地球表面的地形呈雙峰式分布，大陸平均比大洋高5公裡。這個基本的地形特徵可以直觀地用均衡來解釋：長英質大陸地殼厚(~40km)而輕(~2.8g cm−3)，鎂鐵質海洋地殼薄(~7km)而重(~3g cm−3)。大陸和大洋內部也存在大規模的地形變化，這也可以歸因於均衡：前者通常是由於地殼的厚度變化，而後者是由於海底的年齡變化。既然地球大多的地形特徵可以用均衡作用來解釋，為什麼我們還要關心動力地形呢？
圖1 地球的二階大地水準面成因的兩種看法
(a) 高的大地水準面反映了下地幔底部正密度異常, 這些異常在CMB附近達到均衡(根據Chase (1979)修改); (b) 高的大地水準面是下地幔負密度異常和由此產生的CMB和地表正的動力地形共同作用的結果(Hager 等，1985)20世紀80年代，地震層析成像技術開始提供深部地幔地震速度擾動的分布。在西太平洋和南大西洋下方觀察到的二階地震低速區(Dziewonski，1984)與二階大地水準面呈現很好的相關性。這一發現導致了Hager等(1985)提出動態地形是形成這種獨特大地水準面模式的主要原因：假設這些下地幔低速結構是熱的和輕的，與Chase(1979)模型中的高密度相反，這些輕熱結構會導致地幔上湧從而形成兩個超級地幔柱，而CMB和地表都會動態地抬升(圖1b)；由於該抬升的地表等效於正密度異常，並且其對重力場的影響最大，從而產生高的大地水準面(圖1(b))。從那時起，這一觀點極大地影響了人們對地球內部演化的理解。現在許多研究者認為這個大地水準面研究是下地幔地球動力學的典型案例。然而，繼Dziewonski (1984)之後的多項地震成像研究表明，這些下地幔底部低速區可能在成因上是更偏成分性的(Masters等，2000)。這意味著這些深部結構的浮力應該沒有原先認為的大。因此，「超級地幔柱」一詞逐漸被一個更中性的短語「大型剪切波低速省(LLSVP)」取代，該短語不再包含具體的密度特性。然而，由於超地幔柱觀點的根深蒂固和LLSVPs密度結構仍存在不確定性，人們對深部地幔對流的本質還沒有形成共識。因此，如果LLSVP不完全是低密度組分，二階大地水準面的起源就變成了一個新問題。最近的一項研究表明，即使LLSVP的下半部分是高密度的，其上半部分仍可能是低密度的，從而可以產生正的動力地形並導致高的大地水準面(Liu和Zhong，2016)。從另一個角度看，對動力地形的追溯也源於對地表地形的定量檢驗和試圖發現其與均衡地形的偏差(Flament等，2013)。事實上，板塊構造理論(當今地學的基礎)認為板塊俯衝和地幔對流是常態，因此動力地形的存在不可避免。支持大陸內部存在動力地形的一個顯著例子是北美地形的時間演變，從其西部由白堊紀的內海到目前的高海拔，到北美大陸尺度的流域系統重組，再到陸內和墨西哥灣的沉積中心東向遷移，這些現象都指向一個隨時間變化的大尺度動力沉降信號。該沉降是由於Farallon塊體在西向移動的大陸下方下沉所致(Liu，2015)。雖然這種隨時間變化的地形較容易歸因於動態地形，但它在當今瞬時地形中的貢獻卻難以量化。在早期研究中，人們通過計算殘餘地形(實際地形與巖石圈均衡地形的差異)來估計巖石圈以下地幔對流的貢獻(Flament等，2013)。然而，這項工作並不能提供唯一的答案，因為我們對巖石圈密度結構的認識還遠遠不夠準確：儘管我們在地殼厚度和密度方面已經取得了很大進展，但巖石圈地幔的密度結構仍然很不清楚。另一方面，巖石圈以下的對流地幔的密度和黏度結構也非常不確定(Hager等，1985；Yang和Gurnis，2016)。因此，由此產生的地表動力地形存在很大爭議。
相反，大洋巖石圈的密度結構通常被認為比大陸巖石圈更簡單。例如，隨著洋底年齡的增長，海水深度逐漸增加，這通常被認為是大洋巖石圈厚度隨時間增加的均衡結果。然而，80 Ma以上的海底地形相對於冷卻巖石圈的均衡預測出現了系統性的偏差。這一現象通常用另一個經驗模型來描述，該模型假設老的大洋板塊的底部在大約100公裡深度達到恆溫從而停止產生進一步的地表沉降。值得注意的是，這一經驗模型背後的物理機制仍然不清楚，其假設的老的大洋板塊底部的恆定溫度並不總是符合地震觀測(Beghein等，2014)。由於大部分的正的動力地形出現在大洋內(Hager等，1985；Liu和Zhong，2016；Yang和Gurnis，2016)，這些關於大洋均衡地形懸而未決的問題極大幹擾了人們對動力地形的理解。相應的，關於大洋中動力地形的存在和幅度目前存在很大的爭論。爭論焦點之一是地幔對流引起的長波長(二階)動力地形。殘餘地形的計算總是需要一個參考地形，而從上述的大洋經驗模型導出的殘餘地形顯示其二階模式的振幅很低(0.5 km)(例如，Hoggard等，2016)。但由於該參考模型的物理機制還不完全清楚，這樣得出的殘餘地形的物理意義自然也存在疑問。相比之下，滿足大地水準面約束的地球動力學模型更傾向於太平洋和南大西洋地區存在大振幅(高達2km)長波長的動力地形(如Yang和Gurnis，2016)。一些更近的研究建議，如果允許淺層地幔和巖石圈本身貢獻長波長動力地形，那麼該振幅可以適當折中(0.8~1km)。然而，目前尚不清楚這些模型是否都能與大地水準面約束相匹配。總之，動力地形的存在是板塊構造的自然結果，這意味著地幔中應該存在大規模的對流。儘管存在許多爭論，但是過去幾十年在量化動力地形方面所做的努力為固體地球的演化提供了重要的知識。這些爭論背後的根本原因在於模型假設的不同，這是由於巖石圈和下覆地幔的許多不確定動力學參數造成的。如果沒有更多獨立的觀測約束來減少這些自由的模型參數，這些爭論可能將會持續下去。為了進一步了解動力地形和地幔演化，未來的研究可以著重在量化地幔巖石圈的密度結構，和進一步提高對地幔對流性質(比如黏度和密度)的約束。特別需要指出的是對關鍵的地幔結構的動力學研究。這些結構不僅包括低速異常體(比如LLSVPs)，還包括高速異常體，因為許多高速體也可能代表成分而不是溫度效應。
（詳細信息及參考文獻請見原文）
文章出版信息：
Liu L. 2020. The elusive mantle dynamic topography. SCIENCE CHINA Earth Sciences, 63(2): 312-314, https://doi.org/10.1007/s11430-019-9562-x
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