东亚地幔流动速度研究

用高分辨率地震体波速度成像以及相关的地球物理资料,计算地幔垂直和切向流动形式及流动速度,得到东亚及西太平洋大体分为3个区域物质流动大致方式:东亚边缘裂谷系和西太平洋边缘海为下部会聚上部扩散的地幔上升流,尤其对于南海来说,大致勾勒出南海地区构造特征——从上到下的大体结构可能是上部呈“工”字型结构、中间为圆柱型、底部呈发散形的地幔上升流;西伯利亚地幔物质上部会聚下部扩散的“人”字型下降流;青藏高原—缅甸—印度尼西亚特提斯俯冲带上部会聚下部扩散的“人”字型地幔下降流。东亚西太平洋分为3个区域地幔对流与地表的西太平洋构造域、古亚洲构造域和特提斯构造域相吻合。东亚中部的物质在地幔深部无明显流动趋势。地幔上升流起源于核幔边界,主要表现在下地幔和上地幔下部,到上地幔顶部和地表与现代热点位置符合。地幔垂直流动速度每年1～4cm,切向速度为每年1～10cm。

现今的地幔流动及其与板块构造的相互作用:从观测证据得到的推论

地震波速度结构层析成像和地震各向异性分析,是推测现今地幔流动的主要观测依据.从已有研究结果看,全球尺度的地幔流动的两个主要边界驱动力是顶部的冷却和底部的加热,地幔的密度和粘度控制流动速率.沿海沟由消减板带动的地幔下沉,和沿热点下面幔柱及洋中脊的地幔上升,是地幔垂直向流动的表现.GPS等测量显示的全球板块运动在一定条件下反映地幔顶部的水平流动.地幔柱可能有不同的根源深度,沿幔柱上升的地幔流在200-350km深度转变为水平流动.消减带附近有复杂的地幔流动格局,表明局部构造条件对地幔流动的影响.大陆下一般出现两个地幔各向异性层,较深的可能反映地幔流动,并与大陆根的状态有关.在不同构造环境下,地幔流动与板块构造之间有不同形态的相互作用关系,它可能驱动板块运动,也可能对板块运动产生阻力.

三维球壳地幔流动形式探讨

建立三维球壳模型，将地壳和地幔作为不可压缩牛顿粘性流体处理，考虑了大陆、大洋、洋脊及俯冲带的不同物性参数，利用有限元法求解流体运动的基本方程组，研究地幔流动、板块运动与大地构造之间的关系。计算表明，速度边界条件、粘度分布等是影响地幔流动形式的主要因素。若地表径向取应力边界条件，且径向速度自由，则没有封闭的对流环存在。计算得到的地表径向速度分布与全球的构造分区具有显著的对应关系：在岛弧区、造山区速度向上运动，在大洋区、边缘海及裂谷区速度向下运动。

全球地幔垂直流动速度研究

用高分辨率地震体波速度成像以及相关的地球物理资料，计算地幔垂直流动形式及流动速度，得到全球地幔流垂直运动模式．从全球尺度来看，地幔流基本可划分为以下几个区域：欧亚大陆-澳大利亚、北美洲-南美洲为两个大规模下降流区域，西印度洋-非洲及大西洋、中南太平洋及东太平洋为两个大规模地幔上升流区域．地幔上升流起源于核幔边界，主要表现在地幔中部和上地幔下部．地幔垂直流动速度约每年1-4cm．地幔流动对地表板块运动、海洋中脊和中隆、俯冲带和碰撞带的分布起着控制作用．地幔上升流与地表现代热点有密切关系．从东亚尺度看，地幔流大体分为三个区域：东亚边缘裂谷系和西太平洋边缘海为上升流、西伯利亚地幔深度表现为物质下降流、青藏高原-缅甸-印度尼西亚特提斯俯冲带地幔下降流，这三个区域地幔流动与地表的西太平洋构造域、亚洲构造域和特提斯构造域相吻合．勾勒出南海地区构造特征：从上到下的大体结构是上部呈“工”字型、中间为圆柱型、底部星盾形的地幔上升流．

板块激发的地幔流动对于全球热流分布的作用

利用一个相对简单的等粘度模型 ,探讨了板块运动的热效应及其对于观测热流的形成与分布的作用 .结果表明 ,运动的板块确实对地幔内部的温度场有实质性影响 。

青藏高原东部壳幔速度结构和地幔变形场的研究

在青藏高原东部地球动力学问题中,笔者在文中主要考虑与地壳上地幔速度结构和地幔变形场有关的问题,它涉及当前流行的下地壳流动模型和壳-幔的耦合-解耦模型。在2000年完成的穿过川西高原和四川盆地的深地震测深剖面,揭示了川西高原的地壳结构具有地壳增厚(主要是下地壳增厚)、地壳平均速度低等特点,显示地壳的缩短与增厚的碰撞变形特征。根据川西高原上设置各爆炸点的记录截面图共同呈现PmP(莫霍界面反射波)弱能量的特点,推断在川西高原的下地壳介质具有强衰减(Qp=100～300)的性质,支持存在下地壳流动的模型。青藏高原东部和川滇西部地区的上地幔各向异性(SKS波快波偏振方向和快慢波延迟时间)的初步结果表明,这两个地区的壳-幔变形特征是不同的,尽管它们在地理位置上属于同一个板块碰撞带。在青藏高原内部的壳幔变形属于垂直连贯变形,它以缩短为主,而高原外部的地壳(或岩石圈)则相对于其下方地幔运动。在高原内部和外部之间存在一个重要的地幔变形过渡带。然而,高原内部的垂直连贯变形与高原内部存在大范围下地壳流动的模型不一致。笔者在该地区开展了近两年的宽频带流动地震观测,试图从地震记录中确定过渡带的位置和探讨它的流变性质。文中扼要回顾已经取得的结果,并介绍正在进行的研究。

基于地幔动力学模拟推断云南地区剪切波各向异性源的深度

地震各向异性与地幔对流导致的变形存在因果关系,因此地幔对流模拟可被用来预测地震各向异性,并推测剪切波各向异性地幔源的深度.本文建立了基于地震速度结构的地幔对流模型来预测云南地区剪切波分裂的快波方向,它同时受地表板块运动和地幔内部的温度扰动所驱动.通过与观测结果进行对比分析,推测在云南地区西北部和东部区域,剪切波各向异性源主要存在于岩石圈中.在西南部和四川盆地及其西缘,地幔流动可能是剪切波各向异性的主要贡献者,各向异性层分别位于210~330km和170~330km深度,导致西南部剪切波各向异性的地幔可能处于大幅度的剪切变形状态,而四川盆地及其西缘主要处于中等强度的剪切变形状态.

板块构造和地幔流的动力学：从局部到全球尺度

板块构造受聚积在板块边缘的驱动力和阻力控制，但是计算全球地幔流动的观测限制高分辨率模型仍然是一个巨大的挑战。研究人员利用自适应网格求精算法在平行计算方面的进步，通过合并板块运动进行全球地幔流动的仿真，并将独立板块边缘解析度提高至1km的尺度。

俄罗斯贝加尔湖区伸展构造及与中国东部伸展构造对比

在晚白垩世—始新世夷平面基础上,由于断裂作用形成了贝加尔裂谷系。断裂作用最大幅度超过10km。在裂谷系中心部位发育的断层长度最大、最深、最早,并以准对称形式向四周扩展。贝加尔裂谷系是在地幔隆起和印度—欧亚大陆碰撞双重作用下形成。贝加尔裂谷系与中国东部新生代断陷盆地和汾渭裂谷系同时形成,并有密切的成因联系。它们的形成不仅受太平洋板块的俯冲和印度—欧亚大陆碰撞的制约和影响,而且位于中国西南部的地幔流发散中心,呈扇状向太平洋区流动,可能是它们在更深层次上的共同场源基础。

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 .

我国地球动力学的研究进展与展望

综述我国地球动力学的研究进展1994年以前的情况在臧绍先总结的基础上作一些补充外，着重讨论1994年以后的进展分别从地质构造运动的力学分析、岩石层动力学、地慢流动、地核动力学、地球介质力学性质、反演的数学方法和非线性科学等部分进行介绍．最后提出有待发展的研究方向．

大陆边缘动力沉降及其深部构造作用控制

动力沉降是动力地形的一种,即动力地形低。动力地形一般认为具有两种成因,一种为与超大陆集聚和分散有关的动力地形,另一种为与大洋板片俯冲有关的动力地形。大陆边缘动力沉降的模拟已经提出了不同的动力学模型,如大洋板块缓倾角或陡倾角俯冲模型、不同样式(俯冲角度变化和速度变化)和性质(大洋岩石圈热年代变化等)的大洋板块俯冲模式和具应力引导的、动态三维的板块俯冲模型。关于大陆边缘动力沉降及其深部板块俯冲作用控制的研究已经趋向更加符合实际、更加精细和系统。对深部地幔活动及其地表动力地形响应的深入研究有望对关于大陆边缘区高级别层序单元及其界面的成因机制、大陆内部动力沉降与深部构造作用之间的耦合关系、我国晚中生代至新生代大陆边缘区动力学背景和油气资源评价等问题的研究取得新的进展和突破。

巴楚辉绿岩墙的岩石成因及其对塔里木大火成岩省岩浆演化的启示

早二叠世塔里木大火成岩省主要有两期岩浆活动:以柯坪玄武岩为代表的喷出岩形成较早(~290Ma),以巴楚超基性-基性-长英质侵入体和岩墙为代表的侵入岩形成较晚(~280Ma)。本研究选取代表晚期岩浆活动的巴楚辉绿岩墙为研究对象,旨在为认识塔里木地幔柱活动及与岩石圈的相互作用提供更多信息。巴楚辉绿岩XHZ-10样品中的锆石均为继承性锆石,不能用来限定其侵位时代。然而,野外关系表明巴楚辉绿岩墙属于塔里木大火成岩省的第二期岩浆活动。巴楚辉绿岩墙经历了橄榄石、辉石和磁铁矿的分离结晶。Nd同位素比值与SiO2和La/Nb比值的相关性以及继承性锆石年龄(2480~717Ma,主要集中在~800Ma)表明,新元古代基底的同化混染作用可以解释其εNd具有较大的变化范围(-2.6^+5.1)。受混染程度最小的样品具有与洋岛玄武岩(OIB)极其相似的微量元素特征,并且具有亏损的Nd同位素组成(εNd=^+5),暗示其来源于富集的对流地幔源区,与早期(~290Ma)具有岩石圈地幔源区特征的玄武岩形成鲜明对比。本文提出地幔柱侧向流动模型以解释两期岩浆的时空分布和地球化学差异:当地幔柱上升至塔里木岩石圈底部时,巨厚的岩石圈地幔(>140km)会阻碍其减压熔融;但不断积累在岩石圈底部的地幔柱物质提供足够的热,促使早期富集交代的岩石圈地幔发生部分熔融,形成~290Ma的玄武岩;地幔柱物质将向岩石圈厚度较薄的边缘地区侧向流动,发生减压熔融,形成的熔体侵位到地壳中形成超基性-基性-长英质侵入岩和辉绿岩墙,并诱发地壳的熔融形成长英质火山岩。

叠加于弧后前陆盆地挠曲沉降之上的另一类沉降--动力沉降

弧后前陆盆地挠曲沉降包括逆冲负载沉降和盆地沉积物负载沉降。叠加于挠曲沉降之上还存在另一类沉降,即动力沉降。动力沉降是动力地形的一种,即动力地形低。动力地形一般认为具有两种成因,一种为与超大陆集聚和分散有关的动力地形,另一种为与大洋板片俯冲有关的动力地形。由大洋板块俯冲产生的动力沉降往往分布于弧后前陆盆地区,其幅度、波长与板块俯冲角度、俯冲速率、俯冲板块在地幔中通过的位置和俯冲岩石圈的热年代密切相关。将通过弧后前陆盆地沉积地层的去压实得到的总沉降减去盆地模拟获得的逆冲带负载和盆地沉积物负载沉降可以得到剩余沉降,即动力沉降。从地层资料中定量分离出动力沉降为改进和限制长期以来悬而未决的由洋壳俯冲导致的地幔-粘性流动构造模型提供理论基础和实际资料。

地幔对流模型

Nature封面：地球一个对流模型的粘度场和表面。Nature杂志第7610期封面文章报道了地幔对流的研究进展。地球的亚表层以由各种不同大小和形状的构造板块或岩石圈板块构成的一个连锁网络形式出现。地幔流动与地质构造之间之联系的性质以及板块布局的起源在很大程度上仍不清楚。

华北克拉通破坏机制与古元古代板块构造体系

在对华北克拉通岩石圈地幔性质发生变化的物理、化学过程和时空范围深入研究的基础上,探寻其动力学作用,需要对华北克拉通岩石圈及其周围的地幔状态和构造有整体的认识.从地震学研究构建的华北克拉通地壳、上地幔速度结构出发,分析研究了岩石圈厚度、壳-幔边界性质、上地幔结构和变形的构造特征和变化规律;结合岩石地球化学研究结果,提出了华北克拉通上地幔流动模型.我们认为:主要是太平洋板块俯冲使东亚大陆下方地幔流动呈现快速和不稳定的特点.这一独特的区域地幔流动体系促进了华北克拉通上地幔中熔流体含量的增加和岩石圈软化,导致了华北克拉通不同地区分别以拆沉和热侵蚀为主的不同方式被破坏.同时,根据华北克拉通地壳记录的东-西块体碰撞拼合、古洋壳消减以及古陆壳残留的证据,揭示了地球在古元古代已经进入与现今相似的板块构造体系.