全球地表热流的产生与分布

全球地表热流是反映地球内部热与动力学过程的一种主要能流.本文在三维球坐标框架下，就几个不同的粘度模型分别研究地幔内部密度异常(基于全球地震层析结果)以及板块运动激发的地幔流动的热效应及其对于观测地表热流产生和分布特征的贡献.由于地幔动力系统具有较高的Pe数，可以期望由板块运动激发的地幔流动将强烈地扰动地幔内部初始传导状态下的温度场以及地表热的热流分布.结果表明，与地幔内部密度异常产生的热效应相比，运动的板块及其激发的地幔流动在全球地表观测热流的产生和分布特征上起着更为重要的作用.观测到的大洋中脊处的高热流在很大程度上可以归因于板块激发的地幔流动的热效应.计算的平均温度剖面较好地揭示了岩石圈和D″层的温度特征，即温度随深度的剧烈变化，这与我们目前通过其他手段对岩石圈和D″层的温度结构了解是一致的.一个下地幔粘度比上地幔高出30倍的粘度结构(文中使用的粘度模型2)较之其余模型的拟合程度似乎更好.     

地幔对流的数值模拟及其与表面观测结果的关系

研究地幔介质的热与动力学过程(地幔对流)是了解发生在地表面的若干观测现象,诸如长波大地水准面异常、板块运动、地形特征和大地热流等形成原因的关键.相应的,一个现实合理的地幔对流模型必须与观测结果相容,并能对其作出合理的解释,这也是地幔对流研究与一般流体中热对流研究的区别     

一种反演地幔横向密度差异的方法

重力位球谐系数及板块运动速度是两种独立的地球物理观测资料,但二者同时又是地幔内横向密度差异及与之相联系的地幔流动的结果,从而,中长波重力异常与板块运动的观测提供了探索地幔横向非均匀的一条途径。本文根据适合于低雷诺流动的最小粘滞损耗原理,利用张量场及矢量场的标量分解与传播子解的数学方法,将观测的重力位球谐系数和板块运动速度作为约束条件,发展了一种反演地幔横向密度差异的方法。     

地幔对流与岩石层板块的相互耦合及影响──（Ⅱ）地幔混合对流理论及其应用

观测到的板块运动包含两种能量分布几乎相等的运动形态：极型场和环型场．纯粹的由热驱动的地幔自由对流不能预期和解释环型运动的产生．本文提出地幔混合对流理论，既考虑了热驱动的自由对流，也考虑了由板块自身激发的强迫对流．根据板块处于动力学平衡状态的观测事实，建立了相应的模型．数值结果表明，根据混合对流模型所预期的板块速度场，既能产生极型场，也能产生环型场，而且在空间分布特征及功率谱分布上与观测资料符合相当好．地幔物质的上升流动基本和洋脊对应，而下降流动和俯冲带对应．     

地幔对流与岩石层板块的相互耦合及影响──（Ⅱ）地幔混合对流理论及其应用

观测到的板块运动包含两种能量分布几乎相等的运动形态：极型场和环型场．纯粹的由热驱动的地幔自由对流不能预期和解释环型运动的产生．本文提出地幔混合对流理论，既考虑了热驱动的自由对流，也考虑了由板块自身激发的强迫对流．根据板块处于动力学平衡状态的观测事实，建立了相应的模型．数值结果表明，根据混合对流模型所预期的板块速度场，既能产生极型场，也能产生环型场，而且在空间分布特征及功率谱分布上与观测资料符合相当好．地幔物质的上升流动基本和洋脊对应，而下降流动和俯冲带对应．     

俯冲构造vs.地幔柱构造——板块运动驱动力探讨

板块构造是指地球外壳岩石圈块体在地球表面的(水平)运动及其相互作用.自50年前板块构造理论建立以来,对板块运动的动力来源这一问题一直存在争议.早期的观点认为是"自下而上"机制,即板块运动受控于板块之下的地幔对流系统,特别是起源于核幔边界的地幔柱作用于板块底部,促使大陆裂解,并驱动板块运动.而现今较为普遍接受的观点则是"自上而下"机制,即认为板块运动的驱动力主要来源于板块自身的负浮力(即重力大于浮力),板块构造和地幔对流均受控于板块的俯冲作用,因此板块构造又被称为俯冲构造.这一观点得到了众多地质和地球物理观测的支持.进一步研究表明,个别板块增速、减速与单一地幔柱活动在百万年时间尺度具有耦合关系;多个板块内稳定克拉通地区地表隆升、沉积速率与地幔柱相关的岩浆活动在亿年时间尺度存在时空相关性;而全球范围的超大陆聚合、裂解与超级地幔柱活动在二十亿年以来的地质历史时期表现为周期性耦合关系.这些不同时空尺度的耦合现象均表明,板块构造与地幔柱构造在地球演化过程中是紧密联系、相互作用的,地幔柱构造对板块运动产生了不可忽视的影响.因此,需要将板块构造和地幔柱构造这两大地球构造体系加以联合,开展综合分析与研究,才能获得对板块构造和整个地球动力系统运行机制的全面认识.     

现今的地幔流动及其与板块构造的相互作用:从观测证据得到的推论

地震波速度结构层析成像和地震各向异性分析,是推测现今地幔流动的主要观测依据．从已有研究结果看,全球尺度的地幔流动的两个主要边界驱动力是顶部的冷却和底部的加热,地幔的密度和粘度控制流动速率．沿海沟由消减板带动的地幔下沉,和沿热点下面幔柱及洋中脊的地幔上升,是地幔垂直向流动的表现．GPS等测量显示的全球板块运动在一定条件下反映地幔顶部的水平流动．地幔柱可能有不同的根源深度,沿幔柱上升的地幔流在200—350km深度转变为水平流动．消减带附近有复杂的地幔流动格局,表明局部构造条件对地幔流动的影响．大陆下一般出现两个地幔各向异性层,较深的可能反映地幔流动,并与大陆根的状态有关．在不同构造环境下,地幔流动与板块构造之间有不同形态的相互作用关系,它可能驱动板块运动,也可能对板块运动产生阻力。     

海洋热流与地幔上升流

从洋中脊上升的地慢物质带上来的大量热量,使在洋中脊裂谷处的海底热流及温度最高,向海沟逐渐减小．由于热胀冷缩,海底地势在洋中脊处最高．作者根据板块模型由一维运动物体的热传导方程推出裂谷处上升物体的温度分布公式．用此分布公式作为垂直边的边界条件,严格地求解了运动板块的二维运动物体热传导方程．用此方程研究了各参数与观测量之间的关系．通过改变公式中的参数值,使计算的理论曲线与实测海底热流一年龄及海底深度一年龄曲线拟合,从而求出了板块的厚度Ｌ＝９７ｋｍ,地幔上升速度ｕ＝３．ｇｍｍ／ａ,热膨胀系数ａ＝３．３７×１０－５／℃及温度分布．该方法克服了在洋中脊处理论热流值趋于无限大的问题,并可以计算出地幔上升流的速度及宽度．     

卫星重力场、地幔对流应力场与板块运动关系的探讨

本文采用GEM10C的前50阶系数,计算了全球自由空气重力异常和地幔对流产生的岩石层底部应力场.通过对全球重力异常、应力场的分析,着重讨论了板块运动与地幔对流间的关系.对各板块在地幔对流作用下受力的定性分析和定量计算表明,板块的运动主要由低阶应力场决定,板块底部多个地幔对流体（而不是一个以洋中脊为对流上涌中心的单个地幔对流）的共同作用,推动了现代板块的运动.     

俯冲带的穿透与地幔对流

一、板块运动与地幔对流六十年代板块构造理论逐渐为地球科学工作者所接受。板块运动的动力学问题为人们所关心。这促使地幔对流理论的发展,逐渐形成两种不同的地幔对流理论,如图1所示。一种理论认为是整个地幔对流。O'Connell(1977)及Davies(1977)等认为地幔对流是在整个地幔范围内进行的,这种运动拖曳着上覆的刚性板块运动。这种对流模式较容易理解。它的主     

地幔对流拖曳力对中国大陆岩石层变形的影响

采用较为符合实际岩石层变形的非线性幂指数本构关系,基于ANSYS有限元平台, 模拟了近20万年来中国大陆地区地表运动及演化过程,探讨了印度板块挤压作用和地幔对流拖曳力各自对于中国大陆地区地表形变运动格局的影响.模拟结果与观测数据的比较表明：在印度板块的挤压和地幔拖曳力联合作用下,中国及东亚大陆岩石层运动形变模式能够和现代GPS观测有较好的吻合; 印度大陆和欧亚大陆的碰撞以及印度大陆的持续向北推进、挤压所产生的应力环境,一直主导了以青藏高原为核心的我国西部地域岩石圈构造、运动和演化,但其影响随着远离青藏高原地区而逐渐变小;地幔对流产生的作用于岩石层底部的拖曳力是中国大陆（特别是远离碰撞带）岩石层运动构造变形的重要驱动力.然而在构造复杂和东部靠近太平洋板块的区域,模型预测结果和GPS观测还存在一定的差距,这说明在未来的中国大陆岩石层变形运动的数值模拟中,应当采用更为复杂的构造模型和驱动力因素.     

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.     

板块构造与地幔流的动力学：从局部尺度到全球尺度

板块构造受控于集中在板块边界的推动力和阻力,然而由观测资料所约束的高精度全球地幔流模型仍面临着计算上的挑战。我们利用最新的自适应网格细化算法,将板块边界的分辨尺度下降到1km,通过分析相接板块的运动,在并行计算机上模拟全球地幔流。在上地幔中,当消减板块向下俯冲时,往往会产生弧后扩张和板片回退现象。下地幔中冷的热异常通过狭窄的高粘性的板块与洋壳相耦合,导致洋壳运动速度的下降。在海沟区域,弯曲岩石层内的粘性耗散占整个岩石层和地幔总耗散的5％至20％。     

从克拉通破坏到板块动力模型的研究

华北克拉通破坏动力机制研究导致了全球动力系统及“板块动力模型”研究.板块运动最有可能的动力是地幔物质流动,但由于地幔物质流动的成因至今尚未查明,所以板块构造学说研究仍处于“运动模型”阶段,而没有进入“动力模型”阶段.如果地幔密度异常是驱动地幔物质流动的成因,那么就有可能基于重力学方法以“板块动力模型”的形式建立地幔密度异常驱动模式;软流圈中可能存在着动力特性不同的区块,地幔密度正异常代表物质盈余、区块内的物质要向区块外移动,地幔密度负异常代表物质亏损、区块外的物质要向区块内移动.本项目采用重力和地震资料相结合研究地球的整体分层,根据重力大地水准面联合地震波速度结构反演求解地幔密度异常,再根据地球正常密度假说和板块运动重力学机制的观点并与现有“板块运动模型”相结合,分析地幔密度异常动力区块,初步建立“基于重力学机制的板块动力模型”;为最终建立多学科机制的“全球板块动力模型”,迈出重要一步.     

蒙古一贝加尔裂谷区地壳构造运动的GPS研究

本文介绍了蒙古—贝加尔裂谷区的GPS观测结果、贝加尔裂谷形成的岩石圈动力学机制及Amurian板块地壳变形等方面的研究成果.GPS观测资料研究表明:贝加尔裂谷区正以4.5±1.2 mm/a的速率向两侧扩张,但对于扩张的动力源问题还有不同的认识.关于贝加尔裂谷区扩张的动力机制主要有:(1)地幔柱的上升是主要的控制因素,(2)印度板块与欧亚板块的碰撞是主控因素.作者认为贝加尔裂谷的形成是多种动力共同作用的结果,包括了贝加尔裂谷区地幔柱的上涌、印度板块与欧亚板块碰撞的远程效应及太平洋板块向欧亚板块俯冲的远程效应.GPS观测结果在很大程度上支持了Amurian板块的存在,但对板块南部、西南部边界的划分还存在很大的争议.在今后的工作中,需要在Amurian板块内部、蒙古地区、我国的华北、东北地区布设更多的GPS连续观测点,以明确限定Amurian板块的独立性、边界范围及运动特征.     

上地幔俯冲板块的动力学过程:数值模拟

大洋板块俯冲到地幔转换带,进而可形成不同的形态:板块可以停滞在660km不连续面,抑或穿过地幔转换带进入下地幔.这些不同的俯冲模式可进一步影响到海沟的运动.为更好地理解上地幔中俯冲板片的变形行为以及俯冲过程与海沟运动之间的关系,本文通过建立一系列高精度二维热-力学自由俯冲的数值模型,揭示了俯冲板块在上地幔中的变形方式及其与地幔转换带之间的相互作用过程.模拟结果显示,在俯冲板块与地幔转换带的相互作用过程中,其动力学过程可以分为以海沟后撤主导、海沟前进主导以及稳定型海沟等三种主要动力学类型.对于年龄较老,厚度较大的俯冲板块容易形成海沟后撤型俯冲,俯冲板块停滞在660km不连续面.相反,年龄较小,塑性强度较小的板块容易形成海沟前进型俯冲,俯冲板块穿越660km不连续面.     

海底热流长期观测系统研制进展

浅海和俯冲海沟等海域,不仅是矿产和油气资源主潜力区,也是构造地震频发区,其浅表热流和深部温度信息对于了解板块俯冲和岩浆活动等过程至关重要.这些区域浅层地温场和热流场受到底水温度波动(BTV)强烈扰动,其背景热流需由长期观测来获取.在全面分析了国内外海底热流长期观测技术特点后,我们提出了系缆式海底热流长期观测方案,201...     

基于热点参考系的板块绝对运动模型

本文在最新一代板块相对运动模型(MORVEL模型)的基础上,通过最小二乘反演观测热点方向数据建立板块绝对运动模型.经过对前人用于约束板块绝对运动模型的所有热点数据与MORVEL模型的一致性作系统的统计学检验,发现存在离群数据.相应地,提出两种系统剔除离群数据的新方法:逐一剔除法和全局搜索法.结合对总残差的卡方检验和对残差频率分布的正态检验,逐步筛选最优模型,最终得到一个基于热点参考系的板块绝对运动新模型(T87模型).该模型能够合理拟合全球分布的87个热点方向数据,而模型预测的板块绝对运动速率比观测热点火山的迁移速率系统偏小,最大偏差达到4 cm·a~(-1).这样的偏差可由观测热点速率的系统误差或地幔返回流造成的热点间运动解释.不论是哪种解释成立,本文结果表明热点方向数据能够独立、有效地定义全球热点参考系.这样定义的热点参考系可方便地应用于板块绝对运动、地幔对流及真极移的研究.     

俯冲带几何特征的研究

在板块的汇聚边界上 ,若一板块向另一板块俯冲下插 ,所形成的俯冲边界 (海沟 ,造山带 )的形态与俯冲板块、被俯冲板块的性质有很大关系。文中主要通过平板俯冲模型来计算模拟全球范围内一些大的俯冲边界 ,并对俯冲角等问题作了一些讨论。近来的研究表明 ,岩石圈板块存在普遍的西向漂移。由文中计算得到的太平洋东岸的板块初始俯冲角小于目前观测到的贝尼奥夫带倾角 ;而太平洋西岸的情况则恰好相反 ,初始俯冲角大于目前观测到的贝尼奥夫带倾角。这直接反映了岩石圈板块的西向漂移 ;对地幔而言 ,则是地幔相对于地壳的东向流动     

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．