大洋深俯冲带流变性质及其地球动力学意义——来自地幔岩高温高压实验的启示

在压力3GPa,温度1450～1600K,应变速率10-4～10-5s-1条件下,对深俯冲带和上地幔中两种重要岩石（榴辉岩和方辉橄榄岩）的流变性质进行了实验研究,获得了榴辉岩在超高压条件下的流变参数,应力指数为3.4,活化能为480kJ/mol,活化体积为12cm3/mol.实验结果表明具有中等石榴石含量榴辉岩的流变强度与方辉橄榄岩的流变强度在上地幔浅部条件下基本相当,是多晶绿辉石岩强度的2～3倍和多晶石榴石岩强度的一半.随榴辉岩中石榴石含量的逐步增加,岩石的整体流变强度也不断增大.在实验研究基础上,计算了不同板块汇聚速率条件下深俯冲大洋岩石圈在不同深度层次上的流变强度,以及橄榄岩和榴辉岩上地幔流变强度随深度的变化.研究表明,俯冲洋壳从下覆的上地幔拆离出来最有可能发生在缓慢俯冲的热俯冲带中;而快速俯冲的冷俯冲带,俯冲地壳与上地幔之间在强度上是耦合的,发生拆离的可能性不大.过渡带是上地幔中除岩石圈地幔外的高强度和高黏度层.     

俯冲带深部物质的非均匀流变及其地球动力学意义

计算表明,俯冲带深部主要矿物相的流动强度差异很大。俯冲带矿物流动强度的差异和构造环境复杂性预示着俯冲带深部物质变形是非均匀的,这种非均匀性是控制俯冲带内许多地质、尤其是动力学过程的重要因素之一。通过分析俯冲带构造物理背景和俯冲带深部矿物流变性质变化,研究了俯冲带深部非均匀变形的特征,在此基础之上讨论了板舌变形的几何形态、俯冲带火山活动性、中、深源地震活动性、板舌下插深度和消减过程与俯冲带非均匀变形的相变性。     

俯冲带流变性质的研究

对不同俯冲速度下俯冲带的热结构和相结构进行了耦合计算, 并结合矿物流变的理论和实验结果给出了不同俯冲速度下俯冲带的流变结构. 浅部俯冲带上表层有1034 Pa·s以上的高粘度值, 而俯冲带下表层的粘度则较小, 但也大于1026 Pa·s; 在橄榄石-尖晶石动力学相变界面以下的深度, 俯冲带的粘度有明显的减小, 最低可达约1022 Pa·s; 在700 km附近尖晶石相-钙钛矿相变界面以上的小区域内有一个粘度明显高于周围区域的高粘度区, 其存在是因为尖晶石相-钙钛矿的相变是一个吸热过程; 尖晶石相占1%到99%的等值线之间的距离有从浅部的约1 km到最底部的约5 km的变化, 初步估计这是高粘度的俯冲带深部的一个低粘度区, 其存在将影响俯冲带的动力学性质.     

西北太平洋俯冲带及其深震活动

俯冲带是理解地球内部物质循环和能量交换、大陆岩石圈演化、地震和火山活动及矿产资源分布等的重要环节.本文聚焦于西北太平洋俯冲带,通过汇集多种地震观测研究结果,清晰地揭示了由日本海沟至中国东北的俯冲板片整体活动图像,即整个西北太平洋俯冲板片的主压应力轴一致地稳定在俯冲方向上,俯冲板片上深浅部的显著地震活动存在密切的关联性;俯冲板片深处的亚稳态橄榄岩楔形区及其周边是深源地震多发区,深源地震可能是由亚稳态橄榄岩楔形区内的相变断层开始破裂的;在410~660 km深的地幔过渡带内处观测到的俯冲板片上下界面,揭示了俯冲板片的层状组分结构和板块下侧的高含水量.为更好地约束日本海下方的俯冲板片结构和深入探讨西太平洋的俯冲动力作用,有待于在全球罕有的大陆深部不断发生深震的西北太平洋俯冲区,开展海陆联合的地球物理探测及岩石高温高压实验和地球动力学模拟等研究.

     

俯冲带主要含水矿物弹性波性质研究现状及展望

俯冲带中的含水矿物对物质循环和水迁移等有着极其重要的作用,同时也是俯冲带中的地震波速异常的主要原因．本文总结了近20年来,国内外对俯冲带三种主要含水硅酸盐矿物（蛇纹石、绿泥石和角闪石）弹性波速研究取得的重要成果：含水矿物普遍具有低波速、高各向异性的特点;压力增加波速增加,但波速各向异性降低．富含水矿物的岩石,波速各向异性随着含水矿物含量的增加而增大,同时受到含水矿物晶格择优取向（LPO）类型以及岩体中裂隙的影响．含水矿物LPO引起的地震波速各向异性特征与俯冲的角度有关,在低角度的俯冲带中会引起垂直于海沟方向的快速传播,而在高角度的俯冲带中引起平行于海沟方向的快速传播．文章最后针对目前俯冲带中含水矿物弹性波速研究中存在的问题,提出了未来需要在三个方面加强研究．     

秦岭北界岩石圈组成及结构--河南明港地区深源捕虏体研究

位于北秦岭及华北块体交界处的明港地区发育有中基性火山角砾岩岩体群, 侵位时代为178.31±3.77 Ma, 火山岩为亚碱性系列安山玄武岩, 火山角砾岩中含有丰富的下地壳和地幔的深源捕虏体, 是揭示秦岭造山带边界岩石圈组成和结构的理想地点. 对捕虏体岩套研究的结果表明, 其中的镁铁质麻粒岩、榴辉岩、变辉长岩在微量元素及Pb同位素特征等方面与南秦岭块体的相似, 代表了南秦岭俯冲至华北克拉通的下地壳下部的组成; 滑石化的橄榄岩为上覆的华北块体的地幔楔物质, 遭受了下覆南秦岭地壳释放的酸性熔/流体的交代. 该区的深部模型为晚古生代以后, 南秦岭岩石圈向北拆离俯冲, 它的上部垫置于北秦岭之下; 下部继续向北俯冲于华北块体之下. 中生代早期北秦岭向北仰冲, 华北块体呈鳄鱼状向南楔入到秦岭造山带.     

塔里木北缘岩石圈热-流变结构及其地球动力学意义

结合塔里木北缘的库车坳陷和塔北隆起这两个构造单元的地温资料和岩石热物性参数, 利用一维热传导方程, 给出了塔里木北缘地区岩石圈的热结构. 塔里木北缘地区平均地表热流为45 mW/m2左右, 地幔热流约为20~24 mW/m2, 莫霍面温度为514~603℃, 热岩石圈厚度138~182 km. 在此基础上, 根据该区地震测深剖面揭示的P波速度结构和岩石学, 结合流变学模拟进一步确定了该区的岩石圈强度及其分布特征. 研究结果表明, 岩石圈的流变分层现象明显, 整个上地壳和下地壳部分以脆性性质为主, 下地壳底部才显韧性性质, 壳下岩石圈地幔也表现为脆性性质, 具有典型的“三明治”结构. 此外, 岩石圈强度也具有横向变化的特征, 隆起区强度大于坳陷区强度; 从南往北, 强度依次降低, 塔北隆起南部强度最大, 库车坳陷强度最小. 塔里木北缘地区岩石圈拉张背景下强度为4.77×1012 ~ 5.03×1013 N/m, 挤压背景下为6.5×1012 ~ 9.40×1013 N/m, 其脆-韧性转换深度在20 ~ 33 km之间. 塔里木北缘的岩石圈较冷且强度较大, 岩石圈表现为刚性并以整体变形为主. 该区地震活动性研究也表明了这一整体变形的地球动力学特征.     

马尼拉俯冲带缺失中深源地震成因初探

马尼拉俯冲带是整个南海地震活动多发区,地震成因与南海的形成和构造演化关系密切.对马尼拉俯冲带地震数据和层析成像结果进行了深入分析.结果表明:马尼拉俯冲带的地震活动主要为密集的浅源地震,缺失中深源地震.进一步分析揭示:①脱水和榴辉岩的形成在南海洋壳到达软流圈前就基本停止.马尼拉俯冲带南部在较浅的深度就转变为塑性变形,并停...     

日本海沟俯冲带热结构与深源地震

本文利用有限差分方法,计算了全地幔对流模式和双层地幔对流模式下日本海沟俯冲带热结构、浮力及P波速度异常分布,基于亚稳态橄榄石相变模型推测亚稳态橄榄石的存在范围,同时分析了热传导系数、热膨胀系数和热源对俯冲带热结构的影响,以及俯冲带所受浮力与俯冲带形态的关系.结果表明,双层地幔对流模式下模拟的P波速度异常分布与层析成像结果更为相符,也与深源地震的分布有较好的相关性.板块内部亚稳态橄榄石的存在范围随热传导系数和热膨胀系数的减小而增大,同时忽略相变潜热和剪切生热的影响也会造成模型所预测的亚稳态橄榄石范围偏大.俯冲带所受负浮力在400 km深度附近达到最大值,亚稳态橄榄石的存在使负浮力逐渐减小,甚至在板块内部产生正浮力,不利于俯冲带穿透660 km相变界面.     

大陆深俯冲带的地壳速度结构——东大别造山带深地震宽角反射/折射研究

在安徽大别山(东大别)进行的深地震宽角反射/折射探测获得6条二维地壳速度结构剖面. 结果显示，东大别造山带地壳为一高速穹隆构造，在其核部中、下地壳变质岩出露于地表，波速高达5.0km/s；在其翼部，上、中地壳发育速度约6.1km/s的壳内低速层(体). 莫霍面的起伏变化较大，中心部位深达41km左右，周边地区则抬升到32～34km. 在晓天—磨子潭断裂一线下方莫霍面垂向错断，断距约4km. 东大别造山带具有大陆深俯冲-碰撞造山带地壳结构的典型式样. 莫霍面错断与扬子陆块深俯冲有关，错断处表征扬子与华北陆块碰撞缝合的深部位置. 高速穹隆构造可能是两陆块碰撞挤压的产物，穹隆翼部上、中地壳发育的低速滑脱带(面)可能在碰撞期之后的地壳伸展、超高压变质岩从中地壳抬升出露于地表过程中起到重要作用.     

俯冲带橄榄岩及其记录的壳幔相互作用

俯冲过程是板块构造运动的核心过程,而地幔楔作为俯冲系统中连接俯冲盘和仰冲盘的关键构造单元,在地球层圈之间物质循环和能量交换等方面发挥了重要作用.本研究汇总了全球代表性俯冲带橄榄岩(包括俯冲带型蛇绿岩和地幔楔型造山带橄榄岩)的研究现状,并展望未来需要解决的关键科学问题.俯冲带型蛇绿岩地幔单元和地幔楔型造山带橄榄岩分别代表着大洋和大陆俯冲带侵位的地幔岩石,是研究俯冲带壳幔相互作用的关键对象.该相互作用的本质是俯冲板片和地幔楔之间在物理过程主控下发生复杂的化学交换作用.俯冲带型蛇绿岩能够记录从大洋岩石圈产生到俯冲启动直至成熟到消亡等不同阶段复杂的熔-岩和水-岩相互作用、变形变质过程、金属成矿元素富集以及壳幔物质交换等.地幔楔型造山带橄榄岩则反映洋-陆和陆-陆俯冲/碰撞、折返等阶段强烈的变形变质历史,多种性质的熔/流体交代作用(硅酸盐熔体、碳酸盐熔体、含硅酸盐组分的C-H-O流体/超临界流体),以及复杂的壳幔物质循环过程等.利用俯冲带橄榄岩进一步探索壳幔相互作用,需要采用高空间分辨率、高精度的测试方法从微观尺度上约束复杂的化学交代过程和变质变形历史,并与宏观构造的时、空演化相联系.     

西太平洋俯冲带的研究及其动力学意义

讨论了西太平洋俯冲带的分布及特征、西太平洋Ｗａｄａｔｉ－Ｂｅｎｉｏｆｆ带的形态及俯冲带上的应力状态及太平洋板块、菲律宾海板块与欧亚板块之间的相互作用;总结了地震层析成像结果;计算了俯冲板块在地幔中引起的Ｐ波速度异常,提出了俯冲板块与６６０ｋｍ间断面相互作用的４种可能;研究了俯冲板块物理性质的变化、俯冲板块产生的负浮力及其影响因素;提出需要开展俯冲带对东亚大陆构造运动和演化的影响、俯冲带相互关系及演化的研究．     

藏南地区中深源地震精确定深研究及其地球动力学含义

利用2004～2005年Hi-CLIMB计划架设在藏南日喀则附近由28台宽频带数字地震仪组成的二维台阵的地震记录,应用双差层析定位方法(TomoDD)对454个区域地震进行了精确重定位,共确定了340个地震的精确位置.发现区域震源深度呈明显的双层分布,其中有21 个地震的深度在50～80 km之间,与该地区的莫霍面深度相近.通过不同深度震源的理论地震图与实际地震图对比的方法,发现震源位置位于莫霍面上下地震图的震相存在明显差异,从而给出了存在地幔地震的直接观测证据.这一发现,对长期争论的地幔地震是否存在及大陆岩石圈流变结构的“三明治”模型有重要参考意义.     

西太平洋俯冲带的研究及其动力学意义

讨论了西太平洋俯冲带的分布及特征、西太平洋Ｗａｄａｔｉ－Ｂｅｎｉｏｆｆ带的形态及俯冲带上的应力状态及太平洋板块、菲律宾海板块与欧亚板块之间的相互作用；总结了地震层析成像结果；计算了俯冲板块在地幔中引起的Ｐ波速度异常，提出了俯冲板块与６６０ｋｍ间断面相互作用的４种可能；研究了俯冲板块物理性质的变化、俯冲板块产生的负浮力及其影响因素；提出需要开展俯冲带对东亚大陆构造运动和演化的影响、俯冲带相互关系及演化的研究．     

亚稳态橄榄石对俯冲带负浮力的影响及其动力学意义

利用有限元方法,计算了不同俯冲速度及热传导系数俯冲岩石层的负浮力.在h-lt;400km和h-gt;740km的深度范围,低温高密俯冲带的负浮力随深度单调增加.因为尖晶石相到后尖晶石相的相变有负的克兰帕龙斜率,俯冲带冷的物质在660km间断面以下不到100km的深度范围内仍以低密度的低压物质相存在.所以在该深度范围,俯冲带受到了周围地幔阻止其插入下地幔的浮力作用.在400km-lt;h-lt;660km深度范围,由于受橄榄石相变的影响,不同计算模型负浮力随深度的变化有明显的不同.对于可能的相变动力学模型,亚稳态橄榄石的存在使负浮力随深度的增加值减小.其作用是不利于俯冲带直接穿透660km间断面,并引起该深度范围俯冲带沿俯冲方向压应力分布的变化.     

亚稳态橄榄石对俯冲带负浮力的影响及其动力学意义

利用有限元方法,计算了不同俯冲速度及热传导系数俯冲岩石层的负浮力.在h-lt;400km和h-gt;740km的深度范围,低温高密俯冲带的负浮力随深度单调增加.因为尖晶石相到后尖晶石相的相变有负的克兰帕龙斜率,俯冲带冷的物质在660km间断面以下不到100km的深度范围内仍以低密度的低压物质相存在.所以在该深度范围,俯冲带受到了周围地幔阻止其插入下地幔的浮力作用.在400km-lt;h-lt;660km深度范围,由于受橄榄石相变的影响,不同计算模型负浮力随深度的变化有明显的不同.对于可能的相变动力学模型,亚稳态橄榄石的存在使负浮力随深度的增加值减小.其作用是不利于俯冲带直接穿透660km间断面,并引起该深度范围俯冲带沿俯冲方向压应力分布的变化.     

长白山天池火山地震活动与西北太平洋俯冲带内中深源地震关系的研究

根据长白山火山活动的地球动力学背景,综合分析西北太平洋俯冲带俯冲作用所引起的中深源地震与长白山火山地震活动及温泉流体化学气体释放变化趋势的关系。认为在北纬35°以北,西北太平洋板块俯冲作用引起的地幔对流的扰动作用下,长白山火山活动从1999年至目前大体经历了3个阶段:1999年6月至2002年5月为扰动起始阶段,2002年6月至2004年为扰动增强阶段,2005年至目前为扰动衰减阶段。在分析了3个阶段内长白山火山地震活动及温泉气体释放特征的基础上,讨论了长白山天池火山目前的活动状态。从日本海至中国东北深源地震区地震活动期和平静期存在的韵律性活动过程出发,对长白山天池火山未来喷发的可能性进行了分析     

华北地区拆离滑脱带控震作用初探

华北东部盆岭区以地震多、震级大、损失惨重而称。以往地震地质研究多注重断裂交汇、拐点、分枝等部位的控震作用。但是，华北盆岭区多次大震的烈度并不呈线型展布，震源也并非沿陡倾断裂走向分布，而是在一定深度上(近水平)弥散展布，故人们开始注意深部滑脱带控震的探讨。笔依据近十余年华北地幔亚热柱的研究认为，华北断陷区之下为—强烈上隆的地幔亚热柱。地幔物质的上隆及上侵作用使上地壳裂解断陷，而中地壳在地幔、下地壳的影响下形成相间展布的低速—高导层。在地幔亚热柱热物质流向外拆离的带动下，中、下地壳亦由亚热柱顶部向外围拆离滑脱。当中、下地壳拆离到上地壳裂陷盆地边缘受到造山带的阻挡而减慢时，两之间便产生剪切作用，导致应力不断积聚并阶段性释放，从而造成亚热柱外围地震频繁发生。     

环太平洋俯冲带内双地震带及其成因机制研究进展

俯冲带作为地球最为庞大的循环系统的重要组成部分,已成为地球科学的研究热点之一.很多俯冲带,特别是环太平洋俯冲带内的中深源地震,在空间上呈明显的分层分布,并且各层地震具有不同的震源机制,即所谓的双地震带现象.本文简要介绍了环太平洋双地震带形态特征与震源机制的空间分布,并回顾了双地震带的几种成因模型.根据形态特征和震源机制的差异,中源深度的双地震带可以分为两类,其中,一类双地震带对应上、下二层分别为压缩和张性的地震分布;另一类双地震带的震源分布较浅,且其浅部地震以横向压缩为主.此外,日本本州东北俯冲带的地震分布可能是由三层地震带组成的,而且汤加、伊豆-小笠原地区还发现深源深度的双地震带.通过对双地震带的形态特征以及其热力学条件的研究,人们从抗弯作用、脱水脆化、相变断层等多方面,尝试建立解释双地震带成因的模型.目前,大多数研究利用数值计算结果,结合蛇纹石脱水脆化、相变断层模型,能够不同程度地分别解释中源和深源双地震带成因.不过,这些模型几乎相互独立,并不能同时解释中源和深源双地震带.有人试图尝试用统一模型解释中深源地震成因,例如,先前存在的断层模型,不过该模型还不很具有说服力.也可能是多种因素的联合作用,共同影响着俯冲板内的温度场、应力场分布.     

汤加-克马德克俯冲带现今非均匀应力场特征及其动力学意义

汤加-克马德克俯冲带是太平洋板块向澳大利亚板块俯冲碰撞的动力作用区,是全球俯冲带动力学研究的热点区域.本研究基于EHB地震目录,对汤加-克马德克俯冲带(18.5°S-28.5°S)区域进行平面拟合,得到该范围内俯冲带走向约为196°,倾角约为48°;利用该俯冲带研究区域内Global CMT目录,对不同位置、不同深度进行区域应力张量反演,得到汤加-克马德克俯冲带研究区内精细的应力图像.结果显示:(1) 俯冲带浅部(60~300 km)应力结构非均匀特征明显,主应力轴倾伏角变化多样,并且最大主压应力轴方位在24°S左右发生明显偏转,我们推测这可能与洋底构造路易斯维尔海链俯冲有关;(2)中部(300~500 km)最大主压、主张应力轴由北向南逐渐发生偏转,这可能与由北向南流动的地幔流对俯冲板片产生推挤作用有关,并且这种推挤作用向南逐渐减弱;(3)深部(500~700 km)最大主压应力轴沿俯冲方向分布;(4)本文的结果还发现了主俯冲带深部西侧"偏移"板片与主俯冲带应力结构不同,表明"偏移"板片与主俯冲带是分离的.