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《中国科学技术大学》 2017年
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LLSVPs的概况、成因、演化史及可能物质来源

黄川  
【摘要】:地震学层析成像结果显示,在非洲和太平洋下面有两个巨大的低剪切波速度块体即 LLSVPs(Large Low Shear Velocity Provinces)。这两个 LLSVPs 不仅体积很大而且在地理位置上处于各自的对极。同时波形建模结果显示这两个LLSVPs具有极陡峭的边界和很高的地形,意味着它们可能在组分上有别于周围的地幔物质(Ni et al.,2002;He and Wen,2009)。理解这两个LLSVPs的形成和演化是构建一个完整的地幔演化史的关键之一。而虽然前人已经使用热化学对流模型做了很多关于下地幔中化学成分演化状况的工作(McNamara and Zhong,2005;Zhang et al.,2010;Tan etal.,2011),但在他们模型中产生的化学结构体却只能呈现出海拔低且边界平缓的堆状构造。这种堆状构造在形态上和真实地球中LLSVPs形态(即高海拔和陡峭边界)相距甚远,反映了传统热化学模型在表现复杂化学结构时的局限性。事实上,地球动力学家们在使用热化学对流模型时都忽略了一个新近发现的铁方镁石中铁元素的电子在下地幔温压条件下的重配对现象(即铁方镁石的自旋转变)对热化学模型的影响。考虑到该现象的发生会极大的影响地幔的物理属性,因此在本文第三章中,我们将展示如何在地幔对流模型中加入铁方镁石的自旋转变效应,并讨论其对对流的影响。我们的模型结果表明,下地幔中铁方镁石的自旋转变可以帮助地幔中的化学物质累积并形成拥有陡峭边界且高度约为1200公里的大型化学结构体。这些结构体在形态上与LLSVPs类似且S波速度异常值(~3.5%)也与观测符合,说明铁方镁石的自旋转变效应可能是导致LLSVPs产生的主要原因。然而那些在第三章模型中形成的类LLSVPs块体是不稳定的化学结构体,一般只能持续大约三百个百万年,之后就会因为地幔物质的大规模运移而发生破坏,这与受地质证据支持的LLSVPs应该是长期稳定块体的观点相冲突。另一方面,我们也无法很好的解释那些出现在第三章模型中的初始化学层的物质来源是什么:尽管目前为止对LLSVPs的物质起源存在三种可能的解释,即形成于地球早期阶段的原始地幔物质的残余(Labrosseetal.,2007),核幔分异的产物(Kanda and Stevenson,2006;Hayden and Watson,2007),以及累积的从俯冲的海洋板块中分离的榴辉岩成分(如Christensen and Hofmann,1994;Tackley,2011),但在一个单一模型中讨论所有可能的物质来源会极大的增加模型的复杂程度。因此在本文中我们只讨论了最后一种可能性,即俯冲的玄武岩物质。从本文第四章的工作中我们会发现,当在热化学对流模型中加入了铁方镁石的自旋转变作用时,地表的超大陆循环现象可以增加经由岩石圈-地幔系统进入下地幔的海洋地壳的体积并极大的提高化学结构体的稳定性,从而解决了第三章中类LLSVPs块体不能长期存在的问题。在使用了超大陆循环作为地表速度边界条件后,我们模型中会产生两个分离的类LLSVPs结构体。这两个结构体形成于模型开始之后的~5亿年并一直持续到现在,说明地幔中的LLSVPs可能已经稳定了~25亿年。由于模型中海洋板块的厚度会随时间的增加而减小,因此在我们的模型中,类LLSVPs结构的体积会随着对流演化的进行先增大后减小。该体积的最大值出现在对流开始后的15亿~20亿年,其值约为当期体积的两倍。我们的研究结果表明LLSVPs可能完全是由俯冲的海洋地壳形成的,而且它们可能已经稳定了大概25亿年。此外我们还发现,LLSVPs的高度随时间的变化可能使导致磁静期周期性发生的原因。
【关键词】:LLSVPs 铁方镁石 下地幔 超大陆循环 自旋转变 热化学对流
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P315.2;P542.5
【目录】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-12
  • 第一章 绪论12-26
  • 1.1 LLSVPs的概况12-17
  • 1.2 LLSVPs的物质来源及意义17-19
  • 1.3 LLSVPs的动力学解释19-22
  • 1.4 铁方镁石的自旋转变22-24
  • 1.5 本文的研究目的和内容24-26
  • 第二章 热化学对流的基本方程及有限元求解概要26-40
  • 2.1 热化学对流的基本方程26-30
  • 2.1.1 微分和积分形式下的基本方程26-27
  • 2.1.2 基本方程的近似27-30
  • 2.2 在对流方程中加入铁方镁石自旋转变效应30-31
  • 2.3 基本方程的无量纲化31-33
  • 2.4 基本方程的有限元求解33-38
  • 2.4.1 Stokes流的求解33-35
  • 2.4.2 能量守恒方程的数值求解35-36
  • 2.4.3 化学扩散方程的求解36-38
  • 2.5 Citcom的简介及发展38-40
  • 第三章 LLSVPs的形成与铁方镁石自旋转变之间的关系40-66
  • 3.1 数值模型40-47
  • 3.1.1 方程的建立40-42
  • 3.1.2 可变参数的设置42-43
  • 3.1.3 如何在动力学方程中引入铁方镁石的自旋转变效应43-46
  • 3.1.4 其它参数的设置46-47
  • 3.2 数值模拟结果47-62
  • 3.2.1 由自旋转变作用引起的类LLSVPs结构体48-53
  • 3.2.2 对自旋转变作用的力学分析53-55
  • 3.2.3 参数变化对模型结果的影响55-62
  • 3.3 分析与讨论62-64
  • 3.3.1 铁方镁石自旋转变是促成LLSVPs形成的关键因素62-63
  • 3.3.2 自旋转变效应存在的依据63
  • 3.3.3 LLSVPs的稳定性及起源63-64
  • 3.4 本章小结64-66
  • 第四章 LLSVPs的长期稳定性与超大陆循环之间的关系66-98
  • 4.1 引言66-71
  • 4.2 数值模型的建立71-77
  • 4.2.1 化学扩散方程及化学粒子的初始化71-74
  • 4.2.2 模型设置74-77
  • 4.3 数值模拟结果77-94
  • 4.3.1 超大陆循环有助于类LLSVPs结构体的长期稳定77-83
  • 4.3.2 参数变化对模型结果的影响83-91
  • 4.3.3 长期稳定类LLSVPs结构体与地磁倒转的关系91-94
  • 4.4 分析与讨论94-96
  • 4.4.1 超大陆循环是促成长期稳定LLSVPs形成的关键因素94-95
  • 4.4.2 超大陆循环模型中的简化处理对结果的影响95
  • 4.4.3 LLSVPs的形态变化与磁静期的周期性发生95-96
  • 4.5 本章小结96-98
  • 第五章 结论与展望98-100
  • 5.1 本文的主要工作与结论98-99
  • 5.2 工作展望99-100
  • 参考文献100-114
  • 致谢114-116
  • 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果116

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