地幔对流构造模式及其对地球表面构造演化的启示:三维数值模拟研究  

Tectonic modes of mantle convection and their implications for Earth’s tectonic evolution based on three-dimensional numerical simulations

作　　者：相松 黄金水[1,2] 吴秉乘 Xiang S;Huang J;Wu B

机构地区：[1]中国科学技术大学地球和空间科学学院,合肥230026 [2]中国科学院比较行星学卓越中心,合肥230026

出　　处：《中国科学:地球科学》2025年第1期272-298,共27页Scientia Sinica(Terrae)

基　　金：国家自然科学基金项目(42074105、92155204);中国科学院战略性先导科技专项项目(XDB 41000000)资助。

摘　　要：本文利用三维球壳区域的地幔对流数值模型,计算分析得到五类地幔对流构造模式,即非板块活动层盖对流模式、类板块活动层盖对流模式、幕式类板块活动层盖对流模式、幕式停滞层盖对流模式以及停滞层盖对流模式;给出了五类构造对流模式的典型特征,以及依据板块度、移动度及其均方差的数值分类标准.结果显示,岩石圈的屈服应力对地幔对流处于何种构造模式具有重要影响,随着屈服应力从小到大逐渐增加,地幔对流依次经历前述五类构造模式;瑞利数增大,产生类板块活动层盖对流的屈服应力范围越小,不同构造对流模式间的无量纲转换应力增加.非板块活动层盖对流模式和类板块活动层盖对流模式间的量纲化转换应力有随瑞利数增加而增加的趋势,其他不同构造对流模式间的量纲化转换应力随瑞利数增加而减小;不同构造对流模式间的转换应力总体上与内生热率成反比,转换应力随内生热率增加而减小.构造对流模式转换应力的拟合分析显示,当今地球处于板块构造运动,要求数值模型的岩石圈的屈服应力介于150~250MPa,这与实验岩石学得到的蛇纹岩化地幔岩的强度值接近;如果太古代地幔温度比现在高300℃,那时的地球处于幕式停滞层盖对流模式.地球表面构造运动演化与岩石圈强度以及热演化过程密切相关,在岩石圈强度只有150MPa时,早期地幔快速冷却模型的板块构造开始时间可早于3.8Ga;晚期地幔快速冷却模型,板块构造模式开始时间约在1.5Ga.但在岩石圈强度有200MPa时,晚期地幔快速冷却模型对应板块构造模式开始时间晚至0.95Ga.早期地幔快速冷却模型的板块构造开始时间约在2Ga.早期地球处于幕式停滞层盖对流模式意味着那时仍可能存在俯冲.后期幕式类板块活动层盖对流模式的存在则说明在板块构造运动期间可能也存在间歇的表面构造运动停�

关 键 词：地幔对流构造模式 类板块活动层盖对流模式 幕式类板块活动层盖对流模式 幕式停滞层盖对流模式 板块构造运动和地球构造演化 

分 类 号：G63[文化科学—教育学]