近日，国际学术期刊《Earth and Planetary Science Letters》发表了题为“The relationship between gravity anomalies and topography in the Pacific Ocean and its implications for flexural isostasy,mantle viscosity and dynamics”的文章，报道了中国科学院海洋研究所关于地幔动力学和挠曲均衡的相对作用方面的最新研究成果。

地形和重力异常是地球表面两个最基本的观测要素，它们的成因主要有以下两点：其一是岩石圈内部的密度变化及岩石圈的挠曲和均衡；其二是岩石圈下部地幔的密度异常及其引起的地幔对流。地球内部动力学和地表岩石圈板块的挠曲均衡在不同波长上对地球的表面地形和重力场产生影响，目前地幔动力学和弹性挠曲均衡之间的转换波长以及它们的相对贡献尚不明确，决定这一转换的一个关键参数是地球的粘度结构，它控制着板块对加载的响应和地幔对流的作用。

本研究选取太平洋5000×5000 km的范围（图1），首次利用太平洋地区约200至5000公里波长范围内观测到的地形与重力异常之间的关系（导纳），结合板块挠曲模型和以地震层析成像为基础建立的地幔对流模型，确定动力学效应和挠曲均衡效应之间的转换波长，并约束地幔的径向粘度结构。研究结果表明，对于波长小于~600公里的地形和重力场，板块挠曲均衡是主要贡献因素，对于波长大于~600公里的地形和重力场，地幔动力学是主要贡献因素（图2）。本研究基于不同的地震层析成像模型，建立地幔对流模型来研究长波长的动力学导纳的控制因素。使用有限元软件进行数值模拟来计算地幔流动、相关的地表动力地形以及自由空间重力异常。结果显示太平洋地区观测的长波长导纳可以用考虑温度相关的地幔粘度和弱软流圈的模型来解释，软流圈的粘度比地幔过渡带小约20倍，比下地幔小约600倍（图3）。

图1 北太平洋的海底地形（左）和自由空间重力异常（右）。数据范围是以Oahu岛为中心，半径为5000×5000 km的正方形区域。 

图2  研究得到的随波长变化的重力地形导纳。蓝色十字线代表观测数据，红色虚线为有效弹性厚度设定为17 km时的最佳拟合理论导纳曲线。 

图3 观测的重力地形导纳与地幔对流模型计算的动力学导纳的对比。a) 不同地震成像模型的影响，b) 地幔粘度结构的影响，c) 考虑温度相关的地幔粘度的影响，d)更薄的软流圈和考虑温度相关的地幔粘度的影响。 

论文的第一作者兼通讯作者为中国科学院海洋研究所杨安助理研究员。合作者包括英国牛津大学的A.B. Watts教授和美国科罗拉多大学的钟时杰教授。本研究得到了崂山实验室科技创新项目和国家留学基金的共同资助。 

相关论文： 

An Yang*,A. B. Watts;Shijie Zhong;The relationship between gravity anomalies and topography in the Pacific Ocean and its implications for flexural isostasy,mantle viscosity and dynamics,Earth and Planetary Science Letters,655,119246,2025. (https://doi.org/10.1016/j.epsl.2025.119246)