全球地表热流的产生与分布

全球地表热流是反映地球内部热与动力学过程的一种主要能流.本文在三维球坐标框架下，就几个不同的粘度模型分别研究地幔内部密度异常(基于全球地震层析结果)以及板块运动激发的地幔流动的热效应及其对于观测地表热流产生和分布特征的贡献.由于地幔动力系统具有较高的Pe数，可以期望由板块运动激发的地幔流动将强烈地扰动地幔内部初始传导状态下的温度场以及地表热的热流分布.结果表明，与地幔内部密度异常产生的热效应相比，运动的板块及其激发的地幔流动在全球地表观测热流的产生和分布特征上起着更为重要的作用.观测到的大洋中脊处的高热流在很大程度上可以归因于板块激发的地幔流动的热效应.计算的平均温度剖面较好地揭示了岩石圈和D″层的温度特征，即温度随深度的剧烈变化，这与我们目前通过其他手段对岩石圈和D″层的温度结构了解是一致的.一个下地幔粘度比上地幔高出30倍的粘度结构(文中使用的粘度模型2)较之其余模型的拟合程度似乎更好.     

基于地幔动力学模拟推断云南地区剪切波各向异性源的深度

地震各向异性与地幔对流导致的变形存在因果关系,因此地幔对流模拟可被用来预测地震各向异性,并推测剪切波各向异性地幔源的深度.本文建立了基于地震速度结构的地幔对流模型来预测云南地区剪切波分裂的快波方向,它同时受地表板块运动和地幔内部的温度扰动所驱动.通过与观测结果进行对比分析,推测在云南地区西北部和东部区域,剪切波各向异性源主要存在于岩石圈中.在西南部和四川盆地及其西缘,地幔流动可能是剪切波各向异性的主要贡献者,各向异性层分别位于210~330 km和170~330 km深度,导致西南部剪切波各向异性的地幔可能处于大幅度的剪切变形状态,而四川盆地及其西缘主要处于中等强度的剪切变形状态.     

板块激发的地幔流动对于全球热流分布的作用

利用一个相对简单的等粘度模型 ,探讨了板块运动的热效应及其对于观测热流的形成与分布的作用 .结果表明 ,运动的板块确实对地幔内部的温度场有实质性影响 ,观测到的大洋中脊处的高热流在很大程度上可归因于板块激发的地幔流动的热效应     

地幔对流

地幔对流是地幔中．特别是地幔软流层中发生的热对流。地幔对流是一种自然对流．既是发生在地幔中的一种传热方式（通过物质运动传递热量）．又是一种地幔物质的运动过程（由物质内部密度差或温度差所驱使的）．是地球内部向地球表面输送能量、动量和质量的一种有效途径。地幔对流是一个复杂的系统．是在缓慢的进行的,对流活动的时间可达几千万年,甚至几亿年。地幔对流的流动形态可以不同。     

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.     

地幔柱数值模型的研究进展

地幔柱模型作为地球内部对流系统的重要组成部分,可与板块构造理论相媲美.它们共同构成了地球内部物质和能量循环的重要过程.自从地幔柱模型提出以来,地震学、高温高压矿物学、地质学以及地球动力学数值模拟对其进行了多学科的综合研究.其中数值模拟通过建立理论模型来研究地幔柱的动力学效应,定量化地给出了地幔柱的演化过程以及地球内部和表层的响应,并用以解释其他学科的观测和实验结果.因此,地球动力学数值模拟是研究地幔柱动力学最重要的手段之一.文章总结了近几十年地幔柱数值模型的研究进展,包括地幔柱的起源和存在的证据,地幔柱与岩石圈、洋中脊、俯冲带和地幔过渡带的相互作用以及地幔柱与大型剪切波低速区的关系.数值模型得到的理论结果必须与其他各学科的观测结果进行对比和验证才能真正理解地幔柱的动力学过程.随着数值模拟方法的发展和计算能力的提高,地球动力学数值模拟将为研究包括地幔柱动力学在内的地球科学前沿问题提供更为准确和高效的手段.     

利用接收函数散射核方法探测中国东北地区地幔转换带界面三维形态

地幔转换带是上下地幔物质运移和能量交换的必经通道,其速度结构和上下界面的起伏能够为认识地幔内部的温度和物质变化、地幔对流模式等地球演化相关的科学问题提供关键约束.本文利用布设在中国东北地区的高密度固定台网和流动台阵所记录的远震体波接收函数,采用Ps散射核叠前深度偏移成像方法,获得了台站下方地幔转换带界面及其内部速度间断面的三维精细图像.研究结果表明:西北太平洋俯冲板片上下界面在地幔转换带内清晰可见,在高纬度(44°N)区域存在约 30°的倾角;660-km间断面的深度起伏具有明显的分区性,在与俯冲板片相交处以西 200～300 km,界面出现约 20～40 km的下沉,而长白山和龙岗火山的西北区域存在约 5～15 km的抬升,分别与板片滞留引起的低温异常和局部热物质上涌相对应;410-km间断面的起伏形态较复杂,在大部分区域观测到大于 10 km的下沉,且表现出明显的区域性横向变化,与深俯冲动力学背景下冷的温度异常造成的影响不一致.我们认为板片俯冲、停滞和海沟后撤过程中引起的地幔转换带物质异常、含水状态及分布的变化是显著改变410-km间断面形态的主要原因.本文获得的高精度地幔转换带界面三维形态为更好地认识东北亚地区俯冲板片在地幔物质分布和能量交换中的作用提供了重要参考.     

地幔过渡带顶部低速层地震学研究进展

地幔过渡带顶部低速层的存在、结构、成分、成因及其动力学稳定性对理解地球内部物质运动、化学分异、板块俯冲、地幔柱起源、板内火山、地幔对流模式和地球演化等深部物理化学过程具有非常重要作用.由于其厚度薄且横向变化剧烈,致使其地震学探测十分困难,再加上数据的限制,有关该低速层探测的研究不是很多,该低速层的结构、全球分布及形成原因等仍然存在很大争议.基于此,本文概述了该低速层的研究进展及存在问题,介绍了各种地震学探测方法在该低速层应用上的优缺点,总结了中国大陆及其沿海地区地幔过渡带顶部低速层研究取得的成果及不足,并探讨了未来工作方向.     

水对地幔矿物弹性性质的影响及其地球物理意义

构成地幔的大部分名义上无水矿物,包括橄榄石及其同质异象体、辉石以及石榴石等,均可以羟基形式赋存一定量的水.水在地幔不同深度的出现不仅对一系列物理性质(包括密度、波速、熔融温度、电导率和流变强度等)有重要影响,并且对地幔的动力学行为、横向结构和成分的不均一性以及地球深部的演化过程具有重要意义.近年来,地震学研究在地幔不同深度和不同区域均发现低速带的存在,而观测到的地幔速度异常很可能与地幔中的水密切相关.高温高压矿物学利用实验和理论计算,对水是如何影响地幔主要构成矿物的弹性模量和波速进行了深入研究,并取得了大量进展.这些研究对正确理解地幔速度异常的形成机制,查明地幔中水的分布,探寻水在地球内部的迁移形式至关重要.本文针对近年来高温高压矿物学在地幔含水矿物弹性模量的研究成果进行了综述,介绍了该研究方向的进展和不足,并对未来的研究方向进行了阐述.     

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.     

利用前驱波研究地幔间断面的若干进展

地幔速度结构提供了地球内部热和化学状态及其构造演化历史的重要信息。对于地幔间断面的研究可以更清楚地了解地球内部温度分布特征和化学结构,并对确定地幔间断面成因及地幔对流模式等地球动力学问题具有重要的意义。地震学观测显示在410 km、660 km深度普遍存在速度间断面,并且在全球特定区域的上地幔(220 km、300～350 km、520 km、560 km)和下地幔(800～900 km、1 100～1 200 km、1 800 km、2 400 km)也有速度间断面的存在,不同区域地幔间断面的起伏可能受到温度、含水量、矿物相变及俯冲板块的影响。利用前驱波来研究地幔间断面具有独特优势,前驱波相比参考震相较早到达观测台站,从而避免其他震相的干扰,可以更准确地研究较弱的速度间断面。文章收集整理近些年来地震学家利用前驱波研究地幔间断面的成果,包括长周期反射震相SS或PP的前驱波、深震震相sP、pP的前驱波和地球表面反射震相PKPPKP(P′P′)的前驱波等,并对不同前驱波的特点及地幔间断面的相关研究成果进行总结。利用前驱波研究地幔间断面的方法已较为成熟,及时收集总结相关的研究成果对认识地球内...     

利用海底电缆探测太平洋地区地幔结构的研究进展

介绍了地幔电性结构、地幔温度、地幔含水量等参数对地球动力学和地幔动力学过程的重要科学意义,综述了近年来利用海底电缆在该领域的主要研究进展.本文首先介绍了日本利用海底电缆探测地幔深部结构的方法原理与发展历程,然后阐述了该方法的观测方式、观测系统与仪器,综述了国际上近年来利用海底电缆在环太平洋地区海底的观测资料进行地幔一维电导率结构、三维电导率分布的研究进展.基于海底电缆的观测数据进行反演的结果表明,太平洋海域地区地球深部存在410 km,660 km的电导率不连续面,此不连续面与地震资料的波速不连续面基本一致,为地幔不连续面提供了新的地球物理证据.在根据由海底电缆观测数据反演得到的太平洋地区地球内部电导率分布基础上,综述了综合深部地震波速、岩石高温高压实验等,将电导率的分布转换为地球内部的温度场分布、推导地幔过渡带水的浓度进而转换为地幔过渡带的含水百分比(含水量)的方法技术与研究进展.研究结果表明,夏威夷和北日本海地幔过渡带电导率异常主要受温度控制,菲律宾海域地幔过渡带的电导率异常除了和温度有关外,还受含水量影响,该处地幔过渡带的含水量大约在1％左右.这些研究表明,海底电缆探测方法,在地球深部探测尤其是地幔不连续面的探测、地幔温度场分布与特征、地幔含水量等方面有重要的作用.最后,展望了海底电缆探测方法的研究与发展,这些研究方法及成果对认识中国海域地球内部机构提供一定的参考.     

地球内部物理

地球内部为人类提供了丰富的资源，因此深入研究地球内部各圈层的结构，物质组成和物理化学特征是当前地球科学发展的趋势和面临的艰巨任务，本文从地幔对流，地幔矿物物理学和地球磁场等不同学科，对地球内部物理过程的研究成果作了评述。     

太平洋大型横波低速带东部边界地幔 最下部各向异性研究

针对太平洋大型横波低速带(Large Low Shear Velocity Province, 简写为LLSVP)东部边界的D″各向异性强度的问题, 利用中美洲和南美洲部分台站的地震记录, 通过对SKS和SKKS震相进行横波分裂分析, 得到22个SKS-SKKS震相对的横波分裂结果, 其中有6个震相对存在显著差异. 对比分析震相对的横波分裂结果差异, 可以保守地估计D″各向异性. 横波分裂结果显示, 地幔最下部存在各向异性; 对D″各向异性成因的分析结果认为, 如果LLSVP边界上的地幔最下部物质存在变形以及内部存在小尺度的非均匀体, 则有助于解释这些观测, 但是本文在LLSVP边界上并没有看到大量的有差异震相对聚集. 结合前人的观测研究推测, 该研究区域下方的LLSVP及其周围地幔的边界可能不是很陡峭, 边界附近没有积累强烈的变形, 并在此基础上讨论了地幔最下部各向异性结构的研究意义.      

地幔矿物电导率研究进展

研究地幔矿物的电导率可以揭示地球内部电导率的分布规律以及地球介质的极化机制。通过对近年来国际上地幔矿物电导率的研究结果进行分析和总结,介绍了矿物的各种影响因素与电导率的关系;对含水和不含水的地幔矿物导电机制进行了区别,不含水矿物的导电机制主要为小极化子,含水矿物的导电机制为自由质子。比较了各种典型的地幔矿物电导率结果并对电导率模型进行了评述和总结,对电导率的研究方向进行了展望。认为水在地幔矿物电导率和电导率剖面中起着重要作用     

地幔内部间断面研究的进展

随着数字化地震台网的普及和利用以及计算机分析处理技术的提高，近几年利用地震波研究地幔内部间断面有了一定的进展。本文概述了近年来国内外有关学者对地幔内部间断面的认识，采用的研究方法及研究动态。     

利用接收函数方法研究华北克拉通中西部及其邻区地幔转换带结构

通过处理ChinArray计划二期和三期台阵中823个台站的远震波形数据,共获得174 562个高质量的P波接收函数,采用接收函数共转换点（CCP）叠加方法开展华北克拉通中西部及其邻区的地幔转换带结构研究,获得了研究区地幔转换带的厚度分布。结果表明:研究区内地幔转换带厚度变化幅值在235—280 km范围内,具有分区特征;阿尔金断裂带东部和汉诺坝火山以北厚的转换带异常可能与冷的岩石圈拆沉有关;河套盆地和阴山造山带附近分布着相对薄的地幔转换带,这可能暗示了该地区存在热的地幔物质上涌或岩浆活动;渤海湾盆地下方厚的地幔转换带异常可能是冷的太平洋板片西向俯冲并滞留于地幔转换带所致。      

地球的差异旋转

对于具有流体对流层的旋转星球 ,由于星球自转对对流的影响 ,必然会在星球对流层内部不同部分间以及星球的不同圈层间产生差异旋转 (differentialrotation) .所谓差异旋转是指旋转角速度随着深度 (星球不同圈层的旋转角速度不同 )以及纬度 (同一圈层内部不同部分间的角速度不同 )具有差异的现象 .地球是一个多圈层的旋转系统 ,主要由大气圈、水圈、岩石圈、地幔、外核以及内核组成 .大气圈和水圈具有明显的流体性质 ,并且在漫长的地质年代中 ,地幔、岩石圈和地幔之间的软流层以及外核均具有流体性质 ,而且在大气压力、热、重力和电磁力等的作用下发生了对流 .这些对流运动一旦受到地球自转的影响 ,就必然会致使地球各圈层间以及对流层内部不同部分间产生差异旋转 .几个重要现象 :基本地磁场的长期西漂、岩石圈的长期西漂、地球自转速率变化 (周日长度波动 )和固体内核各向异性对称轴的移动表明在固体地球内部各圈层—岩石圈、地幔、外核和内核间存在差异旋转 .来自地震学上的数据证明了固体内核与地幔之间存在较明显的差异旋转 ,速率可达 1.1°～ 3.0°/a.这跟其它数据如自由振荡数据以及地磁场长期西漂数据获得的结果具有很大的差异 .导致固体地球内核相对于地幔差异旋转的主要宏观机制为电磁力矩、引     

地幔对流与岩石层板块的相互耦合及影响──（Ⅰ）球腔中的自由热对流

板块运动是地幔对流的主要证据之一．同时，作为地球动力系统中一个相对独立部分，板块自身的存在和运动对地幔内部物质的流动形态有巨大影响．地幔内部的流动由两部分组成：一是由内部非绝热温度差异造成的自由对流解；另一部分是由在地表运动的板块所激发．作为系列工作的第一部分，本文研究球腔中的自由热对流问题．得到了对地幔对流研究有实际意义的下边界为自由、上边界为刚性情况下的临界瑞利数值，不同的瑞利数时球腔内流场和温度场的分布形态等．     

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.