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.     

水与地幔的部分熔融

水对于地幔的部分熔融发挥了关键作用.地幔岩浆作用主要发生在板块边界(俯冲带和洋中脊)和若干板内热异常区域.在大洋俯冲带,俯冲板片释出的水可以诱发上覆地幔楔甚至板片自身发生熔融,导致弧岩浆作用,也有可能形成超临界流体.板片熔融和产生超临界流体的物理化学条件仍存在争议.在洋中脊和板内热异常区域,水和CO_2使上涌地幔发生熔融的起始深度增加,熔融比例增大.在地球深部层圈边界可能发生低程度的地幔熔融,如岩石圈和软流圈边界、上地幔和过渡带边界、过渡带和下地幔边界等,其成因一般认为与边界两侧矿物储水能力的差异有关.水可以促进地幔岩石熔融的根本原因在于水是一种不相容组分,强烈倾向于富集在硅酸盐熔体相(矿物-熔体的水分配系数远小于1),从而令其吉布斯自由能降低.前人对水在橄榄石、辉石和石榴石等地幔矿物与熔体之间的分配行为已经研究得比较充分,但水对硅酸盐熔体密度和迁移性质的影响还需要更进一步的高温高压实验和计算制约.     

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.     

华北地区410km间断面和660km间断面结构——克拉通活化的地幔动力学状态探测

地幔过渡带间断面的形态能够提供地幔动力学状态的重要信息.本文利用密集流动台阵观测获得的地震波形记录,采用高分辨的地壳-上地幔速度结构成像结果作为接收函数共转换点叠加的速度模型,获得了华北克拉通地区地幔过渡带410km间断面和660km间断面深度的空间分布.结果揭示华北克拉通410km间断面和660km间断面结构的空间变化显著,存在多处间断面深度异常.地幔过渡带的结构特征以南北重力梯度带为界分为东西两部分;410km间断面变深（420～430km）的区域主要分布在华北克拉通东部,660km间断面变浅（642～655km）的区域出现在华北克拉通西北部;在华北克拉通东南部,660km间断面显著加深.本文分析认为,停滞在地幔过渡带的太平洋俯冲板块、厚度剧烈变化的克拉通岩石圈以及它们与周围地幔的相互作用,导致华北克拉通下存在活跃的地幔流动体系,造成过渡带间断面形态的高度不均匀.本文推测了两种可能的地幔过程：在克拉通根厚度显著变化的区域发生减压熔融,或者边界驱动的对流引起地幔物质沿着厚的克拉通根向上流动;或者是停滞在地幔过渡带的俯冲板块部分沉入下地幔,同时导致被排出的下地幔物质上升.     

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.     

中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构

依据地震波速得到的上地幔温度和气象台站记录的地表温度为约束,结合地表热流和热导率观测数据,利用有限元方法计算了中国大陆及邻区岩石圈三维热结构.基于此温度结果和GPS观测得到的应变率数据,以滑动摩擦、脆性破裂和蠕变三种强度机制为约束,计算得到了中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构.结果显示:弱强度和低等效黏滞性系数的下地壳在中国大陆及邻区普遍存在,并且下地壳的流变强度和等效黏滞性系数比上地壳和岩石圈地幔一般要低1~2个数量级;中国大陆范围内青藏高原存在着厚度最大、强度最低的下地壳;青藏高原的岩石圈强度和等效黏滞性系数比华北、华南和印度板块的都要低;岩石圈流变结构的横向分布特征与重力梯度带和地形过渡带比较一致.     

地球的构造:地幔与地核

四年来利用各种地震震相与地震技术广泛地研究了地球内部的深部构造。大部分研究着重围绕在对地核和地幔横向速度非均匀性的定量的三维描述上。据认为,这些非球面的速度变化是与对流过程有关的热和结构的非均匀性的直接体现。地球深部横向速度变化第一代全球模型的提出,提供了反映非稳态热对流系统的大尺度构造的令人神往的图象。地幔上部400公里的深部具有最强的横向速度变化,横波速度达±10％。不要求先验区域化的面波分析表明,地面构造区域与地幔顶层的速度变化有着密切的联系。因此,上地幔200公里深部的热和对流状态可从板块构造的角度得到可靠的解释。由于海洋和活动构造区域的速度构造差异一直延续到400公里的深度,上地幔模型证实了大陆有深根的论点。在400到670公里的过渡层以及整个下地幔内,测得波长很长的横向速度变化为百分之几。这些深部的变化与地表构造没有多少对应关系,现正开始尝试对其性质作出解释。地幔最下部200公里(D″域)的横向速度起伏与在上地幔中的那些起伏是类似的,并且有证据表明,D″层顶部存在着明显的速度不连续性。能粗略反映岩石圈面目的、结合热和结构的边界层是对这种异常区的可靠解释。核-幔边界似乎有显著的(10公里)长波长起伏,这大概是由来自深地幔对流的动力学应力来维持的。内核可能有强的横向非均匀性或轴对称各向异性,从而表明了其复杂的热和结构的状态。在描述地幔内短周期体波频带的非弹性衰减的频率依赖性的特征方面已取得了重要的进展。用于远震 P 波衰减因子的模型是收敛的,即适合于1赫的 t~*值是0.7—1.0秒,而适合于4赫处的 t~*值为0.4—0.6秒。衰减的区域性变化也正在慢慢地被认识。     

缅甸弧中部俯冲带下方地幔间断面起伏形态研究

新生代以来,印度板块和欧亚板块发生碰撞形成了喜马拉雅造山带和青藏高原,印度板片在喜马拉雅东构造结处缅甸弧俯冲带进入深部地幔.开展缅甸弧俯冲带下方地幔间断面的研究有助于认识印度大陆岩石圈的碰撞-俯冲过程及其对上地幔结构的影响.本文选用了发生于缅甸弧地区的3个中源地震事件,获取了欧洲和美国阿拉斯加地区多个密集地震台网/台阵...     

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.     

新马德里地震带的岩石圈强度与板内形变

提出一个简单的假说来解释为什么在相对稳定的板块内部地区会存在高地震活动区与高构造形变区．首先,对于大多数板内地区而言,特别是大陆地盾地区与老的海洋盆地,下地壳与上地幔的温度相当低,那里的岩石相对坚硬在这些地区不可能发生明显的岩石圈变形,因为岩石图累积强度大大超过板块驱动力．相反,如果下地壳与上地幔温度相对较高,板块驱动力则主要由上地壳承受,因为下地壳与上地幔相对软弱在这种地区,由于岩石圈累积强度与板块驱动力大小相当,构造形变相对较快．本文将这种假说应用在位于美国中部的新马德里地震带与周围地区．地震带内部热流密度值约为60mw／m2,略高于本区背景热流密度值45mW／m2．计算得到的地温梯度与实验室结果所揭示的延性流动定律表明,在地震带内下地壳与上地幔相当软弱,板内应力主要由上地壳传递．那里的形变速率相对较高．与此相反,在周围地区热流值相对较低,岩石四累积强度大大超过板块驱动力,构造应力由地壳与上地幔共同承受热流值的大小和下地壳上地幔的受力状态是决定地震活动性在地震带内与周围地区强烈对比的主要因素．     

Core–mantle boundary topography as a possible constraint on lower mantle chemistry and dynamics

The origin of large low shear-wave velocity provinces (LLSVPs) in the lowermost mantle beneath the central Pacific and Africa is not well constrained. We explore numerical convection calculations for two proposed hypotheses for these anomalies, namely, thermal upwellings (e.g., plume clusters) and large intrinsically dense piles of mantle material (e.g., thermochemical piles), each of which uniquely affects the topography on Earth's core–mantle boundary (CMB). The thermochemical pile models predict a relatively flat but elevated CMB beneath piles (presumed LLSVPs), with strong upwarping along LLSVP margins. The plume cluster models predict CMB upwarping beneath upwellings that are less geographically organized. Both models display CMB depressions beneath subduction related downwelling. While each of the two models produces a unique, characteristic style of CMB topography, we find that seismic models will require shorter length scales than are currently being employed in order to distinguish between the end-member dynamic models presented here.     

华南陆缘高热流区的壳幔温度结构与动力学背景

华南陆缘是我国重要的矿产、地热资源区.晚中生代以来,在太平洋板块西向俯冲,地幔热对流活动共同作用下,该区出现多期岩浆-热事件和大规模爆发式成矿作用.在前人研究基础上,本文利用地表热流观测资料、地震剪切波资料、重力位球谐系数,计算了壳-幔温度结构,分析了动力学背景.计算结果表明：华南陆缘东南沿海地带,地壳10 km以浅温度达200℃以上,居里点温度475℃,莫霍面平均温度550℃.地壳浅层较热,花岗岩中放射性元素衰变放热是地壳浅层地下水热活动的重要热源,但地壳总体温度不高,为"冷壳热幔"型热结构.地幔中,90 km深度,温度950~1250℃;120 km深度,温度1050~1400℃;150 km深度,温度1200~1450℃;220 km深度,温度1500~1700℃."热"岩石圈底界深度在110~150 km之间,西深东浅.岩石圈内,地幔应力场为挤压-伸展相间格局;岩石圈之下,地幔应力场为一个以南昌为中心、长轴NE-SW向的椭圆.分析认为,晚中生代以来,太平洋板块的西向俯冲,导致华南陆缘在区域性SE向地幔对流背景上叠加局域性不稳定热扰动,在175~85Ma期间,上地幔物质向上流动,形成不同的岩浆活动高峰期.同时,岩石圈地幔受俯冲洋壳流体的影响,含水量高,黏度小,在地幔流切向应力场作用下,岩石圈底界由西向东"波浪"状减薄.现今岩石圈之下仍具备地幔小尺度热对流温度条件,但除地表浅层外,地壳整体温度不高,岩石圈构造稳定.     

The structure of thermal convection and geotherms beneath a continent and ocean

The formation of the thermal cross section of the lithosphere and mantle upon the interaction between the mantle convection and the immobile continent surrounded by the oceanic lithosphere is studied by numerical modeling. The convective temperature and velocity fields and then the averaged geotherms for subcontinental and suboceanic regions up to the boundary with the core are calculated from the solution of convection equations with a jump in viscosity in the continental zone. Using the experimental data on the solidus temperature in the rocks of the upper mantle, the average thickness of the continental and oceanic lithosphere is estimated at 190 and 30 km, respectively. The effect of a hot spot formed in the subcontinental upper mantle at a depth of 250–500 km, which has not been previously noted, is revealed. Although the temperature in this zone is typically assumed to be close to adiabatic, the calculations show that it is actually higher than adiabatic by up to 200°C. The physical mechanism responsible for this effect is associated with the accumulation of convective heat beneath the thermally insulating layer of the continental lithosphere. The revealed anomalies can be important in studying the phase and mineral transformations at the base of the lithosphere and in the regional geodynamical reconstructions.     

论青藏高原及邻区板片构造的一个新模式

本文首先论述了板块学说提出的过程和存在的一些不足与疑问,特别是该学说将Holmes（1948）的地幔热对流说作为驱使岩石圈板块运动的动力机制.而后又以青藏高原及邻区为例,根据区域地质、蛇绿岩和地质构造研究的成果,特别是地震测深研究的成果,详细地论证了本区不存在有大洋中脊扩张成为大洋盆地的新大洋和大洋板块简单的B型俯冲模式,但存在有海底扩张的陆间海和海洋地壳板片（蛇绿岩构造岩片）的仰冲以及大陆岩石圈板片复杂的A型俯冲新模式.新模式不是以地幔对流运动,而是以扩张分离A型俯冲的大陆岩石圈板片与软流圈之间的水平剪切相对运动机制作为它的躯动力.     

Numerical models of subduction of the oceanic crust with basaltic plateaus

Light continents and islands characterized by a crustal thickness of more than 30 km float over a convective mantle, while the thin basaltic oceanic crust sinks completely in subduction zones. The normal oceanic crust is 7 km thick. However, anomalously thick basaltic plateaus forming as a result of emplacement of mantle plumes into moving oceanic lithospheric plates are also pulled into the mantle. One of the largest basaltic plateaus is the Ontong Java plateau on the Pacific plate, which arose during the intrusion of a giant superplume into the plate ～100 Myr ago. Notwithstanding its large thickness (averaging ～30 km), the Ontong Java plateau is still experiencing slow subduction. On the basis of numerical modeling, the paper analyzes the oceanic crust subduction process as a function of the mantle convection vigorousness and the density, thickness, viscosity, and shape of the crust. Even a simplified model of thermocompositional convection in the upper mantle is capable of explaining the observed facts indicating that the oceanic crust and sediments are pulled into the mantle and the continental crust is floating on the mantle.     

Three-dimensional mantle lithosphere deformation at collisional plate boundaries: A subduction scissor across the South Island of New Zealand

The continental plate collision across the South Island of New Zealand is highly oblique (dextral) and bounded by oppositely verging ocean plate subduction zones. As such, the region can be considered as a type of ‘subduction scissor’. Within this tectonic context, we use three-dimensional computational geodynamic models to consider how convergent mantle lithosphere can be modified by scissor and strike–slip effects. Bounding subduction at both ends of the continental collision causes flow of the descending mantle lithosphere in the direction along strike of the model plate boundary, with thinning in the centre and thickening towards the subduction zones that bifurcates the continental mantle lithosphere root. With dipping bounding subduction, the mantle lithosphere root takes on a more complex morphology that folds over from one subduction polarity to the other, but remains as a continuous feature as it folds under the collision zone. In the absence of bounding subduction, the plate convergence causes a linear (along strike) mantle lithosphere root to develop. A rapid strike–slip motion between the converging plates transfers material in the plate boundary-parallel direction and tends to blur out features that develop in this direction—such as descending viscous instabilities. The along-strike variations in the morphology of the mantle lithosphere root that develop in the models—viz., thickening of the root towards the subduction edges, thinning in the centre—are consistent with recent, albeit poorly constrained, geophysical interpretations of the large-scale lithospheric structure of the South Island. We speculate that this reflects the nature of the evolution of the South Island collision as a limited continental segment of the plate boundary that it is dominated and guided by adjacent well-developed/developing ocean plate subduction.     

增厚大陆岩石层热边界层对流剥离的数值模拟

用数值模拟方法模拟了增厚大陆岩石层热边界层被对流地幔剥离并为软流层物质替代的动力学过程．结果表明,在初始温度分层分布、侧向均匀但存在微小热扰动的流场中,80km厚的增厚岩石层热边界层约需60Ma才能被完全剥离,剥离的速率微弱地依赖扰动的强度;在已建立好的流场中,同样厚度的增厚热边界层只需约10Ma就可被剥离．模拟结果暗示青藏高原地壳及岩石层在岩石层增厚和剥离以前就很热,其下伏地馒中可能已存在建立好的上地幔小尺度对流系统,而该尺度的对流系统很可能是由特提斯海洋岩石圈俯冲和消减诱发的     

海洋板块俯冲作用下上覆大陆岩石层减薄机制的动力学模拟

几乎所有大陆岩石层的减薄现象,可能都与海洋板块的俯冲作用相关,但是两者之间的内在联系迄今仍不十分明确,为此,我们设计了一系列包含洋-陆俯冲系统的二维数值模型,来探讨海洋板块的俯冲作用对上覆大陆岩石层变形行为的影响,尤其对大陆岩石层减薄效应的制约.模型结果表明,海洋板块俯冲过程中的地幔楔熔体对大陆岩石层地幔的热侵蚀以及由熔体上升所诱发的地幔局部对流的强烈扰动会导致上覆大陆岩石层的减薄效应.这种效应不仅表现在横向上的向陆内蔓延,还表现在垂向上的向浅部发展.且多类动力学参数都能制约大陆岩石层的减薄效应.具体地,随着汇聚速率和洋壳厚度的增加,上覆大陆岩石层在横向上的减薄范围越大,在垂向上的减薄程度也越深;而随着俯冲海洋板块年龄的增加,上覆大陆岩石层在横向上的减薄范围增大,但在垂向上的减薄程度会减小;随着上覆大陆岩石层厚度的增加,其横向减薄范围会减小,但在垂向上的减薄程度会加深.本文研究成果能为揭示华北克拉通减薄/破坏的动力学过程提供一定的理论参考依据.     

Influence of low viscosity asthenosphere on mantle flows

Numerical simulation in recent years has revealed that the cold lithosphere, whose viscosity is three to four orders of magnitude higher than that of the underlying mantle, behaves during mantle convection as a stagnant lid. On the basis of model calculations, this paper shows how convection changes over to this regime with increasing viscosity. Spatially fixed high viscosity inclusions and those moving with the convective flow have fundamentally different effects on the structure of convective flows. The model calculations indicate that anomalously low viscosity asthenospheric regions also lead to a specific regime of convection. With a decrease in the viscosity by more than three orders of magnitude, a further reduction in the viscosity of the region ceases to influence the structure of convection in the outer region. The boundary with this region behaves as a freely permeable boundary. In the low viscosity asthenospheric region itself, autonomous convection can arise under certain conditions.     

中国及其邻区地球三维结构初始模型的建立

对人工地震测深及天然地震面波体波三维层折反演数据进行统一处理，建立了中国及其邻区地球三维结构初始模型．此模型图像表明，中国及其邻区地球各圈层横向变化明显．岩石圈及软流圈内速度分布主要反映这一区域自古生代以来板块及地块拼合模式．各主要板块或地块（塔里木、扬子、中朝、青藏、哈萨克斯坦、印度、印度支那）岩石圈增厚或有很深的地慢根，板块或地块间的造山带岩石圈减薄，软流圈速度降低。下地幔底部及核幔边界D″层出现高速异常，表明古太平洋及古特提斯洋俯冲板块因重力坍塌已进入地球深层，形成亚洲超级下降地幔柱。这一下降地幔柱引起地球表层物质向中亚、东亚地区集中，印度半岛、青藏高原、新疆、蒙古至贝加尔一带，成为全球岩石圈最大的汇聚场所．