地幔柱、大火成岩省及大陆裂解-兼论中国东部中、新生代地幔柱问题

根据前人对地幔流体力学数值模拟、全球地震层析成像和火成岩方面的研究成果，详细叙述了地幔柱的基本特征，即:地幔柱具有巨大的球状顶冠和细窄尾管的形态，具备高温、低粘的物理性质，来自2 900 km处核/幔边界附近的D层. 大火成岩省（LIP）是地幔柱到达地表最好的表现形式. 基于地幔柱、大火成岩省的基本特征，以及地幔柱和大陆解体的时空关系，通过对中国东部中、新生代火成岩的岩石学、地球化学和时空分布特征， 以及这些火成岩产生的构造背景等方面的研究，认为中国东南地区中生代火成岩与典型的地幔柱有关的LIP的基本特征并不符合，不能把东南地区中生代火成岩作为典型的与地幔柱活动相关的大火成岩省的实例来看待；东北地区新生代火成岩不具备热点、地幔柱活动的典型特征，新生代火山活动与地幔柱活动可能没有直接关系.      

地幔柱研究进展

地幔柱假设自提出以来,在学术界争议很大,对于其是否存在还没有统一答案。本文对地幔柱的起源做了详细阐述,将质疑者的观点和地幔柱假设自身存在的问题进行罗列,对地幔柱存在的证据进行汇总。从地球化学及岩石学方面对大陆溢流玄武岩和大洋岛玄武岩的分布进行研究,了解地幔柱在地表的形态;从大地构造学角度分析地幔柱如何使超大陆不断合并、分裂;从地球物理学方面以夏威夷地幔柱、非洲超级地幔柱、海南地幔柱等典型区域阐述地幔柱研究的最新成果及地幔柱存在的证据。最后,讨论了地幔柱的发展趋势。      

地幔柱研究进展

地幔柱假设自提出以来,在学术界争议很大,对于其是否存在还没有统一答案。本文对地幔柱的起源做了详细阐述,将质疑者的观点和地幔柱假设自身存在的问题进行罗列,对地幔柱存在的证据进行汇总。从地球化学及岩石学方面对大陆溢流玄武岩和大洋岛玄武岩的分布进行研究,了解地幔柱在地表的形态;从大地构造学角度分析地幔柱如何使超大陆不断合并、分裂;从地球物理学方面以夏威夷地幔柱、非洲超级地幔柱、海南地幔柱等典型区域阐述地幔柱研究的最新成果及地幔柱存在的证据。最后,讨论了地幔柱的发展趋势。     

地幔柱与岩石圈相互作用过程中熔融问题的数值模拟

地幔柱是最可能形成大火成岩省的原因之一,同时地幔柱与岩石圈的相互作用也极大的影响着岩石圈的构造演化.本文主要集中研究地幔柱与岩石圈相互作用过程中熔融相关的问题.利用开源程序Ellipsis3D,基于质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和岩石流变本构关系,以及不同的熔融损耗关系,通过有限元数值方法模拟得到地幔柱与岩石圈相互作用过程中熔融程度的动态变化.数值模拟结果显示,地幔柱与岩石圈相互作用的熔融相关过程分为三个阶段：地幔柱的初融阶段,地幔柱自身熔融占主导,减压熔融为主因;地幔柱与岩石圈的纵向作用阶段,岩石圈地幔开始熔融,地幔柱以减压熔融为主,岩石圈地幔以升温熔融为主;地幔柱的横向展平阶段,随着地幔柱的扩展岩石圈地幔熔融范围增加,以升温熔融为主,地幔柱自身熔融程度减小.最后基于数值模拟结果及现场资料对峨嵋山大火成岩省地幔柱的发展演化以及峨眉山大火成岩省的形成进行了讨论.     

地幔柱数值模型的研究进展

地幔柱模型作为地球内部对流系统的重要组成部分,可与板块构造理论相媲美.它们共同构成了地球内部物质和能量循环的重要过程.自从地幔柱模型提出以来,地震学、高温高压矿物学、地质学以及地球动力学数值模拟对其进行了多学科的综合研究.其中数值模拟通过建立理论模型来研究地幔柱的动力学效应,定量化地给出了地幔柱的演化过程以及地球内部和表层的响应,并用以解释其他学科的观测和实验结果.因此,地球动力学数值模拟是研究地幔柱动力学最重要的手段之一.文章总结了近几十年地幔柱数值模型的研究进展,包括地幔柱的起源和存在的证据,地幔柱与岩石圈、洋中脊、俯冲带和地幔过渡带的相互作用以及地幔柱与大型剪切波低速区的关系.数值模型得到的理论结果必须与其他各学科的观测结果进行对比和验证才能真正理解地幔柱的动力学过程.随着数值模拟方法的发展和计算能力的提高,地球动力学数值模拟将为研究包括地幔柱动力学在内的地球科学前沿问题提供更为准确和高效的手段.     

海南地幔柱上地幔结构新的地震学约束

给出了由近震和远震数据确定的海南地幔柱上地幔高分辨率层析成像结果。远震到时数据是由海南岛和雷州半岛9个固定地震台站记录的地震波形中精确提取的。我们的结果显示,在海南热点下方从地表到250km深度,地壳中存在高达-5％而在地幔仅-2％的明显低速异常。海南地幔柱被成像为西北-东南向倾斜的、直径约80km的连续低速柱状异常体。由于较密集数据覆盖和精细模型参数化,我们的结果相对于先前的局部和全球层析成像研究有了明显的改进。海南地幔柱的这种倾斜可以用数值模拟的结果来解释。地幔柱在上地幔中的倾斜可能与海洋板块的俯冲有关,特别是与菲律宾海板块和欧亚板块的挤压有关。但最可能的是,这种倾斜是地幔柱在下地幔扭曲后靠浮力上浮至上地幔形成的。     

动态地幔柱尾管结构

动态地幔柱模式被广泛用于讨论地球科学中的一些重要课题,如巨大火成区的成因,冈瓦纳古陆解体的原因,板块内中小尺度动力过程的驱动因素等．但是这个基于实验研究而建立的模式中,忽略了地幔柱尾管特征及其作用．地幔柱尾管内温度和速度分布是研究地幔柱上升过程的必要条件．本文从控制尾管结构的基本方程出发,给出了一个定常轴对称地幔柱温度和速度分布的近似分析解．从而得到尾管结构的基本特征：影响尾管内温度分布的主导因素是地幔柱的热流通量,而尾管内上涌速度的大小则不仅取决于热流通量,主要是取决于地幔粘度随深度的变化方式．结果表明,对弱地幔柱,尾管的热损失可能是不可忽略的,而对强地幔柱,径向质量传递可能是不可忽略的.     

地幔柱与岩石圈相互作用过程的数值模拟

地幔柱的研究是地球科学研究的热点之一.本文主要集中研究地幔柱与岩石圈的相互作用过程.基于质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程,通过有限元数值方法可以计算得到地幔柱与岩石圈相互作用的温度场、速度场和有效黏度等的时空图.本文的流变本构模型主要基于非牛顿流体的有效黏度模型,通过数值模拟计算分析了地幔柱与岩石圈相互作用过程,着重讨论了地壳流变结构对此过程的影响.数值模拟结果显示,地幔柱与岩石圈的相互作用分为三个阶段:地幔柱上升期,时间持续到0.2 Ma,平均速度为2.75m·a-1,地幔柱顶部地形开始向上隆起;地幔柱与岩石圈纵向作用期,时间从0.2 Ma到0.26 Ma,地幔柱上升的平均速度为0.83m·a-1,地表地形隆升达到最大值;地幔柱与岩石圈横向作用期,0.26 Ma以后,岩石圈开始剪切变形,地幔柱水平运动速度为0.47m·a-1,当剪切变形达到一定程度,岩石圈底部开始出现拆沉作用.当下地壳流变强度比较小时,上地壳的流变结构控制着地幔柱顶部地表地形隆起程度,流变强度越大,隆升高度越小;而下地壳的流变结构控制着地幔柱两侧地表地形的下沉幅度,下地壳流变强度越小,下沉幅度越大.最后,讨论了数值模拟对峨眉山大火成岩省地幔柱发展演化的应用.     

华北地区拆离滑脱带控震作用初探

华北东部盆岭区以地震多、震级大、损失惨重而称。以往地震地质研究多注重断裂交汇、拐点、分枝等部位的控震作用。但是，华北盆岭区多次大震的烈度并不呈线型展布，震源也并非沿陡倾断裂走向分布，而是在一定深度上(近水平)弥散展布，故人们开始注意深部滑脱带控震的探讨。笔依据近十余年华北地幔亚热柱的研究认为，华北断陷区之下为—强烈上隆的地幔亚热柱。地幔物质的上隆及上侵作用使上地壳裂解断陷，而中地壳在地幔、下地壳的影响下形成相间展布的低速—高导层。在地幔亚热柱热物质流向外拆离的带动下，中、下地壳亦由亚热柱顶部向外围拆离滑脱。当中、下地壳拆离到上地壳裂陷盆地边缘受到造山带的阻挡而减慢时，两之间便产生剪切作用，导致应力不断积聚并阶段性释放，从而造成亚热柱外围地震频繁发生。     

俯冲构造vs.地幔柱构造——板块运动驱动力探讨

板块构造是指地球外壳岩石圈块体在地球表面的(水平)运动及其相互作用.自50年前板块构造理论建立以来,对板块运动的动力来源这一问题一直存在争议.早期的观点认为是"自下而上"机制,即板块运动受控于板块之下的地幔对流系统,特别是起源于核幔边界的地幔柱作用于板块底部,促使大陆裂解,并驱动板块运动.而现今较为普遍接受的观点则是"自上而下"机制,即认为板块运动的驱动力主要来源于板块自身的负浮力(即重力大于浮力),板块构造和地幔对流均受控于板块的俯冲作用,因此板块构造又被称为俯冲构造.这一观点得到了众多地质和地球物理观测的支持.进一步研究表明,个别板块增速、减速与单一地幔柱活动在百万年时间尺度具有耦合关系;多个板块内稳定克拉通地区地表隆升、沉积速率与地幔柱相关的岩浆活动在亿年时间尺度存在时空相关性;而全球范围的超大陆聚合、裂解与超级地幔柱活动在二十亿年以来的地质历史时期表现为周期性耦合关系.这些不同时空尺度的耦合现象均表明,板块构造与地幔柱构造在地球演化过程中是紧密联系、相互作用的,地幔柱构造对板块运动产生了不可忽视的影响.因此,需要将板块构造和地幔柱构造这两大地球构造体系加以联合,开展综合分析与研究,才能获得对板块构造和整个地球动力系统运行机制的全面认识.     

渤海海域第四系发育概况

渤海位于渤海湾新生代裂陷盆地的东部。该区第四纪构造活动强烈 ,历史上发生过多次7级以上地震。然而 ,渤海地区第四系的研究远不能与渤海湾盆地的陆地部分相比 ,有关第四系厚度分布的情况至今仍未见报道。为此 ,文中在综合已有研究成果的基础上 ,还利用新近系—第四系、新近系馆陶组和明化镇组的厚度分布资料 ,通过GIS与图像处理相结合的方法 ,编制了第四系厚度分布图。渤海地区第四系一般厚 30 0～ 6 0 0m ,局部厚达 80 0～ 10 0 0m ;渤海西部和东部第四系等厚线总体分别呈NW和NE向带状分布     

RE-COGNITION OF THE NEOTECTONICS AND ACTIVITIES OF THE YINGKOU-WEIFANG FAULT ZONE

The Yingkou-Weifang fault zone (YWFZ) is the part of the Tanlu fault zone across the Bohai Sea, and is also an important part of the tectonics of the eastern Bohai Bay Basin. Many studies have been carried out on the neo-tectonics and activities of the YWFZ in recent years. In this paper, the neo-tectonics and activities of the YWFZ, and other related issues were studied again, based on our previous work and results of other researchers. The neo-tectonic movement in the Bohai Sea area began in the late Miocene (12~10Ma BP), which originated from the local crust horizontal movement, the tectonic stress field is characterized by NEE-SWW and near E-W horizontal compression. The neo-tectonics of the YWFZ is represented mainly by Neogene-Quaternary deformation, due to rejuvenation of Paleogene faults. Many faults have developed. The neo-tectonics and activities of YWFZ have characteristics of segmentation and weakening, because of the development of the NE-trending Northwest Miao Island-the Yellow River Estuary fault zone, which crosses the YWFZ. Earthquakes in the east of Bohai Sea are distributed along the Northwest Miao Island-the Yellow River Estuary fault zone, only few and small earthquakes along the Liaodong Bay and the Laizhou Bay section of the YWFZ. We made a preliminary analysis of the mechanics for this phenomenon.     

Velocity structure of uppermost mantle beneath North China from Pn tomography and its implications

20301 Pn arrival time data are collected from the seismological bulletins of both national and regional seismic networks. Pn travel time residuals are tomographically inverted for the Pn velocity structure of uppermost mantle beneath North China. The result indicates that the average Pn velocity in North China is 7.92 km/s, and the velocity varies laterally from ?0.21 to +0.29 km/s around the average. The approximately NNE trending high and low velocity regions arrange alternatively west-eastward. From west to east we can see high velocity in the middle Ordos region, the Shanxi graben low, the Jizhong depression high, the west Shandong uplift and Bohai Sea low, and the high velocity region to the east of the Tanlu fault. In the southern boundary zone of the North China block, except for the high velocity in the Qingling Mountains region, the velocity is generally lower than the average. Obvious velocity anisotropy is seen in the Datong Cenozoic volcanic region, with the fast velocity direction in NNE-SSW. Notable velocity anisotropy is also seen around the Bay of Bohai Sea, and the fast velocity directions seem to show a rotation pattern, possibly indicating a flow-like deformation in the uppermost mantle there. The Pn velocity variations show a reversed correlation with the Earth's heat flow. The low Pn velocity regions generally show high heat flow, e.g., the Shanxi graben and Bohai Sea region. While the high Pn velocity regions usually manifest low heat flow, e.g., the region of Jizhong depression. This indicates that the Pn velocity variation in the study region is mainly aroused by the regional temperature difference in the uppermost mantle. Strong earthquakes in the crust tend to occur in the region with the abnormal low Pn velocity, or in the transition zone between high and low Pn velocity regions. The earthquakes in the low velocity region are shallower, while that in the transition zone are deeper.     

Velocity structure of uppermost mantle beneath North China from Pn tomography and its implications

20301 Pn arrival time data are collected from the seismological bulletins of both national and regional seismic networks. Pn travel time residuals are tomographically inverted for the Pn velocity structure of uppermost mantle beneath North China. The result indicates that the average Pn velocity in North China is 7.92 km/s, and the velocity varies laterally from ?0.21 to +0.29 km/s around the average. The approximately NNE trending high and low velocity regions arrange alternatively west-eastward. From west to east we can see high velocity in the middle Ordos region, the Shanxi graben low, the Jizhong depression high, the west Shandong uplift and Bohai Sea low, and the high velocity region to the east of the Tanlu fault. In the southern boundary zone of the North China block, except for the high velocity in the Qingling Mountains region, the velocity is generally lower than the average. Obvious velocity anisotropy is seen in the Datong Cenozoic volcanic region, with the fast velocity direction in NNE-SSW. Notable velocity anisotropy is also seen around the Bay of Bohai Sea, and the fast velocity directions seem to show a rotation pattern, possibly indicating a flow-like deformation in the uppermost mantle there. The Pn velocity variations show a reversed correlation with the Earth”s heat flow. The low Pn velocity regions generally show high heat flow, e.g., the Shanxi graben and Bohai Sea region. While the high Pn velocity regions usually manifest low heat flow, e.g., the region of Jizhong depression. This indicates that the Pn velocity variation in the study region is mainly aroused by the regional temperature difference in the uppermost mantle. Strong earthquakes in the crust tend to occur in the region with the abnormal low Pn velocity, or in the transition zone between high and low Pn velocity regions. The earthquakes in the low velocity region are shallower, while that in the transition zone are deeper.     

Assessing metal toxicity in sediments using the equilibrium partitioning model and empirical sediment quality guidelines: A case study in the nearshore zone of the Bohai Sea,China

Surface sediments were collected from five nearshore (wastewater discharges, aquaculture facilities and a seaport) sites in Bohai Bay and Laizhou Bay, China. The equilibrium partitioning (EqP) model and empirical sediment quality guidelines (SQGs) were applied to assess the potential metal toxicity in the collected sediments. The results show that, based on the EqP model, 35% of stations exhibited potential metal toxicity. Several metals (Cu, Ni and Cr) exceeded the empirical SQGs (9–93% of the time), however these guidelines may not be suitable for use in the Bohai Sea owing to the background concentrations. The EqP model is a more useful method for assessing potential metal toxicity in Bohai Sea sediment than the empirical SQGs. Additionally, we have provided new understanding about methods for assessing sediment metal toxicity in the Bohai Sea that may be useful in other coastal areas in China.     

渤海海域现代构造应力场的数值模拟

根据渤海海域的构造演化背景和地质构造特征建立了该区的二维地质模型,用二维有限元方法计算模拟了渤海海域现代构造应力场,获得了该区构造应力场的分布特征;同时,根据计算结果把渤海海域的构造应力场分为辽东湾、渤中、渤东和渤西等4个区域,并对这4个区域在构造应力场上的差异性进行了描述。从渤海海域整体的应力分布可以看出,该区新近纪以来的断裂活动总体水平上西部较东部强烈,海域东部沿郯庐断裂带仍有较高的断裂发育程度及断裂张开性,而海域中部地区的断层发育程度、活动位移均较低     

渤海地球物理场与深部潜在地幔热柱的异常构造背景

渤海是中国东部陆缘的一个裂谷型盆地，通过重力、航磁、古地磁、天然地震、地热、应力场、地壳与上地幔结构及地震层析成像等资料，对渤海湾及其周边地带的深部结构、地球物理场效应和深层物理过程进行了综合研究．这一盆地是由NNE－NE向、近EW向和NW向3组断裂组成，这3组断裂与3组地幔隆起带基本相对应，并在渤中坳陷交汇、渤海内部的现代构造运动以水平构造应力场作用下的走滑运动为主要特征，渤海区内地壳厚度仅28-29km，上地幔向上隆起，等温居里面埋深浅（为12km），并为较高区热流值区（56-77mW／m2）．该区岩石层厚度变化显著，庙岛西部中地壳中有一近似圆形的低速体，在120km深度仍为低速异常区．深大断裂可为深部热物质与气态物质上涌的通道．通过综合研究，提出渤海湾很可能是一个潜在的、尚在发展中的地幔热柱．     

渤海及其邻区的地震层析成像

由渤海周边地区地震台网记录的P波到时进行层析成像研究,得到了该地区地壳、上地幔速度图像的新信息.结果表明:1.渤海湾内地壳薄,是Moho面上隆的中心.2.渤张断裂由几段相接而成,属壳内断裂.3.该区岩石层厚度变化显著,渤海内为110km,燕山地区大于180km.渤海湾内上地幔盖层速度是研究区内最高的,最大值为8.45km/s,其岩石成分是高密度物质.这是该区呈现高重力异常的缘由.4.渤海内庙岛西部中地壳有一近似圆状的低速体,渤海内强震以及近期地震活动沿其周边展布,那里是高、低速块体的交界部位.研究区内其它地区的强震一般也发生在地壳中高速块体的边侧,或高速块体与低速块体的交界位置.     

渤海海峡及周边区域地壳结构的层析成像特征

渤海海峡是连接中国东部山东半岛和辽东半岛的重要途径,其跨海通道的地壳稳定性研究受到高度关注.本文利用地震层析成像方法重建三维P波速度模型,揭示了渤海海峡及周边区域地壳和上地幔的构造特征.结果表明,渤海海峡的速度结构存在明显的非均匀性,海峡北部地壳速度较高,结构较为完整,断层活动不明显,与现今较弱的地震活动相吻合,但是地壳底部存在低速薄层,它有可能成为地壳和上地幔之间的滑脱带,需要开展进一步的研究加以确认.相比之下,海峡南部地壳速度偏低,附近区域地震活动频繁,与张家口—蓬莱断裂带通过于此有着密切的联系,该断裂持续不断的地震活动对海峡南部的地壳结构产生了较大的影响.在渤海南部,郯庐断裂带东、西两侧的地壳结构明显不同,西侧速度偏高,东侧至渤海海峡速度偏低,这一特征可能与此地区广泛发育的断层和地震活动有关.另外,受华北克拉通破坏及地幔上涌的影响,渤海地区地壳深部和上地幔速度偏低,郯庐断裂带及渤海海峡附近显示出深部热流的活动迹象,反映了岩石圈减薄和软流圈的局部抬升.     

环渤海地区的地震层析成像与地壳上地幔结构

利用环渤海地区的天然地震P波到时资料,采用纬度和经度方向分别为05°×06°的网格划分,反演了该地区地壳上地幔的三维P波速度结构.初步结果表明,环渤海地区地壳上地幔的速度结构具有明显的横向不均匀性：京津唐地区地壳中上部的速度异常反映了浅表层的地质构造特征,造山带和隆起区对应于高速异常,坳陷区和沉积盆地对应于低速异常;地壳下部出现大规模的低速异常与华北地区广泛存在的高导层相对应,估计与壳内的滑脱层和局部熔融、岩浆活动有关;莫霍面附近的速度异常反映了地壳厚度的变化及壳幔边界附近热状态的差异;上地幔顶部大范围的低速异常可能是上地幔软流层热物质大规模上涌所致.