板块构造运动对地幔内部热化学结构的影响的数值模拟

The mantle convection of the Earth, characterizing by active plate tectonics, is a major process in the earth's mantle. It is widely accepted that the plate tectonics has been operated in the Proterozoic. However, although the theory on mantle convection has been basically established and the model of plate tectonics has been improved significantly, it is still not very clear for both the details of convection in the mantle and the history of motions of all tectonic plates on the Earth’s surface. Mantle convection is a bridge connecting the plate motions with the thermochemical structures of the present mantle, thus seismic tomography with high precision and geochemical observations providing a good opportunity to improve both the plate tectonic history and our knowledge about the convective patterns in the Earth’s mantle, simultaneously. The purpose of his study is to simulate the mantle convection by incorporating tectonic plate movement into the numerical model, and then to figure out the influences of different plate tectonic models on the thermochemical structures of the Earth’s mantle. Combing our numerical results with the seismologic and geochemical observations, we’ll try to explore the relationship between the thermochemical structures nowadays and the plate tectonic models, and to probe how long the information about plate motions could be preserved in the present mantle. Finally, we’ll try to improve the plate tectonics of the Pacific plate in the recent 500 million years. It is our goal in this study to improve our understanding about the convective pattern of the Earth’s mantle and to establish a new method to reconstruct the history of plate tectonics, especially for the missing plates in earlier times.

以活动板块构造运动为特征的地幔对流是地球地幔中的一个重要过程。活动的板块构造在元古代已基本确立。然而，尽管有关地幔对流的理论已经基本建立、板块构造运动重构取得重要进展，但地幔对流的具体形态以及板块构造运动的历史至今仍不十分清晰。地幔对流是连接板块构造运动历史和当今地幔内部构造图像的桥梁，高精度的地震学模型为同时改善板块构造运动模型和对地幔对流形态的认识提供了契机。本项研究意欲通过将板块构造运动模型融入地幔对流的数值模拟中，探讨不同板块构造运动模型对地幔热化学结构的影响，综合利用地震学和地球化学成果，研究当今地球内部的地球物理和地球化学记录与板块构造运动模型的关系、探索当今地幔保存的信息与可追溯的板块构造运动历史的关系、完善近5亿年来古太平洋板块构造运动模型。希望通过本项研究提高对地幔对流具体形态及其时间演化的认识，并丰富板块构造运动历史（特别是适用于已经消失的板块运动历史）模型重构的方法。

对流是地幔中的重要过程，地球地幔对流以活动板块构造运动为特征。有关地幔对流的理论已经基本建立，地幔结构的地震层析成像和板块构造运动的重构也取得重要进展。但对地幔对流的具体形态以及板块构造运动的历史的认识仍有待提高。本项研究主要通过有限元数值模拟方法，将板块构造运动模型融入地幔对流模型中，计算分析不同板块构造运动模型对地幔内部热化学结构的影响，探索地幔内部结构与板块构造运动历史之间的联系，为利用地震层析成像等观测记录的当今地幔保存信息追溯板块构造运动历史提供动力学参考模型。主要研究结果包括：.1）收集整理了多种地震层析成像模型以及多种板块构造运动模型,构建了近10亿年来、特别是近5亿年来的板块构造运动模型;完成了改编地幔热化学对流数值模拟计算程序，实现了对板块构造运动历史的引入、特别是对板块俯冲进入地幔的过程进行标记等功能。这既是本项研究的数据基础和软件支撑，也是将来开展进一步研究的数据和软件基础。.2）通过对引入不同板块构造运动模型的地幔对流的数值模拟与计算分析，i）获得板块进入地幔后的演化过程以及存续时间的认识，发现较大的板块在进入地幔后可存续很长时间，但受后续俯冲板块的影响很大；ii）得到不同板块构造运动模型在对流的地幔产生的不同热化学结构，从模型上建立地幔内部结构和早期板块运动历史之间的关系。这表明地幔对流数值模拟可以为地震层析成像等观测记录的当今地幔保存信息和板块构造运动历史之间建立关联。.3）通过地幔对流的数值模拟，对东亚区域的板块构造运动和地幔内部结构进行了对比分析，发现高精度地震层析成像模型可提高对板块构造运动历史的认识。在板块构造运动模型差别不大的情况下，地表重力、地形和形变观测对不同板块构造模型中俯冲进入深部的板块赋存状态不很敏感，尽管这些观测能较好地反应局部的浅表动力学过程以及全球性的深部大尺度动力学问题。