地幔地球化学:洋岛玄武岩制约

对地幔的地球化学研究为理解地球的形成和演化、其内部结构以及地幔动力学提供了重要制约.全地球的成分是通过由地幔岩石与球粒陨石对比所得到,并由此引出了球粒陨石质地球模型.这个模型认为地球难熔元素比例与球粒陨石相同,但挥发份相对亏损.洋岛玄武岩可能是源于地幔柱深部成因,进而成为研究深部地球的独特途径.洋岛玄武岩同位素组成变化可用有限几个地幔端元(例如,DMM、EM1、EM2和HIMU)来描述,由此用来解译重要的地幔过程.地壳物质通过俯冲和拆沉进入深部地幔,对地幔不均一的形成起到了重要作用.然而,这些地壳物质如何由部分熔融所提取,例如洋岛玄武岩成因中贫橄榄石岩石的作用,仍是热点争论话题.高~3He/~4He地幔的位置和成因仍有争议,存在从下地幔未演化(或弱演化)的原始物质到浅部成因的高程度演化物质的看法,后者包括古老熔融残留、弧下镁铁质堆晶和再循环含水矿物.可能存在的核幔相互作用被假定为洋岛玄武岩中诸如放射成因~(186)Os以及Fe和Ni的富集之类地球化学特征形成的原因.诸如~(142)Nd、~(182)W和Xe同位素之类的短寿命核素的微小但重要的变化在古老和现代岩石中均有报道,这暗示地幔必须在地球形成后100Myr内即发生分异,而且地幔并未被对流所有效均一化.     

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.     

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．      

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.     

基于环境噪声的地幔间断面体波成像研究

地震环境噪声互相关广泛用于地球岩石层的高分辨率面波成像。对在地球内部传播的地震体波进行类似观测将为我们打开一扇了解地球深部的窗口。本文介绍了如何利用地幔过渡带的顶部(410km)和底部(660km)间断面反射的P波噪声互相关来观测该地幔过渡带。数据表明,不利用震源也可绘制地幔过渡带高分辨率图像。     

地球早期地幔的冷凝结晶始于核幔边界或下地幔

JGR(Journal of Geophysical Research:Solid Earth)于2012年10月12日,发表了题为"Multi-technique equation of state for Fe2SiO4melt and the density of Fe-bearing silicate melts from 0to 161GPa"的文章指出,地球早期地幔的冷凝结晶可能始于核幔边界或下地幔。地球形成初期,地幔可能是一个整体熔融或局部熔融的巨大岩浆洋,其深度直达核幔边界。尽管目前地幔的物质大多都是固     

由卫星和航空磁测成果推断中国岩石圈的磁性特征

根据前人所得卫星和航磁异常解释结果，作者的综合研究表明：(1)在塔里木、四川和松辽盒地，地壳呈强磁性，至少可分为两层，上层磁化强度为1A／m，下层为2A／m或更强一些。在上述盆地中央，地幔顶部约10km厚，也是强磁性的，此外，在南中国海，地壳和地幔顶部也是强磁性的，卫星磁异常的源位于上述部位。(2)西藏高原，中国东南沿海一带以及其他一些褶皱带之下，地壳是弱磁性的，磁性层在地表以下30km以内，磁化强度约0.66A/m。特别要指出的是，在东南沿海一带，磁性层底面和莫霍面重合，而居里等温面恰在莫霍面之下，因此这个带可能是Wasilewsky PJ等提出的“莫霍面是一个磁性界面”的一例。     

地球自由振荡和面波频散的理论计算

本文概述了地球模型的自由振荡和面波频散问题的矩阵解法和数值解法,使用 ST1程序计算了 J—A 地球模型(Jordon and Anderson 1974)的本征频率;使用 RL1程序计算了J—A 模型和 GLC 模型(郭履灿,1981年)的面波频散,讨论了地球曲率和重力效应对面波的影响,由于 J—A 模型的高频部分和GLC 模型的低频部分都与观测资料有明显偏差,最新模型 PREM(Dzeiwonskiand Anderson,1981)又是一个海洋模型,为此,本文推荐了一个 PGY 初级地幔模型作为讲一步综合研究中国地区大陆结构时参考。     

从地壳到地核，人类正在满足自己的好奇心

地球的所有长期历史和到现今状况的演化实际上就是巨大的、热驱动引擎下的地表碎块运动。尽管地球内部的硅-铁地核（内部是固态核心,外部包裹着液态核,并产生了大部份地球磁场）和地幔是固体的,但是却使地壳板块不断传送和移动,这个动力系统使我们的地球保持活力。     

平面内剪切断层的超S波速破裂<

研究了平面内剪切断层的自然破裂速度,特别是超 S 波速自然破裂是否存在的问题.采用经典的线弹性断裂力学模型,用1个平面内剪切裂纹沿自身所在的平面扩展,作为平面内剪切断层的模型.通过理论推导,把 Kostrov(1975)的解从低于瑞利波速度发 VR 推广到高于 S波速度,得出了应力强度因子 K2在>v>的条件下的解析式.对于泊松介质,K2在(,1.70)为正实数,其中 v 为破裂速度,为 P 波速度,为 S 波速度.这表明(,1.70)这个范围是满足自发破裂条件的 v 的解的存在范围.对 v 在不同区间内 K2的存在性、收敛性以及取值的正负进行了总结,得出以下结论:(1)平面内剪切裂纹的自然破裂速度 v 有3个物理区间,第1个在0和 VR 之间,第2个在和1.70之间,第3个为;(2)v 有两个物理禁区,第1个在 VR 和之间,第2个在1.70和之间,它们分别构成了破裂速度的屏障.导出的解析式不仅适用于经典模型,也适用于平面内剪切裂纹自然失稳扩展的各种其它派生模型(例如滑动弱化模型、重整化模型等),所采用的模型比起前人的稳态模型更接近实际情况.