地震學(xué)層析成像結(jié)果顯示,在非洲和太平洋下面有兩個(gè)巨大的低剪切波速度塊體即 LLSVPs(Large Low Shear Velocity Provinces)。這兩個(gè) LLSVPs 不僅體積很大而且在地理位置上處于各自的對(duì)極。同時(shí)波形建模結(jié)果顯示這兩個(gè)LLSVPs具有極陡峭的邊界和很高的地形,意味著它們可能在組分上有別于周圍的地幔物質(zhì)(Ni et al.,2002;He and Wen,2009)。理解這兩個(gè)LLSVPs的形成和演化是構(gòu)建一個(gè)完整的地幔演化史的關(guān)鍵之一。而雖然前人已經(jīng)使用熱化學(xué)對(duì)流模型做了很多關(guān)于下地幔中化學(xué)成分演化狀況的工作(McNamara and Zhong,2005;Zhang et al.,2010;Tan etal.,2011),但在他們模型中產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)構(gòu)體卻只能呈現(xiàn)出海拔低且邊界平緩的堆狀構(gòu)造。這種堆狀構(gòu)造在形態(tài)上和真實(shí)地球中LLSVPs形態(tài)(即高海拔和陡峭邊界)相距甚遠(yuǎn),反映了傳統(tǒng)熱化學(xué)模型在表現(xiàn)復(fù)雜化學(xué)結(jié)構(gòu)時(shí)的局限性。事實(shí)上,地球動(dòng)力學(xué)家們?cè)谑褂脽峄瘜W(xué)對(duì)流模型時(shí)都忽略了一個(gè)新近發(fā)現(xiàn)的鐵方鎂石中鐵元素的電子在下地幔溫壓條件下的重配對(duì)現(xiàn)象(即鐵方鎂石的自旋轉(zhuǎn)變)對(duì)熱化學(xué)模型的影響�？紤]到該現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)極大的影響地幔的物理屬性,因此在本文第三章中,我們將展示如何在地幔對(duì)流模型中加入鐵方鎂石的自旋轉(zhuǎn)變效應(yīng),并討論其對(duì)對(duì)流的影響。我們的模型結(jié)果表明,下地幔中鐵方鎂石的自旋轉(zhuǎn)變可以幫助地幔中的化學(xué)物質(zhì)累積并形成擁有陡峭邊界且高度約為1200公里的大型化學(xué)結(jié)構(gòu)體。這些結(jié)構(gòu)體在形態(tài)上與LLSVPs類似且S波速度異常值(～3.5%)也與觀測(cè)符合,說(shuō)明鐵方鎂石的自旋轉(zhuǎn)變效應(yīng)可能是導(dǎo)致LLSVPs產(chǎn)生的主要原因。然而那些在第三章模型中形成的類LLSVPs塊體是不穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)體,一般只能持續(xù)大約三百個(gè)百萬(wàn)年,之后就會(huì)因?yàn)榈蒯Ｎ镔|(zhì)的大規(guī)模運(yùn)移而發(fā)生破壞,這與受地質(zhì)證據(jù)支持的LLSVPs應(yīng)該是長(zhǎng)期穩(wěn)定塊體的觀點(diǎn)相沖突。另一方面,我們也無(wú)法很好的解釋那些出現(xiàn)在第三章模型中的初始化學(xué)層的物質(zhì)來(lái)源是什么:盡管目前為止對(duì)LLSVPs的物質(zhì)起源存在三種可能的解釋,即形成于地球早期階段的原始地幔物質(zhì)的殘余(Labrosseetal.,2007),核幔分異的產(chǎn)物(Kanda and Stevenson,2006;Hayden and Watson,2007),以及累積的從俯沖的海洋板塊中分離的榴輝巖成分(如Christensen and Hofmann,1994;Tackley,2011),但在一個(gè)單一模型中討論所有可能的物質(zhì)來(lái)源會(huì)極大的增加模型的復(fù)雜程度。因此在本文中我們只討論了最后一種可能性,即俯沖的玄武巖物質(zhì)。從本文第四章的工作中我們會(huì)發(fā)現(xiàn),當(dāng)在熱化學(xué)對(duì)流模型中加入了鐵方鎂石的自旋轉(zhuǎn)變作用時(shí),地表的超大陸循環(huán)現(xiàn)象可以增加經(jīng)由巖石圈-地幔系統(tǒng)進(jìn)入下地幔的海洋地殼的體積并極大的提高化學(xué)結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性,從而解決了第三章中類LLSVPs塊體不能長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。在使用了超大陸循環(huán)作為地表速度邊界條件后,我們模型中會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)分離的類LLSVPs結(jié)構(gòu)體。這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體形成于模型開(kāi)始之后的～5億年并一直持續(xù)到現(xiàn)在,說(shuō)明地幔中的LLSVPs可能已經(jīng)穩(wěn)定了～25億年。由于模型中海洋板塊的厚度會(huì)隨時(shí)間的增加而減小,因此在我們的模型中,類LLSVPs結(jié)構(gòu)的體積會(huì)隨著對(duì)流演化的進(jìn)行先增大后減小。該體積的最大值出現(xiàn)在對(duì)流開(kāi)始后的15億～20億年,其值約為當(dāng)期體積的兩倍。我們的研究結(jié)果表明LLSVPs可能完全是由俯沖的海洋地殼形成的,而且它們可能已經(jīng)穩(wěn)定了大概25億年。此外我們還發(fā)現(xiàn),LLSVPs的高度隨時(shí)間的變化可能使導(dǎo)致磁靜期周期性發(fā)生的原因。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：P315.2;P542.5

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本文編號(hào)：1899321