地幔热柱和俯冲板块的热动力学表现冷伟

中国科学技术大学地震与地球内部物理实验室

2012/12

1 。地幔热柱动力学及其与岩石圈的相互作用2 。俯冲板块动力学 3 。地球深内部结构的起源与演化

[Tackley, 2008, Nature]

地球动力学的几个重点研究问题

1 。地幔热柱动力学 1.1 地幔热柱的热流 1.2 地幔热柱与岩石圈的相互作用 1.3 地幔热柱与地幔底部化学异常体的关系2 。俯冲板块动力学 2.1 俯冲板块弯曲过程的能量耗散 2.2 俯冲板块初始化过程的不同演化方式

内容提纲

1 。地幔热柱动力学

背景介绍：夏威夷热点轨迹

从夏威夷火山开始，由火山喷发形成的海山的年龄随距离而增加，形成一个岛链，我们称之为热点轨迹

背景介绍：热点轨迹与大火成岩省

[Richards et al., 1989, Science]

背景介绍：大规模玄武岩喷发与大火成岩省的形成

[Bryan et al. 2002]

背景介绍：地幔热柱模型的提出

[Morgan, 1971, Nature]

地幔热柱起源于核幔边界，携带热流上升至岩石圈底部

背景介绍：地幔热柱的头部与尾部

热柱与岩石圈相互作用，造成大规模玄武岩火山喷发，形成大火成岩省及地表热点轨迹

[Richards et al., 1989; Campbell and Griffiths, 1990; Griffiths and Campbell, 1990; Coffin and Eldoholm,1994]

背景介绍：地幔热柱研究的意义

热柱热流及地球整体冷却过程 热柱对地幔底部化学异常体演化的影响

热柱对大火成岩省形成的影响

1.1 地幔热柱的热流

• Qtotal ~ 43 TW (43x1012 W), with Qrad_cont_crust ~ 7 TW. Qmantle

Qrad Qsec

Qcmb • 一些简单的估计：Qsec<~10 TW (or cooling rate <80 K/Ga).Qrad ~ 13 TW, for a bulk silicate Earth

(BSE) model.

那么， Qcmb>13 TW.

内部生热效率 : m=(Qsec+Qrad )/ Qmantle =1-Qcmb/Qmantle

Qtotal

• Qmantle ~ 36 TW.

• Qmantle = Qcmb+Qsec+Qrad.

地球的热平衡与研究地幔热流的意义

热柱的热流 :

热柱的质量异常 : B = pr2uDr = pr2urmDTa M = B

Q = pr2urmDTCp=hwVp(rm-rw)Cp/a

Vpw

h

由地表地形隆升计算得到的质量异常 : M = hwVp(rm-rw)

u

Dr, DT

r

[Davies, 1988, JGR; 1999, JGR ； Sleep, 1990, JGR]

根据地表观测计算热点的热流

w ~1000 km; h~1 km; Vp~10 cm/yr; rm-rw=2300 kg/m3; a =3x10-5 K-1; Cp=1000 J kg-1K-1

Q = hwVp(rm-rw)Cp/a

Q ~ 0.24 兆瓦 , 约等于 0.7% 的整体地幔热流 Qs (~ 36 兆瓦 ).

夏威夷热点的热流

地表热点的分布与热流全部热点的热流Qplume ~ 2.4-3.5 兆瓦，约等于 6-10% 的 Qs

[Davies, 1988, JGR; 1999, JGR ； Sleep, 1990]

使用三维局部球域模型研究地幔热柱

[Leng and Zhong, 2008, JGR ； 2009, GRL]

• 地幔热柱携带 ~ 90% 的地核热流。 • 地幔热柱上升过程中携带的热流受绝热温度梯度控制，从核幔边界到地表，其热流减少约 2.5 倍• 根据地表测量得到的热点热流，我们得到地核的热流约为 11 兆瓦

256×192×64网格点

地幔热柱上升过程中的形状变化

[Leng and Gurnis, 2012, GRL]• 地幔热柱的半径受周围地幔的粘性系数控制。当粘性系数减少 100 倍时，热柱半径减少约 3 倍

1.2 地幔热柱与岩石圈 的相互作用

大火成岩省形成之前的地表地形变化

[Bryan et al. 2002]

Columbia river [Hales et al., 2005] Maokou Formation [Peate and Bryan, 2008]

Tungusskaya Series [Czamanske et al., 1998]

问题：为什么部分大火成岩省形成前地表地形会下陷，并持续数十个百万年？

[After van Keken, 1997]

使用二维轴对称模型研究热柱

1. 可压缩地幔2. 随深度和温度变化的粘性系数3. 随深度变化的热膨胀系数和热传导系数[ 模型的细节请参照

Leng and Zhong, 2010]

地幔热柱造成的地表地形变化

[Leng and Zhong, 2010, EPSL]

• 660 公里相变面对热柱的阻隔作用造成了大火成岩省形成之前的地表地形下陷

660 公里相变面的Clapeyron 斜率对地表地形变化起关键性的影响

相变面的性质控制地表地形变化

1.3 地幔热柱与地幔底部化学异常体的关系

地幔底部的大范围剪切波低速区

[Zhang, et al., 2010, JGR]模型 S20RTS, 深度 2750公里

大火成岩省与地幔底部化学层的关系

[Torsvik, et al., 2010, Nature]

地幔底部化学层的位置

[Zhang, et al., 2010, JGR]

地幔热柱与地幔底部化学层的关系

[Tan et al., 2011, G3]

2 。俯冲板块动力学 2.1 俯冲板块弯曲过程的能量耗散

俯冲板块弯曲过程中产生耗散能

板块弯曲的耗散能占地幔中总耗散能的比例一直处于争论之中 :

40% or larger

[Conrad and Hager, 1999; 2001]

[Buffett and Rowley, 2006]

10%-20% or smaller

[Wu et al., 2008]

[Capitanio et al., 2007; 2009]

[Schellart, 2009]

[Leng and Zhong, 2010b]

[Conrad and Hager, 1999]

不同的耗散能模式对地球热演化历史的影响

传统的低耗散能模型 ( 细线 ) 由 Davies [1993] 提出高耗散能模型（粗线）由 Korenaga [2006] 提出

[Davies, 2009]

)5.01(/ m-= is DQ [Hewitt et al., 1975]

[Jarvis and McKenzie, 1980]

pi CgdD /a=

理论分析得到，地幔总耗散能占地球地表热流的比例

si QD )594.01( m-=

地幔中的总耗散能为 10.0~15.5 TW

[Leng and Zhong, 2009]

[Buffett and Rowley, 2006]

通过对板块弯曲过程进行力学分析，我们可以得到板块在弯曲过程中产生的耗散能

因为地幔中的总耗散能为 10~15.5 TW, 那么只有 5%-8% 的耗散能由板块的弯曲过程产生

使用二维可压缩模型进行定量计算

对不同的 Rayleigh 数，粘性结构，我们均得到只有 < 10%的耗散能由板块的弯曲过程产生，与理论分析结果一致

2.2 俯冲板块初始化过程的不同演化方式

俯冲板块的初始化过程

一般俯冲板块初始化过程的特征：1 。强烈的弧后扩张 2 。大规模火山岩喷发

观测到的不同的演化方式

问题：为什么俯冲板块的初始化过程存在截然不同的演化方式？

建立板块初始化模型

连续俯冲并伴随弧后扩张的初始化方式

分段化的初始化方式

板块强度起决定因素

[Leng and Gurnis, 2011, G3]

增加板块强度

• 板块强度决定俯冲带初始化的方式 , 包括是否伴随有弧后扩张和火山喷发

初始化过程伴随的火山喷发形成的地表火山岩的分布

[Leng et al., 2012 ， Lithos]

模型结果与观测进行比较

[Leng, Gurnis, and Asimow, 2012 ， Lithos]

• 俯冲板块初始化会在地表形成层状的火山岩分布（从MORB 到 Boninite ）

谢谢大家 !

A variety of layered mantle models (Tackley, 2000)

Seismic Evidence for (largely) Whole-mantle Convection (van der Hilst et al. [1992; 1997]; Grand [1994])

Grand, van der Hilst, & Widiyantoro [1997]

Montelli et al. [2004]

Deep rooted mantle plumes obtained from seismic data