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【前沿报道】Nature Geoscience:地幔对流的多尺度地形响应
2019-12-05 | 旺彩官网: | 【 】【打印】【關閉

  地幔對流是驅動地球各種動力學行爲的引擎,直接或間接導致了幾乎所有大尺度的構造和地質活動(Davies1999)。地幔對流也會對岩石圈施加垂向的應力,使地表産生起伏,這一起伏稱爲動力地形。地表地形主要受均衡地形——地殼和岩石圈厚度及密度橫向不均勻導致的地形——所控制,但動力地形是窺探深部地幔動力學的重要窗口。學者通常用兩種方式來約束它的空間分布和振幅。一種是通過從觀測地形中去除沈積物、地殼厚度等岩石圈的均衡貢獻來估計,結果稱作殘余地形,它可能只是動力地形的近似;另一種是通過地幔對流模型來預估,也叫預測動力地形 

  人們很早就意識到小尺度動力地形的存在,例如20世紀70年代討論的夏威夷熱點鏈旁數百至上千公裏的隆起。但對于大尺度(5000—10000 km以上波长)动力地形是否存在,它的振幅和空间分布等问题,两种方法一直存在显著差异。例如根据預測動力地形,全球最低值在东南亚区域(圖1a,其幅度可達-1 km甚至更低,但殘余地形給出的估計爲正或接近于0 mFlament et al., 2013)。這種差異導致一些學者對大尺度動力地形的存在乃至地幔對流模型的可靠性提出質疑。 

  爲了更好地約束殘余地形,Hoggard et al.2016)編制了一個由海洋區域內2000多個高精度觀測點組成的數據庫。對于每一觀測點,先根據地震反射和折射剖面分析,從觀測地形中去除沈積層加載和地殼厚度變化所造成的均衡影響,再利用經驗模型去除海洋岩石圈隨年齡冷卻的影響,得到殘余地形,後利用正則化的最小二乘法,將殘余地形進行球諧展開,最後得到殘余地形的波長、空間分布和振幅。由于高精度殘余地形數據數量稀少,他們在進行球諧展開時,聯合了低精度但分布更爲廣泛的海洋殘余地形和陸地殘余地形數據(由于飽受質疑,在其之後的研究中陸地數據已被放棄)。得到的結果(圖1b)和前人的殘余地形類似:長波長動力地形振幅不可能超過500 m,因此大尺度地幔對流對地表構造的影響有限。 

1 殘余地形與地幔對流模型預測的動力地形對比。(a)忽略淺層圈層結構的地幔對流模型預測的現今動力地形(Flatment et al., 2013);(b)根據岩石圈密度結構及重力場等觀測數據推測的殘余地形(Hoggard et al., 2016);(c-eDavies等通過地幔對流模型預測的動力地形,其中(c)中不包含淺部地幔和岩石圈結構的影響,(d)則包含了兩者的作用(但去除海洋岩石圈隨年齡冷卻的部分),(e)爲(d)去除淺部熱均衡後的結果(最終獲得的動力地形)(Davies et al., 2019及附圖)

  楊亭等(Yang and Gurnis2016Yang et al.2017)通過對合成地形及觀測重力場的系統分析指出,動力地形長期存在爭論很大程度上來自于殘余地形估計的不准確性,Hoggard等使用低精度的残余地形污染了其获得的高精度数据,使用目前稀疏分布的高精度残余地形数据可以有效地推测出长波长动力地形的分布,其结果和长期以来預測動力地形在空间分布和振幅上均一致。 

  最近澳大利亞國立大學Davies et al.2019)對Yang et al.2017)的工作進行了驗證和擴展,認爲深部和淺部的地幔對流都對地表地形都有重要影響研究成果發表在Nature Geoscience上。 

  他們主要進行了以下兩方面的工作。 

  一是計算殘余地形功率譜。他們使用了基于貝葉斯估計的自動相關性拾取(ARD)的方法來執行正則化反演過程。通過對反演參數的自動拾取,避免了對地形功率譜施加預設的約束。得到:(a)長波長殘余地形的振幅範圍爲0.8±0.1 km,與Yang et al.2017)使用同樣階數得到的數值(-860 900 m)基本一致;(b)從l=2階到l=30阶,地形功率谱的变化降了一个数量级(圖2a)。他們認爲這證實了短波長、低振幅殘余地形的存在。需要注意的是,Yang et al.2017)在得到相似的功率譜後,基于對合成數據的分析,認爲目前得到的短波長殘余地形功率譜中究竟有多少代表真實而非噪音信號仍存在疑問。 

  二是进行地幔对流模型对比。为了量化浅部和深部地幔对流对所得地形功率谱的贡献,他們将自动拾取程序运用到两个端元(end-member)地幔對流模型中:(1)一個模型忽略了地幔上部300 km内密度和热的不均匀性(圖1c);(2)另一个模型则包含了浅层的地幔对流及其与岩石圈的相互作用(圖1d)。圖1d包含岩石圈均衡的成分,因此并非真正的动力地形。他們将圖1d减去岩石圈热均衡的影响,得到了最终的动力地形圖1e。虽然该动力地形和残余地形的空间分布差别巨大,他們认为其功率谱(圖2b绿色)和观测残余地形的功率谱(圖2a灰色)基本一致。忽略淺部圈層影響的地幔對流模型雖然能夠很好地再現殘余地形的長波長成分,但其功率譜和殘余地形功率譜在短波長有明顯的區別。 

2 残余地形及地幔对流模型預測動力地形的功率谱。(a)蓝线代表圖1d中地幔对流模型预测地形(具有浅层结构)的功率谱,灰线代表观测残余地形的功率谱,红色代表圖1c中地幔對流模型(忽略淺層結構)預測的動力地形的功率譜。陰影區域代表了50%99%的置信區間。實線代表由全球數據(包含大陸區域)得到的結果,虛線代表只用海洋數據進行觀測約束得到的結果;(b)蓝线和绿线是由包含浅部结构的地幔对流模型结果得到的功率谱,其中蓝色代表圖1d的地形,绿色代表圖1e對應的動力地形,紅線部分與(a)相同;(c)爲(b)中綠線和藍線兩個功率譜的均值之間的比值,展現了地幔對流對地表地形的貢獻(Davies et al., 2019

  通过对功率谱的分析(圖2a、圖2b),他們认为观测约束支持深部和浅部的地幔对流都对地表地形有重要影响。残余地形的长波长组分由深部的地幔对流控制,并且在球谐展开的功率谱中占据主要部分。短波长成分主要取决于岩石圈结构和最上层的地幔对流,它在功率谱中所占的比例并不大。对圖1d及圖1e功率谱的比较(圖2c)顯示:球諧階數l=2時,超過80%的合成殘余地形信號與地幔對流有關;然而,當l較高(特別是l15)時,超過50%的殘余地形信號可以歸因于岩石圈厚度變化所引起的均衡效應(注:Davies等对该圖解释可能有误,该圖是功率谱之比,因此地幔对流对残余地形振幅的贡献在30階應仍大于50%)。這意味著只有仔細地分離和消除地球岩石圈厚度和密度變化引起的均衡效應,才能從觀測記錄中提取與對流有關的動力地形的短波成分。 

  Davies等的工作已吹響了向短波長動力地形進軍的號角。然而,准確約束短波長動力地形需要地幔對流模型預測和殘余地形估計兩方向的共同進步,未來這個方向可能取得的突破有賴于建立更爲可靠的地幔密度和粘度結構模型以及更精確的地殼及岩石圈的厚度與密度分布。     

  主要參考文獻 

  Davies D R, Valentine A P, Kramer S C, et al. Earth’s multi-scale topographic response to global mantle flow[J]. Nature Geoscience, 2019, 12(10): 845-850.鏈接 

  Davies G F. Dynamic Earth: Plates, Plumes and Mantle Convection [M]. Cambridge University Press, 1999.  

  Flament N, Gurnis M, Müller R D. A review of observations and models of dynamic topography[J]. Lithosphere, 2013, 5(2): 189-210.鏈接 

  Hoggard M J, White N, Al-Attar D. Global dynamic topography observations reveal limited influence of large-scale mantle flow[J]. Nature Geoscience, 2016, 9(6): 456-463.鏈接 

  Yang T, Gurnis M. Dynamic topography, gravity and the role of lateral viscosity variations from inversion of global mantle flow[J]. Geophysical Journal International, 2016, 207(2): 1186-1202. 鏈接 

  Yang T, Moresi L, Müller R D, et al. Oceanic residual topography agrees with mantle flow predictions at long wavelengths[J].Geophysical Research Letters, 2017, 44(21): 10896-10906.鏈接 

  (撰稿:鄧麗君,周萌,楊亭/南方科技大學,陳林/岩石圈室)

 
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