界层上形成一个“灯泡”状的地幔上涌,形成新的地幔柱,产生广泛的弧后热区,导致地表强烈的火山活动,并导致弧后盆地张开。

许多学者将印度—亚洲大陆的碰撞与边缘海盆地区地幔热异常相联系。Tam aki

(1991)[13]和Flow er 和Tamaki (1998)[14]认为,印度—亚洲大陆的碰撞不仅可以影响岩石圈的变形,而且也影响了软流圈的流动。亚洲大陆的东侧和南侧均以向西和向北的俯冲板片为界,这些俯冲板片在东亚大陆岩石圈之下围限了一个软流圈域。当印度—亚洲大陆的碰撞发生时,加厚的岩石圈根会迫使软流圈向东或向东南方向流动。流动的软流圈遇到俯冲板片的阻挡将会有两种效应,一个是迫使岩石圈俯冲带后退,导致弧后扩张,另一个是向上注入到俯冲带后侧,引起边缘海深部热异常,从而进一步强化弧后裂陷作用。西太平洋边缘海盆地发育区的东部边界均表现为向东或向南东的弧形凸出,就是深部软流圈向东或东南方向流动效应的岩石圈构造表现,他们称之为“幔舌”构造。如图1所示,西太平洋边缘海盆地在时空上与4个重要的弧形带一致,Izu —Bonin —Mariana 弧形带(IBM ),日本—菲律宾—印度尼西亚弧形带(JPI )和新圭亚那—新海布里坦弧形带(NGH )和Tonga 俯冲带。IBM 和JPI 弧形带反映了印度—亚洲大陆的碰撞,而NGH 弧形带和Tonga 弧形带则与澳大利亚与印度尼西亚的碰撞有关。

目前,关于弧后盆地区深部地幔的热异常仍然没有一个统一的认识模式,以上每个模式都有某一方面的合理性。目前边缘海盆地的研究者们也难以估价在西太平洋边缘海盆地的形成过程中是来自太平洋板块的俯冲,还是来自印度洋板块和欧亚板块的碰撞,或者是深部过程起了主要的作用。弧后盆地形成最明显的事实是,弧后盆地的发育都是在有俯冲作用的活动大陆边缘地区。板块俯冲引起火山活动,从而使上驮板块岩石圈变热软化。这就给予了弧后盆地形成的最大机会,因为即使是一个很小的力也会导致被加热的岩石圈的裂开,进而扩张。因此,从这个角度来看,似乎来自太平洋板块的俯冲起了主要的作用。但是,西太平洋边缘海盆地是在大致统一的时间内形成和演化的,而且,位于欧亚大陆边缘的盆地普遍受到了右旋走滑作用的影响,因此,我们又必须考虑来自印度板块和欧亚大陆碰撞的效应。看来,边缘海盆地的发育是一种综合的地球动力学过程,进一步了解其形成和演化必须结合地震学、岩石学和地球动力学等各方面的参数和边界条件,多学科的合作有可能提供更精确的发育模型。

总之,当前边缘海盆地的研究正在进入一个新的时期,已经不再局限于简单的沟弧盆系统内。边缘海的张开和闭合机制不单是一个简单的俯冲问题,而是一个非常复杂的地球动力学过程。未来的研究必须把边缘海盆地置于更大区域上或全球板块构造和地球深部构造格架内才有可能阐明其形成和演化。

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SPREADING AND DYNAM IC SET T ING OF MARGINAL

BASINS OF THE WEST ERN PACIFIC

REN Jian -ye ,LI Si -tian

(China University of G eoscienc es ,W uhan ,430074,C hina )

A bstract :The more than 75percent of the marginal basins found in the Earth today are con -centrated in the western pacific .Opening of these basins occurred in three main spreading episodes :the Eocene ,the Oligocene —M iocene ,and the Late Miocene —Quaternary .The basic characteristics and forming models of marginal basins are introduced and evolution of plate tec -tonic framework around marginal basins and its control of the opening ,evolution and closure of marginal basins are discussed in detail .Subduction and Rollback of the Pacific trench ,the far -field effect of collision of India Eurasia ,and collision of Australia w ith Indonesia are three principal regional control factors for evolution of marginal basins .The eastw ard or southeast -w ard mantle flow resulting from the collision of India Eurasia probably pushed rollback of slabs east and southeast to East Asian co ntinent ,further causing back arc spreading .At same time ,the far -field effect of this collision led to dex tral strike -slip along large intracontinental shear zones in the eastern Asian continental margin ,w hich affected severely the opening of back arc basins and their geometry .The collision of Australia and Indonesia stopped the roll -back of slabs ,and as a result the South China Sea ,the Sulu Sea and the Celebes Sea began to close .This collision also pushed Philippine Sea plate northw ard ,and made the Bonin arc collide w ith the Center Japan ,which caused closure of the Japan Sea .

Key words :marginal basin ;rollback ;mantle lobe ;dex tral strike -slip along NNE trending frac -tures

—213—　2000,7(3)

　地　学　前　缘　

边缘海演化与中国近海能源勘查

Abaqus 中显示动力学分析步骤

准静态分析——ABAQUS/Explicit 准静态过程（guasi-static process） 在过程进行的每一瞬间，系统都接近于平衡状态，以致在任意选取的短时间dt内，状态参量在整个系统的各部分都有确定的值，整个过程可以看成是由一系列极接近平衡的状态所构成，这种过程称为准静态过程。无限缓慢地压缩和无限缓慢地膨胀过程可近似看作为准静态过程。准静态过程是一种理想过程，实际上是办不到的。 准静态原为一个热力学概念，在这里引用主要是指模型在加载的过程中任意时刻所经历的中间状态都可近似地视为静力状态，因此当加载过程进行得无限缓慢时，在各个时刻模型所处的状态就可近似地看作是静态，该过程便是准静态过程。准静态啮合过程仿真主要考虑的是弧齿锥齿轮副在加载时的接触状态，以及齿面和齿根的应力变化规律，其前提是不考虑齿轮副惯性的影响。 ABAQUS/Explicit准静态分析 显式求解方法是一种真正的动态求解过程，它的最初发展是为了模拟高速冲击问题，在这类问题的求解中惯性发挥了主导性作用。当求解动力平衡的状态时，非平衡力以应力波的形式在相邻的单元之间传播。由于最小稳定时间增量一般地是非常小的值，所以大多少问题需要大量的时间增量步。 在求解准静态问题上，显式求解方法已经证明是有价值的，另外ABAQUS/Explicit在求解某些类型的静态问题方面比ABAQUS/Standard更容易。在求解复杂的接触问题时，显式过程相对于隐式过程的一个优势是更加容易。此外，当模型很大时，显式过程比隐式过程需要较少的系统资源。 将显式动态过程应用于准静态问题需要一些特殊的考虑。根据定义，由于一个静态求解是一个长时间的求解过程，所以在其固有的时间尺度上分析模拟常常在计算上是不切合实际的，它将需要大量的小的时间增量。因此，为了获得较经济的解答，必须采取一些方式来加速问题的模拟。但是带来的问题是随着问题的加速，静态平衡的状态卷入了动态平衡的状态，在这里惯性力成为更加起主导作用的力。目标是在保持惯性力的影响不显著的前提下用最短的时间进行模拟。 准静态（Quasi-static）分析也可以在ABAQUS/Standard中进行。当惯性力可以忽略时，在ABAQUS/Standard中的准静态应力分析用来模拟含时间相关材料响应（蠕变、膨胀、粘弹性和双层粘塑性）的线性或非线性问题。关于在ABAQUS/Standard中准静态分析的更多信息，请参阅ABAQUS分析用户手册（ABAQUS Analysis User’s Manual）的第6.2.5节“Quasi-static analysis”。 1. 显式动态问题类比 假设两个载满了乘客的电梯。在缓慢的情况下，门打开后你步入电梯。为了腾出空间，邻近门口的人慢慢地推他身边的人，这些被推的人再去推他身边的人，如此继续下去。这种扰动在电梯中传播，直到靠近墙边的人表示他们无法移动为止。一系列的波在电梯中传播，直到每个人都到达了一个新的平衡位置。如果你稍稍加快速度，你会比前面更用力地推动你身边的人，但是最终每个人都会停留在与缓慢的情况下相同的位置。 在快速情况下，门打开后你以很高的速度冲入电梯，电梯里的人没有时间挪动位置来重新安排他们自己以便容纳你。你将会直接地撞伤在门口的两个人，而其他人则没有受到影响。

分子动力学的模拟过程

分子动力学的模拟过程 分子动力学模拟作为一种应用广泛的模拟计算方法有其自身特定的模拟步骤,程序流程也相对固定。本节主要就分子动力学的模拟步骤和计算程序流程做一些简单介绍。 1. 分子动力学模拟步驟 分子动力学模拟是一种在微观尺度上进行的数值模拟方法。这种方法既可以得到一些使用传统方法,热力学分析法等无法获得的微观信息,又能够将实际实验研究中遇到的不利影响因素回避掉,从而达到实验研宄难以实现的控制条件。 分子动力学模拟的步骤为: (1)选取所要研究的系统并建立适当的模拟模型。 (2)设定模拟区域的边界条件,选取粒子间作用势模型。 (3)设定系统所有粒子的初始位置和初始速度。 (4)计算粒子间的相互作用力和势能,以及各个粒子的位置和速度。 (5)待体系达到平衡,统计获得体系的宏观特性。 分子动力学模拟的主要对象就是将实际物理模型抽象后的物理系统模型。因此,物理建模也是分子动力学模拟的一个重要的环节。而对于分子动力学模拟,主要还是势函数的选取,势函数是分子动力学模拟计算的核心。这是因为分子动力学模拟主要是计算分子间作用力,计算粒子的势能、位置及速度都离不开势函数的作用。系统中粒子初始位置的设定最好与实际模拟模型相符,这样可以使系统尽快达到平衡。另外,粒子的初始速度也最好与实际系统中分子的速度相当,这样可以减少计算机的模拟时间。 要想求解粒子的运动状态就必须把运动方程离散化,离散化的方法有经典Verlet算法、蛙跳算法(Leap-frog)、速度Veriet算法、Gear预估-校正法等。这些算法有其各自的优势,选取时可按照计算要求选择最合适的算法。 统计系统各物理量时,便又涉及到系统是选取了什么系综。只有知道了模拟系统采用的系综才能釆用相对应的统计方法更加准确,有效地进行统计计算,减少信息损失。 2. 分子动力学模拟程序流程 具体到分子动力学模拟程序的具体流程,主要包括: (1)设定和模拟相关的参数。 (2)模拟体系初始化。 (3)计算粒子间的作用力。 (4)求解运动方程。 (5)循环计算,待稳定后输出结果。 分子动力学模拟程序流程图如2.3所示。

运动力学原理在体育运动中的应用

第22卷 第2期 牡丹江大学学报 Vol.22 No.2 2013年2月 Journal of Mudanjiang University Feb. 2013 131 文章编号：1008-8717（2013）02-0131-04 运动力学原理在体育运动中的应用探讨 张生芳 王志勇 （河西学院体育学院， 甘肃 张掖 734000） 摘 要：从肌肉力学和运动过程特征等方面，对运动力学原理在体育运动中的应用进行了分析、探讨。认为运动力学原理在体育运动中应用的局限性，是由于人体运动的特征性造成的，它不影响运动力学原理在体育运动中的应用。 关键词：运动力学原理；局限性；探讨 中图分类号：G642 文献标识码：A 一、引言 体育运动是以人的身体运动为基本活动特征的，无论是以身体运动为指标判断运动成绩，还是以器械运动效果为指标判断运动成绩。力是人体或器械运动的充要条件。在实践中，人们为了正确的认识体育运动过程中力与运动的关系，把物理学中的运动力学引入到体育运动技术的研究中，运用物理学中的运动力学原理，为科学地探索和揭示人体运动过程中的基本规律奠定了基础。对体育运动技术的改进、发展和运动成绩的提高起到了很大的作用。现代体育基础理论中，技术过程的运动力学分析是研究和认识运动技术不可缺少的一个重要环节。它的作用主要体现在：（一）帮助人们正确认识体育运动技术；（二）应用运动力学原理来科学地设计和完善人体运动的形式（运动技术）；（三）通过研究力与运动的关系，实现发挥人体（或器械）运动最大的力学效果。所以，运动力学原理是体育运动技术训练的理论基础和依据。但在实践中，人们发现运动力学原理在应用中存在一定的局限性和不适宜性。本文从肌肉力学、运动力学等方面，就这一问题进行了较为全面的分析，旨在为运动力学原理在体育实践中的应用提供借鉴。 二、结果与分析 1. 体育运动的分类 运动效果、运动形式和力是体育运动技术过程的基本因素，同时它们是三个相互关联、相互影响的效果指标。不同的运动形式会产生不同的运动效果，反过来不同运动效果，规定了人体的运动形式。运动形式不同，人体运动过程中肌肉和关节的配备和组合不同，用力特征不同。相反，不同的肌肉和关节的配备和组合，也决定了不同的运动形式。在体育运动中，有些项目是以追求运动形式为目的的，而有些项目是以追求运动效果为目的的。由于我们讨论的是力、运动形式和效果的关系问题，根据运动目标效果和人体肌肉用力的特征我们可以把体育运动划分为两大类。 （1）以追求合理的运动形式为目的的运动 这类运动的主要特征是人体在运动过程中各运动环节必需控制在一个恰当的动态位置。这就要求人体的肌肉产生的收缩力和肢体的运动必需维持一定身体姿位，它不要求各部位肌肉收缩力达到最大，而要求力的大小和方向能实现控制肢体按要求去运动。也就是说力的大小和方向上都必需保持在一个规定的运动形式和状态。如体操中的大多数动作、篮球中的投篮动作要求的是人体和器械按照一定的要求运动轨迹运动。 （2）以追求最大力学效应为目的的运动 这类运动主要特征是发挥肌肉的最大力，以实 收稿日期：2012-11-17 作者简介：张生芳（1964—），男，陕西宝鸡人，河西学院体育学院副教授，主要从事田径教学、训 练与研究工作。

分子动力学方法模拟基本步骤

分子动力学方法模拟基本步骤 1.第一步 即模型的设定，也就是势函数的选取。势函数的研究和物理系统上对物质的描述研究息息相关。最早是硬球势，即小于临界值时无穷大，大于等于临界值时为零。常用的是LJ势函数，还有EAM势函数，不同的物质状态描述用不同的势函数。 模型势函数一旦确定，就可以根据物理学规律求得模拟中的守恒量。 2 第二步 给定初始条件。运动方程的求解需要知道粒子的初始位置和速度，不同的算法要求不同的初始条件。如：verlet算法需要两组坐标来启动计算，一组零时刻的坐标，一组是前进一个时间步的坐标或者一组零时刻的速度值。 一般意思上讲系统的初始条件不可能知道，实际上也不需要精确选择代求系统的初始条件，因为模拟实践足够长时，系统就会忘掉初始条件。当然，合理的初始条件可以加快系统趋于平衡的时间和步伐，获得好的精度。 常用的初始条件可以选择为：令初始位置在差分划分网格的格子上，初始速度则从玻尔兹曼分布随机抽样得到；令初始位置随机的偏离差分划分网格的格子上，初始速度为零；令初始位置随机的偏离差分划分网格的格子上，初始速度也是从玻尔兹曼分布随机抽样得到。 第三步 趋于平衡计算。在边界条件和初始条件给定后就可以解运动方程，进行分子动力学模拟。但这样计算出的系统是不会具有所要求的系统的能量，并且这个状态本身也还不是一个平衡态。 为使得系统平衡，模拟中设计一个趋衡过程，即在这个过程中，我们增加或者从系统中移出能量，直到持续给出确定的能量值。我们称这时的系统已经达到平衡。这段达到平衡的时间成为驰豫时间。 分子动力学中，时间步长的大小选择十分重要，决定了模拟所需要的时间。为了减小误差，步长要小，但小了系统模拟的驰豫时间就长了。因此根据经验选择适当的步长。如，对一个具有几百个氩气Ar分子的体系，lj势函数，发现取h为0.01量级，可以得到很好的相图。这里选择的h是没有量纲的，实际上这样选择的h对应的时间在10-14s的量级呢。如果模拟1000步，系统达到平衡，驰豫时间只有10-11s。 第四步 宏观物理量的计算。实际计算宏观的物理量往往是在模拟的最后揭短进行的。它是沿相空间轨迹求平均来计算得到的（时间平均代替系综平均）

分子动力学模拟方法概述(精)

《装备制造技术》 2007年第 10期 收稿日期 :2007-08-21 作者简介 :申海兰 , 24岁 , 女 , 河北人 , 在读研究生 , 研究方向为微机电系统。 分子动力学模拟方法概述 申海兰 , 赵靖松 (西安电子科技大学机电工程学院 , 陕西西安 710071 摘要 :介绍了分子动力学模拟的基本原理及常用的原子间相互作用势 , 如Lennard-Jones 势 ; 论述了几种常用的有限差分算法 , 如 Verlet 算法 ; 说明了分子动力学模拟的几种系综及感兴趣的宏观统计量的提取。关键词 :分子动力学模拟 ; 原子间相互作用势 ; 有限差分算法 ; 系综中图分类号 :O3 文献标识码 :A 文章编号 :1672-545X(200710-0029-02 从统计物理学中衍生出来的分子动力学模拟方法 (molec- ular dynamics simulation , M DS , 实践证明是一种描述纳米科技 研究对象的有效方法 , 得到越来越广泛的重视。所谓分子动力学模拟 , 是指对于原子核和电子所构成的多体系统 , 用计算机模拟原子核的运动过程 , 从而计算系统的结构和性质 , 其中每一个原子核被视为在全部其他原子核和电子所提供的经验势场作用下按牛顿定律运动 [1]。它被认为是本世纪以来除理论分析和实验观察之外的第三种科学研究手段 , 称之为“计算机实验” 手段 [2], 在物理学、化学、生物学和材料科学等许多领域中得到广泛地应用。

根据模拟对象的不同 , 将它分为平衡态分子动力学模拟 (EM DS (和非平衡态分子动力学模拟 (NEM DS 。其中 , EM DS 是分子动力学模拟的基础 ; NEM DS 适用于非线性响应系统的模拟 [3]。下面主要介绍 EM DS 。 1分子动力学方法的基本原理 计算中根据以下基本假设 [4]: (1 所有粒子的运动都遵循经典牛顿力学规律。 (2 粒子之间的相互作用满足叠加原理。 显然这两条忽略了量子效应和多体作用 , 与真实物理系统存在一定差别 , 仍然属于近似计算。 假设 N 为模拟系统的原子数 , 第 i 个原子的质量为 m i , 位置坐标向量为 r i , 速度为 v i =r ? i , 加速度为 a i =r ?? i , 受到的作用力为 F i , 原子 i 与原子 j 之间距离为 r ij =r i -r j , 原子 j 对原子 i 的作用力为 f ij , 原子 i 和原子 j 相互作用势能为 ! (r ij , 系统总的势能为 U (r 1, r 2, K r N = N i =1! j ≠ i ! " (r ij , 所有的物理量都是随时 间变化的 , 即 A=A (t , 控制方程如下 : m i r ?? i =F i =j ≠ i

分子动力学模拟

分子动力学模拟 分子动力学就是一门结合物理,数学与化学的综合技术。分子动力学就是一套分子模拟方法,该方法主要就是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动,以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本,从而计算体系的构型积分,并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量与其她宏观性质。 这门技术的发展进程就是: 1980年:恒压条件下的动力学方法(Andersenの方法、Parrinello-Rahman法) 1983年:非平衡态动力学方法(Gillan and Dixon) 1984年:恒温条件下的动力学方法(能势‐フーバーの方法) 1985年:第一原理分子动力学法(→カー?パリネロ法) 1991年:巨正则系综的分子动力学方法(Cagin and Pettit)、 最新的巨正则系综,即为组成系综的系统与一温度为T、化学势为μ的很大的热源、粒子源相接触,此时系统不仅同热源有能量交换,而且可以同粒子源有粒子的交换,最后达到平衡,这种系综称巨正则系综。 进行分子动力学模拟的第一步就是确定起始构型,一个能量较低的起始构型就是进行分子模拟的基础,一般分子的其实构型主要就是来自实验数据或量子化学计算。在确定起始构型之后要赋予构成分子的各个原子速度,这一速度就是根据玻尔兹曼分布随机生成,由于速度的分布符合玻尔兹曼统计,因此在这个阶段,体系的温度就是恒定的。另外,在随机生成各个原子的运动速度之后须进行调整,使得体系总体在各个方向上的动量之与为零,即保证体系没有平动位移。 由上一步确定的分子组建平衡相,在构建平衡相的时候会对构型、温度等参数加以监控。 进入生产相之后体系中的分子与分子中的原子开始根据初始速度运动,可以想象其间会发生吸引、排斥乃至碰撞,这时就根据牛顿力学与预先给定的粒子间相互作用势来对各个例子的运动轨迹进行计算,在这个过程中,体系总能量不变,但分子内部势能与动能不断相互转化,从而体系的温度也不断变化,在整个过程中,体系会遍历势能面上的各个点,计算的样本正就是在这个过程中抽取的。 用抽样所得体系的各个状态计算当时体系的势能,进而计算构型积分。 作用势的选择与动力学计算的关系极为密切,选择不同的作用势,体系的势能面会有不同的形状,动力学计算所得的分子运动与分子内部运动的轨迹也会不同,进而影响到抽样的结果与抽样结果的势能计算,在计算宏观体积与微观成分关系的时候主要采用刚球模型的二体势,计算系统能量,熵等关系时早期多采用Lennard-Jones、morse势等双体势模型,对于金属计算,主要采用morse势,但就是由于通过实验拟合的对势容易导致柯西关系,与实验不符,因此在后来的模拟中有人提出采用EAM等多体势模型,或者采用第一性原理计算结果通过一定的物理方法来拟合二体势函数。但就是对于二体势模型,多体势往往缺乏明确的表达式,参量很多,模拟收敛速度很慢,给应用带来很大困难,因此在一般应用中,通过第一性原理计算结果拟合势函数的L-J,morse等势模型的应用仍非常广泛。 分子动力学计算的基本思想就是赋予分子体系初始运动状态之后,利用分子的自然运动在相空间中抽取样本进行统计计算,时间步长就就是抽样的间隔,因而时间步长的选取对动力学模拟非常重要。太长的时间步长会造成分子间的激烈碰撞,体系数据溢出;太短的时间步长会降低模拟过程搜索相空间的能力,因此一般选取的时间步长为体系各个自由度中最短运动周期的十分之一。但就是通常情况下,体系各自由度中运动周期最短的就是各个化学键的振动,而这种运动对计算某些宏观性质并不产生影响,因此就产生了屏蔽分子内部振动或其她无关运动的约束动力学,约束动力学可以有效地增长分子动力学模拟时间步长,提高搜索相空间的能

MS分子动力学模拟具体实施步骤

第3章 铁基块体非晶合金‐纳米晶转变的动力学模拟过程 3.1 Discover模块 3.1.1 原子力场的分配 在使用Discover模块建立基于力场的计算中，涉及几个步骤。主要有：选择力场、指定原子类型、计算或指定电荷、选择non‐bond cutoffs。 在这些步骤中，指定原子类型和计算电荷一般是自动执行的。然而，在某些情形下需要手动指定原子类型。原子定型使用预定义的规则对结构中的每个原子指定原子类型。在为特定的系统确定能量和力时，定型原子使工作者能使用正确的力场参数。通常，原子定型由Discover使用定型引擎的基本规则来自动执行，所以不需要手动原子定型。然而，在特殊情形下，人们不得不手动的定型原子，以确保它们被正确地设置。 图 3-1 1）计算并显示原子类型：点击Edit→Atom Selection，如图3‐1所示 图3-2 弹出对话框，如图3‐2所示 从右边的…的元素周期表中选择Fe，再点Select，此时所建晶胞中所有Fe

原子都将被选中，原子被红色线圈住即表示原子被选中。再编辑集合，点击Edit →Edit Sets，如图3‐3、3‐4所示。 图3-3 图3-4 弹出对话框见图3‐4，点击New...，给原子集合设定一个名字。这里设置为Fe，则3D视图中会显示“Fe”字样，再分配力场：在工具栏上点击Discover按 钮，从下拉列表中选择Setup，显示Discover Setup对话框，选择Typing选项卡，见图3‐5。 图3-5 在Forcefield types里选择相应原子力场，再点Assign（分配）按钮进行原子力场分配。注意原子力场中的价态要与Properties Project里的原子价态（Formalcharge）一致。

微专题18 ”动力学过程“的分析与应用

主要问题主要解决瞬时性问题、连接体问题及多过程问题．

方法点拨 1．“动力学过程”分析：由物体受力情况推断物体加速度情况，再结合物体初速度推断出物体运动情况，再根据运动过程中力的变化确定加速度的变化即F→a→v→F；注意应用牛顿第二定律的矢量性、瞬时性、同一性、独立性． 2．轻绳、轻杆和接触面的弹力能跟随外界条件发生突变；弹簧(或橡皮绳)的弹力不能突变，在外界条件发生变化的瞬间可认为是不变的． 3．多个物体一起运动时，知其中一物体加速度即可知整体加速度，反之亦然，从而知其合外力方向． 1．(2019·四川广元市一诊)如图1所示，弹簧左端固定，右端自由伸长到O点并系住质量为m的物体，现将弹簧压缩到A点，然后释放，物体可以一直运动到B点．如果物体受到的阻力恒定，则()

图1 A．物体从A到O先加速后减速 B．物体从A到O做加速运动，从O到B做减速运动 C．物体运动到O点时，所受合力为零 D．物体从A到O的过程中，加速度逐渐减小 2．(多选)(2019·河北唐山市上学期期末)如图2所示，小车在水平面上做匀加速直线运动，车厢内两质量相同的小球通过轻绳系于车厢顶部，轻绳OA、OB与竖直方向夹角均为45°，其中一球用水平轻绳AC系于车厢侧壁，重力加速度为g，下列说法正确的是() 图2 A．小车运动方向一定向右 B．小车的加速度大小为 2 2g

C ．轻绳OA 、OB 拉力大小相等 D ．轻绳CA 拉力大小是轻绳OA 拉力的2倍 3．(2019·福建三明市期末质量检测)如图3所示，一列火车以加速度a 在平直轨道上前进，一物块靠在车厢后壁上保持相对静止状态(未粘连)．已知物块质量为m ，物块与后壁间的动摩擦因数为μ，滑动摩擦力等于最大静摩擦力，重力加速度为g .则下列说法正确的是( ) 图3 A ．物块所受摩擦力f >mg B ．车厢后壁对物块的压力N ＝m (g ＋a ) C ．车厢对物块的作用力方向为竖直向上 D ．要使物块不下落，火车加速度需满足a ≥g μ 4．如图4所示，某杂技演员在做手指玩圆盘的表演．设该盘的质量为m ，手指与盘之间的动摩擦因数为μ，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，盘底处于水平状态且不考虑盘的自转，重力加速度为g ，则下列说法中正确的是( )

运用动力学和能量观点分析多过程问题

运用动力学和能量观点分析多过程问题 (限时：45分钟) 1．如图1所示，在竖直平面内有一个粗糙的1 4圆弧轨道，其半径R ＝0.4 m ，轨道的最低点距 地面高度h ＝0.45 m ．一质量m ＝0.1 kg 的小滑块从轨道的最高点A 由静止释放，到达最低点B 时以一定的水平速度离开轨道，落地点C 距轨道最低点的水平距离x ＝0.6 m ．空气阻力不计，g 取10 m/s 2，求：(结果保留两位有效数字) 图1 (1)小滑块离开轨道时的速度大小； (2)小滑块运动到轨道最低点时，对轨道的压力大小； (3)小滑块在轨道上运动的过程中，克服摩擦力所做的功． 答案 (1)2.0 m/s (2)2.0 N (3)0.2 J 解析 (1)小滑块离开轨道后做平抛运动，设运动时间为t ，初速度为v ，则 x ＝v t h ＝12 gt 2 解得：v ＝2.0 m/s. (2)小滑块到达轨道最低点时，受重力和轨道对它的弹力为F N ，根据牛顿第二定律：F N －mg ＝m v 2R 解得：F N ＝2.0 N 根据牛顿第三定律，轨道受到的压力大小F N ′＝F N ＝2.0 N. (3)在小滑块从轨道的最高点到最低点的过程中，根据动能定理：mgR ＋W f ＝1 2m v 2－0 解得：W f ＝－0.2 J 所以小滑块克服摩擦力做功为0.2 J. 2．如图2所示，质量为m ＝1 kg 的物块，放置在质量M ＝2 kg 足够长木板的中间，物块与木板间的动摩擦因数为0.1，木板放置在光滑的水平地面上．在地面上方存在两个作用区，两作用区的宽度L 均为1 m ，边界距离为d ，作用区只对物块有力的作用：Ⅰ作用区对物块作用力方向水平向右，Ⅱ作用区对物块作用力方向水平向左．作用力大小均为3 N ．将物块与

电磁感应中的动力学和能量问题(教师版)

专题 电磁感应中的动力学和能量问题 一、电磁感应中的动力学问题 1．电磁感应与动力学、运动学结合的动态分析，分析方法是： 导体受力运动产生感应电动势→感应电流→通电导线受安培力→合外力变化→加速度变化→速度变化→感应电动势变化→……周而复始地循环，直至达到稳定状态． 2．分析动力学问题的步骤 (1)用电磁感应定律和楞次定律、右手定则确定感应电动势的大小和方向． (2)应用闭合电路欧姆定律求出电路中感应电流的大小． (3)分析研究导体受力情况，特别要注意安培力方向的确定． (4)列出动力学方程或平衡方程求解． 3．两种状态处理 (1)导体处于平衡态——静止或匀速直线运动状态． 处理方法：根据平衡条件——合外力等于零，列式分析． (2)导体处于非平衡态——加速度不为零． 处理方法：根据牛顿第二定律进行动态分析或结合功能关系分析． 二、电磁感应中的能量问题 1．电磁感应过程的实质是不同形式的能量转化的过程．电磁感应过程中产生的感应电流在磁场中必定受到安培力作用，因此要维持感应电流存在，必须有“外力”克服安培力做功．此过程中，其他形式的能转化为电能，“外力”克服安培力做多少功，就有多少其他形式的能转化为电能；当感应电流通过用电器时，电能又转化为其他形式的能．可以简化为下列形式： 其他形式的能 如：机械能 ――→安培力做负功电能 ――→电流做功其他形式的能 如：内能 同理，安培力做功的过程，是电能转化为其他形式的能的过程，安培力做多少功就有多少电能转化为其他形式的能． 2．电能求解的思路主要有三种 (1)利用克服安培力做功求解：电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功； (2)利用能量守恒求解：机械能的减少量等于产生的电能； (3)利用电路特征求解：通过电路中所产生的电能来计算． 例1 如图所示，MN 、PQ 为足够长的平行金属导轨，间距L ＝0.50 m ，导轨平面与水平面间夹角θ＝37°，N 、Q 间连接一个电阻R ＝5.0 Ω，匀强磁场垂直于导轨平面向上，磁感应强度B ＝1.0 T ．将一根质量为m ＝0.050 kg 的金属棒放在导轨的ab 位置，金属棒及导轨的电阻不计．现由静止释放金属棒，金属棒沿导轨向下运动过程中始终与导轨垂直，且与导轨接触良好．已知金属棒与导轨间的动摩擦因数μ＝0.50，当金属棒滑行至cd 处时，其速度大小开始保持不变，位置cd 与ab 之间的距离s ＝2.0 m ．已知g ＝10 m/s 2，sin 37°＝0.60，cos 37°＝0.80.求： (1)金属棒沿导轨开始下滑时的加速度大小； (2)金属棒到达cd 处的速度大小； (3)金属棒由位置ab 运动到cd 的过程中，电阻R 产生的热量． 解析 (1)设金属棒开始下滑时的加速度大小为a ，则 mg sin θ－μmg cos θ＝ma a ＝2.0 m/s 2 (2)设金属棒到达cd 位置时速度大小为v 、电流为I ，金属棒受力平衡，有mg sin θ＝BIL ＋ μmg cos θ I ＝BL v R 解得v ＝2.0 m/s (3)设金属棒从ab 运动到cd 的过程中，电阻R 上产生的热量为Q ，由能量守恒， 有mgs sin θ＝12 m v 2＋μmgs cos θ＋Q 解得Q ＝0.10 J 突破训练1 如图所示，相距为L 的两条足够长的平行金属导轨，与水平面的夹角为θ，导轨上固定有质量为m 、电阻为R 的两根相同的导体棒，导体棒MN 上方轨道粗糙、下方轨

电极过程动力学

电极过程动力学 一、实验目的 通过对铜电极的阳极极化曲线和阴极极化曲线的测定，绘制出极化曲线图，从而进一步加深对电极极化原理以及有关极公曲线理论知识的理解。通过本实验，熟悉用恒电流法测定极化曲线。 二、实验原理 当电池中由某金属和其金属离子组成的电极处于平衡状态时，金属原子失去电子变成离子获得电子变成原子的速度是相等的，在这种情况下的电极称为平衡电极电位。 电解时，由于外电源的作用，电极上有电流通过，电极电位偏高了平衡位，反应以一定的速度进行，以铜电极Cu|Cu2+为例，它的标准平衡电极电位是+0.337V，若电位比这个数值更负一些，就会使Cu2+获得电子的速度速度增加，Cu失去电子的速度减小，平衡被破坏，电极上总的反应是Cu2+析出； 反之，若电位比这个数值更正一些，就会使Cu失去电子的速度增加，Cu2+获得电子的速度减小，电极上总的反应是Cu溶解。这种由于电极上有电流通过而导致电极离开其平衡状态，电极电位偏离其平衡的现象称为极化，如果电位比平衡值更负，因而电极进行还原反应，这种极化称为阴极极化，反之，若电位比平衡值更正，因而电极进行氧化反应，这种极化称为阳极极化。 对于电极过程，常用电流密度来表示反应速度，电流密度愈大，反应速度愈快。电流密度的单位常用安培/厘米2，安培/米2。 由于电极电位是影响影响电流密度的主要因素，故通常用测定极化曲线的方法来研究电极的极化与电流密度的关系。 一、实验方法及装置 本实验电解液为CuSO4溶液（溶液中CuSO4.5H2O浓度为165g/l，H2SO4 180g/l）；电极用φ=0.5mm铜丝作为工作电极，铂片电极作为辅助电极。为了测得不同电流密度下的电极电位，以一个甘汞电极与被测电极组成电池，甘汞电极通过盐桥与被测电极相通，用CHI660B电化学工作站测得不同电流密度下对应的阴极或阳极极化曲线。

分子动力学模拟基础知识

分子动力学模拟基础知识 ? Molecular Dynamics Simulation o MD: Theoretical Background Newtonian Mechanics and Numerical Integration The Liouville Operator Formalism to Generating MD Integration Schemes o Case Study 1: An MD Code for the Lennard-Jones Fluid Introduction The Code, mdlj.c o Case Study 2: Static Properties of the Lennard-Jones Fluid (Case Study 4 in F&S) o Case Study 3: Dynamical Properties: The Self-Diffusion Coefficient ? Ensembles o Molecular Dynamics at Constant Temperature Velocity Scaling: Isokinetics and the Berendsen Thermostat Stochastic NVT Thermostats: Andersen, Langevin, and Dissipative Particle Dynamics The Nosé-Hoover Chain Molecular Dynamics at Constant Pressure: The Berendsen Barostat Molecular Dynamics Simulation We saw that the Metropolis Monte Carlo simulation technique generates a sequence of states with appropriate probabilities for computing ensemble averages (Eq. 1). Generating states probabilitistically is not the only way to explore phase space. The idea behind the Molecular Dynamics (MD) technique is that we can observe our dynamical system explore phase space by solving all particle equations of motion . We treat the particles as classical objects that, at least at this stage of the course, obey Newtonian mechanics. Not only does this in principle provide us with a properly weighted sequence of states over which we can compute ensemble averages, it additionally gives us time-resolved information, something that Metropolis Monte Carlo cannot provide. The ``ensemble averages'' computed in traditional MD simulations are in practice time averages : (99) The ergodic hypothesis partially requires that the measurement time, , i , in the system. The price we pay for this extra information is that we must at least access if not store particle velocities in addition to positions, and we must compute interparticle forces in addition to potential energy. We will introduce and explore MD in this section.

圆周运动中的动力学分析

圆周运动中的动力学分析 (1)向心力的来源 向心力是按力的作用效果命名的，可以是重力、弹力、摩擦力等各种力，也可以是几个力的合力或某个力的分力，因此在受力分析中要避免再另外添加一个向心力． (2)向心力的确定 ①确定圆周运动的轨道所在的平面，确定圆心的位置． ②分析物体的受力情况，找出所有的力沿半径方向指向圆心的合力就是向心力． 例1 (多选)如图1 所示为赛车场的一个水平“梨形”赛道，两个弯道分别为半径R ＝90 m 的大圆弧和r ＝40 m 的小圆弧，直道与弯道相切．大、小圆弧圆心O 、O ′距离L ＝100 m ．赛车沿弯道路线行驶时，路面对轮胎的最大径向静摩擦力是赛车重力的2.25倍，假设赛车在直道上做匀变速直线运动，在弯道上做匀速圆周运动，要使赛车不打滑，绕赛道一圈时间最短(发动机功率足够大，重力加速度g ＝10 m/s 2，π＝3.14)，则赛车( ) 图1 A ．在绕过小圆弧弯道后加速 B ．在大圆弧弯道上的速率为45 m/s C ．在直道上的加速度大小为5.63 m/s 2 D ．通过小圆弧弯道的时间为5.58 s 绕赛道一圈时间最短． 答案 AB 解析 在弯道上做匀速圆周运动时，根据径向静摩擦力提供向心力得，kmg ＝m v 2m r ，当弯道半径一定时，在弯道上的最大速率是一定的，且在大弯道上的最大速率大于小弯道上的最大速率，故要想时间最短，可在绕过小圆弧弯道后加速，选项A 正确；在大圆弧弯道上的速率为v m R ＝kgR ＝ 2.25×10×90 m /s ＝45 m/s ，选项B 正确；直道的长度为x ＝L 2－(R －r )2

＝50 3 m ，在小弯道上的最大速率为：v m r ＝kgr ＝ 2.25×10×40 m /s ＝30 m/s ，在直道上 的加速度大小为a ＝v 2m R －v 2m r 2x ＝452－3022×503 m /s 2≈6.50 m/s 2，选项C 错误；由几何关系可知，小圆弧轨道的长度为2πr 3，通过小圆弧弯道的时间为t ＝2πr 3v m r ＝2×3.14×403×30 s ≈2.80 s ，选项D 错误．

第五章电极过程和电极过程动力学讲解学习

第五章电极过程和电极过程动力学

5．电极过程和电极过程动力学 5.1电化学装置的可逆性：化学反应可逆性；热力学上可逆性 5.2电极的极化 5.3电极过程的控制步骤：电极反应的特点；电极反应的控制步骤5.4电荷转移动力学方程 5.5交换电流密度与电极反应速度常数 5.6稳态极化时的电极动力学方程 5.7浓差极化及其电机动力学方程 5.8化学极化 分解电压E分：在可逆情况下使电解质有效组元分解的最低电压，称为理论分解电压（V e）。理论分解电压是阳极平衡电极电位（εe（A））与阴极平衡电极电位（εe（K））之差。 Ve=εe（A）- εe（K）（10 - 5） 当电流通过电解槽，电极反应以明显的速度进行时，电极反应将会明显偏离平衡状态，而成为一种不可逆状态，这时的电极电位就是不平衡电位，阳极电位偏正，阴极电位偏负。这时，能使电解质熔体连续不断地发生电解反应所必需的最小电压叫作电解质的实际分解电压。显然，实际分解电压比理论分解电压大，有时甚至大很多。

实际分解电压简称分解电压（V），是阳极实际析出电位（ε（A））和阴极析出电位（ε（K））之差。 V=ε（A）- ε（K）（10 - 6） 当得知阴、阳极在实际电解时的偏离值（称为超电位）就可以算出某一电解质的实际分解电压。 分解电压符合能斯特方程，可以表示为如下形式： 式中 E i，E0分别表示实际和标准状态下组元i的分解电压； a i__组元的活度； n i __组元在熔盐中的化合价； F __ 法拉弟常数； 可以看出，温度和电解质组成均会影响分解电压 电极极化

电解时的实际分解电压比理论分解电压要大很多，这是由于电流通过电解槽时，电极反应偏离了平衡状态。通常将这种偏离平衡电极电位的现象称为极化现象。电解过程实际分解电压和理论分解电压之差称为超电压。 ?电解电极反应一般包含1： ?（1）反应离子由熔体向双电层移动并继续经双电层向 电极表面靠近。这一阶段在很大程度上靠扩散实现，扩 散则是由于导电离子在熔体和双电层外界的浓度差别引 起的。 ?（2）反应离子在电极表面进行电极反应前的转化过 程，如表面吸附等； ?（3）在电极上的电子传递 - - 电化学氧化或电化学还 原反应； ?（4）反应产物在电极表面进行反应后的转化过程，例 如自电极表面的脱附，反应产物的复合、分解和其它化 学反应； ?（5）反应产物形成新相，或反应产物自电极表面向电 解质熔体的传递。

分子动力学模拟I

Gromacs中文教程 淮海一粟 分子动力学（MD）模拟分为三步：首先，要准备好模拟系统；然后，对准备好的系统进行模拟；最后，对模拟结果进行分析。虽然第二步是最耗费计算资源的，有时候需要计算几个月，但是最耗费体力的步骤在于模拟系统准备和结果分析。本教程涉及模拟系统准备、模拟和结果分析。 一、数据格式处理 准备好模拟系统是MD最重要的步骤之一。MD模拟原子尺度的动力学过程，可用于理解实验现象、验证理论假说，或者为一个待验证的新假说提供基础。然而，对于上述各种情形，都需要根据实际情况对模拟过程进行设计；这意味着模拟的时候必须十分小心。 丢失的残基、原子和非标准基团 本教程模拟的是蛋白质。首先需要找到蛋白质序列并选择其起始结构，见前述；然后就要检查这个结构是否包含所有的残基和原子，这些残基和原子有时候也是模拟所必需的。本教程假定不存在缺失，故略去。 另一个需要注意的问题是结构文件中可能包含非标准残基，被修饰过的残基或者配体，这些基团还没有力场参数。如果有这些基团，要么被除去，要么就需要补充力场参数，这牵涉到MD的高级技巧。本教程假定所有的蛋白质不含这类残基。 结构质量 对结构文件进行检查以了解结构文件的质量是一个很好的练习。例如，晶体结构解析过程中，对于谷氨酰胺和天冬酰胺有可能产生不正确的构象；对于组氨酸的质子化状态和侧链构象的解析也可能有问题。为了得到正确的结构，可以利用一些程序和服务器(如 WHATIF)。本教程假定所用的结构没有问题，我们只进行数据格式处理。 二、结构转换和拓扑化 一个分子可以由各个原子的坐标、键接情况与非键相互作用来确定。由于.pdb 结构文件只含有原子坐标，我们首先必须建立拓扑文件，该文件描述了原子类型、电荷、成键情况等信息。拓扑文件对应着一种力场，选择何种力场对于拓扑文件的建立是一个值得仔细考虑的问题。这里我们用的是GROMOS96 53a6连接原子力场，该力场对于氨基酸侧链的自由能预测较好，并且与NMR试验结果较吻合。

动力学能量观念分析过程

1 [方法点拨] (1)若运动过程只涉及求解力而不涉及能量，选用牛顿运动定律；(2)若运动过程涉及能量转化问题，且具有功能关系的特点，则常用动能定理或能量守恒定律；(3)不同过程连接点速度的关系有时是处理两个过程运动规律的突破点． 1．如图1所示，光滑水平轨道的左端与长L ＝1.25 m 的水平传送带AB 相接，传送带逆时针匀速转动的速度v 0＝1 m/s.轻弹簧右端固定，弹簧处于自然状态时左端恰位于A 点．现用质量m ＝0.4 kg 的小物块(视为质点)将弹簧压缩后由静止释放，到达水平传送带左端B 点后，立即沿切线进入竖直固定的光滑半圆轨道最高点并恰好做圆周运动，经圆周最低点C 后滑上质量为M ＝0.2 kg 的长木板且不会从木板上掉下来．半圆轨道的半径R ＝0.5 m ，小物块与传送带间的动摩擦因数μ1＝0.8，小物块与木板间动摩擦因数μ2＝0.2，长木板与水平地面间动摩擦因数μ3＝0.1，g 取10 m/s 2.求： 图1 (1)小物块到达B 点时速度v B 的大小(结果可带根号)； (2)弹簧被压缩时的弹性势能E p ； (3)长木板在水平地面上滑行的最大距离s . 2．如图2所示，在竖直平面内有半径为R ＝0.2 m 的光滑14 圆弧轨道AB ，圆弧轨道B 处的切线水平，O 点在B 点的正下方，B 点高度为h ＝0.8 m ．在B 端接一长为L ＝1.0 m 的木板MN .一质量为m ＝1.0 kg 的滑块，与木板间的动摩擦因数为0.2，滑块以某一速度从N 点滑到板上，恰好运动到A 点．(g 取10 m/s 2) 图2 (1)求滑块从N 点滑到板上时初速度的大小；

分子动力学模拟

分子动力学模拟 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020

分子动力学模拟 分子动力学是一门结合物理，数学和化学的综合技术。分子动力学是一套分子模拟方法，该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。 这门技术的发展进程是： 1980年：恒压条件下的动力学方法（Andersenの方法、Parrinello-Rahman法）1983年：非平衡态动力学方法(Gillan and Dixon) 1984年：恒温条件下的动力学方法（能势‐フーバーの方法） 1985年：第一原理分子动力学法（→カー?パリネロ法） 1991年：巨正则系综的分子动力学方法(Cagin and Pettit). 最新的巨正则系综，即为组成系综的系统与一温度为T、化学势为μ的很大的热源、粒子源相接触，此时系统不仅同热源有能量交换，而且可以同粒子源有粒子的交换，最后达到平衡，这种系综称巨正则系综。 进行分子动力学模拟的第一步是确定起始构型，一个能量较低的起始构型是进行分子模拟的基础，一般分子的其实构型主要是来自实验数据或量子化学计算。在确定起始构型之后要赋予构成分子的各个原子速度，这一速度是根据玻尔兹曼分布随机生成，由于速度的分布符合玻尔兹曼统计，因此在这个阶段，体系的温度是恒定的。另外，在随机生成各个原子的运动速度之后须进行调整，使得体系总体在各个方向上的动量之和为零，即保证体系没有平动位移。由上一步确定的分子组建平衡相，在构建平衡相的时候会对构型、温度等参数加以监控。