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.     

Cluster探测到磁尾等离子体注入的特征

利用Cluster卫星2001～2004年磁尾运行期间RAPID仪器的数据,确定了115例磁尾等离子体注入事件,借助时序叠加法统计研究磁尾等离子体注入现象的特征.注入事件主要分布于磁地方时夜晚20时至凌晨04时.与同步轨道区观测到的粒子注入事件类似,可以将磁尾粒子注入事件分成五类：（1）只有离子注入;（2）离子先于电子注入;（3）离子和电子同时注入;（4）电子先于离子注入;（5）只有电子注入.磁尾粒子注入时,质子（能量范围0～40 keV）的温度和数密度同时显著增加,沿地球径向的传播速度也明显增大.统计分析磁尾注入期间同时观测到的晨昏对流电场,发现电场可分为两类：（A）注入后电场突然增大,电场强度为正;（B）注入后电场突然增大,电场强度为负.利用磁层磁场（T89c）和电场（Volland-Stern）模型模拟粒子注入后赤道面的电漂移速度矢量,模拟结果与统计结果基本一致,表明晨昏对流电场引起的电漂移是驱动磁尾（-18R_EE）等离子体沿地球径向注入的机制之一.     

极区电离层对流速度的浅层神经网络建模与分析

电离层对流是太阳风与地球磁场相互作用下驱动的磁层大尺度对流循环与对流电场在极区电离层的映射,与行星际磁场-地球磁场耦合系统息息相关.本文基于SuperDARN(Super Dual Aurora Radar Network)分布在北半球的23部高频相干散射雷达获取到的二维电离层对流速度对其进行建模研究.模型输入为行星际...     

小行星撞击对地球的上地幔对流的影响

本文分别基于数值结果和地质学模型,在假定地球的上地幔存在稳定Rayleigh-Bénard对流的基础上,模拟了直径为10 km（陨石坑直径约180 km,以Chicxulub为例）和直径为100 km（陨石坑直径约1000 km）的小行星撞击对地球的上地幔对流格局的影响.本文将直径10 km小行星的撞击效果等效为热异常,将直径100 km小行星的撞击效果等效为热异常和速度异常（主要指陨石坑底部的回弹）的叠加.计算结果表明,当小行星的直径在10 km左右时,撞击对上地幔对流的影响十分微弱,热扰动时间仅2—3 Ma;而当小行星的直径达到100 km时,撞击就会对上地幔对流产生强烈影响.这时,对流从扰动到新的稳态有一定模式可循（依次为：调整、多个对流环、调整、稳定）,扰动的持续时间受黏度和撞击点位置影响,同时稳定后地幔热柱会向着撞击点的方向产生一定的位移.     

地幔对流（讲座）

地幔对流（讲座）李荫亭（中国北京１０００８１国家地震局地球物理研究所）引言板块构造学说的出现与发展一直同地幔对流的研究密切联系在一起，地幔对流研究已成为当代地球科学中的一个基础性课题。板块构造学说的驱动力问题是目前地球科学家最为关心的问题之一。国际地...     

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.     

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。     

地球的构造:地幔与地核

四年来利用各种地震震相与地震技术广泛地研究了地球内部的深部构造。大部分研究着重围绕在对地核和地幔横向速度非均匀性的定量的三维描述上。据认为,这些非球面的速度变化是与对流过程有关的热和结构的非均匀性的直接体现。地球深部横向速度变化第一代全球模型的提出,提供了反映非稳态热对流系统的大尺度构造的令人神往的图象。地幔上部400公里的深部具有最强的横向速度变化,横波速度达±10％。不要求先验区域化的面波分析表明,地面构造区域与地幔顶层的速度变化有着密切的联系。因此,上地幔200公里深部的热和对流状态可从板块构造的角度得到可靠的解释。由于海洋和活动构造区域的速度构造差异一直延续到400公里的深度,上地幔模型证实了大陆有深根的论点。在400到670公里的过渡层以及整个下地幔内,测得波长很长的横向速度变化为百分之几。这些深部的变化与地表构造没有多少对应关系,现正开始尝试对其性质作出解释。地幔最下部200公里(D″域)的横向速度起伏与在上地幔中的那些起伏是类似的,并且有证据表明,D″层顶部存在着明显的速度不连续性。能粗略反映岩石圈面目的、结合热和结构的边界层是对这种异常区的可靠解释。核-幔边界似乎有显著的(10公里)长波长起伏,这大概是由来自深地幔对流的动力学应力来维持的。内核可能有强的横向非均匀性或轴对称各向异性,从而表明了其复杂的热和结构的状态。在描述地幔内短周期体波频带的非弹性衰减的频率依赖性的特征方面已取得了重要的进展。用于远震 P 波衰减因子的模型是收敛的,即适合于1赫的 t~*值是0.7—1.0秒,而适合于4赫处的 t~*值为0.4—0.6秒。衰减的区域性变化也正在慢慢地被认识。     

英国莱斯特大学科学家提出地幔对流新模式

<正>2017年5月12日,Nature刊发英国莱斯特大学地幔及其化学组成的最新研究成果(题为Whole-mantle convection with tectonic plates preserves long-term global patterns of upper mantle geochemistry),其推翻了关于地球内部地幔如何对流、搅动及其划分的传统认识,发现地幔内部存在两个互相独立的循环区,地幔物质也不会发生混合。基于     

热-流-固耦合方法模拟岩石圈与软流圈相互作用

岩石圈和软流圈的相互作用是现今地球动力学研究的热点问题之一．本文针对岩石圈与软流圈的相互作用模型,开发了新的基于热-流-固三场耦合方法的有限元程序．岩石圈变形和对流的地幔之间的耦合方式为：地幔在热驱动（或运动岩石圈的拖曳）下产生对流,对流的地幔对耦合边界施加载荷并造成岩石圈的变形,变形的岩石圈反作用于软流圈从而影响其地幔对流的状态．温度场根据速度场和网格变形的结果适时调整,如此反复推动整个系统的演化．利用该耦合方法模拟了“地幔柱作用下地表隆升”地质过程, 其结果与实际地质资料和地质认识能很好的吻合,验证了该方法模拟地幔与软流圈相互作用过程的有效性及处理复杂耦合问题的能力.     

旋转分层导电流体的双扩散磁流体动力学不稳定性

本文研究了双扩散效应对处于地球物理极限q→0条件下旋转分层导电流体的磁流体动力学（MHD）不稳定性的影响。研究发现,只要|R_S|足够大,对流总能在流体静力稳定分层的导电流体中发展。当磁场作用较弱,即Λ～Ο（1）时,对所有可能的角向波数m优先发展的是双扩散不稳定性。当R_s>0时,流体中发生几乎不变的“指状”对流。当R_s<0时,流体中发生缓慢东向运行的“扩散”振荡。当磁场作用较强,即Λ≥Λ_M时,与原始Soward模式类似,优先发展的仅是m=1磁力驱动不稳定性,并东向运行,但双扩散效应使得正R_T不稳定性与负R_T不稳定性间的对称性破缺。     

基于随温度变化的热系数模拟板块俯冲动力学过程

热传导系数和热膨胀系数是影响板块俯冲动力学过程的两个重要参数. 由于地球介质的不均匀性,热系数也会随深度发生变化.然而,这种变化在地球动力学模拟研究中往往被忽略.本文针对随温度变化的热传导系数和热膨胀系数, 模拟板块俯冲的动力学过程,分析热系数、黏度对板块俯冲形态的影响及其对应的地幔对流特征.结果表明,依温度变化的热传导系数和热膨胀系数会影响地幔温度及黏度分布,进而改变板块的俯冲角度;黏度是控制板块俯冲动力学演化过程的重要因素;地幔对流受黏度结构的影响,呈现分层对流及局部多个对流环等多种不同形态的对流场特征.      

地核内部的近赤道面各向异性

地球固态内核有很强的地震波各向异性(Moreli et al,1986;Woodhouse et al,1986;Creager,1992;Tromp,1993;Song,1997),这通常认为是由于铁晶体的优势定向排列造成的(Brown and Mcqueen,1986)。而各向异性结构在横向和深度方向上的变化(Shearer,1994;Song and Helmberger,1995;Tanaka and Hamaguchi,1997;Niu and Wen,2001;Sun and Song,2008)为研究内核的超速旋转提供了依据(Song and Richards,1996),并为研究内核的形成和动力过程(Deguen and Cardin,2009;Alboussiere et al,2010)提供了重要的线索和约束。过去的所有研究均认为内核的各向异性可以近似为轴对称模型,而其快轴方向平行于地球自转轴。现已有人认为地球内核最中心部分的各向异性可能有显著不同(Ishii and Dziewonski,2002),但是目前对其特征甚至是存在性的认识仍然有很大的不确定性(Beghein and Trampert,2003;Cormier and Stroujkova,2005;Sun and Song,2008;Lythgeo et al,2014)。本文通过分析1992年到2012年全球宽频带地震台阵的大地震尾波自相关,发现两个穿过内核的震相在低纬度台阵的相对走时有非常大的差异,甚至可以达到10秒。进一步,我们发现地核内部的各向异性快轴是两端分别穿过西半球的中美洲与东半球的东南亚的靠近赤道面方向的一条轴线,这与外内核南北向的快轴方向显著不同。这种各向异性的方向和形态的显著差异可能意味着固态内核在形成和演化过程中发生过重大变化。     

考虑混合地幔对流的地球热演化的参量化模型

单纯的全地幔对流或分层地幔对流热演化模型不能解释地球构造演化史中的幕式特征,故本研究在地球热历史的参量化模型研究中考虑混合地幔对流模式．我们引入时间相关的全地幔对流成分比F来表征地球热演化历史中全地幔对流所占权重,同时引入描述相变边界层对流状态的局部瑞利数Raloc和对流转换临界瑞利数Ra1及Ra2,作为地幔对流的控制参量．结果表明,混合地幔对流参量化模型得出的地球热演化史可以较好地反映地球幕式构造演化史．      

利用地震波成像地球内部结构

地球内部产生的地震波提供的图像有助于我们更好地理解驱动板块运动的地幔对流。     

国家安全地球物理学的若干研究方向

世界多极化和经济全球化是一种必然趋势,和平与发展虽然是主流,但我国国家安全形势不容乐观,同样面临严峻的挑战.与国家安全相关的地球物理学研究领域很广,主要涉及空间物理学、大气物理学、军事海洋学、空间遥感物理与监测和固体地球物理学.在这些领域中存在众多需要解决的问题,本文列举了一系列亟需研究的重要问题.在此基础上,笔者归纳出国家安全地球物理学的若干研究方向是：（1）具有明显或潜在国家安全应用价值的地球物理理论、方法技术研究;（2）国家安全地球物理装备（仪器）设施研究;（3）国家安全地球物理学中的数据处理理论、方法和技术研究;（4）重大国家安全地球物理学问题研究.由于国家安全地球物理学的研究任务多种多样、且各有侧重,如海、陆、空和二炮,都有各自的研究重点,不能一概而论.以二炮部队所涉及的军事地球物理学研究而论,研究方向应包括：（1）军事情报侦测保障中的地球物理问题研究（包括侦测与反侦测）;（2）作战运用与保障（测地、气象、空间天气、遥感）中的地球物理问题研究;（3）与战略导弹部队作战相关的地球物理武器和地球物理战研究;（4）国防工程中的地球物理应用研究.     

青藏高原“亚东—东巧—葫芦湖”大陆裂谷带形成的深层动力过程

正确理解亚东—东巧—葫芦湖构造带的形成与属性对深化认识青藏高原的地壳形变、物质运动的行为与轨迹和深层动力过程极为重要.通过较系统的多元要素分析和研究发现：（1）基于壳、幔结构的空间展布特征表明,这是一条在EW向拉张力系作用下的陆内裂谷带;（2）强烈地震的活动与发生、大地热流异常值展布和地幔对流应力场研究证明,它是一条现今活动的大陆裂谷带;（3）该裂谷带的形成与演化乃地球内部物质与能量强烈交换的产物.     

可居住行星HD40307g的大气压和二氧化碳含量

HD40307g是人们发现的距地球最近的可居住行星,其主星类型为K2V,类似于太阳．如果其存在获得确认,将是未来人类探测系外生命计划的主要目标之一．尽管通过HD40307g收到的恒星辐射知道其大气应该比地球大气浓厚,但具体多浓厚尚不得而知,更多关于HD40307g大气的信息对探测HD40307g上可能存在的生命是有用的．利用一维辐射。对流模式研究HD40307g的大气压和二氧化碳含量对其表面温度的影响,发现下列大气压和二氧化碳含量的组合可以使HD40307g的全球平均表面温度与今天地球一样（288K）：（1）10．bar＋3％C02;（2）5－bar＋10％C02;（3）3-bar＋30％C02．     

南丹铁陨石物态方程用于地核的研究

从南丹铁陨石的物态方程和地球的PREM模型出发,求得内外地核交界面处的物质密度为12.83-13.419/cm~3,温度为5440-5680K;地心处物质密度为13.12-13.73g/cm~3,温度为5660-5990K,推估内地核可能由铁镍合金组成.     

西藏南部冈底斯岩基花岗岩时代与岩石成因

冈底斯岩基花岗岩的岩石组合、岩石地球化学、全岩Sr-Nd同位素地球化学、锆石U-Pb年龄和Hf同位素等特征表明：（1）冈底斯岩基中生代时期发育了连续的岩浆活动,存在晚侏罗世和早白垩世两个岩浆作用峰期,该时期岩浆活动为新特提斯洋板片连续向北斜向俯冲造成的;（2）古新世-始新世是本地区岩浆活动最为发育的时期,该时期岩浆作用为新特提斯洋板片继续俯冲、板片回转和板片断离等多个地球动力学过程的反映;（3）渐新世-中新世岩浆活动为碰撞后东西向伸展环境下,增厚岩石圈发生对流减薄的产物;（4）拉萨地块南缘冈底斯岩基源区可能是一个晚古生代时期拼贴的岛弧地体,其具有明显不同于古老拉萨地块（冈底斯弧背断隆和中冈底斯地区）的基底特征;（5）冈底斯岩基花岗岩的年代学格架和锆石Hf同位素特征,明显不同于邻区的花岗岩,可作为区域构造隆升-剥蚀过程示踪研究的有效手段.