“华北克拉通破坏”重大研究计划共享数据库系统设计

“华北克拉通破坏”重大研究计划共享数据系统是为了管理该计划产生的天然地震等多种类型的海量观测数据而建立,在实现对观测数据的统一管理的同时,为研究人员提供数据共享服务.基于Oracle大型数据库技术、ArcGIS技术和现代网络技术,对共享数据库系统进行了架构设计,并采用成熟的B/S结构、MVC三层架构模式和Ja-va语言作为系统开发基础.本文对共享数据库系统架构与功能模块设计,以及系统开发体系进行了介绍.     

“华北克拉通破坏”重大研究计划共享数据库及其科学意义

在国家自然科学基金"华北克拉通破坏"重大研究计划支持下,在华北克拉通开展了宽频带地震流动台阵观测和人工源地震剖面探测,以及与克拉通破坏相关的地质和地球化学观测实验研究,产生了多种类型的海量地学观测数据.为了统一管理和充分利用这些宝贵的观测数据,建立了共享数据库系统.该系统基于Oracle大型数据库技术、ArcGIS技术和现代网络技术进行设计,采用成熟的B/S结构并遵循J2EE的MVC三层架构模式以Java语言进行了开发.系统实现了对相关观测数据的汇集、管理、处理和共享服务功能,提供了基于Internet的方便快捷的检索下载,以及基于WebGIS的图形化服务."华北克拉通破坏"重大研究计划共享数据系统的建立和数据共享,将有利于科学观测数据的深入挖掘和多学科综合研究,对实现该计划提出的研究目标及相关地学研究都具有重要的科学意义.     

华北东部三叠纪岩浆作用与克拉通破坏

华北岩石圈减薄和克拉通破坏是近年来国内外研究的热门课题,虽然已基本确定克拉通破坏发生的峰期为晚中生代,但发生的起始时间以及早中生代大陆深俯冲作用是否对克拉通造成一定的破坏等问题却研究甚少.通过总结华北东部三叠纪侵入岩的时空分布规律和地球化学特征,探讨它们的岩浆源区及成岩过程,反演它们形成的深部地球动力学机制,从而提出华北克拉通破坏的起始时间可能为晚三叠世,与大陆深俯冲及陆陆碰撞造山作用所引起的地壳加厚、拆沉作用有关,这一作用也可能是晚中生代克拉通破坏的诱因.     

华北克拉通破坏的时间、范围与机制

华北是全球古老克拉通遭受破坏最明显和最典型的地区.自国家自然科学基金委员会设立＂华北克拉通破坏＂研究计划以来,通过不同学科间的有效交叉融合,围绕该克拉通破坏的时间、范围和机制等重要科学问题,进行了大量的工作,并取得了诸多新认识太行山东西两侧地壳与岩石圈厚度空间变化以及地球化学属性的异同显示,华北克拉通破坏主要集中在东部,而西部主要表现为克拉通的改造.克拉通化之后的沉积建造、岩浆活动和构造变形等特征表明,克拉通破坏发生在中生代,其峰期为125Ma左右.通过对比发现,岩石圈减薄在全球其他克拉通中也多有发生,但大多并不伴随克拉通的破坏;只有当受到大洋板块俯冲作用的强烈影响时,克拉通破坏才有可能发生.具体到华北地区,在早白垩世全球地幔整体升温背景下,太平洋板块的俯冲使华北克拉通东部地幔对流系统失稳,导致了华北克拉通东部破坏;岩石圈拆沉或热-化学/机械侵蚀是地幔对流失稳所产生的不同表现形式.     

华北克拉通破坏与地震构造——长距离测深人工地震测深剖面探测研究

1华北超长剖面人工地震测深人工地震测深剖面为山东文登～山西忻州一内蒙阿拉善,东西向横跨1600km。沿测线布置了11个炮点,单炮激发药量1200～12000t。使用了三分向轻便数字地震仪器500余套,接收点距2．5～3．5km,全测线接收,形成了相对完整的深地震测深宽角超长观测系统。     

鄂尔多斯盆地深部热结构特征及其对华北克拉通破坏的启示

基于二维稳态热传导方程,利用有限元数值模拟方法,选取东西向横穿鄂尔多斯盆地地质与地球物理解释大剖面进行了深部温度场数值模拟研究,得到了华北克拉通西部的鄂尔多斯盆地下伏岩石圈热结构特征.地幔热流变化范围:21.2~24.5 mW·m-2,体现为东高西低特征.壳幔热流比(Qc/Qm)介于1.51~1.84之间,为"热壳冷幔".与华北东部地幔热流对比表明,西部的鄂尔多斯盆地相对处于稳定的深部动力学环境.在岩石圈热结构研究基础上,对克拉通地震岩石圈与热岩石圈厚度差异进行了对比,研究表明:鄂尔多斯盆地西部地震岩石圈与热岩石圈厚度差异约达140 km,而东部的汾渭地堑,渤海湾盆地二者差异逐渐减小.华北克拉通自西向东,地震岩石圈厚度与热岩石圈厚度差异不断减小,意味着华北克拉通岩石圈下部的软流圈地幔黏性系数自西向东逐渐降低,本文从地热学角度可能印证了太平洋俯冲脱水作用对华北克拉通的影响.     

辽东半岛晚中生代伸展构造——华北克拉通破坏的地壳响应

位于华北克拉通东部的辽东半岛记录了大量的晚中生代的伸展构造,其中包括：（1）具有氧化条件下沉积的陆相碎屑岩和溢流喷出的火山岩作为充填物质的半地堑盆地;（2）低角度拆离断层;（3）同构造花岗岩;（4）变质核杂岩.上述伸展构造在区域尺度上均具有NW-SE向的伸展方向.拆离断层具有NW-SE向的矿物拉伸线理和上部指向NW的剪切变形;同构造花岗岩的矿物拉伸线理也为NW-SE向,但表现为上部指向NW或SE的剪切变形.同位素年代学的测量结果指示了变形的时间在130～120Ma.这些伸展活动导致了同构造花岗岩和核部杂岩的快速隆升和折返.根据岩浆岩发育特征和辽东半岛伸展构造、岩浆作用的时空关系判断,华北克拉通破坏可分为侏罗纪地壳弱伸展和白垩纪强地壳伸展两个阶段.     

地震层析成像在华北克拉通地区的研究进展

综述了地震层析成像方法在华北克拉通地区的研究成果,探讨研究中存在的问题及其研究前景.近年来很多层析成像方法在该地区获得了高分辨率的地壳、上地幔的速度结构,为研究构造运动以及深部的动力学过程提供了线索与约束.许多研究针对发震构造以及华北克拉通破坏等科学问题做了深入的探讨.地震层析成像技术仍然面临很大的挑战.比如速度间断面...     

从“岩石圈减薄”到“克拉通破坏”

山东蒙阴和辽宁复县有早古生代(460 Ma)的金刚石和金伯利岩,表明该区的岩石圈厚约200 km;河南鹤壁有金伯利岩无金刚石,表明岩石圈厚度不超过150 km;而中国东部新生代岩石圈厚度仅80～120 km,于是认为新生代岩石圈厚度相对于早古生代减薄了约100 km.但是,金伯利岩和金刚石是罕见的岩石和矿物,不可能代表...     

燕山-太行山北段中生代收缩变形与华北克拉通破坏

燕山-太行山中生代收缩构造变形主要表现为基底卷入的逆冲构造、基底为核的大型纵弯褶皱构造,以及韧性逆冲推覆构造.构造形迹展布方向主要有近WE,NWW和NE-NNE向.在总体构造线呈NNE向展布的太行山构造带和辽西燕山东段,均发现有近WE向和NWW向收缩构造变形.收缩变形发生在二叠纪晚期、三叠纪、侏罗纪及早白垩世.它们的发生已经使克拉通遭受破坏.燕山中部近NS向构造剖面复原表明,在135Ma之前的构造变形缩短率约为38%.华北东部晚古生代和早中生代岩相古地理研究显示,收缩变形前的地壳厚度约为35km.如果将上述地质历史时期韧性剪切收缩变形反映的变形深度（20～25km）作为卷入收缩变形的地壳厚度,并假定水平缩短变形量由垂向地壳加厚所调节,则在南北向缩短变形之后地壳厚度可达47～50km,已经接近拆沉构造模型下地壳榴辉岩化所需的地壳厚度.同时,加厚地壳均衡抬升产生的重力势能差,与地壳加厚期间持续不断的岩浆活动导致的岩石圈强度弱化,为在区域构造应力状态不发生改变的情形下产生中浅部地壳的伸展垮塌创造了充分条件.因此,燕山太行山中生代收缩构造变形,一方面直接导致了克拉通岩石圈浅层稳定状况的破坏,另一方面为在深部可能发生的拆沉作用和在浅部产生强烈伸展变形创造了有利条件.拆沉作用和伸展变形可能同是早期收缩变形导致地壳强烈加厚的结果.伸展变形既可以与拆沉作用相伴发生,也可以单独出现,不宜将浅层伸展变形作为深部拆沉作用曾经发生的直接证据.     

克拉通岩石圈减薄与破坏

我国华北克拉通在显生宙期间曾发生过〉100km的岩石圈减薄,并伴随克拉通的破坏。但如何认识该克拉通破坏的机制及在全球大陆演化中的意义,是目前需要深入研究的问题。本文通过对地球上印度、巴西、南非、西伯利亚、东欧（波罗地）、北美等克拉通的总结发现,岩石圈减薄是克拉通演化过程中经常见及的一种现象,但减薄并不一定伴随破坏。进一步深入研究表明,大多数克拉通的减薄可能主要通过地幔柱或地幔上涌的热侵蚀而实现,但目前还没有地幔柱或地幔上涌使克拉通发生破坏的实例。对已发生破坏的北美和华北克拉通的研究揭示,板块俯冲是导致克拉通破坏的重要原因。俯冲大洋板块的脱水交代上覆地幔楔,不仅可使其发生部分熔融而产生广泛的岩浆作用,更重要的是使大陆岩石圈地幔失去原有的刚性特征而易于发生变形。从这一过程出发,大规模地壳来源的花岗岩和壳内韧性变形可视为克拉通破坏的岩石学与构造学标志。     

华北克拉通岩石圈三维密度结构

显生宙以来华北克拉通岩石圈遭到破坏,这一现象的科学问题已受到世界地学家广泛关注.本文首先将地震层析成像反演得到的P波速度扰动转化为密度扰动,以此作为初始密度模型,然后利用布格重力异常反演得到了华北克拉通岩石圈高分辨三维密度结构.为了避开大型稀疏矩阵求逆计算,提高计算效率,我们将代数重构技术用于密度反演解算.反演结果表明:华北克拉通岩石圈密度在横向和纵向上均存在明显的不均匀性,密度分布形态与地表构造格局有很好的相关性;研究区地壳整体表现为低密度异常,地壳以下岩石圈部分则以高密度异常为主;鄂尔多斯块体地壳范围内以低密度异常为主,80~120 km深度上为呈南北两端集中分布的高密度异常,并分别与秦岭造山带和阴山造山带的高密度异常分布相连,这暗示了鄂尔多斯块体可能受到了来自其南北两端造山带深部动力学过程的影响;80~120 km深度上,华北克拉通东部地区呈现出显著的南北向非均匀的高密度异常,这表明遭到破坏后该地区上地幔物质分布具有强烈的南北向非均匀性.     

中生代古太平洋板块俯冲诱发华北克拉通破坏的物质记录

华北克拉通破坏与古太平洋板块俯冲密切相关是当今学界的重要共识,但缺乏华北克拉通破坏峰期古太平洋板块俯冲的物质证据.为解决这一问题,本文对华北克拉通东北缘(辽东-吉南地区)中生代火山岩开展了详细的岩石学、锆石U-Pb年龄和Hf-O同位素、全岩地球化学和Sr-Nd-Hf同位素研究.研究发现,辽东-吉南地区中生代火山岩主要为玄武粗安岩-粗安岩-粗面岩和安山岩组合,形成于早白垩世(129~124Ma),均富集大离子亲石元素(Rb、Sr、Ba、Th等)和轻稀土元素、亏损高场强元素(Nb、Ta、Ti等),表明其来源于与俯冲相关的地幔源区.这些岩石具有不均一的同位素组成,其中,碱性玄武粗安岩-粗安岩-粗面岩具有富集的全岩Sr-Nd-Hf、锆石Hf同位素组成和与地幔类似的锆石O同位素,表明其母岩浆来源于同位素富集的岩石圈地幔的低程度部分熔融,而钙碱性安山岩则具有相对亏损的同位素组成(锆石εHf(t)高达+5.2)和高的锆石O同位素组成(δ18O=+8.1^+9.0‰),揭示它们来源于遭受俯冲流体/熔体交代的地幔源区,交代介质来源于俯冲到深部的低温热液蚀变洋壳.辽东-吉南地区早白垩世火山岩是由来源于富集地幔和交代地幔的两种不同性质的岩浆混合形成,利用锆石Hf-O同位素组成有效识别出的低温热液蚀变洋壳组分,为中生代古太平洋板块俯冲对华北克拉通破坏影响提供了确凿的物质记录和同位素证据.     

华北埃达克质岩与克拉通破坏：实验岩石学和地球化学依据

华北埃达克质花岗岩和火山岩与岩石圈减薄时空一致性使得它们成为窥视克拉通破坏过程和机制的一个重要窗口.本文通过实验岩石学资料限定华北埃达克质岩石的主要源区岩石为中钾和高钾基性变质岩,并通过基性变质岩体系相平衡、长英质熔体TiO2溶解度、埃达克质岩石Nb/La随La/Yb变化规律等研究论证大别、胶东和克拉通北缘许多埃达克质岩石的源区存在残留金红石,岩浆形成深度超过50km,从而揭示华北克拉通破坏涉及超过15km的地壳厚度减薄或下地壳拆沉.     

岩石圈拆沉还是软流圈上涌?——正常密度理论与华北克拉通破坏重力学机制研究

“岩石圈拆沉”还是“软流圈上涌”？这是华北克拉通破坏科学命题中的关键问题.本文介绍了地球重力学“正常密度理论”的基本观点,针对华北克拉通破坏的机制、驱动力和动力学问题,讨论了应用“正常密度理论”研究华北克拉通破坏重力学机制、分析“岩石圈拆沉”和“软流圈上涌”的地球物理学方法.     

华北克拉通岩石圈有效弹性厚度及其各向异性

华北克拉通是典型的克拉通破坏的区域,研究该区域的岩石圈有效弹性厚度(Te)及其各向异性特征有助于了解华北克拉通的强度构造及破坏机制.我们根据空间分辨率为30″×30″的地形数据和由自由空气异常解算得到的完全布格重力异常数据,利用Fan小波分析方法计算了两者之间的相关性,并基于Forsyth理论和正交各向异性薄板模型计算了华北克拉通地区的岩石圈Te和其各向异性分布情况.结果表明:(1) 从各向同性Te分布来看,华北克拉通岩石圈在东部、中部和西部存在着明显的差异.鄂尔多斯地块、河淮盆地的Te值均较高;中华北克拉通、南北重力梯度带及鲁西隆起Te值较低,约10~25 km;郯庐断裂带两侧Te有非常大的差异,西侧的Te明显小于东侧,推测郯庐断裂带在华北克拉通破坏过程中起着非常重要的作用.(2) 从Te的各向异性来看,不同块体Te各向异性的大小或方向存在差异,并且研究区内地震大多分布在Te各向异性大小或方向转变的区域.(3) 从地震波SKS各向异性和Te各向异性的比较来看,在华北克拉通西部阿拉善块体岩石圈变形趋于垂直连贯变形模式;鄂尔多斯地区各向异性源自历史构造事件的"化石"各向异性;山西裂谷带地区Te的弱轴方向和SKS的快波方向平行,而在山西裂谷带南部的秦岭—大别区域,SKS快波方向和Te弱轴方向相垂直,这可能与地幔热物质上涌等作用有关.此外,Te各向异性与现今构造应力场间的相关性不明显,体现出华北克拉通复杂的构造应力特征.     

地球内部结构探测研究——以华北克拉通为例

本文立足对地球物理学科发展态势的分析认识,通过解剖华北克拉通研究实例,对地球内部结构探测研究,特别对壳幔结构的地震学探测研究,对中国近20多年的发展做了回顾;探讨了从区域问题认识全球构造的研究思路.     

数值模拟华北克拉通岩石圈热对流侵蚀减薄机制

关于华北克拉通岩石圈减薄机制,国内外学者通过各种研究定性地提出了不同的机制.文章根据最近几年国内外发表的有关资料,通过数值模拟方法,主要对华北克拉通岩石圈热对流侵蚀的减薄机制进行了计算.通过我们的计算证实了原来稳定存在的克拉通,如底边界为1673K时的初始情形,在底部温度扰动升高后,由于浮力驱动的小尺度地幔对流加剧能够使岩石圈发生大规模减薄,减薄速率在mm/a的量级,减薄的时间尺度基本都在十几个百万年;计算过程中我们讨论了初始参考等效粘滞系数分别为0=1.0×1022Pas和0=1.0×1023Pas的两种情形,在这两种条件下,我们分别计算了底边界温度为1773,1873,1973和2073K的4种情况.通过不同端员的计算我们知道岩石圈最多从200km减薄到100km,至少减薄到126.25km,这符合现今地球物理观测的结果.并且初始参考等效粘滞系数和底边界温度是影响减薄速率的重要因素.     

华北克拉通早中生代麻粒岩捕虏体的发现

报道的在内蒙古喀喇沁地区发现的早中生代基性麻粒岩捕虏体,按照其矿物组合可分为二辉石麻粒岩、单辉麻粒岩和紫苏辉石麻粒岩,其原岩主要为辉长岩类岩石．捕虏体麻粒岩中变质成因锆石 Ｕ－Ｐｂ年龄为 ２５１ Ｍａ,单矿物紫苏辉石 Ｋ－Ａｒ年龄为 ２２９Ｍａ,分别代表捕虏体麻粒岩相变质作用与冷却年龄．捕虏体的寄主岩石为早中生代黑云母石英闪长岩,其全岩的Ｋ－Ａｒ年龄为２ １９ Ｍａ．这些基性麻粒岩捕虏体的发现证实了华北克拉通早中生代底侵作用的存在,为进一步研究该区早中生代壳幔相互作用提供了重要证据．     

华北克拉通基底绿岩的岩石大地构造学研究

首先阐述了对早前寒武纪时期绿岩（变质火山-沉积建造）的岩石大地构造分类结合其它地质、地球物理和地球化学研究结果,通过基底动力边界各项标志的识别,新厘定了华北克拉通基底构造格架基底构造单元由大陆块壳和活动带组成大陆块壳是相对独立演化的地壳构造单元,这时的活动带是内克拉通性质的基底构造带研究表明,华北克拉通基底早前寒武纪时期不同阶段形成的大陆块壳有：阴山-冀北联合块壳、鲁冀辽联合块壳、辽东联合块壳、胶北块壳、皖北块壳、太华块壳、阜平块壳、临汾块壳和东胜-桑干联合块壳基底活动带有：大青山活动带、燕辽活动带、五台山活动带、中条山活动带、雁翎关活动带、夹皮沟活动带等认为绿岩是基底大地构造分区的重要物质标志,基底绿岩可以划分为伸展台地型绿岩和裂谷带型绿岩,后者发育于活动带前造山内克拉通裂谷盆地．华北克拉通基底地质特征显示,早前寒武纪时期构造动力学体制是内克拉通性质的。