不同地学观测是同一个地球热化学演化的结果，纷繁的地球演化遵循基本的物理化学规律。我工作的主旨在于建立一组统一不同观测，且满足基本物理、化学规律的地幔对流（地球热化学演化）模型。地球物理学观测得到的现今地表地形和重力场、地球内部结构；地质学和地球化学观测得到的构造和岩浆活动历史等数据均应被该模型一致地预测出来。进一步地，类地行星和地球遵循同样的物理化学规律，却产生了截然不同的演化历史，只有地球发育出了人类文明。地幔对流模型也应能在统一的框架下给予其解释。在过去的几年里，我做过下面这些项目：

东亚与南美都经历了长期的洋陆俯冲。但是两者构造具有显著差异。基于地球动力学模拟及对照实验，我们重新阐释了导致东亚及南美中生代以来构造演化巨大差异的一级控制因素。我们指出南大西洋在早白垩世晚期的打开使得南美能够快速地向海沟方向运动，这导致了南美构造从以拉张为主转变为以挤压为主；由于亚洲区域长期处于下涌流中心，大西洋类型的海洋难以在亚洲内部打开，这导致东亚构造以拉张为主。

解释东北亚新生代构造和岩浆事件时空演化的地球动力学模型仍然缺乏，我们提供了地球动力学模型来解释主要的区域构造演化。对该地球动力学模型的进一步分析表明：（1）边缘海是否打开决定着俯冲板片在东亚下方转换带内能否滞留; （2）日本海的扩张阻止了晚中新世之后进一步的日本海扩张; （3）东北亚地区下方转换带内的滞留板片(stagnant slab)是由日本海扩张引起的，因此应该在30 Ma之后形成。（4）转换带内滞留板片的发育促进了贝加尔湖区域晚中新世之后的快速张裂。

要注意，我们期待构建的是简单的、并且能够解释多种地球观测的地球动力学模型（地球的小白鼠）。但是，它并不需要和观测完全一致。这就像下面用简单函数来拟合复杂的观测一样。我们不会试图使用复杂的模型来“讨好”观测。请记住，地球的许多观测存在极大的误差。当牛顿计算得到地球是扁率大概三百分之一（现今观测1/298）的旋转椭球时，法国在几年后的大地测量观测显示地球是南北极长而赤道扁的纺锤形。基于对观测，地球动力学家长期以来相信长波长动力地形的振幅远低于短波长动力地形。直到我们2016-17 年的工作（Yang and Gurnis, 2016; Yang et al., 2017），人们才逐渐改变了认识，相信长波长动力地形主导动力地形的功率谱。

符合区域板块重建的地幔对流模型再现了地震学观测的伊豆-小笠原俯冲带主应力方向和板片形态变化（Yang等，2017，GRL）。 2015年5月30日680公里深Mw7.9级小笠原群岛地震是海沟缓慢后撤导致的太平洋板块屈曲所致。模型显示数百万年的板块构造和地幔对流强烈地影响了几秒钟内发生的深震的位置和震源机制。

根据过去几十个百万年的板块重构给出的板块俯冲及地幔对流演化能够再现现今的地震分布和震源机制（地震时间尺度为秒）。

结合板块重建的数据同化地幔对流模型表明：在中新世早期，先前停滞在转换带内的板片穿过660千米相变面进入下地幔。这一不稳定过程引发了早中新世之后一系列的区域构造事件：巽他海沟的海沟后撤(trench retreat)速度迅速下降甚至变为前进(advance);巽他半岛南部遭受了大规模同步海侵，岩石圈挤压和盆地倒转事件;东南亚北部出现了异常的裂谷盆地沉降（Yang et al。，2016，GRL; Yang et al。，2016，Tectonophysics）。在此项目的工作中，我们还开发了代码，以便在进行可变形板块重构后能快速计算地壳厚度、地形和地表热流的演变（Gurnis等，2017）。

可变形板块重构预测的热流（左）与实测热流（右）的比较。

动力地形是地球动力学模型最重要的预测之一。然而，由于地表地形主要由岩石圈温度和厚度变化等导致的均衡地形(isostatic topography)组成，自从动力地形的概念提出以来，学术界对于其分布和振幅一直存在争议。从地表地形中减去均衡地形，得到的残余地形(residual topography)常被看做动力地形的观测。我们首次展示残余地形与地幔对流模型预测的振幅和分布一致（Yang等，2017，GRL），结束了几十年来在该问题上的争议。

请注意，残余地形（动力地形的观测）与地幔对流模型预测的动力地形之间长期存在的差异使得许多人对于地球动力学模型缺乏信任。我们的工作显示，两者长期存在的差异并非来自于地球动力学模型，而是来自于观测。这和三百年前，牛顿遇到的情况类似。尽管如此，观测仍然是驱动地球动力学前进的最主要动力。因此，多多谦虚地向地球观测学者们学习吧。

尽管我们反演的地幔粘度横向变化在地表与岩石圈结构相一致，但其显示长波长地幔粘度与温度的相关性很弱（或负相关）（Yang and Gurnis，2016，GJI）。这表明低温的板片俯冲导致的地幔混合效率可能比先前认为的低很多。我们的横向粘度变化反演得到了进一步研究的支持（Dannberg等，2017，G3; Yang等，2017，GRL）并被后续研究广泛采用。

板块在海沟的俯冲是驱动地幔对流的最主要驱动力，而我们的反演暗示俯冲板块在地幔中运动类似于破冰船破冰。虽然板片很硬，但是它主要影响板片周围的区域，并使得周围弱化；地幔中的许多地方受到影响很小。

通过修改地幔对流程序CitcomCU，首次实现地幔热柱与可移动大陆之间的相互作用。地幔柱可侵蚀大陆岩石圈底部，在板块运动方向下游形成低地震波速走廊（Yang and Leng，2014，EPSL）。这条走廊的地表地形起伏远小于海洋岩石圈下热柱走廊形成的地形，从而难以被观测，形成“隐藏的热柱走廊”。

数值模拟显示地幔底部热化学异常的存活时间并不一定随其粘度而单调变化。一个高粘度的热化学异常（这或许是可能的）可以阻止沿着CMB的水平流动并将其转化为上涌流，形成热柱（Yang and Fu，2014，PEPI）。

图片重现Zhong2007中Case3的结果。中等强度的岩石圈+低粘度的软流圈产生一阶格式的地幔对流。也就是说地幔对流的下涌区域都集中在一端，而上涌流区域集中在另外一端。这种大尺度的地幔对流可能是分散的陆块拼合形成超级大陆的原因。图中垂直的切片颜色代表的是地幔粘度。其它颜色代表的是温度异常，蓝色代表低温、红色代表高温。点击链接下载代码。

反演的岩石圈有效弹性厚度(effective elastic thickness)在中国东部较低，以新生代裂谷盆地处为最低。反演的青藏高原的弹性厚度普遍较高，这表明西藏中下地壳流可能只是局部尺度（如对局部沉积、剥蚀的调整）。提着一桶水从一个地方到另一个地方，任一时刻水和桶的速度都不一样，但最终水和桶的平均速度（具体到下地壳流，应该为水平速度）一致。这是我对于下地壳流的看法。

Please refer to https://www.researchgate.net/profile/Ting_Yang12 for full paper or related data.

尽管我们的工作，解释了东亚中生代以来构造演化的某些特征，比如在一个统一的地球动力学模型中重现了地震层析成像、东北亚新生代岩石圈构造演化、深震震源机制等观测数据。东亚中生代以来的构造演化仍有许多待解决的难题。

地表地形与重力场数据为俯冲带动力学提供重要的约束。然而传统的基于自由滑移地表边界条件的俯冲带数值模拟不能计算中短尺度的地表地形。我们对传统方法进行了改进，使得我们能够快速、高精度地计算地表地形。这些工作使得我们能够利用多种尺度的地表地形与重力场观测来约束俯冲带动力学。

（2）构建最优的中生代以来全球大尺度板块俯冲与地幔对流演化模型

数据同化（Tectonic data assimilation）方法以板块重构作为地幔对流的边界条件，其给出的板块俯冲和地幔对流演化模型在一定程度上反映了真实的地球演化历史，并为理解区域及全球地质事件提供了独特的视角。一个令人困惑的问题是，虽然几十年来的地幔对流模型产生的现今密度场与地震层析成像具有一定的相似性，由此计算得到的大地水准面却并不能够吻合观测。由于大地水准面反映了地球深部的密度分布及地幔对流流场，这也即意味着这些最新的地幔对流演化模型可能与实际存在较大的偏差。这为我们使用地幔对流模型解释地质问题带来了极大的风险。因此，构建一个合理的、能够解释现今大地水准面及地震学给出的地球内部结构观测的地幔对流模型仍然是目前地球动力学研究的一个重要目标。

地球动力学模型已经能够很好地囊括多种地球物理与大地构造方面的数据。然而，迄今地球化学数据仍不能很好地被囊括在地球动力学模型中。这一方面是由于许多地球化学特征指示的动力学背景有多种解释，另一方面是没有找到合适的方式逐步将地球化学数据纳入地球动力学模型中。我们目前在利用机器学习来综合分析所有可能的指标，并试图建立地球化学领域的‘人工智能医生’，协助我们判断地球化学数据背后的动力学背景（Guo et al., 2021, G3是对我们工作的一个有力展示）。但期望将来能进一步实现地球动力学模型对微量元素、同位素等数据做出合理的预测。期待地球化学、岩石学领域的学生加入从地球动力学角度重新阐释岩石学、地球化学数据。

在理解地球的动力学行为及地学数据，也即应用地幔对流程序解决实际问题方面，我们已经做了不少出色的工作。目前国内和国外最主要的差距在于地幔对流程序的开发上。因此，我迫切地期待精通数值计算的同学加入我们组，为中国创建一批能与国际主流程序媲美的地幔对流软件。

这一方向将试图以地幔对流的视角，重新理解地球物理学、地质学、地球化学等各个方向的观测数据，并形成对区域或全球构造演化的统一地球动力学模型。因此，欢迎各个专业的学生加入，我将协助你发现并解决许多好玩的地球科学问题。

3：将黏弹塑性地幔对流模型拓展到准静态地震学的时间尺度（年际）

我们的工作显示百万年时间尺度的地幔对流控制着秒级时间尺度的当今地震。随着地球动力学模拟水平的提高，人们逐渐可以将黏弹塑性地幔对流模拟应用于解释地震和断层活动性。这一领域还有许多有意思的事情可以做，如地幔对流模型可以给出与重力场、地表地形、长期板块构造运动历史一致的当今中国及全球应力场。这不仅可以为地震动力学模型提供基础数据，也为不同学科数据提供了更广阔的解释平台。欢迎对地震学和地球动力学均感兴趣的学生加入。

博士后招聘：

以地幔对流的视角，重新理解地球物理学、地质学、地球化学等各个方向的数据，并构建区域或全球的统一地球动力学模型。因此，欢迎各个专业的学生加入，我将协助你发现并解决许多好玩的地球科学问题。