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。     

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.     

蒙古—贝加尔地区上地幔小尺度对流及 地球动力学意义

上地幔小尺度对流是控制区域地球动力学过程的主要机制之一,蒙古—贝加尔地区的一些区域动力学过程被认为与上地幔小尺度对流相关.本文目的在于利用重力资料研究蒙古—贝加尔地区的上地幔小尺度对流,并探讨其与构造动力学的关系.基于区域均衡重力异常与上地幔小尺度对流的相关方程,本文利用区域均衡重力异常资料反演了蒙古—贝加尔地区上地幔小尺度对流流场及作用于岩石层底部的应力场.结果显示,蒙古—贝加尔地区地幔流场及对流应力场呈现非常复杂的图像,流场及应力场分布与地表构造具有很好的相关性.西伯利亚地台和蒙古褶皱带下地幔流场和对流应力场均较弱,这与这些地区现今较弱的构造活动性是一致的.贝加尔裂谷区下存在地幔上升流,对流应力场呈拉张状态,但应力场的幅值较小(约8 MPa),表明地幔对流不是贝加尔裂谷开裂的主要控制因素.Hangay高原、阿尔泰和戈壁—阿尔泰下存在地幔上升流,对流应力场为拉张状态,这一方面可能构成Hangay高原隆升的深部动力机制,另一方面,也为Amurian板块西边界划分提供了动力背景.     

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.     

中国西北及周边地区上地幔密度异常驱动小尺度对流

假设地震层析成像提供的地震波速异常对应于上地幔物质的密度异常分布,而该密度异常直接源于上地幔热对流相应的温度扰动. 在给定边界条件下,利用三维傅里叶变换,在波数域内求解控制流体行为的运动方程和连续性方程,得到上地幔小尺度对流流场. 利用密度异常驱动上地幔小尺度对流的数学 物理模型,采用胥颐、刘福田等提供的地震层析成像数据计算得到了我国西北及周边地区上地幔对流模式. 结果表明,对流流场的顶部在岩石圈较薄的盆地区域呈现上升发散流动特征,如塔里木盆地、柴达木盆地、哈萨克斯坦块体及准噶尔盆地;岩石圈较厚的山脉则对应了会聚下降的流动特征,如天山山脉、昆仑山山脉和祁连山山脉. 同时,塔里木盆地处于拉张状态,驱动其上地幔物质南下向青藏高原北部西昆仑运动,以及北上向天山下部流动,这可能是天山隆升的原因之一.      

区域重力异常和上地幔小尺度对流相关方程及对流拖曳力场

建立了区域重力均衡异常的物理模型，假定区域重力均衡异常源于上地幔密度分布横向不均匀以及由上地幔小尺度对流产生的边界形变．导出了区域重力均衡异常和上地幔小尺度对流之间的相关方程，讨论了该方程在地球动力学研究中的应用．应用几种模型计算上地幔小尺度对流产生的作用于岩石层底部的拖曳力场．结果表明，将这一相关方程用于利用区域重力均衡异常研究地壳及上地幔应力状态，将有广阔的前景．     

区域重力异常和上地幔小尺度对流相关方程及对流拖曳力场

建立了区域重力均衡异常的物理模型,假定区域重力均衡异常源于上地幔密度分布横向不均匀以及由上地幔小尺度对流产生的边界形变．导出了区域重力均衡异常和上地幔小尺度对流之间的相关方程,讨论了该方程在地球动力学研究中的应用．应用几种模型计算上地幔小尺度对流产生的作用于岩石层底部的拖曳力场．结果表明,将这一相关方程用于利用区域重力均衡异常研究地壳及上地幔应力状态,将有广阔的前景．     

中国境内天山上地幔小尺度对流与造山作用

根据横跨天山的流动地震台阵记录的走时数据, 利用地震层析成像技术获得了库车-奎屯剖面660 km深度内上地幔P波速度结构. 由P波速度模型导出了相应的上地幔二维密度模 型. 利用有限单元方法联合网格-粒子方法, 研究了中国境内天山由于密度差异分布引起的上地幔小尺度对流. 给出了对流的基本形态特征, 并分析了上地幔对流与造山作用的相互影响关系. 结果表明: (1) 北天山—准噶尔盆地下方的上地幔中存在一个逆时针对流环, 对流环尺度为500 km左右; (2) 南天山—塔里木盆地一侧的上地幔中存在一个顺时针对流环, 但相对较弱; (3) 上地幔对流速度值在很大程度上受黏滞系数变化的影响, 但天山上地幔顶部对流速度值不应小于20 mm/a; (4) 塔里木盆地向北的水平推挤作用是天山新生代隆升的决定性因素, 同时, 上地幔小尺度对流对天山现今构造变形格局也起着重要作用; (5) 塔里木板块向北的运动对上地幔对流场的影响很小.     

月表温度对于月幔对流影响的数值模拟研究

行星内部对流计算中, 一般都将其表面温度作为常温处理.但在月球、水星等无大气的天体表面, 温度与纬度明显相关, 月球两极和赤道的平均温度相差可以达到100 K以上.纬度相关的温度边界条件, 是否会影响天体早期对流特征与内部热状态, 过去没有得到重视和研究.本文使用有限元方法进行了二维球壳对流模型的热演化模拟, 以评估无大气行星上, 与纬度高度相关的表面温度对其内部对流和演化的影响.模拟计算结果表明, 表面温度会对月球对流形态产生较大影响, 两极因为相对更冷而易于形成下降流, 上升流更倾向于从赤道位置开始, 在早期演化中表现得尤为明显.受边界条件影响, 月球两极与赤道的岩石圈厚度差异可以达到400 km以上.今后在研究太阳系内月球、水星一类没有大气的天体演化、特别是早期演化时, 对于表面温度纬度相关分布的影响应该予以考虑.

     

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.      

地幔内变粘度的滞弹性流体运动的三维有限元模型

建立了描述具有无限大Ｐｒａｎｄｌｔ数，变粘度的滞弹性流体运动的稳态和动态三维有限元公式，其中运动方程的有限元公式是由用应力分量表示的平衡方程，再利用牛顿流体的本构关系导出的。这种处理方式，不仅能够分析流体粘度变化所起的动力学作用，而且还能够直接计算温度分布和由流体运动所引起的扰动压力。最后，论证了导出的有限元公式和程序的正确性和可靠性，并给出了具有三维流动特征的算例     

地幔对流的数值模拟及其与表面观测的关系

本文从基本的热对流方程出发,并结合地幔对流特点,特别考虑到自重及非线性影响,探讨地幔对流及其与表面观测的关系,发展了相应的数值方法.结果表明,计算得到的长波大地水准面、地表地形、板块速度场水平散度与观测值符合程度较好.上、下地幔的非绝热温度异常与由地震层析得到的地震波速异常显示一定的相关性.地幔内部的流动呈现复杂形态,反映了高瑞利数对流的特征.     

三维球壳地幔流动形式探讨

建立三维球壳模型，将地壳和地幔作为不可压缩牛顿粘性流体处理，考虑了大陆、大洋、洋脊及俯冲带的不同物性参数，利用有限元法求解流体运动的基本方程组，研究地幔流动、板块运动与大地构造之间的关系。计算表明，速度边界条件、粘度分布等是影响地幔流动形式的主要因素。若地表径向取应力边界条件，且径向速度自由，则没有封闭的对流环存在。计算得到的地表径向速度分布与全球的构造分区具有显著的对应关系：在岛弧区、造山区速度向上运动，在大洋区、边缘海及裂谷区速度向下运动。     

橄榄石晶格优选方位和上地幔地震波速各向异性

根据福建省明溪幔源包体（二辉橄榄岩）中橄榄石晶格优选方位（ＬＰＯ）及其晶体弹性刚度系数，计算了地震波速度及其各向异性．研究结果表明，该区地震波各向异性是由橄榄石塑性流动产生晶格优选方位而引起的．与构造背景有关的ＶＰ，Ｖｓ１，Ｖｓ２和△Ｖｓ分布特征表明，中国东南沿海地区上地幔物质流动方向（由ＮＷＷ向ＳＥＥ）与橄榄石［１００］定向排列方向（ａ轴）和ＶＰ最大方向有一致的趋势．     

用有限元方法研究含摩擦多断层周围的应力场

本文使用有限元方法,研究了含摩擦多断层问题.在研究中,计算了几个物理模型（如共线、共轭等）和含摩擦多断层的应力场,并用计算机绘制出一批含摩擦多断层应力等值线图.结果表明,含摩擦多断层的应力场与单一断层相差甚远,在断层的交汇处,应力集中的范围和程度远大于断层的外端;断层的应力场在空间上分布很不均匀;高应力区和低应力区的分布随载荷作用方式和断层的形态各异.断层内的摩擦力对应力场的分布有很大的影响,并可能对断层的扩展行为起着非常重要的影响.     

EISCAT雷达观测到的极区电离层等离子体反常对流

综合分析EISCAT雷达与卫星当地测量数据,并利用磁层磁场模式对磁力线进行追踪,研究了发生在极光椭圆朝极盖边界附近电离层中,一例反常的背离太阳流动的强等离子体对流事件,及相关的太阳风-磁层-电离层耦合过程.结果表明,磁暴期间IMFBz指向南时观测到这一反常高速对流,及其相应的等离子体性态特征,很可能是向阳侧磁层顶磁重联过程在电离层中的印记.     

用天然地震探测青藏高原中部地壳、上地幔结构

从西藏南部的定日、嘎拉至青海铜铁山的天然地震探测剖面，实际路线长约２０００ｋｍ，布设了约１１０台便携地震仪，记录了数百次远震和近震事件，采用多种方法进行了资料处理与解释．依据ＳＫＳ，ＰＫＳ，ｐｓ等横波分裂特征计算的青藏高原中部上地幔的地震各向异性表明：研究区各构造单元内的地震各向异性有明显变化，发现上地幔各向异性快速波的偏振方向与造山带的走向不完全一致．在雅江缝合线、崩错－嘉黎、唐古拉山口、昆仑山口几条断裂带处南、北各向异性出现显著的差异，而金沙江缝合线和班公－怒江缝合线的南、北则没有明显的各向异性变化．由Ｐ波走时残差，利用层析技术反演了４００ｋｍ深度内的速度图像，可以看出近地表１００ｋｍ范围内速度的不均匀变化与地表划分的构造单元很吻合，进一步佐证了青藏高原是由不同时期的微板块拼合而成的认识．在青藏高原中部１５０ｋｍ深度以下发现了多处低速区．在金沙江缝合带下方约２００ｋｍ深度处有一长２５０ｋｍ以上、延伸１５０ｋｍ的低速体，推测可能是一地幔柱．利用ＰＳ转换波划分的界面，显示出青藏高原北部具有低速层和高速层交替出现的地壳结构．