大陆动力学数值模拟:问题、进展与展望

大陆动力学是地球动力学的基本组成部分,是板块构造理论的重要拓展,是固体地球科学的核心命题之一。在系统的地质、地球物理和地球化学观测的基础上,数值模拟是探讨大陆动力学过程和机制的有效手段。本文主要基于大陆动力学数值模拟,围绕大陆形成和演化过程的四个关键科学问题进行总结和探讨。(1)大陆起源与早期地球动力学演化。现今观测到的最早的大陆地壳岩石来自冥古宙,说明地球早期就已经开始大陆地壳的形成;关于当时的构造体制,存在多种不同的模式及其过渡和转换(岩浆洋、热管、滞盖等),该问题的约束甚少,是一个地球动力学的前沿科学问题。(2)大陆岩石圈的稳定性与破坏。大陆岩石圈形成之后经历几十亿年尺度的长时间演化,有些克拉通可以保持大致的稳定性直至现今,而有的克拉通却在显生宙期间经历显著的改造和破坏,无论其稳定存在还是改造破坏,都是值得深入探讨的科学问题。(3)大陆深俯冲与极限折返。超高压岩石折返代表了地球表层物质由浅入深而又由深及浅的物质循环,系统的观测和模拟对该过程和机制已有比较清晰的理解;而近年来观测到的200~350 km的超深折返岩石又提出新的挑战,其模式和机制有待进一步探索。(4)大陆碰撞造山差异性。造山带解析是大陆动力学研究的核心内容,伴随日益精细化的地学观测,也对动力学模拟提出了新的挑战,多地体的复合造山动力学值得进一步探究;同时,青藏高原作为最重要的碰撞造山带,其一级动力学驱动力仍不明确。本文在系统探讨这些科学问题的基础上,进一步提出大陆动力学数值模拟的未来研究方向:一方面是问题导向型,针对上述仍未解决的重要科学问题,尤其是一级控制机制问题,通过创新思路和精细模拟,并与观测进行系统对比分析,最终给出答案;另一方面是技术导向型,极力发展新的数值模拟方法和技术(例如双相流乃至多相流),以适应复杂地质演化中的相变、流体、熔体、地表过程等的模拟需求,这两个研究方向的发展将共同提高大陆动力学过程和机制的认知水平,促进大陆动力学理论的发展。     

欧罗巴星陨石坑对冰层厚度的制约

欧罗巴(木卫二)是目前最有可能存在地外生物的星体,是空间探测计划的重点对象.欧罗巴冰层厚度直接制约着生物存在的可能性.另一方面,冰层厚度控制着温度结构、流变特性,进而制约着冰体构造特征及演化过程.前人基于板的挠曲,陨石坑分析,热-力学分析等方法得到的冰层厚度变化范围很大(小于1km到大于30 km).基于前人的研究,我们通过研究欧罗巴陨石坑的松弛过程进而约束冰层的厚度.本文将冰视为非牛顿流体,修正了前人在引用冰体实验数据过程中存在的不足.依据前人的研究思路,基于有限单元法及更新网格技术,取新近形成的陨石坑形状为初始几何模型,针对不同厚度的冰层,对欧罗巴最大陨石坑的松弛过程进行了动力学模拟.模拟结果显示:1)冰层越厚,所需松弛时间越长;2)冰层越厚,陨石坑附近的黏度越高,这是松弛时间相对较长的直接原因.本文认为欧罗巴冰层的厚度大于20 km.值得注意的是,作为端元模型,本文模型中冰层与基岩直接接触,后续研究将进一步考虑其他模型.     

上地幔俯冲板块的动力学过程:数值模拟

大洋板块俯冲到地幔转换带,进而可形成不同的形态:板块可以停滞在660km不连续面,抑或穿过地幔转换带进入下地幔.这些不同的俯冲模式可进一步影响到海沟的运动.为更好地理解上地幔中俯冲板片的变形行为以及俯冲过程与海沟运动之间的关系,本文通过建立一系列高精度二维热-力学自由俯冲的数值模型,揭示了俯冲板块在上地幔中的变形方式及其与地幔转换带之间的相互作用过程.模拟结果显示,在俯冲板块与地幔转换带的相互作用过程中,其动力学过程可以分为以海沟后撤主导、海沟前进主导以及稳定型海沟等三种主要动力学类型.对于年龄较老,厚度较大的俯冲板块容易形成海沟后撤型俯冲,俯冲板块停滞在660km不连续面.相反,年龄较小,塑性强度较小的板块容易形成海沟前进型俯冲,俯冲板块穿越660km不连续面.     

大洋俯冲和大陆碰撞沿走向的转换动力学及流体-熔体活动的作用

为了深入探讨大洋俯冲和大陆碰撞沿走向的转换及其动力学特征,同时更好的理解俯冲-碰撞带的流体-熔体活动及其效应,我们建立了一系列三维空间的大尺度、高分辨率的动力学数值模型。模拟结果显示,在板块会聚过程中,流体-熔体活动可以降低周围岩石的流变强度及两个板块之间的耦合作用,并能够促进大陆碰撞带俯冲板块的断离。同时,俯冲-碰撞带的空间转换模型揭示其深部结构存在巨大的沿走向的差异性,大陆碰撞带发生俯冲板块断离,而大洋俯冲板块持续下插。并且上覆板块的地壳物质发生从陆-陆碰撞带向洋-陆俯冲带的侧向逃逸。这种三维空间中沿走向的差异性俯冲-碰撞模式与中-东特提斯构造带相吻合,并揭示其动力学机制。     

大洋平板俯冲的数值模拟再现:洋–陆汇聚速率影响

利用地球动力学数值模拟方法探讨了洋-陆汇聚时,大洋岩石圈的绝对俯冲速率和上覆大陆岩石圈的向洋绝对逆冲速率对俯冲模式的影响,尤其是上覆大陆的向洋绝对逆冲速率与平板俯冲之间的关系。模型结果显示,对于年龄为40 Ma的含正常洋壳厚度的大洋岩石圈,在初始俯冲角度为现今洋–陆俯冲平均倾角的极小值(19°)条件下,低速大洋俯冲(绝对俯冲速率≤3 cm/a)且上覆大陆岩石圈向洋绝对逆冲速率≥1 cm/a时,具备形成平板俯冲的条件。当中–高速大洋俯冲(绝对俯冲速度3 cm/a)时,在上覆大陆的绝对逆冲速率不小于俯冲速率时可以形成平板俯冲。当增加初始俯冲角度到平均倾角的极大值(36°)时,仅在低速大洋俯冲(绝对俯冲速率≤3 cm/a)且绝对逆冲速率达到10 cm/a时(自然界中基本不存在),才有可能出现平板俯冲,其他情况均表现为陡俯冲。我们的模拟结果表明:(1)较高的大洋岩石圈绝对俯冲速率更容易克服板间耦合作用力而有利于陡俯冲形成;(2)较高的上覆大陆绝对逆冲速率更有利于俯冲板片弯曲而趋向于平板俯冲形成;(3)上覆大陆朝向海沟的逆冲速率会在俯冲板片下方产生水平向陆的地幔流,绝对逆冲速率越大该地幔流越强烈,导致作用于板片下表面的水平剪切分量越大而有利于板片弯折和平板俯冲发生;(4)初始俯冲角度的增加对平板俯冲的形成起到强烈抑制作用。这些能被现今平板俯冲,如具相似洋–陆汇聚速率条件的南美洲西海岸平板俯冲实例所验证。     

造山带下岩石圈地幔小尺度减薄的动力学成因

地质与地球物理观测数据表明青藏高原、安第斯山、以及帕米尔等典型造山高原之下均有明显的岩石圈地幔小尺度/分段式减薄现象.这些小尺度岩石圈减薄难以用经典的拆沉或对流减薄理论来解释,一方面,拆沉预示大尺度岩石圈地幔的剥离过程,而对流减薄则在黏度相对低的地幔岩石圈中发生,其主要以小尺度的局部增厚触发并仅减薄地幔岩石圈的底部区域.另一方面,拆沉或对流减薄模型都预测造山带尺度的地幔岩石圈拆离,都假设造山带岩石圈横向均一,然而实际的造山带岩石圈往往由多个不同的地块构成,块体之间岩性、物性、流变结构可能大有差别,即横向不均一性.这些造山带岩石圈地幔的横向不均一性,能否有效解释观测到的局部小尺度减薄现象？为此,我们构建了一系列高精度动力学数值模型,系统模拟了碰撞造山过程中岩石圈地幔的形变和不稳定性.结果表明,在塑性屈服强度很低的情况下,横向不均一的造山带岩石圈有发生分段式/小尺度减薄的可能性;其主要机理是由位错蠕变与强塑性作用所导致的应变集中使得地块间及壳幔间耦合弱化,从而使得较弱地块的岩石圈地幔在增厚时由于重力不稳定性而产生局部剥离,进而诱发小尺度软流圈上涌.模拟结果可以良好地解释发生在青藏高原东北缘、安第斯中部高原、以及帕米尔高原之下岩石圈的局部小尺度/分段式减薄现象.     

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.     

南迦巴瓦构造结墨脱地区高Sr/Y花岗岩的成因: 地球化学、锆石U-Pb年代学及Hf同位素约束

墨脱花岗岩带位于南迦巴瓦构造结东侧,是冈底斯岩浆带的东南延伸部分。本文报道了该地区背崩和达木2个花岗岩体的全岩地球化学、锆石U-Pb年代学及锆石Hf同位素数据。锆石U-Pb定年结果表明,背崩和达木花岗岩体的年龄分别为62Ma和64.5Ma。岩石地球化学数据显示,两个花岗岩体SiO2含量为71.09%～74.37%,K2O的含量为1.38%～5.93%,A/CNK为1.01～1.02,均属于高钾钙碱性过铝质岩石。所有样品均显示出强烈的轻、重稀土分异((La/Dy)N=13.55～31.3;(La/Yb)N=16.82～50.41),平坦的Ho到Lu稀土元素分布样式((Ho/Yb)N=0.93～1.42),δEu主要介于0.78～1.09,总体上具有正-微弱负异常,具较高Ba、Sr/Y,La/Yb和低Y,Mg#(<45),亏损HFSE元素(Nb、Ti、Zr)。墨脱高Sr/Y花岗岩具有不均一的εHf(t)值(-11.22～4.87)和相对年轻的Hf模式年龄(552～1179Ma)。锆石Hf同位素数据和锆石饱和温度(746～791℃)均显示幔源物质在墨脱花岗岩形成过程中发挥了较为重要的作用。墨脱高Sr/Y花岗岩可能是在印度-亚洲大陆碰撞阶段,由新特提斯洋俯冲过程中产生的基性岩浆底侵作用使陆壳熔融并发生壳幔岩浆混合作用所形成。     

印度-亚洲碰撞：从挤压到走滑的构造转换

印度-亚洲板块碰撞导致喜马拉雅山脉的崛起、青藏高原的生长、两倍于正常地壳厚度的巨厚陆壳体,以及大量青藏高原腹地的物质沿着大型走滑断裂朝东、东南、西的方向逃逸。印度-亚洲碰撞如何造成板块汇聚边界由挤压到走滑的构造转换对认识大陆岩石圈的变形机制具有重要意义。本文通过总结喜马拉雅造山带及青藏东南缘~55Ma以来的构造、变质、岩浆记录,发现高喜马拉雅的挤出起始于始新世加厚的喜马拉雅造山带中—下地壳的部分熔融,受控于渐新世以来同期发育的向南逆冲和平行造山带的韧性伸展,并建立了高喜马拉雅"三维挤出"构造模式。晚始新世以来,羌塘地块和拉萨地块的物质通过"岩石圈横弯褶皱和壳内解耦"的运动学机制,围绕东构造结发生顺时针旋转并向青藏高原东南缘逃逸。结合东南亚板块重建的资料,我们认为:印度-亚洲的"陆-陆碰撞"到印度洋板块-亚洲东南大陆的"洋-陆俯冲"的转换是导致从印度-亚洲主碰撞带的挤压到青藏东南缘走滑转换的根本原因。     

地球的层圈结构与穿越层圈构造

从1906年发现地核到20世纪60年代,地球物理学、地质学和矿物物理学的研究揭示了地球具有物理化学性质截然不同的层圈结构,并根据全球地震波速度和密度的变化建立了初始参考地球模型。1967年提出的板块构造理论假定刚性的岩石圈板块在塑性的软流圈之上发生运动,在洋中脊不断形成的洋壳逐渐在海沟俯冲,由于板块是刚性的,变形将主要集中在板块边界。板块构造理论成功地解释了大洋岩石圈的形成和消亡、火山和地震活动带的分布以及全球构造格局,给地球科学带来了一场革命。但是,经典的板块构造理论尚未解决板块运动的起源和驱动力、大陆岩石圈的弥散性变形、大陆深俯冲等问题,因此大陆动力学成为对板块构造理论的重要补充。近年来的研究表明:在板块汇聚边界,大洋岩石圈可以俯冲至地幔过渡带、下地幔,乃至核幔边界;而大陆岩石圈可以俯冲至150~300 km深度,然后相对低密度的陆壳物质快速折返形成含柯石英和微粒金刚石的超高压变质带。地幔柱活动是是俯冲板块再循环的产物,不仅可以形成大火成岩省和洋岛玄武岩,还可以把俯冲到地幔过渡带的物质带回浅部,导致蛇绿岩中保留金刚石和深地幔矿物。因此,俯冲带和地幔柱不仅提供了穿越层圈的物质和能量交换的通道,也驱动了对地球宜居性至关重要的水循环和碳循环,是研究地球物质组成和动力学演化的重要窗口。