地幔底部熱化學異常演化及其對地幔對流格局影響的數(shù)值模擬.pdf

1、地幔中存在各種尺度的不均勻性。其中以淺表巖石圈和深部D”區(qū)域的不均勻性最為顯著。大陸巖石圈和海洋巖石圈間的差異是地球淺表最顯著的橫向不均勻;D”區(qū)域的不均勻包括尺度為上千公里的超級熱柱(或低剪切波速度區(qū)，LowShear wave Velocity Zone)、尺度為數(shù)百公里的D”頂部的起伏，及尺度為幾十公里的超低速區(qū)。大陸巖石圈(尤其是古老的克拉通)和海洋巖石圈熱力學性質(zhì)的差異主要表現(xiàn)為其具有較低的溫度、較低的化學密度和較高的粘度;地

2、幔底部D”區(qū)域的不均勻性的起源則爭議很大。大尺度的超級熱柱及小尺度的超低速區(qū)的不均勻性可能是化學起源的，中等尺度的D”層頂部的起伏則可能是相變成因的。同時，由于D”層是地幔和地核的邊界，熱不均勻性在D”層內(nèi)扮演重要作用。由此可見，D”層可能同時包含熱的、化學的和相變的不均勻性。它們的共同作用導致了復雜的地震波結(jié)構(gòu)、火山玄武巖的地球化學微量元素、同位素的不均勻性等。
　　 對地幔，尤其是地幔底部不均勻性成因、演化的研究有助于理解地

3、球的演化、地球化學不均勻性的起源等重要的科學問題。而對該領(lǐng)域的研究進展，主要源于地震學、地球化學、地球動力學和礦物物理學。由于計算機的發(fā)展，數(shù)值模擬地幔對流成為地球動力學領(lǐng)域研究地幔底部不均勻性成因及演化的最主要手段。本文利用數(shù)值模擬的方法研究了地幔底部不均勻性的演化及其對地幔結(jié)構(gòu)的影響。其著重點在于地幔底部熱化學異常的演化及大陸巖石圈、超低速區(qū)、鈣鈦礦-過鈣鈦礦相變可能對其演化產(chǎn)生的影響。論文主要包括以下內(nèi)容:
　　 (Ⅰ)下

4、地幔底部熱—化學異常體演化的數(shù)值模擬
　　 非洲底部的低剪切波速度省(Large Low Shear wave Velocity Province，LLSVP)可能是具有原始起源的熱化學異常體。其位置對應著升高的大地水準面。大火成巖省(Large Igneous Province，LIP)在過去的3億年中的噴發(fā)位置及現(xiàn)今大部分深起源的熱點與LLSVPs在CMB處的邊界吻合。這意味著非洲熱化學異常體的形態(tài)和位置可能在過去的3億年中

5、保持不變。我們進行了熱化學對流的數(shù)值模擬，以研究在何種情況下，地幔底部的熱化學異常體能夠保存45億年并且其形態(tài)和位置能夠在3億年的時間內(nèi)保持基本不變。本文主要結(jié)論有(1)在2D中使用22.6km的分辨率能夠較精確地估計高密度熱化學異常的存活時間。(2)高粘度的熱化學異常會促進熱柱在其邊緣而非內(nèi)部產(chǎn)生。(3)對化學異常的攜帶速率在初始和最終時刻較慢，但在中間階段較快。如果我們假定非洲熱化學異常的體積在過去的3億年中改變不大，則從其形成至今

6、，非洲熱化學異常的體積減小不超過一半(4)低粘度的熱化學異常，其形態(tài)和位置改變速度較快。因此，下地幔底部熱化學異常的高粘度可作為其長的存活時間、在過去的3億年間位置和形態(tài)變化不大的一個解釋。
　　 (Ⅱ)大陸巖石圈，地幔底部熱化學異常體與周圍地幔相互作用的數(shù)值模擬研究
　　 在地球表層存在著占地表面積約30％的具有低化學密度，高粘度的大陸巖石圈。由于其特殊的物理化學性質(zhì)，大陸巖石圈通常不直接參與下方的地幔對流，但其與地幔

7、對流格局有著重要的相互影響。大量研究顯示，在中太平洋和非洲的下地幔底部，存在著兩塊占核幔邊界(CMB)面積約20％的高密度熱化學異常體?？梢岳斫猓惓ｓw的演化既受地幔對流的影響，也受到大陸巖石圈的影響，同時也影響地幔物質(zhì)運動的格局和動力學過程。本文系統(tǒng)研究了存在大陸巖石圈，下地幔熱化學異常體的地幔對流模型。模擬結(jié)果顯示:(1)當大陸體積較小時，其邊緣地幔常伴隨著較強的下降流動，大陸區(qū)域下伏地幔的平均垂向速度向下，海洋區(qū)域地幔的平均垂向速

8、度向上。大陸巖石圈在水平方向處壓應力狀態(tài)。隨著大陸體積的增大，大陸邊緣的下降流逐漸減弱，大陸區(qū)域地幔的垂向速度逐漸轉(zhuǎn)為向上，海洋區(qū)域地幔平均垂向速度逐漸轉(zhuǎn)為向下。大陸巖石圈水平應力逐漸轉(zhuǎn)為拉張。(2)巖石圈與軟流圈邊界(LAB)在大陸下方較深，溫度較低;在海洋區(qū)域較淺，溫度較高。隨著大陸體積的增大，陸洋之間LAB深度、溫度的差異逐漸減小。(3)大陸區(qū)域地幔底部熱化學異常物質(zhì)的豐度與大陸的體積呈正相關(guān)。當大陸體積較小時，大陸下方的熱化學異

9、常物質(zhì)豐度比海洋區(qū)域少。隨著體積的增大，大陸下方熱化學異常物質(zhì)的豐度逐漸增大，最終達到和海洋區(qū)域一致。(4)海洋地區(qū)地表熱流高，且隨時間波動大，大陸地區(qū)地表熱流低，隨時間波動較小。(5)下地幔熱化學異常區(qū)域的核幔邊界熱流低。(6)下地幔底部熱化學異常受地幔流場影響而產(chǎn)生變形，熱柱在熱化學異常的凸起處產(chǎn)生。
　　 (Ⅲ)鈣鈦礦-過鈣鈦礦相變對地幔底部大尺度熱化學異常、超低速區(qū)的影響
　　 除地表巖石圈外，D”層是地幔內(nèi)部最

10、復雜的圈層。其可能同時具有相變的、化學的、溫度的異常。前人研究豐富了我們對下地幔底部熱化學異常(LLSVPs)、超低速區(qū)(Ultra Low Velocity Zone，ULVZ)，過鈣鈦礦相變相互作用的理解。然而，仍有許多工作有待完善。如，過鈣鈦礦對超低速區(qū)分布及形態(tài)的影響、過鈣鈦礦對原始的化學層的影響，過鈣鈦礦對CMB地形的影響等。本文在2D直角坐標域進行了同時包含地幔底部熱化學異常、超低速區(qū)、周圍地幔以及鈣鈦礦-過鈣鈦礦相變的熱化

11、學地幔對流數(shù)值模擬。探討了鈣鈦礦-過鈣鈦礦相變對地幔結(jié)構(gòu)，地幔底部熱化學異常、超低速區(qū)的影響。主要有以下結(jié)論:(1)超低速區(qū)趨向于位于熱化學異常體的邊緣及內(nèi)部。熱化學異常邊緣區(qū)域的超低速區(qū)常比熱化學異常內(nèi)部超低速區(qū)大。隨著熱化學異常在下涌流的推動下在CMB滑移，超低速區(qū)的位置也跟著變化。在運移過程中，超低速區(qū)總是位于熱化學異常的內(nèi)部或者邊緣。(2)加入相變面會使得高密度化學物質(zhì)變得更不穩(wěn)定。降低過鈣鈦礦的粘度，會導致過鈣鈦礦水平范圍的增

12、大并進一步降低熱化學異常物質(zhì)的穩(wěn)定性。(3)包含低粘度的過鈣鈦礦相變會升高中上地幔的溫度，包含正常粘度的過鈣鈦礦相變會升降低上地幔的溫度。過鈣鈦礦相變對地幔底部的溫度影響不大。(4)加入相變面，會使得地幔，尤其是地幔底部速度增大。當過鈣鈦礦具有低粘度時，這一現(xiàn)象尤其明顯。(5)下涌區(qū)的CMB地形為負，當包含鈣鈦礦-過鈣鈦礦相變，且過鈣鈦礦具有較低粘度的時候，下涌區(qū)的CMB地形幅度會減小;包含鈣鈦礦-過鈣鈦礦相變，且過鈣鈦礦具有和鈣鈦礦相