大洋岩石圈-软流圈系统中热导率、热膨胀系数和地震波速度的各向异性研究及其对板块热结构的影响

推荐：研究人员针对大洋岩石圈-软流圈系统中矿物晶体定向排列（CPO）导致的各向异性问题，通过二维稳态热力学模型，揭示了热导率和热膨胀系数的各向异性对板块热结构、地表热流及海底沉降的影响。结果表明，各向异性热导率使地幔温度升高18-28 K，脱水作用显著增强地震各向异性，为解释地震观测数据提供了新机制。

　　

大洋岩石圈的形成与演化是理解地球动力学和板块运动的关键。传统研究多假设岩石圈物质性质为各向同性，但地震观测显示上地幔存在显著各向异性，可能与矿物晶体定向排列（Crystallographic Preferred Orientation, CPO）有关。CPO不仅影响地震波传播，还可能改变热导率和热膨胀系数等物理性质，进而影响板块热结构和地表观测数据。然而，这些各向异性效应对大洋岩石圈-软流圈系统的综合影响尚未明确。

为回答这一问题，研究人员在《Tectonophysics》发表论文，通过二维稳态热力学模型，结合矿物变形模拟（D-Rex）和有限元计算（SEPRAN），系统分析了热导率、热膨胀系数及地震波速度的各向异性效应。研究假设被动上升流模型，考虑橄榄石（olivine）和斜方辉石（enstatite）的CPO，并引入脱水作用导致的粘度变化。

主要技术方法：

1. 二维热力学模型：采用Boussinesq近似求解质量、动量和能量守恒方程，模拟大洋中脊附近温度场和岩石流速场。
2. 矿物CPO模拟：使用D-Rex代码预测橄榄石和斜方辉石的晶体定向演化，计算各向异性热导率（k_m）和热膨胀系数（α_m）。
3. 地震各向异性计算：基于弹性张量（c_ijkl）推导方位角（G/L）和径向（N/L）各向异性参数。

研究结果：

1. 热导率各向异性：橄榄石[100]轴平行于水平方向，导致垂直热导率（k_zz）比各向同性值低12-6%，使60 Myr地幔温度升高18-28 K（图4,5）。
2. 热膨胀系数效应：垂直分量（α_zz）高于各向同性值，弹性收缩下海底沉降增加0.5%（图4f）。
3. 脱水作用影响：粘度增加导致60 km深度处地震各向异性突增，与年龄无关（图6,7）。
4. 斜方辉石作用：其弱CPO特性降低了整体各向异性强度，但保持橄榄石主导的分布模式（图8）。

结论与意义：
研究首次量化了CPO驱动的各向异性对大洋岩石圈热结构的综合影响。各向异性热导率导致地幔温度系统性偏高，而脱水作用解释了地震观测中年龄无关的各向异性突变。这一发现为理解岩石圈-软流圈边界（LAB）的成因提供了新视角，并提示未来热力学模型需纳入各向异性参数（如k_zz和α_zz）的约束。此外，矿物变形机制（如扩散蠕变）和熔体对CPO的影响仍需进一步研究以完善模型预测。