地幔热柱与660公里相变面以及大陆岩石圈的相互作用及其对地表地质和地形的影响

Studying mantle plume dynamics can improve our understanding for the dynamic process and heat transfer in the Earth's interior, and for the plate motion, volcanic activities and tectonic evolution on the Earth's surface. Based on the research achievements obtained by the applicant in the last few years, this project plans to use three-dimensional geodynamic modeling to study the interactions of mantle plume with 660-km phase boundary and continental lithosphere, and to study the influences of such interactions on surface topography and mantle structure. Through numerical modeling and theoretical analysis, this project aims at obtaining the key parameters which control the interactions between mantle plume, phase boundary, and continental lithosphere. Then, we adjust these key parameters to generate similar geological process and mantle structure as obtained from geological and seismic observations, e.g. the topographic evolution before the formation of Siberian Trap, the plume morphology in Hawaiian region, and the P-wave anomaly region beneath the Eastern America continents. With the modeling results, we can provide reasonable dynamic explanation for these geological and seismic observations.

对地幔热柱动力学的研究能够帮助我们理解地球内部的动力学过程与热流传输，地球表面的板块运动，火山活动和地质构造的演化过程等。基于申请人在过去几年中取得的相关研究成果，本课题计划使用三维地球动力学模型研究地幔热柱和660公里相变面以及岩石圈的相互作用过程，以及这种作用过程对地表地形和地幔结构的影响。首先，通过数值模拟结合理论分析，得到控制地幔热柱与相变面和岩石圈作用过程的关键模型参数。然后，通过调整模型参数产生与地质学和地震学观测结果相一致的地质过程与地幔结构，比如西伯利亚大火成岩省区域形成之前的地形演化过程，夏威夷热柱区域的热柱形态分布，以及北美洲东部岩石圈下方的P波速度异常区域的分布等，以此为这些观测结果提供合理的动力学模型解释。

地幔热柱起源于地球地幔的深处，携带热量向上抵达岩石圈底部。研究地幔热柱能够帮助我们理解地球内部运动的规律，热柱对地表的影响以及热柱的形态和动力学等。本项目主要研究了地幔热柱与大陆岩石圈相互作用过程的主要控制参数，地表地形表现，地幔熔融表现等，并用以解释北美观测到的热柱与大陆岩石圈作用过程；研究了中国华南区域下方可能存在的地幔热柱轨迹的地表热流、地形、火山岩的分布特征，并与地震学和地质学观测结果进行了对比；研究了660公里相变面处石榴石和尖晶石相变对热柱动力学的综合作用及其对地表观测的影响，并与夏威夷热柱的观测进行对比。结果表明，（1）一个地幔热柱管道能够对大陆岩石圈的底部形成侵蚀作用，形成一个穹窿状的侵蚀区域，区域内存在地震波低速异常。该区域的典型尺寸是300公里宽，50公里高，能够存在超过100个百万年并且水平延伸数千公里。这样的隐藏地幔热柱轨迹为我们约束古板块运动历史提供了重要的参考。（2）发现在中国华南板块地壳底部存在着一条从东北向西南方向延伸的地震波波速异常区域。通过动力学模型模拟，该区域可能是由海南地幔柱对华南板块的侵蚀所造成。我们模型的结果显示华南区域在80个百万年以来相对于海南热柱向东北运动了超过一千公里。为约束板块速度提供了新的线索。（3）发现如果在660公里处同时考虑了包括后尖晶石和后石榴石两种相变，能够使得热柱区域在660公里附近产生双反射界面，并且还能够将大量的热柱物质阻隔在过渡带区域，但是该相变组合能使得热柱本身更容易穿透660公里相变面。我们的结果对解释地震学观测到的复杂相变面结构具有重要意义。