动态地幔柱尾管结构

动态地幔柱模式被广泛用于讨论地球科学中的一些重要课题,如巨大火成区的成因,冈瓦纳古陆解体的原因,板块内中小尺度动力过程的驱动因素等．但是这个基于实验研究而建立的模式中,忽略了地幔柱尾管特征及其作用．地幔柱尾管内温度和速度分布是研究地幔柱上升过程的必要条件．本文从控制尾管结构的基本方程出发,给出了一个定常轴对称地幔柱温度和速度分布的近似分析解．从而得到尾管结构的基本特征：影响尾管内温度分布的主导因素是地幔柱的热流通量,而尾管内上涌速度的大小则不仅取决于热流通量,主要是取决于地幔粘度随深度的变化方式．结果表明,对弱地幔柱,尾管的热损失可能是不可忽略的,而对强地幔柱,径向质量传递可能是不可忽略的.     

动态地幔柱尾管结构

动态地幔柱模式被广泛用于讨论地球科学中的一些重要课题,如巨大火成区的成因,冈瓦纳古陆解体的原因,板块内中小尺度动力过程的驱动因素等．但是这个基于实验研究而建立的模式中,忽略了地幔柱尾管特征及其作用．地幔柱尾管内温度和速度分布是研究地幔柱上升过程的必要条件．本文从控制尾管结构的基本方程出发,给出了一个定常轴对称地幔柱温度和速度分布的近似分析解．从而得到尾管结构的基本特征：影响尾管内温度分布的主导因素是地幔柱的热流通量,而尾管内上涌速度的大小则不仅取决于热流通量,主要是取决于地幔粘度随深度的变化方式．结果表明,对弱地幔柱,尾管的热损失可能是不可忽略的,而对强地幔柱,径向质量传递可能是不可忽略的.     

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．     

峨眉山超级地幔柱对四川盆地烃源岩热演化的影响

四川盆地的构造、热演化与峨眉山超级地幔柱有密切关系.峨眉山超级地幔柱对四川盆地中二叠统之下的烃源岩热演化有着十分重要的影响.在四川盆地热历史恢复的基础上,研究了峨眉山超级地幔柱对盆地内烃源岩,特别是中二叠统之下的古生界烃源岩热演化的影响.结果表明,中二叠统及下伏烃源岩的热演化受中晚二叠世发生在盆地西南方向的峨眉山超级地幔柱的影响巨大,且具地区差异性.即在靠近峨眉山地幔柱中心的地区,有机质迅速成熟并达到其成熟度的最高值(以H1井为代表),古生界烃源岩迅速进入过成熟,此后未有二次生烃;而远离峨眉山地幔柱的盆地大部分地区,古生界烃源岩在二叠纪以来具有多次生烃过程.中生界烃源岩热演化,主要和前陆盆地阶段的构造过程包括前陆沉积和断裂的逆冲推覆等相关. 在烃源岩有机质成熟度演化史的基础上,从盆地热史和烃源岩热演化的角度指出了下二叠统及之下烃源层在四川盆地不同地区油气勘探中的不同意义.     

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．     

上地幔的热状态：对地幔柱没有作用

各种地球物理资料表明,软流层内长波长的温度变化偏离平均值士200℃,而不是地幔柱理论家们采用的±20℃。由板块构造过程(俯冲冷却、大陆绝缘和小尺度对流)引起的“正常”温度变化范围涵盖了被认为是由热喷发和热柱引起的盈余温度。地球物理方法给出上地幔可能的平均温度为1400℃。在洋脊、裂谷、破裂带和大陆裂解起始处,软流层内的对流在本质上是三维的,形成了不受深部热不稳定性影响的浅部似柱状结构。深部窄热柱没什么作用,这一看法被隆起和沉降数据所证实。“板块中央”火山活动的位置和体积似乎受岩石层结构、应力和裂纹的控制。     

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.     

地幔对流的实验研究:非立柱状幔柱和地幔涡旋

地幔对流的物理模拟实验结果表明 ,在地幔介质和温度非均匀分布的复杂条件下 ,热卷流 (地幔柱 )往往由立柱状转变为非立柱状 (含斜柱状、涡旋状等 )。在忽略科里奥利力的情况下 ,板块的下插和滞积下沉、岩石圈根的存在以及地幔介质粘度的非均匀分布等都可能构成不同形状的障碍 -导流体 ,导致地幔的涡旋运动。软流圈中的水平涡旋环带属于对数螺线型 ,环带旋转半径及线速度逐渐减小 ,最终在旋转中心处下沉 ,而旋转角速度大致保持恒定     

地幔瑞利面波的频散和衰减

本文利用世界标准地震台网（WWSSN）29个台记录的渤海地震（1969年7月18日,Ms=7.4）、炉霍地震（1973年2月6日,Ms=7.9）、海城地震（1975年2月4日,Ms=7.3）的长周期瑞利面波R1、R2、R3,测定了40—250秒周期内R2波群速度,45—200秒周期内经地球大圆路径的瑞利面波衰减系数和Q值,并讨论了地幔瑞利面波频散和衰减特征以及与区域构造间可能的联系。     

地幔瑞利面波的频散和衰减

本文利用世界标准地震台网（WWSSN）29个台记录的渤海地震（1969年7月18日,M_s=7.4）、炉霍地震（1973年2月6日,M_s=7.9）、海城地震（1975年2月4日,M_s=7.3）的长周期瑞利面波R₁、R₂、R₃,测定了40-250秒周期内R₂波群速度,45-200秒周期内经地球大圆路径的瑞利面波衰减系数和Q值,并讨论了地幔瑞利面波频散和衰减特征以及与区域构造间可能的联系。     

The influence of thermochemical convection on the fixity of mantle plumes

A general feature of both isochemical and thermochemical studies of mantle convection is that horizontal plume velocities tend to be smaller than typical convective velocities, however, it is not clear which system leads to a greater fixity of mantle plumes. We perform two- and three-dimensional numerical calculations and compare both thermochemical and isochemical cases with similar convective vigor to determine whether presence of a dense component in the mantle can lead to smaller ratios of horizontal plume velocity to surface velocity. We investigate different viscosity and density contrasts between chemical components in the thermochemical calculations, and we perform isochemical calculations with both free-slip and no-slip bottom boundary conditions. We then compare both visually and quantitatively the results of the thermochemical and isochemical calculations to determine which leads to greater plume fixity. We find that horizontal plume velocities for thermochemical calculations are similar to those from isochemical calculations with no-slip bottom boundary conditions. In addition, we find that plumes tend to be more fixed for isochemical cases with free-slip bottom boundary conditions for two-dimensional calculations, however, in three dimensions, we find that plume fixity is similar to that observed in thermochemical calculations.     

Parameterized thermal model of a mixed mantle convection

IntroductionTectonicevolutionisinfluencedbythermalhistoryoftheEarth.TheEarthhasabout4.6Gahistory.ThermalenergyfromtheinterioroftheEachprovidesthemainpowerfortectonicevolution.ItnotonlycontrolstheformationofthelayeredstructuresinsidetheEarth,butalsopromotesthetectonicmovementsofthesurfaceplatesduringthegeologicalera.ThestudyofthethermalhistoryoftheEarthhaspassedseveralstages.Inearlystudies,onlyconductivemechanism(Lubimova,1958)isdiscussedinthethermalevolution.However,theimpotalceofthermalco…     

Transitions in the style of mantle convection at high Rayleigh numbers

The pattern and style of mantle convection govern the thermal evolution, internal dynamics, and large-scale surface deformation of the terrestrial planets. In order to characterize the nature of heat transport and convective behaviour at Rayleigh numbers, Ra, appropriate for planetary mantles (between 10⁴ and 10⁸), we perform a set of laboratory experiments. Convection is driven by a temperature gradient imposed between two rigid surfaces, and there is no internal heating. As the Rayleigh number is increased, two transitions in convective behaviour occur. First we observe a change from steady to time-dependent convection at Ra≈10⁵. A second transition occurs at higher Rayleigh numbers, Ra≈5×10⁶, with large-scale time-dependent flow being replaced by isolated rising and sinking plumes. Corresponding to the latter transition, the exponent β in the power law relating the Nusselt number Nu to the Rayleigh number (NuRa^β) is reduced. Both rising and sinking plumes always consist of plume heads followed by tails. There is no characteristic frequency for the formation of plumes.     

地幔对流拖曳力对中国大陆岩石层变形的影响

采用较为符合实际岩石层变形的非线性幂指数本构关系,基于ANSYS有限元平台, 模拟了近20万年来中国大陆地区地表运动及演化过程,探讨了印度板块挤压作用和地幔对流拖曳力各自对于中国大陆地区地表形变运动格局的影响.模拟结果与观测数据的比较表明：在印度板块的挤压和地幔拖曳力联合作用下,中国及东亚大陆岩石层运动形变模式能够和现代GPS观测有较好的吻合; 印度大陆和欧亚大陆的碰撞以及印度大陆的持续向北推进、挤压所产生的应力环境,一直主导了以青藏高原为核心的我国西部地域岩石圈构造、运动和演化,但其影响随着远离青藏高原地区而逐渐变小;地幔对流产生的作用于岩石层底部的拖曳力是中国大陆（特别是远离碰撞带）岩石层运动构造变形的重要驱动力.然而在构造复杂和东部靠近太平洋板块的区域,模型预测结果和GPS观测还存在一定的差距,这说明在未来的中国大陆岩石层变形运动的数值模拟中,应当采用更为复杂的构造模型和驱动力因素.     

攀枝花古地幔柱壳、幔结构与地球物理边界场特征

攀枝花古地幔柱的形成与演化对这一地域的大地构造格局、金属矿产的聚集和区域大陆动力学研究均有着极为重要的科学意义和应用价值.本文通过穿越攀枝花古地幔柱中心部位的四条人工源深部地震探测剖面和区域地球物理边界场响应研究提出：（1）攀枝花古地幔柱具有特异的壳、幔速度结构;（2）在其中心部位由结晶基底到壳、幔边界均为高速体,且结晶基底和Moho界面局部隆起、地壳内部存在厚达10余千米的低速层,且被数条深、大断裂切割;（3）重力场、磁力场的边界异常场响应组构了攀枝花古地幔柱的地表形态和中心部位的圈闭范围.

     

Upper mantle structure of the Apulian plate from Rayleigh waves

Phase velocities of Rayleigh waves for the Adriatic Sea area are obtained in the period range 25–190 sec along the path (l'Aquila-Trieste) AQU-TRI and 20–167 sec along the path (Trieste-Bari) TRI-BAI.The phase velocities are systematically higher than the known values for the surrounding regions. The data inversion indicates the presence of a lithosphere typical of stable continental areas with clear high-velocity lid (V _s 4.6 km/sec) overlying a well developed low velocity zone (V _s 4.2 km/sec).P. F. Geodinamica C.N.R., Roma Pubbl. N. 189.     

Refining the noble gas record of the Réunion mantle plume source: Implications on mantle geochemistry

We report isotope analyses of helium, neon, argon, and xenon using different extraction techniques such as stepwise dynamic and static crushing, and high-resolution stepwise heating of three mantle xenoliths from Réunion Island. He and Ne isotopic compositions were similar to previously reported Réunion data, yielding a more radiogenic composition when compared to the Hawaiian or Icelandic mantle plume sources. We furthermore observed correlated ¹²⁹Xe/¹³⁰Xe and ¹³⁶Xe/¹³⁰Xe ratios following the mantle trend with maximum values of 6.93 ± 0.14 and 2.36 ± 0.06, respectively. High-resolution argon analyses resulted in maximum ⁴⁰Ar/³⁶Ar ratios of 9000–11,000, in agreement with maximum values obtained in previous studies. We observed a well-defined hyperbolic mixing curve between an atmospheric and a mantle component in a diagram of ⁴⁰Ar/³⁶Ar vs. ²⁰Ne/²²Ne. Using a mantle ²⁰Ne/²²Ne of 12.5 (Ne–B) a consistent ⁴⁰Ar/³⁶Ar value of 11,053 ± 220 in sample ILR 84-4 was obtained, whereas extrapolations to a higher mantle ²⁰Ne/²²Ne ratio of 13.8 (solar wind) would lead to a much higher ⁴⁰Ar/³⁶Ar ratio of 75,000, far above observed maximum values. This favours a mantle ²⁰Ne/²²Ne of about 12.5 considered to be equivalent to Ne–B. Extrapolated and estimated ⁴⁰Ar/³⁶Ar ratios of the Réunion, Iceland, Loihi, and MORB mantle sources, respectively, tend to be linearly correlated with air corrected ²¹Ne/²²Ne and show the same systematic sequence of increasing relative contributions in radiogenic isotopes (Iceland–Loihi–Réunion–MORB) as observed for ⁴He/³He. In general, He–Ne–Ar isotope systematics of the oceanic mantle can be explained by following processes: (i) different degree of mixing between pure radiogenic and pure primordial isotopes generating the MORB and primitive plume (Loihi-type) endmembers; (ii) relatively recent fractionation of He relative to Ne and Ar, in one or both endmembers; (iii) after the primary fractionation event, different degrees of mixing between melts or fluids of MORB and primitive plume affinity generate the variety of observed OIB data, also on a local scale; (iv) very late-stage secondary fractionation during magma ascent and magma degassing leads to further strong variation in He/Ne and He/Ar ratios.     

横向黏度变化的全地幔对流应力场初步研究

将地幔地震波速度异常转换为地幔横向黏度变化(达到3个数量级),在球坐标系下计算了瑞雷数为106、上边界为刚性、下边界为应力自由等温边界条件下的岩石层底部的地幔对流极型和环型应力场.结果表明,地幔对流极型应力场与地表大尺度构造具有良好的对应关系:俯冲带和碰撞带的应力呈现挤压状态,而洋中脊处的应力则呈现拉张状态.地幔对流环...     

Numerical simulation of Martian historical dynamo: Impact of the Rayleigh number on the dynamo state

The observed Mars remnant magnetism suggests that there was an active dynamo in the Martian core. We use the MoSST core dynamics model to simulate the Martian historical dynamo, focusing on the variation of the dynamo states with the Rayleigh number Ra (a non-dimensional parameter describing the buoyancy force in the core). Our numerical results show that the mean field length scale does not vary monotonically with the Rayleigh number, and the field morphology at the core mantle boundary changes with Rayleigh number. In particular, it drifts westward with a speed decreasing with Rayleigh number. Supported by National Natural Science Foundation of China (Grant No. 40328006)