中国西北及周边地区上地幔密度异常驱动小尺度对流

假设地震层析成像提供的地震波速异常对应于上地幔物质的密度异常分布,而该密度异常直接源于上地幔热对流相应的温度扰动. 在给定边界条件下,利用三维傅里叶变换,在波数域内求解控制流体行为的运动方程和连续性方程,得到上地幔小尺度对流流场. 利用密度异常驱动上地幔小尺度对流的数学 物理模型,采用胥颐、刘福田等提供的地震层析成像数据计算得到了我国西北及周边地区上地幔对流模式. 结果表明,对流流场的顶部在岩石圈较薄的盆地区域呈现上升发散流动特征,如塔里木盆地、柴达木盆地、哈萨克斯坦块体及准噶尔盆地;岩石圈较厚的山脉则对应了会聚下降的流动特征,如天山山脉、昆仑山山脉和祁连山山脉. 同时,塔里木盆地处于拉张状态,驱动其上地幔物质南下向青藏高原北部西昆仑运动,以及北上向天山下部流动,这可能是天山隆升的原因之一.      

黏滞分层地幔中密度异常驱动对流模型的研究

在地震层析成像计算的地幔密度异常直接驱动地幔对流的新方法的基础上,发展了在上、下地幔不同黏性结构框架下,密度异常驱动地幔对流的物理模型.利用 Grands和S12 WM13等地震层析成像模型推得的地幔密度异常分布,设置板块绝对运动极型场为运动上边界,考虑深度660km地震波不连续面为界的上、下地幔之间存在黏滞性的差异,直接反演了不同黏滞系数的双层地幔结构下地幔对流的模式.研究中选取地幔平均密度为ρ=5500kg/m3, 上层地幔平均黏滞系数为μ=1021Pa·s,计算了上、下地幔黏滞系数之比为1∶1, 1∶10, 1∶100和1∶1000时地幔大圆剖面、以及区域剖面上的流场.结果表明,两种模型在球谐展开1～13阶的范围内其对流的基本格局相似.当下地幔黏滞性超过上地幔的100倍时,下地幔流场速度与上地幔的流场速度相比显著减小,但是对流仍然表现出单层对流环的基本格局.论文还用 240km深度球面上的对流格局讨论了对流和全球构造之间的关系.     

区域重力异常和上地幔小尺度对流相关方程及对流拖曳力场

建立了区域重力均衡异常的物理模型，假定区域重力均衡异常源于上地幔密度分布横向不均匀以及由上地幔小尺度对流产生的边界形变．导出了区域重力均衡异常和上地幔小尺度对流之间的相关方程，讨论了该方程在地球动力学研究中的应用．应用几种模型计算上地幔小尺度对流产生的作用于岩石层底部的拖曳力场．结果表明，将这一相关方程用于利用区域重力均衡异常研究地壳及上地幔应力状态，将有广阔的前景．     

中国境内天山上地幔小尺度对流与造山作用

根据横跨天山的流动地震台阵记录的走时数据, 利用地震层析成像技术获得了库车-奎屯剖面660 km深度内上地幔P波速度结构. 由P波速度模型导出了相应的上地幔二维密度模 型. 利用有限单元方法联合网格-粒子方法, 研究了中国境内天山由于密度差异分布引起的上地幔小尺度对流. 给出了对流的基本形态特征, 并分析了上地幔对流与造山作用的相互影响关系. 结果表明: (1) 北天山—准噶尔盆地下方的上地幔中存在一个逆时针对流环, 对流环尺度为500 km左右; (2) 南天山—塔里木盆地一侧的上地幔中存在一个顺时针对流环, 但相对较弱; (3) 上地幔对流速度值在很大程度上受黏滞系数变化的影响, 但天山上地幔顶部对流速度值不应小于20 mm/a; (4) 塔里木盆地向北的水平推挤作用是天山新生代隆升的决定性因素, 同时, 上地幔小尺度对流对天山现今构造变形格局也起着重要作用; (5) 塔里木板块向北的运动对上地幔对流场的影响很小.     

蒙古-贝加尔地区上地幔小尺度对流及 地球动力学意义

上地幔小尺度对流是控制区域地球动力学过程的主要机制之一,蒙古-贝加尔地区的一些区域动力学过程被认为与上地幔小尺度对流相关.本文目的在于利用重力资料研究蒙古-贝加尔地区的上地幔小尺度对流,并探讨其与构造动力学的关系.基于区域均衡重力异常与上地幔小尺度对流的相关方程,本文利用区域均衡重力异常资料反演了蒙古-贝加尔地区上地幔小尺度对流流场及作用于岩石层底部的应力场.结果显示,蒙古-贝加尔地区地幔流场及对流应力场呈现非常复杂的图像,流场及应力场分布与地表构造具有很好的相关性.西伯利亚地台和蒙古褶皱带下地幔流场和对流应力场均较弱,这与这些地区现今较弱的构造活动性是一致的.贝加尔裂谷区下存在地幔上升流,对流应力场呈拉张状态,但应力场的幅值较小(约8 MPa),表明地幔对流不是贝加尔裂谷开裂的主要控制因素.Hangay高原、阿尔泰和戈壁-阿尔泰下存在地幔上升流,对流应力场为拉张状态,这一方面可能构成Hangay高原隆升的深部动力机制,另一方面,也为Amurian板块西边界划分提供了动力背景.     

青藏高原-天山地区岩石层构造运动的地幔动力学机制

利用全球重力大地水准面异常、板块绝对运动及全球地震层析成像数据,计算了青藏高原-天山地区岩石层下部地幔大尺度对流格局以及此种尺度对流驱动下岩石层内应力场分布;同时,利用区域均衡重力异常数据反演青藏高原中、北部到天山地区上地幔小尺度对流模型．结果表明,大尺度的地幔物质运移过程可能驱动着中国大陆岩石层整体从西部以南北方向为主的运动转向东部地区以北东和南东方向的运动;而该区域上地幔小尺度上升流动支持了现代青藏高原和天山地区的抬升运动．提出和讨论了青藏高原隆升的“断离隆升-挤压隆升-对流隆升”三阶段模式,并探讨了大陆岩石层构造运动的地幔深部动力学背景．     

弹性岩石层,区域重力异常和上地幔小尺度对流

在小尺度地幔对流模型的基础上,建立了顾及岩石层与地幔耦合的地幔对流模型,考虑到岩石层对上地幔小尺度对流的弹性响应,将上地幔视为一均匀的等粘滞系数的牛顿粘滞流体,其对注能量来源于下地幔,用热流体动力学基本方程得到地上地幔对流在壳幔边界处的垂向应力作为弹性板弯曲方程的垂直加载,来耦合弹性岩石层和可流动地幔,推导了两者耦合下区域重力异常和上地幔小尺度对流的相关方程,用以反演上地幔小尺度对流场模式和岩石层底部拖力场格局,对比了有,无弹性岩石层影响的模型之间的差异,并对模型应用范围,特别要板块边界水平均造力可能产生的影响,作了进一步探讨。     

青藏高原东北缘岩石圈三维密度结构

综合重力观测资料和地震波走时资料反演了青藏高原东北缘岩石圈三维密度结构,并对该区岩石圈结构及动力学特征进行了讨论.首先利用收集到的P波近震和远震走时数据进行地震层析成像,得到研究区岩石圈三维P波速度结构.然后利用速度-密度经验关系式,将速度扰动转化为密度扰动建立研究区三维初始密度模型.最后利用分离的布格重力异常反演得到了岩石圈三维密度结构.反演结果表明:青藏高原东北缘地壳密度结构特征有利于地震孕育发生和地壳物质侧向流动;地壳内,密度异常等值线走向与地表断裂走向基本一致,进入地幔后,密度异常等值线走向发生了顺时针旋转,这表明青藏高原东北缘地壳和地幔具有不同的构造运动模式,暗示该区可能发生了壳幔解耦;80~100 km深度上,P波速度异常较密度异常明显偏低,推测该区可能发生了部分熔融或者岩石含水量的增加;印度板块俯冲和周围坚硬块体阻挡联合作用,使得青藏高原东北缘形成了强大的区域构造应力场,并导致深部软流圈热物质上涌,为该区壳幔解耦、部分熔融和P波速度降低创造了条件.     

罗斯海海域大地水准面异常的成因研究

本文利用数值法求解瞬时地幔对流问题以模拟大地水准面异常.利用两个较新的S波速度异常层析模型SEMUCB_WM1和TX2019slab,将其转换为密度异常作为控制方程的浮力驱动项;采取的黏度结构模型中,上下地幔的黏度比为1∶50.为了研究地幔不同结构对罗斯海海域大地水准面异常的影响,分别提取上、下地幔的密度异常正/负值,作为对流控制方程的输入项,计算相应的模拟大地水准面异常.将模拟大地水准面异常与观测值进行对比,发现罗斯海海域的大地水准面异常主要来自下地幔及上地幔的负密度(波速)异常,下地幔正密度异常对该区域大地水准面负异常也有一定的贡献.本文认为,地幔密度负异常在罗斯海海域大地水准面异常的形成中占据主导作用,地幔对流的动力学效应对该区域大地水准面异常的形成影响较弱.     

腾冲火山及周边地区双差层析成像

利用云南腾冲火山地区15个固定台站记录到的7923次地震的P波到时资料,采用双差层析成像方法,反演得到腾冲火山及周边地区地壳及上地幔顶部三维P波速度结构和地震重定位结果.研究发现,腾冲火山区域地壳内存在明显的地震波低速区,P波速度低于整个区域地壳速度平均值超过15%,上地幔顶部存在规模较大的低速异常区.推测腾冲火山地区存在较大规模的地幔热物质上涌以及向地壳的侵入,热物质在地壳内以岩浆囊形式存储,并且壳内岩浆囊之间可能存在岩浆通道.通过联合反演获得的地震重定位结果显示,丛集地震位置更加集中,其展布特征与断裂构造具有显著的对应关系,表明研究区域断裂构造比较活跃.获得的高分辨率三维P波层析成像结果,为进一步认识火山地区岩浆存储特征以及地震分布与区域构造之间的关系提供了新的地震学依据.     

Upper mantle convection driving by density anomaly and a test model

Introduction Richter and Mckenzie (1978) supposed that there is a small-scale convection system in the mantle. For a long time lots of research provides observational data to infer the possibility of a small-scale convection in the upper mantle. For example, Haxby and Weissel (1986) discussed the relationship between SEASAT map and small-scale convection. Baudry and Kroenke (1991), Maia and Diament (1991) found that the geoid and bathymetry exhibit peaks in the 400~650 km range in the Pa…     

Small-scale upper mantle convection and orogeny of Tianshan Mountains in China

In this study, from the travel time data recorded in the Tianshan passive seismic array experiment, we present the P-wave velocity structure of the upper mantle down to 660 km along the Kuqa-Kuitun pro-file in terms of seismic tomography technique. Based on the P-wave velocity model, we derive the corresponding 2D upper mantle density model. The 2D small-scale convection of the upper mantle underneath the Tianshan Mountains in China driven by the density anomalies is simulated using the hybrid finite element method combining with the marker-in-cell technique. The main features of the upper mantle convection and the reciprocation between the convection and mountain building are in-vestigated. The results manifest that (1) in the upper mantle underneath the Junggar basin and North Tianshan exists a counterclockwise convection, which scale is ~ 500 km; (2) underneath the Tarim ba-sin and South Tianshan exists a clockwise northward convection, which is relatively weak; (3) the convective velocity at the top of the upper mantle underneath the Tianshan Mountains in China should not be less than 20 mm/a, while considering the dependent of convective velocity on the viscosity; (4) the northward extrusion of the Tarim block plays a key role in the Cenozoic Tianshan mountain building and the present-day tectonic deformation of the Tianshan range is related closely to the upper mantle convection; and (5) the northward subduction of the Tarim block does not influence obviously the up-per mantle convection.     

Upper mantle convection beneath northwest China and its adjacent region driven by density anomaly

Introduction The northwest of China includes Tarim, Junggar and Qaidam basins, and Kunlun, Tianshan, Altun and Qilian mountains, as well as the north part of the Tibetan Plateau. For a long time, the study of lithosphere structures and dynamics in this area has been a popular topic in geoscience, and has yielded many results. For example, TANG (1994) and LI et al (1998) suppose that the tectonic structure of Tarim Basin is various with geological periods, which changes many times betwee…     

地幔对流的数值模拟及其与表面观测的关系

本文从基本的热对流方程出发,并结合地幔对流特点,特别考虑到自重及非线性影响,探讨地幔对流及其与表面观测的关系,发展了相应的数值方法.结果表明,计算得到的长波大地水准面、地表地形、板块速度场水平散度与观测值符合程度较好.上、下地幔的非绝热温度异常与由地震层析得到的地震波速异常显示一定的相关性.地幔内部的流动呈现复杂形态,反映了高瑞利数对流的特征.     

Upper mantle flow beneath the Northwest of China and its lithospheric dynamics

ＵｐｐｅｒｍａｎｔｌｅｆｌｏｗｂｅｎｅａｔｈｔｈｅＮｏｒｔｈｗｅｓｔｏｆＣｈｉｎａａｎｄｉｔｓｌｉｔｈｏｓｐｈｅｒｉｃｄｙｎａｍｉｃｓＪＩＡＮ－ＨＵＡＨＵＡＮＧＩ（黄建华）；ＸＩＡ－ＨＵＡＣＨＡＮＧＩ（常筱华）ａｎｄＲＯＮＧ－ＳＨＡＮＦＵＩ傅容珊）（...