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俯冲带的穿透与地幔对流 总被引：1，自引：1，他引：1
一、板块运动与地幔对流六十年代板块构造理论逐渐为地球科学工作者所接受。板块运动的动力学问题为人们所关心。这促使地幔对流理论的发展,逐渐形成两种不同的地幔对流理论,如图1所示。一种理论认为是整个地幔对流。O'Connell(1977)及Davies(1977)等认为地幔对流是在整个地幔范围内进行的,这种运动拖曳着上覆的刚性板块运动。这种对流模式较容易理解。它的主 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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随着资料的积累，不断发现与板块假说相矛盾的事实：地震层析没有发现地幔对流的证据，却发现大陆克拉通具有４００ｋｍ深的“壳根”；海洋地质调查发现一系列否定板块假说的重要证据，尤其是大西洋中多处发现古岩石；使海底扩张模型受到严重挑战；跨越扩张脊的一系列测量结果实际实际上否定了扩张假说。 相似文献
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地幔过渡带顶部低速层的成因及性质研究,对于认识地球内部物质运移及地幔对流过程等具有非常重要的动力学意义.最新的地震学研究显示,华南陆块东部地幔过渡带顶部的低速层存在着明显的区域性差异.一般认为,该低速层的形成与脱水引起的部分熔融有关.本文利用部分熔融体系的平衡几何模型,重点分析了熔体成分、位温、二面角和玄武质含量等因素对熔体含量的影响,并结合该低速层的分布特征,估算出研究区的南北两个子区域地幔过渡顶部熔体含量分别为~1.18vol.%和~2.02vol.%.这一熔体含量的显著差异可能与太平洋板片多期次俯冲作用的叠加有关. 相似文献
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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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自20世纪90年代首次探测到410-km间断面上覆低速层以来,全球多个俯冲带和大陆克拉通地区都陆续发现了该低速层结构.对其特性及形成机理的探讨是深部地幔结构、物性和动力学研究的热点问题.本文聚焦于西北太平洋俯冲地区410-km间断面上覆低速层的探测及特性研究上.通过对发生于日本北海道地区两个中等深度地震区域波形资料的分析,利用三重震相波形拟合方法获得了我国东北及日本海西北部下方410-km间断面附近的P波速度结构.速度模型明确显示,410-km间断面上方存在厚~47±14 km,异常值~2%的低速层,横向展布近700 km.结合区域地震层析成像、矿物高温高压物理实验及动力学模拟结果,我们否定了"从下至上"的上涌热物质导致410-km间断面上覆低速层的模型;认为较老且快速俯冲的太平洋板块在地幔过渡带顶部脱水导致硅酸盐矿物的部分熔融,由于熔体密度较大能够稳定存在于410-km间断面之上,从而产生了观测到的横向展布较广的410-km间断面上覆低速层结构. 相似文献
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四年来利用各种地震震相与地震技术广泛地研究了地球内部的深部构造。大部分研究着重围绕在对地核和地幔横向速度非均匀性的定量的三维描述上。据认为,这些非球面的速度变化是与对流过程有关的热和结构的非均匀性的直接体现。地球深部横向速度变化第一代全球模型的提出,提供了反映非稳态热对流系统的大尺度构造的令人神往的图象。地幔上部400公里的深部具有最强的横向速度变化,横波速度达±10％。不要求先验区域化的面波分析表明,地面构造区域与地幔顶层的速度变化有着密切的联系。因此,上地幔200公里深部的热和对流状态可从板块构造的角度得到可靠的解释。由于海洋和活动构造区域的速度构造差异一直延续到400公里的深度,上地幔模型证实了大陆有深根的论点。在400到670公里的过渡层以及整个下地幔内,测得波长很长的横向速度变化为百分之几。这些深部的变化与地表构造没有多少对应关系,现正开始尝试对其性质作出解释。地幔最下部200公里(D″域)的横向速度起伏与在上地幔中的那些起伏是类似的,并且有证据表明,D″层顶部存在着明显的速度不连续性。能粗略反映岩石圈面目的、结合热和结构的边界层是对这种异常区的可靠解释。核-幔边界似乎有显著的(10公里)长波长起伏,这大概是由来自深地幔对流的动力学应力来维持的。内核可能有强的横向非均匀性或轴对称各向异性,从而表明了其复杂的热和结构的状态。在描述地幔内短周期体波频带的非弹性衰减的频率依赖性的特征方面已取得了重要的进展。用于远震 P 波衰减因子的模型是收敛的,即适合于1赫的 t~*值是0.7—1.0秒,而适合于4赫处的 t~*值为0.4—0.6秒。衰减的区域性变化也正在慢慢地被认识。 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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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 相似文献
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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 相似文献
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粘度为常数或仅随深度变化是地幔对流模型中常用的假设. 本文在常粘度背景下， 通过假定小扰动粘度在纬向上的变化形式， 将粘度的横向变化引入地幔对流模型中， 并给出了变粘度地幔对流模型的数值解法. 对外边界为刚性、 内边界为应力自由（简记为R-F边界）和内外边界均为刚性（简记为R-R边界）边界的两种模型进行了计算， 对比了不同模型、 深度和瑞利数时的环型场的变化特征. 注意到环型场能量主要集中在球层的中、 上部区域， 其速度仅占总速度的几个百分点， 这个比例几乎不随瑞利数的变化而改变， 但其对流图样受瑞利数的影响较大. 环型场的对流形态和速度的分布特征表现出了明显的纬向差异， 这一结果清晰地反映出地幔粘度的横向变化对对流形态的影响. 目前的工作还只是初步的， 但为我们探讨全球大地构造上的某些现象， 例如南北半球的不对称性和差速旋转问题提供了一种可能的研究思路. 相似文献
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定义了描述地幔混合程度的新的统计学量度——地幔块体对流置换度和对流混合扩散度.地幔块体对流置换度等于至少被置换一次的块体数与地幔总块体数之比，对流混合扩散度等于示踪元初始体密度与示踪元终体密度之比.本研究假设地幔对流是稳定的，上地幔和下地幔的黏滞性存在差异，其驱动力为板块运动或地幔中密度异常分布.实验中地幔被划分为20736 个块体（5°×5°×300 km），2376个示踪元被放置在地幔顶部100 km深度或底部100 km高度的5°×5°的网格点上.模型计算表明， 地幔块体对流置换度随运转时间变化.就全地幔而言，在系统运行四十亿年后，大多数模型对应的块体对流置换度均超过80%，而上地幔块体置换度则达到90%.这预示大多数的地幔块体将被来自其他位置的块体所取代.对于放置在地幔顶部或底部，浓缩于很小空间10°×10°(间距0.25°) 中的两组1681个示踪元而言，尽管其对流混合扩散度在开始有较大的差异，但是在运行一段时间之后，此两组对应的对流混合扩散度均趋于常数，示踪元比较均匀地分布于全地幔之中.由以上的结果可以推断，在经历了四十五亿年的演化过程后，由于对流的作用使地幔基本上已经均匀混合，地幔中不大可能存在尺度大于5°×5°×300 km的异常块体. 相似文献
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回顾了与深俯冲和地幔底部结构有关的层析成像的一些新近结果，成像显示出了一些地震波速高于下地幔平均值的狭长结构，它们和上地幔地震板相连续，其地理分布和过去120Ma中板块敛合区出露于地表的位置相关性很强，在大约2000km深处，这些长的线性结构分裂成更小的单元，然而，在一些地区，狭窄的下降体看起来好象是延伸到了地幔底部，在这些地方它们的分散开来形成长波长结构。这样就支持了认为深俯冲和下地幔的复杂结构有关系的预测，上升体似乎没有像下降体那样更普遍地存在，而且所使用的P波数据也成像较差，这些结果证实了很多过去基于残差球谐分析的结果，也和放射性衰减从内部加热而产生的全地幔对流假说一致。尽管有全幔的对流，但对流流动似乎在上地幔过渡带以及在大约1800－2300km深处的过渡带被强烈地扰动，虽然成像未必能反映出因状态变化而引起的深部对流形态的变化，但是P波和S波数据的联合反演表明它和纵波及横波波速之比的变化是一致的，弹性模具的这种表现在其他地方也有报道，这暗示了地幔底部附近广泛存在化学非均匀性，因此地幔底部约800km的区域包含了有助波于我们理解地球构造和演化的信息，不幸的是，我们不能采集到足够多的直达P波数据，但如果使用核震相，则数据覆盖能够得到改善，我们初步的研究认为，虽然本文提出的P波模型解释了大量的已被用于研究核幔边界上部非均匀性的PKP波走时残差，但是却低做了它们的幅度，走时差和直达P波数据的联合反演可望减少波速模型中非均匀性程度的明显偏差，而且它还充分利用了走时残差的优点，而不必假定异常的位置。 相似文献
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在小尺度地幔对流模型的基础上,建立了顾及岩石层与地幔耦合的地幔对流模型,考虑到岩石层对上地幔小尺度对流的弹性响应,将上地幔视为一均匀的等粘滞系数的牛顿粘滞流体,其对注能量来源于下地幔,用热流体动力学基本方程得到地上地幔对流在壳幔边界处的垂向应力作为弹性板弯曲方程的垂直加载,来耦合弹性岩石层和可流动地幔,推导了两者耦合下区域重力异常和上地幔小尺度对流的相关方程,用以反演上地幔小尺度对流场模式和岩石层底部拖力场格局,对比了有,无弹性岩石层影响的模型之间的差异,并对模型应用范围,特别要板块边界水平均造力可能产生的影响,作了进一步探讨。 相似文献
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地幔过渡带间断面的形态能够提供地幔动力学状态的重要信息.本文利用密集流动台阵观测获得的地震波形记录,采用高分辨的地壳-上地幔速度结构成像结果作为接收函数共转换点叠加的速度模型,获得了华北克拉通地区地幔过渡带410km间断面和660km间断面深度的空间分布.结果揭示华北克拉通410km间断面和660km间断面结构的空间变化显著,存在多处间断面深度异常.地幔过渡带的结构特征以南北重力梯度带为界分为东西两部分;410km间断面变深（420～430km）的区域主要分布在华北克拉通东部,660km间断面变浅（642～655km）的区域出现在华北克拉通西北部;在华北克拉通东南部,660km间断面显著加深.本文分析认为,停滞在地幔过渡带的太平洋俯冲板块、厚度剧烈变化的克拉通岩石圈以及它们与周围地幔的相互作用,导致华北克拉通下存在活跃的地幔流动体系,造成过渡带间断面形态的高度不均匀.本文推测了两种可能的地幔过程：在克拉通根厚度显著变化的区域发生减压熔融,或者边界驱动的对流引起地幔物质沿着厚的克拉通根向上流动;或者是停滞在地幔过渡带的俯冲板块部分沉入下地幔,同时导致被排出的下地幔物质上升. 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