上通流对大陆岩石圈地幔-地壳热结构模式的潜在影响

本文以多孔介质中大尺度传热问题为基础,结合热平衡理论分析与数值计算,探讨了上通流对大陆岩石圈地幔-地壳热结构模式的潜在影响.根据大陆岩石圈中孔隙波传热概念模型的初步理论分析结果,指出了采用理论分析和数值模拟相结合的方法在研究大陆岩石圈地幔-地壳热结构模式时的重要性.理论分析方法可用来确定岩石圈尺度范围内大陆岩石圈的厚度和大陆地壳相关的边界条件,从而为地壳范围内数值模型的建立提供一些重要信息.数值模拟方法可以用来模拟地壳尺度范围内地壳的详细结构和复杂几何形状.如果地壳内的热分布是所考虑的主要因素,采用具有地壳尺度的合理数值模型可以有效减少计算机工作量.利用理论分析方法求出的岩石圈尺度范围内大陆岩石圈厚度与地幔传导热流之间关系的理论解,不仅可以用来验证模拟大陆岩石圈内传热问题所采用的数值方法, 而且可以用来初步研究大陆岩石圈内热分布的基本规律,为研究岩石圈地幔热事件中大陆岩石圈热减薄过程提供相应的边界条件.本文从理论分析的观点初步探讨了中国大陆不同构造背景下大陆岩石圈的热结构模式,其结果与从地球物理和地质资料中获得的大陆岩石圈热结构模式十分吻合.研究结果表明由大陆岩石圈中孔隙波传播所导致的上通流是影响大陆岩石圈地幔-地壳热结构模式及大陆岩石圈地幔与地壳之间物质和能量交换的可能机制之一.     

多地球物理观测联合反演华南岩石圈温度和化学组分结构

华南块体位处中国大陆东南,对其深部结构的研究是深入认识中国东部构造及演化的基础.岩石圈的温度和化学组分结构是岩石圈结构研究的重要内容,对其的认识主要来自地球物理和地球化学两类研究.由于单一的地球物理或地球化学观测资料和方法存在其各自的局限性,需要开展综合多种地球物理资料,并结合地球化学、岩石学方法的岩石圈结构和性质的研究.文章综合利用华南地区地表地形、大地水准面高、地表大地热流数据、地震面波频散曲线等地球物理观测资料,通过热动力学模拟和概率密度反演的方法,研究该区三维岩石圈温度和化学组分结构.结果表明,华南东部的华夏块体和下扬子克拉通岩石圈较薄(<100km),相对起伏较小,岩石圈地幔以饱满型的橄榄岩为主,表明古老难熔的地幔岩石圈物质被新的物质所取代,古太平洋的平俯冲作用是导致华南东部岩石圈减薄的主要动力学机制,而热侵蚀作用在岩石圈减薄过程中占有重要地位.四川盆地内部岩石圈较厚(>200km),保留着厚而冷的克拉通岩石圈根,岩石圈地幔可能存在由于组分差异所导致的不连续面,其中下层饱满的岩石圈地幔要厚于上层难熔的岩石圈地幔,因而使得四川盆地及周边地区岩石圈地幔整体以饱满和过渡型橄榄岩为主.     

松辽盆地西北边界部分地球物理特征

松辽盆地是我国东北地区重要的地质构造单元.为探测松辽盆地西北部边界基底分布、深部结构与构造关系,沿扎兰屯经齐齐哈尔至林甸实施了约240 km的综合地球物理的探测研究,利用重力、电法等地球物理方法对其进行了综合地球物理解释.研究结果揭示了研究区的速度结构分布、重力分布、基底起伏形态及电性结构等地球物理特征:(1)满-绥断面速度资料显示,嫩江岩石圈断裂有明显的速度分界,其东南侧的松辽盆地与大杨树坳陷具有连续统一的速度结构;(2)重力反演基底显示,松辽盆地与大杨树坳陷基底连续,具有统一的基底特征;(3)二维电性反演显示,大杨树坳陷和松辽盆地两构造电性层连在一起,低阻分布形态也是一样的.以上结果结合满-绥断面速度结构分布表明大杨树坳陷是松辽盆地西部的延续,松辽盆地西部边界应扩展到大杨树坳陷西部边界,即嫩江岩石圈断裂.     

中国东、西部两类盆地岩石圈热-流变学结构

根据中国东部苏北盆地、渤海湾盆地济阳拗陷和西部塔里木盆地岩石圈热－流 变学结构研究结果,分析了两种类型盆地岩石圈热－流变学结构特征与构造演化的关系． 结果表明岩石圈热－流变学结构特征直接反映了岩石圈的地球动力学特性．在不同的地 球动力学环境下,盆地成因类型和构造演化差异性与岩石圈热－流变学结构所反映的地 球动力学特性的差异性密切相关．     

中国东、西部两类盆地岩石圈热-流变学结构

根据中国东部苏北盆地、渤海湾盆地济阳拗陷和西部塔里木盆地岩石圈热－流 变学结构研究结果,分析了两种类型盆地岩石圈热－流变学结构特征与构造演化的关系． 结果表明岩石圈热－流变学结构特征直接反映了岩石圈的地球动力学特性．在不同的地 球动力学环境下,盆地成因类型和构造演化差异性与岩石圈热－流变学结构所反映的地 球动力学特性的差异性密切相关．     

青海门源─福建宁德地学断面综合地球物理研究

概述了青海门源─福建宁德地学断面的综合地球物理研究结果．综合研究以贯穿断面的深地震测深剖面资料为基础．综合地球物理模型表明了各大地构造单元的结构特征及相互关系．断面显示了太平洋板块、印度板块与欧亚板块之间相互作用的结果．断面西段由于印度板块与欧亚板块碰撞，急剧的岩石圈缩短使地壳增厚；断面东段则处于西太平洋裂陷引张状态，形成一系列张性断裂和断陷盆地，导致岩石圈变薄，地壳亦随之减薄．本文还讨论了断面中几个重要构造单元的动力学问题．     

云南岩石圈热结构

本文探讨了云南深部热流及岩石圈地温分布的横向变化特征，并将岩石圈热结构概括为３种类型；典型现代构造活动区热结构，中间过渡型地质区热结构和稳定地质区热结构。最后，简单讨论了地热与地震活动的关系。     

青海门源─福建宁德地学断面综合地球物理研究

概述了青海门源─福建宁德地学断面的综合地球物理研究结果．综合研究以贯穿断面的深地震测深剖面资料为基础．综合地球物理模型表明了各大地构造单元的结构特征及相互关系．断面显示了太平洋板块、印度板块与欧亚板块之间相互作用的结果．断面西段由于印度板块与欧亚板块碰撞，急剧的岩石圈缩短使地壳增厚；断面东段则处于西太平洋裂陷引张状态，形成一系列张性断裂和断陷盆地，导致岩石圈变薄，地壳亦随之减薄．本文还讨论了断面中几个重要构造单元的动力学问题．     

渤海湾盆地冀中坳陷现今地热特征

渤海湾盆地冀中坳陷是我国最典型的潜山油气藏富集区.本文借助117口钻井地层测温资料和45块实测岩石热导率数据系统研究了冀中坳陷现今地温梯度、大地热流、热岩石圈厚度、岩石圈热结构等地热特征参数.研究表明,冀中坳陷0~3000m统一深度现今地温梯度为20.8~41.0℃·km-1,平均值为31.6℃·km-1,比未校正值减小1~3℃·km-1;现今大地热流介于48.7~79.7mW·m-2,平均值为59.2mW·m-2.平面上,冀中坳陷现今地温梯度和热流由西向东(从盆地边缘向内部)逐渐增大,并且凸起区地温梯度和热流相对较高,而凹陷区则偏低,与基底地形起伏具有很好的对应关系.同时,冀中坳陷腹部高热流凸起区广泛分布地热田.冀中坳陷现今热岩石圈厚度为98~109km,其岩石圈热结构为一典型的"冷壳热幔"型.本研究不仅对冀中坳陷油气勘探与地热能开发具有重要的指导意义,而且为深部岩石圈研究(华北克拉通破坏科学问题)提供了新依据.     

鄂尔多斯盆地深部热结构特征及其对华北克拉通破坏的启示

基于二维稳态热传导方程,利用有限元数值模拟方法,选取东西向横穿鄂尔多斯盆地地质与地球物理解释大剖面进行了深部温度场数值模拟研究,得到了华北克拉通西部的鄂尔多斯盆地下伏岩石圈热结构特征.地幔热流变化范围:21.2~24.5mW·m-2,体现为东高西低特征.壳幔热流比(Qc/Qm)介于1.51~1.84之间,为"热壳冷幔".与华北东部地幔热流对比表明,西部的鄂尔多斯盆地相对处于稳定的深部动力学环境.在岩石圈热结构研究基础上,对克拉通地震岩石圈与热岩石圈厚度差异进行了对比,研究表明:鄂尔多斯盆地西部地震岩石圈与热岩石圈厚度差异约达140km,而东部的汾渭地堑,渤海湾盆地二者差异逐渐减小.华北克拉通自西向东,地震岩石圈厚度与热岩石圈厚度差异不断减小,意味着华北克拉通岩石圈下部的软流圈地幔黏性系数自西向东逐渐降低,本文从地热学角度可能印证了太平洋俯冲脱水作用对华北克拉通的影响.     

华北克拉通热结构差异性特征及其意义

华北克拉通破坏存在空间上的差异性,至今其内在的动力学机制仍存在较大的争议,这种差异性在岩石圈热结构上必然有所表现.广义上岩石圈热结构包括热流结构、温度场结构和热岩石圈厚度,是揭示岩石圈演化及其内在动力学过程的重要基础.基于二维地震剖面和大地热流数据,建立二维稳态热传导有限元模型,对华北克拉通东部岩石圈热结构进行模拟计算并与西部进行对比分析,在此基础上对比热岩石圈与地震岩石圈厚度差异的变化.结果显示,华北克拉通东、西部岩石圈热结构有着较为明显的差异,地幔热流值波动范围分别在24~44/20.5~24.5mW·m~(-2),壳幔比1.61~0.70/1.84~1.51,以1300℃等温线计算得到的热岩石圈厚度变化范围在75~139km/128~162km.华北克拉通东部相对西部有着较高的深部地幔热流值和较小的地震/热岩石圈厚度差异,这可能意味着东部软流圈地幔有效黏度相比西部低,估算差异可达2~3个数量级.     

渭河盆地岩石圈热结构与地热田热源机理

岩石圈热结构是盆地现今地温场研究的重要延伸和扩展,是了解大陆岩石圈构造变形及演化等大陆动力学问题的重要窗口,更是地热田热源机理研究的核心问题.本次工作,在系统分析渭河盆地现今地温场和水动力系统基础上,编制了渭河盆地大地热流分布等值线图;通过实测生热率等热物性参数,利用一维稳态热传导方程计算了研究区岩石圈热结构,并分析了渭河盆地岩石圈热结构特征和地热田热源机理.结果表明,渭河盆地现今大地热流值分布范围为62.5~80.2mW·m-2,平均为70.8±4.8mW·m-2,西部明显高于东部,西安坳陷最高,咸礼凸起次之;渭河断裂并不是控热断裂,其沟通作用引起的水热循环一定程度上影响了浅部热量再分配,对渭河盆地地温场并没有起到明显的控制作用.西安坳陷—咸礼凸起地壳热流介于32.2~37.5mW·m-2之间,平均为34.6mW·m-2;地幔热流分布范围为33.8~38.9mW·m-2,平均为36.0mW·m-2;地壳热流和地幔热流的总体变化趋势一致,西安坳陷高于咸礼凸起,分析认为西安坳陷沉积层厚度大于后者,且沉积层放射性生热率更大,是造成西安坳陷地壳热流高于咸礼凸起的原因,而西安坳陷相比咸礼凸起更高的地幔热流,表明西安坳陷深部活动性强于咸礼凸起.西安坳陷和咸礼凸起地壳/地幔热流比值相近,介于0.93~1.01之间,平均为0.96,"热"岩石圈厚度约为95~101km.渭河盆地岩石圈热结构特征与鄂尔多斯盆地在很大程度上具有相似性,暗示着二者具备相似的深部稳定性,这与渤海湾盆地为代表的中国东部中—新生代主动裂谷盆地岩石圈热结构特征截然不同,表明渭河盆地为被动伸展裂陷.从鄂尔多斯盆地、渭河盆地、山西裂谷到华北盆地,"热"岩石圈厚度的有序变化表明太平洋板块俯冲引起的地幔对流对华北地块深部动力学行为的影响主要发生在太行山以东,而太行山以西的鄂尔多斯盆地和渭河盆地则影响甚微,这种空间差异影响从侧面暗示着华北克拉通破坏过程的有序性.综合分析渭河盆地地质—地球物理资料认为,岩石圈表层伸展破裂、深部重力均衡调整进而引起软流圈被动上涌,其产生的相对高地幔热流的热传导和深大断裂沟通的水体热对流相互叠加作用,共同构成了渭河盆地中—低温地热田的热源机理.     

On the Causes of Electrical Conductivity Anomalies in Tectonically Stable Lithosphere

Magnetotelluric (MT) data can image the electrical resistivity of the entire lithospheric column and are therefore one of the most important data sources for understanding the structure, composition and evolution of the lithosphere. However, interpretations of MT data from stable lithosphere are often ambiguous. Recent results from mineral physics studies show that, from the mid-crust to the base of the lithosphere, temperature and the hydrogen content of nominally anhydrous minerals are the two most important controls on electrical conductivity. Graphite films on mineral grain boundaries also enhance conductivity but are stable only to the uppermost mantle. The thermal profile of most stable lithosphere can be well constrained, so the two important unknowns that can affect the conductivity of a lithospheric section are hydrogen content and graphite films. The presence of both of these factors is controlled by the geological history of the lithosphere. Hydrogen in nominally anhydrous minerals behaves as an incompatible element and is preferentially removed during melting or high-temperature tectonothermal events. Grain-boundary graphite films are only stable to ~900 °C so they are also destroyed by high-temperature events. Conversely, tectonic events that enrich the lithosphere in incompatible elements, such as interaction with fluids from a subducting slab or a plume, can introduce both hydrogen and carbon into the lithosphere and therefore increase its electrical conductivity. Case studies of MT results from central Australia and the Slave Craton in Canada suggest that electrical conductivity can act as a proxy for the level of enrichment in incompatible elements of the lithosphere.     

Thermal anomalies and magmatism due to lithospheric doubling and shifting

We present some thermal and magmatic consequences of the processes of lithospheric doubling and lithospheric shifting.Lithospheric doubling concerns the obduction of a cold continental or old oceanic lithospheric plate over a young and hot oceanic lithosphere/upper mantle system, including an oceanic ridge.Lithospheric shifting concerns the translation and rotation of a lithospheric plate relative to the upper mantle.In both cases the resulting thermal state of the upper mantle below the obducting or shifting lithosphere may be perturbed relative to a “normal” continental or oceanic geothermal situation.The perturbed geothermal state gives rise to a density inversion at depth and thus induces a vertical gravitational instability which favours magmatism.We speculate about the magmatic consequences of this situation and infer that in the case of lithospheric doubling our model may account for the petrology and geochemistry of the resulting magma.The original layering and composition of the overridden young oceanic lithosphere may strongly influence magmatic processes.We dwell shortly on the genesis of kimberlites within the framework of our lithospheric doubling model and on magmatism in general. Lithospheric recycling is inherent to the mechanism of lithospheric doubling.     

南海西南次海盆岩石圈结构及其地质意义

南海地区岩石圈资料稀少,阻碍了其形成演化过程的研究.为此,本次研究结合大地热流、空间重力异常、高程、大地水准面和地震数据,在南海西南次海盆反演了两条2.5维岩石圈剖面.本次计算基于三种假设：岩石圈地幔的密度取决于岩石温度;研究区岩石圈处于热稳定状态;研究区处于重力均衡状态.在剖面A-E中,岩石圈底界面从珠江口盆地的105 km迅速抬升到西沙海槽处的50 km,在西沙海槽、西沙-中沙群岛和西南次海盆变化不大,为50~60 km.在剖面F-I中,岩石圈底界面从西沙群岛-中建地块处的88 km向海盆逐渐抬升,在西南次海盆处为46~50 km,到郑和隆起再逐渐变深至64 km.我们比较了西南次海盆岩石圈的冷却模型和热稳定模型,根据冷却模型由水深和热流数据所推断的西南次海盆年龄比实际年龄差很多,说明冷却模型不适用于西南次海盆.通过对比剖面A-E和剖面F-I,说明了剖面A-E经历了更长时间的拉伸,证明南海西南次海盆在形成演化过程中是从北东向南西逐步打开的渐进式扩张.最后,我们综合分析西南次海盆及其大陆边缘的岩石圈结构、减薄陆壳区范围、碳酸盐台地的分布、下地壳韧性流动、流变结构和沉积层特征等多方面资料,认为西南次海盆在形成演化过程中岩石圈地幔首先破裂而地壳后破裂,属于type Ⅱ型非火山型大陆边缘.     

准噶尔盆地大地热流特征与岩石圈热结构

沉积盆地现今大地热流和岩石圈热结构特征是岩石圈构造-热演化过程的综合反映和盆地热史恢复的约束条件,对盆地动力学研究和油气资源评价具有重要意义.作者系统分析了准噶尔盆地2000年以来新增的102口钻孔的系统测井温度和400余口钻孔的试油温度资料,采用光学扫描法测试了15口钻孔共187块代表性岩石热导率,首次建立了准噶尔盆地岩石热导率柱,新增了11个高质量的(A类)大地热流数据,分析了准噶尔盆地大地热流分布特征,并揭示了其岩石圈热结构.研究表明,准噶尔盆地现今地温梯度介于 11.6~27.6℃/km,平均21.3±3.7℃/km,大地热流介于23.4~56.1 mW/m²,平均42.5±7.4 mW/m²,表现为低地温梯度、低大地热流的"冷"盆特征.准噶尔盆地大地热流与地温梯度分布规律基本一致,主要受控于基底的构造形态,东部隆起最高,陆梁隆起次之,乌伦古坳陷、中央坳陷和西部隆起较低,北天山山前坳陷最低.准噶尔盆地地壳热流介于18.8~26.0 mW/m²,地幔热流介于16.5~23.7 mW/m²,壳幔热流比值介于0.79~1.58,属于典型的"冷壳冷幔"型热结构.准噶尔盆地地幔热流值与莫霍面起伏一致,隆起区地幔热流高,坳陷区地幔热流低.     

Thermal-rheological structure of the lithosphere beneath Jiyang Depression: Its implications for geodynamics

Thermal regime of the lithosphere is the scenario of the lithospheric thermal evolution, and the thermo-mechanical state of lithosphere definitively controls its deformation style and mechanism. Better understanding of the lithospheric deep thermal-rheo- logical structure of sedimentary basin will shed light on the formation and evolution dynamic process of the basin. Surface tectonics is the response of the deep structure, and is controlled by the lithospheric ther-mal-rheological properties.…