中国岩石层底面地幔对流状态的探讨

本文应用卫星测量地球重力场的球谐函数系数和地幔流体力学方程,计算了中国地区岩石层下的地幔对流状态。计算中选用了三种不同的模式:模式Ⅰ,完全场（2—30阶）;模式Ⅱ,高阶场（13—25阶）;模式ⅢI,低阶场（4—18阶）。其目的是探求一种与我国地质和地球物理实测资料相符合的最佳模式。考虑到岩石层厚度与所假定的地幔对流区厚度相比是很薄的,因而可以把地幔流对岩石层底面产生的拖曳力近似地看作岩石层内构造力。将上述三个模式分别与中国及邻区的131个地震（1961—1977,M≥5）震源机制解和近代地质构造形变等资料进行比较。结果表明,模式Ⅰ与我国大多数地区的实测资料符合得最好,该模式所显示的地幔对流特征与相应各地区近代构造运动特点相符。模式Ⅰ为探讨近代构造运动的力源问题,提供了新的线索。     

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．     

利用地震层析成像数据计算地幔对流新模型的探讨

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(或密度)不均匀分布，考虑热流体动力学的三个基本方程，顾及热输运方程中的非线性项，直接将地震层析成像转化的地幔温度不均匀分布作为内部荷载引入基本方程, 反演计算地幔对流. 本文在利用地震层析成像数据计算地幔对流模型的新理论和方法的基础上，用SH12WM13地震层析成像模型数据，计算了全球地幔对流格局. 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、热动力参数和边界条件的所确定的系统响应函数的影响. 显示了地幔中复杂的对流格局，特别是区域性层状对流以及多层对流环可能在地幔中存在的现象.     

中国东部海域及邻区岩石层地幔的P波速度结构与构造分析

利用中国大陆东部及台湾地区、日本和琉球群岛的地震观测数据,通过体波地震层析技术反演了中国东部海域及其邻近地区的P波速度结构.以此为依据分析了不同地区的岩石层性质和深部动力学条件,探讨了中朝与扬子块体、扬子与华夏块体在海区的深部边界及其构造属性,揭示出菲律宾海板块与欧亚大陆的碰撞以及板片俯冲下沉、弧后扩张作用对中国东部海域岩石层结构的影响.结果表明,中国东部海域的岩石层地幔存在明显的横向非均匀性,它们与区域构造的形成演化有一定的联系.中国大陆东部的五莲－青岛断裂与朝鲜半岛西缘断裂、济州岛南缘断裂共同构成中朝和扬子块体的边界,江绍断裂向东延伸至朝鲜半岛南端成为分隔扬子和华夏块体的边界;东海陆架与冲绳海槽的岩石层结构差异明显,东海陆架具有中国东部地区的岩石层特征,属于欧亚大陆向海域的延伸;冲绳海槽的岩石层强烈减薄,为大陆向大洋过渡的区域;沿着日本－琉球－台湾俯冲带,菲律宾海板块俯冲下沉引起的地幔扰动对中国东部海域产生了较大的影响,欧亚大陆与菲律宾海板块之间的相互碰撞导致台湾地区岩石层明显增厚.     

小尺度地幔对流、壳下应力场与华北地震

本文分析了魏格纳等求得的重力位球谐系数,得出n≤11阶系数与大尺度地幔对流相关,而12≤n≤25阶系数反映小尺度地幔对流;计算了小尺度地幔对流引起的华北地区壳下应力场,该应力场具有挤压性质,挤压中心在山西临汾—洪洞一带(111.5°E;36°N),应力大小为0.2—0.75×10~8达因·厘米~(-2),整个应力场具有规则的中心对称特征;壳下应力场的几何特征与震源机制解的结果、大震裂缝走向与错动方式、地震的空间分布等均彼此具有良好的一致性,对唐山与海城地震,这种一致性尤为明显。看来,似乎小尺度地幔对流及其造成的壳下应力场对包括目前这次强震高潮在内的华北地区地震的孕震过程起着控制作用     

中国大陆震源机制深度变化反映的地壳-地幔流变特征

大陆岩石层流变性质是一个重要而又没有完善解决的问题：既存在支持Moho面附近为强地幔-流动弱地壳模式的实验和观测事实，也存在支持流动弱地幔-强地壳模式的观测事实. 本文利用哈佛震源机制矩张量解及有关震源深度资料，对我国震源机制随深度的变化进行分析，发现虽然表浅地震震源机制主应力轴倾角接近水平或竖直，但中、下地壳和上地幔震源机制主应力轴倾角则多样化. 这与某些存在柔性下地壳软弱层地区具有孕震层下缘震源机制主应力轴也接近水平或竖直的特征明显不同. 它可能表明上述两种壳-幔流变模式在我国均存在，对我国岩石层流变性质还需要分区进行更细致的多方面研究.     

东北地区ML≥4.0地震震源机制特征分析

搜集2008年1月-2010年5月东北地区ML≥4.0地震波形资料,利用邻省多台P波初动资料,采用P波初动解计算方法,求解2008年1月-2010年5月东北地区ML≥4.0地震的震源机制解.结合前期工作成果,研究东北地区应力场方向的总体特征和主压、主张应力轴方向的变化,分析P轴走向随时间的变化与东北地区中强地震发生可能...     

利用GPS和震源机制解研究青藏块体东北部构造应力场方向变化特征

利用1970年以来至今青藏块体东北部大量的震源机制解,分时间统计其主压应力方位并求其归一化分布。根据P轴的优势分布方位,推测其主压应力方向。同时,借助有限元方法,利用GPS大地水平形变观测资料,把1999年以来青藏块体东北部大量的GPS资料经过解算,计算其最大主应变率场及最大剪切应变率场。将震源机制解P轴的主压应力方向和GPS计算的最大主应力方向进行对比,分析青藏块体东北部构造应力场随时空的变化特点及时空差异性,探讨震源机制解P轴的优势分布方位、GPS资料的最大主应力方向与地震孕育之间的关系。     

岩石层应力场的起源（三）

我们将计算结果与世界应力图(WSM)总结的地壳应力状态作了比较。WSM数据库主要是针对已经测得的水平主应力方向所作的纲要性总结，其数据主要以地震震源机制解、钻孔崩落数据为基础信息，以水压致裂和套芯钻技术、第四纪断层滑移方向以及第四纪火山口和岩墙群的排列走向等为辅助信息。     

剥蚀及地幔作用下青藏高原隆升过程的数值模拟

修改了England和Mckenzie的黏性薄层流变模型中控制大陆形变的连续性方程,将剥蚀作用对高原隆升演化的影响直接引入该方程,并考虑下伏地幔小尺度对流对增厚岩石层的搬离作用对高原隆升演化后期的影响,用有限差分法直接模拟青藏高原隆升过程. 数值模拟结果所显示的高原隆升演化过程与实际观测资料吻合较好,揭示了高原隆升演化过程的非平稳和多阶段的特性;同时还表明上地幔小尺度对流对岩石层底部的搬离作用可能是最近8Ma以来高原快速隆升的主导机制.     

剥蚀及地幔作用下青藏高原隆升过程的数值模拟

修改了England和Mckenzie的黏性薄层流变模型中控制大陆形变的连续性方程,将剥蚀作用对高原隆升演化的影响直接引入该方程,并考虑下伏地幔小尺度对流对增厚岩石层的搬离作用对高原隆升演化后期的影响,用有限差分法直接模拟青藏高原隆升过程. 数值模拟结果所显示的高原隆升演化过程与实际观测资料吻合较好,揭示了高原隆升演化过程的非平稳和多阶段的特性;同时还表明上地幔小尺度对流对岩石层底部的搬离作用可能是最近8Ma以来高原快速隆升的主导机制.     

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     

海沟后退对地幔对流的影响

本文分析了有海底扩张无海沟后退、有海沟后退无海底扩张以及海底扩张与海沟后退共存等３种情况下,俯冲板片运动与海沟迁移的关系．用幂律流体有限元方法计算海沟后退对地幔对流的影响．地幔有效粘度除依赖应力偏张量的第二不变量以外,尚与温度、压力（含流体静压力和流动压力）有关．计算表明,对流环、高流动负压区以及低粘区的个数和位置,均受控于海沟是否后退以及海底是否扩张;温度场与海沟后退无明显关系．流动压力对形成洋中脊和弧后火山、驱动地幔对流以及维持板片的倾斜角度都具有重要意义．     

海沟后退对地幔对流的影响

本文分析了有海底扩张无海沟后退、有海沟后退无海底扩张以及海底扩张与海沟后退共存等３种情况下，俯冲板片运动与海沟迁移的关系．用幂律流体有限元方法计算海沟后退对地幔对流的影响．地幔有效粘度除依赖应力偏张量的第二不变量以外，尚与温度、压力（含流体静压力和流动压力）有关．计算表明，对流环、高流动负压区以及低粘区的个数和位置，均受控于海沟是否后退以及海底是否扩张；温度场与海沟后退无明显关系．流动压力对形成洋中脊和弧后火山、驱动地幔对流以及维持板片的倾斜角度都具有重要意义．     

地幔对流的数值实验研究

数值实验是地幔对流研究的基本方法。本文概述了近二十年地幔对流研究的主要进展,介绍并评价了每个研究阶段所提出的新概念和新思想。最后,着重讨论了上地幔与全地幔对流的论争。     

地幔对流环型场的激发(Ⅰ)

讨论了地幔内部的粘滞度及施加在地表和CMB 的边界条件对地幔对流环型场的激发分析表明,当粘滞度侧向均匀时,环型场与极型场自然解耦,且环型场不影响重力位,当粘滞度侧向不均时,环型场与极型场耦合在一起.两者共同影响重力位.当引入板块运动速度时,边界条件非零,也能激发环型场;对侧向均匀粘滞度地幔,零边界条件不能激发环型场     

地幔对流的数值实验研究

数值实验是地幔对流研究的基本方法。本文概述了近二十年地幔对流研究的主要进展,介绍并评价了每个研究阶段所提出的新概念和新思想。最后,着重讨论了上地幔与全地幔对流的论争。     

华北平原邢台地震活动地区的上地幔结构和地幔低速层

邢台地震活动地区,地壳底部莫霍界面之下尚有纵波速度为8.1、7.6、7.8和8.1公里/秒的四层介质,它们的下面有速度为7.2-7.4公里/秒的地幔低速层,低速层顶部的深度为83公里左右。 本文所得低速层与世界其他地区所得低速层参数的比较似乎说明:在构造活动地区、火山活动地区和地震活动地区,低速层中的速度值一般均较正常状态下（海洋和大陆地区）的地幔低速层为低,且埋深相对较浅。