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.     

地幔对流研究的意义、现状与展望

一、概况我国著名地球物理学家傅承义教授曾将地球科学的主要任务深刻而形象地概括为:资源、灾害、环境及认识地球.地幔对流的研究不仅在“认识地球”方面占有一席重要之地,而且在本质上与前三项有密切联系.例如,它为了解若干灾害(火山爆发,地震成因等)提供物理背景与理论基础.因而可望具有重要的应用前景.然而在目前阶段,就地幔对流     

地震波速度约束的大横向黏度变化的地幔对流研究

本文将横向黏度变化提高到3个量级,获得了地震波速度结构约束下的大横向黏度变化的地幔浅部的极型场和环型场对流图像.与小横向黏度变化下的结果相比,本文的结果具有显著的改善.对极型场对流图像,主要体现在本文结果能更清楚地解释太平洋板块、大洋洲和南美洲以及东太平洋洋中脊处的现今运动状态;对环型场对流图像,能更合理地解释北太平洋板块的右旋运动.本文计算的极型场、环型场对流速率以及揭示的某些区域如欧亚大陆和非洲大陆的运动状态与现今地表板块的运动速率以及欧亚板块和非洲板块的运动状态有明显差异,但相比小横向黏度变化下的结果,有助于更好地认识和理解现今地表板块运动的深部动力学过程.     

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.     

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.     

地幔对流与岩石层板块的相互耦合及影响──（Ⅱ）地幔混合对流理论及其应用

观测到的板块运动包含两种能量分布几乎相等的运动形态：极型场和环型场．纯粹的由热驱动的地幔自由对流不能预期和解释环型运动的产生．本文提出地幔混合对流理论，既考虑了热驱动的自由对流，也考虑了由板块自身激发的强迫对流．根据板块处于动力学平衡状态的观测事实，建立了相应的模型．数值结果表明，根据混合对流模型所预期的板块速度场，既能产生极型场，也能产生环型场，而且在空间分布特征及功率谱分布上与观测资料符合相当好．地幔物质的上升流动基本和洋脊对应，而下降流动和俯冲带对应．     

地幔对流与岩石层板块的相互耦合及影响──（Ⅱ）地幔混合对流理论及其应用

观测到的板块运动包含两种能量分布几乎相等的运动形态：极型场和环型场．纯粹的由热驱动的地幔自由对流不能预期和解释环型运动的产生．本文提出地幔混合对流理论,既考虑了热驱动的自由对流,也考虑了由板块自身激发的强迫对流．根据板块处于动力学平衡状态的观测事实,建立了相应的模型．数值结果表明,根据混合对流模型所预期的板块速度场,既能产生极型场,也能产生环型场,而且在空间分布特征及功率谱分布上与观测资料符合相当好．地幔物质的上升流动基本和洋脊对应,而下降流动和俯冲带对应．     

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.     

地震层析地球内部密度分布横向不均匀研究

本文使用Woodhouse和Dziewonski等分别用S波和P波层析分析提供的,以670km深度为分界的上地幔和下地幔地震波传播所反映出的横向不均匀的球谐函数系数,假定地幔内部密度与正常水平的偏离分别与P波和S波的速度Vp和Vs成比例（下地幔δρ=γδVp,上地幔δρ=σδVS2）,并用一组新的球谐函数系数表示全地幔密度分布模型.计算结果表明:1.比例系数γ=0.199,σ=3.13×10-5时,该全地幔密度模型可以70％恢复Dziewonski提供的下地幔密度模型,50％恢复Woodhouse提供的上地幔密度模型.合成密度分布基本上反映了分别由P波和S波速度异常所提供的地幔密度分布特征;2.所有穿过太平洋中部的剖面均明显地显示出一个低密度异常从地表一直延伸到核-幔边界;3.所有大陆下部均存在一个高密度异常区,而且深入到1200—1300km深度处;4.由密度异常的正、负交替基本上将部分地区地幔分成为3层,其深度依次为:第1层25—1300km左右,第2...     

地震层析地球内部密度分布横向不均匀研究

本文使用Woodhouse和Dziewonski等分别用S波和P波层析分析提供的,以670km深度为分界的上地幔和下地幔地震波传播所反映出的横向不均匀的球谐函数系数,假定地幔内部密度与正常水平的偏离分别与P波和S波的速度V_p和V_s成比例（下地幔δρ=γδV_p,上地幔δρ=σδV_S²）,并用一组新的球谐函数系数表示全地幔密度分布模型.计算结果表明:1.比例系数γ=0.199,σ=3.13×10^-5时,该全地幔密度模型可以70％恢复Dziewonski提供的下地幔密度模型,50％恢复Woodhouse提供的上地幔密度模型.合成密度分布基本上反映了分别由P波和S波速度异常所提供的地幔密度分布特征;2.所有穿过太平洋中部的剖面均明显地显示出一个低密度异常从地表一直延伸到核-幔边界;3.所有大陆下部均存在一个高密度异常区,而且深入到1200-1300km深度处;4.由密度异常的正、负交替基本上将部分地区地幔分成为3层,其深度依次为:第1层25-1300km左右,第2...     

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．     

地幔波震级的规范化标定与观测

本文基于瑞利面波的激发和传播理论,导出了零级地震的理论面波谱表达式;并以零级地震为参考地震,以零级地震所相应的面波谱和地震矩作为地幔波震级规范化标定的参照依据,进而提出了测定地幔波震级的新方案。利用CDSN-LPZ信道中的面波资料测定了1987—1990年间全球54次浅源大地震的地幔波震级M_m,并对Okal和Talandier(1989)用GEO-SCOPE-VLPZ及PAS-VLPZ信道中的基阶瑞利波所测1970—1987年间88次地震的结果作了校正。综合这两部分观测结果,得到M_m=1.00 1gM_0—12.13,由此测定的地幔波震级与中小地震的面波震级M_s趋势相一致,为解决面波震级饱和问题提供了一种可行的途径。     

地幔波震级的规范化标定与观测

本文基于瑞利面波的激发和传播理论,导出了零级地震的理论面波谱表达式;并以零级地震为参考地震,以零级地震所相应的面波谱和地震矩作为地幔波震级规范化标定的参照依据,进而提出了测定地幔波震级的新方案。利用CDSN-LPZ信道中的面波资料测定了1987—1990年间全球54次浅源大地震的地幔波震级Mm,并对Okal和Talandier（1989）用GEO-SCOPE-VLPZ及PAS-VLPZ信道中的基阶瑞利波所测1970—1987年间88次地震的结果作了校正。综合这两部分观测结果,得到Mm=1.00 1gM0—12.13,由此测定的地幔波震级与中小地震的面波震级Ms趋势相一致,为解决面波震级饱和问题提供了一种可行的途径。     

地幔波震级的规范化标定与观测

本文基于瑞利面波的激发和传播理论,导出了零级地震的理论面波谱表达式;并以零级地震为参考地震,以零级地震所相应的面波谱和地震矩作为地幔波震级规范化标定的参照依据,进而提出了测定地幔波震级的新方案。利用CDSN-LPZ信道中的面波资料测定了1987-1990年间全球54次浅源大地震的地幔波震级M_m,并对Okal和Talandier（1989）用GEO-SCOPE-VLPZ及PAS-VLPZ信道中的基阶瑞利波所测1970-1987年间88次地震的结果作了校正。综合这两部分观测结果,得到M_m=1.00 1gM₀-12.13,由此测定的地幔波震级与中小地震的面波震级M_s趋势相一致,为解决面波震级饱和问题提供了一种可行的途径。