地震层析成像-地幔对流新模型的研究

利用地震层析成像数据计算地幔对流模型的方法.假设地幔地震层析成像数据对应的地幔横向不均匀结构是地幔热对流的结果,将地震层析成像数据转化为地幔温度不均匀分布.该方法考虑热流体动力学的3个基本方程,以及热输运方程中的非线性项,直接将上述地震层析成像转化的地幔温度不均匀分布作为内部荷载直接引入基本方程,进而反演计算地幔对流的基本格局.理论结果表明,对流格局不仅依赖地震层析成像数据,而且在很大程度上受地幔动力学框架和热动力参数(如Rayleigh数)以及边界条件和系统响应函数的影响.     

地震层析成像—地幔对流新模型的研究

利用地震层析成像数据计算地幔对流模型的方法。假设地幔地震层析成像数据对应的地幔横向不均匀结构是地幔热对流的结果，将地震层析成像数据转化为地幔温度不均匀分布。该方法考虑热流体动力学的3个基本方程，以及热输运方程中的非线性项，直接将上述地震层析成像转化的地幔温度不均匀分布作为内部荷载直接引入基本方程，进而反演计算地幔对流的基本格局。理论结果表明，对流格局不仅依赖地震层析成像数据，而且在很大程度上受地幔动力学框架和热动力参数（如Rayleigh数）以及边界条件和系统响应函数的影响。     

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.     

利用多种地球物理观测资料直接反演地幔对流模型

假定地幔为一个均匀的、粘滞系数为常数、同时均匀分布放射性热源的流体球层,其内部存在的对流则由流体力学3个基本方程:运动方程、能量方程和连续性方程确定.如果假定地幔处于低瑞利数的状态（临界瑞利数1.5倍左右）,那么上述方程中的非线性项可以忽略不计.作为一类可能的模型,本文计算一组用6个边界条件确定6个未知数的线性方程组.这些条件包括板块绝对运动极型场、地球大地水准面异常和地震层析结果提供的地幔密度分布横向不均匀相应的“刚性地球”水准面异常等.模型计算表明:1.地幔中流体运动格局不仅受地幔热动力学参数（瑞利数）控制,而且强烈地受边界条件的影响.2.若不限定下边界为等温边界,则上、下地幔之间并不呈现出活动性明显差异;但是在模型瑞利数加大到一定值时,核-幔边界附近将出现一些局部的小尺度对流环.3.当模型瑞利数从很小增加时,对流格局将发生变化,这些格局可能反应由地幔热动力学参数决定的地幔固有特性.4.当瑞利数为50000和80000时,核-幔边界形变与PcP波得到的结果吻合较好.     

上地幔密度异常驱动小尺度对流及实验模型

建立了由密度异常驱动上地幔小尺度对流的数学 物理模型, 发展了利用地震层析成像数据反演上地幔小尺度对流的基本理论和方法. 该模型建立在三维直角坐标系框架上, 假设地震层析成像所显示的地震波速度异常对应于上地幔物质密度异常, 而该密度异常反映了上地幔小尺度热对流系统的温度异常场. 模型首先将地震层析成像确定的地震波速度异常转换为密度异常, 并视其为对流的驱动力; 进而利用三维傅立叶变换, 在波数域内, 在给定的边界条件下, 求解控制流体行为的运动方程和连续性方程, 最后求得对流的流场. 为检验本研究提出的理论和方法的有效性, 本文使用了两个简单的实验模型: 热体和冷体模型; 俯冲断离( break off)板片模型, 计算了其驱动的地幔流场. 结果表明, 本文提供的理论和方法, 可以直接应用于与区域岩石层构造动力学相关的上地幔小尺度对流的研究.      

地幔对流与深部物质运移研究的新进展

现代固体地球科学已经认识到,地幔对流不再是少数动力学家的假想,它是地幔热动力系统的主要构架.地幔对流和板块运动驱动机理关系的研究已经从简单的主动或被动驱动的讨论转向对统一热动力系统的探讨.包括地幔热柱在内的地幔对流的深入研究不仅成为研究地幔热动力系统演化的主线,也成为研究大陆形成和演化驱动机理的主线.与此同时,以地震层析成像为主体的地震、地球物理观测资料和以地幔岩石化学组份为主体的地球化学观测成为认识地幔对流的强有力的工具.然而,地球化学和地球物理观测之间存在明显的差异,一些依赖于地球化学数据构思的新的热动力学框架对地幔对流的研究构成了强烈的挑战.     

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．     

大尺度地幔动力学研究的现状和展望

这篇综述讨论大空间、大时间尺度的地幔动力学近几十年的发展和现状,着重讨论了相关的观测及其动力学意义.这些观测包括现在地球的板块运动的基本特性,中、长波重力异常及大地水准面异常,地震层析成像得到的地幔结构,以及过去10亿年超级大陆Pangea和Rodinia的形成、裂解和演化,及火山岩浆活动.关于地球动力学模型的讨论是围绕着这些相关的观测而进行的.涉及到的一些主要问题包括以下.第一,地幔动力学研究显示,地震层析成像得到的下地幔的二阶结构(比如核幔边界附近的LLSVP结构),和俯冲带的快速异常体,可以解释为过去1亿年左右的板块运动和地幔对流的结果;第二,地幔三维结构作为地幔对流的驱动力,是导致中、长波重力及大地水准面异常的直接原因;结合地幔动力学模拟,观测的大地水准面异常对地幔黏性结构提供了强有力的约束,很可靠的结果之一是下地幔的黏性比上地幔要高至少一个量级,并且最近的研究确定软流圈的存在;第三,过去10亿年大陆块体经历过的Rodinia和Pangea两期超级大陆的形成和破裂是地幔动力学在地表的反映.地幔结构在Pangea形成过程中是一阶结构(即一个半球是冷的下降流,而另一个半球是热的上涌流)主导的,而现在的二阶为主导的地幔结构是Pangea形成后,破裂前或破裂过程中才形成的;地幔动力学和其他研究支持地幔结构在一阶和二阶间转换的1-2-1模型;第四,板块构造在地球上的起源和动力机制依然是充满争议和不确定的课题,但是这些问题同时也是重要的地球动力学基本问题.     

基于地幔动力学模拟推断云南地区剪切波各向异性源的深度

地震各向异性与地幔对流导致的变形存在因果关系,因此地幔对流模拟可被用来预测地震各向异性,并推测剪切波各向异性地幔源的深度.本文建立了基于地震速度结构的地幔对流模型来预测云南地区剪切波分裂的快波方向,它同时受地表板块运动和地幔内部的温度扰动所驱动.通过与观测结果进行对比分析,推测在云南地区西北部和东部区域,剪切波各向异性源主要存在于岩石圈中.在西南部和四川盆地及其西缘,地幔流动可能是剪切波各向异性的主要贡献者,各向异性层分别位于210~330 km和170~330 km深度,导致西南部剪切波各向异性的地幔可能处于大幅度的剪切变形状态,而四川盆地及其西缘主要处于中等强度的剪切变形状态.     

地幔热动力学模型

地幔,特别是下地幔,远比人们先前的设想活跃.地球物理学、地质学和地球动力学的观测和地球热动力学模拟表明:(1)地幔底部与地核交界处有一厚度为200km 左右的D″层,这是一个非常活跃的区域,它的运动和变化直接与地核的行为有关,仅仅将其看成全地幔对流的以热传导为主体的热边界层是不够的,小尺度的热对流或许主导这一层内部的物质运动,它加热地幔同时又通过热柱将其部分热量输运到地球外层;(2)地幔热柱有可能源于地球初期不均匀的残存堆积,其存储的热量不断地或穿透整个地幔形成热点或消失在软流层中与该层中的次一级对流相耦合;(3)上地幔在670km 深度范围内广泛存在次一级对流体系。其尺度为500—700km 这一对流体系决定了岩石层板块内部的构造和动力活动,其活动周期远比全球规模的板块运动活动周期小得多;(4)全球规模的大尺度全地幔对流与板块构造动力学密切相关。它以不到10亿年左右的时间完成一个周期,它不断地更新地球表层,也搅拌着地幔,同时还输运地球内部的热能向外层空间散发;(5)地幔局部地区层状相互耦合的对流结构在地震层析剖面上有明显的显示,它表明了地幔对流结构的复杂性,仅管我们对此相知甚少,但它或许是无法避免的;(6)岩石层是人类熟知的赖以生存的方舟,它的运动和构造反映了上述所有运动信息,仅仅将其视为一对流体系的热边界层是不够的,它自身作为一个独立的力学单元影响了整个地幔的热动力学过程.因此,面对如此活跃的、复杂的地幔,用一个单一的模型去描述它是不合适的.上述各种热动力学单元及其运动均有自身的力学特征及运行机制和规律,但它们又是相互作用和影响而构成地幔整体,这就是一个真实的但又模糊不清的地幔热动力学模型.为了完善这一模型,需要更多的、细致的地球物理和地球动力学的观测资料以及需要我们更深刻地理解和更认真地解释这些资料的地幔热动力学背景.     

地幔对流与岩石层板块的相互耦合及影响──（Ⅰ）球腔中的自由热对流

板块运动是地幔对流的主要证据之一．同时，作为地球动力系统中一个相对独立部分，板块自身的存在和运动对地幔内部物质的流动形态有巨大影响．地幔内部的流动由两部分组成：一是由内部非绝热温度差异造成的自由对流解；另一部分是由在地表运动的板块所激发．作为系列工作的第一部分，本文研究球腔中的自由热对流问题．得到了对地幔对流研究有实际意义的下边界为自由、上边界为刚性情况下的临界瑞利数值，不同的瑞利数时球腔内流场和温度场的分布形态等．     

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.     

Convection of a fluid with strongly temperature and pressure dependent viscosity

Plate tectonics on the Earth is a surface manifestation of convection within the Earth’s mantle, a subject which is as yet improperly understood, and it has motivated the study of various forms of buoyancy-driven thermal convection. The early success of the high Rayleigh number constant viscosity theory was later tempered by the absence of plate motion when the viscosity is more realistically strongly temperature dependent, and the process of subduction represents a continuing principal conundrum in the application of convection theory to the Earth. A similar problem appears to arise if the equally strong pressure dependence of viscosity is considered, since the classical isothermal core convection theory would then imply a strongly variable viscosity in the convective core, which is inconsistent with results from post-glacial rebound studies. In this paper we address the problem of determining the asymptotic structure of high Rayleigh number convection when the viscosity is strongly temperature and pressure dependent, i.e. thermobaroviscous. By a method akin to lid-stripping, we are able to extend numerical computations to extremely high viscosity contrasts, and we show that the convective cells take the form of narrow, vertically-oriented fingers. We are then able to determine the asymptotic structure of the solution, and it agrees well with the numerical results. Beneath a stagnant lid, there is a vigorous convection in the upper part of the cell, and a more sluggish, higher viscosity flow in the lower part of the cell. We then offer some comments on the possible meaning and interpretation of these results for planetary mantle convection.     

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.      

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…     

板块绝对运动及地幔热对流

本文以板块绝对运动AM1-2模型为边界条件探讨了不同的瑞利数下地幔热对流模型.结果表明,瑞利数小于10000（529.41）时,地幔对流呈现以板块驱动图式,运动的极型场和环型场由板块运动激发,两种场占有差不多相同的功率.当瑞利数增加到接近或略超过最低临界值时（约1.5倍）,对流呈现出复杂状态:1.板块运动速率小于下伏地幔对流速率;2.区域性的双层对流环出现;3.对流谱成分发生变化;4.环型场仅在地幔很浅的区域中起作用,而在地幔深部对流图式中影响很小.     

Numerical simulations of mantle convection: Time-dependent,three-dimensional,compressible, spherical shell

Abstract

We describe nonlinear time-dependent numerical simulations of whole mantle convection for a Newtonian, infinite Prandtl number, anelastic fluid in a three-dimensional spherical shell for conditions that approximate the Earth's mantle. Each dependent variable is expanded in a series of 4,096 spherical harmonics to resolve its horizontal structure and in 61 Chebyshev polynomials to resolve its radial structure. A semiimplicit time-integration scheme is used with a spectral transform method. In grid space there are 61 unequally-spaced Chebyshev radial levels, 96 Legendre colatitudinal levels, and 192 Fourier longitudinal levels. For this preliminary study we consider four scenarios, all having the same radially-dependent reference state and no internal heating. They differ by their radially-dependent linear viscous and thermal diffusivities and by the specified temperatures on their isothermal, impermeable, stress-free boundaries. We have found that the structure of convection changes dramatically as the Rayleigh number increases from 10⁵ to 10⁶ to 10⁷. The differences also depend on how the Rayleigh number is increased. That is, increasing the superadiabatic temperature drop, δT, across the mantle produces a greater effect than decreasing the diffusivities. The simulation with a Rayleigh number of 10⁷ is approximately 10,000 times critical, close to estimates of that for the Earth's mantle. However, although the velocity structure for this highest Rayleigh number scenario may be adequately resolved, its thermodynamic structure requires greater horizontal resolution. The velocity and thermodynamic structures of the scenarios at Rayleigh numbers of 10⁵ and 10⁶ appear to be adequately resolved. The 10⁵ Rayleigh number solution has a small number of broad regions of warm upflow embedded in a network of narrow cold downflow regions; whereas, the higher Rayleigh number solutions (with large δT) have a large number of small hot upflow plumes embedded in a broad weak background of downflow. In addition, as would be expected, these higher Rayleigh number solutions have thinner thermal boundary layers and larger convective velocities, temperatures perturbations, and heat fluxes. These differences emphasize the importance of developing even more realistic models at realistic Rayleigh numbers if one wishes to investigate by numerical simulation the type of convection that occurs in the Earth's mantle.