地幔热 柱和俯冲板块的热动力学表现
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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. 地球动力学的几个重点研究问题. 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 ]. 内容提纲. 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. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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
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]
• 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
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
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]
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
[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
Seismic Evidence for (largely) Whole-mantle Convection (van der Hilst et al. [1992; 1997]; Grand [1994])
Grand, van der Hilst, & Widiyantoro [1997]