南沙海槽前陆盆地热结构

岩石圈热结构直接影响着岩石的物理性质和流变学性质,从而制约着岩石圈的形成演化。在研究南沙海槽前陆盆地地质构造背景和岩石圈热结构影响参数基础上,文章采用一维稳态热传导方程模拟计算并获得了盆地94N05地震剖面岩石圈热结构。计算表明,盆地区域大地热流平均值约为62mW.m 2;地幔热流值约37—44mW.m 2,对地表热流贡献达60%—70%。南沙海槽前陆盆地处于构造热恢复阶段,地表热流受中中新世挤压构造环境影响相对较低且主要受深部地幔控制,莫霍面温度介于500—600℃,热岩石圈较薄,厚度约60—70km。通过计算岩石圈热结构及居里面深度特征揭示揭示盆地深部岩石圈温度较高以及热活动稳定可能是南沙群岛海域地震发生很少的重要原因。     

双探针型海底热流计的结构优化

本文在现有海底热流探针制作技术条件下,首先建立了脉冲式双探针海底测量单元的有限元数值模型,模拟获得多组参数下的温度-时间数据,作为“实测”数据,再用脉冲加热有限长线热源(PFLS)模型求解待测介质热导率及其相对误差上限(RE_λ-UL),并以RE_λ-UL最小为原则,对双探针热流计的结构进行优化.结果表明:(1)在不同探针脉冲强度(q)、温度测量误差(ΔT_m)和探针长度(L)组合下,都存在最佳探针间距(Best_r),使得RE_λ-UL降到最低;(2)随着q增大或ΔT_m减小,Best_r逐渐增大;(3)当q、ΔT_m及探针半径(a)都给定时,Best_r与探针长度(L)呈线性正相关;(4)当a=1.0 mm,且q、ΔT_m分别取为628.0~1100.0 J·m^-1、0.5~1.0 mK,若L在20.0~42.0 mm之间时,则Best_r在18.0~30.0 mm之间,此时介质热导率相对误差上限可控制在5.5%以内,同时测量温度可在6 min内达到最大值,即脉冲加热开始后,温度测量只需约7 min,便可满足介质热导率的求解,这比目前常用的Lister型热流计所需海底测量时间缩短8 min左右.     

张裂大陆边缘形成演化的数值模拟

本文在等黏态角落流模型的基础上,建立了上升离散地幔流场,将该流场作用于大陆岩石圈底部,能解释岩石圈减薄、裂解并最终形成海底扩张和张裂大陆边缘等一系列过程.数值模拟的结果表明,岩石圈在上升离散地幔流的作用下发生依赖于深度的伸展减薄,表现为不同深度的拉张因子不同,地表热流显著升高,热扰动引起的均衡调整造成地表沉降,同时热扰动造成岩石圈流变强度尤其是在变形中心处显著减小,脆性变形临界深度变浅,而韧性变形范围扩大.在上升离散地幔流的持续作用下最终导致大陆裂解,岩石圈地幔出露,形成海底扩张和张裂大陆边缘.     

基于逾渗方法的裂隙储层渗透性模拟

裂隙储层具有强烈的非均质性及储层渗透性预测难度大的特点,利用逾渗理论来研究裂隙储层深层复杂介质渗透性,是当前研究的热点问题.基于连续逾渗,将裂隙网络模型合理简化.使用排除体积对裂隙密度进行无量纲化,从而使裂隙的渗透性与裂隙的形状无关.首先使用Monte Carlo方法得到裂隙在不同密度时的网络图,而后使用ComsolMultiphysics中的有限元求解器得到流体在裂隙中的速度和压力分布图,数值模拟表明:随着裂隙密度的增加,裂隙的连通性增加,进而流体在裂隙中的渗透性也增加;最后使用有限尺度转换定律和尺度放大思想,通过重复子区域的方法求解每个小区域的渗透性,得到裂隙储层在不同尺度下的渗透性,分析得到储层平均渗透性和无量纲化裂隙密度之间的关系.模拟得到的渗透率值和FRACA软件得到渗透率泊松相关系数为0.885.该规则的发现为逾渗理论从小尺度放大到宏观物理模型即储层尺度提供了一个理论依据.     

南海西南次海盆深部结构研究进展与展望

西南次海盆位于南海渐进式扩张的西南端,共轭陆缘结构和残留扩张脊保留完整,是研究南海深部结构和动力学机制的关键区域。前期研究发现,西南次海盆洋陆过渡带较窄、同扩张断层发育、地震反射莫霍面不清晰、具有慢速扩张等特征。然而,由于不同探测方法获取的地壳结构具有多解性,使得西南次海盆洋陆转换过程、慢速扩张洋壳结构与增生模式以及龙门海山岩石性质与地幔成因机制等基础科学问题尚存争议。为此我们建议在西南次海盆开展地质取样获取海山岩石样品,确定其年龄与性质,分析扩张后海山形成的深部动力过程;并对关键构造部署高精度的地震反射/折射联合探测,结合岩石物理分析,对西南次海盆进行构造成像和物质组成参数正反演,以实现壳幔尺度的地震学透视,为探索西南次海盆洋陆转换过程和洋壳增生模式提供重要的地球物理证据,以丰富和完善南海的动力学演化模式。     

南海扩张期岩浆流体对洋壳厚度的影响：数值模拟

扩张期洋中脊热液循环系统的热排出与岩浆系统的热注入共同控制着洋壳厚度的生成,而岩浆流体是热液循环系统的流体成分之一,往往与下渗海水混合参与各圈层能量和物质传递,但其能量传递对洋壳厚度的影响机制目前还不清楚.利用有限元的数值模拟手段,对扩张期热液循环系统中岩浆流体与洋壳厚度的关系进行研究.结果表明：(1)相较于只有海水参与的对流循环,含有岩浆流体的热液循环造成的洋壳厚度的减薄量更大、热液喷口温度更高.(2)岩浆流体对洋壳厚度的二次减薄作用随其含量的增大而减弱,热液喷口温度随其含量的增大而升高.(3)南海岩浆水、地幔水含量和洋壳厚度的分布具有非均质性,东部次海盆的地幔水、岩浆水含量高于西南次海盆,前者的平均洋壳厚度也大于后者,并且在海盆残余扩张脊附近存在异常薄洋壳.结合模型结果分析认为,残余扩张脊附近的薄洋壳可能受到扩张期热液循环或后期岩浆流体的影响,而东部、西南次海盆的洋壳厚度差异可能是由于前者的岩浆流体含量高于后者而造成的.     

南海西南次海盆扩张期热液循环与洋壳增生的数值模拟

洋壳厚度受多方面因素的影响，前人大多关注地幔温度、地幔源成分等岩石圈深部因素，很少关注岩石圈浅层的热液循环对洋壳厚度的影响。利用基于有限元的数值模拟手段，对扩张期不同背景(洋中脊、拆离断层)、不同扩张速率的热液循环与洋壳增生的关系进行研究。结果表明：洋壳增生达到稳定前，热液循环导致理论洋壳厚度发生阶段性减薄，减薄量随时间改变，并且推迟了上地幔中熔融体出现的时间；当洋壳增生达到稳定后，热液循环下产生的理论洋壳厚度反而比无热液循环的更厚。结合洋壳增生过程中对流热通量的变化分析，在洋壳增生前期的上地幔温度低，驱动热液循环的热源小，产生的对流热通量相对较小且不稳定，热液循环缓慢冷却上地幔顶部的温度，进而推迟上地幔初始熔融的时间，减弱上地幔的熔融，并造成一定时间阶段内的生成理论洋壳比正常理论洋壳厚度更薄；当洋壳增生达到稳定后，对流热通量达到最大并稳定，热液循环持续快速的冷却上地幔顶部温度，导致上地幔深部的热向上地幔顶部补给，反而增大了上地幔顶部的温度和熔融量，进而增大了理论洋壳厚度。随着扩张速率的增大，理论洋壳厚度增大，对流热通量增大，热液循环导致的洋壳阶段性减薄的最大减薄量也增大，阶段性减薄的时间缩短。结合南海西南次海盆的洋壳结构特征分析：两条横跨南海西南次海盆的地震剖面显示，海盆内存在异常薄的洋壳区域，并且两条地震剖面的最薄洋壳厚度相差0. 85 km,推测海盆内异常薄洋壳和不同扩张时期的最薄洋壳厚度差异受到扩张期热液循环阶段性减薄洋壳作用的影响。     

大陆深俯冲的动力学机制：观测和模拟结果

兴都库什-帕米尔-中国西部1975～2003年期间的地震活动记录、地表地质构造和地壳速度结构数据证明,沿特提斯陆-陆碰撞带正在进行大陆深俯冲作用。帕米尔地区大陆地壳的下部物质与上地幔一起俯冲到200km 以下,而中、上地壳在不同深度上被反冲断层所剥离。帕米尔地区向南的大陆深俯冲作用限于西部恰曼左行走滑断裂和东部喀喇昆仑右行走滑断裂之间。沿深俯冲带存在上、中、下3个地震群。上地震群出现在30～50km 附近,对应于中、上地壳的反冲剥离构造作用,地震成因与长英质地壳的脆-韧转换和“二相变形”机制有关。中地震群大体出现在90～120km 深度上,与帕米尔深俯冲岩板向下由缓倾变陡的深度大体相当。下地震群的主体出现在180～220km,代表深俯冲岩板的最前端。帕米尔大陆深俯冲岩板为上宽下窄、上缓(20～30°)下陡(60～70°),转变深度在80～120km 的楔形体,深度超过200km 的走向宽度只有500～600km。在探讨大陆深俯冲的动力学过程中采用了2种模拟方法。利用考虑温度场和负浮力的二维数值模拟表明:(1)地幔对流拖曳力对俯冲深度和俯冲速度有重要控制作用,从100MPa 到20MPa 的变化将导致俯冲深度由231km 减到151km,速率由10.79mm/a 减到5.46mm/a。(2)俯冲角30°与45°相比,前者的俯冲深度要深约25～50km。(3)俯冲板块厚度越大,则俯冲深度越浅。(4)在俯冲板块的负浮力、洋脊推力为10～30MPa 及地幔对流拖曳力为100MPa 的综合作用下,陆壳俯冲实际垂向位移可达120km,最终俯冲深度达到150km,而洋壳实际垂向位移约170km,最终俯冲深度达到230km。在考虑岩石圈和软流圈相互耦合的俯冲模拟中,块体间的接触判断采用了 LDDA 方法的接触判断准则和区域分解方法求解。其特点是边界条件比较简单,并能自动实现俯冲过程中岩石圈和软流圈之间的相互作用,但需要确定研究区域不同深度和不同板块的力学参数,且计算量很大。     

上地幔含水量对海底扩张过程中洋壳厚度的影响:数值模拟

地幔中不同含量的水会对洋壳的生成产生重要影响,但目前不同含水量下的均匀和局部含水地幔会怎样影响洋壳厚度还不清楚.利用动力学数值模拟的方法,对上地幔均匀含水和局部含水两种情况下洋壳的生成过程展开研究.结果表明:当上地幔均匀含水时,含水量的增加在减小最大熔融分数的同时,会增大初始熔融深度和熔融面积,因而生成的洋壳厚度会增加.当上地幔局部含水时,局部含水地幔熔融后也会增大生成的洋壳厚度,但开始影响洋壳厚度的时间与其含水量有关.结合南海洋壳特征进一步分析认为:南海扩张期间其地幔源含水量具有非均质性.东部次海盆的洋壳比西南次海盆厚1 km,可能是因为前者地幔源含水量整体高于后者(本模型表明约高50×10-6).南海玄武岩中碳酸盐化硅酸盐熔体的存在,可能是由局部高含水量地幔在深部熔融产生的熔体携带上来的.南海洋壳厚度在时间上没有大幅度变化,可能是因为局部高含水量地幔的体积相对较小或体积虽大但其含水量没有显著高于地幔背景含水量.      

南海西缘结合带的贯通性

为了探讨南海西缘结合带的构造贯通性, 在系统分析其地质-地球物理资料的基础上, 剖析了该带的分段性和深-浅部构造几何学特征, 对该带的哀牢山-红河-越东-万纳-卢帕尔各段进行了全面的构造几何学及构造运动学上的对比分析, 提出该带是一条相互贯通的走滑断裂系统, 其各部分在构造几何学上符合走滑构造的基本构架, 构造运动学上具有同时性, 浅部各段具有共同相连的深部的"根", 表现出明显的时空上的贯通性与构造上的一致性.