大地水准面异常地震层析和地慢热动力模型

当人们使用长波长的地震层析数据利用地震波速和密度的实验关系外推而直接计算地球大地水准面异常时惊奇地发现，计算大地水准面异常和观测大地水准面异常无论在异常型态或者异常幅度上均相差甚远。因而不能将地幔看做“刚性”地幔，而真实的地幔应当是一“动力”的地幔，它的内部，甚至被看做固体地幔内部也存在物质流动，否则无法解释上述两种水准面的差异。地幔，特别是下地幔远比人们设想的要活跃得多。地幔内部存在一个复杂的热动力系统。全球规模的大尺度对流、上地幔范围的二级对流、层状对流、核－幔边界上部Ｄ″层内很小尺度对流以及地幔热柱形式的对流可能同时存在于地幔之中，它们相互独立又相互影响，而形成多层次、多形态的运动格局。为了进一步完善、丰富人类对其赖以生存的地球的认识，除了需要建立更为合理的非线性的地幔热动力学模型之外，更加精细的、更加精确的大地测量、地球物理和地球动力学观测资料是必需的。     

地幔动力学与板块俯冲

通过地幔粘滞性及粘滞结构、地幔热状态、地幔热生成三个方面，探讨了地幔物质发生对流的物理背景，并归纳出地幔对流模式热动力系统，在此基础上剖柏了地幔对流和现代板块构造的直接联系。     

地幔中水的赋存状态的研究进展

地幔水不仅对地球物理场的性质有重要影响，而且对地球化学动力学，地幔横向不均一性、地幔对流、低速层、板块俯冲、相平衡、熔融行为、深部地质灾害以及成矿作用等都具有重要意义，因此，地幔水的研究早已引起人们的重视。为了探讨水在地幔过程中的作用，必须搞清楚水的赋存状态。研究表明，地幔中水的储存形式主要有三种：以ＯＨ形式储存的矿物中，以自由相形式存在以及溶解在熔体中，本文对地幔中水的赋存状态研究进展作了综述，     

地幔对流与板块构造的研究进展

地幔物质对流是板块构造以及岩石圈中许多地质活动 ,如大陆漂移、地震、火山、造山作用等现象的起因。尽管已经开展了多年的研究 ,但到目前为止还不能很好地解释许多板块—地幔系统的基本问题 :第一个问题是地球板块运动的机制 ,这个问题很复杂 ,它涉及到岩石的诸多变形机理 ,从脆性断裂一直到粘性蠕变 ,这与压力、温度、应力差等因素有关 ,另外还有一些因素现在还不能够确定 ;第二个问题是不同地方喷出的岩浆的组分有变化 ,这个现象表明在地幔的不同位置物质成分有变化 ,这与地幔中存在全地幔物质对流的现象有矛盾 ,因为全地幔对流物质运动…     

地幔不均一性与地幔循环的多维表征和原因思考

地幔早先经核- 幔- 壳分异形成,后受不同尺度对流和循环的影响,因而具有不均一性特征。近三十年来,地幔化学通过研究大洋玄武岩发现了多样地幔端元和非放射性同位素证据并证明了地幔不均一性,逐渐建全了地幔地球化学体系。然而,地幔不均一性如何对应于时空尺度的地幔循环,以及地球演化如何影响地幔不均一性等,仍不清楚。此外,地球物理研究显示,岩石圈厚度差异、中下地幔的波速异常体以及俯冲板片形态的观测为纵横向对流系统提供了空间不均一性证据支持。联合地球化学和地球物理手段对研究地幔不均一性至关重要,用好透视地幔成分与结构的“双目镜”已成为共识。本文从地幔不均一性结合地球化学场、地球物理的不同表现形式,以及现今及历史时期的洋陆格局的对比,多维度联系地幔循环和演化,思考了超大陆旋回与地幔不均一化的内在逻辑。强调了从全球演化角度看地幔不均一性的重要性和提出多手段联合建立地幔循环驱动模型的展望。     

非主题来搞选登

笔者建立了基于地震层析成像的热地幔对流模型,并分别计算了有、无地表板块运动约束下的中国大陆岩石圈底部的地幔对流速度场和水平剪切应力场。结果表明,欧亚板块运动速度对中国大陆地幔浅部的对流速度场影响较大,而对对流应力场的影响较小。在岩石圈底部(约100km深度),对流速度方向差异基本上达到了50%,幅度差异达到了80%以上,而地幔对流应力场的差异在方向上基本上小于10%、幅度上基本上小于20%。因此,如果仅研究岩石圈底部地幔对流应力场,则可以采用无板块速度约束的热对流模型。但如果要研究地幔浅部的对流状态和格局,则需要考虑板块运动速度。     

地幔对流及其对地壳表层拉张盆地的影响

回顾近十年来在地幔对流方面的最新研究进展,阐述了板块俯冲后在地幔中的演化特征,以及地幔上升流即地幔柱的驱动机制和地质效应。特别介绍了地幔柱对地壳表层拉张盆地形成和充填过程的影响。进一步探讨了地幔柱活动在济阳坳陷的地质表现及其引发的火山岩浆活动、碎屑充填特征。认为盆地演化的阶段性间接反映了地幔对流的阶段性。     

从660 km边界地形推断地球不连续的化学分层

板块构造学说是固体地.球科学的基石,刻画了岩石圈的基本运动学特征,而地幔对流理论则为理解板块运动提供了动力学基础。然而长期以来,地幔对流模式的研究一直存在巨大的争议,分玻主要集中于全见幔对流和上下他幔分层对流两个模式。近年来还有一些学者提出了地混合对流模式的猜想,即一些区域地幔分层对流、其他区域上下他做整体对流。已有研究表明,温度异帯及化学异常均可造成大尺度(1000km)和中等尺度(100km)的间斷面起伏。     

青藏高原隆升三阶段模型的数值模拟

研究表明 ,青藏高原的隆升不仅是印度板块和欧亚板块碰撞的结果 ,它同时受到高原下部地幔物质运移以及地幔和岩石层之间耦合作用的影响。文中以青藏高原隆升三阶段模式(BCCM )为基本模型 ,对在印度板块向北推移、挤压而导致的高原隆升演化的数值模拟结果进行处理。处理中考虑了与抬升过程相应的剥蚀过程 ,同时还考虑在高原演化的后期大约 8～10Ma时发生的下伏岩石层底部的对流搬离 (convectiveremoval)而导致的隆升作用。结果表明 ,模型描述的青藏高原隆升演化过程和观测资料有较好的吻合 ,同时显示高原下部岩石层的对流搬离可能是最近 8～ 10Ma以来高原整体隆升的主导机制。     

白垩纪大火成岩省与地幔对流

白垩纪事件是全球非常明显和重要的一次地质突发事件,包括洋壳的超巨量形成,地磁正超时达41Ma之久(124~83 Ma),海水温度大幅度升高,黑色页岩沉积和石油形成的大量增长,海平面的快速上升,大气CO2水平的急剧升高,以及伴生的生物灭绝事件等。中—新生代的大火成岩省与冈瓦纳超大陆的裂解伴生,是超级地幔热柱产生的结果,而与欧亚超大陆的形成伴生分散火成岩省,是超级冷地幔下降流的结果,两者的联合构成全地幔对流的格局。全地幔对流模型为白垩纪地质演化、生物演化和环境演化的突变提供地球深部过程的约束。     

地球内部物理和演化的几个核心论题：Ⅱ地球动力体系

生成于岩石圈底部的“大陆根”与地幔羽的形成过程有关,其主要证据来自3－D地震成象和实验、数值模拟结果。地幔上涌和地幔下涌分别代表高温、低速带和低温、高速带。长波长的地幔构造与表层构造特征相关,地球内部边界层－热边界层或化学边界层将对全球动力体系产生直接或间接的效应。因此,深入研究这些边界层的结构、形态、热力学和物理化学特性,对解决地幔整体对流与成层对流体系中某些相冲突的问题具有关键意义。全球地震成象和深源地震资料表明,某些破碎的早期俯冲板片可能连续或间断性地下沉到核－幔边界处,并返回到起源于该边界层的地幔羽中。今后的任务不是重提地幔整体对流或是成层对流的问题．而是如何建立两者的统一模式。整体地幔对流体系在时间和空间演化过程中与成层对流、局部小规模对流或次生对流相伴生的理论、实验和数值模拟将是地球动力学研究的主要趋势。     

伴随数据同化方法及其在地幔对流中的应用

伴随数据同化方法是一个基于梯度法的反演技巧,尤其适用于对非线性问题的反演。最近几年里,该方法在地球物理问题中的应用取得了长足发展。文中试图从理论推导到其在地幔对流中的应用对该方法进行系统阐述,并附例图加以说明。伴随数据同化方法的基础是扰动理论,将模型输出与观测值的差别归因于模型输入中存在的误差,而该输入误差可以通过输出误差的最小二乘对输入条件的一阶倒数(梯度)来表示,这个联系就称作伴随算子。非线性问题的反演需要用到多次迭代;对输入误差的预估程度会直接影响计算和结果收敛的速度。作为描述当前地幔结构最有力证据的地震层析成像技术的不断进步,不论是在区域还是全球尺度上,都为地幔对流的反演提供了一个出发点。通过进一步同化或者比较相关的地质学证据特别是地表动力沉降观测,地幔对流反演可以克服目前仍然存在的地幔动力学各参数的不确定性的影响,从而进一步揭示壳幔系统的动力学机制。讨论的一个实际的例子是如何使用该方法反推出Farallon板块于晚白垩世时期在北美板块下的平俯冲过程以及该研究所导致的地球物理学及地质学意义。     

地幔对流的数值模拟方法

地幔对流的数值模拟研究为理解地壳运动、地幔内部的性质和地球的动力学机制提供了手段。笔者回顾了地幔对流数值模拟的发展,总结了各种常用的描述地幔对流的数学模型,边界条件以及数值解法。分析了级数展开方法,有限差分方法,有限元方法和多重网格方法的性质和特点,针对某些方法编写了二维地幔对流的计算机软件,使用了实际的地质参数,无穷大的Ｐｒａｎｄｔｌ数,在１０４到１０７之间的Ｒａｙｌｅｉｇｈ数,并给出了数值结果和地质解释。     

Small-Scale Mineralogical Heterogeneity from Variations in Phase Assemblages in the Transition Zone and D Layer Predicted by Convection Modelling

Small-scale heterogeneity in the deep mantle is concentrated in the upper-mantle transi-tion zone(TZ),in the depth range 410-660 km and also at the bottom 250 km D region.This encour-ages a more detailed investigation of the potential for seismic reflectivity imaging by modelling hetero-geneous structures in mantle convection models including phase transitions of the TZ and D regions.We applied finite elements with variable spacing near the boundary layers in 2-D cylindrical geometry that allow for sufficie...     

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674987114000905

Although there has been significant progress in the seismic imaging of mantle heterogeneity,the outstanding issue that remains to be resolved is the unknown distribution of mantle temperature anomalies in the distant geological past that give rise to the present-day anomalies inferred by global tomography models.To address this question,we present 3-D convection models in compressible and self-gravitating mantle initialised by different hypothetical temperature patterns.A notable feature of our forward convection modelling is the use of self-consistent coupling of the motion of surface tectonic plates to the underlying mantle flow,without imposing prescribed surface velocities(i.e.,plate-like boundary condition).As an approximation for the surface mechanical conditions before plate tectonics began to operate we employ the no-slip(rigid) boundary condition.A rigid boundary condition demonstrates that the initial thermally-dominated structure is preserved,and its geographical location is fixed during the evolution of mantle flow.Considering the impact of different assumed surface boundary conditions(rigid and plate-like) on the evolution of thermal heterogeneity in the mantle we suggest that the intrinsic buoyancy of seven superplumes is most-likely resolved in the tomographic images of present-day mantle thermal structure.Our convection simulations with a plate-like boundary condition reveal that the evolution of an initial cold anomaly beneath the Java-Indonesian trench system yields a long-term,stable pattern of thermal heterogeneity in the lowermost mantle that resembles the presentday Large Low Shear Velocity Provinces(LLSVPs),especially below the Pacific.The evolution of subduction zones may be,however,influenced by the mantle-wide flow driven by deeply-rooted and longlived superplumes since Archean times.These convection models also detect the intrinsic buoyancy of the Perm Anomaly that has been identified as a unique slow feature distinct from the two principal LLSVPs.We find there is no need for dense chemical ’piles’ in the lower mantle to generate a stable distribution of temperature anomalies that are correlated to the LLSVPs and the Perm Anomaly.Our tomography-based convection simulations also demonstrate that intraplate volcanism in the south-east Pacific may be interpreted in terms of shallow small-scale convection triggered by a superplume beneath the East Pacific Rise.     

The evolution of continental roots in numerical thermo-chemical mantle convection models including differentiation by partial melting

Incorporating upper mantle differentiation through decompression melting in a numerical mantle convection model, we demonstrate that a compositionally distinct root consisting of depleted peridotite can grow and remain stable during a long period of secular cooling. Our modeling results show that in a hot convecting mantle partial melting will produce a compositional layering in a relatively short time of about 50 Ma. Due to secular cooling mantle differentiation finally stops before 1 Ga. The resulting continental root remains stable on a billion year time scale due to the combined effects of its intrinsically lower density and temperature-dependent rheology. Two different parameterizations of the melting phase-diagram are used in the models. The results indicate that during the Archaean melting occurred on a significant scale in the deep regions of the upper mantle, at pressures in excess of 15 GPa. The compositional depths of continental roots extend to 400 km depending on the potential temperature and the type of phase-diagram parameterization used in the model. The results reveal a strong correlation between lateral variations of temperature and the thickness of the continental root. This shows that cold regions in cratons are stabilized by a thick depleted root.     

大火成岩省是地幔柱作用引起的吗?

自Morgan在1971年提出地幔柱假说来解释大洋岛链的火山迁移规律以来,对于地幔柱是否存在一直存在着争论。大火成岩省以短时间内的巨量喷发为特征,这种特殊现象一般被认为是地幔柱作用的结果,原因是它可以解释大火成岩省中的许多现象:(1)短时间内的巨量幔源岩浆;(2)喷发前>500 m的隆起;(3)高温苦橄岩和科马提岩的存在;(4)热点轨迹;(5)在没有挥发分和压力降低的条件下地幔发生熔融;(6)高的3He/4He比值。但是并不是所有大火成岩省都具有上述特征,而且上述现象有的也可以用其他机制来解释,如边缘对流、大规模岩石圈拆沉、裂谷减压和陨石撞击等。但是目前还没有一个模式可以解释所有大火成岩省的所有现象,而总体上大火成岩省的许多地质现象与地幔柱模式较为吻合。     

地幔内异常热熔变与青藏高原的隆升

本文利用中法合作研究获得的定日—格尔木天然地震记录资料所揭示的青藏岩石圈存在的各向异性变化，讨论了雅鲁藏布江缝合带南北地幔物质运动方向的差异。结合区域重力场、地热和大量地质资料，提出了解释青藏高原形成和隆升的新模式。青藏高原是在印度板块和欧亚板块强烈碰撞挤压下，地壳缩短变形增厚，碰撞挤压达于极限，地幔内物质产生热熔变，导致了受热幔壳的急剧膨胀，托浮起上覆地壳整体，形成了巨大高耸而且地形平坦的高原。喜马拉雅造山带则是印度板块北缘俯冲受阻，逆冲叠覆堆积变形的结果。