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建立了由密度异常驱动上地幔小尺度对流的数学 物理模型, 发展了利用地震层析成像数据反演上地幔小尺度对流的基本理论和方法. 该模型建立在三维直角坐标系框架上, 假设地震层析成像所显示的地震波速度异常对应于上地幔物质密度异常, 而该密度异常反映了上地幔小尺度热对流系统的温度异常场. 模型首先将地震层析成像确定的地震波速度异常转换为密度异常, 并视其为对流的驱动力; 进而利用三维傅立叶变换, 在波数域内, 在给定的边界条件下, 求解控制流体行为的运动方程和连续性方程, 最后求得对流的流场. 为检验本研究提出的理论和方法的有效性, 本文使用了两个简单的实验模型: 热体和冷体模型; 俯冲断离( break off)板片模型, 计算了其驱动的地幔流场. 结果表明, 本文提供的理论和方法, 可以直接应用于与区域岩石层构造动力学相关的上地幔小尺度对流的研究. 相似文献
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上地幔小尺度对流是控制区域地球动力学过程的主要机制之一,蒙古-贝加尔地区的一些区域动力学过程被认为与上地幔小尺度对流相关.本文目的在于利用重力资料研究蒙古-贝加尔地区的上地幔小尺度对流,并探讨其与构造动力学的关系.基于区域均衡重力异常与上地幔小尺度对流的相关方程,本文利用区域均衡重力异常资料反演了蒙古-贝加尔地区上地幔小尺度对流流场及作用于岩石层底部的应力场.结果显示,蒙古-贝加尔地区地幔流场及对流应力场呈现非常复杂的图像,流场及应力场分布与地表构造具有很好的相关性.西伯利亚地台和蒙古褶皱带下地幔流场和对流应力场均较弱,这与这些地区现今较弱的构造活动性是一致的.贝加尔裂谷区下存在地幔上升流,对流应力场呈拉张状态,但应力场的幅值较小(约8 MPa),表明地幔对流不是贝加尔裂谷开裂的主要控制因素.Hangay高原、阿尔泰和戈壁-阿尔泰下存在地幔上升流,对流应力场为拉张状态,这一方面可能构成Hangay高原隆升的深部动力机制,另一方面,也为Amurian板块西边界划分提供了动力背景. 相似文献
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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． 相似文献
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首先计算了欧亚地区均衡残差大地水准面．基于地幔热对流的内负荷理论和最新全球层析成像结果，探讨了欧亚地区中波长均衡残差大地水准面的地球动力学意义．研究结果表明，中波长均衡残差大地水准面主要受上地幔粘滞度和岩石层强度的影响，进而得出欧亚地区一些古老地盾和构造稳定地区的上地幔与年轻山脉及构造活动地区的上地幔结构存在着差异．这个差异主要是占老地盾和构造稳定地区，如波罗的海地盾、中西伯利亚地台、东欧等区域，冷却的上地幔已穿透地幔较深，上地幔与岩石层之间耦合较好;而年轻山脉和构造活动区，如帕米尔、天山、贝加尔活动带、青藏高原、日本海周围地区，在上地幔可能存在着热物质即粘滞度很低的软流层，上地幔与岩石层耦合程度较差，甚至有可能解耦．从欧亚地区上地幔属性的差异，可以解释该地区的一些地球动力学问题． 相似文献
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修改了England和Mckenzie的黏性薄层流变模型中控制大陆形变的连续性方程,将剥蚀作用对高原隆升演化的影响直接引入该方程,并考虑下伏地幔小尺度对流对增厚岩石层的搬离作用对高原隆升演化后期的影响,用有限差分法直接模拟青藏高原隆升过程. 数值模拟结果所显示的高原隆升演化过程与实际观测资料吻合较好,揭示了高原隆升演化过程的非平稳和多阶段的特性;同时还表明上地幔小尺度对流对岩石层底部的搬离作用可能是最近8Ma以来高原快速隆升的主导机制. 相似文献
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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. 相似文献
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详细讨论了我国西北区域(80～95E，35～45N)均衡重力异常以及与之相应的地幔动力学问题．假定其区域均衡重力异常主要源于该区域岩石层变形和上地幔之中物质流动的结果．利用傅容珊等(1994 a，b)用区域均衡重力异常反演上地幔小尺度热对流的模型，计算了西北地区上地幔对流格局．结果表明，天山和昆仑山——阿尔金山系强烈地上升，与之相应地幔中的上升流动以及塔里木盆地下部地幔物质的汇聚流动，控制了这一区域岩石层动力学的主要格局．西北地区的几个大型盆地，如塔里木盆地、准葛尔盆地和吐鲁番盆地等对应了均衡重力异常的负异常中心，同时也对应于地幔中物质流动的汇聚中心，物质流动结果加上其上部岩石层横向挤压向下凹陷而形成压性盆地．天山、昆仑山及阿尔金山等新构造运动活跃的山区对应了地幔中物质上升及发散流动，这一作用使得这些地区的岩石层向上隆起维持其山系不断抬升．以此为基础，本文构成了该区域岩石层动力学的基本框架模型，并对这一框架以及影响这一力学框架构成的其它动力学因素，诸如印度板块向北俯冲、挤压运动、全地幔范围内物质流动以及均衡力等问题作了初步探讨． 相似文献
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G. Stadler M. Gurnis C. Burstedde L. C. Wilcox L. Alisic O. Ghattas 赵雯佳译 余丰晏校 吕春来复校 《世界地震译丛》2011,(5):13-22
板块构造受控于集中在板块边界的推动力和阻力,然而由观测资料所约束的高精度全球地幔流模型仍面临着计算上的挑战。我们利用最新的自适应网格细化算法,将板块边界的分辨尺度下降到1km,通过分析相接板块的运动,在并行计算机上模拟全球地幔流。在上地幔中,当消减板块向下俯冲时,往往会产生弧后扩张和板片回退现象。下地幔中冷的热异常通过狭窄的高粘性的板块与洋壳相耦合,导致洋壳运动速度的下降。在海沟区域,弯曲岩石层内的粘性耗散占整个岩石层和地幔总耗散的5％至20％。 相似文献
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中国境内天山上地幔小尺度对流与造山作用 总被引：2，自引：0，他引：2
根据横跨天山的流动地震台阵记录的走时数据, 利用地震层析成像技术获得了库车-奎屯剖面660 km深度内上地幔P波速度结构. 由P波速度模型导出了相应的上地幔二维密度模 型. 利用有限单元方法联合网格-粒子方法, 研究了中国境内天山由于密度差异分布引起的上地幔小尺度对流. 给出了对流的基本形态特征, 并分析了上地幔对流与造山作用的相互影响关系. 结果表明: (1) 北天山—准噶尔盆地下方的上地幔中存在一个逆时针对流环, 对流环尺度为500 km左右; (2) 南天山—塔里木盆地一侧的上地幔中存在一个顺时针对流环, 但相对较弱; (3) 上地幔对流速度值在很大程度上受黏滞系数变化的影响, 但天山上地幔顶部对流速度值不应小于20 mm/a; (4) 塔里木盆地向北的水平推挤作用是天山新生代隆升的决定性因素, 同时, 上地幔小尺度对流对天山现今构造变形格局也起着重要作用; (5) 塔里木板块向北的运动对上地幔对流场的影响很小. 相似文献
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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/m3, 上层地幔平均黏滞系数为μ=1021Pa·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. 相似文献
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用数值模拟方法模拟了增厚大陆岩石层热边界层被对流地幔剥离并为软流层物质替代的动力学过程．结果表明,在初始温度分层分布、侧向均匀但存在微小热扰动的流场中,80km厚的增厚岩石层热边界层约需60Ma才能被完全剥离,剥离的速率微弱地依赖扰动的强度;在已建立好的流场中,同样厚度的增厚热边界层只需约10Ma就可被剥离．模拟结果暗示青藏高原地壳及岩石层在岩石层增厚和剥离以前就很热,其下伏地馒中可能已存在建立好的上地幔小尺度对流系统,而该尺度的对流系统很可能是由特提斯海洋岩石圈俯冲和消减诱发的 相似文献
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利用最新的地球重力场模型,计算了新疆及邻近地区的自由空气重力异常、大地水准面扰动异常、地壳和上地幔平均密度异常以及地幔对流引起的岩石层底界面粘滞应力场分布．根据计算结果,对新疆天山地区的构造动力学特征进行了分析和推断,认为天山处于地幔对流形成的挤压沉降环境中,在南北不对称的挤压应力作用下快速隆升,挤压应力场中心在天山以南．这种应力场特征有利于塔里木板块向天山之下俯冲的观点．天山南北两侧的准噶尔盆地南缘和塔里木盆地北缘,是地壳内质量缺失区,是由于南北两侧地壳向天山下挤压而弯曲造成的．中国天山东段的深部密度分布特征与中段和西段的不同,可能是地幔对流分布的东西向差异造成的． 相似文献
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利用中国地震台网和ISC台站1980～2004年的地震数据，反演了南海东北部及其邻近地区的Pn波速度结构和各向异性.上地幔顶部的速度变化揭示出区域地质构造的深部特征：华南地区速度较高并且变化平缓，具有构造稳定地区的岩石层地幔特征；华南沿海尤其是滨海断裂带附近出现低速异常，表明该断裂可能穿过壳幔边界深达上地幔顶部.南海北部至台湾海峡较高的速度与华南地区类似，反映出大陆边缘和陆架地区的岩石层地幔性质；西沙海槽附近较高的速度不仅反映了华南大陆向南的延伸，而且与海槽裂谷拉张引起的地幔上拱有关，整个南海北部没有发现大规模地幔热流的活动痕迹.相比之下，南海东部次海盆的上地幔顶部存在明显的低速异常，对应于海底扩张中心的地幔上涌区，表明岩石层地幔强烈减薄甚至缺失；台湾东部－吕宋－菲律宾北部的低速异常与地震、火山活动以及岩浆作用紧密相关，揭示了西太平洋岛弧俯冲带的活动特征；南海东北部的洋－陆边界清晰，南海东部和菲律宾海西部较高的速度代表了海洋岩石层地幔的性质.Pn波各向异性反映出区域性构造应力状态及岩石层地幔的变形痕迹：华南地区的各向异性较小，说明这一构造稳定地区的岩石层地幔变形程度较弱；南海北部的快波方向与地壳浅表层构造的伸展方向一致，主要反映了中、新生代以来的大陆边缘张裂和剪切作用对岩石层地幔结构的影响；琉球－台湾－吕宋岛弧两侧各向异性十分强烈，平行于海沟的快波方向表明菲律宾海板块和欧亚大陆的相互作用导致俯冲板块前缘的岩石层地幔强烈变形；台湾东南海域快波方向的变化可能与欧亚大陆和菲律宾海板块俯冲机制的转换以及岩石层被撕裂有关. 相似文献
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讨论了地幔内部的粘滞度及施加在地表和CMB 的边界条件对地幔对流环型场的激发分析表明,当粘滞度侧向均匀时,环型场与极型场自然解耦,且环型场不影响重力位,当粘滞度侧向不均时,环型场与极型场耦合在一起.两者共同影响重力位.当引入板块运动速度时,边界条件非零,也能激发环型场;对侧向均匀粘滞度地幔,零边界条件不能激发环型场 相似文献
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地幔热动力学模型 总被引：5，自引：5，他引：5
地幔,特别是下地幔,远比人们先前的设想活跃.地球物理学、地质学和地球动力学的观测和地球热动力学模拟表明:(1)地幔底部与地核交界处有一厚度为200km 左右的D″层,这是一个非常活跃的区域,它的运动和变化直接与地核的行为有关,仅仅将其看成全地幔对流的以热传导为主体的热边界层是不够的,小尺度的热对流或许主导这一层内部的物质运动,它加热地幔同时又通过热柱将其部分热量输运到地球外层;(2)地幔热柱有可能源于地球初期不均匀的残存堆积,其存储的热量不断地或穿透整个地幔形成热点或消失在软流层中与该层中的次一级对流相耦合;(3)上地幔在670km 深度范围内广泛存在次一级对流体系。其尺度为500—700km 这一对流体系决定了岩石层板块内部的构造和动力活动,其活动周期远比全球规模的板块运动活动周期小得多;(4)全球规模的大尺度全地幔对流与板块构造动力学密切相关。它以不到10亿年左右的时间完成一个周期,它不断地更新地球表层,也搅拌着地幔,同时还输运地球内部的热能向外层空间散发;(5)地幔局部地区层状相互耦合的对流结构在地震层析剖面上有明显的显示,它表明了地幔对流结构的复杂性,仅管我们对此相知甚少,但它或许是无法避免的;(6)岩石层是人类熟知的赖以生存的方舟,它的运动和构造反映了上述所有运动信息,仅仅将其视为一对流体系的热边界层是不够的,它自身作为一个独立的力学单元影响了整个地幔的热动力学过程.因此,面对如此活跃的、复杂的地幔,用一个单一的模型去描述它是不合适的.上述各种热动力学单元及其运动均有自身的力学特征及运行机制和规律,但它们又是相互作用和影响而构成地幔整体,这就是一个真实的但又模糊不清的地幔热动力学模型.为了完善这一模型,需要更多的、细致的地球物理和地球动力学的观测资料以及需要我们更深刻地理解和更认真地解释这些资料的地幔热动力学背景. 相似文献
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假设地震层析成像提供的地震波速异常对应于上地幔物质的密度异常分布，而该密度异常直接源于上地幔热对流相应的温度扰动. 在给定边界条件下，利用三维傅里叶变换，在波数域内求解控制流体行为的运动方程和连续性方程，得到上地幔小尺度对流流场. 利用密度异常驱动上地幔小尺度对流的数学 物理模型，采用胥颐、刘福田等提供的地震层析成像数据计算得到了我国西北及周边地区上地幔对流模式. 结果表明，对流流场的顶部在岩石圈较薄的盆地区域呈现上升发散流动特征，如塔里木盆地、柴达木盆地、哈萨克斯坦块体及准噶尔盆地；岩石圈较厚的山脉则对应了会聚下降的流动特征，如天山山脉、昆仑山山脉和祁连山山脉. 同时，塔里木盆地处于拉张状态，驱动其上地幔物质南下向青藏高原北部西昆仑运动，以及北上向天山下部流动，这可能是天山隆升的原因之一. 相似文献
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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. 相似文献
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亚洲岩石层是否俯冲到了青藏高原之下?这对于理解高原生长机制非常重要。我们使用来自青藏高原东北缘固定台站的地震波数据,利用P波和S波接收函数研究了青藏高原东北缘岩石层和上地幔的结构特征。P波和S波接收函数偏移成像结果显示,在青藏高原下面有一个厚的地壳和一个模糊的岩石层—软流圈边界(LAB),这与亚洲块体下方相对来说较薄的地壳和尖锐且清晰的岩石层—软流圈边界形成了鲜明对比。亚洲块体下清晰的岩石层—软流圈边界向青藏高原倾斜,但并没有显著延伸到青藏高原之下;这与俯冲到青藏高原之下的亚洲岩石层地幔模型是不一致的。相反,我们的结果表明亚洲岩石层的变形对于正在生长的青藏高原的响应是有限、被动的。 相似文献
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《地球物理学进展》1986,(2)
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。 相似文献