大陆造山带岩石圈拆沉过程的数值模拟

岩石圈拆沉作用是指部分岩石圈由于重力不稳定性而沉入软流圈中的过程,与造山带的演化密切相关.本文基于非牛顿流体近似的有效黏度模型对岩石圈拆沉的过程进行了数值模拟,着重分析了岩石圈的黏度结构对拆沉作用的影响.数值模拟显示,下地壳控制着地壳与岩石圈地幔的耦合程度,对拆沉作用的过程和形态有很大的影响;在一定的初始重力不稳定性条...     

华北克拉通岩石圈地幔特征与演化过程

克拉通能否长期稳定存在,主要取决于岩石圈地幔的特征和属性.中生代以来,华北岩石圈地幔的组成和性质发生了根本性转变,导致了克拉通破坏.尽管目前取得了上述共识,但是对岩石圈地幔转变形式与机制的认识仍然存在分歧.本文以华北克拉通破坏前后岩石圈地幔的特征为视角,对华北不同时代幔源岩石及地幔捕虏体的研究结果进行综述,旨在为上述问题的讨论提供新的思路.华北古生代岩石圈厚达200km,具有高度难熔、SrNd同位素富集的克拉通型岩石圈地幔特征;中生代岩石圈地幔具有易熔、同位素高度富集的特征,在空间上具有明显的不均一性和分布规律;在新生代,华北东部岩石圈厚约60～80km,具有易熔、同位素亏损的大洋型岩石圈地幔特征;中部带岩石圈厚度大于100km,岩石圈地幔具有上老下新的双层结构;西部岩石圈厚达200km,仍然保存有克拉通型古老地幔.岩石圈地幔组成的转变主要是通过橄榄岩-熔体反应的方式实现的.古生代周边板块的多次俯冲作用使华北克拉通边缘地区岩石圈地幔的组成发生了明显改变.中生代古太平洋板块俯冲作用的叠加,促成华北东部岩石圈地幔组成和性质的根本转变,导致克拉通破坏区域的面积占华北总面积的1/2以上.从克拉通破坏的峰期时间和破坏区域空间展布来看,古太平洋板块俯冲及其驱动的深部动力学过程是华北克拉通破坏的一级控制因素.造成东部岩石圈巨厚减薄的主导因素是俯冲板块回转、海沟后撤引起的大陆岩石圈伸展.俯冲板块机械侵蚀、熔流体交代作用造成的岩石圈弱化、非稳态地幔流动伴随的热-化学侵蚀和岩石圈局部拆沉共同加剧了岩石圈减薄和克拉通破坏的进程.     

榴辉岩下地壳拆沉的数值模拟

镁铁质的下地壳在一定的条件下可相变为榴辉岩并拆沉进入地幔,榴辉岩下地壳的拆沉可造成大陆地壳向长英质演化.地球化学研究显示,秦岭大别山地区在碰撞后期大约145-130Ma时还存在着加厚的榴辉岩下地壳;而到了130Ma时,加厚下地壳消失并产生了铁镁质和花岗质岩浆侵入.碰撞造山阶段,加厚的冷的地幔岩石圈的重力不稳定可造成岩石圈的拆沉,并携带下地壳一起进入地幔.但对碰撞造山构造运动后期的造山带或克拉通区域,地幔岩石圈基本处于稳定状态,下地壳榴辉岩化将对下地壳的拆沉起重要作用.本文采用二维有限元数值模拟的方法研究了岩石圈地幔重力稳定状态下,下地壳榴辉岩的拆沉过程以及拆沉时间.模型的主要参数包括下地壳榴辉岩的黏性(η_2)、密度(B_2)、总体规模(s)和岩石圈地幔的黏性(η_1).数值计算结果显示,由于下地壳榴辉岩的重力不稳定性,它能与其下的稳定岩石圈一起发生拆沉,拆沉过程的持续时间(t)与模型参数密切相关,大量计算分析显示t=7.3005×10~(-7)exp(0.6593η_2/η_1)η_1~(1.066)B_2~(-0.688)s~(0.1451η_2/η_1-0.9831).结果表明,岩石圈地幔的黏性对拆沉时间具有更重要影响,岩石圈地幔黏性的减小可促进下地壳榴辉岩的拆沉.若假定下地壳榴辉岩的密度为3.48×10~3kg/m~3(即B_2=1),黏性为5×10~(21)pa s,当岩石圈地幔的黏性减小到2×10~(21)pa s时,60km×30km范围的下地壳榴辉岩的拆沉时间可小于18Myr.     

华北地区岩石圈类型: 地质与地球物理证据

根据华北地区的地质和地球物理特征, 区分出华北地区的克拉通型、造山带型和裂谷型3 种岩石圈类型, 依据岩石学方法以及地震波速与成分的关系, 建立了华北地区克拉通型、造山带型和裂谷型岩石圈的壳幔岩石学结构和化学结构. 研究表明, 华北地台具有与全球典型克拉通一致的特征, 鄂尔多斯为经历了中新生代地台“活化”和“改造”后残存的克拉通岩石圈, 陆壳主体成分由TTG构成, 岩石圈地幔主要由强亏损的方辉橄榄岩构成, 它于晚太古宙-早元古宙最终形成以后, 一直保持至今, 其壳幔岩石学结构可以作为华北乃至中朝地台克拉通型岩石圈的一个参照. 中生代时期, 华北地台中东部地区在燕山造山过程中被“活化”, 大量对流地幔物质与热输入使该区原来的TTG陆壳组分被改造成为花岗质陆壳, 岩石圈地幔被燕山期形成的方辉橄榄岩-二辉橄榄岩所代替. 燕山-太行山是华北东部地区新生代发育裂谷作用后残留的造山型岩石圈, 因为经历了新生代的伸展减薄, 现今的厚度不能代表燕山期造山时的地壳和岩石圈地幔厚度, 但岩石圈地幔和陆壳的物质及其结构仍然是燕山运动期间造山时形成的. 新生代时期, 华北东部的大陆裂谷作用形成以华北东部平原为代表的裂谷型岩石圈; 随着裂谷发育, 大量玄武岩喷发, 使燕山期的“酸性化”陆壳又被“基性化”, 燕山期形成的岩石圈地幔被破坏形成以二辉橄榄岩为主体的喜山期岩石圈地幔; 裂谷型地壳和岩石圈地幔经历了岩石圈尺度上伸展减薄和热侵蚀, 现今地球物理探测的岩石圈地幔和陆壳的物质和结构是新生代形成的. 华北地区岩石圈形成和演化表明, 大量对流地幔物质与热输入是不同类型岩石圈形成的关键, 壳幔岩石学结构是岩石圈演化的综合记录, 它们是中新生代中国大陆动力学系统与华北地台东侧的太平洋板块共同作用的结果.     

基于P波三重震相研究青藏高原上地幔速度结构及其动力学意义

青藏高原因其复杂的结构和演化历史,一直都是研究大陆碰撞、构造运动及其动力学的热点区域。本文采用三重震相波形拟合技术,基于中国地震观测台网和大型流动台阵记录到的某地震P波垂向记录,获得了包括拉萨、南羌塘和松潘甘孜地块在内的青藏高原上地幔P波速度结构。结果表明:①拉萨和南羌塘地块下方地幔过渡带存在高速异常,推测是俯冲的印度板片滞留体,过渡带底部的板片残余温度较低,使得660-km相变滞后约3～8km。而松潘甘孜地块下方过渡带同样存在高速异常,可能是欧亚岩石圈发生拆沉进入地幔过渡带所致。这说明印度板块俯冲作用的影响已经到达地幔过渡带,其俯冲前缘位于班公怒江缝合带附近。②从拉萨、南羌塘到松潘甘孜地块,200km之上的地幔岩石圈高速盖层速度由南向北逐渐减小,松潘甘孜地块则出现盖层缺失。推测受小规模地幔对流或者热不稳定性的影响,在南羌塘和松潘甘孜地块,增厚的欧亚岩石圈发生拆沉作用,岩石圈被减薄和弱化,造成羌塘地块上地幔低速和松潘甘孜地块上地幔高速盖层缺失。拆沉的冷的欧亚岩石圈可能部分停留在410-km上方,使得410-km抬升约10km,部分沉入地幔过渡带,表现为松潘甘孜地块地幔过渡带中存在高速异常。低温造成660-km下沉约8km,导致地幔过渡带增厚。      

基于P波三重震相的华南和青藏高原地区上地幔速度结构研究

上地幔速度结构的研究,尤其是,地幔过渡带和岩石圈速度结构对于探测地幔温度、化学组分、地幔对流以及岩石圈破坏等相关动力学问题意义重大。华南块体由扬子克拉通和华夏地块两个微陆块在新元古代晚期碰撞拼合而成,经历了多期强烈的构造运动,是研究太平洋板块俯冲和岩石圈减薄机制等的最佳场所。而青藏高原则是研究陆-陆碰撞的野外实验室,自新生代印度板块与欧亚板块碰撞以来,吸收了至少1 700 km的南北向缩短量,其隆升机制和变形过程是重构青藏高原演化过程的关键。本文介绍了上地幔间断面的成因及其研究意义,总结了上地幔速度结构常用的研究方法及研究进展,重点讨论三重震相方法对上地幔速度结构的研究。本文对远震记录利用时域迭代反褶积技术分别计算了每个事件的震源时间函数和震源深度,并提出利用三重震相相对到时差反演初始速度结构模型的方法,在此基础上,结合试错法波形拟合获取最佳模型,便于今后大量高效地处理观测数据。通过对"中国地震科学台阵探测"项目一期350个流动地震台站以及中国地震台网固定台站的观测记录进行三重震相波形拟合分析,本文分别获得了华南地区以及青藏高原地幔过渡带和岩石圈速度结构特征。结合研究区域的地质、地球物理资料,探讨其可能的动力学机制。华南地区研究结果显示,中扬子克拉通下方过渡带底部存在高速异常,系中侏罗世太平洋板块俯冲至欧亚板块下方的滞留体,异常南界约27°N,向西止于南北重力梯度带(约ll〇〇E),俯冲板块并未穿透660 km的阻力到达下地幔,而是滞留在过渡带底部,使660 km下沉约11 km。而华夏地块过渡带速度结构特征基本与IASP91—致。在整个华南地区,410km上方普遍存在低速层,推测与地幔橄榄岩的部分熔融有关。此外,研究区域内岩石圈普遍存在减薄(80 km),推测可能是太平洋板块的俯冲和快速回撤使岩石圈拆沉所致。且华夏地块减薄幅度更大,软流圈速度更小,说明其上地幔强度较弱、温度较高。自晚白垩起,太平洋板块的东向回撤使得中国大陆东部应力环境由挤压转变为拉张,此前增厚的大陆地壳与岩石圈地幔一起发生重力垮塌导致减薄,而岩石圈的拆沉导致软流圈物质上涌,引发华南地区晚中生代广泛而强烈的岩浆活动。青藏高原地区研究结果表明,拉萨和羌塘地块下方过渡带底部存在高速异常,推测是印度岩石圈俯冲板块的残余,说明印度板块的俯冲前缘已经到达班公怒江缝合带。过渡带底部的高速滞留体使得660 km相变滞后下沉约8?13 km。与此不同的是,松潘甘孜地块过渡带中较小的高速异常可能是拆沉的欧亚岩石圈进入地幔过渡带的体现,拆沉的冷的欧亚岩石圈使得过渡带内410km有所抬升,660km有所下沉,造成地幔过渡带厚度增加。此外,从拉萨、羌塘到松潘甘孜地块,其岩石圈高速盖层速度逐渐减小,到松潘甘孜地块甚至出现缺失。推测在羌塘和松潘甘孜地块上方,此前增厚的欧亚岩石圈在小规模地幔对流或者热不稳定性作用下发生拆沉,拆沉的欧亚岩石圈有可能部分停留在410km上方,部分进入地幔过渡带。     

克拉通岩石圈减薄与破坏机制的动力学数值模拟

大陆克拉通岩石圈的减薄是一种常见现象,但是其破坏并不常见.尽管前人针对这两种过程开展了不少研究,但是对其动力学机制尚缺乏统一认识.文章以大陆克拉通岩石圈,尤其是华北克拉通作为研究对象,基于前人的地质地球物理学观测以及动力学数值模拟研究,对克拉通岩石圈减薄与破坏的过程和机制进行了系统的分析和总结.其中,华北克拉通减薄和破坏的动力学机制限定为与大洋板块俯冲相关的两种主要模式,分别是:(1)"自下而上"过程,即俯冲板片扰动富水的地幔转换带,使其中流体上涌,软流圈物质受到扰动而发生对流,对上覆岩石圈底部进行"烘烤",并可能伴随流体/熔体-岩石反应,改变岩石圈地幔的矿物组成和流变学性质,导致岩石圈底部物质混合进入软流圈而发生减薄乃至破坏.(2)"自上而下"过程,强调大洋板片在克拉通岩石圈底部平俯冲并发生脱水,水化蚀变上覆岩石圈地幔,降低岩石圈地幔岩石流变特性;随后平俯冲转变为陡俯冲,伴随软流圈侧向上涌,被弱化的岩石圈地幔由于热侵蚀作用而进入软流圈,从而发生减薄乃至破坏.这两大类过程都是比较复杂的、多过程耦合的模式,都把大洋板块的俯冲及其流体活动作为上覆克拉通岩石圈减薄/破坏的主要驱动机制;不同之处在于俯冲大洋板片的位置,一种是在地幔转换带的平卧与滞留,另一种是沿着克拉通岩石圈底部的平俯冲.对于华北克拉通而言,东部岩石圈在中生代时期受到古太平洋板片的俯冲,板块俯冲带对华北克拉通之下的地幔和转换带物质的扰动及其伴随的流体活动,很大程度上控制着华北克拉通岩石圈的改造.为了更好的探讨和对比这两种模式,其核心关键点在于大洋俯冲带中水的活动.因此,文章重点对含水矿物相变及俯冲带和地幔转换带中水的迁移过程进行了探讨,分析了大洋俯冲带中可能的流体活动模型、各自存在的问题及其可行性.此外,为了全面认识克拉通岩石圈的减薄与破坏机制,还对其他可能的机制进行了总结,包含以下四组模式:拉张减薄模型、挤压增厚拆沉模型、大尺度地幔对流侵蚀模型以及地幔柱侵蚀模型.相对于前面介绍的两种大洋俯冲相关模型,这四种模型主要是由相对简单的单一过程和机制所致(分别是拉张、挤压、对流和地幔柱),可能是华北克拉通减薄与破坏的二级驱动机制.     

青藏高原东北缘岩石圈变形方式的动力学模拟研究

青藏高原东北缘是青藏高原横向扩展的前缘位置,其岩石圈变形方式和动力学机制是理解青藏高原横向扩展模式的关键.本研究利用数值模拟方法,以地表地形、岩石圈结构和地表热流等观测为约束,重点讨论了流变强度差异对青藏高原东北缘岩石圈变形方式的影响.结果表明:当青藏高原周缘地块岩石圈地幔强度相对较高,地壳强度相对较低的情况下,在不断扩展的青藏高原挤压作用下,周缘地块地壳增厚,增厚的地壳在重力作用下使得下覆岩石圈地幔俯冲下插;而当周缘地块岩石圈地幔强度非常高,则有限的地壳增厚不能使其俯冲下插,只能在地壳部分形成有限的缩短变形;低黏滞性、高速流动的下地壳使得下地壳整体增厚,从而对青藏高原地表的整体抬升有重要贡献,而对岩石圈地幔的变形方式影响有限.     

利用接收函数研究中亚造山带中部地区的地幔转换带结构

中亚造山带新生代火山成因存在不同的观点和认识,地幔转换带间断面的结构能够为火山成因提供约束.文章采用不同的速度模型对远震P波的径向接收函数进行共转换点叠加,研究中亚造山带中部地区410km(D410)和660km(D660)间断面的结构,结果显示不同速度模型获得的地幔转换带形态基本一致.汉诺坝火山东侧地区D410明显变浅, D660微幅加深,造成这种现象的机制可能是,局部区域岩石圈拆沉并滞留在D410附近,引发软流圈物质上涌充填拆沉所留下的空间,进而诱发火山活动.达里甘嘎火山西侧D410和D660均明显加深,D660加深更为显著,导致地幔转换带的增厚. D660的加深可能有两种解释,或与中亚造山带碰撞增生岛弧拆沉后滞留在D660附近有关,或由太平洋板块俯冲穿过D660界面造成,进一步推测滞留于或俯冲至D660的物质诱发了热物质上涌或小尺度对流,造成了D410的加深.肯特山与中戈壁火山地区的地幔转换带虽然出现了小幅度的减薄,但其规模还不足以支持地幔转换带赋存高温异常体,基本上可以排除源于地幔转换带或下地幔热物质上涌的可能性.     

吉林红旗岭地区造山后镁铁-超镁铁岩体的年代测定及其意义

吉林省中部红旗岭地区镁铁-超镁铁杂岩广泛发育,年代学资料表明,红旗岭-漂河川岩体形成于晚三叠纪(距今约216Ma),与该区A型花岗岩的年龄相当,但略微年轻一些。岩石学和地球化学特征表明,镁铁-超镁铁岩普遍可见包橄结构,橄榄石晶体平衡岩浆属于高MgO玄武质岩浆,微量元素和同位素模拟结果均显示岩浆源区主要为亏损地幔或新生岩石圈地幔。根据这些结果,同时结合相关研究,提出这些镁铁-超镁铁杂岩体的形成与该区大量造山后A型花岗岩带的形成相吻合,其形成主要是由于造山后期岩石圈板块的拆沉减薄效应,软流圈地幔上隆及大量幔源岩浆上侵,底垫于地壳底部,并经历了强烈的结晶分异作用     

南北构造带及邻域地壳、岩石层速度结构特征研究

本文利用重力数据采用Parker-Oldenburg方法反演了南北构造带及邻域地区的地壳厚度,同时采用体波地震层析成像方法反演了研究区的地壳至上地幔的三维速度结构.根据计算结果对研究区的地壳及岩石层结构进行了探讨,力图揭示南北构造带及邻域地壳、岩石层变形特征,并且对青藏高原边缘活动带壳幔构造演化的深部成因、研究区的上地幔流变性及其动力学意义进行了相应的讨论.通过分析研究表明南北构造带地区为地壳厚度剧变区,西侧为地壳增厚区,东侧的鄂尔多斯、四川盆地为地壳稳定区,而再向东为地壳逐渐减薄区.中国岩石层减薄与增厚的边界基本被限定在大兴安岭—太行山—秦岭—大巴山—武陵山一带,这也是东部陆缘带和中部扬子、鄂尔多斯克拉通地区深部构造边界的分界线,其两侧不仅浅层地质构造存在较大的差异,上地幔深部的物性状态和热活动也明显不同,这说明研究区的岩石层和软流层结构以及深部物质的分布存在横向非均匀性.中部地区和青藏高原深部构造边界的分界线位于东经100°—102°左右.     

Dynamics of thinning and destruction of the continental cratonic lithosphere: Numerical modeling

Thinning of the cratonic lithosphere is common in nature, but its destruction is not. In either case, the mechanisms for both thinning and destruction are still widely under debate. In this study, we have made a review on the processes and mechanisms of thinning and destruction of cratonic lithosphere according to previous studies of geological/geophysical observations and numerical simulations, with specific application to the North China Craton (NCC). Two main models are suggested for the thinning and destruction of the NCC, both of which are related to subduction of the oceanic lithosphere. One is the “bottom-up” model, in which the deeply subducting slab perturbs and induces upwelling from the hydrous mantle transition zone (MTZ). The upwelling produces mantle convection and erodes the bottom of the overriding lithosphere by the fluid-melt-peridotite reaction. Mineral compositions and rheological properties of the overriding lithospheric mantle are changed, allowing downward dripping of lithospheric components into the asthenosphere. Consequently, lithospheric thinning or even destruction occurs. The other is the “top-down” model, characterized by the flat subduction of oceanic slab beneath the overriding cratonic lithosphere. Dehydration reactions from the subducting slab would significantly hydrate the lithospheric mantle and decrease its rheological strength. Then the subduction angle may be changed from shallow to steep, inducing lateral upwelling of the asthenosphere. This upwelling would heat and weaken the overriding lithospheric mantle, which led to the weakened lithospheric mantle dripping into the asthenosphere. These two models have some similarities, in that both take the subducting oceanic slab and relevant fluid migration as the major driving mechanism for thinning or destruction of the overriding cratonic lithosphere. The key difference between the two models is the effective depth of the subducting oceanic slab. One is stagnation and flattening in the MTZ, whereas the other is flat subduction at the bottom of the cratonic lithosphere. In the NCC, the eastern lithosphere was likely affected by subduction of the Izanagi slab during the Mesozoic, which would have perturbed the asthenosphere and the MTZ, and induced fluid migration beneath the NCC lithosphere. The upwelling fluid may largely have controlled the reworking of the NCC lithosphere. In order to discuss and analyze these two models further, it is crucial to understand the role of fluids in the subduction zone and the MTZ. Here, we systematically discuss phase transformations of hydrous minerals and the transport processes of water in the subduction system. Furthermore, we analyze possible modes of fluid activity and the problems to explore the applied feasibility of each model. In order to achieve a comprehensive understanding of the mechanisms for thinning and destruction of cratonic lithosphere, we also consider four additional possible dynamic models: extension-induced lithospheric thinning, compression-induced lithospheric thickening and delamination, large-scale mantle convection and thermal erosion, and mantle plume erosion. Compared to the subduction-related models presented here, these four models are primarily controlled by the relatively simple and single process and mechanism (extension, compression, convection, and mantle plume, respectively), which could be the secondary driving mechanisms for the thinning and destruction of lithosphere.     

中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构

依据地震波速得到的上地幔温度和气象台站记录的地表温度为约束,结合地表热流和热导率观测数据,利用有限元方法计算了中国大陆及邻区岩石圈三维热结构.基于此温度结果和GPS观测得到的应变率数据,以滑动摩擦、脆性破裂和蠕变三种强度机制为约束,计算得到了中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构.结果显示:弱强度和低等效黏滞性系数的下地壳在中国大陆及邻区普遍存在,并且下地壳的流变强度和等效黏滞性系数比上地壳和岩石圈地幔一般要低1~2个数量级;中国大陆范围内青藏高原存在着厚度最大、强度最低的下地壳;青藏高原的岩石圈强度和等效黏滞性系数比华北、华南和印度板块的都要低;岩石圈流变结构的横向分布特征与重力梯度带和地形过渡带比较一致.     

中国西北大陆碰撞带的深部特征及其动力学意义

以中国大陆西北地区地震层析成像的结果为基础，通过分析大陆块体内部岩石层和软流层的深部形态，提出西部造山带与相邻块体之间几种可能的碰撞类型：天山与塔里木之间存在地块的嵌入拼合、俯冲、岩石层拆离下沉以及层间插入等多种构造样式；青藏高原与北部地质单元之间存在十分清晰的深部边界，反映出上地幔物质向北扩展的痕迹；推测青藏高原的岩石层在向北运动的过程中由于受到塔里木刚性块体的阻滞发生弯曲甚至折断，但是祁连山以北较浅的软流层相当于一个开放边界，使高原的上地幔物质得以进一步向北迁移.大陆碰撞不仅造成中国西部造山带岩石层结构的变动，而且导致软流层中一部分熔融的岩浆体沿着碰撞边界上涌到岩石层底部，它们对青藏高原以及西部造山带的形成演化起到重要的作用.     

海洋板块俯冲作用下上覆大陆岩石层减薄机制的动力学模拟

几乎所有大陆岩石层的减薄现象,可能都与海洋板块的俯冲作用相关,但是两者之间的内在联系迄今仍不十分明确,为此,我们设计了一系列包含洋-陆俯冲系统的二维数值模型,来探讨海洋板块的俯冲作用对上覆大陆岩石层变形行为的影响,尤其对大陆岩石层减薄效应的制约.模型结果表明,海洋板块俯冲过程中的地幔楔熔体对大陆岩石层地幔的热侵蚀以及由熔体上升所诱发的地幔局部对流的强烈扰动会导致上覆大陆岩石层的减薄效应.这种效应不仅表现在横向上的向陆内蔓延,还表现在垂向上的向浅部发展.且多类动力学参数都能制约大陆岩石层的减薄效应.具体地,随着汇聚速率和洋壳厚度的增加,上覆大陆岩石层在横向上的减薄范围越大,在垂向上的减薄程度也越深;而随着俯冲海洋板块年龄的增加,上覆大陆岩石层在横向上的减薄范围增大,但在垂向上的减薄程度会减小;随着上覆大陆岩石层厚度的增加,其横向减薄范围会减小,但在垂向上的减薄程度会加深.本文研究成果能为揭示华北克拉通减薄/破坏的动力学过程提供一定的理论参考依据.     

青藏高原上地幔速度结构及其动力学性质

利用地震层析成像结果分析了中国西部地区的上地幔速度结构,发现青藏高原北部至东南边缘上地幔顶部速度普遍偏低;随着深度的增加,低速区主要分布在羌塘、松潘—甘孜和云南西部地区,而印度大陆、塔里木、柴达木、鄂尔多斯和四川盆地均显示出较高的速度.上述速度分布与青藏高原及周边地区的岩石层结构和深部动力性质密切相关:其中羌塘地区的低速异常反映了青藏北部的地幔上涌和局部熔融,起因于印度大陆岩石层的向北俯冲;松潘—甘孜地区的低速异常与青藏东部的深层物质流动及四川盆地刚性岩石层的阻挡有关;而滇西地区的低速异常可能受到印缅块体向东俯冲作用的影响.以上三个区域构成青藏高原和周边地区的主要地幔异常区.相比之下,印度大陆、塔里木、柴达木、鄂尔多斯和四川盆地的高速异常反映了大陆构造稳定地区的岩石层地幔特点.根据速度变化推测,地幔上涌和韧性变形并非贯穿整个青藏高原,而是主要集中在羌塘、松潘—甘孜和滇西地区,上述构造效应不仅导致岩石层厚度减薄且引发了火山和岩浆活动.     

华北中西部和青藏高原东北缘上地幔各向异性变形特征

基于华北中西部和青藏高原东北缘3个流动台阵共480个台站新得到的远震XKS(SKS、SKKS和PKS)波分裂结果,并结合研究区已得到的987个台站的分裂结果,获得了高分辨率的上地幔各向异性图像.分析表明,鄂尔多斯块体的时间延迟较小,反映了其稳定性和弱的各向异性变形特征,可能保留了古老克拉通根的"化石"各向异性,但其靠近边缘的局部区域表现出与相邻边缘相一致的各向异性特征,反映了其局部区域受到了与其相邻边缘的构造活动影响.青藏高原东北缘、阿拉善块体和鄂尔多斯块体西缘快波方向主要为NW-SE方向,鄂尔多斯块体北缘主要为NNW-SSE方向,反映了青藏高原沿NE方向推挤过程中岩石圈沿NW-SE方向和NNW-SSE方向发生了伸展变形;位于四川盆地和鄂尔多斯块体两个刚性块体间的秦岭造山带的快波方向为近E-W方向或NWW-SEE方向,时间延迟较大,推测岩石圈东向挤出和软流圈东流共同促进了观测的各向异性;在鄂尔多斯块体南部边缘,快波方向自西向东逆时针沿西南缘六盘山的NW-SE方向转到南缘渭河地堑的近E-W方向再到东南缘太行山的NEE-SWW方向,推断该区域可能存在一个绕刚性块体的逆时针软流圈绕流,与上覆岩石圈左旋简单剪切变形产生了观测的各向异性,并一起驱动了鄂尔多斯块体的逆时针旋转.作为华北克拉通东西部的过渡带,华北中部的各向异性相对复杂,其东部快波方向为近E-W方向或NWW-SEE方向,时间延迟较大,其各向异性主要反映了太平洋板块西向俯冲作用引起的地幔流;其西北部吕梁山的各向异性主要由岩石圈沿NNW-SSE到NW-SE的拉张变形导致,而西南部太行山的各向异性还反映了软流圈绕流作用.鄂尔多斯块体东北缘大同火山区存在一个快波方向顺时针快速旋转且时间延迟较小的区域,可能与火山群下地幔岩浆上涌形成的局部地幔对流相关.紧邻华北北部的中亚造山带中南部快波方向为近E-W方向,其各向异性不仅受到与构造走向一致的岩石圈变形作用,而且也受到太平洋板块西向俯冲引起的地幔流影响.     

Hydrating laterally extensive regions of continental lithosphere by flat subduction: A pilot study from the North American Cordillera

It has been suggested that much of the lithopheric mantle beneath the Colorado Plateau was hydrated by the dehydration of the Farallon plate when it was undergoing low angle subduction during the Laramide orogeny. If correct, low angle subduction could be a viable mechanism for weakening laterally extensive regions of continental lithosphere, allowing such lithosphere potentially to be recycled back into the Earth's interior and into the asthenospheric mantle wedge. To test this hypothesis, we model the release of water during prograde metamorphism of a flat-subducting Farallon plate by considering a thermal model for flat subduction and tracking open-system metamorphic phase equilibria. Our model indicates that significant amounts of water can be laterally transported ∼700 km inboard of the trench, close to the width of the North American Cordillera. The amount of water released is shown here to have been large enough to influence the rheology of the overriding North American lithosphere and the potential for melting at its base. Anomalously high S-velocities in the lithospheric mantle supports our modeled calculations of laterally extensive weakening at the base of the continental lithosphere.     

利用S波接收函数研究华南块体的岩石圈结构

本文基于跨越华夏块体至四川盆地西部的130个线性流动地震台站及其附近90个固定台网台站的观测资料,采用S波接收函数波动方程叠后偏移方法,开展了华南大陆岩石圈结构研究.成像结果显示,研究区岩石圈结构复杂,不同构造单元之间差异显著,构造边界带附近小尺度变化强烈.150 km以上的厚岩石圈主要位于四川盆地,不足100 km的薄岩石圈主要分布于川东褶皱带和华夏块体.雪峰山下方岩石圈厚度显著增加,且以雪峰山为界岩石圈结构和性质存在着显著的东西差异.结合其它地球物理观测得到的地壳-上地幔结构信息,我们提出：（1）四川盆地还保留着厚而冷的克拉通岩石圈根,且岩石圈地幔具有结构分层特征;（2）雪峰山可能是扬子克拉通与华夏块体在西南部的边界;（3）雪峰山以东区域可能经历了岩石圈的减薄和改造,且华南岩石圈的减薄与华北相似,都主体发生在东部地区,造成现今南北重力梯度带两侧强烈的结构差异.研究结果为认识华南大陆的构造演化及其深部动力学提供了地震学约束.     

Transient creep of the lithosphere and its role in geodynamics

Laboratory experiments with samples of rocks show that at small strains there is transient creep, at which the strain grows with time, and the strain rate decreases. Plate tectonics allows only small strains in the lithospheric plates, so that the lithosphere creep is transient. In geodynamics, the lithosphere is regarded as a cold boundary layer formed by mantle convection. If we assume that the lithosphere has a steady-state creep, which is described by power-law non-Newtonian rheological model, the low effective viscosity of the lower layers of the lithosphere, obtained by data on small-scale postglacial flows, is possible only at high strain rates in these layers. However, the high strain rates in the lithosphere induce large strains that contradict plate tectonics. Transient creep of the lithosphere leads to its mobility at small strains, removing the discrepancy between thermal convection in the mantle and plate tectonics, which holds in the case of power-law rheological model of the lithosphere.