罗斯海海域大地水准面异常的成因研究

本文利用数值法求解瞬时地幔对流问题以模拟大地水准面异常.利用两个较新的S波速度异常层析模型SEMUCB_WM1和TX2019slab,将其转换为密度异常作为控制方程的浮力驱动项;采取的黏度结构模型中,上下地幔的黏度比为1∶50.为了研究地幔不同结构对罗斯海海域大地水准面异常的影响,分别提取上、下地幔的密度异常正/负值,作为对流控制方程的输入项,计算相应的模拟大地水准面异常.将模拟大地水准面异常与观测值进行对比,发现罗斯海海域的大地水准面异常主要来自下地幔及上地幔的负密度(波速)异常,下地幔正密度异常对该区域大地水准面负异常也有一定的贡献.本文认为,地幔密度负异常在罗斯海海域大地水准面异常的形成中占据主导作用,地幔对流的动力学效应对该区域大地水准面异常的形成影响较弱.     

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.     

黏滞分层地幔中密度异常驱动对流模型的研究

在地震层析成像计算的地幔密度异常直接驱动地幔对流的新方法的基础上,发展了在上、下地幔不同黏性结构框架下,密度异常驱动地幔对流的物理模型.利用 Grands和S12 WM13等地震层析成像模型推得的地幔密度异常分布,设置板块绝对运动极型场为运动上边界,考虑深度660km地震波不连续面为界的上、下地幔之间存在黏滞性的差异,直接反演了不同黏滞系数的双层地幔结构下地幔对流的模式.研究中选取地幔平均密度为ρ=5500kg/m3, 上层地幔平均黏滞系数为μ=1021Pa·s,计算了上、下地幔黏滞系数之比为1∶1, 1∶10, 1∶100和1∶1000时地幔大圆剖面、以及区域剖面上的流场.结果表明,两种模型在球谐展开1～13阶的范围内其对流的基本格局相似.当下地幔黏滞性超过上地幔的100倍时,下地幔流场速度与上地幔的流场速度相比显著减小,但是对流仍然表现出单层对流环的基本格局.论文还用 240km深度球面上的对流格局讨论了对流和全球构造之间的关系.     

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。     

中国及邻区大地水准面异常的场源深度探讨

利用中国及邻区地形、地震层析成像、沉积层底面、Moho面及岩石层底面资料,正演计算出中国及邻区岩石圈大地水准面异常;再从全阶大地水准面异常中扣除正演模拟得到的岩石圈大地水准面异常与不同阶次波段的大地水准面进行比较,寻求表示中国及邻区地幔物质不均匀的大地水准面异常的最佳阶次为2-60阶. 结果表明,对应于岩石圈的大地水准面异常的重力位球谐函数阶数为61-20阶;下地幔重力位球谐函数阶数为2-6阶;而-60阶重力位球谐函数则表示中国及邻近区域上地幔大地水准面异常.     

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.     

地幔粘度结构的研究

地幔的流变性质已成为认识地球内部结构及动力学过程的核心问题之一。本文总结了近年来地幔粘度结构研究的方法,其中包括利用地球物理观测资料进行反演计算和实验室试验研究,重点讨论了利用冰期后回跳,板块运动速度和大地水准面异常资料反演地幔粘度结构２的方法和结果以及地幔矿物的实验结果,并对不同方法进行了比较总结。最后简单讨论了地幔粘度结构研究存在的问题和未来的研究方向。     

青藏高原-天山地区岩石层构造运动的地幔动力学机制

利用全球重力大地水准面异常、板块绝对运动及全球地震层析成像数据,计算了青藏高原-天山地区岩石层下部地幔大尺度对流格局以及此种尺度对流驱动下岩石层内应力场分布;同时,利用区域均衡重力异常数据反演青藏高原中、北部到天山地区上地幔小尺度对流模型．结果表明,大尺度的地幔物质运移过程可能驱动着中国大陆岩石层整体从西部以南北方向为主的运动转向东部地区以北东和南东方向的运动;而该区域上地幔小尺度上升流动支持了现代青藏高原和天山地区的抬升运动．提出和讨论了青藏高原隆升的“断离隆升-挤压隆升-对流隆升”三阶段模式,并探讨了大陆岩石层构造运动的地幔深部动力学背景．     

地幔对流的数值模拟及其与表面观测结果的关系

研究地幔介质的热与动力学过程(地幔对流)是了解发生在地表面的若干观测现象,诸如长波大地水准面异常、板块运动、地形特征和大地热流等形成原因的关键.相应的,一个现实合理的地幔对流模型必须与观测结果相容,并能对其作出合理的解释,这也是地幔对流研究与一般流体中热对流研究的区别     

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.