克拉通岩石圈对流减薄的数值模拟

采用二维有限元数值模拟的方法研究了岩石圈的对流减薄过程,特别是克拉通岩石圈的对流减薄过程.模型的主要参数包括增厚岩石圈的宽度x、增厚倍数γ、以及与岩石圈组分变化导致的黏性和密度变化密切相关的黏性比(ηc)和浮力数(B)或等效密度变化(Δρtc).数值计算结果显示,地幔对流将逐渐减薄增厚的岩石圈部分,(1)当B=0和ηc=1时,即对一般地幔岩石圈,增厚岩石圈对流减薄的时间可表示为0.0073γ0.70x0.26.将数值结果应用于地球,意味着增厚到300 km的岩石圈,如宽度为300 km,对流移除增厚部分回到初始平衡厚度120 km大约需要225 Ma;如宽度为1500 km,移除增厚部分大约需要342 Ma.(2)当B和ηc较小,克拉通岩石圈对流减薄过程与一般加厚岩石圈的对流减薄过程类似,但减薄时间受克拉通组分浮力和黏性比的影响而显著增长,克拉通岩石圈对流减薄的时间可表示为0.0057ηc0.52Δρtc-0.21γ0.78ηc-0.36x0.04.因而,对300 km厚的克拉通岩石圈,如克拉通岩石圈的密度比周围地幔的密度低0.4%(即B=0.1),宽度1500 km,若克拉通岩石圈黏性因组分影响比普通地幔岩石圈大10倍,其被对流减薄到120 km大约需要1.18 Ga.(3)当B和ηc增大到一定量时(如B≥0.2且ηc＞10),克拉通岩石圈被移除的过程将发生变化,由于组分浮力的影响,对流主要不是将克拉通岩石圈带到软流圈地幔中,而主要是将较厚的岩石圈物质向两边推送.在此情况下,克拉通岩石圈能长时间(＞3 Ga)保持稳定.     

数值模拟华北克拉通岩石圈减薄的一种可能机制 ——下地壳榴辉岩重力失稳引起的拆沉

通过数值模拟研究,论证了中生代华北拉通岩石圈受挤压,下地壳玄武岩相变为密度较大的榴辉岩,榴辉岩重力失稳能够引起下地壳的拆沉,造成岩石圈的大规模减薄的可能性.通过对比不同规模的榴辉岩减薄方式发现,当榴辉岩规模较大时可能发生双管道拆沉,而规模小时发生单管道拆沉.计算结果表明当榴辉岩的水平尺度为100 km, 200 km, 300 km时,岩石圈拆沉减薄后厚度分别可达92 km,105 km,136 km.对比中生代华北克拉通岩石圈热侵蚀减薄和拆沉减薄机制,从力学机制上都能造成岩石圈减薄,但它们的结果对应着不同的地表地质特征.热对流减薄,中心区域变热变薄,中心区域是一个伸展区域,发展一个大的变质核杂岩区,岩浆的发展时序是从中心向两侧对称分布,并且向两侧减弱拆沉减薄结果中,中心区域受到挤压加厚,反而变冷.在中心区域的两侧发生两个减薄伸展区域,可能对应两个变质核杂岩区域,岩浆的发展时序是从两侧向中心减弱发展.     

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...     

接收函数方法与华北克拉通北部岩石圈结构的研究

正自从Langston提出接收函数以来,随着地震观测台网越来越密集,利用地震台阵观测研究构造带下方速度结构取得了重要进展,很多学者利用接收函数研究地壳上地幔速度结构。虽然P波接收函数可以获得地壳上地幔结构,但由于莫霍面和壳内间断面多次反射震相的干扰,单纯考虑Ps转换震相难以精确地确定岩石圈边界。Farra和Vinnik利用类似提取P波接收函数的方法得到Sp转换震相的S波接收函数。相比P波接收函数,由于S波接收函数不受间断面多次反射震相的干扰,因而在岩石圈—软     

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.     

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。     

华北克拉通及东邻西太平洋活动大陆边缘地区的P波速度结构：对岩石圈减薄动力学过程的探讨

本文通过地震层析成像研究获得了华北克拉通及其东邻地区（30°N-50°N,95°E -145°E）1°×1°的P波速度扰动图像.结果显示,在西太平洋俯冲带地区,上地幔中西倾的板片状高速异常体与其上方的低速异常区构成俯冲带与上覆地幔楔的典型速度结构式样.俯冲板片高速体在约300~400 km深度范围内被低速物质充填,暗示俯冲板片可能发生了断离.在华北克拉通地区的上地幔中发现三个东倾排列的高速异常带.在此基础上,本文构建了华北克拉通及其东邻西太平洋活动大陆边缘地区的上地幔速度结构模式图,并据此探讨克拉通岩石圈减薄与西太平洋活动大陆边缘的深部动力学联系.本文认为,太平洋板片的俯冲（断离）,触发热地幔物质上涌并在上覆地幔楔中形成对流,使克拉通岩石圈受到改造（底侵与弱化）.随着俯冲板片后撤,地幔楔中的对流场以及对岩石圈改造的影响范围均随之东移,最终导致华北克拉通岩石圈自下而上、从西向东分三个阶段依次拆沉减薄.这一模式能很好地解释现今克拉通岩石圈自西向东呈台阶状减薄的深部现象.     

利用瑞雷面波反演华北克拉通东北部边界的岩石圈结构

运用瑞雷面波相速度频散曲线分析和反演得到了华北克拉通东北部边界及其邻近区域岩石圈的精细S波速度结构.利用11个地震事件、60个台站的瑞雷面波波形资料,得到了周期从25-150 S的相速度频散曲线,并且通过线性反演方法得到了深度从40-300 km的S波速度结构.结果表明,该研究区域S波速度存在强烈的不均匀性.从东南部的...     

华北克拉通地壳结构及动力学机制分析

本文对布设在华北克拉通三个陆块的199个宽频带台站记录的远震数据进行了接收函数计算.利用H-κ迭代方法获得了该区域基岩地区的地壳结构,平滑处理后作为背景结构模型中的基岩地区地壳结构;利用相邻算法对沉积层地区的接收函数进行了波形拟合计算,获得了沉积层结构,平滑后作为背景结构模型中的沉积层结构;结合前人的研究成果,完善了研究区域的背景结构模型.以此模型为基础,对接收函数进行了CCP（Common Conversion Point,共转换点）叠加成像,获得了Moho面成像结果,对比沉积层的成像结果发现：西部陆块中鄂尔多斯块体东部地区地壳厚度较大,约为42 km,泊松比较低,小于0.24,为长英质含量较多的地壳层;位于中部陆块的山西地堑地壳厚度小于鄂尔多斯块体,且变化较大,西侧地壳厚度约为40 km,东侧重力梯度带附近地壳厚度迅速减薄至36 km左右,张家口-怀来-大同一带出现了地壳的局部抬升,地壳厚度等值线基本以北北东方向为主,与构造带方向基本一致,地堑内泊松比约为0.26~0.28,前人对此区域的层析成像研究结果表明太行山隆起和阴山隆起存在壳内低速层,推测为地壳部分熔融以及上地幔物质上涌造成的;东部陆块中渤海湾盆地的地壳厚度较薄,约为32 km,部分地区小于30 km,其中冀中坳陷带地壳厚度最薄,约为28 km,沉积层基底分布与Moho面分布呈镜像对称趋势,沉积层较厚地区的地壳较薄,推测东部陆块在太平洋板块俯冲作用下,存在北西-南东向的拉张作用,使其内发育了大量断陷盆地.

     

流变边界层及其对华北克拉通热/地震岩石圈底界差异的意义

二维热传导/对流数值模型显示,纯传导的固体岩石圈与纯对流的流体软流圈之间存在一过渡层,即流变边界层,其间传导与对流共同作用来传递热量.流变边界层厚度主要由软流圈黏性系数(η)控制,而受固体岩石圈厚度及热状态影响很小.随着η从1×1021Pa·s降低至1×1019Pa·s,流变边界层也随之减薄,流变边界层的厚度与lg(η)成正比.流变边界层的存在是造成热岩石圈与地震岩石圈厚度差异的重要因素.全球典型克拉通岩石圈的对比结果表明,地震岩石圈厚度普遍大于热岩石圈厚度,二者的差异多数在70~90km,很好地验证了流变边界层的存在.研究发现二者的差异在华北克拉通自西向东逐渐减小:由西部鄂尔多斯的约80km减少至渤海湾盆地的约20km.反映出华北克拉通岩石圈下部流变边界层厚度自西向东减薄,意味着软流圈黏性系数自西向东逐渐降低.这可能与中生代太平洋俯冲脱水形成的低黏大地幔楔有关,从一侧面印证了太平洋俯冲对华北克拉通破坏的影响.     

流变边界层及其对华北克拉通热/地震岩石圈底界差异的意义

二维热传导/对流数值模型显示,纯传导的固体岩石圈与纯对流的流体软流圈之间存在一过渡层,即流变边界层,其间传导与对流共同作用来传递热量.流变边界层厚度主要由软流圈黏性系数（η）控制,而受固体岩石圈厚度及热状态影响很小.随着η从1×1021Pa·s降低至1×1019 Pa·s,流变边界层也随之减薄,流变边界层的厚度与lg（η）成正比. 流变边界层的存在是造成热岩石圈与地震岩石圈厚度差异的重要因素. 全球典型克拉通岩石圈的对比结果表明,地震岩石圈厚度普遍大于热岩石圈厚度,二者的差异多数在70~90 km,很好地验证了流变边界层的存在. 研究发现二者的差异在华北克拉通自西向东逐渐减小：由西部鄂尔多斯的约80 km减少至渤海湾盆地的约20 km. 反映出华北克拉通岩石圈下部流变边界层厚度自西向东减薄,意味着软流圈黏性系数自西向东逐渐降低.这可能与中生代太平洋俯冲脱水形成的低黏大地幔楔有关,从一侧面印证了太平洋俯冲对华北克拉通破坏的影响.     

基于背景噪声和地震面波联合反演华北克拉通中部岩石圈结构

基于ChinArray三期项目布设于华北克拉通中部的流动台阵观测数据,利用背景噪声互相关和地震面波层析成像获取了研究区内6—140 s周期的瑞雷面波频散,使用蒙特卡罗非线性反演方法获得了华北克拉通中部岩石圈的高分辨率三维S波速度结构。结果显示华北克拉通不同地块的岩石圈速度结构存在显著的横向差异：其中鄂尔多斯盆地腹地整体表现为高速特征,延伸至200 km以下,但其东南缘存在小范围的低速异常;东部的华北盆地整体表现为低速特征,具有较薄的地壳和岩石圈厚度;中部造山带南北两端以及南北重力梯度线下方存在相连接的低速区域,在深处延伸至华北盆地下方;在下地壳和上地幔顶部,大同火山群区域的低速体逐渐向西偏移至鄂尔多斯盆地东北角下方;而在上地幔中,该区域的低速异常随深度增加而逐渐减弱,低速体延伸至东南方向的华北盆地下方。基于本研究获得的S波速度模型,我们认为：鄂尔多斯盆地腹地保持了克拉通特性,但其东南缘存在局部的岩石圈改造作用;华北盆地发生了强烈的岩石圈破坏减薄和地壳伸展变形;中部造山带南北端以及南北重力梯度线下方的岩石圈发生了局部的改造减薄,其机制可能都来源于华北盆地下方地幔热物质的上涌;大同火山群下...     

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.     

华北克拉通岩石圈破坏的榴辉岩熔体-橄榄岩反应机制:实验约束

以碧溪岭榴辉岩和大麻坪尖晶石二辉橄榄岩为起始原料,在压力2.0GPa,温度1250～1400℃条件下进行榴辉岩熔体-橄榄岩反应的高温高压实验.实验结果显示,在榴辉岩熔体-二辉橄榄岩反应过程中,熔体消耗橄榄岩中的橄榄石和斜方辉石生成单斜辉石.实验产物的岩石序列为橄榄岩-辉石岩-石榴辉石岩,与Liu等在华北克拉通内部的汉诺坝地区发现的大量中生代地幔复合包体结构非常吻合.在温度1300和1350℃时,榴辉岩熔体-二辉橄榄岩反应产生的熔体具有高镁安山岩的成分特征(Mg#>45),表明榴辉岩熔体-橄榄岩反应可能是高镁安山岩形成的主要原因之一.实验结果表明华北克拉通下地壳榴辉岩在中生代可能发生过拆沉作用;榴辉岩拆沉进入软流圈地幔后,部分熔融产生的熔体可以消耗岩石圈地幔橄榄岩,导致华北克拉通的减薄,从而为华北克拉通岩石圈地幔被软流圈地幔改造的熔体-橄榄岩反应机制提供实验约束.     

华北克拉通热结构差异性特征及其意义

华北克拉通破坏存在空间上的差异性,至今其内在的动力学机制仍存在较大的争议,这种差异性在岩石圈热结构上必然有所表现.广义上岩石圈热结构包括热流结构、温度场结构和热岩石圈厚度,是揭示岩石圈演化及其内在动力学过程的重要基础.基于二维地震剖面和大地热流数据,建立二维稳态热传导有限元模型,对华北克拉通东部岩石圈热结构进行模拟计算并与西部进行对比分析,在此基础上对比热岩石圈与地震岩石圈厚度差异的变化.结果显示,华北克拉通东、西部岩石圈热结构有着较为明显的差异,地幔热流值波动范围分别在24~44/20.5~24.5 mW·m-2,壳幔比1.61~0.70/1.84~1.51,以1300℃等温线计算得到的热岩石圈厚度变化范围在75~139 km/128~162 km.华北克拉通东部相对西部有着较高的深部地幔热流值和较小的地震/热岩石圈厚度差异,这可能意味着东部软流圈地幔有效黏度相比西部低,估算差异可达2~3个数量级.     

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.     

华北克拉通岩石圈二维P波速度结构特征——文登-阿拉善左旗深地震测深剖面结果

利用超长观测距地震宽角反射／折射剖面探测技术,获得了近东西向横穿华北克拉通不同块体的反映地壳．上地幔岩石圈结构的不同深度、不同属性地震波震相特征数据．通过对各个块体内的地震波震相特征对比分析研究,除识别出地壳内常规的Pg波、PCi波、PmP波和Pn波外,还清楚的对比出了岩石圈尺度的两组震相PL1和PL2波．经过一维、二维地震走时及波形拟合,获得了沿剖面长约1500km的不同块体的壳幔二维速度结构与构造特征．结果表明：沿剖面地壳及岩石圈自东向西加厚趋势的明显,但各组地震波反、折射界面在各个块体内又显示出局部变化明显等特征．结晶基底在各个块体内变化较大,在华北凹陷盆地内最深达到7．8km,在胶东半岛及太行吕梁地块较浅约2．0km;莫霍界面形态整体显示出东浅西深,在鄂尔多斯块体内最深达到46km,而在华北断陷盆地内显示隆起特征;L1界面仅在太行山以西区域显示,深度约为80km,变化较缓．岩石圈L2界面东浅西深在75～160km范围内变化,在太行山以西有一急剧加深趋势,形成一个陡变带．     

川滇地区岩石圈温度、化学组分结构研究及对岩石圈减薄过程的认识

川滇地区地处中国大陆西南,对其岩石圈结构的研究是认识该地区构造演化过程的基础.由于不同研究方法存在各自的局限性,导致其所获得的岩石圈结构和可能的构造演化过程仍存在争议.岩石圈温度、化学组分结构是深入认识这些争议性问题的基础.本文基于热动力学模拟和概率密度反演的方法,联合瑞雷面波相速度频散曲线、大地水准面高、地形和地表热流等观测资料,反演了川滇地区岩石圈的温度、化学组分结构.结果表明,川滇地区岩石圈呈现南薄北厚的趋势,其中印支块体岩石圈较薄,为60~80 km,相对起伏较小;川滇菱形块体、江南造山带西缘岩石圈自南（~80 km）向北（~200 km）递增;松潘甘孜块体保持较厚的岩石圈根（~240 km）.印支块体与江南造山带西缘岩石圈地幔以过渡型和难熔型的橄榄岩为主,仍存在部分古老难熔的岩石圈地幔物质;而川滇菱形块体内部为饱满型岩石圈地幔,表明古老、难熔的岩石圈地幔被新的地幔物质所取代.根据现今川滇地区岩石圈温度、化学组分结构,我们推测川滇地区南部的印支块体受印度板块与亚欧板块南北向碰撞的影响,导致该区域岩石圈增厚,并发生以拆沉作用为主的减薄过程,但岩石圈地幔仍以古老难熔的地幔物质为主;拆沉作用所导致的热地幔物质上涌使得川滇菱形块体古老难熔的岩石圈地幔物质由南往北逐渐为新的地幔物质所取代,形成了现今饱满型岩石圈地幔,热侵蚀作用在川滇菱形块体岩石圈减薄过程中占主导地位.

     

华北克拉通破坏

《华北克拉通破坏》重大研究计划,围绕克拉通破坏的时空范围、克拉通破坏的浅部效应和深部结构响应、克拉通破坏的动力学机制等核心科学问题,开展了系统与深入的探测、测试与研究.计划执行四年来的重要研究进展包括:(1)发现华北克拉通岩石圈厚度以及地壳-上地幔结构存在显著的空间差异,确定了华北克拉通破坏的时空范围;(2)厘定了华北克拉通古生代、中生代、新生代岩石圈的属性,发现了晚中生代华北克拉通岩石圈地幔富水而新生代岩石圈地幔贫水的特征;(3)根据岩浆作用和浅部地质响应的相关性,证实了地表地质构造受控于克拉通破坏的深部过程;(4)发现太平洋板块俯冲是华北克拉通破坏的主要动力因素的证据,揭示了华北克拉通破坏在板块构造体系中的科学意义.