青藏高原壳幔形变数值模拟研究

现有数值模拟研究已在很大程度上较合理地给出青藏高原演化运动学和动力学过程的图像。利用连续介质快速拉格朗日分析方法,笔者进行了青藏高原壳幔形变数值模拟研究。据此得到的青藏高原三维壳幔形变特征反映纬向上主碰撞带远、近程效应的差异和经向上地壳物质“逃逸”的存在,印证了青藏高原形成过程中南北双向挤压、而且南部作用大于北部作用的可能应力场特征。青藏高原壳幔形变不仅强烈依赖于随深度变化的岩石力学性质及其距离挤压作用前锋带的远近,而且存在强烈的横向不均一性。同时,强应变(剪切)带的存在对高原岩石圈形变具有重要影响,高原形变过程中地壳尺度的耦合流及壳-幔解耦共存。但是,常规数值模拟研究尚存在很大局限性:(1)物理-力学模型单一;(2)几何模型简单;(3)边界形态与条件理想化;(4)模型内部块体划分粗糙;(5)不连续体介质处理困难。借助具有可处理大形变能力的4-D数值模拟方法,将观测资料与数值模拟相互补充是深入研究青藏高原壳幔形变的关键。     

青藏高原北缘深部地壳结构特征及其形成机制探讨

柴达木盆地－祁连山地区位于青藏高原北缘，同青藏高原主体一样，该区具有多层地壳结构特征，并普遍出现壳内低速层，地壳厚度是华北及华南地区的2倍以上。其形成可能与地壳的横向挤压缩短及幔源物质的底侵作用有关。随着底侵作用增强，地壳厚度加大，岩石圈厚度则越趋于减薄，地壳上部表现为拉张，下部发生壳幔深熔及幔源流体的交代作用，从而导致了地壳低速层，地热和浅源地震的发育。同时，这也是青藏高原出现热壳冷幔的原因之一。     

云南地壳深部构造初析

本文从区域重力场特征的分析入手,简要论述了云南壳下(莫氏面)构造的概貌与划分,指出了莫氏面由滇东南向滇西北呈阶梯状下降,有东西两个幔坡带及其所夹持的相对平坦的幔台区构成。幔台区可进一步分为滇东幔凹、康滇幔隆和滇西幔凹三个次级构造单元。并着重分析剩余重力场特征及所提供的地质构造信息,据此论述了云南地壳内部构造概貌,对地壳内部构造单元作了划分,分出了滇西北西向线状构造区、滇西北构造区、康滇南北构造区、滇黔构造区及滇东南构造区五个构造单元。每一构造区还依据地球物理和地质特征的不同,进一步分为若干个硅镁隆起带和硅镁凹陷带等次级构造单元。在论述壳下和壳内构造的同时,还对一些区域地质构造问题作了探讨,也对省内主要断裂的断裂深度作了分析,判断出超壳深断裂一条和壳内硅镁层深断裂九条。     

青藏高原新生代火山活动的深部力学背景

为了研究火山形成基本要素——岩浆运移通道的形成, 基于重力异常反演的青藏高原下地壳底部的地幔对流应力场, 结合地壳破裂形成机理和对流应力场与青藏高原新生代火山分布的关系, 以及青藏高原下地幔对流演化的数值模拟结果, 分析了高原火山岩浆运移通道产生的深部力学机制.研究表明, 高原下地幔对流应力场存在两个大的拉张区, 高原中部和北部的火山岩均分布于拉张应力区.南部的林子宗火山区对应了印度板块与欧亚大陆碰撞前或碰撞早期高原下的地幔上升流.对流应力的量级为~100Ma, 这与导致地壳破裂的应力量级相当.所有这些证据表明, 青藏高原下地幔对流应力场可能是导致高原地壳破裂, 并发展为岩浆物质通道的主要力学机制之一.      

青藏高原壳幔结构构造的基本特征

青藏高原是新生代以来由于印度板块与欧亚板块碰撞而迅速隆起,平均海拔超过4000 m的高原,是研究碰撞过程和形成演化的理想窗口。有关青藏高原的碰撞过程及印度板块岩石圈北缘界线,至今仍然存在较大争议,这可能主要是由于不同研究方法获得认识的差异性和局限性所导致。基于此,本文利用前人深部结构资料,讨论了高原岩石圈的壳幔构造及物质组成等,并从新的地质视角讨论了班怒带的大地构造属性。通过梳理前人的深部结构资料,认为青藏高原的壳幔岩石圈结构较为复杂,如高原内部岩石圈厚度显著大于周缘地区,中下地壳及上地幔广泛分布着低速高导层,这些特殊的地质地球物理结构是印亚板块碰撞的结果。此外,本文进一步对比分析了班怒带的地质与地球物理结构,揭示该构造带两侧存在显著的差异,认为其是印度岩石圈的北缘,这对于认识青藏高原的形成演化具有重要的意义。     

青藏高原地球物理研究中几个重要问题之我见

青藏高原的地球物理研究是深化认识高原本体和东亚壳、幔结构、隆升机制和大陆动力学响应的基础,故为中、外地球科学家们所瞩目。主要讨论以下3个方面问题,即问题的提出与背景;当今青藏高原地球物理研究中的核心科学问题;当前地球物理学要做些什么。研究结果表明,第一,在青藏高原地球物理研究中只有在清晰思路指导下取得高分辨率的数据才能反演,并刻画其壳、幔的精细结构;第二,青藏高原壳、幔结构存在分区特征,特别是地壳低速层、力学作用、深部物质运移、多要素约束下的物理-数学模拟及陆-陆碰撞动力学响应进行量化研究;第三,当今在青藏高原地球物理研究的核心问题是地球内部物质和能量的交换、圈层耦合及其深层动力过程。中国地球科学家们应当清晰地认识到,青藏高原地球物理研究乃是中国地球科学家摘取“桂冠”的一个契机,必须走自主创新之路,建立起具有中国地质科学特色的理论和模型。     

青藏高原地壳与上地幔成层速度结构与深部层间物质的运移轨迹

在印度洋板块与欧亚板块碰撞、挤压作用下,促使深部物质重新分异、调整和运移,并导致了地壳的短缩增厚,而且造成了高原的整体隆升和深部壳、幔物质的侧向流展。基于青藏高原腹地和周边地域地壳与上地幔的成层速度结构,特别是其特异层序的展布研究表明,青藏高原地壳巨厚,但岩石圈却相对较薄;地壳中于深20±5km处存在一低速层,层速度为5.7±0.1km/s,厚度为8±2km;上地幔软流圈顶部深度为110±10km;下地壳与上地幔盖层物质以地壳低速层为上滑移面,以岩石圈漂曳的上地幔软流圈顶面为下滑移面,在印度洋板块N-NNE向力源作用下在同步运移,即形成了青藏高原腹地和周边地域特异的大陆地球动力学环境。     

地热系统深部热能聚敛理论及勘查实践

深部热能聚敛及富集过程研究是地热资源探测评价的重要基础。地热壳构热控理论是以地球动力学理论为基础,以构造控热作用研究为主线,通过大地构造学、构造地质学、地热地质学等学科理论和方法,研究深部热能聚敛过程及热异常分布规律,分析各种构造要素间的相互作用及控热机制,探讨地热资源靶区预测方法,从而指导地热勘查的科学。本文系统论述了地热壳构热控理论的内涵与外延,提出了我国不同类型地热资源“同源共生-壳幔生热-构造聚热”的客观自然规律,分析了我国陆区壳幔尺度热流配分格局与不同地质背景条件下影响浅地表温度场的主要控热构造,并以渤海湾盆地、青藏高原、东南沿海等我国主要地热系统为研究对象,以壳构热控理论为指导,以勘查区找热为出发点,以控热作用内生因素(壳幔生热)和外生因素(构造聚热)为切入点,通过研究影响壳幔生热、壳内传热、勘查靶区聚热这一地球物理过程,确定了不同构造背景下地热系统的主要控热构造。从传统的经验式找热到建立构造控热预测标志,再到水热型地热资源-干热型地热资源共生富集认知,理论认识的创新发展,将引领和支撑我国地热资源不断实现高效勘探和开发利用。     

青藏高原东缘—扬子特提斯构造域深部结构与地壳形变研究

青藏高原东缘和扬子西缘的构造带是中国特提斯构造域的重要组成部分,该构造域受欧亚板块与印度板块陆—陆碰撞、高原隆升、块体裂解或拼接挤压等强烈构造活动的影响,记录和保存了多期次的特提斯构造演化历史痕迹。同时,该研究区域也是中国西部地区地壳形变最强烈的地区之一,其浅表形变特征与深部构造之间存在怎样的关联和制约机制是目前国际地球科学的一个研究热点。本研究依据作者十多年来持续在该区域开展的地质—地球物理研究,通过深部地球物理多参数结构成像、沉积盆地分析、地壳形变和强震孕育机制等综合对比分析,发现在青藏高原东缘的下地壳存在低速和高泊松比异常带,该异常体与来自青藏高原上涌的软流圈热物质汇聚,导致从扬子西缘到青藏高原的下地壳和上地幔的深部结构发生显著变化。沿着龙门山断裂带,中、下地壳存在交叠相间的低速(高泊松比)和高速(低泊松比)区域,这些深部结构分布特征与地表形变及前陆盆地隆坳格局具有较好的一致性。基于上述认识,提出了青藏高原东缘—扬子板块的深部接触模式及其相应的盆山耦合关系,阐明了板块碰撞—耦合的深部动力学过程对剧烈地壳形变、盆地隆坳格局和强震诱发的制约关系。本研究成果将为深入认识青藏高原东缘高原急剧隆升、盆地基底结构与隆拗格局,以及强烈地壳形变的深部动力学机制提供参考信息。     

青藏高原板内地震震源深度分布规律及其成因

青藏高原板内地震以浅源地震为主, 下地壳基本上没有地震, 地震震源多集中在15~40 km的深度范围, 主要在中地壳内, 呈似层状弥散分布.其中30~33 km深度是一个优势层, 与壳内分层有关.总体上青藏高原南、北部的震源面略呈相向倾斜特征.70~100 km深度区间出现了比较集中的震级较小的地震, 可能与壳幔过渡带的拆离作用有关.高原内部的正断层系与板内地震密切相关, 是板内浅源地震的主控构造.总之, 青藏高原地震震源沿着活动的上地壳脆性层与软弱层之间的脆-韧性过渡带分布.这些板内地震活动属于大陆动力学过程, 与板块碰撞和板块俯冲无关.初步认为青藏高原浅层到深层多震层的成因分别是韧性基底与脆性盖层、韧性下地壳与脆性上地壳、韧性下地壳与脆性上地幔的韧-脆性转换、拆离和解耦的产物.      

青藏高原地球物理特征分析

根据区域性航空磁测、重力区测及现代地震活动观察分析表明,青藏高原是一个十分独特和年青的巨大的构造单元。它具有薄的磁性壳层,透镜状的地壳结构,断块镶嵌的构造特征。高的热流和地震活动,以及地磁场的剧烈衰减和大面积分布的均衡重力异常,揭示出青藏高原目前仍然在升温上拱和推覆调整中。青藏高原地壳内部普遍发育低速低阻层,壳下发育壳幔混合层。地壳显示为两类不同特征的结构层:上部地壳以断错叠推增厚为特征,下部地壳因混入大量上地幔及软流圈物质而增生为透镜层。地壳挤压推叠破坏了岩石圆的均衡状态,而地幔混合层的发育则是对壳幔不均衡状态的补偿和调整。由于地壳深部的高温高压环境,古构造岩相痕迹被改造熔蚀,现今观察到的青藏高原地球物理特征主要反映的是新近发育和目前存在的构造特征。青藏高原是由两个不同历史演化的大陆板块碰撞缝合而成。航磁及其它地球物理测量表明,两大板块的结合带发育在金沙江—红河断裂带及南侧的唐古拉—三江构造带。在上述地带两边,区域磁场背景差别十分明显。     

中国东部壳-幔、岩石圈-软流圈之间的相互作用带：特征及转换时限

中国东部中—新生代,下部岩石圈存在壳与幔、岩石圈与软流圈两个相互作用带,它们是重要的岩浆源区,在层圈相互作用中,热和物质的交换及其动力学过程是引起中、新生代岩石圈内部层圈间的厚度调整、岩石圈不均匀减薄以及区域构造-岩浆-成矿作用的重要机理。大陆内部的壳-幔作用有3种类型:地幔来源的底侵熔体与下地壳的作用;下地壳拆沉进入弱化(weakening)了的岩石圈地幔二者发生的作用以及陆-陆碰撞深俯冲带的壳-幔相互作用。它们形成的火山岩组合有一定的差别,但源区都含有地壳组分。岩石圈-软流圈的作用带也是重要的岩浆源区,源区是以软流圈地幔为主,基本不含地壳组分。东部岩石圈的减薄时间大体与出现大规模软流圈来源的玄武岩喷发的时间一致,也与上述两类层圈作用转换的时间一致,大约在100Ma以后。     

喜马拉雅碰撞造山作用与（超）大型订区的形成：科学问题与思考

青藏高原及邻区是中国唯一的一块具有世界规模级的成矿富集区，迄今所发现的大型、超大型矿床／矿集区，在时间抑或空间上均与喜马拉雅碰撞造山作用有着密切的联系，反映了与喜马拉雅碰撞造山作用过程相伴随的青藏高原周边及内部岩石圈薄弱地带的壳幔置换过程、层圈交换作用、流体活动及其地球化学分馏过程，是控制大型、超大型矿床／矿集区形成的主要因素。青藏高原成矿大陆动力学研究是阐明该区矿产资源分布规律和进一步发现大型、超大型矿床（矿集区）的科学基础。     

鄂东南成矿区壳幔结构及其特征

鄂东南成矿区壳幔具有典型的层状结构，各层具有鲜明的地质、地球地球化学特征。硅镁层为地球形成时的原始地壳，硅铝层和上构造层为地球形成后膨涨增生而成。建立了壳、幔结构综合理想模式。     

面波波形反演中的模拟退火法

采用求解非线性全局优化问题的模拟退火法作为反演手段,对面波波形进行反演,研究青藏高原地壳上地幔速度结构。通过青藏高原的面波波形振幔显示出在周期为２０ｓ和４０ｓ时存在两个极小值,这可能是由地壳中存在低速层引起的。而波波形反演得到的速度民证实了青藏高原在２０ｋｍ深度左右普遍存在低速层;喜马拉雅山造山带在６０ｋｍ深度附近了在一低速层,壳内低速层是青藏高原变形及隆升过程最重要的动力学边界条件之一。     

青藏高原中北部地壳低速-高导层是部分熔融层的岩石学证据被证实

正青藏高原具有巨厚的大陆地壳,是地球上最大、最高的新生代高原。目前有3种主要的机制被用于解释其地壳增厚过程和高海拔地形的形成:增厚地幔岩石圈的减薄、陆内俯冲和地壳流动(或通道流)。产生上述争论的主要原因是目前青藏高原深部地壳、岩石圈地幔热演化资料的缺少,以及地壳物理观测到青藏高原地壳15-50km深处的低速层和高导层的多解     

冈瓦纳大陆北缘安第斯型造山带:藏北安多奥陶纪花岗岩锆石U-Pb年龄和地球化学证据

随着近年来地质研究程度的提高,青藏高原晚古生代-中生代的板块构造演化过程已经日趋清晰,但是对于青藏高原前寒武纪-早古生代演化历史的认知程度仍然很低。本文报道了青藏高原拉萨地块安多地区花岗岩的LA-ICP-MS锆石UPb定年、岩石地球化学和锆石Hf同位素分析结果。这些花岗岩形成于早奥陶世(481~487Ma),为Ⅰ型花岗岩具有不均一的锆石ε_Hf(t)值(-5.8~+0.6),可能形成于壳源和幔源岩浆的混合作用,随后经历了广泛的结晶分异过程。拉萨地块的埃迪卡拉纪-奥陶纪Ⅰ型花岗岩具有Sr/Y比值降低和锆石ε_Hf(t)值升高的演化趋势,指示伸展环境下的幔源岩浆上涌过程。综合前人研究成果可知,安多地区奥陶纪花岗岩可能形成于后碰撞环境与早古生代冈瓦纳大陆北缘的洋壳俯冲和陆块拼贴相关。     

松潘-阿坝地区深部电性特征

针对青藏高原东部特殊的“三角形”区域——松潘-阿坝地区,通过两条测线的MT资料分析和反演,对其深部电性特征进行了揭示,发现松潘-阿坝区中深层构造较为稳定,层状特点明显,地下电性横向变化小,具有稳定地块的特点.这里存在壳内低阻层,厚度近10~20km;深部(岩石圈地幔内部)的电性结构也有两种类型:高阻异常区和具有幔内低阻层的次高阻异常区,全区岩石圈厚度在120km左右,其四周由深断裂与邻区接触.该区深部电性特征不同于龙门山隆起的电性结构,也不同于西秦岭构造带,后者具有高阻基底,岩石圈厚度或更薄或加厚.     

华南花岗岩物源成因特征与陆壳演化

华南不同时代的花岗岩按物质来源及成因可划分为:幔源(分异)系列:幔-壳混源(同熔)系列;壳源改造(重熔)系列和幔-壳混源碱性系列等四个不同的系列,简要阐述了划分四类系列的岩石学、地球化学的依据。侧重根据Sm-Nd、Rb-Sr同位素成分,以二元混合模型计算了花岗岩源区物质组成中,上壳和亏损地幔组份各占的比例。在此基础上探讨了不同物源成因系列花岗岩形成与华南陆壳演化的内在联系:东安、雪峰旋回褶皱系阶段花岗岩物源成因类型比较多样,有幔源(分异)系列、不成熟壳源、成熟壳源改造(重熔)系列等;加里东,海西期以陆壳改造(重熔)系列为主;印支、燕山期活化区(地洼)阶段,在地幔活化激发下,中国东部陆缘形成幔—壳混源(同熔)系列花岗岩和相应的火山岩;但沿内部断裂带,在壳下地幔热传输及构造作用下引起陆壳重熔,形成属于壳源改造(重熔)系列花岗岩。同位素的研究证明了:地洼阶段的构造-岩浆活动主要动力是来自壳下地幔的活化。     

青藏高原莫霍面的研究进展

本文首先简要回顾了莫霍面的发现，介绍其基本性质，然后对青藏高原莫霍面研究的重要进展进行了评述。在区域尺度上，被动源地震(天然地震)方法研究结果勾勒出青藏高原地壳及岩石圈底部的深部构造轮廓。然而受分辨率的限制，天然地震结果给出的地壳及上地幔结构的细节不足。近年来已经用分辨率达到几千米甚至百米级的主动源地震(包括宽角反射与折射地震和深反射地震)方法，揭示出青藏高原地壳及上地幔的精细结构。本文对近30年来深地震探测获得的青藏高原各个地块的莫霍面深度、壳幔结构和上地幔盖层速度等基本数据进行了较系统的分析，并对青藏高原莫霍面研究存在的有关问题进行了讨论。