全球地幔转换带三维电性结构研究

论文摘要

地幔转换带的导电性对温度、含水量、熔融状态等非常敏感,因此由地磁测深方法获得的电性结构可以很好的约束转换带性质,支撑深部动力学问题的研究。但地磁测深研究中面临的重要问题是可用的地磁台站分布较为稀疏,并且部分台站的数据质量较差,不宜采用传统的L2-范数反演。为降低质量较差数据对反演结果可靠性的影响,使更多的台站数据参与三维反演,提高地磁测深对地幔转换带电性结构的分辨能力,获得更加精细的地球内部三维电性分布特征,本文提出并实现了基于L1-范数正则化的地磁测深三维反演技术。本文采用自参考的BIRRP数据处理方法得到了全球中低纬度129个地磁台站的C-响应数据,其中65个台站的数据质量较高,但同时还存在64个数据质量较差的台站。之后对129个台站周期为3.5113.8天的C-响应数据进行L1-范数三维反演。反演计算中使用L1-范数度量目标函数中的数据拟合差,以降低质量较差数据对反演结果的影响;涉及的正演模拟基于球坐标系下的交错网格有限差分法,反演采用有限内存拟牛顿法;以全球平均一维电性结构为初始模型,考虑海洋效应的影响,并允许电导率在410 km、520 km和670 km的不连续界面上发生跳跃,得到了全球地幔转换带和下地幔上部的电性分布。地磁测深L1-范数反演获得的全球地幔三维电导率模型显示,4101600 km深度内的电性存在强烈横向变化,其中地幔转换带下层的横向变化最明显,高阻和高导异常之间的电性差异超过两个数量级。该模型与前人反演结果具有许多共同特征:地幔转换带中,欧洲南部和北非地区存在高阻,中国东北部存在高导异常,非洲南部也出现了电导率的升高。由于本文提出的L1-范数反演采用了更多的台站数据,反演结果具有更高的分辨率,在地幔转换带中发现部分新导电异常特征:1)百慕大地区存在明显的高导异常,并主要分布在转换带下层和下地幔上部;2)亚洲东部地区的转换带表现为多个独立的高导异常体而不是整体高导,尤其中国地区的中部和东北部均存在明显的高导异常中心;3)南美洲南端的转换带中电导率显著升高。结合岩石物理模型,本文发现这些高导异常具有不同的成因:1)部分异常与水循环相关:根据地幔转换带中电导率与含水量的关系,发现转换带中的含水量分布具有明显的不均匀性,并且转换带上层中储存了大量的水,而与水循环密切相关的板块脱水过程主要发生在转换带下层;2)部分异常还与热异常相关:百慕大地区的高导异常是本文重要的新发现。文中根据实验室的高温高压岩石电导率测量结果,对百慕大地区的电性结构进行分析,并结合该地区的地震成像结果,作者认为百慕大地区可能存在起源于下地幔的热物质上升流。

论文目录

摘要

abstract

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状和存在问题

1.2.1 国内研究现状和存在问题

1.2.2 国外研究现状和存在问题

1.3 研究内容和方法

1.4 论文创新点

第2章地磁测深原理

2.1 地磁测深C-响应的导出

2.1.1 地球表面及外部磁场

2.1.2 地球内部磁场

2.1.3 C-响应的导出与计算

2.2 一维模型的C-响应

2.3 C-响应与标量大地电磁阻抗

第3章球坐标系中的三维正演模拟

3.1 交错网格有限差分法

3.2 模型参数化

3.2.1 球谐系数展开的参数化

3.2.2 网格参数化

3.2.3 不同模型参数化方法的对比

3.3 精度验证

3.4 三维模型的C-响应

3.5 海洋效应

3.5.1 理论模型的海洋效应

3.5.2 典型台站的海洋效应校正

1-范数三维反演理论'>第4章 L₁-范数三维反演理论

4.1 Lp-范数反演原理

4.1.1 目标函数

4.1.2 Lp-范数的表达式

4.2 有限内存拟牛顿法最优化求解

4.3 灵敏度矩阵的伴随求解

第5章数据处理

5.1 数据收集和挑选

5.1.1 数据收集和整理

5.1.2 数据挑选

5.2 长期场的去除

5.3 坐标系转换

5.4 基于自参考的BIRRP

5.5 地磁台站数据的处理

第6章理论模型的反演测试

6.1 数据合成方法

6.2 规律测点反演测试结果

6.3 高质量台站分布测试结果

6.4 一般质量台站分布测试结果

6.5 结论

第7章地幔转换带电性结构及讨论

7.1 地幔转换带的三维电性结构

1-范数反演结果'> 7.1.1 L₁-范数反演结果

7.1.2 可靠性的数值验证

7.2 与已发表结果的对比

7.2.1 与电性结果的对比

7.2.2 与波速结果的对比

7.3 对地幔转换带含水量的约束

7.4 百慕大地幔柱的电性证据

第8章结论和展望

8.1 结论

8.2 展望

参考文献

附录A 反演结果定量评价

附录B 地幔电性的岩石物理分析

B1 上地幔的岩石物理分析

B1.1 橄榄岩的固相线

B1.2 橄榄岩的电导率

B1.3 熔融橄榄岩的电导率

B1.4 橄榄岩的容水能力

B1.5 熔融橄榄岩中的含水量

B1.6 含水橄榄岩熔体的电导率

B1.7 含水橄榄岩的熔融比例

B2 地幔转换带和下地幔的岩石物理分析

B3 应用：东北地区上地幔含水量和熔融比例的计算

B3.1 东北地区低阻异常的电导率

B3.2 东北地区的地温剖面

B3.3 启动熔融含水量的计算

B3.4 异常体含水量的计算

B3.5 熔融比例的计算

附录C 地磁台站数据处理结果

作者简介及在学期间所取得的科研成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李世文

导师: 翁爱华

关键词: 地磁测深,三维反演,范数,地幔转换带,百慕大

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学,地质学,地球物理学

单位: 吉林大学

分类号: P542.5;P319

总页数: 183

文件大小: 16491K

下载量: 133

全球地幔转换带三维电性结构研究

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢