使用元胞自动机动态重构核幔边界小尺度地形

张勇刚; 王正涛

doi:10.13203/j.whugis20240044

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使用元胞自动机动态重构核幔边界小尺度地形

大地测量学与测量工程 | 更新时间：2026-11-05

- 使用元胞自动机动态重构核幔边界小尺度地形
- Dynamic Evolution on a Small-Scale Topography of the Core-Mantle Boundary Based on Cellular Automata
- 武汉大学学报（信息科学版） 2026年51卷第2期页码：336-344
- 作者机构：
  
  武汉大学测绘学院，湖北武汉，430079
- 作者简介：
  
  张勇刚，博士，主要从事大地测量学研究。zhangyonggang20@whu.edu.cn
  王正涛，博士，教授。ztwang@whu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(42274003;41974007;41774019)
- DOI：10.13203/j.whugis20240044
  中图分类号： P223
- 收稿：2024-11-05，
  
  纸质出版：2026-02-05
- 稿件说明：
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张勇刚,王正涛.使用元胞自动机动态重构核幔边界小尺度地形[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(2):336-344.

ZHANG Yonggang,WANG Zhengtao.Dynamic Evolution on a Small-Scale Topography of the Core-Mantle Boundary Based on Cellular Automata[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(2):336-344.
张勇刚,王正涛.使用元胞自动机动态重构核幔边界小尺度地形[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(2):336-344. DOI：10.13203/j.whugis20240044

ZHANG Yonggang,WANG Zhengtao.Dynamic Evolution on a Small-Scale Topography of the Core-Mantle Boundary Based on Cellular Automata[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(2):336-344. DOI：10.13203/j.whugis20240044

摘要

使用元胞自动机重构核幔边界（core-mantle boundary，CMB）处的饱和流体层厚度与地形粗糙度，旨在为研究CMB地形提供小尺度信息。根据CMB的物理性质，模型演化的动力学过程被抽象为一组时间独立性的平稳随机过程。在模型二维网格中，元胞尺寸与地幔颗粒统一，并处于地幔硅酸盐氧化物、轻质元素饱和的核心流体和不饱和核心流体3种状态之一。不同元胞状态的转变通过表征核幔边界处溶解、结晶和扩散物理过程的速率参数控制。模型演化至稳态后，CMB在元胞单元的尺寸上产生了小尺度地形变化，几十厘米厚的饱和流体层出现在CMB的分界处。研究表明，随着液态外核中饱和轻质元素质量分数与实际轻质元素质量分数的差值增大，溶解和结晶的动力学过程变快，饱和流体边界层的厚度逐渐增加，并且随时间变化的振荡更加明显；上边界和下边界的粗糙度也有相似的特征，随着饱和轻质元素质量分数与实际轻质元素质量分数的差值增大，上、下边界的粗糙度增大且随时间变化的振荡更明显，反之，两者更接近时，上、下边界的粗糙度具有较小且较稳定的数值。

Abstract

Objectives

We use a cellular automaton model to simulate the thickness of the saturated fluid layer and the roughness of the core mantle boundary (CMB)

aiming to provide small-scale information for studying the undulations of the CMB.

Methods

The dynamic process of model evolution is abstracted as a set of stationary stochastic processes without memory based on the physical properties of the CMB. In the two-dimensional grid of the model

the cell size is consistent with the mantle particles and is in one of three states: Mantle solid

saturated core fluid with light elements

and unsaturated core fluid with light elements. The transition of different cellular states is controlled by rate parameters that characterize the physical processes of dissolution

crystallization

and diffusion at the nuclear mantle boundary.

Results

After the model evolved to a steady state

small-scale topographic changes occurred at the size of the cell units at the core mantle boundary

with a saturated fluid layer several tens of centimeters thick appearing at the boundary between the core and mantle boundaries.

Conclusions

Research has shown that as the difference between the mass fraction of saturated light elements in the liquid outer core and the actual mass fraction of light elements increases

the dynamic processes of dissolution and crystallization become faster

and the thickness of the saturated fluid boundary layer gradually increases

with more pronounced oscillations over time. The roughness of the upper and lower boundaries also has similar characteristics. As the difference between the mass fraction of saturated light elements in the liquid outer core and the actual mass fraction of light elements increases

the roughness of the upper and lower boundaries increases and oscillates more significantly over time. Conversely

when the two are closer

the roughness of the upper and lower boundaries has a smaller and more stable value. The experimental results are consistent with the simulation calculation results of relevant scholars

which provide new experimental ideas for studying small-scale information of the core-mantle boundary and simulating its dynamic evolution process.

关键词

Keywords

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