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.     

塔里木早二叠世大火成岩省

塔里木早二叠世大火成岩省是继峨眉山大火成岩省之后在中国境内确认的又一个大火成岩省,是当前研究的热点和前沿问题.论文系统总结了塔里木大火成岩省近20年研究取得的成果,指出了下一步重点研究领域.塔里木大火成岩省火山岩的残余分布面积大于25万平方公里,最大残余厚度达780 m,大规模玄武岩的喷出发生在290～288 Ma期间,属于快速喷发的大火成岩省岩浆事件.塔里木大火成岩省中最为发育的玄武岩和辉绿岩岩墙的微量元素特征与OIB的特征相似,且以高钛型为主体;但在同位素特征上明显的可以分为两类,柯坪地区玄武岩具有负的εNd值,重稀土值相对较高,来自富集型地幔;塔北玄武岩和辉绿岩具有正的εNd值和相对低的重稀土值,来自亏损型地幔.早二叠世大规模地壳抬升、苦橄岩与大规模岩墙群发育和瓦基里塔格大型钒钛磁铁矿矿床都支持塔里木大火成岩省与地幔柱活动有关.塔里木大火成岩省与中亚地区广泛发育的二叠纪基性和超基性岩浆作用存在着时空联系,它们是代表了一次具有重要地球动力学意义的构造岩浆事件.论文指出了塔里木大火成岩省的深部地质过程、成矿作用、与地幔柱关系、与盆地环境变化和生命演化的关系及其大火成岩省的地球动力学意义等方面研究将是下一阶段的重点研究领域.     

地幔水化及水在大火成岩省形成中的作用

大火成岩省的形成受控于多种因素,包括异常的地幔温度、易熔饱满组分的存在、地幔源中的挥发分和减压的程度。在一个具体大火成岩省中,所有的因素缺少完整的检验导致了地幔柱模型存在争议。这里,我们报道了估算的来自中国西南峨眉山大火成岩省的辉石中水的含量。尽管这些辉石表现出类岛弧的水含量(达到3.4%),微量元素特征并不支持俯冲带的设定但是指示了深处地幔的含水储层。结合之前的研究,我们提出含水的热地幔在显生宙偶尔出现制造了大陆大火成岩省(例如:塔里木、西伯利亚圈闭和卡鲁)。地幔柱形成深处地幔含水储层的广泛例子表明,地球内部大范围水化。     

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。     

峨眉山大火成岩省地壳速度结构与古地幔柱活动遗迹:来自丽江-清镇宽角地震资料的约束

峨眉山大火成岩省是中国境内唯一被国际学术界认可的大火成岩省,普遍认为其形成与古地幔柱有关.以往对峨眉山古老地幔柱事件的识别,主要依靠地质地球化学等资料,缺少深部地球物理探测结果的约束和支持.为此,我们利用"丽江-攀枝花-清镇"剖面的人工源宽角地震数据重建该地区地壳速度结构,以便更好地理解峨眉山大火成岩省的深部结构与属性特征.前人根据茅口灰岩的剥蚀程度,将峨眉山大火成岩省从分布空间上划分为内、中、外三个带.跨越内、中、外带剖面地震探测结果显示:(1)沿剖面结晶基底的平均深度在2 km左右.(2)中地壳平均速度结构为6.2~6.6 km/s;内带局部呈现大约幅值为0.1~0.2 km/s的高速异常;下地壳速度结构,在内带为6.9~7.2 km/s;中带和外带偏低,为6.7~7.0 km/s;在内带和中带交界附近,受小江断裂带的影响,上、中、下地壳均呈现相对低速异常特征.(3)小江断裂两侧,尤其东侧地壳平均速度较低,且固结地壳的平均速度也较低,初步认为小江断裂至少向地下延伸至40 km以深,可能切穿整个地壳.(4)沿剖面Moho面深度,内带范围内深约47~53 km,中间呈上隆的特征;中带深约42~50 km,外带深约38~42 km,中带至外带,Moho面逐渐变浅.内带Moho面局部隆起、(固结)地壳呈现高速异常特征,可能是二叠纪地幔柱活动引起的底侵作用及岩浆上侵的结果,为古地幔柱的活动遗迹.     

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。      

大洋中脊和地幔柱之间的长期相互作用

正板块构造运动通常被认为是由俯冲带板块的拉力和洋中脊处的推力驱动的,也不时被来自下地幔热物质的上涌流所推动~([1-2])。在这个模式中,洋中脊的形态和位置与下地幔动力学机制无关,例如与提供了巨量岩浆物质,即大火成岩省的深源地幔柱无关~([2])。相比地幔柱和洋中脊,本文利用全球板块模型~([3])重建了大火成岩省最初的位置。我们发现大火成岩省常常形成于特殊的区域,即洋中脊和     

塔里木早二叠世大火成岩省的成因模式

近20年来,塔里木早二叠世大火成岩省在各类火成岩的空间分布、时间序列、地球化学特征、地幔源区和岩浆演化等方面有了深入的认识,为揭示大火成岩省的成因模式和演化过程奠定了坚实的基础.本文将主要基于塔里木大火成岩省存在的两阶段岩浆产物,结合前期研究基础和前人研究成果,系统论证塔里木早二叠世大火成岩省成因的两阶段熔融模式.模式认为塔里木大火成岩省的形成与地幔柱活动有关,其地幔柱作用形式兼具"巴哈纳型"和"德干型"两种特点,即早期高热的地幔柱引起了岩石圈地幔的低程度部分熔融,后期地幔柱上升绝热减压引起地幔柱自身部分熔融.在早期熔融事件中,地幔柱主要表现为上部岩石圈熔融所需的热供给,后期熔融过程中地幔柱成为熔融发生的主要场所和物质供给源.第一阶段喷发的两类玄武岩具有高~(87)Sr/~(86)Sr、低~(143)Nd/~(144)Nd的同位素特征,富集大离子亲石元素和高场强元素,为富集的大陆岩石圈地幔部分熔融的产物,具有"巴哈纳型"特征;而第二阶段产出的基性-超基性侵入岩具有相对两类玄武岩较低的~(87)Sr/~(86)Sr,较高的~(143)Nd/~(144)Nd比值,为地幔热柱熔融的产物,具有"德干型"特征.其中第一阶段,可细分为Group1和Group2两类玄武岩,Group2玄武岩相对Group1玄武岩具有较低的~(87)Sr/~(86)Sr,较高的~(143)Nd/~(144)Nd比值.Group2玄武岩显示连接Group1玄武岩和第二阶段岩浆作用的过渡类型特征,表明塔里木早二叠世大火成岩省是地幔柱与岩石圈地幔持续相互作用的结果.关于塔里木大火成岩省成因模式的研究有助于增进对塔里木大火成岩省岩浆作用、深部地质过程和地球动力学过程的全面认识,有利于丰富大火成岩省的成因理论和地幔柱活动理论.     

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.     

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.     

地幔对流的实验研究:非立柱状幔柱和地幔涡旋

地幔对流的物理模拟实验结果表明 ,在地幔介质和温度非均匀分布的复杂条件下 ,热卷流 (地幔柱 )往往由立柱状转变为非立柱状 (含斜柱状、涡旋状等 )。在忽略科里奥利力的情况下 ,板块的下插和滞积下沉、岩石圈根的存在以及地幔介质粘度的非均匀分布等都可能构成不同形状的障碍 -导流体 ,导致地幔的涡旋运动。软流圈中的水平涡旋环带属于对数螺线型 ,环带旋转半径及线速度逐渐减小 ,最终在旋转中心处下沉 ,而旋转角速度大致保持恒定     

地幔热柱动力学研究的新进展

由于地幔热柱对我们了解地球动力学和地幔动力学过程具有非常重要的科学意义，因此受到国际地学界的广泛关注，近年来，随着一系列国际研究计划的展开和实施，热柱动力学的研究取得了很大的研究。本文拟合“国际热柱－岩石圈相互作用研讨会”的讨论内容，对热柱领域已取得的进展和存在的问题作一简要的回顾，以期待进我国热柱动力学研究的发展有所埤益。     

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．     

全球地震层析地幔密度横向不均匀及大陆动力学

地震层析为我们提供了研究全球及区域地幔横向不均匀的有力工具。本文使用Ｓ１２－ＷＭ１３［１］层析模型,假设地震波速度异常与密度异常之间呈线性关系［２］,以ＰＲＥＭ模型［３］为基础,计算了全球和部分区域的球谐展开１２×１２阶地幔密度异常分布;分析了一系列的结果,特别分析了大陆下部地幔密度异常的基本格局;讨论了其对大陆动力学研究的意义。应用于中国大陆发现,整个中国大陆下部７０ｋｍ－１５０ｋｍ深部范围内是地震剪切波的低速带或密度低的地区,而在１５０－４００ｋｍ范围中又处于密度高的异常地带。本文从地幔动力学的观念出发讨论了中国大陆岩石层构造运动的地幔动力学问题。     

海洋热流与地幔上升流

从洋中脊上升的地慢物质带上来的大量热量,使在洋中脊裂谷处的海底热流及温度最高,向海沟逐渐减小．由于热胀冷缩,海底地势在洋中脊处最高．作者根据板块模型由一维运动物体的热传导方程推出裂谷处上升物体的温度分布公式．用此分布公式作为垂直边的边界条件,严格地求解了运动板块的二维运动物体热传导方程．用此方程研究了各参数与观测量之间的关系．通过改变公式中的参数值,使计算的理论曲线与实测海底热流一年龄及海底深度一年龄曲线拟合,从而求出了板块的厚度Ｌ＝９７ｋｍ,地幔上升速度ｕ＝３．ｇｍｍ／ａ,热膨胀系数ａ＝３．３７×１０－５／℃及温度分布．该方法克服了在洋中脊处理论热流值趋于无限大的问题,并可以计算出地幔上升流的速度及宽度．     

动态金幔柱模式──兼论金星上小型冠状构造的浅起源

热和组分密度异常共同驱动的动态金幔柱解析模式给出金幔柱在金幔中上升的历史．当金幔柱到达岩石层底时其头部的特征量是5个独立变量的函数：（1）金幔柱起源的深度;（2）金幔粘性系数;（3）源温度异常值;（4）源组分与热密度异常之比;（5）金幔柱的浮力通量．基于新的Mapellan数据,金星表面上有360多个冠状和类冠状构造已被发现,其中65％直径小于300km．这类小型冠状构造被认为是由具有下述特征的较小的金幔柱所形成：（1）最大直径小于300km;（2）当其头部到达岩石层底时,过剩温度足以产生部分熔融层,应高于150K;（3）被冠状构造下面的金幔柱带上来的总浮力有能力支撑冠状构造隆起的总质量．用这3个条件分析数值结果并约束金幔柱的源参数,根据本文的数值实验结果,金星上的小型冠状构造可能是起源于上金幔小于1000km深度的动态金幔柱形成的．     

地幔瑞利面波的频散和衰减

本文利用世界标准地震台网（WWSSN）29个台记录的渤海地震（1969年7月18日,M_s=7.4）、炉霍地震（1973年2月6日,M_s=7.9）、海城地震（1975年2月4日,M_s=7.3）的长周期瑞利面波R₁、R₂、R₃,测定了40-250秒周期内R₂波群速度,45-200秒周期内经地球大圆路径的瑞利面波衰减系数和Q值,并讨论了地幔瑞利面波频散和衰减特征以及与区域构造间可能的联系。     

板块绝对运动及地幔热对流

本文以板块绝对运动AM1-2模型为边界条件探讨了不同的瑞利数下地幔热对流模型.结果表明,瑞利数小于10000（529.41）时,地幔对流呈现以板块驱动图式,运动的极型场和环型场由板块运动激发,两种场占有差不多相同的功率.当瑞利数增加到接近或略超过最低临界值时（约1.5倍）,对流呈现出复杂状态:1.板块运动速率小于下伏地幔对流速率;2.区域性的双层对流环出现;3.对流谱成分发生变化;4.环型场仅在地幔很浅的区域中起作用,而在地幔深部对流图式中影响很小.     

上地幔物质运移与地壳形变

本文据根GEM 10 B地球模型计算得到的卫星自由空间重力异常,分析了上地幔物质流运移的动力学关系。对在青藏高原上地壳的楔入作用影响下,上地幔物质流的运移状态及所造成的地壳形变进行了讨论。并对中国西南部壳体强烈的地壳形变以及频繁的地震活动的力源机制问题进行了探讨。     

牡丹江和海拉尔台下方地幔间断面结构及推论

利用牡丹江(MDJ)和海拉尔(HIA)台1988-2000年的宽频带三分量数字地震记录,通过地幔间断面产生的P-SV转换波,研究台站下方地幔间断面的分布以及日本海俯冲带对660km间断面的影响.为了提高所得结果的可靠性,采用了线性-偏振滤波方法和修正的N次根倾斜叠加方法来提取P-SV转换波.前一方法通过实验选取适当的光滑平均和提出立体角的约束;对后一方法进行了震源深度校正和间断面倾斜的修正.结果表明,在MDJ和HIA台下方,除在660,410,220和520km深度附近均存有间断面外,在140,350,570,740和1080km深度附近也存在间断面,显示了地幔中径向分层的复杂性;另外,MDJ台下方660-840km之间的间断面结果比HIA台下方的复杂,似有分层结构,可能反映了俯冲带的影响.