弹性岩石层,区域重力异常和上地幔小尺度对流

在小尺度地幔对流模型的基础上,建立了顾及岩石层与地幔耦合的地幔对流模型,考虑到岩石层对上地幔小尺度对流的弹性响应,将上地幔视为一均匀的等粘滞系数的牛顿粘滞流体,其对注能量来源于下地幔,用热流体动力学基本方程得到地上地幔对流在壳幔边界处的垂向应力作为弹性板弯曲方程的垂直加载,来耦合弹性岩石层和可流动地幔,推导了两者耦合下区域重力异常和上地幔小尺度对流的相关方程,用以反演上地幔小尺度对流场模式和岩石层底部拖力场格局,对比了有,无弹性岩石层影响的模型之间的差异,并对模型应用范围,特别要板块边界水平均造力可能产生的影响,作了进一步探讨。     

上地幔的流变学

地球地幔的流变特性对岩石层和软流层的动力学起着重要的作用。然而基本的流动的主导机制问题还未解决。实验研究与地质、地球物理观测的综合实验室研究表明：扩散蠕变与位错蠕变间的转换可能发生在地震的上地幔。热的浅部的上地幔以位错蠕变方式流动，而冷的深部或浅部的上地幔以扩散蠕变方式流动。当应力增加时，晶粒尺度减小，而且在该转换区附近的上地幔变弱。因此，形变是局部的，从力学上说在这些深度附近的上地幔被解耦。     

中国东部大陆上地幔的基本状况

本文概述了近年来我国在地幔岩石学和地球化学研究中取得的主要结果。重点讨论了地幔流体在地幔过程中的重要作用，特别是地幔流体成矿作用，我国东部陆下地幔化学的区域性特征及其动力学意义。     

中国大陆地壳上地幔电性结构及地震分布规律(一)

本文是壳慢流体演化及地震成因系列论文的第1篇．本系列由3篇论文组成,第2篇为壳内高导层成因,高温高压下卤水物态及其电导率;第3篇为壳内流体演化及地震成因．这3篇论文分别从宏观、微观和动态变化三方面,探讨了地下流体与地震的关系．rn 本文根据我国大地电磁测深(MT)工作者近20年的探测成果,编绘了中国大陆壳内和上地幔高导层的分布埋深图,分析了中国大陆电性结构的分区特征,探讨了上地幔高导层的成因以及壳内高导层的特征,最后总结了中国大陆不同构造区的地震孕育规律．     

上地幔的热状态：对地幔柱没有作用

各种地球物理资料表明,软流层内长波长的温度变化偏离平均值士200℃,而不是地幔柱理论家们采用的±20℃。由板块构造过程(俯冲冷却、大陆绝缘和小尺度对流)引起的“正常”温度变化范围涵盖了被认为是由热喷发和热柱引起的盈余温度。地球物理方法给出上地幔可能的平均温度为1400℃。在洋脊、裂谷、破裂带和大陆裂解起始处,软流层内的对流在本质上是三维的,形成了不受深部热不稳定性影响的浅部似柱状结构。深部窄热柱没什么作用,这一看法被隆起和沉降数据所证实。“板块中央”火山活动的位置和体积似乎受岩石层结构、应力和裂纹的控制。     

遗传算法在上地幔速度结构研究中的应用

遗传算法是近年来发展较快的一种求解非线性优化问题的有效方法。本文通过对遗传算法基本原理的介绍,对该方法的特点进行了分析。我们采用ＷＫＢＪ理论地震图作正演,遗传算法作反演,对用体波波形反演上地幔速度结构的方法进行了研究。在ＷＫＢＪ理论地震图的计算中,通过计算主要射线的平均吸收特征时间,考虑了衰减随距离的变化,通过对不同震源引入不同的虚拟界面,同时对多个地震的波形记录进行反演。探讨了观测误差对反演结果的影响。对理论记录的反演表明,用遗传算法研究上地幔速度结构具有较好的效果。     

海南地幔柱上地幔结构新的地震学约束

给出了由近震和远震数据确定的海南地幔柱上地幔高分辨率层析成像结果。远震到时数据是由海南岛和雷州半岛9个固定地震台站记录的地震波形中精确提取的。我们的结果显示,在海南热点下方从地表到250km深度,地壳中存在高达-5％而在地幔仅-2％的明显低速异常。海南地幔柱被成像为西北-东南向倾斜的、直径约80km的连续低速柱状异常体。由于较密集数据覆盖和精细模型参数化,我们的结果相对于先前的局部和全球层析成像研究有了明显的改进。海南地幔柱的这种倾斜可以用数值模拟的结果来解释。地幔柱在上地幔中的倾斜可能与海洋板块的俯冲有关,特别是与菲律宾海板块和欧亚板块的挤压有关。但最可能的是,这种倾斜是地幔柱在下地幔扭曲后靠浮力上浮至上地幔形成的。     

欧亚地区均衡残差大地水准面和上地幔强度

首先计算了欧亚地区均衡残差大地水准面．基于地幔热对流的内负荷理论和最新全球层析成像结果,探讨了欧亚地区中波长均衡残差大地水准面的地球动力学意义．研究结果表明,中波长均衡残差大地水准面主要受上地幔粘滞度和岩石层强度的影响,进而得出欧亚地区一些古老地盾和构造稳定地区的上地幔与年轻山脉及构造活动地区的上地幔结构存在着差异．这个差异主要是占老地盾和构造稳定地区,如波罗的海地盾、中西伯利亚地台、东欧等区域,冷却的上地幔已穿透地幔较深,上地幔与岩石层之间耦合较好;而年轻山脉和构造活动区,如帕米尔、天山、贝加尔活动带、青藏高原、日本海周围地区,在上地幔可能存在着热物质即粘滞度很低的软流层,上地幔与岩石层耦合程度较差,甚至有可能解耦．从欧亚地区上地幔属性的差异,可以解释该地区的一些地球动力学问题．     

上地幔物质运移与地壳形变

本文据根GEM 10 B地球模型计算得到的卫星自由空间重力异常,分析了上地幔物质流运移的动力学关系。对在青藏高原上地壳的楔入作用影响下,上地幔物质流的运移状态及所造成的地壳形变进行了讨论。并对中国西南部壳体强烈的地壳形变以及频繁的地震活动的力源机制问题进行了探讨。     

中朝准地台东部的地壳上地幔Ｑ结构y

根据中国数字化地震台网（CDSN）记录到的长周期面波资料，测定了中朝准地台东部地区周期从10～146 s的基阶瑞雷波ＱR值．并用随机逆反演方法反演得到了4条路径上的地壳上地幔Ｑ模型．结果表明:中朝准地台东部地区的地壳平均Ｑ值为200左右，地壳中部（深度10～20 km处）有弱衰减层，该层可能与壳内易震层有关．在地幔顶部普遍存在一个厚约70 km的强衰减层（低Ｑ值层），其顶部埋藏深度约为80 km．中朝准地台东部地区的基阶瑞雷波实测ＱR平均值介于构造稳定区和构造活动区之间，而更趋近于构造活动区域．      

中国北部及蒙古地区上地幔P波速度结构的研究

利用CDSN以及境外的数字地震台网观测的宽频带体波波形资料,采用体波波形反演方法,对中国北部及蒙古地区的上地幔平均P波速度结构以及部分地区的横向不均匀性特征进行了研究．结果表明,该地区上地幔盖层的P波速度较低(约7.8～8.0 km/s),平均盖层厚度约60 km,在410和665 km附近存在速度跳跃分别为0.29和0.55 km/s左右的速度间断面．准噶尔盆地上地幔顶部P波速度约7.7 km/s．上地幔盖层具有较高的速度梯度(平均速度梯度>0.005 5/s)和较大的厚度(90～100 km),在140 km深处P波速度可达8.2 km/s左右．贝加尔湖附近上地幔盖层的平均P波速度介于8.0～8.05 km/s之间,上地幔盖层厚度约30 km．      

浙江省上地幔的热结构及流变学特征

由尖晶石相和石榴石相二辉橄榄岩包体所建立的浙江省上地幔古地温线高于大洋地温线 ,与徐义刚等建立的中国东部地温线以及澳大利亚东南部的地温线较为接近 .由该地温线确定的该区壳幔边界为 34km ,软流圈与岩石圈边界大致在75km .上述结果与该区地球物理资料基本一致 .包体的流变特征研究表明 ,该区的包体至少经历了两期以上的变形事件 .前期可能与上地幔底辟有关 ,后期则可能与上地幔的剪切作用有关     

欧亚地区均衡残差大地水准面和上地幔强度

首先计算了欧亚地区均衡残差大地水准面．基于地幔热对流的内负荷理论和最新全球层析成像结果,探讨了欧亚地区中波长均衡残差大地水准面的地球动力学意义．研究结果表明,中波长均衡残差大地水准面主要受上地幔粘滞度和岩石层强度的影响,进而得出欧亚地区一些古老地盾和构造稳定地区的上地幔与年轻山脉及构造活动地区的上地幔结构存在着差异．这个差异主要是占老地盾和构造稳定地区,如波罗的海地盾、中西伯利亚地台、东欧等区域,冷却的上地幔已穿透地幔较深,上地幔与岩石层之间耦合较好;而年轻山脉和构造活动区,如帕米尔、天山、贝加尔活动带、青藏高原、日本海周围地区,在上地幔可能存在着热物质即粘滞度很低的软流层,上地幔与岩石层耦合程度较差,甚至有可能解耦．从欧亚地区上地幔属性的差异,可以解释该地区的一些地球动力学问题．     

上地幔各向异性的反演方法

详细推导了弱各向异性介质的地震波速,在此基础上介绍了用Pn震相研究上地幔各向异性的几种具体算法;推导了用SKS震相和ScS震相反学下地幔各向异性的方法、优缺点及几种方法的相互关系。     

邢台震源区及相邻地区地壳上地幔速度结构研究

通过邢台震源区的两条相互垂直的折射剖面所揭示的壳幔速度结构和深部构造显示出的异常变化,Pg波在震区表现出随距离的强烈衰减;隆尧至太行山山前地带观测到21.0 km深度上的一组强反射,而通常以强振幅出现的Pm波在该段不明显．震区的下方及其西侧,地壳呈高低速相间的结构特征;上地幔顶部的速度由华北平原向山西高原递减．地壳厚度由华北平原向山西高原加厚了11 km．莫霍面在震区局部隆起．震区的超壳断裂和莫霍面不连续地段可能是岩浆入侵的通道和区域．上地幔的隆起和岩浆的侵入是形成震区异常壳幔结构和产生扩张盆地及发生邢台地震的主要原因．      

上地幔密度异常驱动小尺度对流及实验模型

建立了由密度异常驱动上地幔小尺度对流的数学 物理模型, 发展了利用地震层析成像数据反演上地幔小尺度对流的基本理论和方法. 该模型建立在三维直角坐标系框架上, 假设地震层析成像所显示的地震波速度异常对应于上地幔物质密度异常, 而该密度异常反映了上地幔小尺度热对流系统的温度异常场. 模型首先将地震层析成像确定的地震波速度异常转换为密度异常, 并视其为对流的驱动力; 进而利用三维傅立叶变换, 在波数域内, 在给定的边界条件下, 求解控制流体行为的运动方程和连续性方程, 最后求得对流的流场. 为检验本研究提出的理论和方法的有效性, 本文使用了两个简单的实验模型： 热体和冷体模型; 俯冲断离( break off)板片模型, 计算了其驱动的地幔流场. 结果表明, 本文提供的理论和方法, 可以直接应用于与区域岩石层构造动力学相关的上地幔小尺度对流的研究.     

小行星撞击对地球的上地幔对流的影响

本文分别基于数值结果和地质学模型,在假定地球的上地幔存在稳定Rayleigh-Bénard对流的基础上,模拟了直径为10 km（陨石坑直径约180 km,以Chicxulub为例）和直径为100 km（陨石坑直径约1000 km）的小行星撞击对地球的上地幔对流格局的影响.本文将直径10 km小行星的撞击效果等效为热异常,将直径100 km小行星的撞击效果等效为热异常和速度异常（主要指陨石坑底部的回弹）的叠加.计算结果表明,当小行星的直径在10 km左右时,撞击对上地幔对流的影响十分微弱,热扰动时间仅2—3 Ma;而当小行星的直径达到100 km时,撞击就会对上地幔对流产生强烈影响.这时,对流从扰动到新的稳态有一定模式可循（依次为：调整、多个对流环、调整、稳定）,扰动的持续时间受黏度和撞击点位置影响,同时稳定后地幔热柱会向着撞击点的方向产生一定的位移.     

地壳和上地幔三维速度与界面结构层析成像--理论部分

提出了一种三维模型参数化方法,使得正问题和反问题可以用解析式表达．地壳和上地幔速度与界面结构分别由一组非常光滑的函数描述．在正问题和反问题中,使用了初值射线追踪方法,走时对模型网格节点参数的偏微商在射线追踪的同时进行了解析计算．由于速度和界面函数具有二阶连续偏微商,由射线路径的发散和聚焦在地表引起的影区可以避免．射线追踪之后,可以获得由矩阵和矢量组成的反问题．解决反问题使用了具有阻尼因子的奇异值分解法．一组由几条纵剖面组成的合成数据被用来进行数值模拟计算,结果表明方法是健全的．与二维方法比较,在地壳模型非常复杂的情况下,三维反演方法可以给出准确的速度结构和界面位置．