地幔热柱动力学研究的新进展

由于地幔热柱对我们了解地球动力学和地幔动力学过程具有非常重要的科学意义，因此受到国际地学界的广泛关注，近年来，随着一系列国际研究计划的展开和实施，热柱动力学的研究取得了很大的研究。本文拟合“国际热柱－岩石圈相互作用研讨会”的讨论内容，对热柱领域已取得的进展和存在的问题作一简要的回顾，以期待进我国热柱动力学研究的发展有所埤益。     

利用地震层析成像数据计算地幔对流新模型的探讨

假设地幔地震层析成像数据对应的地幔横向不均匀结构是地幔热对流的结果. 将地震层析成像数据转化为地幔温度(或密度)不均匀分布，考虑热流体动力学的三个基本方程，顾及热输运方程中的非线性项，直接将地震层析成像转化的地幔温度不均匀分布作为内部荷载引入基本方程, 反演计算地幔对流. 本文在利用地震层析成像数据计算地幔对流模型的新理论和方法的基础上，用SH12WM13地震层析成像模型数据，计算了全球地幔对流格局. 结果表明，对流格局不仅依赖地震层析成像数据，而且在很大程度上受地幔动力学框架、热动力参数和边界条件的所确定的系统响应函数的影响. 显示了地幔中复杂的对流格局，特别是区域性层状对流以及多层对流环可能在地幔中存在的现象.     

地幔动力学研究进展--地幔对流

分类而且系统地回顾了地幔对流研究的进展情况.发现虽然静态地幔对流模型(没有考虑地球自转或差异旋转效应)在拟合某些地表观测如重力异常、大地水准面异常以及地下应力场时取得了较满意的结果,但是却对于某些全球尺度的地质特征如0°、180°半球的非对称性显得难以适应,因此建议性地提出了今后地幔对流的可能发展方向.     

地震层析成像板块构造及地幔演化动力学

地震层析成像技术的飞速发展给人类提供了一个探测地球内部结构的强有力的工具，也给人类展示了一片新的天地，使人类更加清晰地在两个层次之上（地球的层圈构造和内部横向不均匀性）了解地球内部，特别是对幔内部非均匀结构，从全球和区域的尺度上揭示出地球内部特别是地壳和上地幔横向不均匀结构。呈现出全新的地球，特别是地幔结构的三维图像框架，很容易理解，这一基本框架正是地幔演化热动力学过程的现代表现，如此，我们可以利用该框架去追溯、探讨全球构造特别是地幔构造演化的历史，从而深化对于我们这个星球演化过程的理解。     

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．      

大尺度地幔动力学研究的现状和展望

这篇综述讨论大空间、大时间尺度的地幔动力学近几十年的发展和现状,着重讨论了相关的观测及其动力学意义.这些观测包括现在地球的板块运动的基本特性,中、长波重力异常及大地水准面异常,地震层析成像得到的地幔结构,以及过去10亿年超级大陆Pangea和Rodinia的形成、裂解和演化,及火山岩浆活动.关于地球动力学模型的讨论是围绕着这些相关的观测而进行的.涉及到的一些主要问题包括以下.第一,地幔动力学研究显示,地震层析成像得到的下地幔的二阶结构（比如核幔边界附近的LLSVP结构）,和俯冲带的快速异常体,可以解释为过去1亿年左右的板块运动和地幔对流的结果;第二,地幔三维结构作为地幔对流的驱动力,是导致中、长波重力及大地水准面异常的直接原因;结合地幔动力学模拟,观测的大地水准面异常对地幔黏性结构提供了强有力的约束,很可靠的结果之一是下地幔的黏性比上地幔要高至少一个量级,并且最近的研究确定软流圈的存在;第三,过去10亿年大陆块体经历过的Rodinia和Pangea两期超级大陆的形成和破裂是地幔动力学在地表的反映.地幔结构在Pangea形成过程中是一阶结构（即一个半球是冷的下降流,而另一个半球是热的上涌流）主导的,而现在的二阶为主导的地幔结构是Pangea形成后,破裂前或破裂过程中才形成的;地幔动力学和其他研究支持地幔结构在一阶和二阶间转换的1-2-1模型;第四,板块构造在地球上的起源和动力机制依然是充满争议和不确定的课题,但是这些问题同时也是重要的地球动力学基本问题.

     

第10届地幔对流模拟和岩石圈动力学国际讨论会概述

第10届地幔对流模拟和岩石圈动力学国际讨论会于2007年9月2日至9月7日在法国Cayy-le-Rouet市举行,来自13个国家的近百名科学家参加了这次讨论会.     

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.     

两种地幔对流模式下俯冲带的热结构

根据准动力学计算方案,通过采用等效热源和等效热传导系数的方法,用有限元法计算了不同俯冲角度,而俯冲速度为８ｃｍ／ａ、年龄为１００Ｍａ的俯冲带在稳定俯冲状态的热结构．计算结果表明俯冲带在接近６７０ｋｍ间断面的最低温度可达到１１００℃．全地幔对流模式热结构的计算结果表明６７０ｋｍ间断面以下可存在最低温度达１０００℃的低温区,相应于有０．７％—３．０％的Ｐ波低速异常存在．双层地幔对流模式表明,在６７０ｋｍ间断面以上可有与周围地幔相差约４００℃的水平舌状低温区存在,相应于０．５％—１．４％的Ｐ波低速异常．     

两种地幔对流模式下俯冲带的热结构

根据准动力学计算方案，通过采用等效热源和等效热传导系数的方法，用有限元法计算了不同俯冲角度，而俯冲速度为８ｃｍ／ａ、年龄为１００Ｍａ的俯冲带在稳定俯冲状态的热结构．计算结果表明俯冲带在接近６７０ｋｍ间断面的最低温度可达到１１００℃．全地幔对流模式热结构的计算结果表明６７０ｋｍ间断面以下可存在最低温度达１０００℃的低温区，相应于有０．７％-３．０％的Ｐ波低速异常存在．双层地幔对流模式表明，在６７０ｋｍ间断面以上可有与周围地幔相差约４００℃的水平舌状低温区存在，相应于０．５％-１．４％的Ｐ波低速异常．     

根据地球热历史研究得到的地幔温度模型(英文)

通过求解全球能量平衡方程 ,得到地幔温度剖面。中地幔过渡带有一个温度突然增加 ,因此不能根据近地表数据向下做简单的外推。这个问题可以通过研究地球的冷却过程解决。目前地幔底部的温度值是 2 94 0K ,中地幔过渡带温度为 2 0 4 0K ,穿过这个带有一个 310K的突变。上部边界层底部的温度为     

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.     

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.     

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.     

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.     

海沟后退对地幔对流的影响

本文分析了有海底扩张无海沟后退、有海沟后退无海底扩张以及海底扩张与海沟后退共存等３种情况下,俯冲板片运动与海沟迁移的关系．用幂律流体有限元方法计算海沟后退对地幔对流的影响．地幔有效粘度除依赖应力偏张量的第二不变量以外,尚与温度、压力（含流体静压力和流动压力）有关．计算表明,对流环、高流动负压区以及低粘区的个数和位置,均受控于海沟是否后退以及海底是否扩张;温度场与海沟后退无明显关系．流动压力对形成洋中脊和弧后火山、驱动地幔对流以及维持板片的倾斜角度都具有重要意义．