Deformation of Earth Materials pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Cambridge Univ Pr

作者:Karato, Shun-Ichiro

出品人:

页数:474

译者:

出版时间:2008-1

价格:$ 107.35

装帧:HRD

isbn号码:9780521844048

丛书系列:

图书标签:

地球材料
变形
岩石力学
地质力学
流变学
断层力学
构造地质
地球物理
材料科学
地壳运动

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具体描述

Much of the recent progress in the solid earth sciences is based on interpretation of a range of geophysical and geological observations in terms of the properties and deformation of earth materials. This graduate textbook presents a comprehensive, unified treatment of the materials science of deformation as applied to solid earth geophysics and geology. The deformation of Earth materials is presented in a systematic way covering elastic, anelastic and viscous deformation. Advanced discussions on current debates are also included to bring readers to the cutting-edge of science in this interdisciplinary area. This textbook is ideal for graduate courses on the rheology and dynamics of solid Earth, and includes review questions with solutions so readers can monitor their understanding of the material presented. It is also a much-needed reference for geoscientists in many fields including geology, geophysics, geochemistry, materials science, mineralogy and ceramics.

矿物晶体结构与地球内部动力学本书导读本书深入探讨了地球内部物质的微观结构与宏观动力学之间的复杂关联，聚焦于矿物在极端高压、高温条件下的相变行为、晶体塑性变形机制及其对地球深部过程的响应。我们旨在构建一个跨越原子尺度到板块尺度的统一理论框架，以解析地幔与地核的演化历史、地震活动的深源机制以及地球深部物质循环的驱动力。第一部分：极端条件下的矿物物理学本书的开篇部分致力于构建理解地球深部物质行为的微观基础。我们从凝聚态物理学的视角出发，详尽分析了构成地幔主要矿物——橄榄石、辉石及其高压相（如布里奇曼石、后橄榄石）的晶体结构。第一章：高压晶体结构理论本章首先回顾了晶体学的基本原理，重点阐述了晶格振动、点缺陷与线缺陷在材料力学性能中的作用。随后，我们引入了密度泛函理论（DFT）和第一性原理计算方法，用于精确模拟矿物在地心压力（高达135 GPa）和地幔温度梯度（400 K至4000 K）下的电子结构和原子排列。讨论了结构弛豫、电子态密度（DOS）的计算，并详细分析了主要岩石形成矿物在亚稳态和稳定相之间的转变压力与温度依赖性。特别关注了钙钛矿结构（如MgSiO3的后橄榄石相）的扭曲模量（Bulk Modulus）和剪切模量（Shear Modulus）随压力变化的非线性特征。第二章：矿物高温高压下的相变动力学相变是控制地球深部物质性质的关键。本章深入探讨了从橄榄石到尖晶石结构、以及从尖晶石到更致密相（如“太阳石”结构或改性钙钛矿结构）的动力学过程。我们不仅关注热力学平衡线，更侧重于动力学限制效应，即相变速率的限制因素。通过结合高温高压实验（如金刚石砧臼技术和多铁砧技术）的数据，我们建立了描述相变形核与生长的菲尔德-梅森（Ferreti-Mason）模型，并将其应用于解释上地幔过渡带（410 km和520 km间断面）的复杂性，例如是否存在“地幔池”（Mantle Ponds）或层状结构。第二部分：岩石的非线性变形与流变学本部分将理论基础应用于宏观的地质过程。我们着重分析了矿物晶体如何通过位错运动、扩散和层错机制来实现宏观尺度的塑性流动，从而驱动地幔对流。第三章：晶体塑性与位错蠕变机制岩石的强度和粘度本质上取决于其微观缺陷的演化。本章详细解析了地球物理学中常用的应力-应变关系模型（如幂律蠕变），并将其与晶体塑性理论相结合。我们侧重于橄榄石（地幔的主导矿物）在不同应力状态下（如剪切、拉伸）的滑移系（Slip Systems）激活规律。讨论了扩散蠕变（Nabarro-Herring和Coble蠕变）与位错蠕变在不同温度和应力水平下的相对贡献。特别提出了一种新的，考虑了晶界扩散和晶粒内位错环运动耦合的多尺度蠕变模型，用以解释地幔物质在深部低应力状态下的超低粘度现象。第四章：岩石的各向异性与地震波传播矿物的晶体结构决定了宏观岩石的各向异性。本章重点研究了地幔物质的织构（Fabric）演化如何影响地震波的剪切波分裂（S-wave splitting）。我们建立了从微观位错密度分布到宏观弹性张量（Cij）的转换关系，解释了在大洋中脊、俯冲带等构造活跃区域观测到的强烈地震波各向异性信号。讨论了应力驱动下的矿物定向排列过程，并利用地震层析成像数据（例如，在S410S或D''层附近）验证了晶体织构对地幔流速和方向的影响。第三部分：深部地球动力学的耦合模型最后一部分将矿物物理学和岩石流变学的结果集成到地球动力学模拟中，以解释地球深部的宏观现象。第五章：地幔对流的粘度结构地幔对流的速度和模式直接受控于岩石粘度的空间分布。本章探讨了压力、温度、含水量（Water Content）和氧化态对矿物粘度的复杂影响。我们展示了如何将前文建立的晶体塑性模型嵌入到有限元（FEM）或谱元法（Spectral Element Method, SEM）的地幔对流模拟中。重点分析了水在橄榄石结构中引起的氢点缺陷如何显著降低剪切模量和激活能，从而解释了地幔中可能存在的低剪切波速区（LVL）。第六章：板块构造与深部物质循环本书的收官章节将视角扩展到地球的整个演化史。我们讨论了俯冲带的物质迁移和脱水过程如何影响俯冲板片的力学响应和地幔楔的动力学。利用三维地球动力学模型，我们模拟了俯冲板片在下地幔中的“钉扎”效应（Slab Drag）与地幔物质的上升流（Plume）之间的相互作用。强调了矿物相变引起的密度效应（如俯冲板片下沉的最终驱动力）与流变学（如地幔栓塞，Mantle Plugging）之间的关键耦合机制，以期对地球深部物质的长期化学分异和热演化提供新的解释。结语本书为地质学家、地球物理学家和材料科学家提供了一个跨越尺度、整合微观机制与宏观现象的综合性工具。通过对极端条件下矿物行为的深刻理解，我们得以更精确地描绘地球深部“看不见的引擎”的运作方式。