中国大陆岩石圈等效粘滞系数的计算和讨论

大陆岩石圈的流变结构对岩石圈动力学过程有很大的影响,因此对岩石圈等效粘度的估计是大陆动力学研究中基础和重要的问题。文中对利用实验室流变实验结果估算岩石圈流变结构的计算方法中包含的多种不确定性进行了讨论,包括岩性、温度、应变速率、实验室速率数据外推到地质构造运动速率等因素对等效粘滞系数估算的影响,并以温度和应变速率的新研究成果为基础,对中国大陆地壳和上地幔等效粘滞系数做出了估计。中国中地壳等效粘滞系数一般在1021~1024Pa.s,下地壳等效粘滞系数在1021~1022Pa.s,其中青藏高原下地壳等效粘滞系数较低,约为1019~1020Pa.s;与前人研究认为青藏高原存在柔性下地壳流动的结论吻合。     

统一构造理论初探

以地球系统科学为指导思想,提出统一构造理论的新观点和理论基础,初步建立了理论体系框架。提出统一引力场表示理论,用Ｎｅｗｔｏｎ位算子将地球内、外扰动引力场统一。通过对地球不同圈层水平速度矢量场的对比分析,提出不同圈层的水平运动速度矢量场具有高度的相似性和统一性,且与地球自转密切相关的认识。根据观测数据,探讨板块的统一动力源。研究了幔柱构造特征,提出地幔热柱构造的动力学模型。利用积分关系法求出地表热流与岩石圈厚度的关系,提出大陆岩石圈的统一热模式和大陆地表热流经验关系式。     

壳幔过渡层及其大陆动力学意义

根据地震测量结果,造山带常见一个P波传播速度介于典型地壳和典型地幔之间的圈层,称为壳幔过渡层。这个圈层在地球物质科学领域常常被解释为壳幔混合层,形成机制不十分明确。提供了另一种选择,认为壳幔过渡层实际上可能是幔源岩浆底侵作用和地壳分异作用的产物,其密度随压力的逐渐变化是其波速特征的主要原因,是区域岩石圈重力不稳定的标志;也可能是软流圈物质岩石圈化的结果,是区域岩石圈逐渐冷却的象征。这个模型可以更好地解释造山带岩石圈拆沉作用、壳幔物质交换和岩浆活动,因而壳幔过渡层的查明具有重要的大陆动力学意义。     

青藏高原的隆升缩短及其粘弹性形变分析

本文依据新生代以来喜马拉雅和青藏高原发生的强烈的构造形变特征,用二维粘弹性有限元数值方法模拟估算了在印度板块向北推挤欧亚大陆的动力条件下,高原各构造单元的形变速率以及由此推算出40Ma以来青藏高原的隆升量和缩短量。反演了各地体岩石力学参数,特别是有效粘性系数η的数量级。认识到物性参数对构造应力场和形变速率的极重要的影响作用。阐明了除了动力机制和边界条件外,岩石圈各圈层材料力学性质的不均一是造成位移场、应力场和形变速率的差异,从而引起各种复杂地质构造现象的基本因素之一。      

青藏高原现今岩石圈的三维应变

根据质量守恒原理,建立恒定体积条件下青藏高原岩石圈三维应变计算模型,模型以GPS资料提供的水平位移速率作为地表的边界约束.计算结果表明,青藏高原现今岩石圈的变形仍以南北向挤压缩短增厚为主,东西向伸展吸收的南北缩短量＜30%.高原岩石圈深部的变形总体遵循粘滞性应变模型.综合层析成像资料和钾质、过碱性钾质火山作用的时空分布规律,提出岩石圈脉动增厚-减薄的高原隆升机制.     

地幔柱假说及地质意义

文章介绍了地幔柱理论研究的一系列进展,诸如地幔柱特征、动力学模式及其地质意义.在重力分异过程中,随着地球质量不断向地心集中,地球自转动能也不断向地核集中,从而产生圈层分化和差异旋转.地核相对地壳、地幔高速旋转,具有巨大动能,旋转阻力不断将其转化为热能,在核幔边界聚积起来,为液核对流和热幔柱提供足够的能量.核幔边界是产生热幔柱的位置.阐明了地幔柱构造与板块构造的关系.地幔柱理论涉及地幔深部物质垂直运动的机制,对了解地球深部动力学机制有重大意义.     

浅地幔系统的组成和属性相态

板块构造学说根据构造的活动性划分单元,不考虑单元是否同质。浅地幔系统考虑了系统组成单元的异质性和动力来源,适合于系统的能量和物质运动总体规律的研究。把地球系统地划分为地球表面、浅地幔、地幔对流和地核四个子系统,地球系统就完整了。浅地幔子系统由四个不同质的的单元相互作用组成,它们是大洋岩石圈、大陆岩石圈、洋陆转换带岩石圈和软流圈,它们是不同质的。地震层析成像结果支持这种单元划分。系统作用反映了大洋岩石圈与大陆岩石圈的相互博弈,洋陆转换带是洋底扩张和大陆增生之间博弈的主要战场和阻尼器。软流圈是地幔对流的顶层,也是系统的能量库和主要动力来源。在深度200 km以下,软流圈的物质运动已经与板块运动模式分离。软流圈物质运动主要是大尺度的蠕动,也包括流体的析出和渗透,局部岩浆的集结和上涌。岩石圈板块浮在蠕动的软流圈之上,软流圈地幔的热流体可以通过岩石圈地幔黏度较小的区域向上渗透。同时,在重力作用下,岩石圈黏度大的物质也可以向下运动,拆沉到软流圈底部。从目前的成像结果可以看到,对于地球表面难以观察的软流圈和地下深部,对比三维的地震波速和电阻率扰动图像,可以获得关于物质运动的信息,认知已经发生在地壳和上地幔的物质运动特征。     

壳幔物质与深部过程

文章对深部物质与过程的研究方法作了概述,对克拉通岩石圈根（或大陆根）的形成提出初步论证,并对造山带和裂谷带的深部状态作了进一步讨论。认为大陆根的形成主要完成于太古宙与古元古代时期,岩石圈地幔是分离出陆壳后的强亏损橄榄岩（贫Ｆｅ,Ａｌ,ａｌｋ,挥发份）,其低密度支撑的巨大浮力是克拉通构造上长期稳定的根本原因。提出青藏—喜马拉雅造山带可识别出三个类型的岩石圈：帕米尔型岩石圈冷根,念青唐古拉型相对薄的岩石圈和羌塘型温度相对高的岩石圈,可能分别代表碰撞造山的早期相、中期相和晚期相。提出地幔热柱可能有三种类型,分别来自４００ｋｍ界面、６７０ｋｍ界面和核幔边界,对地幔热柱的识别作了概述,指出与造山带有关的岩浆活动不是地幔热柱在地表的表现,讨论了岩石圈减薄速率的类型及其对环境的长期效应。     

Telecommunication interactions between microplates and basal mantle LLSVPs.SCIEI北大核心CSCD

基于海洋地质地球物理观测建立的板块构造理论意味着板块和浅部地幔共同演化,然而地幔底部尤其是大型横波低速异常区(LLSVP)与板块(尤其微板块)运动和演化之间是否存在关联仍有争议。一些研究认为LLSVP长期保持稳定,而另一些模型则认为它与各级板块存在相互作用。为此,本文通过总结前人成果,并基于近期发表的板块重建和地幔对流模型进行进一步分析,探讨微板块运动和LLSVP的演化关系。模拟结果表明,微板块与大板块类似,俯冲后通常会下沉至核幔边界。微幔块会推动地幔底部热的物质聚集并形成大的热化学结构。该热化学结构与层析成像揭示的LLSVP基本吻合。下地幔径向流速场和温度场的二阶结构与地表速度场散度的二阶结构随时间的移动轨迹相似,表明深浅部圈层的耦合演化,但是下地幔结构演化一般会滞后于浅表。在微幔块推挤之下,地幔柱优先沿着地幔底部热化学结构的边缘形成,且有时会被推至热化学结构的内部。地幔柱上升至浅部后,能够导致岩石圈弱化甚至裂解或板块边界跃迁,形成微板块。因此,地幔底部LLSVP不是稳定或静止的,而是与微板块动态协同演化,并通过地幔柱与浅表板块边界发生遥相关,从而控制微板块生成场所。     

全球构造运动与地球自转相关性的新证据

近20年来,国际地学界不同领域的学者应用多种先进的手段与方法,对现今地球各圈层的水平运动分别进行了长期观测与研究,揭示出地球不同圈层水平运动的基本规律,为全球构造运动与地球自转的相关性提供了新的重要证据。
对地球不同圈层水平速度矢量场的对比分析发现,现今地球各个圈层均存在速率量级不同的总体西向运动的特征,不同圈层的水平运动速度矢量场具有高度的相似性,且与地球自转密切相关;在中低纬度地区,各圈层西向速度矢量居主导地位;在中高纬度地区形成一些东向回流;速率大小与纬度存在统计相关关系,纬度愈小,速率愈大;岩石圈稳态水平运动速率在纬度φ=0°与φ=35°呈极大值。      

Thinning of the Thickened Lithosphere and Its Geodynamic Consequence: Application for Tibetan Plateau

THINNING OF THE THICKENED LITHOSPHERE AND ITS GEODYNAMIC CONSEQUENCE: APPLICATION FOR TIBETAN PLATEAU1　ParsonsB ,McKenzieD .Mantleconvectionandthethermalstructureoftheplates[J] .JGeophysRes,1978,83;4 4 85～4 4 96 . 2　HousemanGA ,McKenzieDP ,MolnarP .Convectiveinstabilityofathickenedboundarylayeranditsrelevanceforthethermalevolutionofcontinentalconvergentbelts[J] .JGeophysRes 1981,86 :6 115～ 6 132 . 3　OwensTJ,ZandtG ,Theimplicationsofc…     

青藏高原莫霍面形态的重力模拟及其对探讨高原隆升机制的意义

青藏高原是印度板块板欧亚板块碰撞形成的巨大变形带，岩石圈地幔的变形特征对高原的隆或意义重大。本文分析了远震ＰＫＰ走时残差沿高原中部剖面的变化，发现莫霍面的断错在整个高原是普遍存在的；利用人工地震资料作为约束，用重力资料对莫霍面的形态进行了反演模拟，认为岩石圈地幔的断错和叠覆可能是青藏高原隆升的重要机制；最后讨论了板块中部热和密度不均匀性以及地幔流动对青藏高原岩石圈变形的影响。     

华北地区东部岩石圈导电性结构研究——减薄的华北岩石圈特点

华北古大陆克拉通解体、岩石圈减薄的深部过程,对于建立中国大陆中新生代演化动力学模型是亟待深入研究的重要科学问题,因而"华北克拉通破坏"也就成了当前学术界的热门话题。为了研究"华北克拉通破坏"首先需要给出较准确的华北岩石圈结构,这必须依靠包括超宽频带高精度大地电磁深探测在内的现代深部地球物理探测技术。2001和2005年在华北地区东部布置了应县—商河(HB-MT01)、文水—日照(HB-MT02)大地电磁测深剖面进行研究。研究结果表明,在华北地区东部沿地壳-上地幔探测剖面可划分为4个电性区,区内发现有下地壳高导带和上地幔高导层存在。文中依据研究区壳-幔电性结构特征,推断华北地区东部地壳和上地幔之间发生过大规模构造运动,导致壳-幔之间存在解耦现象。研究结果还发现,华北东部确实存在岩石圈减薄区,其岩石圈厚度约50~80km厚。岩石圈明显减薄的区域包括北太行山隆起、华北裂谷带北部和鲁西断隆,其范围比原先认识到的要复杂,并非以太行山重力梯度带为界划分东、西两区,简单地认为东区即是减薄区。此外,在华北地区东部的现代高精度大地电磁探测结果也进一步证明了地球物理观测对于大陆动力学研究的重要性,这使人们更加认识到在今后的研究中必须强调地球物理-地质-地球化学之间的有机结合。     

青藏高原隆升三阶段模型的数值模拟

研究表明 ,青藏高原的隆升不仅是印度板块和欧亚板块碰撞的结果 ,它同时受到高原下部地幔物质运移以及地幔和岩石层之间耦合作用的影响。文中以青藏高原隆升三阶段模式(BCCM )为基本模型 ,对在印度板块向北推移、挤压而导致的高原隆升演化的数值模拟结果进行处理。处理中考虑了与抬升过程相应的剥蚀过程 ,同时还考虑在高原演化的后期大约 8～10Ma时发生的下伏岩石层底部的对流搬离 (convectiveremoval)而导致的隆升作用。结果表明 ,模型描述的青藏高原隆升演化过程和观测资料有较好的吻合 ,同时显示高原下部岩石层的对流搬离可能是最近 8～ 10Ma以来高原整体隆升的主导机制。     

Advances, Problems and Prospects of Modern Geodesy Applied in Tibetan Geodynamic Changes

Modern geodetic techniques have developed rapidly in recent years, providing reliable observation data and new effective approaches, and greatly enhancing studies of the Tibetan geodynamics. For instance, the well-known GPS technique has been employed to measure seismic slips for many faults in the Tibetan Plateau. GPS data agree well with the hypothesis of a thickening crust and eastward mass flow. Moreover, absolute gravimetric data have been applied to interpret geophysical phenomena such as crust movement, co-seismic gravity change, GIA, and ground water change. The satellite gravity mission GRACE launched in 2002 provided global gravity models with unprecedentedly high precision and high spatial resolution. It has been used in implementing temporal gravity changes and improving our knowledge of the Earth’s interior, including lithosphere dynamics, mantle viscosity and rheology, plateau uplift, and subduction processing. It is noteworthy that gravity presents unique advantages for the study of Tibetan geodynamics because of its sensitivity to mass migration and dynamic redistribution. To date, great advances have been made in applying modern geodetic data in studying dynamic changes of Tibetan plateau. For instance, the horizontal displacement field from GPS data revealed dynamical characteristics of the present-day Tibetan plateau. The combination of gravity anomalies and topographic data describe the tectonic characteristics of Tibetan plateau. The combination of gravity data and GPS data show present properties of the Tibetan plateau such as crust thickening, Moho’s subsidence, and plateau uplift. GRACE data were used to estimate the distribution of ice/snow melting.     

Gravity anomalies and dynamics of the Swiss Alps

An interpretation of the gravity observations in Switzerland is presented. The gravity anomalies are mainly caused by crustal effects. Taking 0.5 g/cm³ as the average density contrast between crust and upper mantle, the remaining positive residual field of + 50 mGal can be explained as the effect of the so-called “lithospheric root” underneath the Swiss Alps. This “root” must be considered as a relatively cold body with increased density. In order to calculate the thermally induced density distribution in the upper mantle, a kinematic and geothermal model has been constructed simulating the Alpine history for a time span covering the last 40 m.y.At the same time the moving lithospheric body (crustal uplift and subsidence of the lower lithosphere) is analysed from a dynamical point of view in order to test the kinematic conditions. The calculation leads to a mantle subsidence rate of 1 mm/y for the present period.     

The present rate of uplift of Fennoscandia implies a low-viscosity asthenosphere

The rate of displacement in Fennoscandia has been intensively discussed for many years. It is now widely accepted to be an isostatic response of the glacial history of the area. The Earth's present response to deglaciation in Fennoscandia is simulated using a three-dimensional (3D), viscoelastic model in which the asthenosphere and mantle viscosity are allowed to vary so that the maximum rate of present uplift matches its observed value. The deglaciation history is considered to be known, and the C¹⁴-datings are converted to sidereal years. The pattern of the present uplift gives a firm match with the observed data when a low-viscosity asthenosphere is introduced. Assuming a 15,000 years load cycle, i.e. the glacier was applied to the surface for 15,000 years before the melting started, the best fitting earth viscosity model is a 10²⁴ Nm lithosphere overlying a 75 km-thick 2.0 × 10¹⁹ Pas asthenosphere and a 1.2 × 10²¹ Pas mantle. The simulations suggest a remaining maximum uplift of 40 m.     

陕西秦巴地区金属矿床密集区的岩石圈结构及深部成矿作用

根据陕西中小比例尺航磁、重力、地震波速资料，结合秦巴地区大地构造单元金属矿床密集区分布特点，从地球物理场研究角度，分析探讨矿床密度区岩石圈结构特征和深部流体深部的成矿作用。通过研究，表明陕西秦巴地区的金融矿床密集区主要分布在地幔隆起带的坳陷区、幔隆与幔坳接触部位，前寒武纪基底抬升区，其次是加里东－印支期深大断裂带附近，经对比分析，提出在陕西省北大巴山区部署寻找以铜钼银多金属矿产为主的依据。     

大洋岩石圈拆沉与大陆下地壳拆沉：不同的机制及意义——兼评“下地壳＋岩石圈地幔拆沉模式”

拆沉作用(delamination)是地球科学中一个重要的科学问题。本文认为,大洋岩石圈拆沉和大陆下地壳拆沉是不一样的:(1)拆沉的物质不同。大洋岩石圈拆沉的物质包括大洋地壳、岩石圈地幔甚至一部分软流圈地幔,它们共同进入地幔深部;而大陆下地壳拆沉仅仅限制在下地壳,不包括岩石圈地幔。(2)拆沉的动力不同。大洋岩石圈拆沉是由板块俯冲引起的,是地幔对流的产物,因此是一种快速的主动的拆沉;而下地壳拆沉是由于下地壳加厚使下地壳密度增加引起的,还要求其下刚性的岩石圈地幔转变成塑性的软流圈地幔才有可能发生。因此下地壳拆沉要克服许多阻力才能实现,使拆沉成为一个漫长的过程,是慢速的和被动的拆沉。(3)拆沉的过程不同。大洋岩石圈拆沉是由板块俯冲触发的,俯冲导致碰撞,大洋岩石圈从根部断裂,拆沉进入地幔。大陆下地壳拆沉由地壳加厚开始,使下地壳转变为榴辉岩相;随后,岩石圈地幔减薄,直至全部转化为软流圈地幔;下地壳发生部分熔融,形成大规模的(埃达克质)岩浆,使下地壳榴辉岩的密度大于下伏的地幔,从而引发拆沉。大陆下地壳拆沉不大可能是整体进行的,可能是一块一块地被蚕食、被拆沉的。(4)拆沉后的效应不同。大洋岩石圈地幔拆沉,使热的软流圈地幔上涌,从而引发了一系列地质效应:如岩浆活动、地壳抬升、构造松弛以及随后的造山带垮塌等。而下地壳拆沉只引起地壳减薄,高原和山脉垮塌,并不伴有大规模的岩浆活动和地壳抬升等过程。(5)拆沉与岩浆活动的关系不同。主动拆沉导致大规模岩浆活动,而被动拆沉是在大规模岩浆活动的基础上开始的。此外,文中还对"下地壳 岩石圈地幔拆沉"模式提出了质疑,认为该模式有许多难以理解的问题和太多推测的成分,而且与现在保存的地质事实不符。     

On Deep Structures of the Xikang-Yunnan Axis

Through recent study, the author considers that the north-south-trending Kangding-Honghe tectonic belt is not a marginal uplift zone of the Yangtze Platform but a Tethyan-type collisional tectonic belt of which the crust-upper mantle can be structurally divided into three layers. The upper layer is the brittle upper crust, dominated by overthrusting and imbrication; the middle layer is the plastic lower crust and part of the upper mantle, represented by compression and shortening; and the lower layer is the upper mantle, probably belonging to the Yangtze Platform in light of the thickness of the lithosphere.