地球深内部探测及动力学研究*

傅容珊 黄建华 杨 亭

(蒙城地球物理国家野外科学观测研究站，中国科学技术大学地球和空间科学学院，合肥 230026)

地球深内部探测及动力学研究*

傅容珊 黄建华 杨 亭

(蒙城地球物理国家野外科学观测研究站，中国科学技术大学地球和空间科学学院，合肥 230026)

近20年来人类对于地球深内部的探测和认识已经上升到一个新的层次，滋生出许多新的研究热点。一系列最新发现集中于地球深内部研究领域。简述了这一领域研究的成果，探讨其未来发展和研究的方向。

地球深内部;板块构造;地幔动力学;地震层析成像;地球动力学

1 引言

自20世纪80年代开始，依赖于全球地震观测台网、数值技术和计算技术的飞速发展，地球科学已将人类对于地球深内部的探测和认识推进到了一个新的层次。地幔深部乃至地核的精细结构和横向不均匀的探测和动力学研究滋生出许多新的热点。可以毫不夸张地说，近20年来地球科学最新的发现都在地球深内部研究领域。例如，地球固体内核的超速转动及复杂结构、地幔底部D”层复杂结构和动力学背景、CMB超低速区域以及深地幔过钙钛矿物质结构的发现等等。尤为重要的是，地球科学家有了一个强烈的共识:把地球看作一个完整的系统而不是一系列彼此孤立的、互不相关的部分。因此，研究固体地球子系统之间的相互耦合作用，探讨地球整体系统演化和现代运转过程，越来越受到地球科学的关注。与此同时，地球科学家已经将地球物理、地球化学、实际地球状态下实验矿物学以及地球动力学的相互交叉和互补作为地球深内部研究的主要途径。本文将介绍近期地球深内部探测和动力学研究的重大发现和主要成果，同时探讨该领域未来发展和研究的方向。

2 地球深内部探测及结构

地球内部结构的探测和研究始于上世纪初期，地震学家利用地震波震相的走时特征发现了地球的分层结构。近百年来，以地震学为主的地球内部结构探测的发展使得人类对于其内部构造的认识建立在两个层次之上。第一层次的认识是发现地球具有层圈构造(图1)。第二层次的认识则是探索和发现了地球内部的精细结构和横向不均匀性。随着地震观测精度的提高，地壳、地幔甚至更深内部的精细结构逐渐被地震学家所揭示，例如上地幔中存在220 km、330 km、410 km、520 km以及下地幔中的710 km、900 km和1 050 km全球或者区域性层圈界面等等。特别对地幔底部核幔边界(CMB)之上D”层(厚度为100～300 km)的发现以及对其精细结构的探测加深了人类对于地球的全新认识，进而全面开展了内部精细结构和横向不均匀的探测和研究。

图1 地球内部结构(根据CSEDI，1993编辑)Fig.1 Interior structure of the Earth(Edited from CSEDI，1993)

第二层次的研究起步较晚，始于1970年代。借助于现代计算机技术和数值地震观测技术的高速发展，地震层析成像技术从全球和区域尺度揭示出地球内部的精细结构和横向不均匀结构。以不同的方式和精度呈现出全新的地球模型或区域构造模型，极大地丰富和深化了人类对于地球的认识。

地震层析成像结果从三个方面展示出地球内部横向不均匀结构。首先，全球和区域尺度，地壳、地幔、外核和内核都呈先出不同程度的横向不均匀;在长波的范围内P波和S波震相的结果均呈现出很好的相关性;在上地幔中呈现出以板块构造为基本构架的岩石层和上地幔横向不均匀，其格局以较为狭窄线性区域分布为基本特征。然而，在下地幔中，从1 600 km左右到核幔边界横向不均匀失去了狭窄线性区域分布，多表现为大尺度特点，不过观测中还是可以寻求到上下地幔之间地震波异常连续性过渡的特征。第二，在固体內核不仅表现出地震波速呈轴对称的各向异性，对称轴和地球自转轴之间的夹角为10°～11°，地震P波传播速度沿对称轴方向速度快而在垂直于该轴方向速度慢，同时表现出整个半球区域的差异。这一系列新的重大的发现不仅开拓了人类探测地球深部的崭新领域，同时也为人类研究其深内部动力学过程提供了观测基础。第三，横向不均匀的另一重要体现是地球内部层圈界面起伏，其包括内外核(ICB)、核幔边界(CMB)、660km地震波速度不连续面、岩石层和地幔边界(LMB)以及莫霍界面(MOHO)的起伏。地球内部边界起伏是在动力学过程的驱动下其偏离流体静力学平衡的体现，所以对于边界形态的研究一直是地球动力学研究非常关注课题。早在1960年代Hide等就提出，核幔边界(CMB)的起伏和由此而引起的核幔边界的偶合可能是地球自转的钱德勒晃动和十年尺度波动的原因，也可能是地球磁场反转的激励机。与此同时，地球科学家在地震学、重力学和天文等不同学科就采用不同的方式探测和确定CMB的形态。特别是地震层析数据给出了许多不同的模型。而其他边界如MOHO、LMB、660 km和ICB的形态的探测也得到了一些初步的结果。以地震层析为主导的地球横向不均匀研究展示了地幔结构的三维图像和基本框架，而与全球构造相关的俯冲板块和地幔热柱在深地幔中的踪迹，正是地幔热动力系统演化过程的现代表观。

核慢边界区域精细结构的探测，特别是D”层复杂结构、地震波速度各向异性、超低速层和热化学热异常区域的发现都是现代地球科学的重大发现。在1950，1960年代D”层被认定为全球范围内地幔底部地震波速度差异的圈层。但1980年代以来，地震学家们发现该区域的结构远远较过去的认识复杂。其不仅有大尺度的不均匀结构，而还有小尺度的横向不均匀结构，存在地震波传播速度各向异性。特别值得关注的是，这一层中存在地震S波超低速区域和热化学横向不均匀的结构区域。地震学发现，在核慢边界上一些地域存在地震波超低速区域(ULVZ)。其主要特征是，在CMB上部5～50 km的范围内，其地震P波速度迅速降低5～10%，而S波速度则降低10～30%。观察图2可以发现ULVZ的范围非常大，其中厚度超过5 km的区域集中在中太平洋、非洲和冰岛下方，与大型地幔热柱密切相关。近来McNamara等［1］总结了地幔底部超低速异常区域的分布，勾画出了更为详细的图像。这一图像已经远远超出了过去地球科学的想象，因此其成因和动力学效应的研究很快成为深地幔研究的重要课题。与此同时，地震学在CMB上方一些区域例如南非下部存在地震S波的低速块体其速度大约比正常速度低3%左右。区域延伸和横跨度在1 200 km左右，其形态倾斜，在高度方向伸展1 500 km左右(图3)。地震波速异常还显示，其块体边缘尖锐，异常边界区域的宽度约为50 km。基于地幔热动力学分析，这一块体被认定为热-化学异常体。

图2 全球超低速区ULVZ的分布(蓝色区域为缺乏超低速结构，深红色为超低速区［1］)Fig.2 Global distribution of ULVZ based on seismic studies(Blue areas in the foreground indicate probed areas lacking evidence for ULVZ structure，while red patches in the foreground mark regions with detected ULVZs［1］)

图3 南部非洲核幔边界上方热化学异常体［2］Fig.3 Thermo-chemical anomaly up on the CMB of the south Africa［2］

地球流体外核被地球科学家认定为地球磁场的源区。对于人类，地磁起源一直神秘莫测，而由于数学和物理学的困难，地磁起源的理论研究一直徘徊不前，大量研究仅仅停留在简单的地磁发电机模型之上的定性讨论。然而，这一领域由于其具有挑战性，吸引了许多优秀的理论地球物理学家。1990年代中期，基于大规模计算机数值模拟的地磁起源的研究取得了突破性的进展。文献［3］利用当时的超级计算机以磁流体基本方程为基础，模拟了地球磁场的成长和演化，甚至观察到了磁极的反转。无疑，他们的成果使地磁起源的研究看到了未来，在人类揭示地磁场的起源的漫长旅途上迈出了一大步。

地球固体内核的探测和动力学最令人兴奋和吃惊。在地球固体內核地震波速各向异性的基础上，文献［4，5］利用地震学分析发现地球内核相对于地幔和地壳的快速差异旋转，其差异转动的速率在1°/年左右。尽管一些研究对此仍持异议，特别是差异转动速率的确定。近几年来，一些学者用相似度极高的地震事件分析了地球内核差异转动，他们的结果支持地球内核相对于地幔和地壳的快速差异旋转。固体地球内核超速转动的发现和确认，无论是对于地球系统的认识，还是探讨地球深内部的动力学过程都将揭开新的一页。基于地震学的探测，有关地球固体内核的结构在过去的几年不断有新的发现。例如:固体内核地震波衰减也存在各向异性，其吸收强(弱)的方向和地震波速度高(低)方向一致。利用这一结果和地震波速各向异性对于理解地球固体内核的矿物学以及地球动力学有重要的价值;固体内核的表层，其地震波速度呈现出东西半球的差异;Koper等［6］提供了内核存在小尺度横向不均匀的地震学证据，其不均匀体的尺度在数十千米范围;针对固体内核和流体外核之间密度差异存在0.25～1.0 g/cm3低跳跃和0.6～1.8 g/cm3高跳跃模型，Krasnoshchekov等［7］提出了内核表面的镶嵌构造模型，即从固体内核向流体外核过渡包含了可部分流动的薄层(密度差异低跳跃)，但其镶嵌着一些尖锐跃变(密度)的区域;Wen［8］利用1993年12月1日和2003年9月6日地震事件的波形分析，发现了该时间段内在中非下部内核表面的半径有0.98到1.75 km的增大。当然这一变化可用内核差异转动或该内核表面区域地形的快速增高来解释。

3 深地幔物质及性质

地球深内部物质成分和岩石矿物组成，地球深内部物质物理特性，一直是地球科学家急切需要认识的。但由于人类还没有能力获取原位(真实深度上压力和温度)条件下岩石的样本，更无法测定该条件下的岩石矿物的物理-力学性质等等。所以，在许多情况下只能依赖科学的方法推断深内部的物质状态。现代有三种途径可以获取地球深内部物质成分和性质的信息:第一，通过地球物理场观测，特别是地震观测。因为地震波能够穿透地球深内部，其不仅能携带地球内部地震波速度结构的信息，而且其波形的变化能携带大量地球内部物质物理-力学性质的信息;第二，通过高温高压条件下地幔岩石的矿物学研究，推断地球深内部条件下的岩石矿物的组分，相变条件及其物理-力学性质;第三，通过大规模计算机数值模拟的方式，在基本的物理-力学定律的基础上，探讨地球深内部的岩石矿物状态等等。

在过去一个世纪中，地球物理学家们发展了以PREM为代表的地球结构和物理-力学性质模型，地球化学家们也提供了地球内部岩石矿物组成的基本模型。就地球内部岩石矿物组成而言，广泛地认识到地球流体外核和固体内核的物质组成是以铁镍合金为主体，内核仅仅是在该深度上温度和压力下铁镍的相变结果。地幔的岩石矿物组成则比较复杂，特别是660 km地震波速度不连续面的性质(化学界面或相变面)长期以来倍受关注。不过大量观测数据支持该地震波速度不连续面为相变面。就岩石矿物而言，地壳岩石矿物由于容易直接获取，所以其研究程度相对较高。但地幔就不同了，其研究困难程度远远大于地壳物质。不过经过长期探索，地球科学给出了地幔岩石矿物的基本模型(表1)。如表1所显示，660 km地震波不连续面为一相变面，通过这一界面，下地幔岩石矿物的主要成分为钙钛矿结构，大量地球深内部研究都以此为据而开展。不过，在探讨地幔底部特别是D”层复杂结构核动力学问题时，其岩石矿物用简单的钙钛矿结构解释面临许多困难，有的甚至是难以逾越的障碍。

表1 地幔矿物相模式(根据CSEDI SCIENCE PLAN，1993)Tab.1 Mineral phase model of the mantle(CSEDI SCIENCE PLAN，1993)

图4 过钙钛矿晶体结构在［001］，［100］，和［010］方向上的投影以及层状结构的三维视像(八面体为围绕Si原子的O原子，圆球为Mg2+离子。黑线表示一个晶包单元［9］Fig.4 Projections of post-perovskite crystal structure［9］in the direections［001］，［100］and［010］and the 3D view of sandwich

然而，经过了长期的疑惑，地球科学探索戏剧性地发现，在核幔边界附近的温度和高压条件下，钙钛矿MgSiO3结构可以转化为新的高压相结构，即过钙钛矿结构。研究表明，在125 GPa和2 500 K温度下(相应于核慢边界附近2 700 km深度)钙钛矿Mg-SiO3转化为SiO6八面体的二维片状结构，其密度有1.0 to 1.2%的跳跃(图4)。这一结构与钙钛矿Mg-SiO3的三维结构明显不同。他们还推断，D”地震波不连续面可能就是这一转换的结果。而由于这一结构的晶体具有明显的各向异性，可以导致D”层中地震波强烈的各向异性。与此同时一系列理论和实验研究都证实了钙钛矿结构的存在。

由于这一新的发现，地球深内部特别D”层所表现出来的一些怪异特征或许可以得到合理的解释。Wookey等［10］利用过钙钛矿模型解释了D”层的形态和位置，解释了P波和S波呈现出来的差异特征及其在深地幔中不连续性的观测结果。与此同时，他们还通过计算展示了下地幔中S波各向异性区域性的变化和MgSiO3钙钛矿相变之间的一致性等等。而在D”层中的观测到的特殊结构，一些区域呈现出成对的地震波不连续特征，Hernlund等［11］则用钙钛矿的相变边界来解释，并赋予其地幔动力学内涵(图5)。当冷的俯冲板块进入下地幔，在该深度的温、压状态下由MgSiO3钙钛矿结构(Pv)相变为过钙钛矿结构(pPv)，并堆积在CMB之上。它们与源于D”层的地幔热柱的上升运动的物质(钙钛矿结构)之间形成了冷-温暖-热的横向热结构(图5 (c))，也正是这一下地幔的温度结构结构形成了成对的地震波不连续特征。对于地幔底部一些地震波速度的超低速区域(UVLZ)也有了新的解释。Mao等利用实验室观测到，在过钙钛矿相中包含了40 mol% 的FeSiO3的富铁过钙钛矿具有很低P波和S波速度及高泊松比。富铁过钙钛矿在CMB上的地幔底部的压力-温度及化学条件下是稳定的，这一矿物相可以由地幔和地核的反应形成。而地幔动力学则驱动了这些物质在一些区域的积累成为观测到的地震波的超低速区。显然这一解释和过去将ULVZ理解为该区物质的部分熔融明显不同。

过钙钛矿的发现为推进人类理解和认识核幔边界上部D”区域的实质迈出了很大的一步，但是并不意味所有问题都解决了，因为D”区域复杂的结构和动力学背景还仍然模糊不清。源于该区域的地幔热柱如何形成?俯冲板块在该区域如何堆积、演化和重循环到上地幔，甚至到我们这个星球的表层? D”区域中可能存在的大规模化学异常体的来源? D”层是如何和地球外核相互作用的?等等重大的科学问题有待我们去深入探讨。

4 地幔对流和地幔热柱

自1930年代提出地幔对流假想以来，地球动力学家们力图从地球内部追寻地球表层大规模构造运动的驱动力源。现在地幔对流不再是少数动力学家的假想，包括地幔热柱在内的地幔对流的深入研究不仅成为研究地幔热动力系统演化的主线，也成为研究大陆形成和演化驱动机理的主线。可以理解，在深度2 900 km以上的固体地幔的对流是驱动板块运动和地球表层地质构造、活动，包括大陆漂移、地震、火山和造山运动的主要力源。也可以理解，地幔对流如同热机一样在几十亿年的演化过程中不断将其内部热量输送到表层，散发到空间。使得我们这个行星得以缓慢地冷却而不至于在放射性元素的加热下过热熔融。与此同时，地幔对流如同一个巨型搅拌机使原始的不均一的地幔混合、均匀化。可以说，地幔对流(包括地幔热柱)、板块构造和仍然神秘的D”层犹如基本框架将固体地球科学的许多分支学科联系起来。

图5 深地幔等温线和钙钛矿(Pv)相变的关系((a)三条示意等温线和过钙钛矿(pPv)边界，(b)与前面相应的Vs速度剖面，(c)可能的下地幔结构，图中浅色部分为pPv区域，箭头表示物质流动方向，点划线表示温暖，冷和热地幔物质剖面［11］Fig.5 Relations of the deep mantle isotherms［11］with perovskite phase change

包括地幔热柱在内的地幔对流是在一个复杂系统中运转的，我们面对的是比想象要复杂得多的地球系统。由于数学分析能力的局限，大规模数值模拟已成为模拟地幔热动力系统的主要手段之一。而数值模拟的时空域也从二维发展向三维，从直角坐标面向球域，从稳定对流的描述转向对流系统演化的探讨，特别是从假设模型的研究转向面对实际地幔。例如，研究地幔分层结构对地幔对流格局的影响;复杂系统对流演化;地幔对流格局和尺度随热动力学参数变化的关系;板块运动和地幔对流的相互作用以及地幔对流和俯冲板片的互动关系等等。

地幔复杂性的表征之一是，其结构的复杂性，物质成分、相变(矿物组成)和流变学特性(黏滞性)等等。通常，物质成分的差异将阻止流体穿越界面，此时对流将分层，形成两个不相混合的对流系统而形成分层对流的格局。660 km地震波不连续面性质的认定长期以来倍受地球科学家的关注，不过近20年来地震层析成像揭示该界面不能阻止俯冲板片进入深地幔，从而推定了该界面不是化学分层。尽管有的研究提出，在地幔底部CMB以上1 000 km范围内可能存在化学分层，并以此为据提出了一些对流模型。地幔条件下岩石矿物表明，地幔岩石的流变性强烈依赖温度的变化及其矿物成分，同时相变过程吸热和放热或地幔各分层物质成分变化使得其黏滞性产生差异。一些研究推测，地幔中可能存在两个低黏滞区(LVZ，或软流层)，其中第一个LVZ区在100～400 km之间，具有全球分布的特征。第二个LVZ区在660～1 000 km之间，在三个大洋下部都能追踪到此低速层的存在。与之相应的对流3D数值模拟给出，当地幔Rayleigh数达到2×107时，控制对流模式的基本因素仍然是660km界面，表现为局部或全球性的分层对流，第二LVZ的存在只是促进分层对流而已。地幔热柱可能在转换区域产生，在第二LVZ区域出现小尺度的对流格局。值得注意的是，一些研究还通过设定不同的条件来研究俯冲板片和地幔热柱在660 km界面附近的行为，用以解释在该界面附近的地震波速不连续面的图像。

地幔复杂性的表征之二是，由于其物理-力学状态和物理环境的复杂性，与之相应对流的格局呈现出的复杂和多变特征。观测数据反映了地幔热柱在内的地幔热对流系统的多尺度性的特征。Anderson［12］分析了地幔对流的尺度后指出，1阶球谐函数对应的对流可能反映了超级大陆及其分裂，2阶呈现的上升和下降流动则对应了地球表层构造的基本格局(冷的地幔部分、大陆和俯冲带)，6阶对流对应了热点分布。而上地幔小尺度对流的波长在400～1 000 km之间，它受到多种因素的控制，例如，上地幔吸热相变面深度，以及上地幔低速层厚度等等。3D直角坐标、分层黏滞性的热动力系统中多种尺度对流的数值模型显示，当系统Rayleish数从105增加到1.75×107时，上部边界层呈现出不稳定状态，小尺度对流的格局也随Rayleigh数的增加而变化，同时被大尺度对流水平地输送。分层流变性可能是解释地幔中同时存在多尺度对流的最好理由，而流变特性随深度的变化可能在激发岩石层下部小尺度对流中起关键作用。当然这一实验可以定性地说明同一热动力系统中多尺度对流同时存在的可能性，以及存在的可能条件，不过这离实际地幔的讨论还相差甚远。可以预期，诸如球型几何特征，如地幔可压缩性、固体相变、地幔流变性随温度和压力变化、地幔热动力参数随深度变化以及部分熔融等都可能是影响对流格局和演化的因素。

地幔复杂性的表征之三是，现代地幔对流系统和以板块构造为主导的岩石层和在CMB之上的D”层之间既统一又相互独立。地球是我们观测到的太阳系中行星表层构造中唯一显示为板块构造的星球。地幔对流、岩石层板块运动和D”层内的物质运移可以被看为统一的动力学系统，因为海洋岩石层板块被证明可能是对流系统上部冷却的热边界层，而D”也常常被想象为对流系统的下部边界层。然而，由于他们之间流变性质的巨大差异又使得其各自表现出相对的独立性。所以可以理解它们为相对独立、相互偶合的子系统。地球动力学家在模拟这一既统一又相对独立的复杂系统时，面临许多困惑，采用了一些不同的流变模型。实验室研究表明，岩石黏滞性和温度之间存在如下的关系，

式中，E是与物质原子结构相关的常数，T为温度，而T0和η0则为选取的参考温度和相应的黏滞性。例如，将地幔和岩石层分成流变性差异很大的两层，或者将岩石层视为伴随弱化带的高黏滞性区域。一些研究则从更为复杂的非牛顿流变性出发，整体地模拟岩石层板块的形成。早期模型显示了一个能够自适应生成类岩石层板块结构的地幔对流系统，不过其板块是固定不动的，通常称此类模型为自适应板块-地幔模型。近年来，发展了一种考虑形变和软弱性的机制，广泛地应用于自适应板块-地幔模型，其依赖于时间的三维对流数值模拟获得了类板块构造特征。例如，在模拟中仅仅考虑岩石的屈服强度而不顾及其应变的弱化。文献［13］给出的三维自适应板块-地幔模型的数值模拟，其模型采用了三维直角坐标系，对应于11 600×11 600×2 900 (km)的实际地幔几何框架。其模型从底部加热，采用温度-应变率依赖关系的流变性，同时结合应力屈服点的概念。模拟结果显示，对流系统形成了一个高强度的顶层(类似板块)，当应力足够高时该层将破裂。该模型还产生一些类板块构造特征的现象，如高强度层的俯冲和在流体表面类似板块运动等等。然而，这一模拟也出现了与地球表层构造运动不相似的图像。例如，伴随新的高强度顶层形成而偶尔产生的消减流，这一特征更像在金星上对流的格局。Tackley［14］的数值模型采用了更彻底的参数化空间，包括统一的黏滞度-温度依赖关系(变化可达5个数量级)，统一的屈服强度以及温度达到固化点时其十倍变化的黏滞性等等。模拟显示出对流系统的行为很大地依赖于屈服强度，低屈服强度时可以得到类板块构造特征，但是板块很弱;中等屈服强度时可以得到强的板块和弱的边界;而高屈服强度时则会形成一个刚性的盖层。数值模拟得到了更加连续和平滑演化的类板块构造特征，同时在板块下部存在一个低黏滞性区域，呈现出可滑动的扩张中心，其分布更加区域化，减少了随机性等。然而，模拟未能给出一个纯粹的转换边界，而每个边界都是发散和转换运动的混合等等。对此，正如 Tackley［14］指出的“尽管取得了很大的进展，但是这一类板块特征并不像地球的板块构造”。所以，真正地实现模拟地球板块构造还有很多工作要做，这也是今后全球构造-地幔对流数值模拟的一个重要的方向性课题。可喜的是，有关此类研究的大规模数值模拟已经开展，有的研究探讨了深地幔过程和超级大陆之间的耦合关系，有的研究探讨了地幔底部热化学异常体与热点和大规模火山区域之间的关系。不过，特别需要思考的是，以黏滞性为代表的岩石层地幔和D”层的力学性质不仅依赖作用力的时间和空间物理环境，还依赖其岩石矿物组成。与此同时，在同样的温度压力下岩石矿物部分熔融将改变其力学特性，影响包括岩石层在内的地幔物质运移的方式和格局，特别是在探讨岩石层和下伏地幔之间的耦合时这一因素可能起到关键的控制性作用。

地幔复杂性的表征之四是，在地幔矿物分层结构的基本成分的构架基础上，地球化学家发现了地幔物质横向不均匀分布的复杂特征。数据显示，源于地幔岩浆岩中不相容示踪元素分成两大类:一类来自大洋中脊玄武岩(MORB)，呈现了部分元素的亏损，被解释为上地幔岩石部分熔融的结果，称之为亏损或耗散了的地幔(DMM)。而另一类则是洋岛玄武岩(OIB)，如夏威夷热点火山岩，其被解释为来自更深地幔的地幔热柱，具有原始地幔的地球化学表征。早期地球化学研究将上地幔认定为耗散地幔源，而下地幔则为原始地幔源。然而，随着地球化学数据的不断增加和积累，这一简单的划分无法解释新的数据，一些地球化学家更趋向于MORB和OIB来自不同地幔化学储体的推测。OIB除了可能来自深地幔D”层的原始地幔外，有的还可能来自别的不同类型地球化学储体的物质和MORB对应的耗散地幔(DMM)混合的结果。例如，一些年龄大约为10～20亿年的地幔岩样品，它们不是原始的地幔，可能是大洋和大陆地壳物质再循环进入地幔形成的化学储体。有的地幔岩样品则认为其源于高3He/4He值的地幔储体。由于3He被认为与地球同时形成的，而4He是U、Th放射性衰变的结果，所以高3He/4He可以理解为原始地球的物质储体。如此，地幔对流的问题就显得更加复杂，更加扑朔迷离。Takley［14］列举了一些依赖于地球化学数据的框架模型:

1)典型的上下地幔(660 km)化学分层模型;

2)典型全地幔对流模型，除了地幔底部存在富集重循环地壳(ERC)和原始地幔外，其余为均匀地幔;

3)原始地幔泡状块体伴随富集重循环地壳(ERC)模型;

4)完全重循环模型;

5)原始残留块体模型;

6)深原始地幔层模型。

其中 Kelloge等［15］的模型假设，从深度大约1 600 km可能存在一个极不规则的化学界面(图6)，其顶部深度可能为1 600 km，由下层中上升的流动将其推动，并在上面层产生向上的可能是热柱的流动。而上层中的下降流(俯冲板片)迫使该界面向下移动至核幔边界(CMB)附近，两层之间不存在物质交换。他们的数值模拟图形也显示了存在此种对流模型的可能性。不过，现今的地震观测的精度还不能够探测在地幔深部是否存在横向如此大起伏的全球性的物质(化学)界面。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，以地幔热柱形成机为中心建立新的地幔热动力学框架。基于Davaille的实验认识到，在地幔中即使很细小的密度分层(1%左右)都将产生很重要的动力学结果。实验模拟了底部加热顶部冷却的密度(化学)分层的黏滞流体的对流特征。结果表明，当流体中层间的密度(化学)差异和由于热膨胀产生的密度异常之间的比率在0.3到0.5之间时，其密度分界面变形，成为很宽阔的圆顶以至上升到层的表面，而冷的物质又会下沉，这一过程犹如Lava灯一样。Davaille［16］假设，地球开始可能是分层对流，那时其浮力的比率大于1，后来有上升的热柱和片状下降的流动使两层的地幔逐渐混合，其之间浮力的比率下降到0.5以下。该模型可能有助于我们调和诸多观测之间的矛盾，特别是地球物理(地震层析成像)和地球化学数据的矛盾。不过，这一模型不仅要三维球域的实验或数值模拟研究，而且还需要更加接近于地幔实际状态的力学框架和热动力学参数，更需要地震层析等直接观测数据的证明。看起来问题又回到了原点，地幔的自然属性是化学双层地幔还是化学统一的单层地幔?不同的只是化学分层从660 km地震不连续面转向1 600 km深度，而后者在目前技术水平上，难以用地震学方法探测。

图6 下地幔固有化学分层动力学模型［15］Fig.6 Inherent chemical stratification dynamics model of the lower mantle［15］

正如本节前面谈及，地幔对流如同一个巨型搅拌机使原始的不均一的地幔混合、均匀化。但是，一些模型，特别是化学分层地幔模型显示，地幔对流不断地将深地幔化学差异的物质带到地球表层，如此在对流循环过程中会增加地幔不均匀性。那么地幔均匀吗?早期的研究表明，对于黏滞分层地幔而言，如果下地幔黏滞性100倍于上地幔时，全地幔对流仍然能使得下地幔保持地幔原始状态。直角坐标系中地幔混合的3D数值模拟表明，在环形运动存在的条件下，即使是稳定对流也能够产生有效、无序的混合。而近期计算更表明，在地球存在如此活跃的对流时，尽管存在一系列不利因素，如地幔具有黏滞性-温度依赖关系，在660 km界面的下地幔有很高的黏滞性，而且660 km界面为吸热相变面等等，在几十亿年的时间内下地幔仍然能很好地混合和去气(outgassed)。文献［17］首次研究了3D球域中现代地幔对流条件下地幔混合的效率问题。他们的数值模拟实验中的示踪元素显示，在现代地幔对流(包括板块运动)的驱动下，存在多尺度的地幔混合。只有一些确定的地域呈现出单一对流细胞的片状混合，而多数区域表现出螺旋状混合。如此，对流可以将示踪元素从一个地点输送到很远的地方而呈现出无序混合状态。他们得出，主导现代地幔混合效率的关键因素是，现代俯冲板片(特别是环太平洋区域)的驱动力和现代岩石层板块运动环型速度场;相对而言，现代地球已经有效地混合了，而经过了长期演化的地幔中不可能保留大的孤立块体。傅等［18］定义了地幔快体置换度和对流混合浓度，他们的研究结果同样显示，即使在稳态对流的状态下，经过40亿年演化后的地幔基本均匀，其地幔块体置换度超过80%。然而，一些研究仍然指出，地幔混合的效率还会由于地幔黏滞性横向变化或者原始地幔中高黏滞性(高于正常地幔10到100倍)残余泡状块体所降低，这些泡状块体将保留几十亿年而保留下来不被混合。可以理解，地幔中的化学异常体残存时间不仅取决于异常体的黏滞性，还取决于其和周围地幔的浮力比等等，所以这一问题仍然需要更多的关注和研究。

图7 地幔系统示意和地幔最底部边界层［19］(a)地幔剖面及关结构单元:包括板块构造近地表的热化学边界层和由地震学提供的下地幔大尺度图像，(b)热边界层模型(TBL)，(c)化学边界层模型(CBL)，(d)集中在上升流下部的化学残渣模型，(e)俯冲板块堆积模型，(f)均匀下地幔相变模型(PC)，(g)b-f的混杂模型)Fig.7 Sketch of the mantle system and its bottom boundary layer model［19］

5 俯冲板块和地幔热柱的深地幔追踪

地球科学已经确认，板块构造主导了地球表层构造运动。来自地幔的物质在大洋中脊上升，形成新的海洋岩石层，巨大的岩石层块体(板块)在不断背向洋中脊运动的过程中不断地冷却、增厚，而在海沟区域俯冲，消减进入地幔。俯冲板块去向何方? Walson循环的关键环节迷失了。然而，当我们为雄伟壮观的火山喷发而赞叹大自然的巨大力量时，自然会问到这些物质来自何处?它们属于Walson循环环节吗?自Morgan［20］提出地幔热柱的概念以及它在板块动力学中的作用以来，地幔热柱就作为地幔演化动力学一个重要的子系统而得到广泛的关注。正如本文前面已经说明，卓有成效的地球深内部探测揭示，地幔底部存在一个D”层，其结构和成分的复杂性并不亚于岩石层。或许它是俯冲板块的归宿?或许它同时又是地幔热柱的发源地?是俯冲板块和地幔热柱将相距2 900 km的岩石层和D”层连接起来和地幔构成了统一的热动力系统?对此，Lay等给出了一个简单的框架(图8)和推测D”层的基本模式，并讨论了这些模式。对于D”层而言，他们详细分析和推荐了热-化学边界层(TCBL)模型。不过，这一框架中既没有顾及相变的因素(Mg-SiO3过钙钛矿结构的发现而改变了地球科学对D”层的基本认识)，同时也缺乏将活跃的岩石层和复杂的D”层联系起来的元素。事实上近十来年在深地幔探测的研究中已经确立起这一联系岩石层和D”层的主要元素，那就是来自地球表层的岩石层俯冲板块和源于D”层的地幔热柱。

地球是现代仍然活动的演化的行星。现代所获取的地球观测数据都是这个星球演化过程的现代表观。地震层析成像数据在许多地区明显地呈现出现代俯冲板片可能进入下地幔之中，有的可达1 300～2 000 km的深度，甚至堆砌在核慢边界之上，解决了长期以来困扰地学界的有关660 km地震波不连续面的性质问题。Bijwaard等［21］列出了全球各地区俯冲带和包括了印度板块和欧亚大陆碰撞带在内的19个地震层析成像剖面。他们发现，在爱情海、阿留申弧、堪察加、马尼亚纳海沟等一系列的剖面上，地震波高速异常都穿过了660 km间断面，有的延续到下地幔深部，甚至2 000 km的深度上。只有少数剖面显示高速异常或中断于660 km间断面或沿该界面延伸，如Izu-Bonin岛弧和Scotta Sea俯冲带等地区。不过Zhao等对全球特别是东亚-西太平洋地区俯冲带的地震层析成像的研究显示出一些不同的特征，即较强的、扩散开的地震波高速异常停留在俯冲带的相变区域(660 km)，而由于相变带的强烈的重力不稳定性，其最终沉入下地幔。这一差异可能改变以对流为中心的地幔动力过程的一些故事情节，但并没有改变下地幔乃至D”层可能是俯冲板块的最后归宿的结论。

地幔动力学的主要任务之一是将研究的视野由近向远地推向更遥远的地质时代，从现代观测的地震层析成像数据中去寻找残存在地幔中的古老的俯冲板片的痕迹，推求古老的地质块体漂移、拼合的历史，以追寻地球演化的轨迹。Van der Voo等［22，23］研究了西太平洋俯冲削减带，包括 Kurile岛，日本及南部地域以及古亚洲特提斯(Tethys)边缘区域的地震层析成像结果，联系晚侏萝纪135～155 Ma及早白垩纪95～135 Ma以来西伯利亚，蒙古等地质块体的运动拼合以及Mongol-Okhotsk和Kula-Nero洋的闭合史，发现了可能残存于地幔中的中生代俯冲板片的踪迹。他们标示出与现代活动的西太平洋俯冲板片相联系的地震波高速异常带以及与其近邻的深入到约1 400 km以下的Mongol-Okhotsk洋俯冲岩石层板片残留体。他们推断，当时介于西伯利亚(Siberia)和连接蒙古-华北(Mongolia-North China)块体及东北西伯利亚(Omolon)块体之间的Mongol-Okhotsk和Kula-Nero洋闭合了。确定该残片位于贝加尔湖西部约深度在2 500 km的地幔深处，延至核幔边界，估计其年龄至少为150 Ma或更长时间。以此为据，他们推估、对比了古西伯利亚活动边缘位置和在地幔中与其相应的地震波高速异常带，勾划出该区域自晚侏罗纪以来板块俯冲以及地幔演化图像。与此同时，他们还分析了东亚和中亚以及印度洋区域从地幔地震层析成像数据中推演出该区域古老俯冲板块在现代地幔中的残存踪迹(板片化石fossil slab)。探讨了特提斯海(Tethys)俯冲板块的消减、古特提斯海闭合以及印度板块、拉萨(Lhasa)块体的碰撞过程。他们推定，拉萨地块和古亚洲大陆之间的中生代特提斯海(Meso-Tethys)大陆俯冲后碰撞断离的岩石层板片(残片I)，位于塔吉克斯坦(Tajeikistan)、北阿富汗(northern Afghanistan)、西藏和喜马拉雅下方，深度为1 000～1 900 km之间，年龄为130 Ma。推断出新生代特提斯海(Neo-Tethys)的两部分，北部向拉萨地块俯冲以及南部则为在该海中部的洋-洋俯冲带。其俯冲终结于印度板块和欧亚板块碰撞后在地幔中留下的残片(II和III)。其南部洋-洋俯冲残留板片(III)较早脱离岩石层，时代大约为中生代白垩记后期85～70 Ma之间，在地幔中的深度为1 600～2 300 km。印度大陆和欧亚板块碰撞后的残留板片(II)的年龄推测为66～65 Ma，在地幔中的深度为1 000～1 900 km。由于印度大陆的向北推进，其残片II和III分别位于印度大陆的下部。最后，他们还发现在印度板块和欧亚板块碰撞带下方现代俯冲板块的踪迹(IV)，其深度为600 km左右。Hall和Spakman详细分析了澳大利亚北部和东北部地幔地震层析所显示的地幔中一系列高速异常体，这些高速异常体与俯冲板块相关，在 Tonga-Kermadec地区可以深达1 500 km。他们利用现代板块构造重建方法，分析解释这些高速异常和现代及过去板块俯冲系统之间的关系得到，许多很强的异常区和现代俯冲板块有关。推断的俯冲板块长度和位置则与在 New Britain和Halmahera岛弧下面晚第三纪的俯冲相一致，也与自10 Ma以来曾经急速后退的 Tonga和 New Hebride海沟位置一致。同时，他们还解释了一系列更深的异常，并将这些异常与25 Ma，45～25 Ma过去该区域的俯冲带联系起来，推测了该地区的地幔动力学过程。值得提出的是，一种俯冲带4D时空演化模式的研究在东亚这一构造复杂的地带得到应用。他们以板块构造重建印度板块-欧亚板块，澳大利亚-欧亚板块碰撞历史为依据(图8)，选择了7个剖面，通过匹配板块俯冲-碰撞边界位置的方式，追踪50 Ma以来俯冲板块在地幔中的残片或区域(图 9)。他们发现板片的轮廓与亚洲边缘形变相匹配。同时，他们还估计了俯冲板片在地幔中沉降速度在700 km以下为2 cm/a，而在700 km以上为5 cm/a，估计由于亚洲岩石层变形产生的吸收汇聚总量至少有1 500 km。

为了更好地认识和理解地球表层(岩石层)物质通过俯冲消减进入地幔深部的动力学过程，一些研究用数值模拟的方式追踪了全球俯冲带物质运移。Steinberger利用俯冲板片密度异常驱动地幔对流模型，顾及到120 Ma以来全球板块边界演化运动的历史;Gordon和Jurdy研究了俯冲板片在地幔中的运动演化。模型显示，俯冲板片在100 Ma时间内插入地幔的平均深度为1 700 km，而在水平方向上的运动为600～700 km。这一结果和观测到的俯冲板片的位置和下地幔横向不均匀结构有很好的吻合。Fu等［24］利用板块运动和地幔密度异常驱动地幔对流模型探讨了俯冲板片在地幔中运动的轨迹，发现多数俯冲板片都能俯冲到地幔的底部，而且由于板块运动环型场的作用，其俯冲板片的轨迹远远比单一极型场驱动复杂得多。利用这一方式，我们可以对一些特定的俯冲板片详细地追踪和研究。俯冲板片动力学模型一直受到关注，一些研究利用数值模拟的方式，从地幔热动力学模型出发探讨俯冲板片所面临的特殊问题。如，俯冲板片的非对称性，影响俯冲板片消减强度的因素及俯冲板片与相变区域、黏滞分层或地幔中可能的化学壁垒之间的相互作用等。文献［25，26］用2D和3D数值模拟探讨了俯冲板片在地幔中残存时间，发现板片残存时间由两个基本因素确定:板片的初始长度和地幔黏滞分层。残存时间随板片长度增加而减小，随分层黏滞度的增加而加大。当通过660 km地震不连续面黏滞度增加100倍时，地幔深部板片在150 Ma期间拖动其上部向下地幔运动，残留在地幔1 500 km以上的浅的板片残存时间超过150 Ma。

图8 印度板块和欧亚板块相对于稳定的西伯利亚在50、40、30、15、10、5 Ma位置的重建Fig.8 Reconstruceion of the India plate and Eurasian plate relative to the stable Siberia in 50，40，30，15 and 5 Ma positiongs

图9 印度和东南亚地区100～1 600 km地幔地震波速度结构［27］(6个试验的相关性显示重建亚洲板块边界的位置和形状(图9，点线)，以及相应深度上高速异常板片:5 Ma，200 km;10 Ma，400 km;15 Ma，600 km;30 Ma，900 km;40 Ma，1100 km;and 50 Ma，1300 km)Fig.9 Seismic velocity structure［27］from 100 to 1 600 km in India and Southeast Asia of the mantle

近十余年来，热柱的深地幔追踪一直是地球动力学的重要课题。因为自Mogan提出地幔热柱的概念和理论以来，它们在地幔中的现代表观就成为该理论能否成立的核心。有关热柱的讨论已经很多，其主要集中在:什么是热柱?热柱的形态是什么?热柱源于何处?热柱形成的动力学机制是什么?热柱和板块构造之间的关系等等。现代地震层析成像以及由地球化学提供的有关海岛玄武岩(OIB)的数据说明，来自下地幔深处乃至D”层的地幔热柱可能驾驭着地幔深部热物质上升流动，其部分热柱可能从核幔边界直接穿越地幔而到达地球表面，参与、驱动着地球表层构造和动力学演化。这一理念来源于大量地震、地热和地球化学证据。地球科学将热柱，热点和海岛玄武岩(OIB)联系起来并用地震层析成像的数据去发现和寻找地幔中热柱的踪迹。然而，只有在高精度的地幔地震成像技术的支持下，热柱假说的实践支柱才有可能得到确认。

Ritsema等［27］从地震层析成像数据分析追踪非洲和冰岛下部地幔热物质上涌流动(图10)。他们从深度为2 500 km到700 km的地幔地震层析切片和剖面，追踪成长于核幔边界(CMB)的地震S波低速异常。他们发现，在该区域地幔中，一地震剪切波低速异常(通常被认定为高温物质)从南大西洋核幔边界(CMB)一直延伸到东非上地幔，到达Afar区域和活动的东非裂谷下部，成为新生代玄武岩火山区域。体积大约为4 000×200×200 km3的一低速高温异常物质源于西南大西洋下方的核幔边界，其向上伸展到中非洲、西北非洲和南印度洋下部。其在水平方向上被弯曲跨越了达45°之巨。Goes等［28］研究中欧地区地震层析成像发现，中欧火山活动和地幔中深度为600～2000 km的低速地震波速度异常相关。据此推定，中欧下部下地幔深处热的物质上升支持该区域上地幔中小的幔热柱，以及相应的火山活动。他们推测，欧洲新生代的裂谷和火山和地幔中的主动和被动的上升流相关。而对于夏威夷下面的地幔热柱更成为其深地幔追踪的热点，许多研究显示夏威夷热点下面的热柱源于地幔底部。与此同时，Zhao［29］在讨论全球范围内地震层析数据和地幔热柱分布特征时指出，在热点下部的地幔中能够看到低速异常，但热柱在地幔中可能被地幔流所扭曲;CMB处的低速异常和地球表面的热点之间存在很好的相关性(图11)，说明那些主要热点对应的强的热柱可能源于CMB;巨大的低速异常在非洲和中-南太平洋的下部地幔之中(图10)，相应有两个源于CMB的超级热柱，但夏威夷不属于这两个超级热柱。Lei和Zhao［30］给出了该区域地幔层析数据显示了夏威夷热柱的确源于地幔底部(图12)。

尽管热柱的研究还存在许多疑问，很多细节需要更精密的观测数据，但有理由认为，驾驭着地幔深部热物质上升流动的地幔热柱可能是深部地幔物质快速进入上地幔以及出露地球表面的主要渠道。

6 地幔热动力学框架

图10 地震层析成像显示的超级热柱源于地幔底部(右:中-南太平洋超级地幔热柱［27］，A:非洲超级地幔热柱;B:中-南太平洋超级地幔热柱)［29］Fig.10 Seismic tomographic images showing super plumes originating in the lowermost mantle［27，29］

在过去20年中，地球深内部领域研究取得了重大的进展，为人类认识和研究地球深内部的结构和动力学提供了一系列重要的成果。值得提出的是，地球科学家统一认识到地球系统及系统研究方法的重要性，1993年美国固体地球科学与社会一书提出:“研究地球一系列过程的一种新方法已经形成，这种方法就是把地球看作一个完整的动力系统，而不是各部分彼此孤立的一种集合体”。Roman和Smith［31］概括到:“地球受一个动力的整体系统控制，这些动力作用在所有组成她的物态之上，包括气体、流体和固体。这些动力和物态组合成一个复杂的包含许多未知数的图式”。所以现代地球深内部的探索和研究不再是孤军奋战，而形成了一支由地球动力学、地球物理学、地质学、地球化学、实验物理学和计算机科学等学科交叉研究的领域。地球科学家力图将核-幔边界以D”层为代表的深内部结构和动力学过程与以板块构造为代表，以大陆演化动力学为新的方向为代表的地表构造运动联系起来，这就是地幔热动力系统。

图11 地幔底部P波层析成像和地表热点分布［29］(红色代表低速扰动，蓝色代表高速扰动百分比，实三角表示地表热点)Fig.11 P wave tomography of the lower mantle and the hot spots distribution at the surface of the Earth［29］

图12 夏威夷热点地区在不同深度上P波地震层析成像［30］(红色代表低速扰动，蓝色代表高速扰动百分比，速度参考模型为ISPA91。三角形为夏威夷热点)Fig.12 P wave seismic tomography in different depth of Hawaii hot spots area［30］

Hilst基于地震学、地球动力学和矿物物理学观测、实验的基本数据，以运动的视觉构建了运动的现代地幔结构的框图(图13)。综合分析这些模型有着共同的特征:在板块运动的会聚区域，俯冲板块及其周围物质的下降流动是地球表层物质消减(重循环)进入地幔以至到地幔深层的主要渠道;在板块运动发散区域以大洋中脊为中心，其下部深至200～300km呈现出地幔热物质上涌的格局，也是地幔物质通向地表的主要通道;自D”层的热柱驾驭着地幔深部热物质上升流动，这一流动可能被地幔中的流动所扭曲或湮没，但是至少有部分物质(直接或重循环)仍然可以作为火山熔岩喷发通向地球表面，凝固成新的地壳，成为热点。

图13 运动中的现代地幔图像(上面部分:地球表面到核幔边界(～2 890 km)从中美洲到非洲P速度变化。左边蓝色结构描述了Farallon板块俯冲到地幔深部，右边红色结构描述了西非深部地幔的低地震波速分布。下面部分:不完整数据族的最佳契合并不唯一，通常受到先验假设和调整的强烈影响，也不一定要很精确)Fig.13 Mantle view in motion(Top:P-wave velocity variations in the mantle between Central America and Africa，from Earth’s surface to the core-mantle boundary(～2 890 km depth).The blue structure on the left depicts the slab of subducted lithosphere of the former Farallon tectonic plate，which dips deeply into the mantle，whereas the red structures on the right mark the low wave velocity deep beneath West Africa.Bottom:Optimal fits to incomplete data sets(stars) are not unique，often strongly influenced by prior assumptions and regularization，and not necessarily accurate)

作者在1990年代初对地幔对流总结了五种不同的对流型态，提出地幔是多尺度、多形态、复杂的热动力系统。同时还提出统一热动力系统中不同源的概念，这一概念是建立在原始地幔非均匀分异的假设上。化学成分的非均匀分异、相变和对流的结果既使得地幔呈现层状结构，又产生横向不均匀性。漂浮在地幔之上的大陆就是非均匀分异的最直接证据。既然地幔能分异出非均匀的大陆，那么也没有理由反对地幔非均匀分异同样会在地幔的底部D”层中沉淀、聚合一个或几个冷或热的沉淀的“大陆”。这几个沉淀的“大陆”犹如现在漂浮的大陆一样，在地球几十亿年的演化中没被对流的搅动所混合而均匀化，它们漂浮在核慢边界之上，在 D”层中，它们保留了其固有的特征。也许可以推想一些超级地幔热柱和这些沉没的“大陆”密切相关，就像俯冲板块总是和漂浮的大陆相关一样。图14是作者对2005年提出的经过修改后的地幔热动力系统模型，这一模型具备了上面阐述的地幔物质运移的共同特征。在以地幔对流和地幔热柱为主导的地幔热动力学系统中，其主要的载体——地幔在不断地被对流搅动而均匀化，同时也被地幔热柱携带的原始或重循环的物质，被俯冲板块消减的来自岩石层(地壳)的物质破坏其均匀性。所以，一个成分基本均匀的地幔和基本不均匀的岩石层(特别是地壳)和D”层的同时存在，正是我们这颗行星现代仍然保持活力，仍然充满大规模的突发事件和令人神秘莫测的魅力所在。

图14 地幔热动力学模型［32］Fig.14 Thermo-dynamical model of the mantle［32］

致歉 文中引用的部分参考文献，由于文章过长由编辑删除，在此表示歉意!有兴趣的读者可以电邮索取未删减稿。

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EXPLORATIONS OF THE EARTH’S DEEP INTERIORS AND ITS DYNAMICS

Fu Rongshan，Huang Jianhua and Yang Ting
(National Geophysical Observatory at Mengcheng，School of Earth and Space Sciences，University of Science and Technology of China，Hefei 230026)

The geoscience has focused on the explorations of the Earth’s deep interiors and its dynamics for a long time.In the past twenty years the study in this area reached a new stage and a series of new discoveries had been published.In this article，we review the main results obtained from the studies so far and explore its developments in the future.

earth’s deep interiors;plate tectonics;mantle dynamics;seismic tomography;geodynamics

1671-5942(2012)03-0139-14

2012-04-02

国家自然科学基金(41074071)

傅容珊，男，1942年生，教授，博士生导师，1965年毕业于中国科学技术大学地震专业，主要从事地球重力场、地幔对流、岩石层应力场以及大陆演化动力学等方面的研究.E-mail:frs@ustc.edu.cn

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