核-幔相互作用及其地球动力学意义

核-幔边界是地球内部反差最大的一个边界，也是最重要的边界。界区的核-幔相互作用过程在整个地球动力学系统中起着重要的作用。本文在概述了核-幔边界基本特征的基础上，系统地总结了有关核幔物质的化学反应和D”层的形成、核-幔间的质量传递和热量传递及其对地幔对流之贡献、核-幔耦合与动量传递等方面的研究成果及有关问题。

地球的历史:核-幔磨理论

论述了一个旨在统一板块构造学说和地幔柱学说的地球动力学理论。尽管这个理论基于两个不寻常的假设 ,它也许揭示了一个系统的地球演化动力学模型。该理论认为 :地球的内核是一磁铁 ,内核的铁磁性已被观察到的地震波速度各向异性所证实。因为由地球和类木行星之间的磁相互作用所引起的扭力矩始终作用于地球的内核 ,内核象一个旋转发动机 ,每时每刻趋于改变地球的自转速度和自转轴位置 ,而地幔的惯性试图阻止地球自转的变化。这两者之间的相互作用导致了流体外核的形成、玄武岩浆的产生、洋壳的形成、以及内核和地幔之间的差异旋转运动。由于核 -幔差异旋转运动 ,位于核 -幔边界的岩石被逐步研磨成玄武岩岩浆。洋中脊系统被解释成巨大的岩墙系统 ,生根于核 -幔边界层中某些主岩浆房。该理论认为 :全球构造运动的驱动力来自外部空间 ,无论是洋壳或陆壳中的构造运动均是地球表面的扩散现象 ,它受地球的背景辐射和地壳中的物质分布两方面因素影响。其中地球两极方向的差异背景辐射决定了洋中脊系统在地球表面的分布样式和全球构造运动模式。目前 ,地球遭受着较强的向南极之上的背景辐射和相对较弱的向北极之上的背景辐射。由这种极向的差异背景辐射所引起的吹力驱动着大陆朝北漂移 ,并导致了地球的梨状形态?

中生代地球系统与核—幔边界动力学研究进展

本文介绍了90年代以来地球物理学在地球磁场方面(地球磁场古强度,地磁场极性反转频率以及真极移)的研究成果,揭示了200～100Ma全球低的地球磁场古强度;124～83Ma低的极性反转频率以及170～110Ma近乎停滞的真极移。与此同时,地球表面发生了一系列由地幔热柱上升而导致的构造热事件。它们的联系引起地球科学工作者的极大兴趣。本文介绍的两种模型,正是从核—幔边界结构演变的角度去探讨地球磁场与热场的关系。最后还从地质学的角度,提出了面临的挑战及一些值得深入探讨的地球动力学问题。

核－幔边界的动力学背景

根据传播矩阵方法，并把由联合反演得到的同时满足长波地形起伏、板块运动速度、重力位异常资料以及地震层析先验知识的全地幔三维异常密度作为载荷，以求取核－幔边界的动力学背景．计算结果显示：１．所求的核－幔边界起伏图像与Ｈａｇｅｒ等根据格林函数方法所求得的核－幔边界的起伏在全球范围内基本相符．２．核－幔边界处的环型场仅在数量上降为地表处的环型场的１／８左右，而极型场较地表处的极型场的流动图像有显著变化，数值也增为地表处极型场的３倍左右．

幔羽现象与地震电磁流体效应的可能联系——电磁流体效应和平面电流模型

综合分析了 2 0世纪 70年代以来发生在中国的 14个强震前地磁和地下流体参量动态图像的时空演化特征 ,发现强震前这些参量均呈现十分明显的异常图形。这些图像十分复杂 ,且随时间不断变化 ,并与孕震过程有某种时空规律性联系。 90年代地学家通过地震资料分析发现了幔羽现象。笔者设想核幔边界的幔羽磁流体物质上涌是地震电磁流体效应的一种可能成因。幔羽中的流体物质螺旋上涌至地壳的底部 ,并形成“蘑菇云”。流体在地壳中扩展或挤压 ,形成异常电流 ,可将其看作在孕震区地下 10 2 0km深处有一等效平面电流。再考虑到近地表的电磁环境———电离层电流体系的局部异常 ,计算了一个地下和电离层组成的等效平面电流模型在地面产生的磁场分布 ,结果与强震前地球磁场的零等变型异常动态图像较吻合。

大火成岩省是地幔柱作用引起的吗?

自Morgan在1971年提出地幔柱假说来解释大洋岛链的火山迁移规律以来,对于地幔柱是否存在一直存在着争论。大火成岩省以短时间内的巨量喷发为特征,这种特殊现象一般被认为是地幔柱作用的结果,原因是它可以解释大火成岩省中的许多现象:(1)短时间内的巨量幔源岩浆;(2)喷发前>500 m的隆起;(3)高温苦橄岩和科马提岩的存在;(4)热点轨迹;(5)在没有挥发分和压力降低的条件下地幔发生熔融;(6)高的3He/4He比值。但是并不是所有大火成岩省都具有上述特征,而且上述现象有的也可以用其他机制来解释,如边缘对流、大规模岩石圈拆沉、裂谷减压和陨石撞击等。但是目前还没有一个模式可以解释所有大火成岩省的所有现象,而总体上大火成岩省的许多地质现象与地幔柱模式较为吻合。

地球内核与地球深部动力学

地球内核由外核富含铁元素的液态物质结晶而成。经证实，内核正以约１（°）／ａ的速率相对于地幔向东转动。内核的旋转是通过穿过内核的地震波的走时随时间变化推测得到的。这种变化是最近十多年来揭示出的内核各向异性在空间方位的改变所造成。内核的各向异性被认为起因于各向异性的铁晶体的有序排列，但这种有序排列的机制还不清楚。内核在地球发电机中起着重要的作用。利用大型的并行计算机，人们已得到能产生像地磁场一样的三维发电机数值模拟。地震学观测到的内核差速旋转为最近的发电机数值模拟提供了支持。这种数值模拟曾预测：导体内核与外核产生的磁场的电磁耦合驱动了内核每年几度向东旋转。地核通过核幔边界的接触及内核与地幔的引力耦合与地幔存在强烈的相互作用。多学科领域的突破为认识地球的深部动力过程提供了极好的机会和手段。

科学家首次成功获得地幔底部的完整影像

2015年12月17日,Scientific Reports发表澳大利亚国立大学研究小组题为《地球地幔底部显著、多尺度非均一性》（Strong,multi-scale heterogeneity in Earth’s lowermost mantle）的成果,宣布成功获得地球地幔底部的完整图像,将对地球构造及其成因研究产生重大影响。

利用地震各向异性方法研究地幔底部的形变特征

地震波在穿过地幔底部(即D″层)时表现出很明显的各向异性特征(地震波速度随着方位角变化而变化)[1-5]。D″层各向异性的形成机制一般认为是由D″层的主要相变矿物MgSiO3-post-perovskite(ppv),由于形变导致晶体的晶格定向排列引起的。如果这种解释机制正确的话,那么先前从单个方向测量D″层的各向异性来推断ppv晶体的滑动机制就是不充分的,因为ppv晶体是正交晶系。我们根据美洲北部和中部地区在核-幔边界处仍残留着俯冲海洋板块的残片[6]的构造特点,挑选了穿过D″层的浅震和深震,来增加射线在D″层的方位覆盖,处理得到美洲北部和中部D″层的各向异性。我们分别处理了穿过3个研究区的D″层的700多个剪切波波形数据,每一次同时处理来自两个不同方位的震相,研究发现,先前假设的垂直对称轴的横向各向同性(波速不随方位的变化而变化)[2-3,7]机制是不可能的,需要引入更复杂的机制。我们将MgSiO3-ppv多种形变机制和观测结果进行对比,发现在(001)面上的剪切与观测到的数据和俯冲带的核-幔边界处剪切形变的预期结果相吻合。利用新的地幔流动模型及改善后的ppv滑移系的实验观测确定方法,我们可以对核-幔边界的形变特征进行成像,将D″层中的动力过程(比如,地幔柱的形成)与地幔的其他部位联系起来。

地球内部物质、能量交换与资源和灾害

研究地球内部结构、圈层耦合和深层动力过程是一系列地学前沿问题的基础。地球表面所见地球物理场异常、地质构造格局、地球化学组分无一不受到地球内部物质、能量交换过程的制约 ,如地球圈层的形成与演化 ,大陆伸展与裂谷形成 ,造山带与盆地 ,资源与能源 ,地震“孕育”、发生和发展的深部介质和构造环境 ,地球内核速度差异旋转等 ,均为深部物质运移和物理学、化学及地质构造耦合的产物。然而至今有很多要素与深层过程尚处于定性的与推断的阶段 ,对其探索的深度与本质知之甚少 ,故尚待不断深入研究和发现。文中提出的科学问题乃是当今地球科学领域中的前沿问题。文章主要讨论 3个问题 :( 1)问题的提出与思考 ;( 2 )金属矿产 ,大陆伸展与裂谷、盆地形成 ,地震“孕育” ,地球内核速度差异旋转与深部物质上涌 ;( 3 )地球内部物质、能量交换和圈层耦合与深层动力过程。当今世界上对这些科学问题的研究刚刚开始 ,有一些结果或说法也还是定性的、轮廓的或推断的。为此 ,文中对所论述的每一方面的科学内涵均提出了一系列问题 ,并给出了为解决这些问题而必须研究的主体领域。

湖南及邻区地壳旋转的可能成因、对大地构造演化的影响及其与大规模成矿作用关系初探

在湖南及邻区,无论从地表的地质构造还是地球物理场上,都表现出明显的环状分布特征。这种特征可能是地壳的旋转运动所造成,它对湖南及邻区大地构造的演化、大规模成矿作用等具有重大的影响。本文对这种旋转运动的可能成因,以及所伴随的一系列地质作用、与大规模成矿作用的关系等进行了初步探讨。

从内核偏移到板块运动

以地球的圈层结构和质量分布为前提，可推出固态内核不能稳定平衡于球心位置的结论；以内核对球心位置的偏移为前提，可推出液态外核中热对流不均的结论．以这两点为基础，可以建立一个简约然而自洽的全球运动模型，即：内核偏移引起外核中热对流结构不均一特定部位的地幔柱因差异活化而上升→慢柱上升引起岩石圈新生和撕裂→裂解的板块漂移并会聚于新的位置，其质量导致内核重新向这一方向偏移→引起新的对流不均．由此循环往复，形成一种确定和周期性的运动．它所具有的非线性特征，使地球运动的机制简单而行为复杂．地外因素可以暂时干扰或打断这一运动，但却不能改变它的永久规律．