地幔對流及其對巖石圈作用的研究進(jìn)展

曹付陽， 楊樹新， 姚 瑞

(中國地震局地殼應(yīng)力研究所地殼動力學(xué)重點實驗室，北京 100085)

在地球動力學(xué)發(fā)展的一個多世紀(jì)以來，對于地球整體運動及內(nèi)外部狀態(tài)的研究愈發(fā)深入，自1912年Wegener[1]提出的大陸漂移學(xué)說，Dietz[2]和Hess[3]的海底擴張學(xué)說，再到Mckenzin等[4]和Morgan[5]提出的板塊構(gòu)造學(xué)說，研究者在探究地球表層巖石圈運動的動力學(xué)機制和力源問題的同時，逐漸把目光聚焦到作為巖石圈底部邊界的地幔對流上。

追溯到近一個世紀(jì)前，1931年Holmes[6]提出地幔對流是大陸漂移的驅(qū)動機制：地球巖石圈的變形和運動是大規(guī)模驅(qū)動力推動地幔上升冷卻的結(jié)果，裂谷代表地幔上升流的區(qū)域，而山脈則形成于巖石沉入地球內(nèi)部的地方。這一假說目前看來存在諸多問題，卻是地幔對流被用作解釋板塊運動驅(qū)動力的開端。地幔作為一種高黏度流體，如果被從下面加熱或內(nèi)部加熱，并在上層冷卻，那么在重力場的影響下，在深處熱的地幔巖石相較于巖石圈中較冷的、密度較大的巖石來說，在內(nèi)部重力平衡上是不穩(wěn)定的，熱對流就有可能發(fā)生。在這種對流過程中，較冷較重的物質(zhì)下沉到地幔中去，而較熱較輕的物質(zhì)上升到地表。地幔對流提出后，對于巖石圈和地幔耦合的研究悄然開始，這對研究地殼的整體運動和構(gòu)造變形意義深遠(yuǎn)。

在中國，對于地幔對流的研究始于20世紀(jì)80年代，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)傅容珊研究團(tuán)隊[7-8]開始了中國對地幔對流探索性的研究工作；1982年，黃培華等[8]使用低階、高階及全階重力干擾位計算出全球的地幔對流拖曳應(yīng)力場。20世紀(jì)末，傅容珊等[9-11]基于地幔對流理論，探究了青藏高原巖石層構(gòu)造運動的地幔動力學(xué)機制。2000年，王景赟等[12]探究了上地幔小尺度地幔對流對巖石圈的影響。21世紀(jì)以來，隨著計算水平的提高，地幔對流數(shù)值模擬研究開始興盛。熊熊等[13-14]模擬計算出多地區(qū)的較為精細(xì)的地幔對流情況，并討論了地幔對流和構(gòu)造之間的關(guān)系。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所王建等[15]、葉正仁等[16]利用stb00d地幔密度模型，并使用板塊速度作為邊界條件，計算獲得了全球地幔對流應(yīng)力場。中國地震局地球物理研究所朱濤[17-18]在前人基礎(chǔ)上，考慮了不同的密度模型，并增加了地幔徑向黏度和溫度的變化，使用熱動力學(xué)地幔模型計算出了地幔對流的速度場和應(yīng)力場。短短半世紀(jì)以來，從理論模型到數(shù)值計算，中國對于地幔對流的研究不斷深入。毫無疑問，地幔對流研究是目前地球科學(xué)一個難點，也一直是前沿?zé)狳c問題。

巖石圈是和人類活動關(guān)系最密切的地球圈層，巖石圈的應(yīng)力場狀態(tài)及其分布特征也是地球動力學(xué)和地震學(xué)的重要研究方向之一，對于探討大地震孕震機制以及全球板塊運動、大尺度構(gòu)造變形都有重大意義[19]。對于較大尺度的巖石圈應(yīng)力特征而言，作為巖石圈的下部邊界，地幔對流的作用十分明顯，被認(rèn)為是巖石圈內(nèi)部應(yīng)力場形成的重要機制之一。因此，為了更系統(tǒng)地認(rèn)識地幔對流的發(fā)展歷程和研究理論，梳理了地幔對流研究現(xiàn)狀，多角度討論了現(xiàn)階段地幔對流相關(guān)的問題，并展望了地幔對流未來研究的發(fā)展方向。此外，在介紹地幔對流基本認(rèn)識和新研究進(jìn)展的同時，還主要探究了地幔對流對于板塊運動和巖石圈應(yīng)力場的影響和作用。

1 地幔對流基本形式

由于殼-幔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和地幔物質(zhì)分布的不均勻性，地幔對流的形式也并非單一的簡單對流形式。自地幔對流理論提出后不久，便存在全地幔對流論和分層對流論的爭論。地幔對流的存在形式眾說紛紜，眾多研究者提出了許多完整的或缺略的地幔對流模型[20]。經(jīng)過多半個世紀(jì)的爭論，有關(guān)地幔對流的存在形式，研究者普遍認(rèn)為地幔對流可能主要由以下5種形式存在(多種共存或單獨存在)：全地幔大尺度的地幔對流、羽狀層流、上地幔小尺度地幔對流、D″層小尺度地幔對流和熱地幔柱及巖漿火山活動[21]。

1.1 全地幔對流和分層對流之爭

地幔對流研究初始，全地幔大尺度地幔對流模式被認(rèn)為是地幔對流存在的基本和主要形式[22]。全球的板塊運動表明，一定也有和板塊空間尺度差不多的地幔對流形式存在，根據(jù)觀測，其空間尺度在5×103～1×104km。早期的模型計算出，當(dāng)下地幔物質(zhì)的黏度達(dá)到上地幔黏度的100倍時，會發(fā)生地幔物質(zhì)的全對流，而Peltier[23]和Connell[24]計算表面下地幔的密度比以前認(rèn)為的要低得多, 這引發(fā)了全地幔對流和分層地幔對流的爭論。玄武巖化學(xué)變化的同位素證據(jù)表明，地幔中存在著獨特的、長期存在的化學(xué)儲層[25]。這些通常被解釋為地幔對流分層的證據(jù)，地球化學(xué)證據(jù)對于分層對流論的支持使?fàn)幷撨_(dá)到了高潮。

全地幔對流論與分層對流論之爭一直是地幔對流基本形態(tài)(圖1[26])爭論的焦點。針對全地幔對流形式，分層對流的支持者指出地球化學(xué)證據(jù)要求地幔對流是分層存在的[25]。研究者們發(fā)現(xiàn)洋中脊與大洋島嶼玄武巖的化學(xué)成分存在巨大差異，他們認(rèn)為670 km相變層的地幔物質(zhì)化學(xué)成分的改變會引起黏滯系數(shù)和物質(zhì)密度的變化，形成不可互溶的分層對流系統(tǒng)。地球化學(xué)證據(jù)充分表明，地球經(jīng)過46億年的演化，地幔仍存在兩個源區(qū)：脫氣和虧損了親石元素的上地幔，及保留耐熔元素、未受俯沖板塊影響的下地幔[27]。這顯示了地幔起碼存在兩個以上化學(xué)成分不同的源區(qū)，地幔物質(zhì)通過地幔對流沒有達(dá)到混合均勻，所以地球化學(xué)的證據(jù)要求分層地幔對流的存在[28]。

圖1 兩種對流模型示意圖[26]Fig.1 Two mantle convection models[26]

相較于地幔分層對流論，一些全地幔對流論的支持者給出了不同的結(jié)論[29]。他們指出存在不少證據(jù)與分層對流相悖，已知的全地幔對流模型有太多的剪切作用和混合作用，這些化學(xué)層無法存在，分層對流系統(tǒng)也無法成立。在俯沖帶周圍的410 km不連續(xù)面和660 km不連續(xù)面存在30 km以上的位移，這些位移表明俯沖物質(zhì)穿透了上地幔[30]。目前俯沖到下地幔深處的地方可以通過高分辨率的地震波速度來展現(xiàn)，而基于短周期和長周期數(shù)據(jù)的全球地震層析圖像[31]有力地表明，俯沖的板塊侵入到了下地幔[32-33]，并在660 km分界面處可能產(chǎn)生畸變，但是數(shù)值模擬的結(jié)果顯示這種畸變與分層地幔對流不能持續(xù)穩(wěn)定存在。下地幔長期層析成像還揭示了下地幔物質(zhì)存在小尺度的異質(zhì)性，這些小尺度異質(zhì)物在波速上會慢4%左右，其并不是熱差異引起的，必然是存在化學(xué)的異質(zhì)性[30]。研究人員解釋它們是巖石圈板塊的殘余，這些再造的海洋地殼和大陸地殼的殘余物分別占了地幔體積的16%和0.3%[30]。一些地震波轉(zhuǎn)換和層析成像等技術(shù)研究還發(fā)現(xiàn)熱點和地幔柱確實是在核幔邊界上涌到達(dá)巖石圈的。另外，全地幔對流的熱傳遞效率是要高于分層對流的，如果660 km處發(fā)育分層對流，在660 km分界面處會有熱邊界層的存在，熱傳遞效率自然降低[27]。這些研究表明，地震學(xué)和熱流的數(shù)據(jù)在一些方面與全地幔對流具有一致性。

目前，研究人員對于全地幔對流模式和分層對流模式尚未有明確定論，二者皆有其存在的合理性并能解釋部分地質(zhì)現(xiàn)象和觀測結(jié)果，同時也存在不利于兩種模式的現(xiàn)象來反對。有些研究人員開始提出混合對流模型，即地幔對流可以是地幔混合對流模型，但仍不能使地幔充分混合，依然保留有地球化學(xué)的兩個分異源區(qū)，其中的模型包括blob模型、Lava 燈模型等[27]。Lava 燈模型是在實驗室模擬和地球物理及地球化學(xué)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上, 以地幔熱柱形成機制為中心建立新的地幔熱動力學(xué)框架[28]。Tackley[34]最新的研究表明，針對地球化學(xué)所指出的噴發(fā)巖漿的不同化學(xué)成分的證據(jù)(需要地幔中幾個化學(xué)性質(zhì)不同的儲層)，可以利用綜合板塊構(gòu)造學(xué)、地球化學(xué)觀測和其他限制因素的自洽物理和化學(xué)模型，來協(xié)調(diào)全地幔對流的觀測和動力約束。

1.2 其他對流形式

如果說全球尺度的地幔對流是控制板塊運動的主要因素之一，那么在區(qū)域構(gòu)造中，小尺度地幔對流的影響是非常巨大的。上地幔小尺度對流的概念最早由Richter[35]提出，指出盡管至今還沒有直接的觀測證據(jù)，但地幔中小于700 km尺度的小對流是難以避免的。隨后大量的文獻(xiàn)論證了上地幔小尺度對流存在的證據(jù)[36]。小尺度對流的空間尺度為幾百公里(不超過1 000 km)，而且多為不穩(wěn)定流，即單個對流單元的長寬比大于1，相較于全地幔大尺度對流，其對流速度要大得多。大尺度的地幔流動驅(qū)動著構(gòu)造板塊的運動，從而導(dǎo)致了地球上的一級地質(zhì)活動，如造山、板塊運動、洋中脊和俯沖相關(guān)的火山活動等。小尺度地幔對流存在于熱邊界層和成分邊界層的附近，主要發(fā)生在低黏度的上地幔軟流層，疊加在大尺度的全地幔環(huán)流上，影響著板塊內(nèi)部的構(gòu)造變形[37]。例如，這種變形可以表示為地形的動態(tài)隆起和伸展[38]，或沉降[39]。地幔物質(zhì)橫向不均勻性的存在，如沿克拉通邊緣或裂隙帶的巖石圈厚度的大幅度階躍，將促進(jìn)小尺度地幔對流的發(fā)展。小尺度對流的上升流可能將進(jìn)一步地促進(jìn)地幔融化和板內(nèi)的火山活動，如小尺度地幔對流可以促進(jìn)海山和海洋島嶼的形成[37]。Faccenna等[40]的研究表明，小尺度地幔對流還可以驅(qū)動微板塊的運動，從而控制微板塊邊界沿線的一系列地質(zhì)活動，比如地中海地區(qū)。全地幔對流通過驅(qū)動軟流圈的剪切流和維持大規(guī)模的熱擾動來影響小尺度對流的形態(tài)，這些影響將或多或少地來阻礙和推動小尺度對流的發(fā)展，但是對于全地幔對流和小尺度對流之間的耦合關(guān)系還有待理解和研究。

核-幔邊界是地球內(nèi)部基本的過渡帶，它將硅酸鹽氧化物地幔與金屬外核分離開來。D″層最早在1949年被Bullen[41]定義為核-幔邊界以上，地幔最下的幾百公里厚的過渡層。D″層的上邊界面通常被描述為一個不連續(xù)面，其特征是剪切波速度增加了1.5%～3%[42]。D″層一般被看作全地幔對流的熱下邊界層，它的溫度梯度十分巨大，最大可以達(dá)到840 K，它主要的熱運輸機制是熱傳導(dǎo), 它將地核的熱量傳輸給地?；蛘弋a(chǎn)生地幔熱柱將地核的熱量帶到上地幔, 甚至地表。D”層在100～300 km尺度上存在橫向不均勻性[43]。D″層與其上層的地幔對比強烈，上層地幔是各向同性的，在大尺度上表現(xiàn)為差異較小的異質(zhì)性，而D″層在許多區(qū)域是各向異性的，這可能與俯沖板塊的拆沉有關(guān)[44]。由于D″層的這種結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，其可以形成獨立的對流系統(tǒng)。另外，D″層巨大的黏度差異，也可以形成小規(guī)模對流。Solomatov等[44]根據(jù)真實黏度的對流標(biāo)度定律，定量地判斷了D″層可以形成小尺度的地幔對流。李江海等[45]指出，在D″層相變反應(yīng)的影響下, 地幔對流比原來認(rèn)為的更有活力, 這種方式傳輸熱能也更加有效。若無后鈣鈦礦的生成, 大陸生長速度會減緩, 火山活動也不會如此活躍。

圖2 地幔對流模式和不同對流形式示意圖[54]Fig.2 Diagram of mantle convection models and mantle convection forms[54]

熱點是與活動板塊邊界無關(guān)的大規(guī)?；鹕交顒拥闹行?如夏威夷、冰島等)，地幔柱的概念由Morgan[46]在1971年提出，他的假說中認(rèn)為地球內(nèi)部存在源于核-幔邊界的緩慢的細(xì)長柱狀的熱上升流導(dǎo)致了熱點火山活動等地表表現(xiàn)。此后，地幔柱理論已成為對于板塊內(nèi)的異常火山的普遍解釋，如夏威夷、冰島、加拉帕戈斯群島等著名的例子[47]。20世紀(jì)90年代通過建立熱驅(qū)動和大黏滯度的地幔熱柱模型，根據(jù)其實驗結(jié)果和數(shù)值模擬, 認(rèn)為地幔熱柱由巨大的蘑菇狀熱柱頭和細(xì)長的熱柱尾兩部分組成[48]，熱柱尾主要由起源于核-幔邊界或上-下地幔邊界的熱物質(zhì)流組成[49]。Jellinek等[50]認(rèn)為巨大柱頭和細(xì)長柱尾結(jié)構(gòu)是地幔柱能長期穩(wěn)定存在的必要條件，還不足以是充分條件。熱柱頭的上升速度小于柱尾中物質(zhì)的上升速度，由于柱尾物質(zhì)不斷上涌，導(dǎo)致柱頭變大，同時還會捕虜周圍的地幔物質(zhì)[51]。盡管地幔熱柱大概只占地表熱量的不足10%，但已有研究表明，地幔柱在熱量輸送方面的作用是次要的，它們對地質(zhì)構(gòu)造的影響還是深遠(yuǎn)的[52]。

1991年，Larson[53]最早提出了超級地幔柱(圖2[54])的概念。Maruyama等[55]在已有的地幔柱學(xué)說基礎(chǔ)上，全面地提出了一種新的全球構(gòu)造模式——超級地幔柱構(gòu)造。Maruyama等[55]根據(jù)全球P波層析資料所作的地質(zhì)解釋認(rèn)為，全球在南太平洋及非洲存在兩大超級上升地幔柱，地幔柱從D″層上升并頸縮變細(xì)，到達(dá)地幔中部后逐漸擴展，在670 km附近巨型地幔柱分為若干較小的二級地幔柱向上噴涌，在升至板塊底部后再次橫向擴展，并沿板塊的斷裂或薄弱地帶上升，而形成更小的三級地幔柱，然后在地表形成熱點，而在亞洲還存在一個超級下沉地幔柱, 冷的地幔柱到達(dá)核-幔邊界，引起熱擾動和熱物質(zhì)上涌。巨型的熱地幔柱和冷地幔柱相輔相伴出現(xiàn)，構(gòu)成了現(xiàn)代地球物質(zhì)熱對流的主要方式[56]。Stein等[57]認(rèn)為，消減板塊不僅可以停留在670 km間斷面，而且可以拆沉到D″層，而起源于核-幔邊界的深部物質(zhì)又可以以地幔柱的形式穿透上、下地幔之間的不連續(xù)面到達(dá)近地表，從而構(gòu)成巨型幕式旋回。

超級地幔柱和地幔熱柱假說是自板塊理論之后，地球動力學(xué)進(jìn)展中最引人注目的假說[58-59]，自假說提出以來，一直被廣泛接受，并認(rèn)為是形成大火成巖省的動力學(xué)機制。此外，與超級地幔柱相關(guān)的大火成巖省的形成時間，也與地球歷史上幾次大陸裂解、生物滅絕事件相吻合[60]。地幔柱這種地質(zhì)構(gòu)造在限定邊界條件的數(shù)值模擬和室內(nèi)實驗中所得的結(jié)果令人滿意。Ritsema等[52]也指出在夏威夷、復(fù)活節(jié)島、冰島等地方確有低速異常，但是地震探測還有待更進(jìn)一步地發(fā)掘。1990年Sleep[61]記錄的熱點中存在29個熱點沒有垂向低剪切速度異常區(qū)域。Hamilton[62]也反駁說：夏威夷島可能并不是地幔柱的結(jié)果，而是太平洋板塊中部的一個擴張型裂縫造成的。Foulger等[47]指出目前主要的問題是地幔柱假說的確切概念過于模糊，以至于用來解釋的地質(zhì)現(xiàn)象缺少信服力。但可以肯定的是，超級地幔柱的研究將是地幔動力學(xué)中的研究熱點，對其進(jìn)行的地震探測和觀測證據(jù)還有待深入研究。

2 地幔對流的研究方法

地幔對流理論和板塊構(gòu)造理論提供了連接固體地球科學(xué)各學(xué)科(包括地球動力學(xué)、地球化學(xué)、地震學(xué)、礦物物理學(xué)、大地測量學(xué)、構(gòu)造學(xué)和地質(zhì)學(xué))的中心框架，一個成功的模型必須滿足所有這些領(lǐng)域的約束[15]。例如，地震波提供了對地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的直接探測，噴發(fā)熔巖和其他火山產(chǎn)物的化學(xué)分析提供了地幔中存在的不同成分的信息，實驗室實驗確定了地幔高壓和高溫下巖石的性質(zhì)和變形機制。可以說各種研究方法在模型的建立、內(nèi)部物性和狀態(tài)、邊界條件的約束、模型結(jié)果等方面有著一定的作用。先進(jìn)的直接和間接研究手段可以科學(xué)準(zhǔn)確地探究地幔對流機制和影響。地幔對流模型的研究手段[21, 63]主要包括：①根據(jù)與地幔對流相關(guān)聯(lián)的地質(zhì)構(gòu)造或現(xiàn)象觀察，以及運用地震方法和物探技術(shù)研究地幔對流。②建立合理的數(shù)值模型，利用數(shù)值方法，研究地幔對流模式以及其對地球各圈層的相互作用。

2.1 地震層析成像

地震層析成像是指利用地震臺站記錄到的數(shù)據(jù)反演研究區(qū)域三維結(jié)構(gòu)和物性參數(shù)分布狀況的一種方法[64-65]。層析成像最早在20世紀(jì)60年代被用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，即是現(xiàn)在計算機輔助成像(computed tomography, CT)技術(shù)[66]。地球物理學(xué)家在理論上證明了地震學(xué)的τ-p變換即是Randon變換[67]，此后廣大地學(xué)研究者開始利用臺站記錄到的天然地震和人工震源產(chǎn)生的地震波信號對地殼和地幔結(jié)構(gòu)進(jìn)行更直觀的研究。地震層析成像能以圖像的方式直接清晰地顯示地下物質(zhì)結(jié)構(gòu)的屬性，因此地震層析成像為更直觀地認(rèn)識地球內(nèi)部不同尺度的非均勻性和動力學(xué)過程提供了重要的參考依據(jù)[68]。1976年，Aki等[69]從60個臺站處提取了各地震的走時信息，并利用這些走時信息成功地獲得了美國加里福尼亞地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)[70]。他們的工作開創(chuàng)性地利用地震層析成像方法來研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。自70年代以后，全球及區(qū)域性地震波三維速度層析成像研究，使對地球內(nèi)部物質(zhì)分布非均勻性及物理狀態(tài)有了較深刻的認(rèn)識。近十年來，由于高分辨率地震體波及面波三維層析成像的研究，使我們能建立起全球或區(qū)域性的較精確的地幔三維結(jié)構(gòu)，這就為研究地幔對流奠立了堅實的基礎(chǔ)。

地震層析成像研究地幔對流的一個基本假設(shè)是地震波速度異常反映了由熱對流過程引起的瞬態(tài)橫向溫度變化。這一重要的假設(shè)允許把地震波速度異常轉(zhuǎn)換為等效密度擾動，并導(dǎo)出驅(qū)動地幔對流的浮力分布[67]。自從1977年Dziewonski等[71]首次得出了全球尺度的體波層析成像地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型以來，越來越多的全球地震層析成像模型極大的精細(xì)了地幔結(jié)構(gòu)和約束條件，從而改善了地幔結(jié)構(gòu)的動態(tài)過程。2003年傅容珊等[9]利用SH12 WM13 地震層析成像模型計算了全球地幔對流格局。結(jié)果表明，對流格局不僅依賴地震層析成像數(shù)據(jù)，而且在很大程度上受地幔動力學(xué)框架、熱動力參數(shù)和邊界條件所確定的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)的影響，顯示了地幔中復(fù)雜的對流格局，特別是區(qū)域性層狀對流以及分層對流環(huán)可能在地幔中存在的現(xiàn)象。然而，由于地震波傳播的理論處理方法、反演策略、地殼校正、收集的資料等的不同，這些模型之間存在著較大的差異，這導(dǎo)致了解釋構(gòu)造和地幔流動的宏觀概念模型方面存在爭議。

2015年Wang等[72]根據(jù)地震層析成像模型所提供的地球動力學(xué)和地幔對流響應(yīng)來評估模型的合理性，利用地表觀測的直接數(shù)據(jù)，如偏應(yīng)力場、大地水準(zhǔn)面、世界應(yīng)力圖(WSM)、應(yīng)變率張量場和動力地形數(shù)據(jù)等，評價了地震層析成像模型是否成功地反映了地幔橫向非均勻性，而地幔橫向非均勻性和地幔對流密切相關(guān)，基于39份地震層析得到的密度結(jié)構(gòu)(表1)，利用Ghosh等[73]的地幔對流模型分別計算了板塊和板塊邊界的大地水準(zhǔn)面、動力地形和巖石圈偏應(yīng)力。結(jié)果顯示Ritsema等[74]的S40RTS模型和Panning等[75]的SAW642AN的地震成像模型和直接觀測結(jié)果具有較高的契合度[73]?？梢哉f，地震層析成像直觀地給出了深部的信息，但因為資料收集方式和數(shù)據(jù)處理方式的不同，仍需尋找二者直接的關(guān)聯(lián)使地震層析成像結(jié)果更合理[76]。同時，地面直接觀測數(shù)據(jù)的約束必不可少。

2.2 數(shù)值模擬

地幔對流不可直接觀察，無法直觀地研究的特點使其難以用傳統(tǒng)的地質(zhì)手段來研究。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和計算能力的提高，數(shù)值模擬方法成為了研究地球動力學(xué)過程的重要手段。數(shù)值模擬相較于其他技術(shù)手段有著節(jié)省經(jīng)費，載荷施加和結(jié)果分析更加多樣化，可以做到傳統(tǒng)方法達(dá)不到的條件。數(shù)值模擬常使用的計算方法有有限單元法(FEM)、有限差分法(FDM)、邊界元法和離散元法等。1974年Mckenzie等[77]對比了簡單的二維對流數(shù)值模型，認(rèn)識到數(shù)值模擬將是未來地幔對流研究最重要的手段之一。

表1 基于39種地震層析反演模型計算數(shù)據(jù)與實測比較結(jié)果Table 1 The results of seismic tomography inversion model calculation data compared with the measured data

注：B為S波速異常模型；C為P波速異常模型；D為模型球諧函數(shù)擴展到31階來計算地幔對流；E為模型球諧函數(shù)擴展到63階來計算地幔對流；F為模型球諧函數(shù)擴展到127階來計算地幔對流；G為板片模型。

地幔對流的數(shù)值模擬從開始的重力地幔對流模型，再到熱力學(xué)地幔對流模型，再到多物理場耦合模型，到現(xiàn)在的自適應(yīng)的板塊地幔對流模型和巖石圈地幔的耦合模型。數(shù)值模擬方法在模型合理性和精細(xì)化、數(shù)值計算能力等方面有了巨大的進(jìn)步。利用數(shù)值模擬方便高效的特點，將這些模型的預(yù)測結(jié)果與實際觀測到的表征地幔性質(zhì)的間接信息進(jìn)行比較，如熱通量、冰川回彈或大地水準(zhǔn)面形狀等，為深入了解地幔中驅(qū)動對流的結(jié)構(gòu)和機制提供了大量的信息。

圖3 中國及鄰區(qū)的地幔對流速度場數(shù)值模擬結(jié)果[80]Fig.3 Numerical simulation of mantle convection velocity field in China and its adjacent area[80]

3 地幔對流對巖石圈的影響

地幔對流和板塊構(gòu)造是地球獨有的動力學(xué)行為，在其他類地行星中目前還沒有發(fā)現(xiàn)類似的活動[34]。地幔對流以板塊構(gòu)造為基本特征，是巖石圈許多地質(zhì)活動的驅(qū)動機制，包括了地震、火山、造山運動等。地幔對流與全球構(gòu)造之間聯(lián)系也逐漸發(fā)展和推進(jìn)了板塊構(gòu)造學(xué)說的形成。巖石圈和地幔對流是一個完整的系統(tǒng)[28]，地球的表層構(gòu)造活動在很大程度上是地?；顒釉诘乇淼谋憩F(xiàn)。

3.1 地幔對流與板塊運動

地幔對流作為板塊運動力源而被提出，作為巖石圈下邊界的存在，其對巖石圈的變形和動力過程起到了至關(guān)重要的作用。在板塊理論為基礎(chǔ)上，地幔對流對板塊的作用主要體現(xiàn)在驅(qū)動板塊的運動和控制板塊的構(gòu)造變形兩方面。從另一方面來說，板塊運動也是地幔對流的一種顯著的外在表現(xiàn)[82]。

20世紀(jì)40年代，Holmes[6]解釋地幔對流和板塊運動為構(gòu)造傳送帶的形式：熱的上升地幔流在大洋中脊上涌并推動板塊擴張，而冷的、重的下降流在俯沖帶附近向下拖曳俯沖的板塊。在假說提出初期，傳送帶模式的解釋令人十分滿意，以此為基礎(chǔ)研究者成功地解釋了非常多的地質(zhì)現(xiàn)象，因而廣為流傳，成為早期的板塊構(gòu)造學(xué)說動力學(xué)機制解釋的重要理論。

盡管以地幔對流為動力的板塊理論如此的“完美”，但仍有很多地質(zhì)問題無法得到合理解釋，其理論本身也有很大的非確定性值得討論。針對地幔對流驅(qū)動論，1984年Bott等[83]反駁道：“與其說地幔對流帶動巖石圈板塊運動，不如說巖石圈板塊帶動上地幔運動。”因為巖石圈板塊的運移速度一般在每年0.1 ～ 12 cm，最快的可達(dá)每年20 cm左右[84]。而根據(jù)大量發(fā)育在洋底的、形成于地幔熱點(在地表則表現(xiàn)為火山)根部的位移速度來判斷，固體地幔的水平位移量一般僅為每年幾毫米，絕對都小于2 cm?；实蹗u——夏威夷火山鏈的火山巖年齡從北西向東南逐漸變新的現(xiàn)象，Wilson[84]解釋為是由于地表附近的板塊在向西北運移，而代表地幔熱活動中心的熱點則是其參照系，基本不動。那么問題是，幾乎靜止的地幔對流如何推動速度大得多的板塊運動呢[85]？小一個數(shù)量級的地幔水平位移速度是不可能帶動速度較快的巖石圈板塊運移的。

地幔對流驅(qū)動論的支持者認(rèn)為：板塊的運動是受到來自巖石圈內(nèi)部、作用于板塊邊緣和其下部地幔對流的力控制。他們一開始通過計算參數(shù)化利用力矩平衡來建模計算。這些地幔對流物理模型都一致表明，巖石圈內(nèi)部和底部的粘滯耗散和在碰撞帶沿著逆沖斷層的剪切力抵制著板塊運動，而地殼的浮力異常、巖石圈和地?；顒邮前鍓K運動的主要驅(qū)動因素。Becker等[86]估計，對于密度異常驅(qū)動板塊運動，70%的動力來源于地幔，30%來源于巖石圈以內(nèi)，但是Conrad等[87]提到這個比例甚至可以達(dá)到90%比10%。事實上，Bercovici等[88]估計，由于俯沖板塊的作用，洋脊推力僅占板塊驅(qū)動力的5%～10%。被海溝圍繞的板塊移動速度是被擴張的洋脊附近的板塊移動速度的8倍，這支持了俯沖過程在很大程度上影響了板塊運動的觀點?？梢哉f，地幔對流主要驅(qū)動作用來自于對俯沖板塊的下降拖曳力和對洋脊的上涌推力[89]。但是，Crowley等[90]的模型表明，黏性板塊在具有深度依賴黏性的對流地幔頂部運動的動力學(xué)過程是復(fù)雜的，因此，有多種因素控制著來自地幔流動的基底牽引力在板塊運動中起著驅(qū)動作用還是阻力作用。

在巖石圈底部，地幔對流施作用在巖石圈基底的力可分為向上托舉力和水平方向的拖曳力。地幔對流的極型場控制板塊的聚合和離散，環(huán)型場使板塊產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和走滑[91]。利用海底磁異常、斷裂帶和轉(zhuǎn)換斷層走滑量、地震滑動矢量等間接手段，可以確定過去幾百萬年構(gòu)造板塊之間的相對運動量。甚至可以利用GPS來計算沒有洋脊的小板塊的當(dāng)前運動。這些手段所得出的板塊絕對運動極型場和與大地水準(zhǔn)面相聯(lián)系的地幔熱對流的表面流場在4～6階重力干擾位具有很高的相關(guān)性[92]。根據(jù)板塊運動速度和板塊內(nèi)部應(yīng)力場作為強有力的約束條件，通過復(fù)雜的建模方法，地幔流動的全球地球動力學(xué)模型已經(jīng)能夠相當(dāng)準(zhǔn)確地預(yù)測當(dāng)前地質(zhì)板塊的運動速度。2004年Solomatov[36]研究表明小尺度的地幔對流可以引起的俯沖應(yīng)力約為30 MPa，這與俯沖所需的板塊推力及俯沖帶內(nèi)的應(yīng)力值量級相當(dāng)。而且在沒有板塊構(gòu)造產(chǎn)生的情況下，小規(guī)模對流可以引發(fā)俯沖，成為早期地球板塊構(gòu)造的觸發(fā)機制。2017年Coltice等[89]發(fā)現(xiàn)早期的地幔對流和板塊運動模型缺乏自組織，研究考慮了地表構(gòu)造和地幔對流之間的反饋，建立了自組織的對流模型，并解釋地幔流動和全球地表構(gòu)造動態(tài)的相互作用應(yīng)該是在局部尺度上按規(guī)律自發(fā)形成的，自組織來自于地幔對流分布式反饋，它不受外力或外部因素(如建模人員)的控制。自組織模型探索了地幔對流和板塊運動系統(tǒng)之間的反饋和演化規(guī)律。

掘進(jìn)端頭附近、掘進(jìn)司機處及回風(fēng)側(cè)人行處粉塵濃度偏高，距掘進(jìn)端頭0～3 m范圍內(nèi)質(zhì)量濃度最高達(dá)到1 000 mg/m3，遠(yuǎn)超出煤安規(guī)定的 4 mg/m3，造成嚴(yán)重的粉塵污染和影響工作效率。

地幔對流可以產(chǎn)生洋脊推力和板塊拉力(俯沖帶和基底)，但是卻無法產(chǎn)生其他力。許多構(gòu)造顯然是地幔對流所不能產(chǎn)生的力造成的，其中最明顯的一個就是和走滑運動相關(guān)的轉(zhuǎn)換力，它不能由地幔對流直接產(chǎn)生[88]。盡管地幔對流在解釋板塊運動上存在很多缺陷，其機理尚未研究透徹，究竟是對流主導(dǎo)論還是板塊主導(dǎo)論仍存在爭議，但不可否認(rèn)的一點是，地幔對流對于板塊的運動(無論是驅(qū)動還是阻礙)和變形都有巨大的影響，無論什么模型的建立，其影響都是不可忽略的。

3.2 地幔對流對巖石圈應(yīng)力場的作用

巖石圈應(yīng)力狀態(tài)對地震的發(fā)生和構(gòu)造變形具有重要意義，是地學(xué)研究的重要課題之一。想要了解巖石圈應(yīng)力場，必須要了解巖石圈應(yīng)力場的力源。巖石圈的上邊界是大氣層，為自由表面，巖石圈下邊界是軟流圈及上地幔，可以說是下邊界的地幔對流和板塊運動所造成的相對運動產(chǎn)生了巖石圈應(yīng)力。由地幔對流產(chǎn)生的局部集中應(yīng)力和區(qū)域的分布應(yīng)力都對巖石圈應(yīng)力變化有著關(guān)鍵性的影響[15]。

根據(jù)現(xiàn)今巖石圈的構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)，可以了解主要的構(gòu)造應(yīng)力的來源有：①海底擴張的板塊生成機制中所涉及的力，如洋脊推力和轉(zhuǎn)換斷層摩擦引起的力；②由大地測量速度矢量所表示的板塊旋轉(zhuǎn)和移動中涉及到的巖石圈底部牽引力和驅(qū)動力；③板塊碰撞所涉及到的碰撞力、厚板拉力和地幔阻力；④板塊俯沖涉及到的板塊負(fù)浮力，地幔黏性耗散阻力；⑤巖石圈厚度及物質(zhì)分布不均勻產(chǎn)生的應(yīng)力。巖石圈底部的無法接近性和缺乏明顯的有規(guī)律的地表現(xiàn)象是研究巖石圈應(yīng)力來源機制的難點[15]。但這并不是意味著不能通過技術(shù)手段研究巖石圈底部地幔對流的影響作用，通過地面探測手段和地表觀察積累數(shù)據(jù)可以找到地幔對流對巖石圈應(yīng)力的作用及其聯(lián)系。

Perkeris[93]最早發(fā)現(xiàn)地幔對流和大地水準(zhǔn)面異常之間的聯(lián)系。他指出,除了橫向密度差異可以產(chǎn)生的直接重力異常外,還應(yīng)該考慮由地幔內(nèi)部物質(zhì)流動引起的邊界面形變所導(dǎo)致的間接重力異常[21]。地球內(nèi)部的熱對流能夠產(chǎn)生地表形變,所以可以通過重力異常和大地水準(zhǔn)面異常反映出地幔介質(zhì)特性及其內(nèi)部動力學(xué)過程。導(dǎo)致地球大地水準(zhǔn)面異常的主要來源有巖石圈強度(約占5%，波長<200 km)、地殼均衡(約占5%,波長<600 km)、熱均衡(約占10%,波長5 000 km尺度)、板塊俯沖(約占20%)、表面負(fù)載(約占5%)以及深部非均勻性(約50%，主要為長波長部分)。把來自下地幔的地震P波速度轉(zhuǎn)換成密度差異而計算的靜態(tài)大地水準(zhǔn)面異常的分布形態(tài)和實測長波長在低階上的非常相似[67]。

圖4 早期計算的地幔對流應(yīng)力場[8，94-95]Fig.4 The early calculated mantle convection stress field[8，94-95]

大地水準(zhǔn)面對于地幔深處結(jié)構(gòu)具有很高的敏感性，根據(jù)大地水準(zhǔn)面異常和地幔對流的聯(lián)系，Runcorn[94]通過簡化了的地球地幔模型，首次計算得到由地幔對流產(chǎn)生的作用于巖石圈底部的切向應(yīng)力場公式[92]。他假定地幔是均勻的，黏滯系數(shù)為常數(shù)的球?qū)樱瑑?nèi)部物質(zhì)是不可壓縮的牛頓流體，對流層的上下界面均為剛性界面。同時，Runcorn[95]根據(jù)衛(wèi)星重力得到的大地水準(zhǔn)面異常資料，計算了作用于巖石層底部的低階球諧函數(shù)2～11階對應(yīng)的全球10°×10°地幔對流應(yīng)力場(圖4[8，94-95])。在此基礎(chǔ)上，Liu[96-99]根據(jù)更精細(xì)的衛(wèi)星資料計算了高階球諧函數(shù)12～25階對應(yīng)的中國、太平洋、澳大利亞、非洲、美國等地區(qū)的對流應(yīng)力場。Fu[100]和黃培華等[8]采用低階(4～18階)、高階(13～25階)和全階(2～30階)3種重力干擾位計算中國地區(qū)的對流應(yīng)力場(圖4)，通過結(jié)果比對全階模型和中國大陸實測應(yīng)力場有較好的近似。熊熊等[13-14]、葉正仁等[16, 101]、朱濤等[17-18]、王建等[15]、傅容珊等[9, 92, 102]、Steinberger等[103]研究人員在此方法的基礎(chǔ)上，考慮到了巖石圈反作用力、地幔徑向黏度變化、地幔密度模型、板塊運動速度等細(xì)節(jié)問題，在不同程度上改進(jìn)了模型，并計算出了更高精度的對流應(yīng)力場(圖5[73，103])。

圖5 計算地幔對流應(yīng)力場[73，103]Fig.5 The calculated mantle convection stress field[73，103]

在長波形地形上，Runcorn[94]的方程有較好的適應(yīng)性，但是在小尺度的地形上，還不能通過提高資料和數(shù)據(jù)精度來提高結(jié)果的精度，其方法和模型本身存在一定的缺陷。其問題主要體現(xiàn)在下面幾點：①受到計算水平和數(shù)據(jù)精度的限制，模型的簡化往往和真實地幔和巖石圈結(jié)構(gòu)出入較大，例如幾乎所有的模型中巖石圈厚度都是定值，像青藏高原如此大的巖石圈厚度變化對于全球重力位的影響顯然是無法忽略的。巖石圈的物性、地幔內(nèi)部熱結(jié)構(gòu)、密度結(jié)構(gòu)和黏度結(jié)構(gòu)更是難以精確。②模型把巖石圈和對流分離獨立，考慮地幔對流對于巖石圈底部的作用力來計算地幔對流場，未考慮巖石圈與地幔對流之間的反饋，得出的對流模型是簡單規(guī)整，僅反應(yīng)大尺度對流特征的對流場[12]。③Runcorn[94]方程在方法上存在一定的缺陷，大地水準(zhǔn)面異常主要源自于巖石圈及地幔物質(zhì)密度分布不均勻，所以大地水準(zhǔn)面異常反映的不僅僅是地幔對流的信息，各種不同空間尺度均衡異常反映了源于不同深度的均衡異常。如全球范圍及板塊尺度的均衡異常，主要源于地幔，特別是下地幔密度橫向不均勻和由全地幔對流產(chǎn)生的核-幔邊界形變，以及巖石層-地幔邊界形變。而區(qū)域重力均衡異常(尺度小于1 000 km)主要源于上地幔橫向密度分布不均勻，以及相應(yīng)的由上地幔小尺度對流產(chǎn)生的巖石層-地幔邊界形變以及670 km間斷面形變等[92]。這些異?；祀s在一起難以區(qū)分，而模型的簡化會造成結(jié)果的不準(zhǔn)確且精度無法提高。

4 存在的問題和未來的研究方向

經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，地幔對流從提出到如今基本對流格局形成并可以基本解釋大尺度的動力學(xué)現(xiàn)象，取得了巨大的進(jìn)步。目前，對于地幔對流的研究還處于基礎(chǔ)研究階段，有很多動力學(xué)現(xiàn)象難以單純地用地幔對流的理論來獲得令人滿意的解釋，仍存在一些問題需要更深入探究。

(1)地幔對流在解釋地球動力學(xué)過程中仍存在疑問。地幔對流時至今日仍是以假說的形式存在，過去幾十年里，成功利用地幔對流假說解釋了許多地質(zhì)構(gòu)造和動力學(xué)現(xiàn)象。然而從許多方面來說，部分成功是在人為規(guī)定的巖石圈的薄弱帶和特殊的流變學(xué)性質(zhì)的條件下得到的，這里面包括了許多經(jīng)驗性的理論和做法，不能說這些做法是錯誤的，但與真實的巖石圈和地幔是有區(qū)別的。目前的地幔對流理論尚不能解釋所有的地質(zhì)現(xiàn)象，地幔對流模型在成功解釋部分動力學(xué)現(xiàn)象的同時還存在與其相悖的現(xiàn)象。在解釋大陸板塊、俯沖的起源、洋脊和狹窄被動上升流、動態(tài)地形、板塊環(huán)型運動、板塊的產(chǎn)生等問題上仍有缺陷。對地幔對流的研究仍然還有很長的路要走，研究地幔對流的最終目標(biāo)是建立地幔動力學(xué)和板塊構(gòu)造相統(tǒng)一的完整地球動力學(xué)理論。

(2)地幔對流研究技術(shù)手段不足以達(dá)到研究實際地幔對流的要求。如今，地幔對流的研究手段可以分為直接手段和間接手段。直接手段是利用技術(shù)手段直接研究地幔深處的物性狀態(tài)，例如地震層析成像技術(shù)等，間接手段是利用與地幔對流相關(guān)的且容易獲取的地質(zhì)資料研究地幔對流，包括與地幔對流相關(guān)的地表現(xiàn)象觀測結(jié)合計算機數(shù)值模擬等方法。兩種方法都有其缺點，目前地震層析方法由于資料數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理的問題難以達(dá)到統(tǒng)一和高分辨的地幔對流圖像。同樣，與地幔對流間接相關(guān)的地質(zhì)觀測雖然更容易獲取數(shù)據(jù)，但是它和地幔對流的相關(guān)性和其他條件因素的干擾決定了它很難達(dá)到較高的分辨率。但是與地幔對流間接相關(guān)的地質(zhì)觀測不失為驗證其他技術(shù)方法合理性和約束模型邊界條件的好方法。數(shù)值模擬方法在地幔對流研究中確實是非常重要的技術(shù)手段，但是模擬結(jié)果的合理性取決于模型是否符合真實對流的情況。限于數(shù)值計算能力的制約和對地幔深處物性狀態(tài)的缺乏完整認(rèn)知，數(shù)值模型的邊界條件往往不夠全面，結(jié)構(gòu)和物質(zhì)參數(shù)過于簡單均一，數(shù)值模擬結(jié)果難以反映復(fù)雜地幔的真實活動?？梢哉f，技術(shù)手段的高度決定了地幔對流研究的深度。

(3)多種觀測手段和數(shù)值模擬的可視化是地幔對流研究的未來趨勢。不同于幾十年前，科研人員受限于計算水平不得不高度簡化對流模型。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值求解的時間越來越短，計算能力的制約因素逐漸改善，但是前期建模和數(shù)據(jù)資料的收集分析越來越重要。地震波探測手段、地球化學(xué)手段、地質(zhì)觀測等都為地幔對流模型提供很好的約束條件和驗證方法。建立地幔對流模型的目的是為了探討和查明全球或區(qū)域性的構(gòu)造的形成機制及其運動的動力學(xué)根源，一個符合實際的模型應(yīng)該受到更多實際觀測的約束，現(xiàn)在所有的地幔對流模型還無法達(dá)到滿足所有的約束。這要求必須把理論的地幔對流模型跟實際構(gòu)造聯(lián)系起來，在尋求地幔對流與實際地球構(gòu)造聯(lián)系的過程中，必然要求建立更加接近真實地球地幔的對流模型[73]。地幔對流的復(fù)雜性源于地幔物質(zhì)的復(fù)雜性，隨著觀測和探測技術(shù)的發(fā)展，利用計算機技術(shù)使地幔對流像大氣研究一樣實時可視化是未來的必然趨勢。

5 結(jié)論

地幔對流理論從提出到現(xiàn)在走過了近一個世紀(jì)的時間，經(jīng)過幾代地球動力學(xué)家的深入研究，取得了長足的發(fā)展。各類對流模型的提出合理地解釋了許多動力學(xué)地質(zhì)現(xiàn)象。

在基礎(chǔ)認(rèn)知上，地幔對流的基本存在形式已經(jīng)被研究人員所熟知。近些年來，多種地球物理探測技術(shù)和數(shù)值模擬結(jié)合的研究方法使地幔對流研究發(fā)展十分迅猛。在技術(shù)手段和基礎(chǔ)地幔對流研究的支撐下，與地幔對流聯(lián)系密切的板塊運動、大尺度區(qū)域構(gòu)造、巖石圈應(yīng)力等地幔動力學(xué)應(yīng)用研究成果顯著。同時，科學(xué)計算的發(fā)展給地幔對流研究提供了一個大的機遇。但地幔對流研究仍是處于“新生階段”，尚未提出完美統(tǒng)一的模型理論。地幔對流理論的發(fā)展需要更多的基礎(chǔ)性研究，利用地震學(xué)探測掌握地球內(nèi)部物性與狀態(tài)，通過構(gòu)造地質(zhì)學(xué)剖析動力現(xiàn)象的構(gòu)造機理，利用科學(xué)計算建立更優(yōu)化的數(shù)值模型，等等。地球動力學(xué)、地震學(xué)、地質(zhì)學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、計算動力學(xué)等多學(xué)科的融入將會打開地幔對流研究的新視野。