南海新生代构造演化及岩石圈三维结构特征

地震层析资料表明，南海地区，自红河口向南经南海、苏禄海到苏拉威西海，岩石圈速度低，底部横波速度仅4．4km／s，岩石圈厚度在60～80km之间，为薄岩石圈地区。软流层的速度也较低，在4．2-4．4km／s之间，但厚度较大，大于200km。从红河-莺歌海断裂带经南海到苏禄海，存在一条北西向宽约200km的上地幔北西向低速带，面波速度在4．05～4．25km／s之间。由上述资料可见，东亚大陆边缘及边缘海的上地幔存在一巨型低速带，在南海地区低速带的走向为北西向，在东海地区为北北西向。这种走向与地表的区域构造走向基本一致，反映这里新生代构造活动可能与地幔低速带分布有关，即上地幔低速带反映了岩石圈的区域流动。这类岩石圈区域流动引起岩石圈表层的张性构造，形成裂谷及稍后的海底扩张，在亚洲东部边缘形成一系列边缘海盆。     

中国大陆深层区域构造格架——系列解释之上地幔剪切波速度模型及其地质意义

上地幔剪切波速度(V_S)差异表明了上地幔的横向不均匀性,通过在线下载V_S模型,并结合断裂构造图,分析发现:中国大陆主要成矿域的V_S结构存在明显差异,如特提斯-喜马拉雅成矿域的V_S为高速,而滨西太平洋成矿域的V_S为低速。编制上地幔剪切波速度结构图可以增进对中国大陆深层区域构造格架的认识,为中国大陆主要成矿域的划分和解释提供深部地球物理背景资料。     

南海的右行陆缘裂解成因

南海成果是西太平洋边缘海动力学研究的重要部分,也关系到特提期,环太平洋两大超级会聚带的相互作用,是国内外地学界长期研究的热点问题。西太平洋边缘海内带,尤其是日本海和南海在形成时代,海盆形态和海底地貌,海底扩张的多轴,多阶段,由东向西扩展特征,岩石圈地幔的地球化学异常等方面具有共同特征,可能在成因上也相似,南海的海盆的楔形的楔形形状,海底扩张及陆架盆地的断陷的由北向南发展和自东向西推进的特征,地壳伸展减薄和海底扩张程度的由东向西减弱都可用尖端向西的“剪刀模型”来描述,即南海的张开是近南北向右行剪切力作用下东亚陆缘发生裂解的结果。南海张开的同时在海盆内及其西缘印支半岛上发育大量近南北向右行走滑断裂,表明当时存在区域性的近南北向右行剪切应力,而在其东缘现在看不到大型近南北向右行走滑断裂,可能是在中中新世以后受从赤道附近近滑移北上并沿马尼拉海沟仰冲的菲律宾群岛所破坏的结果。晚中生代以来,在西太平洋构造域,特提斯构造域西段（印度）及东段（澳大利亚）先后发生了朝欧亚大陆的,不同方向和速度的会聚。在这三大作用的复合和竞争的动力学背景下,东亚陆缘发生了有地幔参加传动的“超级剪切”,其应力场经历了左行压扭体制和右行张扭体制交替的阶段性变化,正是在特提斯构造域西段的会聚起主导作用的阶段,东亚陆缘在右行张扭应力场作用下发生裂解,形成了南海和其他内带边缘海。     

中国边缘海域及其邻区的岩石层结构与构造分析

利用中国边缘海域近年的地震层析成像结果,根据速度异常和各向异性分析东海、黄海和南海北部的岩石层结构和构造,讨论中朝块体和扬子块体在黄海内部的拼合边界(黄海东部断裂带)、东海陆架盆地上地幔异常与岩石层形成演化、南海北部地壳底部高速层的成因及地幔活动等问题。分析表明,黄海东部与朝鲜半岛之间存在一个深部构造界限(大致对应于黄海东部断裂带),分界两侧Pn波速度各向异性存在明显差异,反映不同构造应力和断裂剪切运动作用下的岩石层地幔变形特征。东海陆架下方的低速异常揭示了张裂盆地形成时期的地幔活动痕迹,表明中、新生代期间发生过地幔上涌并造成岩石层减薄,菲律宾海板块向西俯冲引发的地幔活动对东海陆架岩石层的形成、演化产生明显的影响。南海北部岩石层厚度较大并且温度相对偏低,地幔异常仅限于局部地区,估计南海北部大陆边缘的地壳底部高速层形成于张裂发生之前,或者是地壳形成时期壳幔分异时的产物。南海中央海盆的扩张不仅导致地壳拉张,软流层物质上涌,而且也造成岩石层地幔减薄甚至缺失。     

地幔氧逸度的时空变化

地幔氧逸度是反映地幔氧化还原程度的参量,由温度、压力、岩石化学成分、矿物结构等共同作用控制。目前对上地幔氧逸度的研究主要针对镁橄榄石-磁铁矿-石英体系、含角闪石的橄榄岩体系和玄武岩(熔体)体系,通过实验岩石学方法进行。地幔氧逸度在垂直深度上随深度增加而减小受到普遍认可。天然样品和理论研究认为,岩石圈地幔底部的软流圈氧逸度高于上部岩石圈地幔,垂直方向上地幔氧逸度存在逆梯度,地幔过渡带相对上地幔可能也存在类似情况;水平方向上,不同构造环境、相似构造环境的不同地区氧逸度之间的差异都指示地幔氧逸度存在水平不均一性。不同圈层之间物质交换和氧逸度变化的关系是氧逸度未来研究的重点之一。俯冲带是研究圈层之间物质交换和氧逸度变化关系的天然实验室,同时氧逸度反过来也影响着各种挥发性元素(如C、S等)在不同圈层之间的赋存形式和循环通量。     

南海东北部及其邻近地区地壳上地幔P波速度结构

利用中国地震台网和ISC台站记录的P波到时数据,采用球坐标系有限差分地震层析成像方法反演了南海东北部及其邻近地区壳幔三维P波速度结构,并分析了不同地质单元的构造差异及其深部特征。结果表明:南海东北部表现出陆架地区的岩石层特性,属于华南大陆向海区的延伸,岩石层厚度较大,现今不存在大规模的地幔热流活动,推测大陆边缘张裂作用仅限于地壳内部而没有延伸进入上地幔,具有非火山型大陆边缘的深部特点。中央海盆附近上地幔P波速度明显降低,与海盆下方地幔热流活动密切相关。不同的速度异常特征表明:华南大陆暨台湾地区属于欧亚大陆的正常地壳或是与菲律宾海板块相互作用产生的增厚型地壳,冲绳海槽则是弧后扩张产生的减薄型地壳。滨海断裂带作为华南大陆高速异常和南海北部高速异常的分界,代表了一定地质时期华南地块和南海地块的拼合边界。断裂附近的上地幔低速异常揭示了闽粤沿海岩浆作用的深层动力机制。吕宋岛弧、马尼拉海沟、东吕宋海槽的速度异常与其所处的特殊构造位置有密切的关系,清晰地反映出岛弧俯冲带的地壳结构差异;台湾南部至吕宋岛弧的上地幔低速异常揭示了两个重要火山链的深部构造特征,北吕宋海脊下方100 km深度的条带状高速异常有可能代表了俯冲下沉的岩石层板片。     

南海热幔柱构造与油气分布

南海处于欧亚、印度—澳大利亚和太平洋—菲律宾海三大板块的夹持地带,区内以NE向深海区-海盆为中心,周围有众多的含油气盆地。南海区具有"北断(裂)、南褶(皱)、东(俯)冲、西(碰)撞"的构造特征。南海及其周缘新生代玄武岩和花岗岩广为分布,故有潜在的大火成岩省之称。其中,火山岩以碱性玄武岩为主,多为OIB型成因,其成岩年龄自南海中心至外围呈由新逐渐变老的趋势。深部地幔流动呈现出涡旋式上涌的特点,上地幔明显具环带状结构,中心部位为上升流,外围为下降流,表现出热幔柱和冷幔柱活动"双模式"对流。从区域S波速度扰动异常来看,在670km间断面,对热流体上涌确有阻挡作用。通过层析成像研究,证实本区存在巨型复蘑菇云状地幔低速体,演化过程和相邻板块活动构成相辅相成关系。由于地幔热流体上涌,促使地壳-岩石圈上隆、熔融、减薄和断陷,形成南海从边缘向中心(海盆)热流温度逐步升高的轨迹,基本控制油气田"外油内气"环形有序分布的格局。     

四川龙门山冲断带(中北段)岩石圈的层圈性和多级滑脱推覆

四川龙门山构造带是我国一条典型的冲断构造带,其岩石圈结构具层圈性,从浅部到深部可分为:上部地壳层(沉积盖层)、中部地壳层、下部地壳层、上地幔顶部层和软流圈以下层。龙门山地区岩石圈的层圈性决定了龙门山冲断带发生了由深部地幔物质的调整,使上地幔顶部层沿软流圈、下部地壳层沿莫霍面、中部地壳层沿壳内高导层由东向西的多级滑脱,从而导致上部地壳层沿其内的塑性层和结晶基底面由西向东的多层次推覆。这种深部多级滑脱和浅部多层次推覆产生了众多的地质现象和地球物理异常。     

青藏高原东部壳幔速度结构和地幔变形场的研究

在青藏高原东部地球动力学问题中,笔者在文中主要考虑与地壳上地幔速度结构和地幔变形场有关的问题,它涉及当前流行的下地壳流动模型和壳-幔的耦合-解耦模型。在2000年完成的穿过川西高原和四川盆地的深地震测深剖面,揭示了川西高原的地壳结构具有地壳增厚(主要是下地壳增厚)、地壳平均速度低等特点,显示地壳的缩短与增厚的碰撞变形特征。根据川西高原上设置各爆炸点的记录截面图共同呈现PmP(莫霍界面反射波)弱能量的特点,推断在川西高原的下地壳介质具有强衰减(Qp=100～300)的性质,支持存在下地壳流动的模型。青藏高原东部和川滇西部地区的上地幔各向异性(SKS波快波偏振方向和快慢波延迟时间)的初步结果表明,这两个地区的壳-幔变形特征是不同的,尽管它们在地理位置上属于同一个板块碰撞带。在青藏高原内部的壳幔变形属于垂直连贯变形,它以缩短为主,而高原外部的地壳(或岩石圈)则相对于其下方地幔运动。在高原内部和外部之间存在一个重要的地幔变形过渡带。然而,高原内部的垂直连贯变形与高原内部存在大范围下地壳流动的模型不一致。笔者在该地区开展了近两年的宽频带流动地震观测,试图从地震记录中确定过渡带的位置和探讨它的流变性质。文中扼要回顾已经取得的结果,并介绍正在进行的研究。     

大别造山带岩石圈结构与超高压变质岩折返的另类模型

氦同位素研究确定,大别山榴辉岩等超高压岩石矿物并非来自地幔,而是生成于岩石圈地幔顶部。结合深部地球物理,提出一个岩石圈地幔顶部形成超高压矿物的模型。即表壳岩石俯冲到岩石圈地幔顶部,形成超高压变质岩,然后由于地壳隆升、剥蚀,出露到地表。冲入大别山地区岩石圈地幔顶部的表壳岩石之所以会形成超高压变质岩是因为它同时受到板块会聚的强大压力和蘑菇云地幔产生的高温。沿六安—黄石综合地球物理、地球化学剖面实测的热流剖面显示,南大别构造带的莫霍面温度达到1307℃,超高压变质作用所需要的高温条件至今依然存在。已有文献表明黏塑性的大陆板块在碰撞俯冲时,岩石圈地幔的变形远比通常认定的那种刚性板块俯冲要复杂。俯冲呈对冲形式,方向大都向下,在岩石圈地幔中,俯冲板块和制动板块像麻花一样相互楔入,在深部甚至改变俯冲方向,制动板块反而向俯冲板块俯冲。当岩石圈地幔顶部局部熔融时,无疑俯冲物质将向局部熔融层扩散,在高温高压下发生超高压变质作用。大别山变形晚期,在核部形成“背形穹隆”。将形成于岩石圈地幔顶部的超高压变质岩带到地表,接受剥蚀而出露地表。已有资料表明,全球主要超高压变质岩的分布带与古特提斯洋分布有关,古特提斯洋碰撞带是全球最长的一条陆内碰撞俯冲带。它们是否均为黏塑性板块之间的软碰撞、在邻近碰撞带的岩石圈地幔顶部是否都有高温的区域则尚待验证。     

冰川运动速度研究： 方法、 变化、 问题与展望

冰川运动将积累区获得的物质输送到消融区, 维持着冰川的动态平衡。近年来, 随着气候变化, 全球大部分冰川面临着剧烈的退缩, 而冰川运动变化则较为复杂, 引起了学者们的广泛关注。文章系统总结了近年来冰川运动速度的提取方法、 冰川运动速度时空分布与变化及其影响因素的相关研究进展。另外, 还探讨了目前冰川运动速度研究中存在的问题和未来的发展趋势。结果表明： 基于测杆的方法能够获得精度较高的测量数据, 但存在时间和空间上的局限性; 基于遥感数据自动化提取的方法应用广泛, 但影像之间的配准以及海量数据的计算是当前阶段制约冰川运动速度研究的主要问题; 近年来, 无人机和地基合成孔径雷达的应用为冰川运动速度研究提供了高精度的数据支撑, 但二者在冰川运动研究中的应用还不够广泛。冰川运动速度的分布及其变化在空间上存在明显差异, 冰川厚度的变化可能是全球大部分冰川运动速度变化的主要原因, 但在单个冰川系统上, 冰川运动速度变化较为复杂, 其原因还需要进一步探讨。遥感数据的不断丰富, 云计算平台的使用, 物联网、 无人机和地基合成孔径雷达等技术的不断普及, 以及星、 空、 地协同观测的出现将会极大促进未来冰川运动速度研究的发展。此外, 冰川动力学过程也将备受关注, 成为未来冰川运动研究的热点问题。     

天山南坡科其喀尔冰川消融区运动特征分析

基于2009年5月至2011年10月科其喀尔冰川的花杆观测资料,对其消融区的表面运动特征进行分析. 结果表明：冰川消融区的年水平运动速度最大值为86.69 m·a^-1,年垂直运动速度最大值为15.34 m·a^-1,均出现在冰川海拔4 000~4 200 m的消融区上部;在靠近冰川末端的冰舌下部,受冰量补给减弱、厚层表碛覆盖等影响,冰川运动缓慢,年水平运动速度小于5 m·a^-1,而垂直运动速度值小于2 m·a^-1. 大多数横剖面的水平运动速度具有从中部向边缘逐渐减小的特征,而有的剖面却出现局部速度增大的区域. 整体而言,冰川水平及垂直运动速度随海拔降低而减小,符合冰川运动的一般规律,但主要受地形作用的影响,垂直运动速度随海拔的变化会出现波动. 消融期月水平运动速度与同期气温和降水的变化具有一定的相关性,可能反映出气候快速变化对冰川运动的影响.     

环形生态水槽流动的特性研究

实测了环形生态水槽内的流速分布。采用柱坐标系下的κ-ε湍流模型及SIMPLE算法,对该流场进行了数值模拟。从计算结果和实验资料的分析比较看出,计算结果可靠。在此流场内进行了钉螺的运动特点的实验研究,结果表明钉螺具有流速敏感性,对研究钉螺的随流扩散具有重要意义。     

薄层水流速度测量系统的研究

根据水流影响电解质扩散和其导电特性的分析,结合电解质脉冲在水流中迁移的数学模型,设计了薄层水流速度测试系统。用Visual Basic语言编写了操作系统,实现了数据采集、参数计算和分析自动化。实验和模拟结果表明,模拟水槽实验中用流量法测量的流速和电解质扩散法测量的水流速度误差很小,说明用此系统测量浅层水流的流速是可行的。     

Vertical velocity of mantle flow of East Asia and adjacent areas

Based on the high-resolution body wave tomographic image and relevant geophysical data, we calculated the form and the vertical and tangential velocities of mantle flow. We obtained the pattern of mantle convection for East Asia and the West Pacific. Some important results and understandings are gained from the images of the vertical velocity of mantle flow for East Asia and the West Pacific. There is an upwelling plume beneath East Asia and West Pacific, which is the earth’s deep origin for the huge rift valley there. We have especially outlined the tectonic features of the South China Sea, which is of the “工” type in the upper mantle shield type in the middle and divergent in the lower; the Siberian clod downwelling dives from the surface to near Core and mantle bounary (CMB), which is convergent in the upper mantle and divergent in the lower mantle; the Tethyan subduction region, centered in the Qinghai-Tibet plateau, is visible from 300 to 2 000 km, which is also convergent in the upper mantle and divergent in the lower mantle. The three regions of mantle convection beneath East Asia and the West Pacific are in accordance with the West Pacific, Ancient Asia and the Tethyan structure regions. The mantle upwelling originates from the core-mantle boundary and mostly occurs in the middle mantle and the lower part of the upper mantle. The velocities of the vertical mantle flow are about 1–4 cm per year and the tangential velocities are 1–10 cm per year. The mantle flow has an effect on controlling the movement of plates and the distributions of ocean ridges, subduction zones and collision zones. The mantle upwelling regions are clearly related with the locations of hotspots on the earth’s surface. Translated from Geology in China, 2006, 33(4): 896–905 [译自: 中国地质]     

东南极达尔克冰川表面运动速度特征研究

2007-2012年,在东南极达尔克冰川实施了18期空间方向交会观测,解算得到了冰川的运动规律:其整体平均运动速度为0.41 m·d^-1,平均流向的方位角为7.01°;总的来说,其冬季和夏季的流速基本相当,但冰川前缘附近的运动在冬季显得更为活跃;冰川横截面上从边缘到中心,流速逐渐增大,流速最大的点出现在冰川中轴线上,流速最小的点则出现在边界附近;沿冰川流动方向,从上游至入海口,流速亦逐渐增大,冰川前缘流速最大,此处有较多的冰裂缝发育.与之前的遥感研究结果相比较,冰川运动比较稳定,流速未发现显著变化.     

泥石流流速、堆积模式与降雨量关系模拟实验设计

本文以贾峪东沟为研究对象,介绍了泥石流流速,堆积模式与降雨量关系模拟实验目的,方法、装置和物料。并提出最大堆积长度、宽度和厚度与降雨量的关系,降雨量与泥石流扇状地危险范围的关系,堆积形态比与降雨量的关系及流速与降雨量的关系。     

粘性泥石流体的应力应变特性和流速参数的确定

文章从粘性泥石流体的组成，应力应变特性和减阻作用的观测试验入手，揭示了粘性泥石流体运动的阻力特性，探讨了粘性泥石流流速公式中的曼宁糙率系数的表征。粘性泥石流体运动的阻力特性主要与沟槽特征以及泥深和粘附层流变特性有关。根据高、低不同阻力的粘性泥石流浆体的泥砂比，浆体介质的流变参数（ηp、τBf）和体积浓度（Cvf)，可获得不同阻力介质状态下统一的阻力糙率系数与它们的相关式，以此来确定曼宁糙率系数。     

基于弯道超高计算泥石流流速的探讨

泥石流流速是难以实测和准确推算的重要参数。在分析既有各类弯道超高计算公式的基础上,探讨适用于各类泥石流的弯道超高计算模式,进而改进基于弯道超高的粘性泥石流、稀性泥石流和泥流的流速计算公式,用实例加以验证。     

来流速度型对立方体顶部湍流回流区影响的数值分析

为了研究不同上游来流速度型变化对立方体顶部表面是否会在前角附近产生分离、分离程度和附着情况,在对有关的实验数据进行分析比较的基础上,使用标准k-ε模型,说明立方体顶部在什么情况下会出现回流和附着,并提出附着长度Z_R和上游来流速度型u=y^1/m直接相关。同时计算结果表明：Z_R随着m的减小而增大;当m大于7时,在立方体块上部产生较严重的分离而不会有附着,这时出现Z_R>1.0。