地球深部研究联合会简介

地球深部研究联合会(SEDI)是一个致力于研究地球深部的国际科学组织。SEDI 的宗旨是,增进对地球深部的过去演变,当前地热、动力和化学等状态以及这些状态如何影响地球表面构造和观测过程的了解。地球深部通常是指地核和下地幔,但也可能涉及地表,例如,在地幔热柱的研究方面。SEDI 的科研课题和攻关难点包括地磁动力和长期变化、古地磁和地球深部的演变、地核成分,构造和动力学、发电机能量学和内核构造、地核的冷却和核-幔边界区、核-幔边界形状、耦合和地球的自转、下地幔的构造、对流和热柱等。自1987年以来,SEDI 一直是国际大地测量与地球物理联合会(IUGG)的一个内部委员会。因此它跨 IUGG 的一些协会的传统学     

地核中MHD波的惯性模

地球外核处于高温、高压、高密度的等离子体状态,可以支持多种磁流体波的激发和传播。在地核中存在强的环型磁场,沿磁力传播的MHD波受到地球旋转的影响,分成东行的惯性模和西行的磁模,这两种波模具有高度色散的特点。其中西行磁模波与地磁场长期变化和西漂有关。东行惯性模波具有数天到数百天的周期,其磁效应被导电地幔所屏蔽,传不到地表,但它与下地幔物质可能发生力学耦合,在地幔中产生周期变化的力学过程,这种影响可能达及地表并在地表的地球物理现象中表现出来,它可能是某些周期性或韵律性地球物理现象的原因之一。     

地球内部压力变化及其构造意义

地球内部的压力远比人们预想的要高得多，地心处的压强为无穷大，在重力分异过程中，地壳地幔减压膨胀（吸热），地核增压收缩（放热），核幔边界是热交换界面，热幔 核幔边界生成。     

中国大陆地区地磁长期变化及其特征

1.前言地球基本磁场随时、空有一个周期性的、长期缓慢的变化。一般认为,这种变化来源于地核内部或核幔边界,因此,利用地磁场的这种长期变化的规律,可以研究地球内部物质的     

核幔边界的山崩

核幔边界地形结构以山崩、滑塌或浊流方式的部分崩塌，可导致外核和下地幔温度的突然变化。尽管这些塌陷现象是一种假想，然而调查这种潜在的结果是令人感兴趣的。这些事件所产生的下降流可破坏地核对流并触发地磁偏移和倒转。由内核冻结产生的漂浮沉积物被假想可重建山崩结构。大山崩可触发地幔热柱。来自地球外的倾斜撞击给核幔边界以高剪切力，并能同时触发一次或多次山崩，从而观察到陨石坑、玻璃陨石与磁场倒转之间的巧合。触发的山崩可以解释最大著名火山区(翁通爪哇高原)的形成和始于35Ma白垩纪的地磁静止期之间的巧合以及所报道的大型溢流玄武岩和生物灭绝之间的巧合。     

地球深部研究的目标与趋势

一、前言地球深部运行着两部巨大的由热力学和化学过程驱动的对流热机,把它们紧密地耦合在一起的是地处2900km深处的内部过渡带,该过渡带所联接的下地幔和外核两大系统处于显著不同的化学、动力学和物理学状态。这一核幔过渡带是地球内部主要的热边界层之一,由来自地核的轻物质以及地幔分异出来的重杂质构成,亦被视为地核与地幔发生物质交换的活跃的化学反应区(见图1)。     

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.     

地磁场能量在地球内部的分布及其长期变化

用国际参考地磁场模型(IGRF)分析了地磁场能量在地球内部的分布及其长期变化.结果表明,从1900年到2005年,地核以外地磁场总能量由6.818×1018J减少到6.594×1018J,减小了3.3%,地表以外地磁场总能量由8.658×101J减小到.63×101J,减小了11.4%.分析地球内部不同圈层地磁场能量的变化表明,地壳(A层)、上地幔(B层)、转换带(C层)、下地幔D′层的地磁场总能量在减小,但是下地幔"层的地磁场总能量却在快速增加.磁能密度随时间的变化更清楚地显示出磁能增加和减小的分界面在r=3840km处.上述结果表明,地核和地表以外地磁场总能量在趋势性减小的同时,也在进行重新分配.进一步分析表明,下地幔D"层磁能快速增长,主要是由高阶磁多极子的增强引起的.在地磁场倒转前,偶极矩减小而多极性相对增强在能量分布上的表现就是磁能向下地幔底部(特别是D"层)集中.     

1690～2000年地磁场能量的三维分布及其长期变化

利用Bloxham & Jackson 地磁场模型和国际参考地磁场模型(IGRF),研究了1690～2000年地磁总能量及其北向、东向和垂直向分量的能量以及非偶极子磁场的能量在地球内部的分布及长期变化.结果表明,地表和地核以外地磁场总能量及其北向和垂直向的能量是持续衰减的,垂直向的磁场能量占总能量的64％以上,对总能量的贡献起主要作用;东向分量的能量随时间的变化以增加为主.地磁场的能量变化率存在56年的周期,主要是由偶极子磁场产生的.地表以外的非偶极子磁能从减小到增大转折出现在1770年,比地核以外滞后40年.地球内部磁能随时间的变化显示,偶极子磁能逐渐减小,非偶极子磁能增加,越靠近核幔边界增加越快;偶极子和非偶极子磁能的变化量相等的分界面在距地心3780km处.从核幔边界到地表,磁能变化的衰减非偶极子比偶极子快,表明偶极子磁场比非偶极子磁场有更深的场源.     

地球自转速度变化规律的研究和计算模型

本文通过资料分析和模型计算,得到地球自转速率长期减慢趋势和周期波动规律的形成原因.潮汐摩擦是地球自转减慢的主要因素,重力分异和圈层角动量交换是地球自转周期变化的主要因素,重力分异造成的地球各圈层差异旋转是地壳自转变化先慢后快的特殊因素.重力分异将一个均匀的自转地球变为分层的差异旋转地球,在质量向地心集中的同时,自转动能也向地核集中,使地壳和地幔自转变慢,使地核自转变快.圈层角动量交换将地球自转动能变为热能,积累在核幔边界,使地壳和地幔自转变快,地核自转变慢.核幔边界积累的热能周期性使外核热膨胀,为热幔柱和火山活动提供了能源和动力,火山活动高峰对应地球自转加快是证据.计算模型表明,地球自转速度变化的规律和历史记录证明重力分异和圈层差异旋转是地壳运动的主要动力,受地球自转速度变化的约束,地球体积不会有较大的胀缩,国内外测量结果证实了这一结论.     

地球内部的热状态和热系统

本文给出地球的地幔热状态和热系统的简化形式,假定地幔内的大规模对流是双层的,在上地幔内的对流是由来自下面的热流量来测定,而在下地幔内的对流是用内部加热来测定。估算上地幔的热弛豫时间是～10~8年,下地幔的热弛豫时间τ_(1m)是～1.5×10~9年,地球的热弛豫是由τ_(1m)来测定。在对流的地幔内的超绝热的温度降是在热的边界层内形成的:在上地幔内,△T_1≤600K;在下地幔顶部,△T_2≤650K;在下地幔底部,△T_3≤650K。核-幔边界上的绝热温度是～2900K,真实温度一定是～3500—4500K。地幔中的热边界层都是过热区,必须跟低Qμ区(Qμ是对S波的力学品质因数)一致。低Qμ的第一层的深度是～100—250公里,第二层的深度是670—850公里,第三层是2700—2900公里。热点的热源区可能在第二个热边界层内,有意义的是,该层的水平速度(～1公分/年)可以确定在“板块构造”中绝对速度的精确度范围。因为上地幔是地壳之源,所以上地幔和下地幔之间的边界一定是弱的化学边界。第三个热边界层(深度在2600—2900公里)的热系统及其不稳定性在地核的磁流体动力学方面尤其是对于地磁偶极子的极性改变以及对地磁场时间尺度的了解有非常重要的作用。     

地磁场长期变化或与全地幔对流有关

2012年7月29日,《Nature Geosci-ence》在线发表了题为"地磁场长期变化与全地幔对流过程之间的可能联系"(Possiblelinks between long-term geomagnetic varia-tions and whole-mantle convection proces-ses)的文章。以Biggin为首的国际研究小组在该文中指出,在数十至数百个百万年的时间尺度上,地磁场受地幔流体活动的影响,同时,频繁的地球磁场极性倒转也可能与地幔过程有关。     

地球内核处于熔融状态

地球的磁场是由液态铁核形成的地磁发电机所产生的,这种液态铁核在上覆层地幔岩石的冷却下导致对流.地核由最里面向外冷却,生成固态的内核和释放轻元素.这些驱动着组分上的对流[1-3].地幔从地核以一定的速率吸收了热量,且吸热速率在空间上存在着很大的横向变化和差异[4].本文利用地磁发电机模拟显示这种横向差异会传递至内核边界,从而足以导致热量流入内核.如果地球内部确实是这样,将导致局部的熔融作用.熔融释放密度较重的液体形成变化的组分层,这一点可由内核上边界向上150 km处的地震波速度异常来解释[5-7].     

超导重力技术在探讨核幔边界黏性特征中的初步应用

旋转椭球型地球的固体地幔与液态地核间相互作用而产生的逆向本征模通常称之为地球自由核章动,自由核章动的品质因子（Q值）能有效反映核幔边界层能量耗散特征,与核幔边界的黏滞度密切相关.本文首次利用全球地球动力学计划网络23个台站27组高密度采样的高精度超导重力仪器观测数据,采用迭积技术,确定了自由核章动参数Q值,进而计算了核幔边界的黏滞系数.数值结果说明获得的核幔边界动力学黏滞系数达到10³ Pa·s量级,与加拿大科学家Smylie等利用VLBI观测资料获得的最新结果一致,这说明重力技术是有效应用于研究地球深内部结构的重要手段之一.     

硅酸盐熔体和液态铁的两相模拟与核幔间的氧交换

地球早期经历了很多撞击事件, 其中与地月系统形成相关的大撞击甚至造成深达核幔边界的全球规模的岩浆洋, 在此过程中的核幔分异基本确定了地幔与地核的物质组成, 也决定了地球随后的演化路径.我们采用基于量子力学理论的第一性原理方法和机器学习技术, 实现了硅酸盐熔体和液态铁的超大体系两相分子动力学模拟, 获得了核幔边界条件下的两相平衡数据, 为超深岩浆洋中的核幔分异过程提供了重要约束.基于本研究模拟结果和现有的高温高压实验数据, 我们还建立了能够准确预测核幔间元素交换的平衡模型, 利用该模型深入探讨了核幔间的氧交换问题, 并分析了其与地球生长、大撞击和岩浆洋事件、地球早期磁场等争议问题之间的关系.

     

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。     

地球早期地幔的冷凝结晶始于核幔边界或下地幔

JGR(Journal of Geophysical Research:Solid Earth)于2012年10月12日,发表了题为"Multi-technique equation of state for Fe2SiO4melt and the density of Fe-bearing silicate melts from 0to 161GPa"的文章指出,地球早期地幔的冷凝结晶可能始于核幔边界或下地幔。地球形成初期,地幔可能是一个整体熔融或局部熔融的巨大岩浆洋,其深度直达核幔边界。尽管目前地幔的物质大多都是固     

动力地球表面形变

地幔对流使得地球表面及核幔边界发生形变，这种由地球深部的动力学过程所引起的形变对大地水准面异常的贡献与地球内部密度异常的贡献具有相当的量级，但符号相反，而由于地表的短周期地质作用所引起的地球表面形变的屏蔽作用，这种长波长、长周期的动力地球表面形变在目前还无法直接观测出来。本文首先从观测大地水准面异常中将地球内部密度异常的贡献去掉，并根据地震层析所得出的核幔边界形变，求得了动力地球表面形变。其结果将对地球内部的动力学过程尤其是粘滞度分布提供十分有用的信息。     

大陆岩石圈、地幔底部异常体与地幔对流相互作用的数值模拟

在地球表层存在着占地表面积约30%的具有低固有密度、高黏度的大陆岩石圈.由于其特殊的物理化学性质,大陆岩石圈通常不直接参与下方的地幔对流,但其与地幔对流格局有着重要的相互影响.大量研究显示,在中太平洋和非洲的下地幔底部,存在着两块占核幔边界（CMB）面积约20%的高密度热化学异常体（由于其剪切波速度较低,常称作低剪切波速度省（LSVPs））.LSVPs的演化既受地幔对流的影响,同时也影响地幔物质运动的格局和动力学过程.本文系统研究了存在大陆岩石圈,下地幔LSVPs的地幔对流模型.模拟结果显示：（1）当大陆体积较小时,其边缘常伴随着俯冲,大陆区域地幔常处于下涌状态,其上地幔温度较低,大陆岩石圈在水平方向处于压应力状态.随着大陆体积的增大,大陆边缘的俯冲逐渐减弱,大陆区域地幔由下涌转为上涌,其上地幔温度较高,大陆岩石圈水平方向处于拉应力状态.（2） 岩石圈与软流圈边界（LAB）在大陆下方较深,温度较低;在海洋区域较浅,温度较高.随着大陆体积的增大,陆洋之间LAB深度、温度的差异逐渐减小.（3）大陆区域地幔底部LSVPs物质的丰度与大陆的体积呈正相关.当大陆体积较小时,大陆下方的LSVPs丰度比海洋区域少.随着大陆体积的增大,大陆下方LSVPs的丰度逐渐增大.（4）海洋地区地表热流高,且随时间波动大,大陆地区地表热流低,随时间波动较小;LSVPs区域的核幔边界热流低.     

地磁场长期变化、地震和火山的电磁效应

地磁场长期变化、地震和火山的电磁效应１４．１地球磁场的长期变化和近核幔边界地核流体运动本题目呈送ＩＵＧＧ会议的论文共有２５篇，其中有１４篇在会议上宣讲。这些论文中，俄罗斯占６篇，美国４篇，英国３篇，日本、印度、乌克兰、阿根廷、法国各２篇，芬兰、德国各...