全球大地震时空分布与动力学机制的初步研究

文中根据最新的全球大震资料划分了 10 0a来全球特大地震的时空演化过程 ,表现为环太平洋带与近纬向活动带两种强震分布图像 ,以 2 0a左右的时间段交替出现。逆冲和引张型地震释放了全球强震能量的主要部分。逆冲型地震主要发生在环太平洋地震带上 ,在喜马拉雅碰撞边界和巽他弧也有发生。引张型地震主要出现在洋脊和裂谷地区。而走滑型地震主要分布在东亚大陆内部、北美板块西边界和加勒比板块的周边、西南太平洋带、以及地中海 -喜马拉雅带部分区域 ,呈近纬向分布。地幔对流的垂直运动与水平运动分量的比率 ,决定了逆冲、引张与走滑型强震的能量释放份额。地幔运动在地表体现在逆冲、引张与走滑型强震空间分布的区域差异性。这种差异在时间上的演化形成了全球强震活动环太平带与近纬向分布图像的交替出现。     

板块俯冲是由于它本身的重量引起

曾于1970年左右听到有一种说法,认为“板块运动似乎并不直接反映地幔热对流”,亦即主张地幔上升产生海岭,而不是载于热对流之上的板块运动——古典的地幔对流论的说法,道理就是地幔物质在板块的间隙中自下而上被动上升成为中央海岭.但板块之间究竟为什么出现间隙呢?这乃是板块构造学说的根本问题.研究这一问题,会起到两点重要的作用.弄清板块到底是什么?从目前说最合理的答案将是“板块乃是地幔制造出的热对流中热的边界层”.表面冷却固化的边界层(板块)的密度,应较部分熔融的下层(岩石圈)的密度大.因此板块本身重量很大.不是可浮起的物质.根据东京大学吉井敏尅等人研究得出的,随着     

全球GPS矢量场的分区描述及规律性分析

以平均选择的GPS站点运动年速率编制了全球板块运动矢量场,从而揭示了以下几点规律:1从北大西洋洋脊东侧起,直至西北太平洋岛弧带,欧亚大板块总体呈现顺时针宽弧形运动;2从北大西洋洋脊西侧直至美洲大陆西边缘,北美大板块呈现反时针宽弧形运动;3从南大西洋洋脊东侧起,直至克马德克—新西兰一线,非洲板块和印—澳板块一并呈现从北东指向渐变为北北东指向的运动;4东南太平洋洋脊西侧太平洋板块总体向北西西方向运动;5东南太平洋脊东侧海底大小板块总体向北东东运动;6南美洲整体向北运动;7北极区总体向太平洋北缘运动;南极洲总体向大西洋区运动,并有分裂—对旋迹象。分析上述运动的分区展布,可推论以下几点运动动力学的认识:1拖动全球板块一级运动势态的地幔流可分解为由南极区向北的径向流与由大西洋洋脊和东南太平洋洋脊的东西两侧纬向流的二元动力联合作用,从而造成全球性指向北东和北西的斜向运动;2以重力大地水准面所展现的低阶双重非对称的地球,是引导表壳发育张裂洋脊带和汇聚俯冲带的力学条件;3沿赤道两侧不协调运动带呈现压扭、张扭的复杂变动除了南半球与北半球地幔流在运动指向和速度的差异而造成之外,还可能与地球质心的偏心和南、北半球自转速度的差异变化有关;4南极洲相对环南极洋脊的偏极分流运动还有待进一步研究。在以上认识的基础上,本文讨论了造成三大洋脊在全球表壳的分布、全球深俯冲带仅仅在环太平洋边缘带内发育、北半球和南半球的板块径向、纬向运动有整体性差异等问题的原因。造成上述现象是与地球整体的双重不对称性有关,即北、南半球和0°/180°半球的缩、胀和快、慢的双重非对称,而这种双重不对称性是地球内部物质的热状态、运动状态以及质量分布等原因造成的,我们认为以重力大地水准面所展现的低阶双重非对称的地球表壳,既是约束地幔流的上边界条件,又是引导表壳发育张裂带的力学条件,目前地球表面的这些一级构造因素并不是随意造成的,它们有着深刻的地球物理背景。本文还着重讨论了双重非对称畸形壳体的构造力学背景,根据GPS资料建立了地球热流驱动的地幔经、纬向一级对流格局。     

波罗的与西伯利亚板块古生代运动学特征对比新认识

       古地磁学是进行古板块运动演化过程和古地理重建研究最有效的定量方法之一。在统计全球古地磁数据库（GPMDB） 和前人发表数据的基础上,根据国际上通用的古地磁数据可靠性判别标准--Van der Voo （1990）判据,本文对波罗的板 块（Baltica）和西伯利亚板块（Siberia）古生代古地磁数据进行了重新分析和筛选,利用GMAP 软件重建了两个板块古生代 视极移曲线和古地理方位,对它们的构造演化和运动学特征进行对比分析,获得了几点新认识,即两板块在古生代期间发 生的三次汇聚（晚奥陶世、早石炭世和晚二叠世）过程符合牛顿运动学原则（板块之下是具有很大粘度的地幔软流圈,非 理想条件下不可能完全遵守牛顿运动学原则）,且具有三种不同类型的运动学现象：晚奥陶世（~450 Ma）,波罗的和西伯利 亚板块同向北漂移并汇聚,纬向速度较快的板块波罗的将动能传给了纬向速度较慢的西伯利亚板块;早石炭世（~360 Ma）, 波罗的和西伯利亚板块相向漂移并汇聚,西伯利亚板块向南的板块纬向速度转为向北,波罗的板块向北的纬向速度逐渐减 小并转为向南;晚二叠世（~255 Ma）,波罗的和西伯利亚板块再次相向漂移并汇聚,动能抵消,纬向漂移速率都变为零。     

板块俯冲对济阳坳陷形成的制约

为了研究地幔柱、西太平洋板块俯冲对济阳坳陷的影响, 在前人提出的地幔柱观点的基础上, 总结济阳坳陷的地质特征及关于地震震源分布与板块俯冲的研究成果, 发现济阳坳陷的沉积地层、岩浆活动、构造拉张、地热梯度、密度流成因的储集砂体由南而北有规律地分布; 俯冲板块进入地幔的过程实际上构成了地幔对流的下降流, 地幔660km (或670km) 深处是俯冲板块进入地幔后地幔物质调整所引发的上升流的深度; 西太平洋板块向下俯冲时下插角度由南而北减小, 俯冲板块到达地震不连续面的时间自南向北增大, 使地幔柱由南向北迁移, 导致济阳坳陷的地质、地球物理特征具有规律分布的特点.      

板块动力和地幔对流的一个简单的地球模型

岩石圈板块随着年代的冷却,变厚并消亡,引起大规模水平密度不均匀,势必导致板块运动和地幔流动。我们用与这些密度不均匀有关的量来确定它们能否引起观察到的板块运动。首先,计算二度模型来估算所设的流     

板块构造学说面临的挑战

板块构造学说揭示了海底扩张和板块的水平运动现象,阐明了与板块边界相联系的岩浆活动。但大量资料表明地球历史上岩石圈板块与软流圈是同步耦合运动的,而不是在软流圈上滑移。全球扩张与俯冲的不对称性现象也是不吻合于板块构造理论所期望的。安第斯弧作为洋陆俯冲的典范在地球物理和地球化学上均缺少证据。对于与俯冲带相关的弧后引张、大陆增生、地壳物质返回地幔和成矿作用方面均存在较多的问题。大火成岩省所揭示的岩浆活动现象超越了板块构造的格局,并发生在整个地质历史时期和更广泛的地域范围。大火成岩省学说所解释的大陆增长、地壳物质返回地幔和成矿作用过程完全不同于板块构造学说。驱动地幔柱的深地幔对流假说允许岩石圈板块与下伏软流圈一起运动,吻合铅同位素所揭示的岩石圈与软流圈长期耦合的规律。     

非主题来搞选登

笔者建立了基于地震层析成像的热地幔对流模型,并分别计算了有、无地表板块运动约束下的中国大陆岩石圈底部的地幔对流速度场和水平剪切应力场。结果表明,欧亚板块运动速度对中国大陆地幔浅部的对流速度场影响较大,而对对流应力场的影响较小。在岩石圈底部(约100km深度),对流速度方向差异基本上达到了50%,幅度差异达到了80%以上,而地幔对流应力场的差异在方向上基本上小于10%、幅度上基本上小于20%。因此,如果仅研究岩石圈底部地幔对流应力场,则可以采用无板块速度约束的热对流模型。但如果要研究地幔浅部的对流状态和格局,则需要考虑板块运动速度。     

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。     

矿床,同步耦合断层和惯量差假说

根据找矿预测中发现的问题,从探索矿床的本质特征入手,重新定义了矿床。根据本文定义的“矿床”及其所规定的矿床学研究要点,又继续探索并发现了板块构造理论中的基本概念———转换断层的本质特征,并将具有此类特征的断层定义为“同步耦合断层”。产生同步耦合断层的地球动力学机制是：非均质的地球作变速自转时,在经向和纬向惯性力同时作用下,惯量不同的相邻板块因惯量差诱发的相对运动。为此,提出了新的地球动力学原理———惯量差假说。根据此假说的基本原理分别构思了地球自转处于减速期、过渡期和加速期的全球构造体系框架。指出同步耦合断层的张性耦合区是控制大型、超大型矿床成带分布的重要空间。以此认识指导找矿预测实践,取得了一定的成效。     

南海扩张的动力学因素及其数值模拟讨论

由于南海处于欧亚板块、太平洋板块和印度-澳大利亚板块的交汇区,演化历史十分复杂,历来存在多种成因观点的争论。本文采用数值模拟方法,在XiaBinetal.(2005)、夏斌等(2004)、崔学军等(2005)、谢建华等(2005)相关工作基础上,对南海扩张机制进行了进一步探讨,并针对南海地区“近南北向水平拉张”南海扩张的贡献大小,以及“近南北向水平拉张”与“地幔上涌”在南海扩张中作用的相互关系进行了数值模拟实验。结果表明由印度-欧亚板块碰撞和太平洋板块向欧亚板块俯冲的共同作用,所导致的“南北向构造拉张”和“地幔上涌”的共同作用能有效引起岩石圈和地壳两者很大程度的减薄。因此认为这种“南北向构造拉张”和“地幔上涌”的共同作用方式最有利于南海的扩张。     

浅地幔系统的动力学作用

近年来地幔地球物理三维成像为地下深部构造和物质运动提供了大量数据和信息,促进了人们对浅地幔系统物质运动的特征和动力学作用的认知。按照运动的方向不同,浅地幔系统的物质运动可分为三种主要形式:水平运动、向上涌动和向下沉动。浅地幔系统物质向下运动由地球引力势能引起,其他方向的运动主要由热能和动能引起。除了动力来源之外,浅地幔系统物质运动的方向还取决于岩石圈和软流圈的物质属性,因为高黏度介质阻挡物质运动,而低黏度介质加速物质运动。软流圈物质的水平蠕动差异,产生了岩石圈的伸展、拆离和推覆等复杂构造,速度和动能较大软流圈物质的蠕动,一定会带动岩石圈板块物质的运动和变形。软流圈物质的向上涌动又可以进一步细分为上涌运动、上拱运动和穿刺运动三种方式,它们对上方岩石圈的作用效果是不同的。浅地幔系统的物质下沉运动有多种形式,包括俯冲、拆沉和交代作用,也经常伴随有软流圈物质上涌,在微观上是一种对偶运动。这种对偶运动造成了克拉通地壳的底垫和岩石圈的陆根。软流圈大规模的物质运动,包括大洋中脊物质上涌、大陆碰撞造山和大洋俯冲的前陆拉张,在全球地震层析成像图上都有清晰的反映。中国东南沿海一带是浅地幔系统物质运动的一个特殊地区,可能是由于白垩纪伊佐奈崎板块俯冲,激发东亚大陆边缘软流圈上涌,然后又造成大陆边缘岩石圈局部拆沉等一连串动力学作用叠加形成的。     

板块下的构造及地幔动力学

最新的全球地幔地震层析资料揭示了岩石圈板片可以俯冲到核幔边界，超地幔羽可以从核幔边界上升到地壳上部形成热点。在大陆板块汇聚边界，地幔地震层析图像不仅显示了岩石圈板片的超深俯冲，还保存了拆沉的岩石圈“化石”残片的重要信息。从地幔深部所获取的新资料为全地幔“单层对流“的新模式提供了依据。在介绍上述全球构造研究新动向的基础上，本文强调了研究岩石圈板块必须了解板块下的构造，探索岩石圈板块的驱动力应该从“岩石圈动力学”升华到“地幔动力学”，并提出了大陆板块汇聚边界地幔动力学研究的新思考。     

地幔内板片俯冲运动模式及其大地构造意义 ——俯冲的屏障与穿越机制

地震层析成像揭示了地幔内存在俯冲板片的重要证据,它们涉及多种几何形态和运动方式,地幔过渡带为其下沉的重要屏障,俯冲板片在这里发生停滞、变形和岩石圈物质积累。板片在个别地区可以俯冲到地核—地幔边界,堆积形成板块墓地,造成D″ 层物质组成和热学的不均一性。高温高压实验以及流变学计算模拟,对地幔组成及其物性提供了新的制约,板片俯冲地幔过程中,涉及矿物相变、黏度、密度、力学强度等因素的制约,地幔过渡带为俯冲重要屏障和相变界面。围绕板片俯冲的研究,提出地幔整体对流的新模式,板块墓地与超级地幔柱具有成因联系,成为全球地幔对流的重要环节,有待深入研究。板片俯冲是浅表板块构造与深部超级地幔柱的联系纽带和重要驱动力。     

超级地幔树对全球构造的控制作用

全球横波低速异常体成像发现: Jason超级地幔柱与Tuzo超级地幔柱彷佛植根于地球外核顶部、生长在核幔边界(core mantle boundary, CMB)上的两株榕树,我们将其命名为超级地幔树(super mantle tree),以突出Jason超级地幔柱与Tuzo超级地幔柱连接地核与地壳的纽带特征,强调它们在地球演化过程中对全球构造的作用。地幔柱仅是超级地幔树的局部分支。我们定义超级地幔树为4层结构：① 植根于地球外核顶部;② 1600~2890 km为“树干”; ③ 110~1600 km为“树冠”;④ 110 km以上为“树枝”。“树枝”平面分布形态与全球板块轮廓大致相似,意味着板块构造可能起始于地球110 km处。推测地球深度1550~1600 km之间可能存在一个地球化学过渡层;Jason超级地幔树与Tuzo超级地幔树之间可能存在地球化学分隔面(简称地幔分隔面),地幔分隔面将地球划分为太平洋半球与大西洋半球;它的地面投影北端大致指向地磁北极,南端基本指向地磁南极。外核顶部脉动作用可能是地幔运动的动因,地核运动控制地幔运动。Tuzo超级地幔树逆时针旋转控制大西洋半球旋转形态,Tuzo超级地幔树的“细树干”伸向南大西洋, Tuzo超级地幔树“粗树干”伸向北大西洋,使得中大西洋脊减薄。Jason超级地幔树顺时针旋转控制太平洋半球旋转形态以及环太平洋地区地貌构造形态。青藏高原及邻区地质地球物理三维构造模型说明：向北运动的Tuzo超级地幔树“树枝”与向西运动的Jason超级地幔树“树枝”共同作用,形成青藏高原东构造结。     

吉林伊通新生代玄武岩中上地幔包体的研究

近年来,人们对地球的研究已经由地壳深入到地幔,尤其本世纪六十年代末兴起的板块学说促使人们对上地幔更加关注。研究上地幔组成的最新鲜、最直接的岩石就是碱性玄武岩中的深源包体,它被誉为地幔的“信使”。我省沿北东向断裂带和白头山周围分布的新生代玄武岩中,多含上地幔超镁铁岩包体。深     

论全球岩石圈板块构造的动力学机制

全球板块构造的动力学机制问题是一个热门但至今尚未解决的难题。本文首先回顾了近百年来大地构造学的各种主要假说和近四十年来板块构造学说的许多新进展。在上述研究的基础上, 受Rampino和Stothers关于陨击作用可引起地表重大灾变事件思想的启发,笔者提出了一个新的假说。基于中、新生代(200 Ma以来)每隔33 Ma太阳系就会穿越一次银河系星际物质密集的银道面,诱发太阳系内部引力场的巨变,使部分小行星失稳,从而撞击地球。笔者根据用以描述中生代以来全球板块构造的七种不同的运动模式, 提出了巨大陨星在不同地点、以不同角度撞击地表岩石圈,可能诱发地幔底辟的形成,从而推动板块呈放射状或单向运移的假说,也即在200、170、100、65和0.78 Ma等时期的陨击事件基本上是垂直地表面而撞击的,从而诱发地幔底辟的形成和岩石圈板块的放射状张裂和运移;138 Ma的陨击事件可能是指向印度板块的斜向撞击;而35 Ma时期的微玻璃陨石撞击事件则是陨石以极低角度撞击地球表面的表现。陨石撞击地球,这是太阳系内部各星体之间引力作用变化的表现,因而此假说不是什么外因作用论。     

消减杂岩中沉积物与沉积环境

板块运动包含板块之间的运动和板块内部的运动两个方面。板块与板块以碰撞—俯冲相遇时,俯冲作用推动载体向另一板块下消亡,俯冲板块便发生消减现象,未完全消减的残留载体或混杂堆积体,成为另一板块增生时的楔体,沿消减带成线状出露,便构成所谓消减杂岩(subduction complex)。研究消减杂岩中的沉积物,对说明俯冲位置和蛇绿岩性质有重要意义。一、消减作用及消减杂岩中沉积物产地分类大洋板块向大陆板块俯冲消亡时,发生消减作用。洋壳及其沉积盖层成了板块运动加工的原料,有的变为消减生成物,在大陆一侧造成中酸性岩浆活动;有的变为消减改造物,加入到高压低温变质带中;有的变为消减转化物,重返地幔开始新的对流;有的变为消减残留物,以构造楔片、混杂堆积形式出现。随着板块理论在我国的普及,地学研究出现了“板块热”。但是,人们在消减残留物的研究上则侧重     

东北亚陆缘晚白垩世岩浆作用对古太平洋俯冲作用变化的制约及其气候效应

晚白垩世是古太平洋俯冲板块运动变化的关键时期。本文总结了东北亚陆缘晚白垩世火成岩的时空分布特征，结合火成岩地球化学数据，探讨该时期岩浆作用与古太平洋俯冲及气候变化之间的潜在联系。东北亚陆缘晚白垩世火成岩分布范围由陆内至陆缘明显收缩，指示古太平洋板块俯冲-后撤过程。火成岩展布方向发生小角度偏转，可能是俯冲板块在深部地幔流影响下发生变形以及不同位置后撤速率差异所致。该时期东北亚陆缘经历了地壳减薄和岩浆初始温度上升，暗示板块后撤诱发陆缘向地幔流，引起地壳减薄并形成具有较高初始温度的岩浆。晚白垩世东北亚陆缘地区经历了由升温到降温的过程，与岩浆作用变化相对应，暗示岩浆活动与区域古气候变化具有潜在协同性。     

特提斯构造带和星球级纬向构造体系

东特提斯东段位于现今南海及其周边地区,做为洋壳的岩石学记录——蛇绿岩带的现行展布呈U字形,它是印度板块与欧亚板块的碰撞、南海的扩张以及菲律宾-太平洋板块的向西推挤时,特提斯构造带受到扭曲而形成的。通过古地磁和岩石学记录复原其在白垩纪末古近纪初时的位置和形态,为一位于现今印度次大陆南端经加里曼丹北缘向东延伸的近EW向的挤压构造带,它向西和青藏地区经中亚扎格罗斯山脉和欧洲阿尔卑斯山脉联接成全球性的特提斯构造带,受控于星球级纬向构造体系。研究表明,冈瓦纳的裂散、亚洲的增生和特提斯构造带的演化都受控于星球级纬向构造体系。星球级纬向构造体系是控制板块边界和运动的重要的支配力量之一。