地幔对流研究的一些新进展ppt课件.ppt

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1、地幔对流研究的一些新进展,石耀霖,2001地球科学进展,余畅匠此均吁霍皂酮匣劝打脯奎悉辉遁蔬寅孵私揖豌祸革夯柿啼频佣携示地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展ppt课件,1引言,在地球演化的历史中，重力位能和地热能二者发挥着主导的作用。重力位能，驱动地球内部核幔重力分异、夷平地表、形成圈层、使地球趋于稳定平衡状态。以热能为主要形态的分子内能，则打破平衡、形成对流、得以穿透圈层和推动岩石层构造运动，造成种种形态的地球动力过程。它们构成了吸引和排斥一对矛盾，而热是矛盾对立面中的最积极最活跃的因素。,陕洼垢蛛吁瓤茧迪淹嘻微屿争窜颤骋稍誓周塌彝块湍篱撑靠库跑鸣碳独网地幔对流研究的一

2、些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展ppt课件,1引言,究竟是全地幔对流还是分层地幔对流仍是学术界争论的一个焦点。地震学、地球动力学研究倾向于全地幔对流模型。地球化学研究则支持分层地幔对流。为了协调二者的矛盾，人们提出了一些其它混合类模型，例如拉瓦灯模型等。,楔绥磋糯享臣瑟舱睦胚氰爹挨裕掌杏退诌诉煽冶抛雀懊盈晤惜渐真通已号地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展ppt课件,2全地幔对流和分层地幔对流,地球动力学计算考虑随深度变化的粘滞性、相变、内核产热、板块与地幔对流的耦合效应等条件，计算模拟真实地球模型时间相关的对流过程。计算表明，如果660km界面是化学成分差别，从

3、而造成密度差别达2%以上，则俯冲板片不能穿透该界面，对流将是分层的；但如果是相变界面，且相变的克拉柏龙（Clapeyron）斜率不够大，则虽然可能造成一定时间的阻滞，但最终俯冲板片可以穿透该界面，对流将囊括下地幔。高温高压研究表明了660km界面的相变性质。地震学观测，从早期走时残差层析成像转换波研究，均支持660 km界面是可以被俯冲板片穿透的，也证实了有些地幔柱的确是从核幔边界上涌而抵达岩石圈的。,罢票蹬茵说星刚界庇店升瓦戴望灾铝援匹祟瓜击抵壶信俐笨肯危恤驳术斋地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展ppt课件,2全地幔对流和分层地幔对流,地球化学的证据强烈要求分层地幔对

4、流的存在。大洋中脊（MORB）、火山岛弧、大洋海岛玄武岩（OIB）和大陆溢流玄武岩等，尽管它们位于不同板块内，水平距离相差数千公里，但同类熔岩的同位素特征（如87Sr/86Sr，143Nd/144Nd)具有显著的相似性，不同类岩石则显著不同。在亲石痕量元素、耐熔放射性元素及一定程度上主要元素组成上也有类似规律。这一规律性最简单的解释，就是地幔存在起码两个以上化学成分不同的源区：亏损了的地幔和未亏损的地幔。后者代表着原始的成分。而在部分地幔物质分异形成大陆的过程中，形成了亏损了亲石元素和排除了气体的上地幔。大洋中脊玄武岩源区的地幔是排除了气体的上地幔，亲石元素、稀土元素、放射性元素K、U、Tu彻

5、底亏损，这些元素富集于大陆地壳。来自两个不同源区的熔岩在穿透至地表过程中又可能被上覆岩层污染，这样大致可以解释观测到的不同类别的熔岩地球化学特征。,瓮猫缀驳驾勉巡辣忱气女智吭轨巍哑祝须伶阔疹板唉粉敏纯浸琴末耸惫陆地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展ppt课件,2全地幔对流和分层地幔对流,地球化学定性模型无法精确估计亏损和未亏损地幔的比例，也不能约束未亏损地幔的界面地形和深度。界面究竟在哪里以及是什么形态的，必须综合考虑其它学科的研究成果。传统上将界面放在660km，该界面是地震学发现的上下地幔最突出相变引起弹性变化的界面，而上地幔体积约占地幔1/3，也似乎处于地球化学推测

6、的合理范围之内。因此，以660km为界，分成上下地幔对流就是一种合理的推论。,些添聚吐帐走捣谰聚俭友猖链涣丙赤句增久候甸旷绑潞四橙兆澜便警脚键地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展ppt课件,3不利于660km分层对流的证据,矿物高压实验和地震观测表明660km从尖晶石向钙钛矿相变时放热，这样俯冲的温度较低的板片要在深于660km时才会发生相变，同一深度周围已相变地幔物质密度较大，对俯冲板片会有阻滞作用。然而，由于相变的克拉柏龙斜率太小，不足以持久地阻止板片穿透。,揪饺枷筑舅瞳蛋子廷蔬愚碗稼愚蔼喷虑赔痞詹扩参呀敷天揽誊炽朴淬染赘地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究

7、的一些新进展ppt课件,3不利于660km分层对流的证据,如果化学成分差别使下地幔密度比上地幔大2%以上，可形成分层对流，但矿物学和地震学没有表明存在这种差别的证据。早期人们可以对俯冲板片追踪到1000km或更深。而且随着层析技术的发展和分辨率的提高，现在人们认为已经发现了更古老的俯冲下去的板片，有些过去2亿年前的俯冲板片，现在被认为已经到达了下地幔。,正射杉搬参弘裙筑痢沾舜鳖柬耽辗篇措岂侍谷襄狗考淳乾黑筷棋猪宽二惋地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展ppt课件,3不利于660km分层对流的证据,层析成像表明660km界面可以使俯冲板片运动轨迹发生畸变，但数值计算和模拟实

8、验表明这种畸变不能长期持续而造成分层对流。这种局部和暂态的分层仅会影响板块相对运动状态(如海沟后撤和弧后扩张)和俯冲板片形态。如果是在660km上下形成分层地幔对流,沿该界面两侧会发育热边界层,双层地幔对流传递热的效率远远低于全地幔对流。下地幔温度会升高,粘滞性会降低。然而,利用冰川后回弹和大地水准面资料计算出的下地幔粘滞性模型,不支持低粘滞性的下地幔。按分层对流推测的核幔边界温度，也大大高于高压实验确定的铁的熔点,以上证据均不利于以660 km为界面的分层地幔对流模型。,辕遂泰近窝利株粒添令蛀叹诡燥踩闺灼蕉冉任霞疡举伪灸绰器寅撩求废粤地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展

9、ppt课件,4不利于全地幔对流的证据,虽然板片穿透660km界面得到了地震学观测的支持，但如果穿透660km界面速度大体等于板片俯冲速度，则计算表明在几亿年间上下地幔将被混合而导致它们融合，它们之间的成分差异会消失。然而，地球化学表明存在两个源区：脱气和亏损了亲石元素的上地幔，及保留耐熔元素、未受俯冲板片影响的下地幔。,痕籽恋狼跟编打折插箩剪恭排隙湾换肯晴啥摊肘囤映阎历刑倍蹦况爪啦送地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展ppt课件,4不利于全地幔对流的证据,惰性气体资料及其混合时间量级也有利于分层地幔对流模式。40Ar是放射性40K的产物，深地幔起码有部分区域是未排气的，即

10、地球生成以来约半数的40Ar仍未散失而保留在未亏损的深地幔中。夏威夷玄武岩的橄榄石中CO2气泡内高3He/4He比值表明它们比大洋中脊玄武岩失去的3He要少得多。尽管3He反映深地幔仍保留相当原始的状态，但同位素证据又表明大洋海岛玄武岩OIB来源于循环了的海洋岩石圈物质，循环的海洋地壳沉积和岩浆岩在OIB中留下了同位素指纹。既是来自未亏损的深地幔，却又有俯冲岩石层的痕迹，这一矛盾事实可能表明热点岩浆岩可能来自未亏损，深地幔和堆积的俯冲板片的边界处。许多非挥发性元素，如稀土元素在大陆地壳和大洋中脊地幔成分似乎支持下地幔为球粒陨石成分组成。,社慧捍帮敖挖挖仿贫虚责寒麓句惯烷班汁哟坏正龄娜申洼牟决旗

11、茂鼎壹攘地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展ppt课件,4不利于全地幔对流的证据,不仅地球化学证据不支持简单的全地幔对流，有的科学家还认为地球表面丧失的热流总量也不能用全地幔对流模型解释。如果地球内部产热和散热已处于平衡，假定下地幔放射性元素含量与上地幔大体相同，那么大陆地壳产热和地幔产热的总和，不足以解释现今地球总的地热流所散失的热量。假如地球产热和散失热量处于稳态，则地幔对流不可能是全地幔对流。当然，如果地球的热传递仍处于暂态，即原始地球很热，现仍处在冷却过程中，现今失去的热量，既包括这种温度降低提供的热，也包括大陆地壳和地幔放射性元素产生的热，是这一问题的一种可能解

12、释。但这时暂态模型必须假定前寒武地幔异常的热，目前尚没有这样的地质证据,因此仍然倾向于否定全地幔对流模型。总之,地热收支平衡要求地幔中有一部分应该比上地幔有更高含量U、Tu、K及其它不相容元素的地幔源区，而且这部分地区能持续存在，不会被地幔对流搅拌均匀。D”区体积太小，不能满足要求，在下地幔中应该存在这样的源区。,弃铅圣铝肇养坑嗓谱渍墩阔疮涉倍具开对炎滇矾龟耻利默煤饥贰莆障楞笺地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展ppt课件,5地幔对流模型新观点地幔不充分混合模型,既要能解释层析成像和高温高压实验及地球动力学计算支持的660km界面可以被穿透，又要保留两个地幔源区的存在以解

13、释地球化学和地热等的约束，一些新的模型陆续被提出，它们的特征是地幔对流可以囊括上下地幔全部，但仍然不能使所有地幔物质充分混合，因此仍然保存地球化学所要求的两个源区。,赴萍咯羹良馈价蔽袜棍桐韭援卓绍和延砌铂侨晕选炔锁绿玩门汁谐慷瞅卷地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展ppt课件,5地幔对流模型新观点地幔不充分混合模型,如果假定660km深度以下的下地幔中存在两个不同源区，其存在机制有两种可能模式：粘滞性控制、重力控制或二者兼有。粘滞性控制指隔绝的对流层受不同粘滞性和时间尺度控制。部分高粘性下地幔还没有混合,或高粘性块体存在于对流环核部地震学无法“看见”这种分区。密度差异控制

14、指本身密度较大的体积在重力下稳定,以致可以不被融混。矿物学提出了高温高压下一些可能相变候选组合但仍有待证明。,兵蛾铂累踌肮毫五璃影佑资迫大吐渐础纵镑依杯舌裤姨凛希执障这篙坝益地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展ppt课件,5地幔对流模型新观点地幔不充分混合模型,团块(blob)模型：在下地幔中存在一些未亏损地幔的团块,粘滞性较大,密度适度较高,内部生热的正浮力为本身高密度所抵消而不致浮升。因此在存在全地幔对流时,总是悬浮在下地幔内,化学上不会与亏损地幔融混,但地幔热柱有时会带出其部分物质形成岩浆岩。这种模型受到的质疑:如果这种团块放射性元素含量较高而又不参与对流,累积的热

15、量必然使团块内部温度升高、密度变小、粘滞性降低。可是如果密度变小、粘滞性降低,团块就不可能再长期存在下去必然要与对流环物质融混。团块模型也没有地震学观测的支持。,铭倒晶逃刚寸涌瞅戚联平橱诚涂痰佳忽飞期趁崭腥潮融攘趁撮栋业夫侥瑶地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展ppt课件,5地幔对流模型新观点地幔不充分混合模型,拉瓦灯模型：在分层地幔对流守不住660km的防线后，却又试图保留地幔存在两个源区以解释地球化学特征的优点，因此将分层对流边界从660km深度撤到了1000 km以下到核幔边界之间相当大的动态范围内。拉瓦灯模型认为,下地幔内的确存在未亏损的地幔,具有相当量的放射性产

16、热元素,以及一些关键的同位素。但亏损与未亏损地幔物质化学和热造成的密度差微小,导致起伏的动力界面,难以用地震学方法探测。即该界面并不位于一个固定的深度,与660 km界面等只有小尺度起伏截然不同，这一界面易被俯冲板片推动而大幅度变化,深可达D”区,浅仅距地表1000km。这一化学成分不同的深层,约占1/3地幔体积。俯冲板片不是穿透这一界面,而是向下推挤这一界面。因此,俯冲板片可以抵达核幔边界(与某些观测一致)，但不一定俯冲板片最终都达到核幔边界。而热柱从亏损和未亏损地幔界面边界层升起，可以解释各类岩浆岩地球化学同位素特征。未亏损地幔中的放射性元素含量较高，可以解释地球地热散失总量。,官谬缔基纽

17、犊眠氧迎堂碟牢停屏炼闭李肺僳名碑靴瑞舜炕撞侍一浮躬锄木地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展ppt课件,Fig1A sketch map showing Lava Lamp mantle convection model地幔分为亏损（白色）和未亏损（浅灰色）两部分；俯冲板片（深色）可穿透660km界面（虚线），抵达亏损和未亏损地幔界面；热柱从该界面升起，在地表形成热点,抖玲六渡浮贩紧先蒂消趁胸曲侠韵保旷蹈爽绎山桐骤钟曙倘卢赎琉次额腻地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展ppt课件,为了证明这种模型的合理性,理论上,从地球动力学方面进行了计算，结果表明,可

18、以存在分层对流,而亏损地幔的下降翼的确可以将亏损和未亏损地幔界面推挤到下边界位置。实际观测中,虽然有一些观测表明在1000 km下某些局部观测到存在界面的迹象,但直接观测到这一全部界面颇为困难。因此,主要通过研究不同深度上P波速度和S波速度的相关性和它们比值的变化。在4001000km和16002500 km相关性减小,前者对应俯冲板片穿透400 km和660 km相变界面的效应,后者可能与起伏的亏损和未亏损地幔界面有关11。PKP波的散射主要也发生在这一深度,这些高频地震波在深地幔的散射,特别在1 500 km深度,可能是堆积的俯冲板片引起3。层析成像结果也表明1 000km以下结构与以上不

19、是十分连续的。目前,这些都被作为拉瓦灯对流模型的观测证据。,摆赃昧负社箭绰吁玖织吼愈瞩秽颗要裳炳铡庭层碰扼娥道丸琢脖铁特灿庸地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展ppt课件,拉瓦灯模型引起了较大影响12,有些研究者对模型进行了进一步完善。倾向于把地幔约2 000km以上区域作为主要元素成分均匀亏损和排气的区域,该区又可细分为4001 000 km以上为低粘滞性软流层充分混合区,4001000 km以下为高粘滞性区慢速混合区。2 000 km以下为较高密度、未排气、含高放射性生热元素的与球粒陨石组成相似的未亏损地幔。OIB源于其顶部或与俯冲板片堆积的边界层。二者分界热与化学组

20、成的密度差恰好几乎抵消,这样界面为动力学控制的复杂地形,难以用地震学方法探测。分界面起伏可以很大,深者接近核幔边界,但俯冲板片的墓地并不一定都是核幔边界。,拥沮紧至撒吃积楔蜕钮瑟春埋箕划仔谢谤旁母酒胆谎益弟臆纂汝穿锻赛碧地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展ppt课件,6穿透660km相变界面的暂态效应,虽然地幔对流可以穿透660 km界面，但由于相变界面的存在，由于粘滞性随深度和温度的变化，即使在亏损的地幔内，既存在全地幔规模的对流,也可能存在不同尺度规模的对流环，包括局部小尺度的对流。地幔对流中穿透660 km相变界面的效应，可能具有深刻的影响。它造成了对流不可能是稳态

21、的,而是时间相关的,从而造成地质构造运动是幕式的。俯冲板片比相同深度地幔要冷,因而密度较高,从而在负浮力下下沉。但冲板片在抵达660 km相变界面时，由于下地幔物质密度略高，俯冲板片温度造成的较高密度不足以立即克服阻力穿透界面。俯冲板片可能在界面上堆积，对流被局限在上地幔小规模尺度内。只有累积达到一定的临界状态后，才得以突然穿透相变界面,对流扩展到全地幔范围。这样,对流不是稳态的，而是与时间相关的。深部俯冲板片的速度,对流环的状态,地表海沟位置的变迁和弧后的应力状态，以及板块运动状态等，都会发生变化，从而解释地质构造运动往往呈现幕式特征。,赵廷烛撇越史证佐仔堰涣劈识咽骏善距靛像匣尺题赌学吹莽蹬

22、敦拌藉鲍向地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展ppt课件,全地幔对流有较高的热传递效率,可以有效地从地球表面散热,降低核幔边界的温度。分层地幔对流热传递效率较低,在分层界面上会再发育相关的热边界层,核幔边界温度会较高。从总体来看,全地幔对流成分占上风时,有效传热,使下地幔温度降低,俯冲板片与下地幔温差变小,因此变得难以穿透相变界面,逐渐转变为分层地幔对流。当分层地幔对流占上风时,由于传热效率低,下地幔温度升高俯冲板片与下地幔温度差别较大,达到一定临界值时,可以突然穿透相变界面,转变为全地幔对流。这样形成一种自我调制机制,控制着幕式的地质构造运动。,屎踊痈冬握芹绅谢篱奖谱蝴

23、恼廷磨狐羽滨迷恶裁贾性职枝焦馅绩傍卫暖蠕地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展ppt课件,7小结,全地幔对流模型或分层地幔对流模型都不能完全解释全部观测事实。目前发展了涉及全部地幔、但不能使化学成分充分混合的模型，最有代表性的是拉瓦灯模型。这类模型的特点是要综合考虑各种观测事实的约束，一方面允许俯冲板片穿透660km界面，满足地震学观测事实和地球动力学计算结果；但另一方面仍然保持两个源区（亏损的和未亏损的地幔），满足大洋中脊玄武岩化学成分和地热产生散失率的要求。这类模型比简单的全地幔对流或分层地幔对流模型更有说服力。这些模型尚缺乏有力的直接观测支持，还需要随着高精度观测资料的积累和综合分析的深入，从而进一步完善和或改进。,稼完婿像俏党恒蝶戎菜烃泛批诱物锦巫捍邪渐和式矛薪响望嘲熬劳厚胺宠地幔对流研究的一些新进展ppt课件地幔对流研究的一些新进展ppt课件,