使用数值模型研究俯冲板块动力学的进展

板块构造理论的核心是俯冲板块的动力学问题,可以通过地震学、矿物物理和岩石地球化学、地质构造和沉积学以及数值模拟对其进行多学科综合研究.其中数值模拟通过建立理论模型并使用数值方法模拟俯冲板块的动力学效应,直观地给出了定量化的俯冲板块的演化过程和地表响应,并用以解释其他学科研究所得到的观测和实验结果.因此使用数值模型进行定量化模拟是研究俯冲板块动力学的最重要的手段之一.文章综述了使用数值模型研究俯冲板块动力学多个方面在近期取得的进展,包括板块构造的起源和俯冲板块的启动过程,俯冲板块的热结构,以及俯冲板块在上地幔、地幔过渡带和下地幔的主要动力学表现.使用数值模型得到的结果是基于质量、动量和能量守恒方程的理论结果,必须综合使用其他各学科的研究成果对模拟结果进行比对和验证,以最终理解俯冲板块的动力学过程.随着计算能力的大幅提升和模拟方法的不断进步,数值模拟方法将为研究包括俯冲板块动力学在内的地球科学前沿问题提供更为准确和高效的手段.     

基于随温度变化的热系数模拟板块俯冲动力学过程

热传导系数和热膨胀系数是影响板块俯冲动力学过程的两个重要参数. 由于地球介质的不均匀性,热系数也会随深度发生变化.然而,这种变化在地球动力学模拟研究中往往被忽略.本文针对随温度变化的热传导系数和热膨胀系数, 模拟板块俯冲的动力学过程,分析热系数、黏度对板块俯冲形态的影响及其对应的地幔对流特征.结果表明,依温度变化的热传导系数和热膨胀系数会影响地幔温度及黏度分布,进而改变板块的俯冲角度;黏度是控制板块俯冲动力学演化过程的重要因素;地幔对流受黏度结构的影响,呈现分层对流及局部多个对流环等多种不同形态的对流场特征.      

三维板块几何形态对大陆深俯冲动力学的制约

大陆深俯冲及超高压变质作用是大陆动力学的重要研究内容,前人进行了系统的地质、地球物理观测以及数值模拟研究.然而,自然界中大陆板块的俯冲、碰撞及造山过程大部分具有明显的沿走向的差异性,这种典型的三维特征可能很大程度上依赖于会聚大陆板块的初始几何学和运动学特征.本文采用三维高分辨率的动力学数值模拟方法,建立了方形大陆板块和楔形大陆板块两种不同的俯冲-碰撞模型,并且俯冲大陆板块侧面与大洋俯冲带相邻.数值模拟结果揭示大洋板块可以持续地俯冲到地幔之中,而大陆板块俯冲到一定深度处,其前端的俯冲板块将发生断离,并进而造成残余的大陆板块俯冲角度的减小.方形大陆俯冲板块的断离深度约为150km,而楔形大陆俯冲板块的断离深度较大,约250~300km,这很大程度上取决于俯冲带中大洋板块的牵引力和大陆板块的负浮力之间的竞争关系.同时,无论方形还是楔形大陆板块俯冲模型中,板块断离后,侧向的大洋俯冲板块仍可以拖曳约60~70km宽的大陆边缘岩石圈持续向下俯冲,揭示了新西兰东部的洋-陆空间转换俯冲带的动力学机制.并且,数值模型与喜马拉雅造山带和秦岭—大别—苏鲁造山带进行了对比,进而对其高压-超高压岩石空间展布沿走向的差异性特征和机制提供了一定的启示.     

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.     

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.     

板块俯冲中水分运移过程及其地球物理含义

流体/水分在地球演化过程中具有重要作用,它的存在可以提高地质体的扩散及蠕变,降低岩石/地幔的固液相限,对地质体的地球物理性质、地质灾害诱发、地质构造演化等都有着重要的作用.在板块俯冲区,流体/水分的影响贯穿了整个动力学过程,但板块深部脱水还存在着争议,且目前系统地研究水分在整个俯冲中的迁移过程及其地球物理意义的工作还较...     

克拉通岩石圈减薄与破坏机制的动力学数值模拟

大陆克拉通岩石圈的减薄是一种常见现象,但是其破坏并不常见.尽管前人针对这两种过程开展了不少研究,但是对其动力学机制尚缺乏统一认识.文章以大陆克拉通岩石圈,尤其是华北克拉通作为研究对象,基于前人的地质地球物理学观测以及动力学数值模拟研究,对克拉通岩石圈减薄与破坏的过程和机制进行了系统的分析和总结.其中,华北克拉通减薄和破坏的动力学机制限定为与大洋板块俯冲相关的两种主要模式,分别是:(1)"自下而上"过程,即俯冲板片扰动富水的地幔转换带,使其中流体上涌,软流圈物质受到扰动而发生对流,对上覆岩石圈底部进行"烘烤",并可能伴随流体/熔体-岩石反应,改变岩石圈地幔的矿物组成和流变学性质,导致岩石圈底部物质混合进入软流圈而发生减薄乃至破坏.(2)"自上而下"过程,强调大洋板片在克拉通岩石圈底部平俯冲并发生脱水,水化蚀变上覆岩石圈地幔,降低岩石圈地幔岩石流变特性;随后平俯冲转变为陡俯冲,伴随软流圈侧向上涌,被弱化的岩石圈地幔由于热侵蚀作用而进入软流圈,从而发生减薄乃至破坏.这两大类过程都是比较复杂的、多过程耦合的模式,都把大洋板块的俯冲及其流体活动作为上覆克拉通岩石圈减薄/破坏的主要驱动机制;不同之处在于俯冲大洋板片的位置,一种是在地幔转换带的平卧与滞留,另一种是沿着克拉通岩石圈底部的平俯冲.对于华北克拉通而言,东部岩石圈在中生代时期受到古太平洋板片的俯冲,板块俯冲带对华北克拉通之下的地幔和转换带物质的扰动及其伴随的流体活动,很大程度上控制着华北克拉通岩石圈的改造.为了更好的探讨和对比这两种模式,其核心关键点在于大洋俯冲带中水的活动.因此,文章重点对含水矿物相变及俯冲带和地幔转换带中水的迁移过程进行了探讨,分析了大洋俯冲带中可能的流体活动模型、各自存在的问题及其可行性.此外,为了全面认识克拉通岩石圈的减薄与破坏机制,还对其他可能的机制进行了总结,包含以下四组模式:拉张减薄模型、挤压增厚拆沉模型、大尺度地幔对流侵蚀模型以及地幔柱侵蚀模型.相对于前面介绍的两种大洋俯冲相关模型,这四种模型主要是由相对简单的单一过程和机制所致(分别是拉张、挤压、对流和地幔柱),可能是华北克拉通减薄与破坏的二级驱动机制.     

马尼拉俯冲带热结构数值模拟与地震意义

研究马尼拉俯冲带地震分布的成因机制,根据马尼拉俯冲带最新的莫霍面深度和地壳厚度等地质与地球物理资料,选取3条典型剖面,模拟俯冲带热结构。结果表明:1俯冲带热结构主要受俯冲角度、俯冲速度和俯冲板块本身地质条件等因素影响;2 BB′剖面和CC′剖面属于热俯冲;3当洋壳俯冲至软流圈边界时,俯冲板块温度迅速升高,容易形成地震活动。BB′剖面的俯冲角度和俯冲速度比CC′剖面小,使得BB′剖面发生地震的深度更浅。俯冲洋壳底部温度比顶部低,地震活动也持续到更大的深度。     

俯冲带地球深部碳循环作用

在地球深部和大气圈之间的碳循环(即深部碳循环)作用对于全球气候的长期和短期变化都具有非常重要的影响.碳可以通过多种方式和途径从地球深部进入大气圈,但从地表返回地球深部的途径主要是板块俯冲作用.由于碳存在形式的多样性和碳酸盐特殊的物理和化学性质,俯冲带中碳及含碳矿物的物理化学行为会显著地影响俯冲带动力学、氧逸度结构以及壳-幔作用过程中其他元素的活化迁移.因此,俯冲带碳循环不仅是调节大气CO_2浓度、影响全球气候变化和维持地球宜居性的重要因素,同时也是影响地幔物理化学性质和不均一性的关键因素.本文从俯冲带碳循环的观察和示踪、俯冲带碳的迁移与变化、俯冲带碳循环通量以及俯冲带碳循环的效应等四个方面对俯冲带碳循环的研究现状和需要深入研究的科学问题进行阐述.     

上地幔矿物和岩石电导率的实验研究

高温高压电导率实验研究是透视地球内部结构与物质组成的一个重要窗口.百年来进行了大量地幔矿物电导率的研究,但对地幔岩石的研究却不足;进行了压力对地幔矿物电导率影响的研究,但获得的激活体积值却有正有负;进行了含水橄榄石电导率的测量,但仍存在干湿软流圈地幔之争;进行了部分熔融岩石电导率的研究,但对异常高导成因的解释却仍没有定论.因为该研究对人们认识地幔的物质组成和矿物相变,地幔的电性结构和热结构,以及洋壳俯冲和高导异常成因等地幔动力学问题有重大意义,因此,还需继续研究地幔岩石、矿物的电导率与温度、压力、氧逸度和组分等之间的关系,再结合地球物理的探测结果,构建合理的电导率-深度剖面图.     

大陆深俯冲过程中的熔/流体成分与地球化学分异

板块俯冲是地球内部系统最为宏伟的地质过程,是实现地球表面-内部物质和能量交换、大陆地壳生长以及壳/幔相互作用的重要场所,广泛深刻地影响着地壳的增生与消亡、火山和地震活动、地球表层物质循环、矿产资源分布、大陆造山运动、大陆的聚合及裂解等与人类生活息息相关的地质过程,因此一直是固体地球科学研究所关注的热点.20世纪80年代中期关于大陆地壳能够俯冲进入地幔深度并大部分折返地表的发现,是俯冲带研究和板块构造理论的革命性进展.相较于俯冲洋壳,大陆地壳具有较冷、较干、较轻的特点,同时,俯冲陆壳与地幔相比具有更加不均一的性质和化学成分以及同位素组成,因此在局部而言会对上覆大陆岩石圈和大陆板块汇聚边界的结构、组成、变形和演化进程造成巨大影响.在大陆俯冲过程中,拆离的地壳碎块和岩片在俯冲隧道内受到构造剪切,促使其经历变质脱水和部分熔融,产生各种流体和熔体.这些熔/流体的产生和演化在俯冲带壳/幔相互作用过程中扮演着非常重要的角色,是俯冲过程中发生元素迁移、同位素分馏以及交代上覆地幔楔的不可或缺的介质.本文综合国际上近年来有关俯冲带研究的最新进展,总结了有关俯冲带流体和熔体的类型、存在条件、化学组成、熔体/流体-地幔相互作用的特点,同时对于与大陆俯冲带流体相关的特征性元素(Nb-Ta-V)迁移和最新的非传统稳定同位素(Li-Mg)研究进行了系统介绍,期望为中国读者较全面地认识板块俯冲过程中的熔/流体活动和元素迁移以及了解并运用Li和Mg同位素作为新兴的示踪手段提供一定帮助.     

西太平洋板块俯冲与华北克拉通破坏

华北克拉通破坏与西太平洋板块俯冲相关是学界的重要共识,但西太平洋板块何时开始向东亚大陆俯冲、早白垩世西太平洋俯冲带在何处、东亚大地幔楔何时形成、晚中生代西太平洋俯冲板块如何演化等重要科学问题一直没有很好地解决.文章通过综合分析与研究,认为西太平洋板块起始俯冲的时间早达早侏罗世;早白垩世西太平洋俯冲带位于东亚大陆边缘,比现今西太平洋板块俯冲带靠西2200km;与此相对应,欧亚大陆自早白垩世以来向东漂移了大约900km.西太平洋俯冲板块后撤始于～145Ma,说明东亚大地幔楔开始形成于早白垩世;西太平洋板块俯冲作用对华北克拉通的影响可能是通过地幔楔增大过程中物质和能量的迁移和交换来实现的.利用地质构造事件反演了大洋板块在俯冲到地球内部之前的演化过程,提出燕山运动A幕和B幕发生的原因分别是西太平洋板块向东亚大陆边缘以高速低角度俯冲和俯冲角度逐渐变低两种不同的地球深部动力学过程新观点.在早白垩世大约130～120Ma期间,西太平洋板块可能已经转变为高角度俯冲、回转与后撤速率达到最大、最终在地幔过渡带产生滞留体.这个过程可能显著改变了所在区域和上覆地幔的物性和黏滞度,导致上覆地幔楔产生非稳态流动,从而导致岩石圈地幔中熔/流体含量急剧增加、黏滞度降低以及岩石圈伸展/减压,并使其转变为年轻地幔——克拉通破坏.这些认识对揭示西太平洋俯冲板块与华北克拉通岩石圈地幔之间相互作用过程具有重要意义.     

马尼拉海沟俯冲带热结构的模拟研究

俯冲带热结构的数值模拟研究是对地表观测研究的重要补充,也是验证地球动力学模型的重要方法.本文沿马尼拉海沟俯冲带东火山链(EVC)和西火山链(WVC)各取一条剖面,依据地质、地球物理条件,进行了有限元热模拟计算.计算过程中,分析了摩擦和剪切热对俯冲带热结构的影响,模拟了EVC和WVC两条测线下俯冲带的热结构,并结合岩石学实验结果预测了俯冲板块发生脱水和部分熔融的位置.模拟结果表明,在100 km深度处,考虑摩擦和剪切热时,俯冲板块表面的温度约为865 ℃;而不考虑摩擦和剪切时,俯冲板块表面的温度仅为770 ℃,二者温差可达95 ℃.在相同深度处,考虑摩擦和剪切热时,在EVC和WVC测线下俯冲板块表面的温度分别为865 ℃和895 ℃,俯冲洋壳底部温度分别为560 ℃和605 ℃.俯冲板块表面少量矿物开始脱水的深度小于50 km,但大量脱水和部分熔融主要发生在深度100 km左右,这与地表观测的火山活动位置一致.     

平板俯冲及其地质效应的研究进展:观测与模拟

平板俯冲是指大洋板块以低角度(10°)或近水平方式下插到上覆板块之下的俯冲样式,仅占现今全球俯冲带的10%.相对于高角度俯冲,平板俯冲对上覆板块内部造成的影响更加显著,引发的地震强度更大,因此平板俯冲具有重要的研究意义.典型平板俯冲所引起的变形会从海沟向上覆大陆内部逐渐传递,并形成一个宽阔的岩浆带.平板俯冲的形成机制仍存在争议,主要包括大洋高原的浮力效应、上覆板块逆冲、板块吸力和海沟后撤等.文章系统分析和总结了以往有关平板俯冲的研究成果,归纳了平板俯冲所产生的地质效应(包括陆内造山和岩浆作用),并着重从数值模拟角度综述了平板俯冲形成机制的研究现状.通过对比得出,在控制平板俯冲形成的各种因素中,上覆板块逆冲和大洋高原是最为关键的两个因素,板块吸力虽有助于俯冲角度的减小,但不足以成为形成平板俯冲的独立条件,而海沟后撤则是形成平板俯冲的必要条件.今后基于数值模拟探索平板俯冲形成机制的工作,需要结合地质、地球物理观测数据,并将洋壳榴辉岩化(负浮力)与大洋岩石圈地幔蛇纹石化(正浮力)的影响加入到模型中,开展三维高分辨率热-力学模拟研究.     

俯冲初始时板块分界面形状对俯冲过程的影响

自板块理论建立以来,俯冲一直是学者们关心的热点问题.前人结合地质、地球物理、实验室物理实验和数值模拟等多种手段对这一问题进行了大量的研究.以往的研究更为关注俯冲过程中板块的作用、地幔流动的规律和物质的迁移与相变等问题,却常忽视了俯冲是如何开始的这一基本问题.同时,由于相关数据资料较为有限,更限制了俯冲启动的相关研究.因此,本文选取俯冲启动问题中板块分界面形状对俯冲过程的影响这一问题,使用有限元的方法进行了数值模拟.我们选择针对倾斜型、垂直型和弯曲型三种不同形状的板块分界面建立对比模型,比较它们演化至10Ma的过程我们发现:分界面几何形状的不同的确会对俯冲板块演化和海沟的深度产生影响.倾斜型模型的俯冲角度最大,海沟深度最深,俯冲深度最深;垂直型模型的俯冲角度和海沟深度仅次于倾斜型模型,俯冲深度最浅;弯曲型模型的俯冲角度最小,海沟深度最小,俯冲的深度介于倾斜型和垂直型之间.结合以上结论不难看出,俯冲角和海沟深度变化具有一定的相关性,俯冲角度越大,相应的海沟深度越大.     

俯冲隧道中物质运移和流体-熔体活动的动力学数值模拟

俯冲隧道是指在会聚板块边缘、俯冲板片与上覆板片之间的剪切带及其中发生运动的物质,这些物质在俯冲隧道中经历了复杂的温度、压力、应力和应变等的演化以及流体和熔体的作用,而后部分物质可以从100 km的深度处折返至地表,从而形成自然界中出露的高压-超高压变质岩带.动力学数值模拟是定量化的研究该俯冲隧道过程的重要手段,前人的研究大多基于热动力学模型,但是一般不包含流体的活动和影响,因此上覆岩石圈物质很少参与到俯冲隧道过程中,这些模型与地质概念模型之间尚存较大差异.本文采用了新的包含流体-熔体活动的数值模型,对俯冲隧道的精细过程进行模拟研究.结果表明,俯冲隧道中的物质既包含了从俯冲板块拆离的表壳岩,也包含了从上覆板块刮擦、蚀变的地幔岩,从而形成一个构造混杂岩体.在特定条件下,俯冲隧道中的混杂岩既可近垂直向上穿过地幔楔侵入上覆地壳中,亦可近平行于俯冲隧道斜向上折返,形成靠近缝合带的高压-超高压变质岩.基于该数值模型及前人的地质概念模型,首先对大洋俯冲隧道和大陆俯冲隧道的特征进行了细致的对比和总结.而后,又对含水模型与无水模型进行了对比,主要区别在于无水模型中由于缺少流体-熔体活动而产生的弱化作用,上覆岩石圈的变形很小,在俯冲隧道过程中的参与程度也很低.最后,对数值模型中的一个重要的边界条件,即板块会聚速率,进行数值模拟研究.结果表明快速会聚导致上覆岩石圈剧烈变形,造山带主要沿上盘单侧生长;相反,在慢速会聚条件下,上覆岩石圈变形较小,造山带主要沿下盘单侧生长;而在中等会聚速率下,造山带沿上盘、下盘同时生长.     

俯冲带及转换带中含水硅酸盐矿物的晶体结构和状态方程

地幔深部的矿物具有显著的含水能力,含水量从几十到几万ppm(part per million)不等.由于地幔体积巨大,地球深部的水可能远大于地表水的总量.研究水在地幔矿物岩石晶体中的赋存机制及其影响是目前矿物学和地球物理学界的研究热点之一.一方面,俯冲板块向下运动,其中的蛇纹石在高温下分解,产生一系列的高含水硅酸盐矿物(如相A、粒硅镁石和斜硅镁石),这些矿物是潜在的"搬运工",将水进一步带入地幔深部,乃至转换带中;另一方面,橄榄石在转换带中的高压相(瓦兹利石和林伍德石)具有较高的储水能力,使得转换带成为了地球深部最重要的储水层,并且水也对地幔转换带的物理化学性质产生了显著影响.本文主要讨论以下两方面内容:(1)含水的硅酸盐矿物晶体结构,为微观上认识地球深部水的赋存机制和循环过程提供实验依据;(2)水对硅酸盐矿物热力学状态方程的影响,为约束地球动力学过程以及水的影响提供重要参数.     

日本海俯冲带的热结构及热源的影响

在对温度场计算所需的初始条件、边界条件、热源条件和介质热参数进行讨论和计算的基础上,利用二维热传导问题的有限单元法,计算了日本海俯冲带热结构的演化.发现400℃等温线在板块俯冲7Ma后趋于稳定,最大深度约60km;800℃等温线在板块俯冲11Ma后趋于稳定,最大深度约280km;1200℃等温线在板块俯冲50Ma后趋于稳定,最大深度约530km.通过计算不同热源组合情况下日本海俯冲带的热结构,讨论了热源的因素对俯冲带热结构的影响.结果表明,剪切生热和脱水热只对俯冲带浅部热结构有很大影响,绝热压缩生热对热结构的影响范围最大,而橄榄石→尖晶石相变生热是400km深度以下热结构的控制性热源因素.     

俯冲板块断离的深度

针对Davies等对俯冲板块断离判据的不足,提出了新的俯冲板块断离判据.该判据从大陆板块减速俯冲模型出发,计算了不同初速度和俯冲角度下大陆俯冲深度的变化情况.在此基础上,详细考查了影响俯冲板块热结构和强度结构的因素,计算了非热平衡状态下俯冲板块内部大陆板块与海洋板块过渡区"积分强度"的上下限,认为当俯冲入地幔的较轻陆壳在板块过渡区引发的拉张力位于这个"积分强度"上下限之间时,便可能发生俯冲板块断离.计算结果表明,一般情况下,俯冲板块断离的深度在85-135km之间,断离过程发生在大陆俯冲了1.3-4.0Ma之后.本文计算的俯冲板块断离深度可供超高压变质岩形成和折返的研究参考.     

大陆俯冲带两类壳幔相互作用

板块俯冲作用是实现地壳与地幔之间物质和能量转换的重要机制,俯冲带岩浆岩是研究地壳物质再循环及其壳幔相互作用的重要载体.本文通过对红安-大别-苏鲁造山带和华北东南缘碰撞后镁铁质岩浆岩的同位素年代学和地球化学的系统总结,概括出两种类型的大陆俯冲带壳幔相互作用,对应于两类地球化学性质截然不同的镁铁质火成岩.第一类岩石显示弧型微量元素分布特征(富集LILE,LREE和Pb,亏损HFSE)和相对富集的放射成因Sr-Nd同位素组成,而第二类具有OIB型微量元素分布特征(富集LILE和LREE,HFSE不亏损)和相对亏损的放射成因Sr-Nd同位素组成.它们都具有变化的且不同于正常地幔的锆石O同位素组成,含有残留的地壳锆石.这些地球化学特征表明,这两类镁铁质火成岩来源于不同地球化学性质的地幔源区,其中第二类岩石的地幔源区是先前俯冲古洋壳来源的熔体与上覆新生岩石圈地幔反应形成的,而第一类岩石的地幔源区是随后俯冲的华南陆壳来源的长英质熔体与上覆华北古老岩石圈地幔反应形成的.因此,在大陆俯冲带存在两种类型的壳幔相互作用,碰撞后镁铁质岩浆岩为大陆碰撞造山带不同类型的板片-地幔相互作用提供了岩石学和地球化学记录.