大尺度地幔动力学研究的现状和展望

这篇综述讨论大空间、大时间尺度的地幔动力学近几十年的发展和现状,着重讨论了相关的观测及其动力学意义.这些观测包括现在地球的板块运动的基本特性,中、长波重力异常及大地水准面异常,地震层析成像得到的地幔结构,以及过去10亿年超级大陆Pangea和Rodinia的形成、裂解和演化,及火山岩浆活动.关于地球动力学模型的讨论是围绕着这些相关的观测而进行的.涉及到的一些主要问题包括以下.第一,地幔动力学研究显示,地震层析成像得到的下地幔的二阶结构(比如核幔边界附近的LLSVP结构),和俯冲带的快速异常体,可以解释为过去1亿年左右的板块运动和地幔对流的结果;第二,地幔三维结构作为地幔对流的驱动力,是导致中、长波重力及大地水准面异常的直接原因;结合地幔动力学模拟,观测的大地水准面异常对地幔黏性结构提供了强有力的约束,很可靠的结果之一是下地幔的黏性比上地幔要高至少一个量级,并且最近的研究确定软流圈的存在;第三,过去10亿年大陆块体经历过的Rodinia和Pangea两期超级大陆的形成和破裂是地幔动力学在地表的反映.地幔结构在Pangea形成过程中是一阶结构(即一个半球是冷的下降流,而另一个半球是热的上涌流)主导的,而现在的二阶为主导的地幔结构是Pangea形成后,破裂前或破裂过程中才形成的;地幔动力学和其他研究支持地幔结构在一阶和二阶间转换的1-2-1模型;第四,板块构造在地球上的起源和动力机制依然是充满争议和不确定的课题,但是这些问题同时也是重要的地球动力学基本问题.     

中国及其邻区地球三维结构初始模型的建立

对人工地震测深及天然地震面波体波三维层折反演数据进行统一处理，建立了中国及其邻区地球三维结构初始模型．此模型图像表明，中国及其邻区地球各圈层横向变化明显．岩石圈及软流圈内速度分布主要反映这一区域自古生代以来板块及地块拼合模式．各主要板块或地块（塔里木、扬子、中朝、青藏、哈萨克斯坦、印度、印度支那）岩石圈增厚或有很深的地慢根，板块或地块间的造山带岩石圈减薄，软流圈速度降低。下地幔底部及核幔边界D″层出现高速异常，表明古太平洋及古特提斯洋俯冲板块因重力坍塌已进入地球深层，形成亚洲超级下降地幔柱。这一下降地幔柱引起地球表层物质向中亚、东亚地区集中，印度半岛、青藏高原、新疆、蒙古至贝加尔一带，成为全球岩石圈最大的汇聚场所．     

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...     

使用数值模型研究俯冲板块动力学的进展

板块构造理论的核心是俯冲板块的动力学问题,可以通过地震学、矿物物理和岩石地球化学、地质构造和沉积学以及数值模拟对其进行多学科综合研究.其中数值模拟通过建立理论模型并使用数值方法模拟俯冲板块的动力学效应,直观地给出了定量化的俯冲板块的演化过程和地表响应,并用以解释其他学科研究所得到的观测和实验结果.因此使用数值模型进行定量化模拟是研究俯冲板块动力学的最重要的手段之一.文章综述了使用数值模型研究俯冲板块动力学多个方面在近期取得的进展,包括板块构造的起源和俯冲板块的启动过程,俯冲板块的热结构,以及俯冲板块在上地幔、地幔过渡带和下地幔的主要动力学表现.使用数值模型得到的结果是基于质量、动量和能量守恒方程的理论结果,必须综合使用其他各学科的研究成果对模拟结果进行比对和验证,以最终理解俯冲板块的动力学过程.随着计算能力的大幅提升和模拟方法的不断进步,数值模拟方法将为研究包括俯冲板块动力学在内的地球科学前沿问题提供更为准确和高效的手段.     

板块俯冲中水分运移过程及其地球物理含义

流体/水分在地球演化过程中具有重要作用,它的存在可以提高地质体的扩散及蠕变,降低岩石/地幔的固液相限,对地质体的地球物理性质、地质灾害诱发、地质构造演化等都有着重要的作用.在板块俯冲区,流体/水分的影响贯穿了整个动力学过程,但板块深部脱水还存在着争议,且目前系统地研究水分在整个俯冲中的迁移过程及其地球物理意义的工作还较少.本次研究以我国东北地区为例,借助于地球动力学数值模拟,利用二维岩石化学-热-力学耦合的数值计算程序,建立西太平洋板块向欧亚大陆岩石圈俯冲的数值模拟模型,模拟了板块俯冲整个连续动力学过程中流体/水分的迁移过程.模拟与分析结果表明,板块俯冲过程中水分的迁移过程可分为三个阶段:洋壳水化、板块浅(中)部脱水、板块深部脱水.进一步揭示了洋壳水化过程中水分渗流通道形成、水分渗流以及板块及地幔物质水化反应的机制;解释了板块浅(中)部脱水过程对火山岛弧、弧后盆地及低速异常带形成的作用,以及对~410 km不连续带的影响;模型演化过程中观察到的板块深部脱水现象说明了存在板块深部脱水的可能性,而且板块深部脱水可以较好地解释部分内陆火山以及部分地区地幔柱(岩浆羽)和深源地震的成因.研究展示了板块俯冲过程中水分运移的地球物理意义.     

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.     

全球地表热流的产生与分布

全球地表热流是反映地球内部热与动力学过程的一种主要能流.本文在三维球坐标框架下，就几个不同的粘度模型分别研究地幔内部密度异常(基于全球地震层析结果)以及板块运动激发的地幔流动的热效应及其对于观测地表热流产生和分布特征的贡献.由于地幔动力系统具有较高的Pe数，可以期望由板块运动激发的地幔流动将强烈地扰动地幔内部初始传导状态下的温度场以及地表热的热流分布.结果表明，与地幔内部密度异常产生的热效应相比，运动的板块及其激发的地幔流动在全球地表观测热流的产生和分布特征上起着更为重要的作用.观测到的大洋中脊处的高热流在很大程度上可以归因于板块激发的地幔流动的热效应.计算的平均温度剖面较好地揭示了岩石圈和D″层的温度特征，即温度随深度的剧烈变化，这与我们目前通过其他手段对岩石圈和D″层的温度结构了解是一致的.一个下地幔粘度比上地幔高出30倍的粘度结构(文中使用的粘度模型2)较之其余模型的拟合程度似乎更好.     

欧亚板块均衡大地水准面异常及其动力学特征

采用弹性挠曲模型,利用球谐函数方法计算了欧亚板块均衡大地水准面异常.均衡大地水准面异常消除了地形起伏、地壳物质补偿的影响,主要反映了地幔物质密度异常以及核幔边界起伏和热状态的不均匀分布特征,而这种物质密度和热状态的不均匀分布导致了地幔物质的流动.针对滤波后的均衡大地水准面异常分别计算了欧亚板块大尺度和中尺度的地幔对流,并进行了构造和地球动力学分析.结果表明,现今欧亚板块的地壳运动与地幔对流有着密切的联系.     

中国东部地区的地球物理场特征与含油气盆地的分布和形成

本文根据中国东部陆缘地区--郯庐断裂带两侧地壳与上地幔结构和综合地球物理场特征,阐述了其与一串含油气裂谷型盆地的分布规律,并讨论了其沉积和演化。 结果表明:这一系列含油气盆地,分布在上地幔顶部的隆起地区,均具有异常的地球物理场特征。这些盆地中有着巨厚的中、新生代的沉积,具备了良好的生油与储油条件。它们的形成与太平洋板块和欧亚板块的运动密切相关,并且受着深部地幔物质运移的制约。     

地震层析成像板块构造及地幔演化动力学

地震层析成像技术的飞速发展给人类提供了一个探测地球内部结构的强有力的工具，也给人类展示了一片新的天地，使人类更加清晰地在两个层次之上（地球的层圈构造和内部横向不均匀性）了解地球内部，特别是对幔内部非均匀结构，从全球和区域的尺度上揭示出地球内部特别是地壳和上地幔横向不均匀结构。呈现出全新的地球，特别是地幔结构的三维图像框架，很容易理解，这一基本框架正是地幔演化热动力学过程的现代表现，如此，我们可以利用该框架去追溯、探讨全球构造特别是地幔构造演化的历史，从而深化对于我们这个星球演化过程的理解。     

Lithospheric structure and continental geodynamics

This paper briefly reviews main progress in the research on lithospheric structure and continental geodynamics made by Chinese geophysicists during last 4 years since 22nd IUGG general assembly in July 1999. The research mainly covers the following fields: investigations on regional lithospheric structure, DSS survey of crust and upper mantle velocity structure, study on present-day inner movement and deformation of Chinese mainland by analyz-ing GPS observations, geodynamics of Qingzang plateau, geophysical survey of the Dabie-Sulu ultra-high pressure metamorphic belt and probing into its formation mechanism, geophysical observations in sedimentary basins and study on their evolution process, and plate dynamics, etc.     

上地幔各向异性研究综述及在川滇地区的研究思路

简要介绍了地球介质各向异性研究的发展历程,重点介绍了国内外有关上地幔各向异性的研究工作及成果;阐述了上地幔各向异性的起源及其地球动力学意义;较详细地分析了上地幔各向异性研究的各种方法及其优缺点;论述了川滇地区各向异性研究的意义和目的,并提出了整个研究工作的内容和步骤.     

岩石圈结构与大陆动力学

对1999年7月第22届IUGG大会以后的4年期内，中国地球物理研究在岩石圈结构和大陆动力学方面的主要进展作了简要评述．这些研究进展主要表现在以下几个方面:区域性岩石圈物性结构的研究，利用深地震测深剖面对地壳、上地幔速度结构的勘查，利用GPS观测研究大陆内部的现今运动和变形，青藏高原动力学研究，大别——苏鲁超高压变质带的地球物理勘查及动力学机理研究，沉积盆地的地球物理勘查及演化过程研究，以及板块动力学研究, 等等．      

中国大陆地壳与上地幔地震各向异性研究

地壳与上地幔各向异性研究在地球动力学领域有广泛的应用和重要的科学意义,其研究有助于许多地质和地球物理基本问题的解释.中国大陆的各向异性研究,在地壳与上地幔两个尺度上都有许多重要进展,并在基本理论和岩石实验研究中取得进步.文章认为,各向异性研究揭示的科学问题将会是广泛的和深远的.     

长白山天池火山地震活动与西北太平洋俯冲带内中深源地震关系的研究

根据长白山火山活动的地球动力学背景,综合分析西北太平洋俯冲带俯冲作用所引起的中深源地震与长白山火山地震活动及温泉流体化学气体释放变化趋势的关系。认为在北纬35°以北,西北太平洋板块俯冲作用引起的地幔对流的扰动作用下,长白山火山活动从1999年至目前大体经历了3个阶段:1999年6月至2002年5月为扰动起始阶段,2002年6月至2004年为扰动增强阶段,2005年至目前为扰动衰减阶段。在分析了3个阶段内长白山火山地震活动及温泉气体释放特征的基础上,讨论了长白山天池火山目前的活动状态。从日本海至中国东北深源地震区地震活动期和平静期存在的韵律性活动过程出发,对长白山天池火山未来喷发的可能性进行了分析     

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.      

全地幔三维异常密度的联合反演

由Hager(1981)提出的,叶正仁(1989)进一步发展的传播矩阵方法,提供了一种运用地球重力位、板块运动速度资料来探求地幔内部横向不均匀性的一条途径.但由于地球重力位、板块运动速度资料均是二维资料,故仅运用上述两种资料来反演三维异常密度会导致反演结果很强的不唯一性、不稳定性.作为80年代地球物理学最富有成效的成果之一就是利用地震P 波和S波的层析技术,提供了上、下地幔三维异常速度分布,从而为地球物理及地球动力学的研究提供了最新的先验知识.把传播矩阵方法、粘滞损耗最小原理运用于全地幔对流的地球动力学模型,并同时把长波地形起伏、板块运动速度、重力位资料以及傅容珊根据地震层析结果所合成的全地幔三维异常密度作为约束条件,联合反演全地幔的三维异常密度结构.计算结果显示:(1)从计算所及的密度横切剖面来看,至少在250—670km 深度范围内异常密度的高低与地表构造有一定的相关性:即全球的大部分发散边界和相当部分的大陆分别对应低异常密度区和高异常密度区,地幔的异常密度数值在1500km 深度附近达到最小.(2)从计算所得的密度纵切剖面来看,对应太平洋中脊、印度洋中脊、红海及亚丁湾地区,低密度的异常区从地表一直延伸到核一幔边界,不过太平洋中脊相对明显.除上述区域外全地幔的异常密度基本上(按数值大小及正负)分三层.     

碳的化学地球动力学

本文简述了国际上在碳的化学地球动力学方面的研究进展。这包括对整个地球和地幔的碳丰度估计，对当代从大洋中脊、岛弧排出的ＣＯ２通量等估计，以及对涉及地球去气和深部碳循环等过程的一些有争议的化学地球动力学问题的探讨。     

Mechanical problems in geodynamics and work done in China

The subject of geodynamics concerns the dynamics of the global motion of the earth, of the motion in the earth's interior and its interaction with surface features, together with mechanical processes in the deformation and rupture of geological structures. A brief historical review is given from Sir I. Newton, Maclauwin, Jacobi, Poincaré, Poisson, Lamé, Darwin, Rayleigh, and Love, who dealt with the homogeneous sphere, to Leibenson, Takeuchi, and Meinesz, concentrating on layered spheres, and after the advent of plate tectonics, on the use of numerical simulation, to the analyses of tectonic features, earthquake mechanism, the application of nonlinear dynamics. By discussing the forward and inverse mechanical problems, and the questions facing the inverse problems of searching for the structural parameters, driving forces, etc. are raised in more detail. Thereafter, some works accomplished in China on the global and regional stress fields analyses; tectonic features' analyses, mantle flow studies; experimental studies of rocks and their constitutive relations are presented. Finally, the interdisciplinary nature of the subject is emphasized, and the main mechanical problems that need special attention are then proposed.