地幔对流及其对岩石圈作用的研究进展

曹付阳， 杨树新， 姚 瑞

(中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室，北京 100085)

在地球动力学发展的一个多世纪以来，对于地球整体运动及内外部状态的研究愈发深入，自1912年Wegener[1]提出的大陆漂移学说，Dietz[2]和Hess[3]的海底扩张学说，再到Mckenzin等[4]和Morgan[5]提出的板块构造学说，研究者在探究地球表层岩石圈运动的动力学机制和力源问题的同时，逐渐把目光聚焦到作为岩石圈底部边界的地幔对流上。

追溯到近一个世纪前，1931年Holmes[6]提出地幔对流是大陆漂移的驱动机制：地球岩石圈的变形和运动是大规模驱动力推动地幔上升冷却的结果，裂谷代表地幔上升流的区域，而山脉则形成于岩石沉入地球内部的地方。这一假说目前看来存在诸多问题，却是地幔对流被用作解释板块运动驱动力的开端。地幔作为一种高黏度流体，如果被从下面加热或内部加热，并在上层冷却，那么在重力场的影响下，在深处热的地幔岩石相较于岩石圈中较冷的、密度较大的岩石来说，在内部重力平衡上是不稳定的，热对流就有可能发生。在这种对流过程中，较冷较重的物质下沉到地幔中去，而较热较轻的物质上升到地表。地幔对流提出后，对于岩石圈和地幔耦合的研究悄然开始，这对研究地壳的整体运动和构造变形意义深远。

在中国，对于地幔对流的研究始于20世纪80年代，中国科学技术大学傅容珊研究团队[7-8]开始了中国对地幔对流探索性的研究工作；1982年，黄培华等[8]使用低阶、高阶及全阶重力干扰位计算出全球的地幔对流拖曳应力场。20世纪末，傅容珊等[9-11]基于地幔对流理论，探究了青藏高原岩石层构造运动的地幔动力学机制。2000年，王景赟等[12]探究了上地幔小尺度地幔对流对岩石圈的影响。21世纪以来，随着计算水平的提高，地幔对流数值模拟研究开始兴盛。熊熊等[13-14]模拟计算出多地区的较为精细的地幔对流情况，并讨论了地幔对流和构造之间的关系。中国科学院地质与地球物理研究所王建等[15]、叶正仁等[16]利用stb00d地幔密度模型，并使用板块速度作为边界条件，计算获得了全球地幔对流应力场。中国地震局地球物理研究所朱涛[17-18]在前人基础上，考虑了不同的密度模型，并增加了地幔径向黏度和温度的变化，使用热动力学地幔模型计算出了地幔对流的速度场和应力场。短短半世纪以来，从理论模型到数值计算，中国对于地幔对流的研究不断深入。毫无疑问，地幔对流研究是目前地球科学一个难点，也一直是前沿热点问题。

岩石圈是和人类活动关系最密切的地球圈层，岩石圈的应力场状态及其分布特征也是地球动力学和地震学的重要研究方向之一，对于探讨大地震孕震机制以及全球板块运动、大尺度构造变形都有重大意义[19]。对于较大尺度的岩石圈应力特征而言，作为岩石圈的下部边界，地幔对流的作用十分明显，被认为是岩石圈内部应力场形成的重要机制之一。因此，为了更系统地认识地幔对流的发展历程和研究理论，梳理了地幔对流研究现状，多角度讨论了现阶段地幔对流相关的问题，并展望了地幔对流未来研究的发展方向。此外，在介绍地幔对流基本认识和新研究进展的同时，还主要探究了地幔对流对于板块运动和岩石圈应力场的影响和作用。

1 地幔对流基本形式

由于壳-幔结构的复杂性和地幔物质分布的不均匀性，地幔对流的形式也并非单一的简单对流形式。自地幔对流理论提出后不久，便存在全地幔对流论和分层对流论的争论。地幔对流的存在形式众说纷纭，众多研究者提出了许多完整的或缺略的地幔对流模型[20]。经过多半个世纪的争论，有关地幔对流的存在形式，研究者普遍认为地幔对流可能主要由以下5种形式存在(多种共存或单独存在)：全地幔大尺度的地幔对流、羽状层流、上地幔小尺度地幔对流、D″层小尺度地幔对流和热地幔柱及岩浆火山活动[21]。

1.1 全地幔对流和分层对流之争

地幔对流研究初始，全地幔大尺度地幔对流模式被认为是地幔对流存在的基本和主要形式[22]。全球的板块运动表明，一定也有和板块空间尺度差不多的地幔对流形式存在，根据观测，其空间尺度在5×103～1×104km。早期的模型计算出，当下地幔物质的黏度达到上地幔黏度的100倍时，会发生地幔物质的全对流，而Peltier[23]和Connell[24]计算表面下地幔的密度比以前认为的要低得多, 这引发了全地幔对流和分层地幔对流的争论。玄武岩化学变化的同位素证据表明，地幔中存在着独特的、长期存在的化学储层[25]。这些通常被解释为地幔对流分层的证据，地球化学证据对于分层对流论的支持使争论达到了高潮。

全地幔对流论与分层对流论之争一直是地幔对流基本形态(图1[26])争论的焦点。针对全地幔对流形式，分层对流的支持者指出地球化学证据要求地幔对流是分层存在的[25]。研究者们发现洋中脊与大洋岛屿玄武岩的化学成分存在巨大差异，他们认为670 km相变层的地幔物质化学成分的改变会引起黏滞系数和物质密度的变化，形成不可互溶的分层对流系统。地球化学证据充分表明，地球经过46亿年的演化，地幔仍存在两个源区：脱气和亏损了亲石元素的上地幔，及保留耐熔元素、未受俯冲板块影响的下地幔[27]。这显示了地幔起码存在两个以上化学成分不同的源区，地幔物质通过地幔对流没有达到混合均匀，所以地球化学的证据要求分层地幔对流的存在[28]。

图1 两种对流模型示意图[26]Fig.1 Two mantle convection models[26]

相较于地幔分层对流论，一些全地幔对流论的支持者给出了不同的结论[29]。他们指出存在不少证据与分层对流相悖，已知的全地幔对流模型有太多的剪切作用和混合作用，这些化学层无法存在，分层对流系统也无法成立。在俯冲带周围的410 km不连续面和660 km不连续面存在30 km以上的位移，这些位移表明俯冲物质穿透了上地幔[30]。目前俯冲到下地幔深处的地方可以通过高分辨率的地震波速度来展现，而基于短周期和长周期数据的全球地震层析图像[31]有力地表明，俯冲的板块侵入到了下地幔[32-33]，并在660 km分界面处可能产生畸变，但是数值模拟的结果显示这种畸变与分层地幔对流不能持续稳定存在。下地幔长期层析成像还揭示了下地幔物质存在小尺度的异质性，这些小尺度异质物在波速上会慢4%左右，其并不是热差异引起的，必然是存在化学的异质性[30]。研究人员解释它们是岩石圈板块的残余，这些再造的海洋地壳和大陆地壳的残余物分别占了地幔体积的16%和0.3%[30]。一些地震波转换和层析成像等技术研究还发现热点和地幔柱确实是在核幔边界上涌到达岩石圈的。另外，全地幔对流的热传递效率是要高于分层对流的，如果660 km处发育分层对流，在660 km分界面处会有热边界层的存在，热传递效率自然降低[27]。这些研究表明，地震学和热流的数据在一些方面与全地幔对流具有一致性。

目前，研究人员对于全地幔对流模式和分层对流模式尚未有明确定论，二者皆有其存在的合理性并能解释部分地质现象和观测结果，同时也存在不利于两种模式的现象来反对。有些研究人员开始提出混合对流模型，即地幔对流可以是地幔混合对流模型，但仍不能使地幔充分混合，依然保留有地球化学的两个分异源区，其中的模型包括blob模型、Lava 灯模型等[27]。Lava 灯模型是在实验室模拟和地球物理及地球化学数据的基础上, 以地幔热柱形成机制为中心建立新的地幔热动力学框架[28]。Tackley[34]最新的研究表明，针对地球化学所指出的喷发岩浆的不同化学成分的证据(需要地幔中几个化学性质不同的储层)，可以利用综合板块构造学、地球化学观测和其他限制因素的自洽物理和化学模型，来协调全地幔对流的观测和动力约束。

1.2 其他对流形式

如果说全球尺度的地幔对流是控制板块运动的主要因素之一，那么在区域构造中，小尺度地幔对流的影响是非常巨大的。上地幔小尺度对流的概念最早由Richter[35]提出，指出尽管至今还没有直接的观测证据，但地幔中小于700 km尺度的小对流是难以避免的。随后大量的文献论证了上地幔小尺度对流存在的证据[36]。小尺度对流的空间尺度为几百公里(不超过1 000 km)，而且多为不稳定流，即单个对流单元的长宽比大于1，相较于全地幔大尺度对流，其对流速度要大得多。大尺度的地幔流动驱动着构造板块的运动，从而导致了地球上的一级地质活动，如造山、板块运动、洋中脊和俯冲相关的火山活动等。小尺度地幔对流存在于热边界层和成分边界层的附近，主要发生在低黏度的上地幔软流层，叠加在大尺度的全地幔环流上，影响着板块内部的构造变形[37]。例如，这种变形可以表示为地形的动态隆起和伸展[38]，或沉降[39]。地幔物质横向不均匀性的存在，如沿克拉通边缘或裂隙带的岩石圈厚度的大幅度阶跃，将促进小尺度地幔对流的发展。小尺度对流的上升流可能将进一步地促进地幔融化和板内的火山活动，如小尺度地幔对流可以促进海山和海洋岛屿的形成[37]。Faccenna等[40]的研究表明，小尺度地幔对流还可以驱动微板块的运动，从而控制微板块边界沿线的一系列地质活动，比如地中海地区。全地幔对流通过驱动软流圈的剪切流和维持大规模的热扰动来影响小尺度对流的形态，这些影响将或多或少地来阻碍和推动小尺度对流的发展，但是对于全地幔对流和小尺度对流之间的耦合关系还有待理解和研究。

核-幔边界是地球内部基本的过渡带，它将硅酸盐氧化物地幔与金属外核分离开来。D″层最早在1949年被Bullen[41]定义为核-幔边界以上，地幔最下的几百公里厚的过渡层。D″层的上边界面通常被描述为一个不连续面，其特征是剪切波速度增加了1.5%～3%[42]。D″层一般被看作全地幔对流的热下边界层，它的温度梯度十分巨大，最大可以达到840 K，它主要的热运输机制是热传导, 它将地核的热量传输给地幔或者产生地幔热柱将地核的热量带到上地幔, 甚至地表。D”层在100～300 km尺度上存在横向不均匀性[43]。D″层与其上层的地幔对比强烈，上层地幔是各向同性的，在大尺度上表现为差异较小的异质性，而D″层在许多区域是各向异性的，这可能与俯冲板块的拆沉有关[44]。由于D″层的这种结构的不稳定性，其可以形成独立的对流系统。另外，D″层巨大的黏度差异，也可以形成小规模对流。Solomatov等[44]根据真实黏度的对流标度定律，定量地判断了D″层可以形成小尺度的地幔对流。李江海等[45]指出，在D″层相变反应的影响下, 地幔对流比原来认为的更有活力, 这种方式传输热能也更加有效。若无后钙钛矿的生成, 大陆生长速度会减缓, 火山活动也不会如此活跃。

图2 地幔对流模式和不同对流形式示意图[54]Fig.2 Diagram of mantle convection models and mantle convection forms[54]

热点是与活动板块边界无关的大规模火山活动的中心(如夏威夷、冰岛等)，地幔柱的概念由Morgan[46]在1971年提出，他的假说中认为地球内部存在源于核-幔边界的缓慢的细长柱状的热上升流导致了热点火山活动等地表表现。此后，地幔柱理论已成为对于板块内的异常火山的普遍解释，如夏威夷、冰岛、加拉帕戈斯群岛等著名的例子[47]。20世纪90年代通过建立热驱动和大黏滞度的地幔热柱模型，根据其实验结果和数值模拟, 认为地幔热柱由巨大的蘑菇状热柱头和细长的热柱尾两部分组成[48]，热柱尾主要由起源于核-幔边界或上-下地幔边界的热物质流组成[49]。Jellinek等[50]认为巨大柱头和细长柱尾结构是地幔柱能长期稳定存在的必要条件，还不足以是充分条件。热柱头的上升速度小于柱尾中物质的上升速度，由于柱尾物质不断上涌，导致柱头变大，同时还会捕虏周围的地幔物质[51]。尽管地幔热柱大概只占地表热量的不足10%，但已有研究表明，地幔柱在热量输送方面的作用是次要的，它们对地质构造的影响还是深远的[52]。

1991年，Larson[53]最早提出了超级地幔柱(图2[54])的概念。Maruyama等[55]在已有的地幔柱学说基础上，全面地提出了一种新的全球构造模式——超级地幔柱构造。Maruyama等[55]根据全球P波层析资料所作的地质解释认为，全球在南太平洋及非洲存在两大超级上升地幔柱，地幔柱从D″层上升并颈缩变细，到达地幔中部后逐渐扩展，在670 km附近巨型地幔柱分为若干较小的二级地幔柱向上喷涌，在升至板块底部后再次横向扩展，并沿板块的断裂或薄弱地带上升，而形成更小的三级地幔柱，然后在地表形成热点，而在亚洲还存在一个超级下沉地幔柱, 冷的地幔柱到达核-幔边界，引起热扰动和热物质上涌。巨型的热地幔柱和冷地幔柱相辅相伴出现，构成了现代地球物质热对流的主要方式[56]。Stein等[57]认为，消减板块不仅可以停留在670 km间断面，而且可以拆沉到D″层，而起源于核-幔边界的深部物质又可以以地幔柱的形式穿透上、下地幔之间的不连续面到达近地表，从而构成巨型幕式旋回。

超级地幔柱和地幔热柱假说是自板块理论之后，地球动力学进展中最引人注目的假说[58-59]，自假说提出以来，一直被广泛接受，并认为是形成大火成岩省的动力学机制。此外，与超级地幔柱相关的大火成岩省的形成时间，也与地球历史上几次大陆裂解、生物灭绝事件相吻合[60]。地幔柱这种地质构造在限定边界条件的数值模拟和室内实验中所得的结果令人满意。Ritsema等[52]也指出在夏威夷、复活节岛、冰岛等地方确有低速异常，但是地震探测还有待更进一步地发掘。1990年Sleep[61]记录的热点中存在29个热点没有垂向低剪切速度异常区域。Hamilton[62]也反驳说：夏威夷岛可能并不是地幔柱的结果，而是太平洋板块中部的一个扩张型裂缝造成的。Foulger等[47]指出目前主要的问题是地幔柱假说的确切概念过于模糊，以至于用来解释的地质现象缺少信服力。但可以肯定的是，超级地幔柱的研究将是地幔动力学中的研究热点，对其进行的地震探测和观测证据还有待深入研究。

2 地幔对流的研究方法

地幔对流理论和板块构造理论提供了连接固体地球科学各学科(包括地球动力学、地球化学、地震学、矿物物理学、大地测量学、构造学和地质学)的中心框架，一个成功的模型必须满足所有这些领域的约束[15]。例如，地震波提供了对地球内部结构的直接探测，喷发熔岩和其他火山产物的化学分析提供了地幔中存在的不同成分的信息，实验室实验确定了地幔高压和高温下岩石的性质和变形机制。可以说各种研究方法在模型的建立、内部物性和状态、边界条件的约束、模型结果等方面有着一定的作用。先进的直接和间接研究手段可以科学准确地探究地幔对流机制和影响。地幔对流模型的研究手段[21, 63]主要包括：①根据与地幔对流相关联的地质构造或现象观察，以及运用地震方法和物探技术研究地幔对流。②建立合理的数值模型，利用数值方法，研究地幔对流模式以及其对地球各圈层的相互作用。

2.1 地震层析成像

地震层析成像是指利用地震台站记录到的数据反演研究区域三维结构和物性参数分布状况的一种方法[64-65]。层析成像最早在20世纪60年代被用于医学领域，即是现在计算机辅助成像(computed tomography, CT)技术[66]。地球物理学家在理论上证明了地震学的τ-p变换即是Randon变换[67]，此后广大地学研究者开始利用台站记录到的天然地震和人工震源产生的地震波信号对地壳和地幔结构进行更直观的研究。地震层析成像能以图像的方式直接清晰地显示地下物质结构的属性，因此地震层析成像为更直观地认识地球内部不同尺度的非均匀性和动力学过程提供了重要的参考依据[68]。1976年，Aki等[69]从60个台站处提取了各地震的走时信息，并利用这些走时信息成功地获得了美国加里福尼亚地区的地壳结构[70]。他们的工作开创性地利用地震层析成像方法来研究地球内部结构。自70年代以后，全球及区域性地震波三维速度层析成像研究，使对地球内部物质分布非均匀性及物理状态有了较深刻的认识。近十年来，由于高分辨率地震体波及面波三维层析成像的研究，使我们能建立起全球或区域性的较精确的地幔三维结构，这就为研究地幔对流奠立了坚实的基础。

地震层析成像研究地幔对流的一个基本假设是地震波速度异常反映了由热对流过程引起的瞬态横向温度变化。这一重要的假设允许把地震波速度异常转换为等效密度扰动，并导出驱动地幔对流的浮力分布[67]。自从1977年Dziewonski等[71]首次得出了全球尺度的体波层析成像地球内部结构模型以来，越来越多的全球地震层析成像模型极大的精细了地幔结构和约束条件，从而改善了地幔结构的动态过程。2003年傅容珊等[9]利用SH12 WM13 地震层析成像模型计算了全球地幔对流格局。结果表明，对流格局不仅依赖地震层析成像数据，而且在很大程度上受地幔动力学框架、热动力参数和边界条件所确定的系统响应函数的影响，显示了地幔中复杂的对流格局，特别是区域性层状对流以及分层对流环可能在地幔中存在的现象。然而，由于地震波传播的理论处理方法、反演策略、地壳校正、收集的资料等的不同，这些模型之间存在着较大的差异，这导致了解释构造和地幔流动的宏观概念模型方面存在争议。

2015年Wang等[72]根据地震层析成像模型所提供的地球动力学和地幔对流响应来评估模型的合理性，利用地表观测的直接数据，如偏应力场、大地水准面、世界应力图(WSM)、应变率张量场和动力地形数据等，评价了地震层析成像模型是否成功地反映了地幔横向非均匀性，而地幔横向非均匀性和地幔对流密切相关，基于39份地震层析得到的密度结构(表1)，利用Ghosh等[73]的地幔对流模型分别计算了板块和板块边界的大地水准面、动力地形和岩石圈偏应力。结果显示Ritsema等[74]的S40RTS模型和Panning等[75]的SAW642AN的地震成像模型和直接观测结果具有较高的契合度[73]。可以说，地震层析成像直观地给出了深部的信息，但因为资料收集方式和数据处理方式的不同，仍需寻找二者直接的关联使地震层析成像结果更合理[76]。同时，地面直接观测数据的约束必不可少。

2.2 数值模拟

地幔对流不可直接观察，无法直观地研究的特点使其难以用传统的地质手段来研究。随着计算机技术的发展和计算能力的提高，数值模拟方法成为了研究地球动力学过程的重要手段。数值模拟相较于其他技术手段有着节省经费，载荷施加和结果分析更加多样化，可以做到传统方法达不到的条件。数值模拟常使用的计算方法有有限单元法(FEM)、有限差分法(FDM)、边界元法和离散元法等。1974年Mckenzie等[77]对比了简单的二维对流数值模型，认识到数值模拟将是未来地幔对流研究最重要的手段之一。

表1 基于39种地震层析反演模型计算数据与实测比较结果Table 1 The results of seismic tomography inversion model calculation data compared with the measured data

注：B为S波速异常模型；C为P波速异常模型；D为模型球谐函数扩展到31阶来计算地幔对流；E为模型球谐函数扩展到63阶来计算地幔对流；F为模型球谐函数扩展到127阶来计算地幔对流；G为板片模型。

地幔对流的数值模拟从开始的重力地幔对流模型，再到热力学地幔对流模型，再到多物理场耦合模型，到现在的自适应的板块地幔对流模型和岩石圈地幔的耦合模型。数值模拟方法在模型合理性和精细化、数值计算能力等方面有了巨大的进步。利用数值模拟方便高效的特点，将这些模型的预测结果与实际观测到的表征地幔性质的间接信息进行比较，如热通量、冰川回弹或大地水准面形状等，为深入了解地幔中驱动对流的结构和机制提供了大量的信息。

图3 中国及邻区的地幔对流速度场数值模拟结果[80]Fig.3 Numerical simulation of mantle convection velocity field in China and its adjacent area[80]

3 地幔对流对岩石圈的影响

地幔对流和板块构造是地球独有的动力学行为，在其他类地行星中目前还没有发现类似的活动[34]。地幔对流以板块构造为基本特征，是岩石圈许多地质活动的驱动机制，包括了地震、火山、造山运动等。地幔对流与全球构造之间联系也逐渐发展和推进了板块构造学说的形成。岩石圈和地幔对流是一个完整的系统[28]，地球的表层构造活动在很大程度上是地幔活动在地表的表现。

3.1 地幔对流与板块运动

地幔对流作为板块运动力源而被提出，作为岩石圈下边界的存在，其对岩石圈的变形和动力过程起到了至关重要的作用。在板块理论为基础上，地幔对流对板块的作用主要体现在驱动板块的运动和控制板块的构造变形两方面。从另一方面来说，板块运动也是地幔对流的一种显著的外在表现[82]。

20世纪40年代，Holmes[6]解释地幔对流和板块运动为构造传送带的形式：热的上升地幔流在大洋中脊上涌并推动板块扩张，而冷的、重的下降流在俯冲带附近向下拖曳俯冲的板块。在假说提出初期，传送带模式的解释令人十分满意，以此为基础研究者成功地解释了非常多的地质现象，因而广为流传，成为早期的板块构造学说动力学机制解释的重要理论。

尽管以地幔对流为动力的板块理论如此的“完美”，但仍有很多地质问题无法得到合理解释，其理论本身也有很大的非确定性值得讨论。针对地幔对流驱动论，1984年Bott等[83]反驳道：“与其说地幔对流带动岩石圈板块运动，不如说岩石圈板块带动上地幔运动。”因为岩石圈板块的运移速度一般在每年0.1 ～ 12 cm，最快的可达每年20 cm左右[84]。而根据大量发育在洋底的、形成于地幔热点(在地表则表现为火山)根部的位移速度来判断，固体地幔的水平位移量一般仅为每年几毫米，绝对都小于2 cm。皇帝岛——夏威夷火山链的火山岩年龄从北西向东南逐渐变新的现象，Wilson[84]解释为是由于地表附近的板块在向西北运移，而代表地幔热活动中心的热点则是其参照系，基本不动。那么问题是，几乎静止的地幔对流如何推动速度大得多的板块运动呢[85]？小一个数量级的地幔水平位移速度是不可能带动速度较快的岩石圈板块运移的。

地幔对流驱动论的支持者认为：板块的运动是受到来自岩石圈内部、作用于板块边缘和其下部地幔对流的力控制。他们一开始通过计算参数化利用力矩平衡来建模计算。这些地幔对流物理模型都一致表明，岩石圈内部和底部的粘滞耗散和在碰撞带沿着逆冲断层的剪切力抵制着板块运动，而地壳的浮力异常、岩石圈和地幔活动是板块运动的主要驱动因素。Becker等[86]估计，对于密度异常驱动板块运动，70%的动力来源于地幔，30%来源于岩石圈以内，但是Conrad等[87]提到这个比例甚至可以达到90%比10%。事实上，Bercovici等[88]估计，由于俯冲板块的作用，洋脊推力仅占板块驱动力的5%～10%。被海沟围绕的板块移动速度是被扩张的洋脊附近的板块移动速度的8倍，这支持了俯冲过程在很大程度上影响了板块运动的观点。可以说，地幔对流主要驱动作用来自于对俯冲板块的下降拖曳力和对洋脊的上涌推力[89]。但是，Crowley等[90]的模型表明，黏性板块在具有深度依赖黏性的对流地幔顶部运动的动力学过程是复杂的，因此，有多种因素控制着来自地幔流动的基底牵引力在板块运动中起着驱动作用还是阻力作用。

在岩石圈底部，地幔对流施作用在岩石圈基底的力可分为向上托举力和水平方向的拖曳力。地幔对流的极型场控制板块的聚合和离散，环型场使板块产生旋转和走滑[91]。利用海底磁异常、断裂带和转换断层走滑量、地震滑动矢量等间接手段，可以确定过去几百万年构造板块之间的相对运动量。甚至可以利用GPS来计算没有洋脊的小板块的当前运动。这些手段所得出的板块绝对运动极型场和与大地水准面相联系的地幔热对流的表面流场在4～6阶重力干扰位具有很高的相关性[92]。根据板块运动速度和板块内部应力场作为强有力的约束条件，通过复杂的建模方法，地幔流动的全球地球动力学模型已经能够相当准确地预测当前地质板块的运动速度。2004年Solomatov[36]研究表明小尺度的地幔对流可以引起的俯冲应力约为30 MPa，这与俯冲所需的板块推力及俯冲带内的应力值量级相当。而且在没有板块构造产生的情况下，小规模对流可以引发俯冲，成为早期地球板块构造的触发机制。2017年Coltice等[89]发现早期的地幔对流和板块运动模型缺乏自组织，研究考虑了地表构造和地幔对流之间的反馈，建立了自组织的对流模型，并解释地幔流动和全球地表构造动态的相互作用应该是在局部尺度上按规律自发形成的，自组织来自于地幔对流分布式反馈，它不受外力或外部因素(如建模人员)的控制。自组织模型探索了地幔对流和板块运动系统之间的反馈和演化规律。

掘进端头附近、掘进司机处及回风侧人行处粉尘浓度偏高，距掘进端头0～3 m范围内质量浓度最高达到1 000 mg/m3，远超出煤安规定的 4 mg/m3，造成严重的粉尘污染和影响工作效率。

地幔对流可以产生洋脊推力和板块拉力(俯冲带和基底)，但是却无法产生其他力。许多构造显然是地幔对流所不能产生的力造成的，其中最明显的一个就是和走滑运动相关的转换力，它不能由地幔对流直接产生[88]。尽管地幔对流在解释板块运动上存在很多缺陷，其机理尚未研究透彻，究竟是对流主导论还是板块主导论仍存在争议，但不可否认的一点是，地幔对流对于板块的运动(无论是驱动还是阻碍)和变形都有巨大的影响，无论什么模型的建立，其影响都是不可忽略的。

3.2 地幔对流对岩石圈应力场的作用

岩石圈应力状态对地震的发生和构造变形具有重要意义，是地学研究的重要课题之一。想要了解岩石圈应力场，必须要了解岩石圈应力场的力源。岩石圈的上边界是大气层，为自由表面，岩石圈下边界是软流圈及上地幔，可以说是下边界的地幔对流和板块运动所造成的相对运动产生了岩石圈应力。由地幔对流产生的局部集中应力和区域的分布应力都对岩石圈应力变化有着关键性的影响[15]。

根据现今岩石圈的构造应力状态，可以了解主要的构造应力的来源有：①海底扩张的板块生成机制中所涉及的力，如洋脊推力和转换断层摩擦引起的力；②由大地测量速度矢量所表示的板块旋转和移动中涉及到的岩石圈底部牵引力和驱动力；③板块碰撞所涉及到的碰撞力、厚板拉力和地幔阻力；④板块俯冲涉及到的板块负浮力，地幔黏性耗散阻力；⑤岩石圈厚度及物质分布不均匀产生的应力。岩石圈底部的无法接近性和缺乏明显的有规律的地表现象是研究岩石圈应力来源机制的难点[15]。但这并不是意味着不能通过技术手段研究岩石圈底部地幔对流的影响作用，通过地面探测手段和地表观察积累数据可以找到地幔对流对岩石圈应力的作用及其联系。

Perkeris[93]最早发现地幔对流和大地水准面异常之间的联系。他指出,除了横向密度差异可以产生的直接重力异常外,还应该考虑由地幔内部物质流动引起的边界面形变所导致的间接重力异常[21]。地球内部的热对流能够产生地表形变,所以可以通过重力异常和大地水准面异常反映出地幔介质特性及其内部动力学过程。导致地球大地水准面异常的主要来源有岩石圈强度(约占5%，波长<200 km)、地壳均衡(约占5%,波长<600 km)、热均衡(约占10%,波长5 000 km尺度)、板块俯冲(约占20%)、表面负载(约占5%)以及深部非均匀性(约50%，主要为长波长部分)。把来自下地幔的地震P波速度转换成密度差异而计算的静态大地水准面异常的分布形态和实测长波长在低阶上的非常相似[67]。

图4 早期计算的地幔对流应力场[8，94-95]Fig.4 The early calculated mantle convection stress field[8，94-95]

大地水准面对于地幔深处结构具有很高的敏感性，根据大地水准面异常和地幔对流的联系，Runcorn[94]通过简化了的地球地幔模型，首次计算得到由地幔对流产生的作用于岩石圈底部的切向应力场公式[92]。他假定地幔是均匀的，黏滞系数为常数的球层，内部物质是不可压缩的牛顿流体，对流层的上下界面均为刚性界面。同时，Runcorn[95]根据卫星重力得到的大地水准面异常资料，计算了作用于岩石层底部的低阶球谐函数2～11阶对应的全球10°×10°地幔对流应力场(图4[8，94-95])。在此基础上，Liu[96-99]根据更精细的卫星资料计算了高阶球谐函数12～25阶对应的中国、太平洋、澳大利亚、非洲、美国等地区的对流应力场。Fu[100]和黄培华等[8]采用低阶(4～18阶)、高阶(13～25阶)和全阶(2～30阶)3种重力干扰位计算中国地区的对流应力场(图4)，通过结果比对全阶模型和中国大陆实测应力场有较好的近似。熊熊等[13-14]、叶正仁等[16, 101]、朱涛等[17-18]、王建等[15]、傅容珊等[9, 92, 102]、Steinberger等[103]研究人员在此方法的基础上，考虑到了岩石圈反作用力、地幔径向黏度变化、地幔密度模型、板块运动速度等细节问题，在不同程度上改进了模型，并计算出了更高精度的对流应力场(图5[73，103])。

图5 计算地幔对流应力场[73，103]Fig.5 The calculated mantle convection stress field[73，103]

在长波形地形上，Runcorn[94]的方程有较好的适应性，但是在小尺度的地形上，还不能通过提高资料和数据精度来提高结果的精度，其方法和模型本身存在一定的缺陷。其问题主要体现在下面几点：①受到计算水平和数据精度的限制，模型的简化往往和真实地幔和岩石圈结构出入较大，例如几乎所有的模型中岩石圈厚度都是定值，像青藏高原如此大的岩石圈厚度变化对于全球重力位的影响显然是无法忽略的。岩石圈的物性、地幔内部热结构、密度结构和黏度结构更是难以精确。②模型把岩石圈和对流分离独立，考虑地幔对流对于岩石圈底部的作用力来计算地幔对流场，未考虑岩石圈与地幔对流之间的反馈，得出的对流模型是简单规整，仅反应大尺度对流特征的对流场[12]。③Runcorn[94]方程在方法上存在一定的缺陷，大地水准面异常主要源自于岩石圈及地幔物质密度分布不均匀，所以大地水准面异常反映的不仅仅是地幔对流的信息，各种不同空间尺度均衡异常反映了源于不同深度的均衡异常。如全球范围及板块尺度的均衡异常，主要源于地幔，特别是下地幔密度横向不均匀和由全地幔对流产生的核-幔边界形变，以及岩石层-地幔边界形变。而区域重力均衡异常(尺度小于1 000 km)主要源于上地幔横向密度分布不均匀，以及相应的由上地幔小尺度对流产生的岩石层-地幔边界形变以及670 km间断面形变等[92]。这些异常混杂在一起难以区分，而模型的简化会造成结果的不准确且精度无法提高。

4 存在的问题和未来的研究方向

经过几十年的研究和发展，地幔对流从提出到如今基本对流格局形成并可以基本解释大尺度的动力学现象，取得了巨大的进步。目前，对于地幔对流的研究还处于基础研究阶段，有很多动力学现象难以单纯地用地幔对流的理论来获得令人满意的解释，仍存在一些问题需要更深入探究。

(1)地幔对流在解释地球动力学过程中仍存在疑问。地幔对流时至今日仍是以假说的形式存在，过去几十年里，成功利用地幔对流假说解释了许多地质构造和动力学现象。然而从许多方面来说，部分成功是在人为规定的岩石圈的薄弱带和特殊的流变学性质的条件下得到的，这里面包括了许多经验性的理论和做法，不能说这些做法是错误的，但与真实的岩石圈和地幔是有区别的。目前的地幔对流理论尚不能解释所有的地质现象，地幔对流模型在成功解释部分动力学现象的同时还存在与其相悖的现象。在解释大陆板块、俯冲的起源、洋脊和狭窄被动上升流、动态地形、板块环型运动、板块的产生等问题上仍有缺陷。对地幔对流的研究仍然还有很长的路要走，研究地幔对流的最终目标是建立地幔动力学和板块构造相统一的完整地球动力学理论。

(2)地幔对流研究技术手段不足以达到研究实际地幔对流的要求。如今，地幔对流的研究手段可以分为直接手段和间接手段。直接手段是利用技术手段直接研究地幔深处的物性状态，例如地震层析成像技术等，间接手段是利用与地幔对流相关的且容易获取的地质资料研究地幔对流，包括与地幔对流相关的地表现象观测结合计算机数值模拟等方法。两种方法都有其缺点，目前地震层析方法由于资料数据和数据处理的问题难以达到统一和高分辨的地幔对流图像。同样，与地幔对流间接相关的地质观测虽然更容易获取数据，但是它和地幔对流的相关性和其他条件因素的干扰决定了它很难达到较高的分辨率。但是与地幔对流间接相关的地质观测不失为验证其他技术方法合理性和约束模型边界条件的好方法。数值模拟方法在地幔对流研究中确实是非常重要的技术手段，但是模拟结果的合理性取决于模型是否符合真实对流的情况。限于数值计算能力的制约和对地幔深处物性状态的缺乏完整认知，数值模型的边界条件往往不够全面，结构和物质参数过于简单均一，数值模拟结果难以反映复杂地幔的真实活动。可以说，技术手段的高度决定了地幔对流研究的深度。

(3)多种观测手段和数值模拟的可视化是地幔对流研究的未来趋势。不同于几十年前，科研人员受限于计算水平不得不高度简化对流模型。随着计算机技术的发展，数值求解的时间越来越短，计算能力的制约因素逐渐改善，但是前期建模和数据资料的收集分析越来越重要。地震波探测手段、地球化学手段、地质观测等都为地幔对流模型提供很好的约束条件和验证方法。建立地幔对流模型的目的是为了探讨和查明全球或区域性的构造的形成机制及其运动的动力学根源，一个符合实际的模型应该受到更多实际观测的约束，现在所有的地幔对流模型还无法达到满足所有的约束。这要求必须把理论的地幔对流模型跟实际构造联系起来，在寻求地幔对流与实际地球构造联系的过程中，必然要求建立更加接近真实地球地幔的对流模型[73]。地幔对流的复杂性源于地幔物质的复杂性，随着观测和探测技术的发展，利用计算机技术使地幔对流像大气研究一样实时可视化是未来的必然趋势。

5 结论

地幔对流理论从提出到现在走过了近一个世纪的时间，经过几代地球动力学家的深入研究，取得了长足的发展。各类对流模型的提出合理地解释了许多动力学地质现象。

在基础认知上，地幔对流的基本存在形式已经被研究人员所熟知。近些年来，多种地球物理探测技术和数值模拟结合的研究方法使地幔对流研究发展十分迅猛。在技术手段和基础地幔对流研究的支撑下，与地幔对流联系密切的板块运动、大尺度区域构造、岩石圈应力等地幔动力学应用研究成果显著。同时，科学计算的发展给地幔对流研究提供了一个大的机遇。但地幔对流研究仍是处于“新生阶段”，尚未提出完美统一的模型理论。地幔对流理论的发展需要更多的基础性研究，利用地震学探测掌握地球内部物性与状态，通过构造地质学剖析动力现象的构造机理，利用科学计算建立更优化的数值模型，等等。地球动力学、地震学、地质学、构造地质学、计算动力学等多学科的融入将会打开地幔对流研究的新视野。