通过结合颗粒大小演化模型、地幔对流模型和地震层析成像技术，理解次岩石圈尺度的小尺度对流现象

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Understanding Sub-Lithospheric Small-Scale Convection by Linking Models of Grain Size Evolution, Mantle Convection, and Seismic Tomography

海洋板块老化与下地幔小尺度对流（SSC）的耦合机制研究。通过三维地球动力学模型，结合扩散/位错蠕变耦合本构关系及矿物颗粒尺寸演化，模拟了海洋板块冷却过程中SSC的动态。结果表明，SSC通过冷流体下渗调控板块热力学演化，其纵向对流滚的结构与观测地震波速度异质性和衰减特征匹配，最佳模型显示低粘性地幔（<2×101? Pa·s）中扩散和位错蠕变共同主导变形，并需少量熔体（<0.7%）和挥发物（100-250 ppm）以匹配低速度和高衰减的地震观测。模型验证了SSC对海洋板块厚度-年龄曲线 flattening（>60 Ma）和热流分布的影响，但需进一步考虑熔体分布与蠕变机制的耦合作用。

　　本研究探讨了海洋板块与地幔之间的相互作用，特别是小尺度对流（SSC）对板块热演化的影响。SSC被认为是一种关键过程，能够解释板块为何在达到一定年龄后不再增厚，同时也与多种地球物理观测现象有关，如地震波速度和衰减的变化，以及中洋脊附近的重力异常。为了更好地理解这些现象，研究者通过高分辨率的三维地动力学模型，结合复杂的地幔流变学和矿物晶粒尺寸的变化，模拟了海洋板块的演化过程，并尝试将其与地震观测数据进行对比。

模型中，地幔粘度受到温度、压力、应力和晶粒尺寸等多因素影响。研究者利用实验数据构建了流变学参数，并将其与地震波速度和衰减等观测结果进行关联。他们将模型中的温度、压力、晶粒尺寸、水含量和稳定熔融率转换为地震波速和衰减，以匹配观测到的纵向对流卷的波长和模式，以及年轻板块对流起始年龄和地震波速异质性等特征。结果显示，低粘度的地幔（小于2×101? Pa·s）和同时存在扩散和位错蠕变对变形的贡献是实现这些匹配的关键因素。此外，挥发性物质和熔融的存在也对地震波速和衰减产生重要影响。

在模型设置方面，研究者采用了三维笛卡尔几何结构，模拟了板块远离中洋脊的运动过程。模型的尺寸为8000公里长、1000公里宽，并延伸至660公里或1000公里深度。模型使用了自适应网格技术，以确保高分辨率，同时追踪矿物晶粒尺寸的演变。模型的初始温度和压力分布基于半空间冷却模型，并通过加入随机温度扰动来模拟初始条件的复杂性。边界条件方面，研究者设定了顶部边界为7厘米/年的板块速度，并在底部边界设定了零速度，以确保模拟的物理合理性。

模型中，地幔的流变学由扩散蠕变和位错蠕变共同作用。扩散蠕变粘度依赖于晶粒尺寸，而位错蠕变粘度则依赖于应力和应变速率。研究者通过改变扩散和位错蠕变的流变学参数，测试了不同粘度情景下的模型表现。结果显示，低粘度的地幔能够更好地匹配地震观测数据，尤其是纵向对流卷的波长和模式。然而，由于流变学的复杂性，部分模型在匹配所有观测特征时仍面临挑战。

研究者还通过合成地震学的方法，将地动力学模型输出的温度和压力数据转换为地震波速和衰减。他们利用不同的流体模型（如CO?和H?O的含量）计算了地震波速和衰减，并通过合成数据与实际观测进行对比。结果显示，模型中温度异常的幅度和深度范围与观测数据有一定程度的匹配，尤其是在42百万年（Ma）的板块年龄下。然而，部分模型仍无法完全解释观测到的地震波速异质性和高衰减现象。研究者认为，这可能与模型中未考虑的其他因素有关，如熔融和挥发性物质的分布，以及晶粒尺寸演变对流变学的影响。

此外，研究者还分析了地震波数据与模型预测之间的差异。他们指出，地震观测数据可能受到噪声、数据处理方法和模型参数选择的影响。例如，表面波数据可能主要反映上地幔的平均结构，而动态模型中的局部温度异常可能未被完全捕捉。同时，合成地震数据的对比也揭示了模型中地震波速异质性和衰减与观测数据之间的不一致，这可能源于模型中未考虑的某些物理过程，如熔融的动态影响或地幔中挥发性物质的分布。

研究者还讨论了模型中晶粒尺寸演变对SSC动力学的影响。晶粒尺寸的变化会影响地幔的流变学行为，进而影响对流的形态和稳定性。他们发现，随着晶粒尺寸的减小，位错蠕变的贡献增加，从而增强了对流的不稳定性。同时，晶粒尺寸的增加会提高扩散蠕变的粘度，延缓SSC的起始时间。这些因素共同作用，使得模型中的对流结构在不同深度和时间范围内表现出复杂的演化特征。

总的来说，本研究通过高分辨率三维地动力学模型和合成地震学方法，揭示了SSC在海洋板块演化中的重要性。模型结果表明，低粘度的地幔和适当的流变学参数能够更好地匹配地震观测数据，而晶粒尺寸的演变则对SSC的形态和稳定性具有关键影响。尽管部分观测特征尚未完全解释，但研究者认为，SSC可能是地球板块动力学中的一个重要过程。未来的研究可以进一步考虑熔融和挥发性物质的动态影响，以及更精确的晶粒尺寸参数，以提高模型的准确性。