下地幔巨大低剪切波速度区的成因及其可能存在的周期性演化史

摘要

地震波层析成像揭示了非洲和太平洋下两个巨大低剪切波速度区(LLSVPs)的存在.之后的波形拟合结果进一步表明这两个速度体有着陡峭的边界,同时剪切波速度在边界里外呈尖锐跳变而非平滑过渡,说明LLSVPs是热化学异常而非热异常.这两个LLSVPs是目前已知的下地幔最大的两个结构体.下地幔中两个如此大体积的结构的存在必然与全球的地幔对流密切相关,同时也势必影响着全球的地幔对流格局.本研究首次通过在热化学对流模型中引入铁自旋转变的方法，提出了LLSVPs的形成是由铁方镁石中铁自旋转变引起的观点。具体来讲，就是假定下地幔是由体积比分别为20%和80%的铁方镁石和钙钛矿组成，同时忽略钙钛矿中的铁自旋转变效应。然后再将铁方镁石的自旋转变效应等效为动力方程中浮力项的变化。如此之后，在模型中成功产生了无论体积，形状和剪切波速度异常都和真实的LLSVPs十分类似的化学结构体。因此认为LLSVPs的形成可能是由铁方镁石中铁自旋转变所引发。尽管如此，该模型中生成的类LLSVPs化学体都不能长期存在，一般在持续200-300 Ma后就会被破坏掉。这似乎支持了LLSVPs只能短暂存在的观点。如果这是事实，那么地球上一个短暂结构存在于40亿年后的当今便成为一个小概率事件，除非LLSVPs是周期性存在和消亡的，不然这个小概率事件几乎无法成立。如果模拟出周期性生成和分解的LLSVPs模型，则不仅能和地磁磁静期周期性出现以及超级大陆的周期性形成相印证，同时也能说明LLSVPs确实能强烈的影响地幔对流的模式。因此，在模型中引入了俯冲的岩石圈。结果发现，如果岩石圈存在~1%的密度异常，下地幔就能产生周期性时间间隔的类LLSVPs结构。