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.     

三维非均匀地幔中深源电场和磁场的谱理论(Ⅰ)——基本耦合方程组

地球深部研究(SEDI)已经揭示出地幔中的温度和密度在大尺度下的三维非均匀结构,而地幔的电性结构是敏感地依赖于地幔的热状态的.对由地球发电机产生的非定常深源电场和磁场,在三维非均匀地幔中的扩散问题作3系统的探讨.根据球面矢量场的Helmholtz 分解定理,将支配的Maxwell 方程组分解为位势场Φ、环型场T 和极型场S 的基本耦合偏微分方程组,并利用张量球谐函数展开,得到该方程组的谱表示.以此,作为进一步研究核幔电磁耦合理论的必要基础.     

三维地震波速结构约束下的变黏度地幔对流及其动力学意义

建立了三维黏度扰动下的变黏度地幔对流模型，并提供了在引入地幔的三维地震波速度结构下相应的求解方法. 依此反演了瑞利数Ra = 106时，两种不同边界条件下的极、环型场对流图像，这有助于深化对地幔物质流动和大地构造运动的深部动力学过程的认识和理解. 研究结果表明，不但地幔浅部的极型场对流图像显示出了与大地构造运动的相关性并揭示了其深部动力学过程，更重要的是，地幔浅部的环型场对流图像首次为我们认识和理解板块构造的水平与旋转运动提供了重要的信息：环型场速度剖面中在赤道附近存在一条大致南东东—北西西向的强对流条带，可能与环赤道附近大型剪切带的形成相关，进而表明可能是该带强震发生的深部动力学背景；在南北半球存在的旋转方向相反的对流环表明它们整体上可能存在差异旋转.     

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。     

核－幔边界的动力学背景

根据传播矩阵方法，并把由联合反演得到的同时满足长波地形起伏、板块运动速度、重力位异常资料以及地震层析先验知识的全地幔三维异常密度作为载荷，以求取核－幔边界的动力学背景．计算结果显示：１．所求的核－幔边界起伏图像与Ｈａｇｅｒ等根据格林函数方法所求得的核－幔边界的起伏在全球范围内基本相符．２．核－幔边界处的环型场仅在数量上降为地表处的环型场的１／８左右，而极型场较地表处的极型场的流动图像有显著变化，数值也增为地表处极型场的３倍左右．     

核－幔边界的动力学背景

根据传播矩阵方法，并把由联合反演得到的同时满足长波地形起伏、板块运动速度、重力位异常资料以及地震层析先验知识的全地幔三维异常密度作为载荷，以求取核－幔边界的动力学背景．计算结果显示：１．所求的核－幔边界起伏图像与Ｈａｇｅｒ等根据格林函数方法所求得的核－幔边界的起伏在全球范围内基本相符．２．核－幔边界处的环型场仅在数量上降为地表处的环型场的１／８左右，而极型场较地表处的极型场的流动图像有显著变化，数值也增为地表处极型场的３倍左右．     

三维非均匀地幔中深源电场和磁场的谱理论（Ⅱ）──-横向缓变摄动和极型场快速扩散

把磁场观测数据向导电区域延拓,是地球电磁学的经典问题之一．从准静态近似和非零矢势规范的电磁场方程出发,依据矢量的球面分解唯一性定理,本文建立支配三维非均匀电寻率分布全球地慢中的环型场、极型场和电位势场的耦合方程组烤虑地球深部研究对认识全球地幔非均匀性横向变化尺度的限制,提出横向缓变意义下三维非均匀地幔中电场和磁场的摄动理论,其零级近似不要求电导率分布一维球对称．作为零级近似可解的例证,研究了地幔深源极型场的反扩散问题,在利用地面磁场观测反演到核幔边界时,可以考虑地幄横向非均匀性影响．     

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.     

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．     

横向黏度变化的全地幔对流应力场初步研究

将地幔地震波速度异常转换为地幔横向黏度变化(达到3个数量级),在球坐标系下计算了瑞雷数为106、上边界为刚性、下边界为应力自由等温边界条件下的岩石层底部的地幔对流极型和环型应力场.结果表明,地幔对流极型应力场与地表大尺度构造具有良好的对应关系:俯冲带和碰撞带的应力呈现挤压状态,而洋中脊处的应力则呈现拉张状态.地幔对流环...     

Mantle flow with existence of plates and generation of the toroidal field

The observed plate velocities contain two types of motions. The poloidal component is related to the formation of ridges and subduction zones and the toroidal field expresses the shearing of surface plates. One very important consideration in modeling flow in the earth's mantle is the existence and motion of the lithospheric plates. The motion of plates represents a large-scale circulation with strong viscous coupling to the mantle underneath. The mantle flow probably is neither a purely free convection driven by buoyancy forces due to nonadiabatic temperature gradients in the mantle nor a forced convection generated by boundary forces, but a mixed convection that combines the effects of boundary and buoyancy forces. We present, in this paper, the mixed convection model resulting in a surface velocity field that contains both the observed poloidal and toroidal components.     

Nonlinear free thermal convection in a spherical shell:A variable viscosity model

Introduction The velocity field of surface plate motion can be split into a poloidal and a toroidal parts.At the Earth′s surface,the toroidal component is manifested by the existence of transform faults,and the poloidal component by the presence of convergence and divergence,i.e.spreading and subduc-tion zones.They have coupled each other and completely depicted the characteristics of plate tec-tonic motions.The mechanism of poloidal field has been studied fairly clearly which is related to …     

地震波速度约束的大横向黏度变化的地幔对流研究

本文将横向黏度变化提高到3个量级,获得了地震波速度结构约束下的大横向黏度变化的地幔浅部的极型场和环型场对流图像.与小横向黏度变化下的结果相比,本文的结果具有显著的改善.对极型场对流图像,主要体现在本文结果能更清楚地解释太平洋板块、大洋洲和南美洲以及东太平洋洋中脊处的现今运动状态;对环型场对流图像,能更合理地解释北太平洋...     

三维非均匀地幔中深源电场和磁场的谱理论(Ⅱ)——横向缓变摄动和极型场快速扩散

It is one of the classical problems in Earth′s electromagnetism that continuation of the observatory data of magnetic field into the conducting region. This paper built the coupling vector equations governing the poloidal, toroidal and potential fields in 3-D inhomogeneous conducting mantle. Considering the limitation on variable scale of inhomogeneities in global mantle from study of the Earth′s deep interior, a perturbation　theory of gradually lateral variation was presented. It is unnecessary that the 1-D spherical symmetric distribution of electric conductivity as zero-degree approximation. Serving as a example of solvability of the zero-degree approximation, it was demonstrated how the gradually lateral variation of electric conductivity effect on anti-diffusive problem of poloidal field in Earth′s mantel.     

A preliminary study of the effects of some flow parameters in the generation of poloidal and toroidal energies within a 3-D spherical thermal-convective system with variable viscosity

The effects of variable viscosity on flow dynamics within spherical shells are investigated using a finite-element thermal convection model, and preliminary result for cases with relatively low Rayleigh numbers and small viscosity contrasts are reported. These results demonstrate some general effects of viscosity variation on mantle dynamics, and, in particular, the generation of toroidal energy. Since lateral viscosity variations are necessary in the generation of toroidal motion in a thermally driven convective system, it is not surprising our results show that flows with greater viscosity contrasts produce greater amounts of toroidal energy. Our preliminary study further shows that solutions become more time-dependent as viscosity contrasts increase. Increasing the Rayleigh number is also found to increase the magnitude of toroidal energy. Internal heating, on the other hand, appears to lead to less toroidal energy compared wth bottom heating because it tends to produce a thermally more uniform interior and thus smaller viscosity variations.     

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