现代板块运动驱动地幔块体置换度及地幔混合的研究

摘要

定义了描述地幔混合程度的新的统计学量度--地幔块体对流置换度和对流混合扩散度.地幔块体对流置换度等于至少被置换一次的块体数与地幔总块体数之比,对流混合扩散度等于示踪元初始体密度与示踪元终体密度之比.本研究假设地幔对流是稳定的,上地幔和下地幔的黏滞性存在差异,其驱动力为板块运动或地幔中密度异常分布.实验中地幔被划分为20736个块体(5°×5°×300 km),2376个示踪元被放置在地幔顶部100 km深度或底部100 km高度的5°×5°的网格点上.模型计算表明,地幔块体对流置换度随运转时间变化.就全地幔而言,在系统运行四十亿年后,大多数模型对应的块体对流置换度均超过80%,而上地幔块体置换度则达到90%.这预示大多数的地幔块体将被来自其他位置的块体所取代.对于放置在地幔顶部或底部,浓缩于很小空间10°×10°(间距0.25°)中的两组1681个示踪元而言,尽管其对流混合扩散度在开始有较大的差异,但是在运行一段时间之后,此两组对应的对流混合扩散度均趋于常数,示踪元比较均匀地分布于全地幔之中.由以上的结果可以推断,在经历了四十五亿年的演化过程后,由于对流的作用使地幔基本上已经均匀混合,地幔中不大可能存在尺度大于5°×5°× 300 km的异常块体.