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我们得到了对流开始非线性状态下两重叠高粘性流体层对流的数值解。这两层高粘性流体与地球的上下地幔一样厚,由一个固定的水平界面分开。考虑了几个热结构和热边界条件,包括一个等温底部边界、一个设定的热流的底部边界和具有绝热下边界的内热结构。对流开始时,由于每层物质的性质相同,下层比上层更不稳定,长水平波长(与下层的厚度成正比)占优势。对物性差异很大的那些层来说,在对流开始时上层更不稳定,短水平波长(比例于上层的厚度)占优势。当选择的物质的性质使两层同样不稳定时,在长波长具有较小最小值的稳定曲线(瑞雷数Ra-波长关系曲线)出现两个极小值。线性稳定结果具有较弱的非线性对流的特征,除非两层物质都不稳定。当两层具有不同的稳定性时,较稳定的层有一个传导温度场,它的流动是由不稳定层的对流流动的粘滞作用驱使的。当两层具有相同的不稳定性时(即使在对流开始瑞雷值仅两倍于临界值时),两层分别对流。当Ra超过临界值足够大时,下层以长波长对流环对流,甚至在线性稳定理论预测为短波长对流环时也如此。上层总是以短波长对流环开始对流。然而,下层上方的上层对流环的下沉热柱体积随着Ra的增大而增大。于是,水平波长(比如层的尺度)不能用来区分全地幔对流和分层地幔对流。在每层物质的性质相同及Ra相同时,都存在着层间机械耦合(下沉热柱覆在上升热柱之上)。当每层物质的性质很不相同以至在对流开始产生短波长对流环时,在下层两个热柱之上的上层有两个热耦合对流环(下沉热柱在下沉热柱之上和边界处的一个剪切带)。就所有被检验过的情况而论,边界两侧存在一个很大的温度差(总和的50％),暗示着在670km间断面处,两层地幔对流也应该有一个很大的温度变化。但与温度有关的粘性也许会减小这个温度差异。对消减带上重力平面异常和板块地震走时异常的解释应该能说明上、下地幔分层对流系统可能的热耦合机制。 相似文献
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本文以板块绝对运动AM1-2模型为边界条件探讨了不同的瑞利数下地幔热对流模型.结果表明,瑞利数小于10000（529.41）时,地幔对流呈现以板块驱动图式,运动的极型场和环型场由板块运动激发,两种场占有差不多相同的功率.当瑞利数增加到接近或略超过最低临界值时（约1.5倍）,对流呈现出复杂状态:1.板块运动速率小于下伏地幔对流速率;2.区域性的双层对流环出现;3.对流谱成分发生变化;4.环型场仅在地幔很浅的区域中起作用,而在地幔深部对流图式中影响很小. 相似文献
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金星表层年龄和构造活动特点表明其岩石层在最近的地质历史时期经历过广泛的更新.这种全球性的表层改造与其内部热演化历史进程密切相关.如果金星存在相变形成的上、下地幔,依据现今所了解的金星物理性质和参量化的热对流理论,并且考虑金星地幔相变边界层状态对对流的控制作用,我们计算了金星热演化历史.结果表明,金星的热演化历史是一种非单调的冷却过程,在这种非单调的热演化历史进程中,金星地幔会出现大体等周期的翻转.由于参数选取的不同,翻转时金星上、下地幔的温差随时间可能出现稳定变化、逐渐加强、逐渐减弱三种不同演化模式,目前尚不能确定实际金星热演化历史究竟是哪一种模式.金星地幔相变边界层的穿透对流可能是推动其表层岩石层全球性更新的关键,导致其表层火山活动和地表构造以大致500 Ma时间间隔更新和重造. 相似文献
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建立了三维黏度扰动下的变黏度地幔对流模型,并提供了在引入地幔的三维地震波速度结构下相应的求解方法. 依此反演了瑞利数Ra = 106时,两种不同边界条件下的极、环型场对流图像,这有助于深化对地幔物质流动和大地构造运动的深部动力学过程的认识和理解. 研究结果表明,不但地幔浅部的极型场对流图像显示出了与大地构造运动的相关性并揭示了其深部动力学过程,更重要的是,地幔浅部的环型场对流图像首次为我们认识和理解板块构造的水平与旋转运动提供了重要的信息：环型场速度剖面中在赤道附近存在一条大致南东东—北西西向的强对流条带,可能与环赤道附近大型剪切带的形成相关,进而表明可能是该带强震发生的深部动力学背景;在南北半球存在的旋转方向相反的对流环表明它们整体上可能存在差异旋转. 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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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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利用Megellan号探测器确定的重力场和地形模型资料,进一步分析了金星重力场特征,并利用金星地幔对流模型建立了动力学模型的大地水准面地形比,即动力学模型导纳.然后利用该动力学模型导纳,基于2~40阶大地水准面是由与动力学过程相联系的岩石圈下密度异常产生的假定,在扣除重力场和地形的动力学影响的基础上,利用球面Parker公式反演了金星地壳的厚度.结果显示:金星重力场和地形受到金星地幔动力学过程的强烈影响;金星地壳也对地形产生显著影响;金星地壳厚度变化范围主要集中在28~70 km,Ishtar高原以及Aphrodite高原西部的Ovda和Thetis区域是金星地壳最厚的区域(大于50 km),该区的高地形主要与地壳均衡相关,这与其是古老陆地残留的推测一致.在Beta,Themis,Dione,Eistla,Bell和Lada区域地壳厚度较薄,且与地形无明显相关.特别是在Aphrodite高原东部的Atla和Imdr区域,地壳厚度与周围区域地壳厚度基本一致.这种特征与这些区域的高地形主要是由热柱的动力学过程引起的假定相一致.与包含动力学影响得到的金星地壳厚度相比,扣除动力学影响后得到的金星地壳厚度能更好地反映金星地壳的演化和内部动力学过程. 相似文献
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地幔转换带是上下地幔物质运移和能量交换的必经通道,其速度结构和上下界面的起伏能够为认识地幔内部的温度和物质变化、地幔对流模式等地球演化相关的科学问题提供关键约束.本文利用布设在中国东北地区的高密度固定台网和流动台阵所记录的远震体波接收函数,采用Ps散射核叠前深度偏移成像方法,获得了台站下方地幔转换带界面及其内部速度间断面的三维精细图像.研究结果表明:西北太平洋俯冲板片上下界面在地幔转换带内清晰可见,在高纬度(44°N)区域存在约 30°的倾角;660-km间断面的深度起伏具有明显的分区性,在与俯冲板片相交处以西 200～300 km,界面出现约 20～40 km的下沉,而长白山和龙岗火山的西北区域存在约 5～15 km的抬升,分别与板片滞留引起的低温异常和局部热物质上涌相对应;410-km间断面的起伏形态较复杂,在大部分区域观测到大于 10 km的下沉,且表现出明显的区域性横向变化,与深俯冲动力学背景下冷的温度异常造成的影响不一致.我们认为板片俯冲、停滞和海沟后撤过程中引起的地幔转换带物质异常、含水状态及分布的变化是显著改变410-km间断面形态的主要原因.本文获得的高精度地幔转换带界面三维形态为更好地认识东北亚地区俯冲板片在地幔物质分布和能量交换中的作用提供了重要参考. 相似文献
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各种地球物理资料表明,软流层内长波长的温度变化偏离平均值士200℃,而不是地幔柱理论家们采用的±20℃。由板块构造过程(俯冲冷却、大陆绝缘和小尺度对流)引起的“正常”温度变化范围涵盖了被认为是由热喷发和热柱引起的盈余温度。地球物理方法给出上地幔可能的平均温度为1400℃。在洋脊、裂谷、破裂带和大陆裂解起始处,软流层内的对流在本质上是三维的,形成了不受深部热不稳定性影响的浅部似柱状结构。深部窄热柱没什么作用,这一看法被隆起和沉降数据所证实。“板块中央”火山活动的位置和体积似乎受岩石层结构、应力和裂纹的控制。 相似文献
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本文利用有限差分方法,计算了全地幔对流模式和双层地幔对流模式下日本海沟俯冲带热结构、浮力及P波速度异常分布,基于亚稳态橄榄石相变模型推测亚稳态橄榄石的存在范围,同时分析了热传导系数、热膨胀系数和热源对俯冲带热结构的影响,以及俯冲带所受浮力与俯冲带形态的关系.结果表明,双层地幔对流模式下模拟的P波速度异常分布与层析成像结果更为相符,也与深源地震的分布有较好的相关性.板块内部亚稳态橄榄石的存在范围随热传导系数和热膨胀系数的减小而增大,同时忽略相变潜热和剪切生热的影响也会造成模型所预测的亚稳态橄榄石范围偏大.俯冲带所受负浮力在400 km深度附近达到最大值,亚稳态橄榄石的存在使负浮力逐渐减小,甚至在板块内部产生正浮力,不利于俯冲带穿透660 km相变界面. 相似文献
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综合利用7条地学断面（GGT）资料研究了大兴安岭重力梯级带附近的壳幔地球物理特征模式.分析了形成上述地球物理特征的3种因素:东亚大陆边缘周边三大板块运动、地幔流运动和地幔热柱。对大兴安岭重力梯级带的重力异常的正演拟合结果表明，壳幔物质密度不均匀和莫霍界面超伏造成该带的重力异常，地应力场的综合作用产生了该重力梯级系列地球物理特征。最后，探讨了大兴安岭重力梯级带成因机制，提出了以“挤”、“涌”为动力的“三结点模型”。 相似文献
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最近,提出了一种新的地幔对流模型,它与过去的标准模型相比要更接近实际一些。当然该模型还存在一些有争议的问题,不过我们认为,该模型可以调和不同研究领域矛盾的证据,因而为进一步研究对流提供一种新的构架。借助于我们最近的一些研究工作(Albarede,1998)以及其他人的一些研究工作,我们对由Kellogg等(1999)、van der Hilst和Karason(1999)提出的模型作了更深入的研究。新的观点认为,一个深地层大致位于地幔中较低的第三层,该地层的化学成分明显地与其上覆的地层不同。这样的一个深地层将决定地球放热元素的实际部分,并有助于达到一些临界同位素体系的热平衡。化学变化和热密度变化间微妙的平衡产生了明显的动态地形,这一过程使得地震波监测复杂化,但却有利于沉降板块的穿过。热柱将形成于对流地幔的地层边界与上覆部分的过渡带中。若割裂气体消失、气体不完全消失或气体逸出的地层与从地震学角度已被证实的、被660km间断面分开的上下地幔之间的关系,要协调其他矛盾的证据看来还要颇费一番功夫。 相似文献
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在朱涛等的"球层中的非线性自由热对流-变粘度模型"研究中(2004),我们建立了变粘度地幔对流模型,不仅获得了描述地幔物质垂直运移特征的极型场,而且获得了描述地幔物质水平运移的环型场.在计算中,假定在常粘度背景下的小粘度横向扰动形式非常简单,仅仅随着纬度而变化,其它参数取值非常接近真实地球,依此从理论上获得了变粘度情形下环型场的某些认识.但是,它还不能被直接用来解释或联系实际的地球构造运动及其分布,因为在模型中还没有引入任何实际地球物理观测资料来约束模型.建立模型的目的是希望它能为合理认识和理解现今的地球构造现象及其动力学演化过程提供帮助,为此,必须使得地幔对流模型更加合理、更加接近真实情况.一般情况下,主要采用两种方式将地球物理资料引入地幔对流模型: 相似文献
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岩石圈和软流圈的相互作用是现今地球动力学研究的热点问题之一．本文针对岩石圈与软流圈的相互作用模型,开发了新的基于热-流-固三场耦合方法的有限元程序．岩石圈变形和对流的地幔之间的耦合方式为：地幔在热驱动（或运动岩石圈的拖曳）下产生对流,对流的地幔对耦合边界施加载荷并造成岩石圈的变形,变形的岩石圈反作用于软流圈从而影响其地幔对流的状态．温度场根据速度场和网格变形的结果适时调整,如此反复推动整个系统的演化．利用该耦合方法模拟了“地幔柱作用下地表隆升”地质过程, 其结果与实际地质资料和地质认识能很好的吻合,验证了该方法模拟地幔与软流圈相互作用过程的有效性及处理复杂耦合问题的能力. 相似文献
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利用华北固定台网的宽频带地震远震记录波形资料,提取P波接收函数,通过偏移成像和共转换点叠加,得到华北地区东部地幔过渡带深度及厚度的图像.研究结果显示,地幔过渡带上界面(410km间断面)深度起伏变化不大;在华北地区东部,存在较厚的地幔过渡带,地幔过渡带下界面(660km间断面)在660km深度附近出现两个不同的界面.造成地幔过渡带增厚并出现两个深度不同的界面的原因可能是存在橄榄岩以外的地幔物质相变,该物质相变拥有与橄榄岩向钙钛矿转变不同的克拉伯龙斜率,太平洋俯冲板块的低温造成两种不同的相变界面发生不同程度的改变.双重660km间断面的范围存在向北西方向延伸的趋势并且向南至少延伸到30°N.本文的结果可为古西太平洋板块向华北俯冲前缘位置的研究提供约束. 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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青藏东缘和东北缘是高原生长和扩张的前缘,研究其地下物质及变形特征有助于理解青藏高原生长机制.本文收集187个固定地震台站记录的长达7年的三分量连续波形数据,辅以189个流动台站3年的数据,开展噪声瑞利波和勒夫波群速度层析成像工作.基于8～40 s周期瑞利波和勒夫波群速度,通过线性反演方法得到地下50 km深度范围的三维SH和SV速度结构.我们定义径向各向异性ψ=2(v_(SH)-v_(SV))/(v_(SH)+v_(SV)),以此来展示地下物质变形以水平方向(v_(SH)v_(SV))还是垂直方向(v_(SH)v_(SV))为主.径向各向异性显示青藏高原东缘和东北缘具有完全不同的变形机制.青藏东北缘以垂向变形为主,地壳流模型不太可能是该区域主要的变形机制.青藏东缘以水平变形为主,支持中下地壳流变模型.柴达木盆地和四川盆地下方径向各向异性差异显著,说明高原边缘稳定的地块在高原扩展中起到不同的作用. 相似文献