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对地幔对流和板块构造的一些理解

已有 7311 次阅读 2014-9-26 05:59 |系统分类:科普集锦

看到很多人似乎对地幔对流和板块构造有所误解。现在谈一下我目前对这一问题的理解。

首先,俯冲slab(下图中以蓝色表示)是地幔对流的主要驱动力。解释:
自然对流的系统,主要有两个密度异常,上升的低密度高温物质和下降的高密度低温物质。这两个力是促使系统对流的最主要的驱动力。一个常见的例子是在锅里煮水。底部的加热和地表的冷却是其主要能量源。
对于地球而言,有几个证据表明上升的力不是主要驱动力。第一,地幔内部具有放射性元素,它的存在降低了核幔边界的温度差。第二,根据估计,从核幔边界贡献的热量(4-10TW)只占地表释放热量(44TW)的10-20%(有争议)。前面两个都证据都支持地幔中上涌流不是最主要的动力。第三,层析成像中地幔底部的高温superplume只达到中地幔的高度,在上地幔没有对应的波速异常。第四,板块边界的重要组成部分,洋中脊,和superplume之间没有关系。

其次,板块构造和地幔对流的联系。
上面说到地幔对流的主要动力是海沟处下沉的冷的,高密度的slab(俯冲的海洋岩石圈)。
这一下沉的slab不仅驱动了地幔的运动,也驱动了板块的运动(通过所谓的力导,即板块足够坚硬,以致能够把海沟处的力传递到远处)。有一个现象可以算作slab驱动板块构造的有力证据。地表和俯冲带相连的板块,其运动速度都比较大,不与slab相连的板块,其地表运动速度较小。如太平洋板块大概8个cm/yr的速度。而非洲板块只有1-2cm/yr的速度。
洋中脊肯定是对应于拉张的。这一拉张的驱动力,边缘海沟处的slab应该起了很大一部分。另外,板块本身的横向强度不均匀,地幔柱的出现,异常高温上地幔等等的作用会影响洋中脊出现的位置。同样的证据是和slab相连的板块,其洋中脊的扩张速度较大,而不和slab相连的板块,其洋中脊扩张速度较小。如东太平洋洋隆的扩张速度远远大于大西洋洋脊的扩张速度。



摘自(Tackley, 2008)

根据上图,目前比较合理的地幔对流的图案是:在某些地区板片(蓝色)能够穿过 660km 相变面 (黑色虚线) ,直达核幔边界,并在地幔底部形成俯冲板块的坟场(graveyard) ;在另外一些区域,俯冲slab受660km相变面的阻碍而弯曲,停留在转换带 。富含不相容元素的热化学异常物质(橘红色),受下涌流的推挤作用,在上涌区形成地震学中观测到的superplume。 来自于 CMB 的热柱主要从superplume的边缘产生,而在 LLSVPs 的顶部,可能形成次一级的较弱的熱柱。在 660km相变面上下,具有不同的平均组分。在660km 之上的转换带底部,富含俯冲的洋壳,而在 660km 之下到 750km 之间,富含亏损的斜方辉橄榄岩。地幔是全地幔对流的。也就是在任何时刻,都有物质在上下地幔交流。但是,上下地幔的物质并非完全均一的。



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