球层中的非线性自由热对流变粘度模型

粘度为常数或仅随深度变化是地幔对流模型中常用的假设. 本文在常粘度背景下， 通过假定小扰动粘度在纬向上的变化形式， 将粘度的横向变化引入地幔对流模型中， 并给出了变粘度地幔对流模型的数值解法. 对外边界为刚性、 内边界为应力自由（简记为R-F边界）和内外边界均为刚性（简记为R-R边界）边界的两种模型进行了计算， 对比了不同模型、 深度和瑞利数时的环型场的变化特征. 注意到环型场能量主要集中在球层的中、 上部区域， 其速度仅占总速度的几个百分点， 这个比例几乎不随瑞利数的变化而改变， 但其对流图样受瑞利数的影响较大. 环型场的对流形态和速度的分布特征表现出了明显的纬向差异， 这一结果清晰地反映出地幔粘度的横向变化对对流形态的影响. 目前的工作还只是初步的， 但为我们探讨全球大地构造上的某些现象， 例如南北半球的不对称性和差速旋转问题提供了一种可能的研究思路.      

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.     

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．     

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.     

地幔对流环型场的激发(Ⅰ)

讨论了地幔内部的粘滞度及施加在地表和CMB 的边界条件对地幔对流环型场的激发分析表明,当粘滞度侧向均匀时,环型场与极型场自然解耦,且环型场不影响重力位,当粘滞度侧向不均时,环型场与极型场耦合在一起.两者共同影响重力位.当引入板块运动速度时,边界条件非零,也能激发环型场;对侧向均匀粘滞度地幔,零边界条件不能激发环型场     

考虑混合地幔对流的地球热演化的参量化模型

单纯的全地幔对流或分层地幔对流热演化模型不能解释地球构造演化史中的幕式特征,故本研究在地球热历史的参量化模型研究中考虑混合地幔对流模式．我们引入时间相关的全地幔对流成分比F来表征地球热演化历史中全地幔对流所占权重,同时引入描述相变边界层对流状态的局部瑞利数Raloc和对流转换临界瑞利数Ra1及Ra2,作为地幔对流的控制参量．结果表明,混合地幔对流参量化模型得出的地球热演化史可以较好地反映地球幕式构造演化史．      

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...     

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.     

南海深部地球动力学特征及其演化机制

利用地热学、流变学和重力学方法，计算了南海岩石层温度结构、流变特征及地幔对流格局.南海莫霍面温度在600-1000℃之间.岩石层底界面温度在1150-1300℃之间，有效粘滞系数为1020-1021Pa·s，与冰期回弹资料确定的地幔粘度吻合，表明南海深部具备产生地幔热对流的物理条件.研究认为地幔物质由北西向南东方向的运移以及印澳-欧亚板块的碰撞，导致南海北部大陆边缘向洋扩张、离散和断裂解体.在向洋离散过程中，陆-洋岩石层底部地幔局部对流使中央海盆扩张和北部陆缘发生差异性块断运动.