地球的差异旋转

对于具有流体对流层的旋转星球 ,由于星球自转对对流的影响 ,必然会在星球对流层内部不同部分间以及星球的不同圈层间产生差异旋转 (differentialrotation) .所谓差异旋转是指旋转角速度随着深度 (星球不同圈层的旋转角速度不同 )以及纬度 (同一圈层内部不同部分间的角速度不同 )具有差异的现象 .地球是一个多圈层的旋转系统 ,主要由大气圈、水圈、岩石圈、地幔、外核以及内核组成 .大气圈和水圈具有明显的流体性质 ,并且在漫长的地质年代中 ,地幔、岩石圈和地幔之间的软流层以及外核均具有流体性质 ,而且在大气压力、热、重力和电磁力等的作用下发生了对流 .这些对流运动一旦受到地球自转的影响 ,就必然会致使地球各圈层间以及对流层内部不同部分间产生差异旋转 .几个重要现象 :基本地磁场的长期西漂、岩石圈的长期西漂、地球自转速率变化 (周日长度波动 )和固体内核各向异性对称轴的移动表明在固体地球内部各圈层—岩石圈、地幔、外核和内核间存在差异旋转 .来自地震学上的数据证明了固体内核与地幔之间存在较明显的差异旋转 ,速率可达 1.1°～ 3.0°/a.这跟其它数据如自由振荡数据以及地磁场长期西漂数据获得的结果具有很大的差异 .导致固体地球内核相对于地幔差异旋转的主要宏观机制为电磁力矩、引     

地球固体内核快速自转的理论证明和实测证实

地球固体内核快速自转的理论证明和实测证实杨学祥陈殿友（长春地质学院，长春１３００２６）主题词：地球内核地幔地壳差异旋转１地球内核快速自转的发现最近，美国哥伦比亚大学的宋晓东和理查兹首次利用地震波测量了地球固态内核，发现它的旋转速率比地壳和地幔的旋转速...     

地球动力学研究进展

从地幔结构的三维层析成像、上地幔过渡带、核幔边界、热柱和热点、板块运动、消减作用和板块的消亡、地幔的地球化学和岩石学结构等方面，回顾了20世纪地球动力学研究所取得的重大成就；探讨了地球动力学研究所面临的重要问题，指出21世纪地质学家、地球物理学家、岩石物理学家等地球科学家的通力合作，将揭示地球演化的动力学过程。     

地球质心偏移与各圈层形变

地幔结构的地震层析图象显示热心南偏和质心北偏可能是地球南北反对称的动力基础。建立了南北半球密度反对移分布的数学模型，计算结果表明：地壳地幔南北半球的密度不均匀人分布可使地核偏离地球质心１－３公里，完全符合张焕志１９８２年计算结果。     

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。     

地球深部地震学研究进展

地球深部地震学研究进展索恩莱（美）梁慧云译全球地震学研究正系统地揭示着地球深部的结构、成分及动力学特征。最新的重大进展包括有：全球地幔内部不连续面的层析成象图、第一代地震粘滞性非球状模型，高分辨度的消减板三维图像，及核－幔边界附近复杂结构的图像。我们...     

地球形成理论研究进展

本文概述了太阳系角动量分布，地球的物质来源，地球的形成方式，地核和地幔的形成几个总理研究的进展。     

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.     

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。     

地球结构

地球内部大致可分为三个组成物质和性质不同的同心圈层,最外面的一层称为地壳,最中心部分称为地核,中间一层称为地幔。地壳的厚度是不均匀的,一般大陆地壳较厚,尤其山脉底下更厚,平均厚度约32千米,海洋地壳较薄,一般在5～10千米。地壳的物质组成除了沉积岩外,基本上是花岗岩、玄武岩等。地幔是介于地表和地核之间的中间层,厚度将近2900千米,主要由致密的造岩物质构成,这是地球内部体积最大、质量最大的一层。地核又称铁镍核心,其物质组成以铁、镍为主,又分为内核和外核。     

On Earth’s Mantle Constitution and Structure from Joint Analysis of Geophysical and Laboratory-Based Data: An Example

Determining Earth’s structure is a fundamental goal of Earth science, and geophysical methods play a prominent role in investigating Earth’s interior. Geochemical, cosmochemical, and petrological analyses of terrestrial samples and meteoritic material provide equally important insights. Complementary information comes from high-pressure mineral physics and chemistry, i.e., use of sophisticated experimental techniques and numerical methods that are capable of attaining or simulating physical properties at very high pressures and temperatures, thereby allowing recovered samples from Earth’s crust and mantle to be analyzed in the laboratory or simulated computationally at the conditions that prevail in Earth’s mantle and core. This is particularly important given that the vast bulk of Earth’s interior is geochemically unsampled. This paper describes a quantitative approach that combines data and results from mineral physics, petrological analyses of mantle minerals, and geophysical inverse calculations, in order to map geophysical data directly for mantle composition (major element chemistry and water content) and thermal state. We illustrate the methodology by inverting a set of long-period electromagnetic response functions beneath six geomagnetic stations that cover a range of geological settings for major element chemistry, water content, and thermal state of the mantle. The results indicate that interior structure and constitution of the mantle can be well-retrieved given a specific set of measurements describing (1) the conductivity of mantle minerals, (2) the partitioning behavior of water between major upper mantle and transition-zone minerals, and (3) the ability of nominally anhydrous minerals to store water in their crystal structures. Specifically, upper mantle water contents determined here bracket the ranges obtained from analyses of natural samples, whereas transition-zone water concentration is an order-of-magnitude greater than that of the upper mantle and appears to vary laterally underneath the investigated locations.     

地球内部岩石圈物理与动力学研究发展的新动向与今后的任务

本文通过对当代地球内部岩石圈物理与动力学发展的认识与分析，探讨了该领域的研究方向与今后的任务，并提出了相应的建议与对策     

On the thermal evolution of the earth

The two principal contributions to the surface heat flow of the earth are the cooling of the earth and the heat production of radioactive isotopes. As the rate of heat production decreases with time the temperature of the interior of the earth also decreases. The rate of decrease is determined by the ability of solid-state mantle convection to transport the heat to the surface. The dominant effect is the exponential temperature dependence of the mantle viscosity. The non-dimensional mantle temperature can be parameterised in terms of the Rayleigh number for mantle convection. It is found that the mantle is currently cooling at a rate of 36°K/10⁹ years and that three billion years ago the mean temperature was 150°K higher than it is today; 83% of the present surface heat flow is attributed to the decay of radioactive isotopes and 17% to the cooling of the earth. The corresponding mean concentration of uranium in the mantle is 32 ppb.     

中国大陆地壳与上地幔精细结构探测十条第一剖面和其作用与科学意义

地球内部物理学和地球动力学在地球科学研究领域里占有重要地位.为了研究和探索我国大陆不同大地构造单元和板内特异块体与其界带的深部介质属性、结构和深层物理-力学过程,已在我国最先构思、设计、布署并实施了十条人工源深部地震探测剖面.沿这十条第一剖面进行了高精度的地震反射、宽角反射和折射波场观测,进行了数据采集,获得了深部高分辨率的信息.通过数据处理和反演求得了各剖面辖区的沉积建造、结晶基底、地壳与土地幔的差异和层、块精细速度结构,发现、研究和提出了一系列的重要科学问题并取得了一系列新认识.为研究成山、成盆、成岩、成矿、成灾,圈层耦合和深化认识地球本体与动力学响应打下了坚实的基础,明确指出了其深入研究的内涵和发展导向.     

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。     

地幔矿物电导率研究进展

研究地幔矿物的电导率可以揭示地球内部电导率的分布规律以及地球介质的极化机制。通过对近年来国际上地幔矿物电导率的研究结果进行分析和总结,介绍了矿物的各种影响因素与电导率的关系;对含水和不含水的地幔矿物导电机制进行了区别,不含水矿物的导电机制主要为小极化子,含水矿物的导电机制为自由质子。比较了各种典型的地幔矿物电导率结果并对电导率模型进行了评述和总结,对电导率的研究方向进行了展望。认为水在地幔矿物电导率和电导率剖面中起着重要作用     

Effect of hydration on the elasticity of mantle minerals and its geophysical implications

Recent studies have shown that major nominally anhydrous minerals in the Earth’s mantle, such as olivine, pyroxene and garnet, can incorporate considerable amounts of water as structurally bound hydroxyl. Even a small amount of water is present in mantle minerals, it can strongly affect a number of physical properties, including density, sound velocity, melting temperature, and electrical conductivities. The presence of water can also influence the dynamic behavior, lead to lateral velocity heterogeneities, and affect the material circulation of the Earth’s deep interior. In particular, seismic studies have reported the existence of low-velocity zones in various locations of the Earth’s upper mantle and transition zone, which has been expected to be associated with the presence of water in the region. In the past two decades, the effect of water on the elasticity and sound velocities of minerals at relevant pressure-temperature (P-T) conditions of the Earth’s mantle attracted extensive interests. Combining the high P-T experimental and theoretical mineralogical results with seismic observations provides crucial constraints on the distribution of water in the Earth’s mantle. In this study, we summarize recent experimental and theoretical mineral physics results on how water affects the elasticity and sound velocity of nominally anhydrous minerals in the Earth’s mantle, which aims to provide new insights into the effect of hydration on the density and velocity profile of the Earth’s mantle, which are of particular importance in understanding of water distribution in the region.     

上地幔高导层与内生金属矿产及油气藏的关系

依据大地电磁测深所发现的上地幔高导层顶面深度可以给出大陆岩石圈-软流圈界面(LAB)的空间发育特征,为认识岩石圈结构及壳幔相互作用等提供重要信息.本文在1996年编制的中国大陆上地幔高导层顶面深度图的基础上,补充了1995—2010年大地电磁测深结果和大地热流数据,以1°×1°网度编制了新的中国大陆上地幔高导层顶面深度图.我国上地幔高导层顶面深度变化很大,具有南北分带,东西分块的特征,呈东浅、西深、北浅、南深的格局,从最浅的50~60km到最深的230km,平均深度为100~120km.据上地幔高导层顶面分布形态,全国共可划分出27个隆起区.通过与中国已知内生金属矿产和油气田的分布对比,发现我国大陆80%以上中生代内生金属矿床分布在上地幔高导层隆起带或其梯度带上方.中国大陆东部含油气盆地主体对应上地幔隆起区,油气田多位于隆起区上方或其边部的过渡带上;西部主体位于幔坳区,主要油气田对应盆地中心的幔坳向周边幔隆过渡的梯度带上;中部表现为仅盆地腹地对应幔坳,盆地周边对应规模较大的上地幔隆起带,主要油气田位于隆起带.总的来看内生金属矿床一般分布在上地幔隆起区靠近造山带一侧,而油气田一般分布在上地幔隆起区靠近盆地一侧.软流圈的不断上隆,造成岩石圈减薄、拉张,张性断裂的出现成为地球深部物质和热量向地壳上部运移的有利通道,为内生金属矿产的形成提供了成矿物质和能量保障,也为含油气盆地带来了生烃催化剂、热能和无机成因的石油与天然气.地球深部超临界流体的存在对上地幔高导层的形成、成矿物质运移可能发挥了重要作用.     

P.ecent progress in studies of experimental rock mechanics and tectonophysics in China

This paper reviews the recent progress in the studies of experimental rock mechanics and tectonophysics concern-ing seismology and physics of the Earth‘s interior in China. The progress is presented in the following aspects: a) A lot of results of experiment and numerical simulation enrich our knowledge of the brittle fracturing process under the condition with heterogeneity in material and structure; b) Some new results on frictional behavior of non-homogeneous faults reveal the complexity of faulting behavior; c) Some new results on the brittle-plastic tran-sition and plastic flow are obtained; especially the important progress is obtained on theological properties of rocks in the lower crust and the upper mantle; d) A lot of experimental results are obtained on rock physics at high tem-perature and pressure and have been used in study of material composition and state. These results provide useful information for understanding the physical properties and deformation mechanisms of material of the Earth‘s inte-rior and earthquake physics.     

中国岩石圈物理学研究中的几个重要问题与思考

中国多年来在岩石圈物理学研究中已取得了一系列的重要成果,并促进了中国地球科学的发展。然而在这21世纪之际,基于国家战略需求和自主创新的方针对岩石圈物理学提出了新的挑战。本文在这样的思维前提下对岩石圈物理学的科学内涵和发展导向进行了较全面的分析、研究和思考,并明确指出当今在这一学科领域应该做些什么,核心问题是什么,又存在哪些关键性的科学问题。研究结果提出,高精度的地球物理场观测与岩石圈内壳、幔精细结构(2维和3维)的刻划;在地球内部力系作用下,深部物质和能量的交换;深部物质运移的物理-力学-化学作用过程及深层动力学响应乃是深化对地球本体的认识和揭示成山、成盆、成岩、成矿和成灾的根本机理所在。为此,在本世纪的上、中叶,在地球科学领域中地球物理学研究必为先导。本文最后对岩石圈物理研究中尚存在的一些问题和困惑进行了分析和讨论。