地幔柱作用与岩石圈改造:以塔里木克拉通为例

克拉通是稳定的大陆块体,形成于太古代,具有巨厚的岩石圈地幔根,其厚度多大于200 km.地幔热柱作用早期会显著减薄岩石圈地幔、降低岩石圈强度,现有地震和地幔捕虏体数据资料显示,克拉通经历过地幔柱作用后仍有超过150 km厚的稳定岩石圈地幔根,其岩石圈地幔根的主要物质成分是亏损的橄榄岩,岩石圈的强度仍旧保持高强度.这一现象具有全球效应,如北美Slave克拉通和非洲南部Kaapvaal克拉通均经历了这一过程.本文系统地归纳总结了地幔柱作用前后岩石圈典型特征,并结合相应阶段的构造响应发现：稳定的克拉通在地幔柱的作用下岩石圈会发生强烈的改造,伴随地表岩浆活动和克拉通岩石圈的减薄和弱化;而后亏损的地幔柱熔融残余物会重新加厚和增强岩石圈地幔.岩浆岩记录的地球化学资料显示,塔里木岩石圈在二叠纪时期经历了严重的改造过程;而岩石圈深部结构的地震、地热和大地电磁资料显示,现今塔里木岩石圈厚度约为150 km.塔里木岩石圈在新生代印度—欧亚大陆碰撞背景下仍旧表现出刚性的特征,塔里木岩石圈的增厚与增强是塔里木早二叠世地幔柱作用的结果.文章最后讨论了塔里木岩石圈减薄到再增厚的过程,并提出初步的模式．     

地幔柱与岩石圈相互作用过程中熔融问题的数值模拟

地幔柱是最可能形成大火成岩省的原因之一,同时地幔柱与岩石圈的相互作用也极大的影响着岩石圈的构造演化.本文主要集中研究地幔柱与岩石圈相互作用过程中熔融相关的问题.利用开源程序Ellipsis3D,基于质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和岩石流变本构关系,以及不同的熔融损耗关系,通过有限元数值方法模拟得到地幔柱与岩石圈相互作用过程中熔融程度的动态变化.数值模拟结果显示,地幔柱与岩石圈相互作用的熔融相关过程分为三个阶段：地幔柱的初融阶段,地幔柱自身熔融占主导,减压熔融为主因;地幔柱与岩石圈的纵向作用阶段,岩石圈地幔开始熔融,地幔柱以减压熔融为主,岩石圈地幔以升温熔融为主;地幔柱的横向展平阶段,随着地幔柱的扩展岩石圈地幔熔融范围增加,以升温熔融为主,地幔柱自身熔融程度减小.最后基于数值模拟结果及现场资料对峨嵋山大火成岩省地幔柱的发展演化以及峨眉山大火成岩省的形成进行了讨论.     

地幔柱与岩石圈相互作用过程的数值模拟

地幔柱的研究是地球科学研究的热点之一.本文主要集中研究地幔柱与岩石圈的相互作用过程.基于质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程,通过有限元数值方法可以计算得到地幔柱与岩石圈相互作用的温度场、速度场和有效黏度等的时空图.本文的流变本构模型主要基于非牛顿流体的有效黏度模型,通过数值模拟计算分析了地幔柱与岩石圈相互作用过程,着重讨论了地壳流变结构对此过程的影响.数值模拟结果显示,地幔柱与岩石圈的相互作用分为三个阶段:地幔柱上升期,时间持续到0.2 Ma,平均速度为2.75m·a-1,地幔柱顶部地形开始向上隆起;地幔柱与岩石圈纵向作用期,时间从0.2 Ma到0.26 Ma,地幔柱上升的平均速度为0.83m·a-1,地表地形隆升达到最大值;地幔柱与岩石圈横向作用期,0.26 Ma以后,岩石圈开始剪切变形,地幔柱水平运动速度为0.47m·a-1,当剪切变形达到一定程度,岩石圈底部开始出现拆沉作用.当下地壳流变强度比较小时,上地壳的流变结构控制着地幔柱顶部地表地形隆起程度,流变强度越大,隆升高度越小;而下地壳的流变结构控制着地幔柱两侧地表地形的下沉幅度,下地壳流变强度越小,下沉幅度越大.最后,讨论了数值模拟对峨眉山大火成岩省地幔柱发展演化的应用.     

南秦岭中～晚元古代火山岩性质与前寒武纪大陆裂解

南秦岭扬子克拉通北缘,中～晚元古代陨西群、耀岭河群、西乡群及碧口群火山岩系具有大陆裂谷火山岩或大陆溢流玄武岩特征,是大陆板内拉张构造环境下形成的,火山岩富集不相容元素及高ε_(Nd)和低～中等~(87)Sr/~(86)Sr值等特点,表明其来源于软流圈地幔柱.在较强烈的岩石圈拉张作用下,地幔柱上隆并快速减压熔融形成岩浆.这种拉张作用在晚元古代发展为大陆裂解并形成洋盆.中～晚元古代火山作用是南秦岭前寒武纪大陆裂解的先兆.     

大陆岩石圈、地幔底部异常体与地幔对流相互作用的数值模拟

在地球表层存在着占地表面积约30%的具有低固有密度、高黏度的大陆岩石圈.由于其特殊的物理化学性质,大陆岩石圈通常不直接参与下方的地幔对流,但其与地幔对流格局有着重要的相互影响.大量研究显示,在中太平洋和非洲的下地幔底部,存在着两块占核幔边界（CMB）面积约20%的高密度热化学异常体（由于其剪切波速度较低,常称作低剪切波速度省（LSVPs））.LSVPs的演化既受地幔对流的影响,同时也影响地幔物质运动的格局和动力学过程.本文系统研究了存在大陆岩石圈,下地幔LSVPs的地幔对流模型.模拟结果显示：（1）当大陆体积较小时,其边缘常伴随着俯冲,大陆区域地幔常处于下涌状态,其上地幔温度较低,大陆岩石圈在水平方向处于压应力状态.随着大陆体积的增大,大陆边缘的俯冲逐渐减弱,大陆区域地幔由下涌转为上涌,其上地幔温度较高,大陆岩石圈水平方向处于拉应力状态.（2） 岩石圈与软流圈边界（LAB）在大陆下方较深,温度较低;在海洋区域较浅,温度较高.随着大陆体积的增大,陆洋之间LAB深度、温度的差异逐渐减小.（3）大陆区域地幔底部LSVPs物质的丰度与大陆的体积呈正相关.当大陆体积较小时,大陆下方的LSVPs丰度比海洋区域少.随着大陆体积的增大,大陆下方LSVPs的丰度逐渐增大.（4）海洋地区地表热流高,且随时间波动大,大陆地区地表热流低,随时间波动较小;LSVPs区域的核幔边界热流低.     

张裂大陆边缘形成演化的数值模拟

本文在等黏态角落流模型的基础上,建立了上升离散地幔流场,将该流场作用于大陆岩石圈底部,能解释岩石圈减薄、裂解并最终形成海底扩张和张裂大陆边缘等一系列过程.数值模拟的结果表明,岩石圈在上升离散地幔流的作用下发生依赖于深度的伸展减薄,表现为不同深度的拉张因子不同,地表热流显著升高,热扰动引起的均衡调整造成地表沉降,同时热扰动造成岩石圈流变强度尤其是在变形中心处显著减小,脆性变形临界深度变浅,而韧性变形范围扩大.在上升离散地幔流的持续作用下最终导致大陆裂解,岩石圈地幔出露,形成海底扩张和张裂大陆边缘.     

地幔柱数值模型的研究进展

地幔柱模型作为地球内部对流系统的重要组成部分,可与板块构造理论相媲美.它们共同构成了地球内部物质和能量循环的重要过程.自从地幔柱模型提出以来,地震学、高温高压矿物学、地质学以及地球动力学数值模拟对其进行了多学科的综合研究.其中数值模拟通过建立理论模型来研究地幔柱的动力学效应,定量化地给出了地幔柱的演化过程以及地球内部和表层的响应,并用以解释其他学科的观测和实验结果.因此,地球动力学数值模拟是研究地幔柱动力学最重要的手段之一.文章总结了近几十年地幔柱数值模型的研究进展,包括地幔柱的起源和存在的证据,地幔柱与岩石圈、洋中脊、俯冲带和地幔过渡带的相互作用以及地幔柱与大型剪切波低速区的关系.数值模型得到的理论结果必须与其他各学科的观测结果进行对比和验证才能真正理解地幔柱的动力学过程.随着数值模拟方法的发展和计算能力的提高,地球动力学数值模拟将为研究包括地幔柱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.     

东亚大陆伸展和裂谷作用与动力学

大陆岩石圈的伸展作用是块体分裂，大陆解体和漂移过程中必需的第一步，而伸展作用的模式则取决于驱动力系和大陆岩石圈的反响。所以不同类型裂谷的形成与地球深部地壳与地幔结构，深层过程及其力学机制密切相关。这是回答控制大陆生长与为什么会开裂的关键所在。本文在研究了系列裂谷构造的基点上，阐述了大陆裂谷的特点，地壳与地幔构造背景和地球物理场特征。论述了裂谷形成和其分类，讨论了我国攀西裂谷和莱茵地堑的深层过程。由     

俯冲构造vs.地幔柱构造——板块运动驱动力探讨

板块构造是指地球外壳岩石圈块体在地球表面的(水平)运动及其相互作用.自50年前板块构造理论建立以来,对板块运动的动力来源这一问题一直存在争议.早期的观点认为是"自下而上"机制,即板块运动受控于板块之下的地幔对流系统,特别是起源于核幔边界的地幔柱作用于板块底部,促使大陆裂解,并驱动板块运动.而现今较为普遍接受的观点则是"自上而下"机制,即认为板块运动的驱动力主要来源于板块自身的负浮力(即重力大于浮力),板块构造和地幔对流均受控于板块的俯冲作用,因此板块构造又被称为俯冲构造.这一观点得到了众多地质和地球物理观测的支持.进一步研究表明,个别板块增速、减速与单一地幔柱活动在百万年时间尺度具有耦合关系;多个板块内稳定克拉通地区地表隆升、沉积速率与地幔柱相关的岩浆活动在亿年时间尺度存在时空相关性;而全球范围的超大陆聚合、裂解与超级地幔柱活动在二十亿年以来的地质历史时期表现为周期性耦合关系.这些不同时空尺度的耦合现象均表明,板块构造与地幔柱构造在地球演化过程中是紧密联系、相互作用的,地幔柱构造对板块运动产生了不可忽视的影响.因此,需要将板块构造和地幔柱构造这两大地球构造体系加以联合,开展综合分析与研究,才能获得对板块构造和整个地球动力系统运行机制的全面认识.     

青藏高原岩石圈三维电性结构

本文报道通过综合大地电磁调查数据研究青藏高原岩石圈三维电阻率模型的初步成果.大地电磁法调查区域已经覆盖了高原大部分面积,为全区三维电阻率成像研究打下了可靠的基础.对多个测区大地电磁数据进行精细的同化处理和反演成像,取得了青藏高原可靠的岩石圈三维电阻率结构图像.成像的区域为28°N—35°N,80°E—104°E.三维反演计算时采用的网格尺寸为20km×20km,垂直方向不等间距剖分为26层.结果表明,青藏高原现今岩石圈电阻率扰动主要反映印度克拉通对亚欧大陆板块俯冲引起的热流体运动和大陆碰撞和拆离产生的构造.在岩石圈地幔,察隅地块、喜马拉雅地块和拉萨地块东部联成统一的高电阻率地块,它们反映了向北东俯冲的印度克拉通.雅鲁藏布江、班公—怒江和金沙江缝合带都有明显的低电阻率异常,表明岩石圈深处有热流体活动.雅鲁藏布江、班公—怒江和金沙江缝合带都有明显的低电阻率异常,也表明它们的岩石圈还有流体活动.青藏高原东部的低阻区沿100°E向地幔下方扩大,反映了金沙江断裂带有切穿岩石圈的趋势.地幔电阻率平面扰动的模式显示,青藏高原东西部的地体碰撞拼合形式和方向是不同的.在青藏高原西部,羌塘、拉萨和喜马拉雅等地体从北到南碰撞拼合.在青藏高原东部,羌塘—拉萨、察隅、印支、雅安和扬子等地体多方向拆离拼合,在地壳造成不正交的拆离带和压扭构造系.从高阻-低阻区的分布看,东部的地体拼合有地幔的根源,今后还会进一步发展.察隅地块岩石圈对青藏高原东部的楔入,使其北部和东部地块的岩石圈发生拆离撕裂,也造成热流体上涌的低电阻率异常.     

上地幔剪切波各向异性约束下的中国大陆岩石圈底部的剪切拖曳力和应变率

地幔对流在岩石圈底部产生的剪切拖曳力和应变率的估计有助于理解和认识板块构造运动、岩石圈变形特征和应力分布格局、地壳长期运动状态和克拉通演化的深部动力学环境,但准确地估计它们是一个挑战.本文利用核相剪切波分裂各向异性约束下获得的全球和区域地震速度结构"耦合"的地幔对流模型计算了中国大陆岩石圈底部的剪切拖曳力和应变率.结果表明,与地幔对流速度相比,剪切拖曳力和应变率具有更加复杂的分布格局;剪切拖曳力的大小位于前人估计的范围之内,但其最大值明显较小,不超过4.0 MPa.中国西部的剪切拖曳力明显大于东部;剪切应变率不超过45/100 Ma;地幔黏度的横向变化可能会导致剪切拖曳力与剪切应变率呈负相关关系.     

蒙古-贝加尔裂谷区深部结构研究进展综述

针对蒙古-贝加尔裂谷形成的动力机制和演化过程的两种观点,本文整理了近年来蒙古-贝加尔裂谷活动构造、重力异常、层析成像及接受函数等方面的研究成果,分析蒙古-贝加尔地区深层介质尤其是上地幔的各向异性特性,探究深部物质的变形方式和流动模式,探讨了蒙古-贝加尔裂谷形成和演化的条件.结果表明,蒙古-贝加尔地区地幔流场及对流应力场呈现非常复杂的图像,流场及应力场分布与地表构造具有很好的相关性.蒙古-贝加尔裂谷系的形成不是单纯的构造伸展或壳下岩石圈被热的软流圈物质机械代替的过分简单的模式,而是裂谷系的岩石圈强烈地构造热活化,即有软流圈上隆,熔体侵入.在蒙古-贝加尔裂谷形成和演化中地幔柱发挥了重要作用,同时与线性岩石圈年代及其相对于地幔柱位置有关,也与India-Asia碰撞提供的有利的远场力相关,这三者构成了蒙古-贝加尔裂谷形成和演化的三个条件.     

地幔柱研究进展

地幔柱假设自提出以来,在学术界争议很大,对于其是否存在还没有统一答案.本文对地幔柱的起源做了详细阐述,将质疑者的观点和地幔柱假设自身存在的问题进行罗列,对地幔柱存在的证据进行汇总.从地球化学及岩石学方面对大陆溢流玄武岩和大洋岛玄武岩的分布进行研究,了解地幔柱在地表的形态;从大地构造学角度分析地幔柱如何使超大陆不断合并、...     

热-流-固耦合方法模拟岩石圈与软流圈相互作用

岩石圈和软流圈的相互作用是现今地球动力学研究的热点问题之一．本文针对岩石圈与软流圈的相互作用模型,开发了新的基于热-流-固三场耦合方法的有限元程序．岩石圈变形和对流的地幔之间的耦合方式为：地幔在热驱动（或运动岩石圈的拖曳）下产生对流,对流的地幔对耦合边界施加载荷并造成岩石圈的变形,变形的岩石圈反作用于软流圈从而影响其地幔对流的状态．温度场根据速度场和网格变形的结果适时调整,如此反复推动整个系统的演化．利用该耦合方法模拟了“地幔柱作用下地表隆升”地质过程, 其结果与实际地质资料和地质认识能很好的吻合,验证了该方法模拟地幔与软流圈相互作用过程的有效性及处理复杂耦合问题的能力.     

俯冲隧道中的部分熔融和壳幔相互作用:实验岩石学制约

俯冲隧道模型提出,俯冲板片界面相互作用是实现地球表层与内部之间物质和能量交换的基本机制.由于大陆岩石圈与大洋岩石圈在物质组成和状态上的显著差异,其深部物理和化学过程及壳幔相互作用产物必然出现一系列差异.许多实验岩石学研究已经为大洋俯冲隧道中可能发生的硅酸盐和碳酸盐岩石的部分熔融和壳幔相互作用提供了资料.无论是基性还是中酸性硅酸盐岩体系,取决于部分熔融发生的压力或深度,熔体是具有或不具有埃达克岩性质的花岗质熔体.微量CO2即可大幅降低橄榄岩的熔点,所形成的碳酸盐熔体可有效萃取岩石体系中不相容微量元素.这些硅饱和或不饱和熔体均可以在俯冲隧道或地幔深部条件下与地幔楔橄榄岩发生反应,形成复杂的反应过程和产物.但已有的实验结果主要是针对大洋岛弧环境条件而不是大陆俯冲带的环境.因此,高温高压实验需要充分考虑大陆俯冲隧道中板片-地幔界面上各种不同成分地壳及其衍生的熔/流体成分与不同橄榄岩之间的反应,并结合大陆俯冲带岩石部分熔融和壳幔相互作用的地质证据,以阐明大陆俯冲隧道过程中的变质脱水、部分熔融和地幔交代等问题.     

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。     

西藏高原上地幔的精细结构与构造--地震层析成像给出的启示

用布置在亚东—格尔木的164个流动地震台站记录的926个远震事件的24241条射线,进行远震P波层析成像处理,高分辨率的西藏高原上地幔的速度结构图,显示了印度巨厚地幔岩石圈在向高原之下推进的过程中,在高喜马拉雅之下拆分成上、下两层,这是发生的第一次拆沉. 下层从高喜马拉雅以下约以22°的角度向高原北部插入到350km 深;而其上层则向北伸展直到雁石坪,并构成了高原薄的地幔岩石圈. 在雁石坪北（33.7°N）,当其与亚洲大陆岩石圈地幔相遇后发生断离并下沉. 再次证实了五道梁（35.27°N）深部低速体的存在,本区内地壳内低速物质可能与上述运动有联系,反映了深层热物质的上涌.     

天山造山带基底时代和地壳增生的Nd同位素制约

基于天山造山带 10 1个各种类型岩石样品的Sm Nd同位素分析数据 ,研究了天山造山带大陆地壳基底的时代、特征和演化 .研究结果指出 ,天山造山带大陆地壳基底形成于 180 0Ma前 ,基底变质岩系的母岩物质来源于长期亏损的地幔源区 ,推断它们处于古岛孤的构造环境 .无论是基底时代还是后期地质演化历史 ,都与塔里木北缘地块截然不同 .研究还指出天山造山带古生代大陆地壳增生活动比较广泛 ,与我国扬子、华夏地块有很大的差别 .     

上通流对大陆岩石圈地幔-地壳热结构模式的潜在影响

本文以多孔介质中大尺度传热问题为基础,结合热平衡理论分析与数值计算,探讨了上通流对大陆岩石圈地幔-地壳热结构模式的潜在影响.根据大陆岩石圈中孔隙波传热概念模型的初步理论分析结果,指出了采用理论分析和数值模拟相结合的方法在研究大陆岩石圈地幔-地壳热结构模式时的重要性.理论分析方法可用来确定岩石圈尺度范围内大陆岩石圈的厚度和大陆地壳相关的边界条件,从而为地壳范围内数值模型的建立提供一些重要信息.数值模拟方法可以用来模拟地壳尺度范围内地壳的详细结构和复杂几何形状.如果地壳内的热分布是所考虑的主要因素,采用具有地壳尺度的合理数值模型可以有效减少计算机工作量.利用理论分析方法求出的岩石圈尺度范围内大陆岩石圈厚度与地幔传导热流之间关系的理论解,不仅可以用来验证模拟大陆岩石圈内传热问题所采用的数值方法, 而且可以用来初步研究大陆岩石圈内热分布的基本规律,为研究岩石圈地幔热事件中大陆岩石圈热减薄过程提供相应的边界条件.本文从理论分析的观点初步探讨了中国大陆不同构造背景下大陆岩石圈的热结构模式,其结果与从地球物理和地质资料中获得的大陆岩石圈热结构模式十分吻合.研究结果表明由大陆岩石圈中孔隙波传播所导致的上通流是影响大陆岩石圈地幔-地壳热结构模式及大陆岩石圈地幔与地壳之间物质和能量交换的可能机制之一.     

地幔岩石圈热结构差异与中国大陆岩石圈均衡分析

观测表明,大陆地区存在很多传统均衡模型无法解释的现象,其根本原因在于传统均衡理论中没有考虑地幔岩石圈部分由于热结构差异导致密度差异的影响.本文基于岩石圈尺度的质量平衡模型研究了中国大陆20个构造单元地壳及地幔岩石圈对地形海拔的贡献,以及各块体的均衡状态.计算结果表明,在一些地区,如塔里木盆地、北山和柴达木盆地,尽管岩石圈均衡模型和Airy模型得到了一致的海拔值,但岩石圈均衡模型更能体现均衡过程的物理本质;除青藏高原造山带外的多数块体,岩石圈均衡模型的计算结果更接近观测海拔和地表垂直运动状态;总体上,考虑地幔岩石圈热结构影响后,中国大陆各地区的均衡结果普遍优于传统的均衡模型.通过对均衡状态分析,我们得到以下主要结论：(1)构造稳定地区均衡程度较高;(2) 青藏高原及周边造山带现今地壳运动主要为区域构造过程及深部动力学过程所控制,均衡调整过程不是主要控制因素;(3) 现今地壳垂直运动比较明显的块体处于均衡调整阶段,地表垂直运动的大小反映了该区所受的均衡力作用的程度;(4) 构造稳定地区基于岩石层均衡的理论计算海拔与观测海拔之差值和现今地壳垂直运动速率有较好的相关性,据此我们可以通过均衡分析研究构造块体的运动趋势和动力学性质;(5) 地幔热结构对现今地形、海拔及地壳垂直运动有显著影响,在处理均衡问题时,地幔岩石圈热结构是我们必须考虑的重要因素.