智利三联点南部扩张洋脊俯冲区域岩石层热结构的数值模拟

智利三联点（CTJ）位于纳兹卡板块、南极洲板块与南美板块的交界处,由南极洲—纳兹卡板块之间的智利洋脊俯冲到智利海沟而形成.巴塔哥尼亚板片窗的发展是智利洋脊长期扩张俯冲的结果之一.随着纳兹卡板块的不断东向俯冲,纳兹卡板块范围逐渐变小,CTJ同时向北移动.本文采用数值模拟方法,建立了关于洋脊海沟碰撞的简单二维模型,来研究智利三联点南部扩张洋脊俯冲区域岩石层的热结构.模拟结果表明,洋脊的位置、板块相对汇聚速度及上覆大陆板块的存在均对俯冲区域海洋板块的温度结构有着很大影响,并且大陆板块下方海洋板块温度变化最大的位置距洋脊的水平距离与洋脊到板片窗范围的水平距离两者之间具有较好的一致性.同时,当存在两两板块间的相对汇聚时,洋脊右侧大陆板块下表面的温度升高,俯冲带内海洋板块温度接近于地幔温度.纳兹卡板块以7.8 cm·a^-1的速度急速俯冲于南美板块之下的过程中,同时伴随着智利洋脊的持续扩张俯冲,在智利三联点南部,南美板块之下纳兹卡板块的温度因而可以更快地达到地幔软流层的约1300℃温度,并最终消亡于地幔之中.

     

智利三联点相关的板块相对运动及其地球动力学意义

智利三联点以北地震较多,智利三联点以南地震很少且热异常显著。为探究洋脊俯冲对由温度定义的孕震区的影响,以智利三联点区域的地质背景为基础建立二维有限元数值模型,对洋脊俯冲过程进行数值模拟,并将俯冲角度和汇聚速率等因素对孕震区的影响进行了对比。结果表明,洋脊俯冲过程中孕震区宽度减小,导致发生在智利三联点以南的地震远少于智利三联点以北。剖面附近的观测数据与数值模拟结果的对比表明,数值模拟可以大致反映智利三联点区域板块间的孕震区宽度和地表热流特征。当俯冲汇聚量相同时,板块间的汇聚速率越大,洋脊俯冲过程中孕震区则越宽且其下边界越深,海沟附近的地表热流越高。与汇聚速率相比,俯冲角度等因素对地表热流的影响较小。俯冲角度越大,洋脊俯冲过程中孕震区越窄。当数值模型包含剪切生热时,洋脊俯冲过程中孕震区宽度大约可减小至15 km,且孕震区很浅。这可导致智利三联点以南部分区域难以发生地震,出现观测不到和达-贝尼奥夫带的现象。     

智利三联点相关的板块相对运动及其地球动力学意义

智利三联点作为典型的RTT型三联点,伴随智利洋脊俯冲到南美大陆板块下方,通过建立纳兹卡—南极—南美—太平洋四板块系统,并基于GPS、地震滑移矢量、洋中脊扩展速率及转换断层方位角等观测资料,给出了前三个板块相对于太平洋板块的欧拉矢量,据此进一步得到了各板块两两之间的相对欧拉运动矢量.结果显示,整个智利海沟处,三联点以北表现为纳兹卡板块相对南美板块的约83.0 mm·a^-1的近东向俯冲,快速下降到三联点以南的南极板块相对南美板块的约22.0 mm·a^-1的东偏南俯冲,由于洋脊俯冲效应,智利三联点自5.3Ma以来,整体由南向北作迁移运动,同时因为智利洋脊被转换断层切割成多个小段,导致智利三联点的性质在RTT型与FTT型间不断转变,当智利三联点为FTT型时,其运动方向改变为反向自北向南迁移,使得部分地区会经历多段洋脊的重复俯冲,从而导致洋壳玄武岩多次经历800~900℃的温度条件和低压（10~20 km深度）下的部分熔融,使熔体与残留物从第一次相平衡后形成的中性岩石,在经历又一次的部分熔融后形成酸性岩,这也是我们在三联点交替向北向南迁移的位置,多处发现弧前酸性岩存在的重要原因.

     

洋脊俯冲与斑岩铜金矿成矿

很多大型、超大型斑岩铜、金矿都与洋脊俯冲密切相关. 环太平洋地区是世界上探明的超大型斑岩铜、金矿聚集的地区, 其中东太平洋沿岸中、南美洲的智利、秘鲁等地分布着多个正在俯冲的洋脊, 多数洋脊俯冲带都形成了大型、超大型斑岩铜、金矿; 而西太平洋的洋脊俯冲的数量少、规模小, 相应的斑岩铜、金矿的规模和数量都明显少于东太平洋, 造成了环太平洋地区斑岩铜、金矿分布不均一的特征. 其原因在于, 在洋脊俯冲过程中, 热的、年轻的洋壳容易发生部分熔融形成埃达克岩, 由于铜、金是中度不相容元素, 其在洋壳中的含量远比地幔和陆壳的平均丰度高, 因此, 洋壳部分熔融形成的岩浆具有系统偏高的铜、金含量, 有利于形成斑岩铜、金矿. 在中国东部、中亚造山带等地区剥蚀程度较低的地段寻找洋脊俯冲的迹象将有助于寻找大型、超大型斑岩铜、金矿以及其他相关矿床.     

洋脊和年轻洋壳俯冲与埃达克岩生成的热模拟

新生代以来 ,环太平洋周边分布的埃达克岩 (Adakite)主要与年轻洋壳俯冲时在 70～ 90km深处的部分熔融有关。利用数值方法 ,模拟了洋壳俯冲的热演化过程并讨论了脱水、熔融对埃达克岩浆活动的影响。结果表明 :仅在活动海岭俯冲前后约 10Ma内 ,年轻的、热的俯冲海洋板片在 75～85km深度范围内 ,温度升高至 82 5～ 10 0 0℃脱水 ,导致年轻洋壳中角闪岩部分熔融 ,形成埃达克岩(Adakite)。而一般洋壳俯冲在 10 0km以下深度才脱水 ,由于脱水区压力较高洋壳自身不能熔融 ,水进入上覆地幔楔状体导致部分熔融 ,形成安山岩 (Andesite     

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.

     

加拉帕戈斯三联点北部岩石层的开裂

加拉帕戈斯三联点是由科科斯板块、纳斯卡板块和太平洋板块在加拉帕戈斯微板块处汇聚形成的脊-脊-脊型三向连接构造。在科科斯—纳斯卡裂谷的大部分内斜坡以北区域,长约250km、宽约50km的西北—东南向的火山岩裂谷横插在东太平洋海隆的南北向海山上。在过去的4百万年中,东北—西南向的东太平洋海隆为一系列的较小裂谷提供了条件,使得那些小裂谷通常与东太平洋海隆共同形成三联点,而且与正在扩张的科科斯—纳斯卡裂谷有50～100km的距离。本文假设该裂谷的位置是由压力控制的,并且压力与占主导作用的科科斯—纳斯卡裂谷相关,随着与东太平洋海隆的距离增大而增大。我们推测,在科科斯—纳斯卡裂谷的南侧也曾有类似的短暂性的裂谷发生,并且曾有助于旋转的加拉帕戈斯微板块的初期形成(大约是1.5百万年)。     

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660 km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660 km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660 km不连续面.

     

西太平洋板块向我国东北地区深部俯冲的数值模拟

本文采用依赖温度的黏度结构以及考虑海洋板块和大陆板块厚度差异等特征,以太平洋板块向欧亚板块会聚速率作为板块速度的主要约束,通过变化海沟后撤速度模型,数值模拟西太平洋板块向中国东北的俯冲过程.结果表明,要产生类似于中国东北之下低角度的板片俯冲,海沟后撤是重要条件;而上下地幔黏度的较大差异是决定俯冲板片不穿透660 km相变面的决定因素;西太平洋板块向欧亚板块的俯冲应早于70 Ma B.P.,海沟后撤速度可能小于一些地质学家估计的45 mm/a, 而且可能是分阶段变化的;速度场表明运动学模型的反过程：大陆岩石圈之下物质的不断水平向东的流动和推挤可能成为海沟后撤的力源之一,地幔物质的这种东向流动可能与印度板块挤压碰撞欧亚板块有关,沿欧亚板块东缘的扩张构造可能是太平洋-欧亚板块运动和印度-欧亚板块运动的综合效应.     

郯庐断裂带是热异常带吗:来自断裂带南段热流的约束

郯庐断裂带是东亚最重要的断裂之一,在构造地质、岩石矿物、地震分布等领域得到了广泛的关注,然而少有针对郯庐断裂带地热学的研究.本文作者对郯庐断裂带南段7口钻井进行了系统测温,采用光学扫描法测试了6口钻井的142块岩心和13块露头样品的热导率,获得了6个高质量的热流数据.结合已发表的热流和地震剖面资料,我们获得了郯庐断裂带南段的岩石圈结构.研究表明,郯庐断裂带南段现今地温梯度从南到北有增大的趋势,介于21.8~30.3℃·km^-1.大地热流值介于44.0~81.7 mW·m^-2,平均61.4±10.8 mW·m^-2,表现为正常大地热流的特征,并非热异常带.最大热流值出现在庐枞盆地的大陆科学钻探井ZK03处,上地壳浅部极高的生热层很可能是高热流的主要因素.沿郯庐断裂南段地震带浅源地震发震带的底界和350℃等温面耦合较好,指示了深部结构的差异.

     

Variation of continental mantle heat flow with age. Possibility of discriminating between thermal models of the lithosphere

Continental mantle heat flow values are obtained by subtracting the radiogenic heat produced in the lower crust and lithosphere beneath the crust from reduced heat flow values reported for various heat flow provinces. The significance of continental mantle heat flow values thus obtained is that they can be considered essentially as representing the residual heat of cooling of the continental lithosphere. A plot of these mantle heat flow values against 1/t where t is the geologic age of the last thermal event suggests a linear trend. It is also found that the recently proposed relationQ=500 (1/t) for the variation of oceanic heat flowQ (in mW/M²) with aget (in million years) provides a reasonably good fit to the mantle heat flow data. The constant thickness plate model however, is found to be unsatisfactory in explaining the variation of continental mantle heat flow with age.     

南海南部礼乐盆地礁体发育区的构造热演化特征

礼乐滩是礼乐盆地的重要组成部分,自晚渐新世礼乐地块裂离北部陆缘后开始发育礁灰岩.为认识这些长期浸没海水中的礼乐礁体及其下伏地层的热状态与热演化特征,在详细分析礼乐滩钻井测温数据和镜质体反射率数据的基础上,对一条穿过礁体的骨干剖面进行了构造热演化数值模拟.结果显示,礁体区钻井2000~4500 m深度范围内温度介于30~90℃之间,井底与海底之间的平均地温梯度仅10℃·km^-1左右,地温梯度随深度逐渐增加,3000~4000 m深度段地温梯度介于32~37℃·km^-1;礁体下伏地层有机质曾经经历了比现今所处温度更高的古温度.进一步分析表明,高孔高渗的礁体上部因与周围低温海水发生热交换,导致地层温度降低、地温梯度和热流降低甚至为负值;与海水热交换作用随深度增加而减弱并最终停止,地层温度逐渐升高,地温梯度和热流值趋于正常;现今钻井3000~4000 m深度段地温梯度约为35℃·km^-1,基底热流可能介于65~75 mW·m^-2,平均约为70 mW·m^-2;礁体发育区有机质热成熟度主要是在礁体与周围低温海水发生实际热交换前获得的,礁体与海水热交换作用导致地层温度逐渐降低,有机质热成熟度增长缓慢,现今生烃门限深度明显大于邻近的北1凹陷中部区域的门限深度.

     

利用大地测量和地热资料联合确定黑水—泉州地学断面东段岩石圈热及强度结构

黑水泉州地学断面因其所处的特殊地理位置和所受复杂地球动力学机制的影响,而备受地学界的关注.但要弄清控制岩石圈动力机制的重要影响因素之一——热动力,还需对岩石圈的热结构有更细致的研究.地热学研究作为一种独立的地球物理学方法,在地球内部结构及地球动力学研究中发挥着越来越重要的作用.根据地热资料来研究地球深部热结构是一种最为直接有效的方法,但是,我国地热资料的相对匮乏严重阻碍了地热研究的进展.本文将引入地形、重力等大地测量观测资料作为约束条件,基于岩石圈均衡原理,综合地热和重力学方法联合确定黑水泉州地学断面东段岩石圈热结构,弥补了传统地热研究方法的不足.基于黑水泉州地学断面岩石圈二维温度分布结果,本文计算了该岩石圈的强度分布,并对其岩石圈的热结构和流变结构特征展开了分析和讨论.     

渭河盆地岩石圈热结构与地热田热源机理

岩石圈热结构是盆地现今地温场研究的重要延伸和扩展,是了解大陆岩石圈构造变形及演化等大陆动力学问题的重要窗口,更是地热田热源机理研究的核心问题.本次工作,在系统分析渭河盆地现今地温场和水动力系统基础上,编制了渭河盆地大地热流分布等值线图;通过实测生热率等热物性参数,利用一维稳态热传导方程计算了研究区岩石圈热结构,并分析了渭河盆地岩石圈热结构特征和地热田热源机理.结果表明,渭河盆地现今大地热流值分布范围为62.5~80.2 mW·m-2,平均为70.8±4.8 mW·m-2,西部明显高于东部,西安坳陷最高,咸礼凸起次之;渭河断裂并不是控热断裂,其沟通作用引起的水热循环一定程度上影响了浅部热量再分配,对渭河盆地地温场并没有起到明显的控制作用.西安坳陷-咸礼凸起地壳热流介于32.2~37.5 mW·m-2之间,平均为34.6 mW·m-2;地幔热流分布范围为33.8~38.9 mW·m-2,平均为36.0 mW·m-2;地壳热流和地幔热流的总体变化趋势一致,西安坳陷高于咸礼凸起,分析认为西安坳陷沉积层厚度大于后者,且沉积层放射性生热率更大,是造成西安坳陷地壳热流高于咸礼凸起的原因,而西安坳陷相比咸礼凸起更高的地幔热流,表明西安坳陷深部活动性强于咸礼凸起.西安坳陷和咸礼凸起地壳/地幔热流比值相近,介于0.93~1.01之间,平均为0.96,"热"岩石圈厚度约为95~101 km.渭河盆地岩石圈热结构特征与鄂尔多斯盆地在很大程度上具有相似性,暗示着二者具备相似的深部稳定性,这与渤海湾盆地为代表的中国东部中-新生代主动裂谷盆地岩石圈热结构特征截然不同,表明渭河盆地为被动伸展裂陷.从鄂尔多斯盆地、渭河盆地、山西裂谷到华北盆地,"热"岩石圈厚度的有序变化表明太平洋板块俯冲引起的地幔对流对华北地块深部动力学行为的影响主要发生在太行山以东,而太行山以西的鄂尔多斯盆地和渭河盆地则影响甚微,这种空间差异影响从侧面暗示着华北克拉通破坏过程的有序性.综合分析渭河盆地地质-地球物理资料认为,岩石圈表层伸展破裂、深部重力均衡调整进而引起软流圈被动上涌,其产生的相对高地幔热流的热传导和深大断裂沟通的水体热对流相互叠加作用,共同构成了渭河盆地中-低温地热田的热源机理.     

珠江口盆地大地热流特征及其与热岩石圈厚度的关系

沉积盆地现今热流特征是岩石圈构造-热演化过程的综合反映和盆地热史恢复的必要约束条件,其总体变化趋势与热岩石圈厚度密切相关.本文根据新收集的珠江口盆地19口钻井温度数据,新增计算了19个大地热流数据,其中12个数据位于深水区（水深大于300 m）,丰富了该盆地深水区钻井地热数据.结合前人研究成果,绘制了该盆地的大地热流图,并分析了其热流分布特征.在此基础上通过求解一维热传导方程,计算得到36口井位处的热岩石圈厚度,量化了盆地大地热流与热岩石圈厚度间的关系.结果显示,珠江口盆地大地热流值介于24.2~121.0 mW·m-2,平均71.8±13.6 mW·m-2,新增盆地深水区钻井平均热流值高达84.5±4.4 mW·m-2.大地热流分布整体上从陆架区到陆坡区升高,而热岩石圈厚度整体分布趋势与大地热流相反.大地热流与热岩石圈厚度间存在良好的指数相关性.     

Heat flow in the Basin and Range province and thermal effects of tectonic extension

In regions of tectonic extension, vertical convective transport of heat in the lithosphere is inevitable. The resulting departure of lithosphere temperature and thickness from conduction-model estimates depends upon the mechanical mode of extension and upon how rapidly extension is (and has been) taking place. Present knowledge of these processes is insufficient to provide adequate constraints on thermal models. The high and variable regional heat flow and the intense local heat discharge at volcanic centers in the Basin and Range province of the United States could be accounted for by regional and local variations in extensional strain rate without invoking anomalous conductive heat flow from the asthenosphere. Anomalous surface heat flow typical of the province could be generated by distributed extension at average rates of about 1/2 to 1%/m.y., similar to rates estimated from structural evidence. To account for higher heat flow in subregions like the Battle mountain High, these rates would be increased by a factor of about 3, and locally at active bimodal volcanic centers, by an order of magnitude more.     

青藏高原东南缘热流估算及与地震活动相关性分析

青藏高原东南缘地区内部构造运动强烈,是地热资源发育与地震事件频发的活动地区.大地热流记录了发生在地球深部各种作用过程的热学信息,可以作为地质构造活动和地震活动研究的有效约束,但是大范围的热流数据测量很难实现,因此,本文根据居里面深度结合放射性元素分布等计算了青藏高原东南缘的大地热流分布.首先,通过地表放射性元素的分布计算出地表产热量的分布,然后,利用相关地热参数之间的关系迭代计算出该地区地壳上下层的热导率分布,最终估算出地表热流及地下不同深度处热流值的分布.本文结果表明：（1）青藏高原东南缘的大地热流位于44~108 mW·m^-2之间,平均75 mW·m^-2,符合研究地区西南高、东北低的背景趋势,地壳内部热流值随深度的增加而降低.大部分地区地表热流异常与实际地热带分布相吻合,如川西、藏东南与滇西地区等地为地热高值区,川东和楚雄等地为热流低值区.（2）结合其他地球物理探测结果,总结了地壳内部热流与地震事件的联系：在地热梯度带地区,当两侧地层在一定深度范围内存在明显物性差异时,地震事件高发.

     

华北地区水位下降是否会减缓气温上升——浅部地温影响的数值模拟分析

华北地区由于长期持续的地下水过量开采,导致了大面积地下水位大幅下降,引发地面塌陷、地下水质污染等一系列地质环境问题,这些现象早已为人们所熟知和关注.然而地下水位下降还会造成百米量级浅部地温及其梯度的变化,因此即使来自地球深部的大地热流密度没有变化,年度平均的从表浅部位通过地表实际传导进入大气的热流密度会减小,这是中外文献中尚未见讨论过的问题.我们通过数值模拟发现假定大地热流密度不变的条件下,华北数万平方公里地下水位下降会造成百米尺度内的地温降低,从而传入大气的热流密度降低40%以上,且会持续数百年以上的时间.这种长时间大范围的传导入大气的热流密度变化对环境会造成什么影响是一个十分值得关注的问题.这一预测在一定程度上得到了气象站地温观测数据的支持,但由于目前气象观测站只有3.2 m深度范围内的地温资料,累计不超过5、60年,中间还有10余年的间断,而且表浅深度地温受地表多种因素的影响也较大,这些资料难以对我们关心的地下水位下降引起流入大气的热流密度变化这一问题提供直接确凿的数据来进行分析,因此今后有必要开展对地下数十乃至数百米地温进行持续精确的监测工作.