海洋所在地幔動力學和彈性撓曲均衡作用方面研究取得新進展
近日,國際學術期刊Earth and Planetary Science Letters發(fā)表了題為“The relationship between gravity anomalies and topography in the Pacific Ocean and its implications for flexural isostasy,mantle viscosity and dynamics”的文章,報道了中國科學院海洋研究所關于地幔動力學和撓曲均衡的相對作用方面的最新研究成果。
地形和重力異常是地球表面兩個最基本的觀測要素,它們的成因主要有以下兩點:其一是巖石圈內部的密度變化及巖石圈的撓曲和均衡;其二是巖石圈下部地幔的密度異常及其引起的地幔對流。地球內部動力學和地表巖石圈板塊的撓曲均衡在不同波長上對地球的表面地形和重力場產生影響,目前地幔動力學和彈性撓曲均衡之間的轉換波長以及它們的相對貢獻尚不明確,決定這一轉換的一個關鍵參數(shù)是地球的粘度結構,它控制著板塊對加載的響應和地幔對流的作用。
本研究選取太平洋5000×5000 km的范圍(圖1),首次利用太平洋地區(qū)約200至5000公里波長范圍內觀測到的地形與重力異常之間的關系(導納),結合板塊撓曲模型和以地震層析成像為基礎建立的地幔對流模型,確定動力學效應和撓曲均衡效應之間的轉換波長,并約束地幔的徑向粘度結構。研究結果表明,對于波長小于~600公里的地形和重力場,板塊撓曲均衡是主要貢獻因素,對于波長大于~600公里的地形和重力場,地幔動力學是主要貢獻因素(圖2)。本研究基于不同的地震層析成像模型,建立地幔對流模型來研究長波長的動力學導納的控制因素。使用有限元軟件進行數(shù)值模擬來計算地幔流動、相關的地表動力地形以及自由空間重力異常。結果顯示太平洋地區(qū)觀測的長波長導納可以用考慮溫度相關的地幔粘度和弱軟流圈的模型來解釋,軟流圈的粘度比地幔過渡帶小約20倍,比下地幔小約600倍(圖3)。

圖1?北太平洋的海底地形(左)和自由空間重力異常(右)。數(shù)據(jù)范圍是以Oahu島為中心,半徑為5000×5000 km的正方形區(qū)域。?

圖2? 研究得到的隨波長變化的重力地形導納。藍色十字線代表觀測數(shù)據(jù),紅色虛線為有效彈性厚度設定為17 km時的最佳擬合理論導納曲線。?

圖3?觀測的重力地形導納與地幔對流模型計算的動力學導納的對比。a)?不同地震成像模型的影響,b)?地幔粘度結構的影響,c)?考慮溫度相關的地幔粘度的影響,d)更薄的軟流圈和考慮溫度相關的地幔粘度的影響。?
論文的第一作者兼通訊作者為中國科學院海洋研究所楊安助理研究員。合作者包括英國牛津大學的A.B. Watts教授和美國科羅拉多大學的鐘時杰教授。本研究得到了嶗山實驗室科技創(chuàng)新項目和國家留學基金的共同資助。?
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An Yang*,A. B. Watts;Shijie Zhong;The relationship between gravity anomalies and topography in the Pacific Ocean and its implications for flexural isostasy,mantle viscosity and dynamics,Earth and Planetary Science Letters,655,119246,2025. (https://doi.org/10.1016/j.epsl.2025.119246)
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