地球深內(nèi)部探測及動力學(xué)研究*

傅容珊 黃建華 楊 亭

(蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026)

地球深內(nèi)部探測及動力學(xué)研究*

傅容珊 黃建華 楊 亭

(蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026)

近20年來人類對于地球深內(nèi)部的探測和認(rèn)識已經(jīng)上升到一個新的層次，滋生出許多新的研究熱點。一系列最新發(fā)現(xiàn)集中于地球深內(nèi)部研究領(lǐng)域。簡述了這一領(lǐng)域研究的成果，探討其未來發(fā)展和研究的方向。

地球深內(nèi)部;板塊構(gòu)造;地幔動力學(xué);地震層析成像;地球動力學(xué)

1 引言

自20世紀(jì)80年代開始，依賴于全球地震觀測臺網(wǎng)、數(shù)值技術(shù)和計算技術(shù)的飛速發(fā)展，地球科學(xué)已將人類對于地球深內(nèi)部的探測和認(rèn)識推進(jìn)到了一個新的層次。地幔深部乃至地核的精細(xì)結(jié)構(gòu)和橫向不均勻的探測和動力學(xué)研究滋生出許多新的熱點。可以毫不夸張地說，近20年來地球科學(xué)最新的發(fā)現(xiàn)都在地球深內(nèi)部研究領(lǐng)域。例如，地球固體內(nèi)核的超速轉(zhuǎn)動及復(fù)雜結(jié)構(gòu)、地幔底部D”層復(fù)雜結(jié)構(gòu)和動力學(xué)背景、CMB超低速區(qū)域以及深地幔過鈣鈦礦物質(zhì)結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)等等。尤為重要的是，地球科學(xué)家有了一個強(qiáng)烈的共識:把地球看作一個完整的系統(tǒng)而不是一系列彼此孤立的、互不相關(guān)的部分。因此，研究固體地球子系統(tǒng)之間的相互耦合作用，探討地球整體系統(tǒng)演化和現(xiàn)代運轉(zhuǎn)過程，越來越受到地球科學(xué)的關(guān)注。與此同時，地球科學(xué)家已經(jīng)將地球物理、地球化學(xué)、實際地球狀態(tài)下實驗礦物學(xué)以及地球動力學(xué)的相互交叉和互補作為地球深內(nèi)部研究的主要途徑。本文將介紹近期地球深內(nèi)部探測和動力學(xué)研究的重大發(fā)現(xiàn)和主要成果，同時探討該領(lǐng)域未來發(fā)展和研究的方向。

2 地球深內(nèi)部探測及結(jié)構(gòu)

地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測和研究始于上世紀(jì)初期，地震學(xué)家利用地震波震相的走時特征發(fā)現(xiàn)了地球的分層結(jié)構(gòu)。近百年來，以地震學(xué)為主的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測的發(fā)展使得人類對于其內(nèi)部構(gòu)造的認(rèn)識建立在兩個層次之上。第一層次的認(rèn)識是發(fā)現(xiàn)地球具有層圈構(gòu)造(圖1)。第二層次的認(rèn)識則是探索和發(fā)現(xiàn)了地球內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)和橫向不均勻性。隨著地震觀測精度的提高，地殼、地幔甚至更深內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)逐漸被地震學(xué)家所揭示，例如上地幔中存在220 km、330 km、410 km、520 km以及下地幔中的710 km、900 km和1 050 km全球或者區(qū)域性層圈界面等等。特別對地幔底部核幔邊界(CMB)之上D”層(厚度為100～300 km)的發(fā)現(xiàn)以及對其精細(xì)結(jié)構(gòu)的探測加深了人類對于地球的全新認(rèn)識，進(jìn)而全面開展了內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)和橫向不均勻的探測和研究。

圖1 地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)(根據(jù)CSEDI，1993編輯)Fig.1 Interior structure of the Earth(Edited from CSEDI，1993)

第二層次的研究起步較晚，始于1970年代。借助于現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和數(shù)值地震觀測技術(shù)的高速發(fā)展，地震層析成像技術(shù)從全球和區(qū)域尺度揭示出地球內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)和橫向不均勻結(jié)構(gòu)。以不同的方式和精度呈現(xiàn)出全新的地球模型或區(qū)域構(gòu)造模型，極大地豐富和深化了人類對于地球的認(rèn)識。

地震層析成像結(jié)果從三個方面展示出地球內(nèi)部橫向不均勻結(jié)構(gòu)。首先，全球和區(qū)域尺度，地殼、地幔、外核和內(nèi)核都呈先出不同程度的橫向不均勻;在長波的范圍內(nèi)P波和S波震相的結(jié)果均呈現(xiàn)出很好的相關(guān)性;在上地幔中呈現(xiàn)出以板塊構(gòu)造為基本構(gòu)架的巖石層和上地幔橫向不均勻，其格局以較為狹窄線性區(qū)域分布為基本特征。然而，在下地幔中，從1 600 km左右到核幔邊界橫向不均勻失去了狹窄線性區(qū)域分布，多表現(xiàn)為大尺度特點，不過觀測中還是可以尋求到上下地幔之間地震波異常連續(xù)性過渡的特征。第二，在固體內(nèi)核不僅表現(xiàn)出地震波速呈軸對稱的各向異性，對稱軸和地球自轉(zhuǎn)軸之間的夾角為10°～11°，地震P波傳播速度沿對稱軸方向速度快而在垂直于該軸方向速度慢，同時表現(xiàn)出整個半球區(qū)域的差異。這一系列新的重大的發(fā)現(xiàn)不僅開拓了人類探測地球深部的嶄新領(lǐng)域，同時也為人類研究其深內(nèi)部動力學(xué)過程提供了觀測基礎(chǔ)。第三，橫向不均勻的另一重要體現(xiàn)是地球內(nèi)部層圈界面起伏，其包括內(nèi)外核(ICB)、核幔邊界(CMB)、660km地震波速度不連續(xù)面、巖石層和地幔邊界(LMB)以及莫霍界面(MOHO)的起伏。地球內(nèi)部邊界起伏是在動力學(xué)過程的驅(qū)動下其偏離流體靜力學(xué)平衡的體現(xiàn)，所以對于邊界形態(tài)的研究一直是地球動力學(xué)研究非常關(guān)注課題。早在1960年代Hide等就提出，核幔邊界(CMB)的起伏和由此而引起的核幔邊界的偶合可能是地球自轉(zhuǎn)的錢德勒晃動和十年尺度波動的原因，也可能是地球磁場反轉(zhuǎn)的激勵機(jī)。與此同時，地球科學(xué)家在地震學(xué)、重力學(xué)和天文等不同學(xué)科就采用不同的方式探測和確定CMB的形態(tài)。特別是地震層析數(shù)據(jù)給出了許多不同的模型。而其他邊界如MOHO、LMB、660 km和ICB的形態(tài)的探測也得到了一些初步的結(jié)果。以地震層析為主導(dǎo)的地球橫向不均勻研究展示了地幔結(jié)構(gòu)的三維圖像和基本框架，而與全球構(gòu)造相關(guān)的俯沖板塊和地幔熱柱在深地幔中的蹤跡，正是地幔熱動力系統(tǒng)演化過程的現(xiàn)代表觀。

核慢邊界區(qū)域精細(xì)結(jié)構(gòu)的探測，特別是D”層復(fù)雜結(jié)構(gòu)、地震波速度各向異性、超低速層和熱化學(xué)熱異常區(qū)域的發(fā)現(xiàn)都是現(xiàn)代地球科學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)。在1950，1960年代D”層被認(rèn)定為全球范圍內(nèi)地幔底部地震波速度差異的圈層。但1980年代以來，地震學(xué)家們發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)較過去的認(rèn)識復(fù)雜。其不僅有大尺度的不均勻結(jié)構(gòu)，而還有小尺度的橫向不均勻結(jié)構(gòu)，存在地震波傳播速度各向異性。特別值得關(guān)注的是，這一層中存在地震S波超低速區(qū)域和熱化學(xué)橫向不均勻的結(jié)構(gòu)區(qū)域。地震學(xué)發(fā)現(xiàn)，在核慢邊界上一些地域存在地震波超低速區(qū)域(ULVZ)。其主要特征是，在CMB上部5～50 km的范圍內(nèi)，其地震P波速度迅速降低5～10%，而S波速度則降低10～30%。觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)ULVZ的范圍非常大，其中厚度超過5 km的區(qū)域集中在中太平洋、非洲和冰島下方，與大型地幔熱柱密切相關(guān)。近來McNamara等［1］總結(jié)了地幔底部超低速異常區(qū)域的分布，勾畫出了更為詳細(xì)的圖像。這一圖像已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了過去地球科學(xué)的想象，因此其成因和動力學(xué)效應(yīng)的研究很快成為深地幔研究的重要課題。與此同時，地震學(xué)在CMB上方一些區(qū)域例如南非下部存在地震S波的低速塊體其速度大約比正常速度低3%左右。區(qū)域延伸和橫跨度在1 200 km左右，其形態(tài)傾斜，在高度方向伸展1 500 km左右(圖3)。地震波速異常還顯示，其塊體邊緣尖銳，異常邊界區(qū)域的寬度約為50 km?；诘蒯釀恿W(xué)分析，這一塊體被認(rèn)定為熱-化學(xué)異常體。

圖2 全球超低速區(qū)ULVZ的分布(藍(lán)色區(qū)域為缺乏超低速結(jié)構(gòu)，深紅色為超低速區(qū)［1］)Fig.2 Global distribution of ULVZ based on seismic studies(Blue areas in the foreground indicate probed areas lacking evidence for ULVZ structure，while red patches in the foreground mark regions with detected ULVZs［1］)

圖3 南部非洲核幔邊界上方熱化學(xué)異常體［2］Fig.3 Thermo-chemical anomaly up on the CMB of the south Africa［2］

地球流體外核被地球科學(xué)家認(rèn)定為地球磁場的源區(qū)。對于人類，地磁起源一直神秘莫測，而由于數(shù)學(xué)和物理學(xué)的困難，地磁起源的理論研究一直徘徊不前，大量研究僅僅停留在簡單的地磁發(fā)電機(jī)模型之上的定性討論。然而，這一領(lǐng)域由于其具有挑戰(zhàn)性，吸引了許多優(yōu)秀的理論地球物理學(xué)家。1990年代中期，基于大規(guī)模計算機(jī)數(shù)值模擬的地磁起源的研究取得了突破性的進(jìn)展。文獻(xiàn)［3］利用當(dāng)時的超級計算機(jī)以磁流體基本方程為基礎(chǔ)，模擬了地球磁場的成長和演化，甚至觀察到了磁極的反轉(zhuǎn)。無疑，他們的成果使地磁起源的研究看到了未來，在人類揭示地磁場的起源的漫長旅途上邁出了一大步。

地球固體內(nèi)核的探測和動力學(xué)最令人興奮和吃驚。在地球固體內(nèi)核地震波速各向異性的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［4，5］利用地震學(xué)分析發(fā)現(xiàn)地球內(nèi)核相對于地幔和地殼的快速差異旋轉(zhuǎn)，其差異轉(zhuǎn)動的速率在1°/年左右。盡管一些研究對此仍持異議，特別是差異轉(zhuǎn)動速率的確定。近幾年來，一些學(xué)者用相似度極高的地震事件分析了地球內(nèi)核差異轉(zhuǎn)動，他們的結(jié)果支持地球內(nèi)核相對于地幔和地殼的快速差異旋轉(zhuǎn)。固體地球內(nèi)核超速轉(zhuǎn)動的發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)，無論是對于地球系統(tǒng)的認(rèn)識，還是探討地球深內(nèi)部的動力學(xué)過程都將揭開新的一頁。基于地震學(xué)的探測，有關(guān)地球固體內(nèi)核的結(jié)構(gòu)在過去的幾年不斷有新的發(fā)現(xiàn)。例如:固體內(nèi)核地震波衰減也存在各向異性，其吸收強(qiáng)(弱)的方向和地震波速度高(低)方向一致。利用這一結(jié)果和地震波速各向異性對于理解地球固體內(nèi)核的礦物學(xué)以及地球動力學(xué)有重要的價值;固體內(nèi)核的表層，其地震波速度呈現(xiàn)出東西半球的差異;Koper等［6］提供了內(nèi)核存在小尺度橫向不均勻的地震學(xué)證據(jù)，其不均勻體的尺度在數(shù)十千米范圍;針對固體內(nèi)核和流體外核之間密度差異存在0.25～1.0 g/cm3低跳躍和0.6～1.8 g/cm3高跳躍模型，Krasnoshchekov等［7］提出了內(nèi)核表面的鑲嵌構(gòu)造模型，即從固體內(nèi)核向流體外核過渡包含了可部分流動的薄層(密度差異低跳躍)，但其鑲嵌著一些尖銳躍變(密度)的區(qū)域;Wen［8］利用1993年12月1日和2003年9月6日地震事件的波形分析，發(fā)現(xiàn)了該時間段內(nèi)在中非下部內(nèi)核表面的半徑有0.98到1.75 km的增大。當(dāng)然這一變化可用內(nèi)核差異轉(zhuǎn)動或該內(nèi)核表面區(qū)域地形的快速增高來解釋。

3 深地幔物質(zhì)及性質(zhì)

地球深內(nèi)部物質(zhì)成分和巖石礦物組成，地球深內(nèi)部物質(zhì)物理特性，一直是地球科學(xué)家急切需要認(rèn)識的。但由于人類還沒有能力獲取原位(真實深度上壓力和溫度)條件下巖石的樣本，更無法測定該條件下的巖石礦物的物理-力學(xué)性質(zhì)等等。所以，在許多情況下只能依賴科學(xué)的方法推斷深內(nèi)部的物質(zhì)狀態(tài)?，F(xiàn)代有三種途徑可以獲取地球深內(nèi)部物質(zhì)成分和性質(zhì)的信息:第一，通過地球物理場觀測，特別是地震觀測。因為地震波能夠穿透地球深內(nèi)部，其不僅能攜帶地球內(nèi)部地震波速度結(jié)構(gòu)的信息，而且其波形的變化能攜帶大量地球內(nèi)部物質(zhì)物理-力學(xué)性質(zhì)的信息;第二，通過高溫高壓條件下地幔巖石的礦物學(xué)研究，推斷地球深內(nèi)部條件下的巖石礦物的組分，相變條件及其物理-力學(xué)性質(zhì);第三，通過大規(guī)模計算機(jī)數(shù)值模擬的方式，在基本的物理-力學(xué)定律的基礎(chǔ)上，探討地球深內(nèi)部的巖石礦物狀態(tài)等等。

在過去一個世紀(jì)中，地球物理學(xué)家們發(fā)展了以PREM為代表的地球結(jié)構(gòu)和物理-力學(xué)性質(zhì)模型，地球化學(xué)家們也提供了地球內(nèi)部巖石礦物組成的基本模型。就地球內(nèi)部巖石礦物組成而言，廣泛地認(rèn)識到地球流體外核和固體內(nèi)核的物質(zhì)組成是以鐵鎳合金為主體，內(nèi)核僅僅是在該深度上溫度和壓力下鐵鎳的相變結(jié)果。地幔的巖石礦物組成則比較復(fù)雜，特別是660 km地震波速度不連續(xù)面的性質(zhì)(化學(xué)界面或相變面)長期以來倍受關(guān)注。不過大量觀測數(shù)據(jù)支持該地震波速度不連續(xù)面為相變面。就巖石礦物而言，地殼巖石礦物由于容易直接獲取，所以其研究程度相對較高。但地幔就不同了，其研究困難程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地殼物質(zhì)。不過經(jīng)過長期探索，地球科學(xué)給出了地幔巖石礦物的基本模型(表1)。如表1所顯示，660 km地震波不連續(xù)面為一相變面，通過這一界面，下地幔巖石礦物的主要成分為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，大量地球深內(nèi)部研究都以此為據(jù)而開展。不過，在探討地幔底部特別是D”層復(fù)雜結(jié)構(gòu)核動力學(xué)問題時，其巖石礦物用簡單的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)解釋面臨許多困難，有的甚至是難以逾越的障礙。

表1 地幔礦物相模式(根據(jù)CSEDI SCIENCE PLAN，1993)Tab.1 Mineral phase model of the mantle(CSEDI SCIENCE PLAN，1993)

圖4 過鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)在［001］，［100］，和［010］方向上的投影以及層狀結(jié)構(gòu)的三維視像(八面體為圍繞Si原子的O原子，圓球為Mg2+離子。黑線表示一個晶包單元［9］Fig.4 Projections of post-perovskite crystal structure［9］in the direections［001］，［100］and［010］and the 3D view of sandwich

然而，經(jīng)過了長期的疑惑，地球科學(xué)探索戲劇性地發(fā)現(xiàn)，在核幔邊界附近的溫度和高壓條件下，鈣鈦礦MgSiO3結(jié)構(gòu)可以轉(zhuǎn)化為新的高壓相結(jié)構(gòu)，即過鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。研究表明，在125 GPa和2 500 K溫度下(相應(yīng)于核慢邊界附近2 700 km深度)鈣鈦礦Mg-SiO3轉(zhuǎn)化為SiO6八面體的二維片狀結(jié)構(gòu)，其密度有1.0 to 1.2%的跳躍(圖4)。這一結(jié)構(gòu)與鈣鈦礦Mg-SiO3的三維結(jié)構(gòu)明顯不同。他們還推斷，D”地震波不連續(xù)面可能就是這一轉(zhuǎn)換的結(jié)果。而由于這一結(jié)構(gòu)的晶體具有明顯的各向異性，可以導(dǎo)致D”層中地震波強(qiáng)烈的各向異性。與此同時一系列理論和實驗研究都證實了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的存在。

由于這一新的發(fā)現(xiàn)，地球深內(nèi)部特別D”層所表現(xiàn)出來的一些怪異特征或許可以得到合理的解釋。Wookey等［10］利用過鈣鈦礦模型解釋了D”層的形態(tài)和位置，解釋了P波和S波呈現(xiàn)出來的差異特征及其在深地幔中不連續(xù)性的觀測結(jié)果。與此同時，他們還通過計算展示了下地幔中S波各向異性區(qū)域性的變化和MgSiO3鈣鈦礦相變之間的一致性等等。而在D”層中的觀測到的特殊結(jié)構(gòu)，一些區(qū)域呈現(xiàn)出成對的地震波不連續(xù)特征，Hernlund等［11］則用鈣鈦礦的相變邊界來解釋，并賦予其地幔動力學(xué)內(nèi)涵(圖5)。當(dāng)冷的俯沖板塊進(jìn)入下地幔，在該深度的溫、壓狀態(tài)下由MgSiO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(Pv)相變?yōu)檫^鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(pPv)，并堆積在CMB之上。它們與源于D”層的地幔熱柱的上升運動的物質(zhì)(鈣鈦礦結(jié)構(gòu))之間形成了冷-溫暖-熱的橫向熱結(jié)構(gòu)(圖5 (c))，也正是這一下地幔的溫度結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形成了成對的地震波不連續(xù)特征。對于地幔底部一些地震波速度的超低速區(qū)域(UVLZ)也有了新的解釋。Mao等利用實驗室觀測到，在過鈣鈦礦相中包含了40 mol% 的FeSiO3的富鐵過鈣鈦礦具有很低P波和S波速度及高泊松比。富鐵過鈣鈦礦在CMB上的地幔底部的壓力-溫度及化學(xué)條件下是穩(wěn)定的，這一礦物相可以由地幔和地核的反應(yīng)形成。而地幔動力學(xué)則驅(qū)動了這些物質(zhì)在一些區(qū)域的積累成為觀測到的地震波的超低速區(qū)。顯然這一解釋和過去將ULVZ理解為該區(qū)物質(zhì)的部分熔融明顯不同。

過鈣鈦礦的發(fā)現(xiàn)為推進(jìn)人類理解和認(rèn)識核幔邊界上部D”區(qū)域的實質(zhì)邁出了很大的一步，但是并不意味所有問題都解決了，因為D”區(qū)域復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)背景還仍然模糊不清。源于該區(qū)域的地幔熱柱如何形成?俯沖板塊在該區(qū)域如何堆積、演化和重循環(huán)到上地幔，甚至到我們這個星球的表層? D”區(qū)域中可能存在的大規(guī)模化學(xué)異常體的來源? D”層是如何和地球外核相互作用的?等等重大的科學(xué)問題有待我們?nèi)ド钊胩接憽?/p>

4 地幔對流和地幔熱柱

自1930年代提出地幔對流假想以來，地球動力學(xué)家們力圖從地球內(nèi)部追尋地球表層大規(guī)模構(gòu)造運動的驅(qū)動力源?，F(xiàn)在地幔對流不再是少數(shù)動力學(xué)家的假想，包括地幔熱柱在內(nèi)的地幔對流的深入研究不僅成為研究地幔熱動力系統(tǒng)演化的主線，也成為研究大陸形成和演化驅(qū)動機(jī)理的主線?？梢岳斫?，在深度2 900 km以上的固體地幔的對流是驅(qū)動板塊運動和地球表層地質(zhì)構(gòu)造、活動，包括大陸漂移、地震、火山和造山運動的主要力源。也可以理解，地幔對流如同熱機(jī)一樣在幾十億年的演化過程中不斷將其內(nèi)部熱量輸送到表層，散發(fā)到空間。使得我們這個行星得以緩慢地冷卻而不至于在放射性元素的加熱下過熱熔融。與此同時，地幔對流如同一個巨型攪拌機(jī)使原始的不均一的地?；旌稀⒕鶆蚧?。可以說，地幔對流(包括地幔熱柱)、板塊構(gòu)造和仍然神秘的D”層猶如基本框架將固體地球科學(xué)的許多分支學(xué)科聯(lián)系起來。

圖5 深地幔等溫線和鈣鈦礦(Pv)相變的關(guān)系((a)三條示意等溫線和過鈣鈦礦(pPv)邊界，(b)與前面相應(yīng)的Vs速度剖面，(c)可能的下地幔結(jié)構(gòu)，圖中淺色部分為pPv區(qū)域，箭頭表示物質(zhì)流動方向，點劃線表示溫暖，冷和熱地幔物質(zhì)剖面［11］Fig.5 Relations of the deep mantle isotherms［11］with perovskite phase change

包括地幔熱柱在內(nèi)的地幔對流是在一個復(fù)雜系統(tǒng)中運轉(zhuǎn)的，我們面對的是比想象要復(fù)雜得多的地球系統(tǒng)。由于數(shù)學(xué)分析能力的局限，大規(guī)模數(shù)值模擬已成為模擬地幔熱動力系統(tǒng)的主要手段之一。而數(shù)值模擬的時空域也從二維發(fā)展向三維，從直角坐標(biāo)面向球域，從穩(wěn)定對流的描述轉(zhuǎn)向?qū)α飨到y(tǒng)演化的探討，特別是從假設(shè)模型的研究轉(zhuǎn)向面對實際地幔。例如，研究地幔分層結(jié)構(gòu)對地幔對流格局的影響;復(fù)雜系統(tǒng)對流演化;地幔對流格局和尺度隨熱動力學(xué)參數(shù)變化的關(guān)系;板塊運動和地幔對流的相互作用以及地幔對流和俯沖板片的互動關(guān)系等等。

地幔復(fù)雜性的表征之一是，其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，物質(zhì)成分、相變(礦物組成)和流變學(xué)特性(黏滯性)等等。通常，物質(zhì)成分的差異將阻止流體穿越界面，此時對流將分層，形成兩個不相混合的對流系統(tǒng)而形成分層對流的格局。660 km地震波不連續(xù)面性質(zhì)的認(rèn)定長期以來倍受地球科學(xué)家的關(guān)注，不過近20年來地震層析成像揭示該界面不能阻止俯沖板片進(jìn)入深地幔，從而推定了該界面不是化學(xué)分層。盡管有的研究提出，在地幔底部CMB以上1 000 km范圍內(nèi)可能存在化學(xué)分層，并以此為據(jù)提出了一些對流模型。地幔條件下巖石礦物表明，地幔巖石的流變性強(qiáng)烈依賴溫度的變化及其礦物成分，同時相變過程吸熱和放熱或地幔各分層物質(zhì)成分變化使得其黏滯性產(chǎn)生差異。一些研究推測，地幔中可能存在兩個低黏滯區(qū)(LVZ，或軟流層)，其中第一個LVZ區(qū)在100～400 km之間，具有全球分布的特征。第二個LVZ區(qū)在660～1 000 km之間，在三個大洋下部都能追蹤到此低速層的存在。與之相應(yīng)的對流3D數(shù)值模擬給出，當(dāng)?shù)蒯ayleigh數(shù)達(dá)到2×107時，控制對流模式的基本因素仍然是660km界面，表現(xiàn)為局部或全球性的分層對流，第二LVZ的存在只是促進(jìn)分層對流而已。地幔熱柱可能在轉(zhuǎn)換區(qū)域產(chǎn)生，在第二LVZ區(qū)域出現(xiàn)小尺度的對流格局。值得注意的是，一些研究還通過設(shè)定不同的條件來研究俯沖板片和地幔熱柱在660 km界面附近的行為，用以解釋在該界面附近的地震波速不連續(xù)面的圖像。

地幔復(fù)雜性的表征之二是，由于其物理-力學(xué)狀態(tài)和物理環(huán)境的復(fù)雜性，與之相應(yīng)對流的格局呈現(xiàn)出的復(fù)雜和多變特征。觀測數(shù)據(jù)反映了地幔熱柱在內(nèi)的地幔熱對流系統(tǒng)的多尺度性的特征。Anderson［12］分析了地幔對流的尺度后指出，1階球諧函數(shù)對應(yīng)的對流可能反映了超級大陸及其分裂，2階呈現(xiàn)的上升和下降流動則對應(yīng)了地球表層構(gòu)造的基本格局(冷的地幔部分、大陸和俯沖帶)，6階對流對應(yīng)了熱點分布。而上地幔小尺度對流的波長在400～1 000 km之間，它受到多種因素的控制，例如，上地幔吸熱相變面深度，以及上地幔低速層厚度等等。3D直角坐標(biāo)、分層黏滯性的熱動力系統(tǒng)中多種尺度對流的數(shù)值模型顯示，當(dāng)系統(tǒng)Rayleish數(shù)從105增加到1.75×107時，上部邊界層呈現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài)，小尺度對流的格局也隨Rayleigh數(shù)的增加而變化，同時被大尺度對流水平地輸送。分層流變性可能是解釋地幔中同時存在多尺度對流的最好理由，而流變特性隨深度的變化可能在激發(fā)巖石層下部小尺度對流中起關(guān)鍵作用。當(dāng)然這一實驗可以定性地說明同一熱動力系統(tǒng)中多尺度對流同時存在的可能性，以及存在的可能條件，不過這離實際地幔的討論還相差甚遠(yuǎn)?？梢灶A(yù)期，諸如球型幾何特征，如地幔可壓縮性、固體相變、地幔流變性隨溫度和壓力變化、地幔熱動力參數(shù)隨深度變化以及部分熔融等都可能是影響對流格局和演化的因素。

地幔復(fù)雜性的表征之三是，現(xiàn)代地幔對流系統(tǒng)和以板塊構(gòu)造為主導(dǎo)的巖石層和在CMB之上的D”層之間既統(tǒng)一又相互獨立。地球是我們觀測到的太陽系中行星表層構(gòu)造中唯一顯示為板塊構(gòu)造的星球。地幔對流、巖石層板塊運動和D”層內(nèi)的物質(zhì)運移可以被看為統(tǒng)一的動力學(xué)系統(tǒng)，因為海洋巖石層板塊被證明可能是對流系統(tǒng)上部冷卻的熱邊界層，而D”也常常被想象為對流系統(tǒng)的下部邊界層。然而，由于他們之間流變性質(zhì)的巨大差異又使得其各自表現(xiàn)出相對的獨立性。所以可以理解它們?yōu)橄鄬Κ毩ⅰ⑾嗷ヅ己系淖酉到y(tǒng)。地球動力學(xué)家在模擬這一既統(tǒng)一又相對獨立的復(fù)雜系統(tǒng)時，面臨許多困惑，采用了一些不同的流變模型。實驗室研究表明，巖石黏滯性和溫度之間存在如下的關(guān)系，

式中，E是與物質(zhì)原子結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)，T為溫度，而T0和η0則為選取的參考溫度和相應(yīng)的黏滯性。例如，將地幔和巖石層分成流變性差異很大的兩層，或者將巖石層視為伴隨弱化帶的高黏滯性區(qū)域。一些研究則從更為復(fù)雜的非牛頓流變性出發(fā)，整體地模擬巖石層板塊的形成。早期模型顯示了一個能夠自適應(yīng)生成類巖石層板塊結(jié)構(gòu)的地幔對流系統(tǒng)，不過其板塊是固定不動的，通常稱此類模型為自適應(yīng)板塊-地幔模型。近年來，發(fā)展了一種考慮形變和軟弱性的機(jī)制，廣泛地應(yīng)用于自適應(yīng)板塊-地幔模型，其依賴于時間的三維對流數(shù)值模擬獲得了類板塊構(gòu)造特征。例如，在模擬中僅僅考慮巖石的屈服強(qiáng)度而不顧及其應(yīng)變的弱化。文獻(xiàn)［13］給出的三維自適應(yīng)板塊-地幔模型的數(shù)值模擬，其模型采用了三維直角坐標(biāo)系，對應(yīng)于11 600×11 600×2 900 (km)的實際地幔幾何框架。其模型從底部加熱，采用溫度-應(yīng)變率依賴關(guān)系的流變性，同時結(jié)合應(yīng)力屈服點的概念。模擬結(jié)果顯示，對流系統(tǒng)形成了一個高強(qiáng)度的頂層(類似板塊)，當(dāng)應(yīng)力足夠高時該層將破裂。該模型還產(chǎn)生一些類板塊構(gòu)造特征的現(xiàn)象，如高強(qiáng)度層的俯沖和在流體表面類似板塊運動等等。然而，這一模擬也出現(xiàn)了與地球表層構(gòu)造運動不相似的圖像。例如，伴隨新的高強(qiáng)度頂層形成而偶爾產(chǎn)生的消減流，這一特征更像在金星上對流的格局。Tackley［14］的數(shù)值模型采用了更徹底的參數(shù)化空間，包括統(tǒng)一的黏滯度-溫度依賴關(guān)系(變化可達(dá)5個數(shù)量級)，統(tǒng)一的屈服強(qiáng)度以及溫度達(dá)到固化點時其十倍變化的黏滯性等等。模擬顯示出對流系統(tǒng)的行為很大地依賴于屈服強(qiáng)度，低屈服強(qiáng)度時可以得到類板塊構(gòu)造特征，但是板塊很弱;中等屈服強(qiáng)度時可以得到強(qiáng)的板塊和弱的邊界;而高屈服強(qiáng)度時則會形成一個剛性的蓋層。數(shù)值模擬得到了更加連續(xù)和平滑演化的類板塊構(gòu)造特征，同時在板塊下部存在一個低黏滯性區(qū)域，呈現(xiàn)出可滑動的擴(kuò)張中心，其分布更加區(qū)域化，減少了隨機(jī)性等。然而，模擬未能給出一個純粹的轉(zhuǎn)換邊界，而每個邊界都是發(fā)散和轉(zhuǎn)換運動的混合等等。對此，正如 Tackley［14］指出的“盡管取得了很大的進(jìn)展，但是這一類板塊特征并不像地球的板塊構(gòu)造”。所以，真正地實現(xiàn)模擬地球板塊構(gòu)造還有很多工作要做，這也是今后全球構(gòu)造-地幔對流數(shù)值模擬的一個重要的方向性課題?？上驳氖?，有關(guān)此類研究的大規(guī)模數(shù)值模擬已經(jīng)開展，有的研究探討了深地幔過程和超級大陸之間的耦合關(guān)系，有的研究探討了地幔底部熱化學(xué)異常體與熱點和大規(guī)模火山區(qū)域之間的關(guān)系。不過，特別需要思考的是，以黏滯性為代表的巖石層地幔和D”層的力學(xué)性質(zhì)不僅依賴作用力的時間和空間物理環(huán)境，還依賴其巖石礦物組成。與此同時，在同樣的溫度壓力下巖石礦物部分熔融將改變其力學(xué)特性，影響包括巖石層在內(nèi)的地幔物質(zhì)運移的方式和格局，特別是在探討巖石層和下伏地幔之間的耦合時這一因素可能起到關(guān)鍵的控制性作用。

地幔復(fù)雜性的表征之四是，在地幔礦物分層結(jié)構(gòu)的基本成分的構(gòu)架基礎(chǔ)上，地球化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了地幔物質(zhì)橫向不均勻分布的復(fù)雜特征。數(shù)據(jù)顯示，源于地幔巖漿巖中不相容示蹤元素分成兩大類:一類來自大洋中脊玄武巖(MORB)，呈現(xiàn)了部分元素的虧損，被解釋為上地幔巖石部分熔融的結(jié)果，稱之為虧損或耗散了的地幔(DMM)。而另一類則是洋島玄武巖(OIB)，如夏威夷熱點火山巖，其被解釋為來自更深地幔的地幔熱柱，具有原始地幔的地球化學(xué)表征。早期地球化學(xué)研究將上地幔認(rèn)定為耗散地幔源，而下地幔則為原始地幔源。然而，隨著地球化學(xué)數(shù)據(jù)的不斷增加和積累，這一簡單的劃分無法解釋新的數(shù)據(jù)，一些地球化學(xué)家更趨向于MORB和OIB來自不同地?；瘜W(xué)儲體的推測。OIB除了可能來自深地幔D”層的原始地幔外，有的還可能來自別的不同類型地球化學(xué)儲體的物質(zhì)和MORB對應(yīng)的耗散地幔(DMM)混合的結(jié)果。例如，一些年齡大約為10～20億年的地幔巖樣品，它們不是原始的地幔，可能是大洋和大陸地殼物質(zhì)再循環(huán)進(jìn)入地幔形成的化學(xué)儲體。有的地幔巖樣品則認(rèn)為其源于高3He/4He值的地幔儲體。由于3He被認(rèn)為與地球同時形成的，而4He是U、Th放射性衰變的結(jié)果，所以高3He/4He可以理解為原始地球的物質(zhì)儲體。如此，地幔對流的問題就顯得更加復(fù)雜，更加撲朔迷離。Takley［14］列舉了一些依賴于地球化學(xué)數(shù)據(jù)的框架模型:

1)典型的上下地幔(660 km)化學(xué)分層模型;

2)典型全地幔對流模型，除了地幔底部存在富集重循環(huán)地殼(ERC)和原始地幔外，其余為均勻地幔;

3)原始地幔泡狀塊體伴隨富集重循環(huán)地殼(ERC)模型;

4)完全重循環(huán)模型;

5)原始?xì)埩魤K體模型;

6)深原始地幔層模型。

其中 Kelloge等［15］的模型假設(shè)，從深度大約1 600 km可能存在一個極不規(guī)則的化學(xué)界面(圖6)，其頂部深度可能為1 600 km，由下層中上升的流動將其推動，并在上面層產(chǎn)生向上的可能是熱柱的流動。而上層中的下降流(俯沖板片)迫使該界面向下移動至核幔邊界(CMB)附近，兩層之間不存在物質(zhì)交換。他們的數(shù)值模擬圖形也顯示了存在此種對流模型的可能性。不過，現(xiàn)今的地震觀測的精度還不能夠探測在地幔深部是否存在橫向如此大起伏的全球性的物質(zhì)(化學(xué))界面。Lava燈模型是在實驗室模擬和地球物理及地球化學(xué)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以地幔熱柱形成機(jī)為中心建立新的地幔熱動力學(xué)框架?；贒availle的實驗認(rèn)識到，在地幔中即使很細(xì)小的密度分層(1%左右)都將產(chǎn)生很重要的動力學(xué)結(jié)果。實驗?zāi)M了底部加熱頂部冷卻的密度(化學(xué))分層的黏滯流體的對流特征。結(jié)果表明，當(dāng)流體中層間的密度(化學(xué))差異和由于熱膨脹產(chǎn)生的密度異常之間的比率在0.3到0.5之間時，其密度分界面變形，成為很寬闊的圓頂以至上升到層的表面，而冷的物質(zhì)又會下沉，這一過程猶如Lava燈一樣。Davaille［16］假設(shè)，地球開始可能是分層對流，那時其浮力的比率大于1，后來有上升的熱柱和片狀下降的流動使兩層的地幔逐漸混合，其之間浮力的比率下降到0.5以下。該模型可能有助于我們調(diào)和諸多觀測之間的矛盾，特別是地球物理(地震層析成像)和地球化學(xué)數(shù)據(jù)的矛盾。不過，這一模型不僅要三維球域的實驗或數(shù)值模擬研究，而且還需要更加接近于地幔實際狀態(tài)的力學(xué)框架和熱動力學(xué)參數(shù)，更需要地震層析等直接觀測數(shù)據(jù)的證明?？雌饋韱栴}又回到了原點，地幔的自然屬性是化學(xué)雙層地幔還是化學(xué)統(tǒng)一的單層地幔?不同的只是化學(xué)分層從660 km地震不連續(xù)面轉(zhuǎn)向1 600 km深度，而后者在目前技術(shù)水平上，難以用地震學(xué)方法探測。

圖6 下地幔固有化學(xué)分層動力學(xué)模型［15］Fig.6 Inherent chemical stratification dynamics model of the lower mantle［15］

正如本節(jié)前面談及，地幔對流如同一個巨型攪拌機(jī)使原始的不均一的地?；旌稀⒕鶆蚧?。但是，一些模型，特別是化學(xué)分層地幔模型顯示，地幔對流不斷地將深地?；瘜W(xué)差異的物質(zhì)帶到地球表層，如此在對流循環(huán)過程中會增加地幔不均勻性。那么地幔均勻嗎?早期的研究表明，對于黏滯分層地幔而言，如果下地幔黏滯性100倍于上地幔時，全地幔對流仍然能使得下地幔保持地幔原始狀態(tài)。直角坐標(biāo)系中地?；旌系?D數(shù)值模擬表明，在環(huán)形運動存在的條件下，即使是穩(wěn)定對流也能夠產(chǎn)生有效、無序的混合。而近期計算更表明，在地球存在如此活躍的對流時，盡管存在一系列不利因素，如地幔具有黏滯性-溫度依賴關(guān)系，在660 km界面的下地幔有很高的黏滯性，而且660 km界面為吸熱相變面等等，在幾十億年的時間內(nèi)下地幔仍然能很好地混合和去氣(outgassed)。文獻(xiàn)［17］首次研究了3D球域中現(xiàn)代地幔對流條件下地幔混合的效率問題。他們的數(shù)值模擬實驗中的示蹤元素顯示，在現(xiàn)代地幔對流(包括板塊運動)的驅(qū)動下，存在多尺度的地?；旌?。只有一些確定的地域呈現(xiàn)出單一對流細(xì)胞的片狀混合，而多數(shù)區(qū)域表現(xiàn)出螺旋狀混合。如此，對流可以將示蹤元素從一個地點輸送到很遠(yuǎn)的地方而呈現(xiàn)出無序混合狀態(tài)。他們得出，主導(dǎo)現(xiàn)代地?；旌闲实年P(guān)鍵因素是，現(xiàn)代俯沖板片(特別是環(huán)太平洋區(qū)域)的驅(qū)動力和現(xiàn)代巖石層板塊運動環(huán)型速度場;相對而言，現(xiàn)代地球已經(jīng)有效地混合了，而經(jīng)過了長期演化的地幔中不可能保留大的孤立塊體。傅等［18］定義了地幔快體置換度和對流混合濃度，他們的研究結(jié)果同樣顯示，即使在穩(wěn)態(tài)對流的狀態(tài)下，經(jīng)過40億年演化后的地?；揪鶆?，其地幔塊體置換度超過80%。然而，一些研究仍然指出，地?；旌系男蔬€會由于地幔黏滯性橫向變化或者原始地幔中高黏滯性(高于正常地幔10到100倍)殘余泡狀塊體所降低，這些泡狀塊體將保留幾十億年而保留下來不被混合?？梢岳斫?，地幔中的化學(xué)異常體殘存時間不僅取決于異常體的黏滯性，還取決于其和周圍地幔的浮力比等等，所以這一問題仍然需要更多的關(guān)注和研究。

圖7 地幔系統(tǒng)示意和地幔最底部邊界層［19］(a)地幔剖面及關(guān)結(jié)構(gòu)單元:包括板塊構(gòu)造近地表的熱化學(xué)邊界層和由地震學(xué)提供的下地幔大尺度圖像，(b)熱邊界層模型(TBL)，(c)化學(xué)邊界層模型(CBL)，(d)集中在上升流下部的化學(xué)殘渣模型，(e)俯沖板塊堆積模型，(f)均勻下地幔相變模型(PC)，(g)b-f的混雜模型)Fig.7 Sketch of the mantle system and its bottom boundary layer model［19］

5 俯沖板塊和地幔熱柱的深地幔追蹤

地球科學(xué)已經(jīng)確認(rèn)，板塊構(gòu)造主導(dǎo)了地球表層構(gòu)造運動。來自地幔的物質(zhì)在大洋中脊上升，形成新的海洋巖石層，巨大的巖石層塊體(板塊)在不斷背向洋中脊運動的過程中不斷地冷卻、增厚，而在海溝區(qū)域俯沖，消減進(jìn)入地幔。俯沖板塊去向何方? Walson循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)迷失了。然而，當(dāng)我們?yōu)樾蹅延^的火山噴發(fā)而贊嘆大自然的巨大力量時，自然會問到這些物質(zhì)來自何處?它們屬于Walson循環(huán)環(huán)節(jié)嗎?自Morgan［20］提出地幔熱柱的概念以及它在板塊動力學(xué)中的作用以來，地幔熱柱就作為地幔演化動力學(xué)一個重要的子系統(tǒng)而得到廣泛的關(guān)注。正如本文前面已經(jīng)說明，卓有成效的地球深內(nèi)部探測揭示，地幔底部存在一個D”層，其結(jié)構(gòu)和成分的復(fù)雜性并不亞于巖石層?；蛟S它是俯沖板塊的歸宿?或許它同時又是地幔熱柱的發(fā)源地?是俯沖板塊和地幔熱柱將相距2 900 km的巖石層和D”層連接起來和地幔構(gòu)成了統(tǒng)一的熱動力系統(tǒng)?對此，Lay等給出了一個簡單的框架(圖8)和推測D”層的基本模式，并討論了這些模式。對于D”層而言，他們詳細(xì)分析和推薦了熱-化學(xué)邊界層(TCBL)模型。不過，這一框架中既沒有顧及相變的因素(Mg-SiO3過鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)而改變了地球科學(xué)對D”層的基本認(rèn)識)，同時也缺乏將活躍的巖石層和復(fù)雜的D”層聯(lián)系起來的元素。事實上近十來年在深地幔探測的研究中已經(jīng)確立起這一聯(lián)系巖石層和D”層的主要元素，那就是來自地球表層的巖石層俯沖板塊和源于D”層的地幔熱柱。

地球是現(xiàn)代仍然活動的演化的行星。現(xiàn)代所獲取的地球觀測數(shù)據(jù)都是這個星球演化過程的現(xiàn)代表觀。地震層析成像數(shù)據(jù)在許多地區(qū)明顯地呈現(xiàn)出現(xiàn)代俯沖板片可能進(jìn)入下地幔之中，有的可達(dá)1 300～2 000 km的深度，甚至堆砌在核慢邊界之上，解決了長期以來困擾地學(xué)界的有關(guān)660 km地震波不連續(xù)面的性質(zhì)問題。Bijwaard等［21］列出了全球各地區(qū)俯沖帶和包括了印度板塊和歐亞大陸碰撞帶在內(nèi)的19個地震層析成像剖面。他們發(fā)現(xiàn)，在愛情海、阿留申弧、堪察加、馬尼亞納海溝等一系列的剖面上，地震波高速異常都穿過了660 km間斷面，有的延續(xù)到下地幔深部，甚至2 000 km的深度上。只有少數(shù)剖面顯示高速異?；蛑袛嘤?60 km間斷面或沿該界面延伸，如Izu-Bonin島弧和Scotta Sea俯沖帶等地區(qū)。不過Zhao等對全球特別是東亞-西太平洋地區(qū)俯沖帶的地震層析成像的研究顯示出一些不同的特征，即較強(qiáng)的、擴(kuò)散開的地震波高速異常停留在俯沖帶的相變區(qū)域(660 km)，而由于相變帶的強(qiáng)烈的重力不穩(wěn)定性，其最終沉入下地幔。這一差異可能改變以對流為中心的地幔動力過程的一些故事情節(jié)，但并沒有改變下地幔乃至D”層可能是俯沖板塊的最后歸宿的結(jié)論。

地幔動力學(xué)的主要任務(wù)之一是將研究的視野由近向遠(yuǎn)地推向更遙遠(yuǎn)的地質(zhì)時代，從現(xiàn)代觀測的地震層析成像數(shù)據(jù)中去尋找殘存在地幔中的古老的俯沖板片的痕跡，推求古老的地質(zhì)塊體漂移、拼合的歷史，以追尋地球演化的軌跡。Van der Voo等［22，23］研究了西太平洋俯沖削減帶，包括 Kurile島，日本及南部地域以及古亞洲特提斯(Tethys)邊緣區(qū)域的地震層析成像結(jié)果，聯(lián)系晚侏蘿紀(jì)135～155 Ma及早白堊紀(jì)95～135 Ma以來西伯利亞，蒙古等地質(zhì)塊體的運動拼合以及Mongol-Okhotsk和Kula-Nero洋的閉合史，發(fā)現(xiàn)了可能殘存于地幔中的中生代俯沖板片的蹤跡。他們標(biāo)示出與現(xiàn)代活動的西太平洋俯沖板片相聯(lián)系的地震波高速異常帶以及與其近鄰的深入到約1 400 km以下的Mongol-Okhotsk洋俯沖巖石層板片殘留體。他們推斷，當(dāng)時介于西伯利亞(Siberia)和連接蒙古-華北(Mongolia-North China)塊體及東北西伯利亞(Omolon)塊體之間的Mongol-Okhotsk和Kula-Nero洋閉合了。確定該殘片位于貝加爾湖西部約深度在2 500 km的地幔深處，延至核幔邊界，估計其年齡至少為150 Ma或更長時間。以此為據(jù)，他們推估、對比了古西伯利亞活動邊緣位置和在地幔中與其相應(yīng)的地震波高速異常帶，勾劃出該區(qū)域自晚侏羅紀(jì)以來板塊俯沖以及地幔演化圖像。與此同時，他們還分析了東亞和中亞以及印度洋區(qū)域從地幔地震層析成像數(shù)據(jù)中推演出該區(qū)域古老俯沖板塊在現(xiàn)代地幔中的殘存蹤跡(板片化石fossil slab)。探討了特提斯海(Tethys)俯沖板塊的消減、古特提斯海閉合以及印度板塊、拉薩(Lhasa)塊體的碰撞過程。他們推定，拉薩地塊和古亞洲大陸之間的中生代特提斯海(Meso-Tethys)大陸俯沖后碰撞斷離的巖石層板片(殘片I)，位于塔吉克斯坦(Tajeikistan)、北阿富汗(northern Afghanistan)、西藏和喜馬拉雅下方，深度為1 000～1 900 km之間，年齡為130 Ma。推斷出新生代特提斯海(Neo-Tethys)的兩部分，北部向拉薩地塊俯沖以及南部則為在該海中部的洋-洋俯沖帶。其俯沖終結(jié)于印度板塊和歐亞板塊碰撞后在地幔中留下的殘片(II和III)。其南部洋-洋俯沖殘留板片(III)較早脫離巖石層，時代大約為中生代白堊記后期85～70 Ma之間，在地幔中的深度為1 600～2 300 km。印度大陸和歐亞板塊碰撞后的殘留板片(II)的年齡推測為66～65 Ma，在地幔中的深度為1 000～1 900 km。由于印度大陸的向北推進(jìn)，其殘片II和III分別位于印度大陸的下部。最后，他們還發(fā)現(xiàn)在印度板塊和歐亞板塊碰撞帶下方現(xiàn)代俯沖板塊的蹤跡(IV)，其深度為600 km左右。Hall和Spakman詳細(xì)分析了澳大利亞北部和東北部地幔地震層析所顯示的地幔中一系列高速異常體，這些高速異常體與俯沖板塊相關(guān)，在 Tonga-Kermadec地區(qū)可以深達(dá)1 500 km。他們利用現(xiàn)代板塊構(gòu)造重建方法，分析解釋這些高速異常和現(xiàn)代及過去板塊俯沖系統(tǒng)之間的關(guān)系得到，許多很強(qiáng)的異常區(qū)和現(xiàn)代俯沖板塊有關(guān)。推斷的俯沖板塊長度和位置則與在 New Britain和Halmahera島弧下面晚第三紀(jì)的俯沖相一致，也與自10 Ma以來曾經(jīng)急速后退的 Tonga和 New Hebride海溝位置一致。同時，他們還解釋了一系列更深的異常，并將這些異常與25 Ma，45～25 Ma過去該區(qū)域的俯沖帶聯(lián)系起來，推測了該地區(qū)的地幔動力學(xué)過程。值得提出的是，一種俯沖帶4D時空演化模式的研究在東亞這一構(gòu)造復(fù)雜的地帶得到應(yīng)用。他們以板塊構(gòu)造重建印度板塊-歐亞板塊，澳大利亞-歐亞板塊碰撞歷史為依據(jù)(圖8)，選擇了7個剖面，通過匹配板塊俯沖-碰撞邊界位置的方式，追蹤50 Ma以來俯沖板塊在地幔中的殘片或區(qū)域(圖 9)。他們發(fā)現(xiàn)板片的輪廓與亞洲邊緣形變相匹配。同時，他們還估計了俯沖板片在地幔中沉降速度在700 km以下為2 cm/a，而在700 km以上為5 cm/a，估計由于亞洲巖石層變形產(chǎn)生的吸收匯聚總量至少有1 500 km。

為了更好地認(rèn)識和理解地球表層(巖石層)物質(zhì)通過俯沖消減進(jìn)入地幔深部的動力學(xué)過程，一些研究用數(shù)值模擬的方式追蹤了全球俯沖帶物質(zhì)運移。Steinberger利用俯沖板片密度異常驅(qū)動地幔對流模型，顧及到120 Ma以來全球板塊邊界演化運動的歷史;Gordon和Jurdy研究了俯沖板片在地幔中的運動演化。模型顯示，俯沖板片在100 Ma時間內(nèi)插入地幔的平均深度為1 700 km，而在水平方向上的運動為600～700 km。這一結(jié)果和觀測到的俯沖板片的位置和下地幔橫向不均勻結(jié)構(gòu)有很好的吻合。Fu等［24］利用板塊運動和地幔密度異常驅(qū)動地幔對流模型探討了俯沖板片在地幔中運動的軌跡，發(fā)現(xiàn)多數(shù)俯沖板片都能俯沖到地幔的底部，而且由于板塊運動環(huán)型場的作用，其俯沖板片的軌跡遠(yuǎn)遠(yuǎn)比單一極型場驅(qū)動復(fù)雜得多。利用這一方式，我們可以對一些特定的俯沖板片詳細(xì)地追蹤和研究。俯沖板片動力學(xué)模型一直受到關(guān)注，一些研究利用數(shù)值模擬的方式，從地幔熱動力學(xué)模型出發(fā)探討俯沖板片所面臨的特殊問題。如，俯沖板片的非對稱性，影響俯沖板片消減強(qiáng)度的因素及俯沖板片與相變區(qū)域、黏滯分層或地幔中可能的化學(xué)壁壘之間的相互作用等。文獻(xiàn)［25，26］用2D和3D數(shù)值模擬探討了俯沖板片在地幔中殘存時間，發(fā)現(xiàn)板片殘存時間由兩個基本因素確定:板片的初始長度和地幔黏滯分層。殘存時間隨板片長度增加而減小，隨分層黏滯度的增加而加大。當(dāng)通過660 km地震不連續(xù)面黏滯度增加100倍時，地幔深部板片在150 Ma期間拖動其上部向下地幔運動，殘留在地幔1 500 km以上的淺的板片殘存時間超過150 Ma。

圖8 印度板塊和歐亞板塊相對于穩(wěn)定的西伯利亞在50、40、30、15、10、5 Ma位置的重建Fig.8 Reconstruceion of the India plate and Eurasian plate relative to the stable Siberia in 50，40，30，15 and 5 Ma positiongs

圖9 印度和東南亞地區(qū)100～1 600 km地幔地震波速度結(jié)構(gòu)［27］(6個試驗的相關(guān)性顯示重建亞洲板塊邊界的位置和形狀(圖9，點線)，以及相應(yīng)深度上高速異常板片:5 Ma，200 km;10 Ma，400 km;15 Ma，600 km;30 Ma，900 km;40 Ma，1100 km;and 50 Ma，1300 km)Fig.9 Seismic velocity structure［27］from 100 to 1 600 km in India and Southeast Asia of the mantle

近十余年來，熱柱的深地幔追蹤一直是地球動力學(xué)的重要課題。因為自Mogan提出地幔熱柱的概念和理論以來，它們在地幔中的現(xiàn)代表觀就成為該理論能否成立的核心。有關(guān)熱柱的討論已經(jīng)很多，其主要集中在:什么是熱柱?熱柱的形態(tài)是什么?熱柱源于何處?熱柱形成的動力學(xué)機(jī)制是什么?熱柱和板塊構(gòu)造之間的關(guān)系等等?，F(xiàn)代地震層析成像以及由地球化學(xué)提供的有關(guān)海島玄武巖(OIB)的數(shù)據(jù)說明，來自下地幔深處乃至D”層的地幔熱柱可能駕馭著地幔深部熱物質(zhì)上升流動，其部分熱柱可能從核幔邊界直接穿越地幔而到達(dá)地球表面，參與、驅(qū)動著地球表層構(gòu)造和動力學(xué)演化。這一理念來源于大量地震、地?zé)岷偷厍蚧瘜W(xué)證據(jù)。地球科學(xué)將熱柱，熱點和海島玄武巖(OIB)聯(lián)系起來并用地震層析成像的數(shù)據(jù)去發(fā)現(xiàn)和尋找地幔中熱柱的蹤跡。然而，只有在高精度的地幔地震成像技術(shù)的支持下，熱柱假說的實踐支柱才有可能得到確認(rèn)。

Ritsema等［27］從地震層析成像數(shù)據(jù)分析追蹤非洲和冰島下部地幔熱物質(zhì)上涌流動(圖10)。他們從深度為2 500 km到700 km的地幔地震層析切片和剖面，追蹤成長于核幔邊界(CMB)的地震S波低速異常。他們發(fā)現(xiàn)，在該區(qū)域地幔中，一地震剪切波低速異常(通常被認(rèn)定為高溫物質(zhì))從南大西洋核幔邊界(CMB)一直延伸到東非上地幔，到達(dá)Afar區(qū)域和活動的東非裂谷下部，成為新生代玄武巖火山區(qū)域。體積大約為4 000×200×200 km3的一低速高溫異常物質(zhì)源于西南大西洋下方的核幔邊界，其向上伸展到中非洲、西北非洲和南印度洋下部。其在水平方向上被彎曲跨越了達(dá)45°之巨。Goes等［28］研究中歐地區(qū)地震層析成像發(fā)現(xiàn)，中歐火山活動和地幔中深度為600～2000 km的低速地震波速度異常相關(guān)。據(jù)此推定，中歐下部下地幔深處熱的物質(zhì)上升支持該區(qū)域上地幔中小的幔熱柱，以及相應(yīng)的火山活動。他們推測，歐洲新生代的裂谷和火山和地幔中的主動和被動的上升流相關(guān)。而對于夏威夷下面的地幔熱柱更成為其深地幔追蹤的熱點，許多研究顯示夏威夷熱點下面的熱柱源于地幔底部。與此同時，Zhao［29］在討論全球范圍內(nèi)地震層析數(shù)據(jù)和地幔熱柱分布特征時指出，在熱點下部的地幔中能夠看到低速異常，但熱柱在地幔中可能被地幔流所扭曲;CMB處的低速異常和地球表面的熱點之間存在很好的相關(guān)性(圖11)，說明那些主要熱點對應(yīng)的強(qiáng)的熱柱可能源于CMB;巨大的低速異常在非洲和中-南太平洋的下部地幔之中(圖10)，相應(yīng)有兩個源于CMB的超級熱柱，但夏威夷不屬于這兩個超級熱柱。Lei和Zhao［30］給出了該區(qū)域地幔層析數(shù)據(jù)顯示了夏威夷熱柱的確源于地幔底部(圖12)。

盡管熱柱的研究還存在許多疑問，很多細(xì)節(jié)需要更精密的觀測數(shù)據(jù)，但有理由認(rèn)為，駕馭著地幔深部熱物質(zhì)上升流動的地幔熱柱可能是深部地幔物質(zhì)快速進(jìn)入上地幔以及出露地球表面的主要渠道。

6 地幔熱動力學(xué)框架

圖10 地震層析成像顯示的超級熱柱源于地幔底部(右:中-南太平洋超級地幔熱柱［27］，A:非洲超級地幔熱柱;B:中-南太平洋超級地幔熱柱)［29］Fig.10 Seismic tomographic images showing super plumes originating in the lowermost mantle［27，29］

在過去20年中，地球深內(nèi)部領(lǐng)域研究取得了重大的進(jìn)展，為人類認(rèn)識和研究地球深內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)提供了一系列重要的成果。值得提出的是，地球科學(xué)家統(tǒng)一認(rèn)識到地球系統(tǒng)及系統(tǒng)研究方法的重要性，1993年美國固體地球科學(xué)與社會一書提出:“研究地球一系列過程的一種新方法已經(jīng)形成，這種方法就是把地球看作一個完整的動力系統(tǒng)，而不是各部分彼此孤立的一種集合體”。Roman和Smith［31］概括到:“地球受一個動力的整體系統(tǒng)控制，這些動力作用在所有組成她的物態(tài)之上，包括氣體、流體和固體。這些動力和物態(tài)組合成一個復(fù)雜的包含許多未知數(shù)的圖式”。所以現(xiàn)代地球深內(nèi)部的探索和研究不再是孤軍奮戰(zhàn)，而形成了一支由地球動力學(xué)、地球物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、實驗物理學(xué)和計算機(jī)科學(xué)等學(xué)科交叉研究的領(lǐng)域。地球科學(xué)家力圖將核-幔邊界以D”層為代表的深內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動力學(xué)過程與以板塊構(gòu)造為代表，以大陸演化動力學(xué)為新的方向為代表的地表構(gòu)造運動聯(lián)系起來，這就是地幔熱動力系統(tǒng)。

圖11 地幔底部P波層析成像和地表熱點分布［29］(紅色代表低速擾動，藍(lán)色代表高速擾動百分比，實三角表示地表熱點)Fig.11 P wave tomography of the lower mantle and the hot spots distribution at the surface of the Earth［29］

圖12 夏威夷熱點地區(qū)在不同深度上P波地震層析成像［30］(紅色代表低速擾動，藍(lán)色代表高速擾動百分比，速度參考模型為ISPA91。三角形為夏威夷熱點)Fig.12 P wave seismic tomography in different depth of Hawaii hot spots area［30］

Hilst基于地震學(xué)、地球動力學(xué)和礦物物理學(xué)觀測、實驗的基本數(shù)據(jù)，以運動的視覺構(gòu)建了運動的現(xiàn)代地幔結(jié)構(gòu)的框圖(圖13)。綜合分析這些模型有著共同的特征:在板塊運動的會聚區(qū)域，俯沖板塊及其周圍物質(zhì)的下降流動是地球表層物質(zhì)消減(重循環(huán))進(jìn)入地幔以至到地幔深層的主要渠道;在板塊運動發(fā)散區(qū)域以大洋中脊為中心，其下部深至200～300km呈現(xiàn)出地幔熱物質(zhì)上涌的格局，也是地幔物質(zhì)通向地表的主要通道;自D”層的熱柱駕馭著地幔深部熱物質(zhì)上升流動，這一流動可能被地幔中的流動所扭曲或湮沒，但是至少有部分物質(zhì)(直接或重循環(huán))仍然可以作為火山熔巖噴發(fā)通向地球表面，凝固成新的地殼，成為熱點。

圖13 運動中的現(xiàn)代地幔圖像(上面部分:地球表面到核幔邊界(～2 890 km)從中美洲到非洲P速度變化。左邊藍(lán)色結(jié)構(gòu)描述了Farallon板塊俯沖到地幔深部，右邊紅色結(jié)構(gòu)描述了西非深部地幔的低地震波速分布。下面部分:不完整數(shù)據(jù)族的最佳契合并不唯一，通常受到先驗假設(shè)和調(diào)整的強(qiáng)烈影響，也不一定要很精確)Fig.13 Mantle view in motion(Top:P-wave velocity variations in the mantle between Central America and Africa，from Earth’s surface to the core-mantle boundary(～2 890 km depth).The blue structure on the left depicts the slab of subducted lithosphere of the former Farallon tectonic plate，which dips deeply into the mantle，whereas the red structures on the right mark the low wave velocity deep beneath West Africa.Bottom:Optimal fits to incomplete data sets(stars) are not unique，often strongly influenced by prior assumptions and regularization，and not necessarily accurate)

作者在1990年代初對地幔對流總結(jié)了五種不同的對流型態(tài)，提出地幔是多尺度、多形態(tài)、復(fù)雜的熱動力系統(tǒng)。同時還提出統(tǒng)一熱動力系統(tǒng)中不同源的概念，這一概念是建立在原始地幔非均勻分異的假設(shè)上。化學(xué)成分的非均勻分異、相變和對流的結(jié)果既使得地幔呈現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)，又產(chǎn)生橫向不均勻性。漂浮在地幔之上的大陸就是非均勻分異的最直接證據(jù)。既然地幔能分異出非均勻的大陸，那么也沒有理由反對地幔非均勻分異同樣會在地幔的底部D”層中沉淀、聚合一個或幾個冷或熱的沉淀的“大陸”。這幾個沉淀的“大陸”猶如現(xiàn)在漂浮的大陸一樣，在地球幾十億年的演化中沒被對流的攪動所混合而均勻化，它們漂浮在核慢邊界之上，在 D”層中，它們保留了其固有的特征。也許可以推想一些超級地幔熱柱和這些沉沒的“大陸”密切相關(guān)，就像俯沖板塊總是和漂浮的大陸相關(guān)一樣。圖14是作者對2005年提出的經(jīng)過修改后的地幔熱動力系統(tǒng)模型，這一模型具備了上面闡述的地幔物質(zhì)運移的共同特征。在以地幔對流和地幔熱柱為主導(dǎo)的地幔熱動力學(xué)系統(tǒng)中，其主要的載體——地幔在不斷地被對流攪動而均勻化，同時也被地幔熱柱攜帶的原始或重循環(huán)的物質(zhì)，被俯沖板塊消減的來自巖石層(地殼)的物質(zhì)破壞其均勻性。所以，一個成分基本均勻的地幔和基本不均勻的巖石層(特別是地殼)和D”層的同時存在，正是我們這顆行星現(xiàn)代仍然保持活力，仍然充滿大規(guī)模的突發(fā)事件和令人神秘莫測的魅力所在。

圖14 地幔熱動力學(xué)模型［32］Fig.14 Thermo-dynamical model of the mantle［32］

致歉 文中引用的部分參考文獻(xiàn)，由于文章過長由編輯刪除，在此表示歉意!有興趣的讀者可以電郵索取未刪減稿。

1 McNamara A K，Garnero E J and Rost S.Tracking deep mantle reservoirs with ultra-low velocity zones［J］.Earth and Planetary Science Letters，2010，299:1-9.

2 Ni Sidao，et al.Sharp sides to the African superplume［J］.Science，2002，(296):1 850-1 852.

3 Glatzmaier G A and Roberts PH.A 3-dimensional convective dynamo solution with rotating and finitely conducting inner-core and mantle［J］.Phys Earth Planet Inter.，1995，91(1-3):63-75.

4 Song X D and Richards P G.Seismological evidence for differential rotation of the Earth’s inner core［J］.Nature，1996，(382):221-224.

5 Su W，Dziewonski A M and Jeanloz R.Planet within a planet:rotation of the inner core of the Earth［J］.Science，1996，(274):1 883-1 887.

6 Koper Keith D，et al.Evidence for small-scale heterogeneity in Earth’s inner core from a global study of PKiKP coda waves［J］.Earth and Planetary Science Letters，2004，(228):227-241.

7 Krasnoshchekov，et al.Seismological evidence for mosaic structure of the surface of the Earth’s inner core［J］.Nature，2005，(435):483-487.

8 Wen Lianxing.Localized temporal change of the Earth’s inner core boundary［J］.Science，2006，(314):967-970.

9 Murakami，et al.Post-perovskite phase transition in MgSiO3［J］.Science，2004，(304):855-858.

10 Wookey J，et al.Efficacy of the post-perovskite phase as an explanation for lowermost-mantle seismic properties［J］.Nature，2005，(438):1 004-1 007.

11 Hernlund John W，et al.A doubling of the post-perovskite phase boundary and structure of the Earth’s lowermost mantle［J］.Nature，2005，(434):882-886.

12 Anderson and Don L.The scales of mantle convection［J］.Tectonophysics，1998，(284):1-17.

13 Trompert R and Hansen U.Mantle convection simulations with rheologies that generate plate-like behaviour［J］.Nature，1998，(395):686-689.

14 Tackley P J.Mantle convection and plate tectonics:Toward an integrated physical and chemical theory［J］.Science，2000，(288):2 002-2 007.

15 Kelloge B，et al.Stratification in the deep mantle［J］.Science，1999，(283):1 881-1 884.

16 Davaille A.Simultaneous generation of hotspots and superswells by convection in a heterogeneous planetary mantle［J］.Nature，1999，(402):756-760.

17 Van Keken P and Shijie Zhong.Mixing in a 3D spherical model of present-day mantle convection［J］.Earth and Planetary Science Letters，1999，(171):533-547.

18 傅容珊，等.現(xiàn)代板塊驅(qū)動地幔塊體置換度及地?；旌系难芯浚跩］.地球物理學(xué)報，2007，50(5):1 409-1 417.(Fu Rongshan，et al.Study of the mantle mixing driving by plate motions［J］.Chinese Journal of Geophysics，2007，5-(5):1 409-1 417)

19 Lay T，et al.Partial melting in a thermo-chemical boundary layer at the base of the mantle［J］.Physics of the Earth and Planetary Interiors，2004，(146):441-467.

20 Morgan W J.Convection plumes in the lower mantle［J］.Nature，1971，(230):42-43.

21 Bijwaard H and Spakman W.Closing the gap between regional and global travel time Tomography［J］.J Geophy Res.，1998，(103):30 055-30 078.

22 Van der Voo R，Spakman W and Bijiwaard H.Tethyan subducted slab under India［J］.Earth.Plant Sci Lett.，1999a，(171):7-20.

23 Van der Voo R.Mesozonic subducted slab under Siberia［J］.Nature，1999b，(21):246-249.

24 Fu R S，et al.Effect of rheology structure to flow patterns driving by density anomaly in mantle［J］.Chinese J Geophys.，2005，48(4):900-910.

25 Jarvis G T and Lowman J P.Sinking slabs below fossil subduction zones［J］.Phys Earth Planet Inter.，2005，(152): 103-115.

26 Jarvis Gary T，Julian P and Lowman.Survival times of subducted slab remnants in numerical models of mantle flow［J］.Earth and Planetary Science Letters，2007，(26):23-36.

27 Ristema J，et al.Complex shear wave velocity structure imaged beneath Africa and Iceland［J］.Science，1999，(286):1 925-1 928.

28 Goes S，Spakman W and Bijwaard H.A low source for central European volcanism［J］.Science，1999，(286):1 928 -1 932.

29 Zhao D.Global tomographic images of mantle plumes and subducting slabs:insight into deep Earth dynamics［J］.Physics oftheEarth and PlanetaryInteriors，2004，(146):3-34.

30 Lei Jianshe and Dapeng Zhao.A new insight into the Hawaiian plume［J］.Earth and Planetary Science Letters，2006，(241):438-453.

31 Roman L and Smith H J.The terrestrial web［J］.Science，2000，(288):1 983

32 傅容珊，等.地幔對流與深部物質(zhì)運移研究的新進(jìn)展［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2005，20(1):170-179.(Fu Rongshan，et al.Advancements in the study of mantle convection and the material movements in the deep earth interior［J］.Progress in Geophysics，20-05，20(1):170-179)

EXPLORATIONS OF THE EARTH’S DEEP INTERIORS AND ITS DYNAMICS

Fu Rongshan，Huang Jianhua and Yang Ting
(National Geophysical Observatory at Mengcheng，School of Earth and Space Sciences，University of Science and Technology of China，Hefei 230026)

The geoscience has focused on the explorations of the Earth’s deep interiors and its dynamics for a long time.In the past twenty years the study in this area reached a new stage and a series of new discoveries had been published.In this article，we review the main results obtained from the studies so far and explore its developments in the future.

earth’s deep interiors;plate tectonics;mantle dynamics;seismic tomography;geodynamics

1671-5942(2012)03-0139-14

2012-04-02

國家自然科學(xué)基金(41074071)

傅容珊，男，1942年生，教授，博士生導(dǎo)師，1965年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地震專業(yè)，主要從事地球重力場、地幔對流、巖石層應(yīng)力場以及大陸演化動力學(xué)等方面的研究.E-mail:frs@ustc.edu.cn

P542

A