晚古生代以来动力地形对全球海平面变化的影响

Global sea-level change links the climate and hydrological systems, plate tectonics and mantle convection of the Earth. Sedimentary studies show that global sea level has hundreds of meters of change since late Paleozoic. The sea level has dropped by about 200 meters science Cretaceous. Long-term global sea-level change is closely related to the mantle convection. Dynamic topography, which is the surface deflection induced by mantle convection driven by sub-lithospheric buoyancy forces, is one of the main factors affecting sea-level change. Dynamic topography evolves as patterns of mantle flow change with time. The mechanisms by which dynamic topography can change global sea level are mantle flow changes the pattern of seafloor topography and continent moves laterally over a region of anomalously low topography. This research intends to build three-dimensional spherical models of mantle convection, which use the global plate motion history from plate reconstruction as time-dependent surface boundary condition and consider the influence of lateral viscosity variations and phase changes in the mantle. Through numerical simulations, we will study the evolution of global surface dynamic topography since late Paleozoic, and the magnitude and rate of global sea-level change caused by dynamic topography, as well as the influence of dynamic topography on global sea-level change during a complete Wilson cycle.

全球海平面变化联系着地球上的气候和水文系统、板块构造和地幔对流等过程。沉积学的研究显示全球海平面自晚古生代以来有着数百米的变化，自白垩纪以来海平面下降了200米左右。长周期的全球海平面变化与地幔对流密切相关，动力地形即地幔对流导致的地球表面变形，是影响海平面变化的重要因素之一。动力地形由于地幔对流结构的演化而随时间变化，其主要通过引起海底地形的变化和引起大陆的横向移动来改变全球海平面。本研究利用板块重建的古大陆和古海洋板块的位置以及运动速度作为随时间变化的表面边界条件，考虑地幔粘度横向不均匀和地幔相变的影响，建立三维球壳中的地幔对流模型。通过数值模拟，研究晚古生代以来的全球动力地形的变化，进而研究动力地形变化引起的全球海平面变化的大小和速率，以及在整个威尔逊循环中动力地形对全球海平面变化的影响。

动力地形是地球表面产生的垂直变形，由岩石圈底部地幔对流产生的应力引起，动力地形对许多地球物理和地质学过程都有重要的影响。本项目建立了晚古生代以来的全球地幔对流模型，对动力地形大小的控制参数做了详细的研究。本项目利用三维球壳的地幔对流的数值模拟，结合410百万年以来全球板块运动历史资料，对晚古生代以来的全球动力地形及其演化进行了研究。模型采用广义Boussinesq近似，考虑了地幔中相变、深度和温度相关的地幔粘度。结果显示地幔中相变、地幔底部化学异常和深度相关的热扩散系数对动力地形的影响比较小；岩石圈的横向粘度不均匀性（LVVs）和瑞利数的大小对动力地形的影响很大。考虑LVVs将会增大俯冲带负的动力地形；增大（或减小）瑞利数将会在很大程度上减小（或增大）动力地形。通过大量的计算发现具有瑞利数为6e8，考虑LVVs的模型产生的动力地形与观测的残余地形最一致。这样大的瑞利数模型产生的下地幔对流结构，板块俯冲速率和表面热流也与观测最相符。动力地形可以影响洋盆体积的变化，进而影响全球海平面的变化。基于410百万年以来的地幔对流模型的动力地形，本研究也计算了在盘古超级大陆分离和汇聚过程中动力地形引起的全球海平面变化大小。在一个威尔逊旋回中，动力地形在超级大陆分离和汇聚阶段升高全球海平面，在超级大陆分离到汇聚的转换过程中减小全球海平面。