俯冲板块的动力学性质对平板俯冲的影响：数值模拟

平板俯冲是地球上一种独特的俯冲模式,主要发生在南美洲地区,与该地区的地震、火山等构造地质现象有着密切联系。平板俯冲的形成机制和影响因素仍然需要进一步地研究。文章通过数值模拟的方法,研究了俯冲板块的动力学性质对于平俯冲板片形态的影响。模拟实验结果表明,俯冲板块的厚度和密度差（与地幔）对平板俯冲的形成有着决定性的影响。合适的俯冲板块厚度（70 km 左右）有利于在俯冲过程中形成平板片。厚度较大的板片难以发生弯曲,阻碍了平板片的形成。俯冲板块与地幔的密度差越小,越容易形成平板俯冲,平板片的长度也越长。俯冲板片的密度差太大也不利于形成平板片。此外,高粘度的俯冲板块容易形成平板俯冲,俯冲板块的粘度与形成的平板片的长度也成正比。研究还发现,平板俯冲的形成伴随着海沟后撤速率的减小。参考模型重现了智利中部平板俯冲的形态,为研究该地区的平板俯冲机制提供了新认识。     

地幔动力学与板块俯冲

通过地幔粘滞性及粘滞结构、地幔热状态、地幔热生成三个方面，探讨了地幔物质发生对流的物理背景，并归纳出地幔对流模式热动力系统，在此基础上剖柏了地幔对流和现代板块构造的直接联系。     

大洋板块俯冲的加积楔

加积楔 (ａｃｃｒｅｔｉｏｎａｒｙｗｅｄｇｅ)是指板块俯冲过程中被刮削下来的沉积体残片 ,又称增生楔。大洋板块在俯冲碰撞过程中 ,俯冲板块上部的沉积体一部分随俯冲板块带入地下深部 ,遭受高压超高压变质作用 ,再经过后期折返而出露地表形成以榴辉岩相岩石为代表的超高压变质岩 ;另一部分岩石(主要为俯冲板块表层沉积物及少量混入的蛇绿质岩石 ) ,则未被俯冲板块带入地下而被刮削下来 ,这些被刮削下来发生强烈形变的构造残片堆积保存下来则形成加积楔 ,又称加积棱柱体 (ａｃｃｒｅｔｉｏｎａｒｙｐｒｉｓｍ)。加积楔这一构造单元在现今…     

板块俯冲带研究中的数值实验

板块构造是一个复杂的动力学体系,俯冲作为板块间相互作用中最重要的特征之一,长期以来通过各种手段并未完全得以认识。近10年来,俯冲带数值模型迅速发展,而2D/3D数值实验也取得许多新的认识:地幔柱顶托作用触发俯冲可能存在于行星演化早期;板片脱水形成的薄弱剪切带是导致现今俯冲样式为单向不对称俯冲的主要决定因素;俯冲增生岩浆的化学组成很大程度上取决于俯冲的发展过程,熔体抽离的强度和俯冲板片年龄共同影响新生地壳的体积。     

大陆深俯冲的动力学机制：观测和模拟结果

兴都库什-帕米尔-中国西部1975～2003年期间的地震活动记录、地表地质构造和地壳速度结构数据证明,沿特提斯陆-陆碰撞带正在进行大陆深俯冲作用。帕米尔地区大陆地壳的下部物质与上地幔一起俯冲到200km 以下,而中、上地壳在不同深度上被反冲断层所剥离。帕米尔地区向南的大陆深俯冲作用限于西部恰曼左行走滑断裂和东部喀喇昆仑右行走滑断裂之间。沿深俯冲带存在上、中、下3个地震群。上地震群出现在30～50km 附近,对应于中、上地壳的反冲剥离构造作用,地震成因与长英质地壳的脆-韧转换和“二相变形”机制有关。中地震群大体出现在90～120km 深度上,与帕米尔深俯冲岩板向下由缓倾变陡的深度大体相当。下地震群的主体出现在180～220km,代表深俯冲岩板的最前端。帕米尔大陆深俯冲岩板为上宽下窄、上缓(20～30°)下陡(60～70°),转变深度在80～120km 的楔形体,深度超过200km 的走向宽度只有500～600km。在探讨大陆深俯冲的动力学过程中采用了2种模拟方法。利用考虑温度场和负浮力的二维数值模拟表明:(1)地幔对流拖曳力对俯冲深度和俯冲速度有重要控制作用,从100MPa 到20MPa 的变化将导致俯冲深度由231km 减到151km,速率由10.79mm/a 减到5.46mm/a。(2)俯冲角30°与45°相比,前者的俯冲深度要深约25～50km。(3)俯冲板块厚度越大,则俯冲深度越浅。(4)在俯冲板块的负浮力、洋脊推力为10～30MPa 及地幔对流拖曳力为100MPa 的综合作用下,陆壳俯冲实际垂向位移可达120km,最终俯冲深度达到150km,而洋壳实际垂向位移约170km,最终俯冲深度达到230km。在考虑岩石圈和软流圈相互耦合的俯冲模拟中,块体间的接触判断采用了 LDDA 方法的接触判断准则和区域分解方法求解。其特点是边界条件比较简单,并能自动实现俯冲过程中岩石圈和软流圈之间的相互作用,但需要确定研究区域不同深度和不同板块的力学参数,且计算量很大。     

印度与欧亚板块俯冲-碰撞过程岩石圈热结构模拟

研究中采用了非线性非稳态的二维热传导--平流方程,首次考虑了俯冲角度及地球物质材料的性质对摩擦生热率的影响,对拉萨地块中部100~40 Ma期间印度与欧亚板块俯冲-碰撞过程岩石圈热结构演化过程数值模拟进行了尝试,在模拟板块俯冲-碰撞过程中高原中部热结构的同时探讨了岩石圈的拆层作用对高原(尤其是对拉萨地块)热结构的影响.模拟结果显示,在俯冲阶段岩石圈热结构能较好地解释冈底斯花岗岩带中花岗闪长岩及其中铁镁质微粒包体存在壳幔二元体系这一认识.     

板块俯冲带水流体活动及其效应的定量化数值模拟

为探讨水流体活动对板块俯冲隧道过程及大陆碰撞造山的制约作用,采用热力学和动力学耦合的数值模拟方法,建立了系统的数值模型.结果显示俯冲隧道内的混杂岩存在两种不同的折返路径:（1）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;（2）近垂直穿过上覆地幔楔侵入地壳深度.这两种差异性的模式主要受控于俯冲带热结构.俯冲带的温度结构控制俯冲隧道内水流体和熔体活动,从而影响上覆地幔楔的弱化程度,最终导致俯冲带内物质的不同运移过程和折返路径.同时,大陆俯冲碰撞带的岩石圈变形和拆沉作用均与俯冲带的流体-熔体活动所导致的岩石圈弱化息息相关.数值模拟结果极大促进了对于板块俯冲带流体-熔体活动及其动力学过程的理解.      

俯冲带岩浆与岩石的相互作用：关于俯冲板块,地幔,地壳的实验研究

通过对下四种环境中岩浆混染作用的实验研究：（１）俯冲板块之上；（２）地幔－陆壳边界界之下和（３）地幔－际壳边界之上；（４）浅部地壳内。用含Ｈ２Ｏ硅质熔体橄榄岩或角闪岩之间反应的一系列清楚的边界确定了；（１）混染熔体内的扩散断面和（２）二种物质之质的结晶反应带。由含Ｈ２Ｏ的橄榄岩－英云闪长岩－花岗岩混合物确定了一些相界，这些相界能区分从俯冲板块中产生的并经过地幔上升的熔体的混染程度和与橄榄岩（如堆积     

俯冲板块板内岩浆作用和动力学

地球上的岩浆活动主要发生于大洋中脊、俯冲带,而板内岩浆通常是由地幔柱或热点作用产生的。最近一二十年,在俯冲板块内部发现了一些岩浆活动,它们通常不能用传统的动力学机制来解释。本文综述了位于不同构造背景的俯冲板块内部的岩浆活动,包括大洋板块俯冲背景下俯冲的大洋和大陆板块部分,以及陆陆碰撞背景下俯冲的大陆板块。在此基础上,讨论了板片拉力在俯冲板块岩浆作用中的地位和效应,认为俯冲下盘微陆块的裂解通常需要多种因素的综合,并且需要多学科综合研究来鉴别地史上的俯冲板块以及相应的板内岩浆作用。俯冲板块中的板内岩浆的识别和研究将是板块构造理论框架下解释板内岩浆作用的重要补充。     

大洋平板俯冲的数值模拟再现:洋–陆汇聚速率影响

利用地球动力学数值模拟方法探讨了洋-陆汇聚时,大洋岩石圈的绝对俯冲速率和上覆大陆岩石圈的向洋绝对逆冲速率对俯冲模式的影响,尤其是上覆大陆的向洋绝对逆冲速率与平板俯冲之间的关系。模型结果显示,对于年龄为40 Ma的含正常洋壳厚度的大洋岩石圈,在初始俯冲角度为现今洋–陆俯冲平均倾角的极小值(19°)条件下,低速大洋俯冲(绝对俯冲速率≤3 cm/a)且上覆大陆岩石圈向洋绝对逆冲速率≥1 cm/a时,具备形成平板俯冲的条件。当中–高速大洋俯冲(绝对俯冲速度3 cm/a)时,在上覆大陆的绝对逆冲速率不小于俯冲速率时可以形成平板俯冲。当增加初始俯冲角度到平均倾角的极大值(36°)时,仅在低速大洋俯冲(绝对俯冲速率≤3 cm/a)且绝对逆冲速率达到10 cm/a时(自然界中基本不存在),才有可能出现平板俯冲,其他情况均表现为陡俯冲。我们的模拟结果表明:(1)较高的大洋岩石圈绝对俯冲速率更容易克服板间耦合作用力而有利于陡俯冲形成;(2)较高的上覆大陆绝对逆冲速率更有利于俯冲板片弯曲而趋向于平板俯冲形成;(3)上覆大陆朝向海沟的逆冲速率会在俯冲板片下方产生水平向陆的地幔流,绝对逆冲速率越大该地幔流越强烈,导致作用于板片下表面的水平剪切分量越大而有利于板片弯折和平板俯冲发生;(4)初始俯冲角度的增加对平板俯冲的形成起到强烈抑制作用。这些能被现今平板俯冲,如具相似洋–陆汇聚速率条件的南美洲西海岸平板俯冲实例所验证。     

大陆俯冲带热结构的数值模拟

俯冲带热结构是控制俯冲板块演化的最主要因素之一.前人通过建立解析模型和数值模型对大洋俯冲带热结构进行了一系列研究,发现俯冲板块年龄和俯冲速度是影响俯冲带热结构的关键因素.为了认识大陆俯冲带热结构,特别是理解数值模型结果与岩石学结果之间的差异,我们建立了二维大陆俯冲带运动学和动力学数值模型研究其热结构演化.模型结果显示,如果大陆俯冲板块的俯冲速度与角度和大洋板块一致的话,较低的大陆俯冲带初始温度导致其板块温度比大洋俯冲带低.但是,当大陆俯冲板块的初始温度较高,俯冲速度超慢并且考虑大陆地壳中的放射性元素生热时,模型得到的大陆俯冲带热结构能够解释通过高压和超高压变质岩得到的较热的俯冲板块温度.另一方面,如果俯冲板块与上覆板块存在动力学解耦作用,也能够得到较热的俯冲温压数据.      

日本列岛下太平洋俯冲板块的精细结构

尽管许多学者对日本列岛下的太平洋俯冲板块做了大量的研究,但板块内部的结构(比如板块厚度,板块内地震波速度随深度的变化以及洋壳的俯冲情况等)仍然不太清楚。利用日本地区密集台网收集到的中深和深发地震到时数据来探讨上述问题。采用三维射线追踪正演模拟法,首先利用333个远震计算得到了日本地区太平洋板块的厚度为85km;然后利用3283个地震(震源深度大于40km)的130227条P波到时进一步研究板块内部的精细结构。结果显示,沿深度方向6个地层段(间隔100km)内的速度扰动值分别为5.5%,4.0%,3.5%,2.5%,2.0%和6.0%,在40～500km范围内速度扰动随深度的增加而减小,这与温度随深度的变化情况相一致。当深度大于500km时,速度扰动突然增大到6.0%,分析认为该异常可能由发生在东亚大陆边缘下方的深发地震无法精确定位导致的。最后利用40～500km深度范围内的近震测试得到日本东北和北海道地区下方洋壳俯冲的深度均为110km,平均厚度分别为7.5km和5km,相对于一维模型的速度扰动分别为1%和-3%。这说明洋壳在俯冲到110km以深时,由于受温度和压力的影响,逐渐脱水、变质,直至与板块融合。通过分析震源与洋壳的位置关系,本研究认为北海道地区比东北地区下方的俯冲洋壳可能含有更多的流体(比如水),导致两地区洋壳内的速度相差如此之大。此外,因为日本南部与洋壳对应的区域多为海洋,观测台站较少,所以本研究无法测试得到该区域内的洋壳俯冲情况。     

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.      

大陆深俯冲的最大深度——来自数值模拟实验的结果

采用粘弹性材料8块体有限元模型并设定温度场后进行的大陆深俯冲二维数值模拟表明,在组合载荷（负浮力、洋中脊推力从上到下10～30MPa和地幔对流拖曳力100MPa）作用下,陆壳俯冲实际垂向位移可达117km,最终俯冲深度达到147km,而洋壳实际垂向位移约162km,最终俯冲深度达到231km;在洋壳、陆壳俯冲到一定深度以前,它们的俯冲速度基本保持不变,表现为洋壳、陆壳底端的位移一时间曲线近似为直线;当俯冲时间超过9Ma,洋壳、陆壳分别达到167km、96km深度后,俯冲速度会越来越慢。     

壳-幔演化和板块俯冲作用过程中的硼同位素示踪

硼同位素是近年来发展起来的一门新兴的稳定同位素地球化学方法。硼有两个稳定同位素 :10 B和11B。硼同位素组成自然界变化十分大 ,δ11B值为 - 37‰～ +58‰。对地幔岩石的硼同位素研究表明 ,原始地幔的δ11B值为 - 10‰± 2‰ ,B的质量分数估算为 (0 2 5± 0 1)×10 -6。相对而言 ,地壳岩石的B含量和δ11B值均较高。由于壳、幔岩石具有不同的B含量和δ11B值 ,硼同位素已被广泛应用于研究壳幔演化和板块俯冲作用过程 ,用于示踪俯冲板块中大洋沉积物和蚀变洋壳在地幔中的循环。     

特约主题：古太平洋板块俯冲与欧亚大陆东缘构造演化北大核心CSCD

编者按语：欧亚大陆东缘中生代构造演化主要受古太平洋板块俯冲历史所控制。然而,古太平洋板块在欧亚大陆下的俯冲作用是何时开始的？中生代期间,古太平洋板块在欧亚大陆下的俯冲历史如何？这些问题一直存在较多争论。     

印度-澳大利亚板块应力场数值模拟及其动力学分析

印度-澳大利亚板块的边界类型和性质十分复杂。本文采用伪三维有限元方法,利用WSM2000观测应力场数据的应力取向和应力状态作为主要约束,建立了印度-澳大利亚板块岩石层三维模型,对印度-澳大利亚板块构造应力场进行了数值模拟,进而探讨印度-澳大利亚板块所受边界力对板块内部应力场的影响。结果显示,印度-澳大利亚板块的构造应力场主要受到两个因素的控制:①软流层静压推力;②来自碰撞带的阻力,包括喜马拉雅、巴布亚新几内亚、新西兰和印度-澳大利亚板块与欧亚板块的西北边界。而来自俯冲消减带的拉张作用力对板内应力场的作用相对较小。      

TTG岩系Nb-Ta-La分馏特征的地球化学模拟:对太古宙板块俯冲与大陆地壳生长机制的约束

TTG的Nb/Ta比值以及Nb、Ta相对于La(代表LILE)的亏损取决于部分熔融体系中金红石、角闪石作为残留相矿物存在与否.本研究采用金红石和低Mg#角闪石的微量元素分配系数模拟部分熔融过程中Nb-Ta-La的分馏.模拟结果表明:如果与TTG熔体平衡的残留相是不含金红石的石榴角闪岩,熔体Nb/Ta比值低于源岩但Ta含...     

扬子板块俯冲加积杂岩的初步研究

根据大别—苏鲁造山带浅变质岩系的地质产状,本文将其与高压—超高压岩石一起作为大陆板块俯冲的加积杂岩来考虑,发现它们在岩石类型、变质时代和原岩性质等方面具有一定的可比性,因此可看作为扬子板块大陆俯冲的加积杂岩。由此根据板块俯冲的加积楔模型,对浅变质岩系的形成和演化过程进行了地球动力学解释,结果对扬子板块俯冲及其与华北板块碰撞的俯冲带和缝合带位置提供了制约。     

大洋俯冲和大陆碰撞沿走向的转换动力学及流体-熔体活动的作用

为了深入探讨大洋俯冲和大陆碰撞沿走向的转换及其动力学特征,同时更好的理解俯冲-碰撞带的流体-熔体活动及其效应,我们建立了一系列三维空间的大尺度、高分辨率的动力学数值模型。模拟结果显示,在板块会聚过程中,流体-熔体活动可以降低周围岩石的流变强度及两个板块之间的耦合作用,并能够促进大陆碰撞带俯冲板块的断离。同时,俯冲-碰撞带的空间转换模型揭示其深部结构存在巨大的沿走向的差异性,大陆碰撞带发生俯冲板块断离,而大洋俯冲板块持续下插。并且上覆板块的地壳物质发生从陆-陆碰撞带向洋-陆俯冲带的侧向逃逸。这种三维空间中沿走向的差异性俯冲-碰撞模式与中-东特提斯构造带相吻合,并揭示其动力学机制。