地震层析成像—地幔对流新模型的研究

利用地震层析成像数据计算地幔对流模型的方法。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不均匀分布。该方法考虑热流体动力学的3个基本方程，以及热输运方程中的非线性项，直接将上述地震层析成像转化的地幔温度不均匀分布作为内部荷载直接引入基本方程，进而反演计算地幔对流的基本格局。理论结果表明，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和热动力参数（如Rayleigh数）以及边界条件和系统响应函数的影响。     

地震层析成像-地幔对流新模型的研究

利用地震层析成像数据计算地幔对流模型的方法.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不均匀分布.该方法考虑热流体动力学的3个基本方程,以及热输运方程中的非线性项,直接将上述地震层析成像转化的地幔温度不均匀分布作为内部荷载直接引入基本方程,进而反演计算地幔对流的基本格局.理论结果表明,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和热动力参数(如Rayleigh数)以及边界条件和系统响应函数的影响.     

黏滞分层地幔中密度异常驱动对流模型的研究

在地震层析成像计算的地幔密度异常直接驱动地幔对流的新方法的基础上,发展了在上、下地幔不同黏性结构框架下,密度异常驱动地幔对流的物理模型.利用 Grands和S12-WM13等地震层析成像模型推得的地幔密度异常分布,设置板块绝对运动极型场为运动上边界,考虑深度660km地震波不连续面为界的上、下地幔之间存在黏滞性的差异,直接反演了不同黏滞系数的双层地幔结构下地幔对流的模式.研究中选取地幔平均密度为ρ=5500kg/m3, 上层地幔平均黏滞系数为μ=1021Pa·s,计算了上、下地幔黏滞系数之比为1∶1, 1∶10, 1∶100和1∶1000时地幔大圆剖面、以及区域剖面上的流场.结果表明,两种模型在球谐展开1～13阶的范围内其对流的基本格局相似.当下地幔黏滞性超过上地幔的100倍时,下地幔流场速度与上地幔的流场速度相比显著减小,但是对流仍然表现出单层对流环的基本格局.论文还用 240km深度球面上的对流格局讨论了对流和全球构造之间的关系.     

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。     

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.     

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.     

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.     

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.     

地震层析地球内部密度分布横向不均匀研究

本文使用Woodhouse和Dziewonski等分别用S波和P波层析分析提供的,以670km深度为分界的上地幔和下地幔地震波传播所反映出的横向不均匀的球谐函数系数,假定地幔内部密度与正常水平的偏离分别与P波和S波的速度Vp和Vs成比例（下地幔δρ=γδVp,上地幔δρ=σδVS2）,并用一组新的球谐函数系数表示全地幔密度分布模型.计算结果表明:1.比例系数γ=0.199,σ=3.13×10-5时,该全地幔密度模型可以70％恢复Dziewonski提供的下地幔密度模型,50％恢复Woodhouse提供的上地幔密度模型.合成密度分布基本上反映了分别由P波和S波速度异常所提供的地幔密度分布特征;2.所有穿过太平洋中部的剖面均明显地显示出一个低密度异常从地表一直延伸到核-幔边界;3.所有大陆下部均存在一个高密度异常区,而且深入到1200—1300km深度处;4.由密度异常的正、负交替基本上将部分地区地幔分成为3层,其深度依次为:第1层25—1300km左右,第2...     

地震层析地球内部密度分布横向不均匀研究

本文使用Woodhouse和Dziewonski等分别用S波和P波层析分析提供的,以670km深度为分界的上地幔和下地幔地震波传播所反映出的横向不均匀的球谐函数系数,假定地幔内部密度与正常水平的偏离分别与P波和S波的速度V_p和V_s成比例（下地幔δρ=γδV_p,上地幔δρ=σδV_S²）,并用一组新的球谐函数系数表示全地幔密度分布模型.计算结果表明:1.比例系数γ=0.199,σ=3.13×10^-5时,该全地幔密度模型可以70％恢复Dziewonski提供的下地幔密度模型,50％恢复Woodhouse提供的上地幔密度模型.合成密度分布基本上反映了分别由P波和S波速度异常所提供的地幔密度分布特征;2.所有穿过太平洋中部的剖面均明显地显示出一个低密度异常从地表一直延伸到核-幔边界;3.所有大陆下部均存在一个高密度异常区,而且深入到1200-1300km深度处;4.由密度异常的正、负交替基本上将部分地区地幔分成为3层,其深度依次为:第1层25-1300km左右,第2...     

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.     

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.