杨亭，南方科技大学地球与空间科学系副教授，从事地球动力学研究。2008年获武汉大学学士学位，2013年获中国科学技术大学博士学位。2013年至2016年在加州理工学院进行博士后研究，2016年至2018年在墨尔本大学进行助理研究员工作。2018年12月至今入职南方科技大学。主要研究方向为计算地球动力学，包括地幔对流及其对岩石圈构造的控制作用、板块构造、地球与行星热化学演化等。

地球物理学、地球化学、地质学等学科为我们理解地球演化的动力学机制提供了必不可少的，但是时空碎片化的，具有误差的观测。地球动力学旨在以基本物理化学规律为限制，构建简单的，但能够统一各学科观测的模型，以帮助我们理解控制地球演化的主要因素。

教育背景

2008年9月 –2013年7月     

博士研究生 （地球动力学）

中国科技大学地球和空间科学学院

学位论文： 地幔底部热化学异常演化及其对地幔对流格局影响的数值模拟

导师：傅容珊

2004年9月 – 2008年6月    

本科生（地球物理）

武汉大学测绘学院

工作经历

2021年1月 –至今
副教授
南方科技大学地球与空间科学系

2018年12月 –2020年12月
助理教授
南方科技大学地球与空间科学系

2016年12月 –2018年12月
助理研究员（地球动力学）
澳大利亚墨尔本大学地球科学学院

2013年7月 –2016年10月
博士后（地球动力学）
美国加州理工学院地震实验室

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-南美显著构造差异的主控因素

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。

• 东北亚新生代构造演化的一阶动力学过程和主控机制

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。

• 板块构造和板片俯冲背景下的深源地震

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。

                                     太平洋俯冲板片，其形态及震源机制作为观测限制

            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）。

• 新生代东南亚构造演化的动力学解释

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。

• 高精度动力地形观测与地幔对流模型预测一致

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。

• 全球地幔对流中的地幔横向粘度变化

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。

• 地幔热柱与岩石圈的相互作用

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”。

• 全地幔对流与地球热化学演化

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。

• 岩石圈有效弹性厚度

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.

正在进行的工作：

（1）俯冲带动力学及东亚区域构造演化的动力学机制

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。

（3）地球前板块构造阶段的热化学演化模式

（4）囊括地球化学数据于地球动力学模型中

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。

欢迎对我研究方向感兴趣的同学加入！

硕士、博士研究生招生：

1： 地幔对流程序的开发 

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。

2：利用地幔对流程序理解全球及区域构造演化的动力学机制

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。

《连续介质力学》

教学大纲：

0: 引言 1

连续性假设；连续介质力学

1：应力分析 7

体力、面力；应力状态；应力变换、主应力及最大剪应力；莫尔圆；平衡微分方程

2：应变分析 6

应变位移关系（几何方程）；变形协调方程；小应变的叠加原理

3：应力应变关系 4

广义胡克定律；弹性模量及其物理意义

4：弹性问题解法 4

边界条件；位移解法及应力解法；唯一性原理；线弹性问题的叠加原理；圣维南原理

5：平面问题解法 6

平面应力及平面应变问题；平面应力问题的近似性；应力函数；极坐标下的平面问题；轴对称问题；逆解法及半逆解法**

6：能量解法 2

应变能；虚功原理及最小势能原理

7：笛卡尔张量及并矢 12

下标表示；矢量变换；张量；克罗内克符号；张量缩并；交替张量；高斯定理；并矢；应力、应变的二阶对称张量属性及张量表示的弹性力学基本方程

8：流体力学基础 8

流体的定义；拉格朗日及欧拉描述；随流导数；流体运动的分解；莱布尼茨定理及雷诺输运定理；压强及粘滞力；流体的本构方程；流线、迹线、脉线

9：流体力学的守恒方程 6

微分形式的质量、动量、能量守恒；积分形式的质量及动量守恒；N-S方程；相似原理及尺度分析；π定理；雷诺数、弗劳德数

10：流体力学应用 6

无粘流体的欧拉方程及伯努利方程；蠕变流；几种存在解析解的流动（库埃特流、管流）；热对流的起动及瑞利数；边界层

《地球动力学基础》

教学大纲：

1：引言2

1.1 地球的动力学过程和地球动力学

提供地球各种现象背后的机理和动力学过程，观测和模型

1.2 模型化思维：地球动力学模型

地球系统（固体地球系统、岩石圈系统）、地球动力学模型、地球动力学模型举例（Airy均衡、板块构造运动）

2：地球内部基本圈层结构及其物理性质2

2.1 地震和地震波

2.2 地壳及地核的发现

陆壳、洋壳、上地幔

2.3 PREM模型和地球的分层及物理性质

地震波速，密度，弹性模量，压强

2.4 地球的元素组分和主要矿物

2.5 陆壳和洋壳

2.6 地震层析成像及地幔结构横向变化

3：板块构造与地幔热柱模型4

3.1 大陆漂移与海底扩张

3.3 板块构造和威尔逊循环

离散、汇聚与走滑型板块边界

3.3 大陆

3.4 热点与地幔柱

3.5 地幔对流

3.6 比较行星学

4：地球热状态10

4.1 地表大地热流

4.2 能量守恒与热传导方程

4.3 稳态热传导方程与地幔地温曲线

4.4 大陆岩石圈地温曲线

4.5 月球的地温曲线

4.6 地表周期性温度扰动对地下温度的影响

4.7半无限半空间的瞬时加热或冷却模型

4.8 海洋岩石圈的冷却模型

4.8 Stefan问题及熔岩的凝固

4.9海底地形及沉积盆地的热沉降

4.10 地幔地温曲线及绝热自压

4.11 俯冲岩石圈的热结构

4.12 地表剥蚀和沉积的Culling模型

5：地球的形状与重力场6

5.1 地表的引力、离心力及重力加速度

5.2 引力势及大地水准面

5.3 地形及埋藏体引起的地表重力异常

5.4 重力归算，重力异常和均衡补偿

5.5 均衡补偿模型及对应的大地水准面异常，导纳

5.6 周期性面质量引起的重力场

5.7 重力场的球谐展开

6：应力、应变及岩石圈的弹性挠曲 8

6.1 体积力、表面力与应力

6.2 保持地形所需的应力

6.3 行星内部压强

6.4 固体的应变

6.5 弹性，单轴应力与应变

6.6 平面应力与应变

6.7 热应力（Section 4.22）

6.8 弹性薄板的2D挠曲变形

6.9 周期性加在下的岩石圈挠曲及重力异常

6.10 水平加载下的薄板屈曲及岩石圈稳定性

6.11 岛链加载下的岩石圈挠曲

6.12 岩石圈在海沟处的挠曲

6.13 塑性屈服

7：地幔对流12

7.1 1D渠流

7.2 板块运动的软流圈回流模型

7.3 管流及火山管道中的流动

7.4 质量守恒与动量守恒

7.5 流函数及流线

7.6 冰后回弹与地幔粘度

7.7 板片俯冲导致的角区流动及压强

7.8 能量守恒及热对流

7.9 流体层中热对流的启动

7.10 球在Stokes流中的运动

7.11 热柱头与热柱管道

7.12 地幔物质的循环及混合

7.13 岩石蠕变机制

7.14 现代地幔对流模型举例

8：岩石流变学与断层作用4

8.1 粘弹性

8.2 岩石圈强度包络线

8.3 断层作用及断层分类

8.4 地震及震源机制

8.5 断层作用的Anderson模型

《计算地球动力学》

教学大纲：

1. 引言 4

1.1 地球动力学过程

1.2 大地构造、地球动力学与计算地球动力学

1.3 模型

1.4 Python简介

1.5 Python进行科学计算

作业1：Python进行数值计算（一学期共8次作业，每次作业5分）

2. 地球内部结构 2

2.1 地球的早期历史与构造的能量来源

2.2 地球内部结构

作业2：在Paraview中查看全球地震层析成像结果

3. 地球的主要构造特征 6

3.1 海洋盆地

3.2 大陆地壳

3.3 地表地形

作业3： 下载Crust1.0模型，查看地形、地壳厚度、沉积层厚度分布

4. 板块构造 10

4.1 板块构造

4.2 2D平面上的板块运动

4.3 球面上的板块运动

作业4：计算板块相对运动速度

4.4 三联点

4.5 绝对板块运动

4.6 古地磁

4.7 板块重构

4.8 Gplates软件进行板块重构

作业5：根据板块参考框架，计算地表绝对运动速度场

4.9 可变形板块重构

中期考核20分

（1）利用Gplates和GMT绘制三叠纪以来的板块重构

5. 地幔对流 14

5.1 质量守恒与动量守恒

5.2 能量守恒

5.3 地幔对流控制方程的近似

5.4 利用有限元软件求解地幔对流

作业6：计算稳态大陆地温曲线

作业7：地幔对流视角下的岩石圈厚度

5.5 组分场的平流

5.6 相变

5.7 应力场、热流，地形与重力场

5.8 最新地幔对流模型举例

期末考核：30分

（1）挤压造山数值模拟或者

（2）裂谷盆地数值模拟或

（3）由地幔对流模型预测各物理量并和观测比较

6. 洋中脊与大陆裂谷 6

6.1 大陆裂谷

作业8：岩石圈伸展引起的地表地形变化

6.2 被动大陆边缘

6.3 裂谷盆地的变形方式

6.4 洋中脊

7 7. 俯冲带与主动大陆边缘6

7.1 汇聚板块边界

7.2 俯冲区结构

7.3 俯冲区地震和变质作用

7.4 碰撞造山带

第5次作业：热点参考框架的绝对板块运动模型HS3-NUVEL1A

第5次作业：岩石圈NNR参考框架的绝对板块运动模型NNR-NUVEL1A

作业8：裂谷盆地形成（0-10 Myr）及停止活动之后的岩石圈温度演化

作业8：裂谷盆地形成时地壳减薄、地表热流升高、盆地基底下降；盆地停止伸展后，地壳厚度不再改变、地表热流下降、盆地基底继续下降。

期中考察样例：使用GPlates和GMT绘制200 Ma以来板块运动历史

期末考察样例：挤压构造演化（碰撞造山、俯冲带增生楔等）