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.     

大陆不稳定俯冲的动力学研究

利用地球动力学数值模拟方法分析了大陆汇聚速率、地壳流变强度以及岩石圈热结构等三种主要动力学参数对大陆俯冲碰撞模式的影响和制约,并以此为基础,重点对大陆不稳定俯冲的发育条件、主要类型以及动力学演化过程进行探讨.模拟结果表明,有利于弱化大陆岩石圈流变强度的动力学条件,如低流变强度地壳、岩石圈高温热结构或低汇聚速率等,对大陆不稳定俯冲的形成均起到积极作用.根据俯冲大陆的动力学演化特征可将大陆不稳定俯冲概括为"多阶段断离"型、"持续性流入"型和"大规模拆沉"型等三种类型.这三种类型的发育分别与低汇聚速率、中-高速汇聚的大陆岩石圈高温热结构和低汇聚速率下的中等-高流变强度地壳有关.模拟结果也显示,大陆碰撞区域内岩石部分熔融的分布受地壳流变性质的显著影响.这些模拟结果为认知特定地球动力学背景下不同俯冲条件孕育的大陆俯冲格局具有意义.     

大陆俯冲-碰撞-折返的动力学数值模拟研究综述

大陆板块通常紧接着大洋俯冲的完结而开始俯冲和碰撞,并可能伴随着高压-超高压变质岩石的形成和折返.基于对前人动力学数值模型的总结,大陆板块的稳定会聚过程可以大致分为6种模式:纯剪切增厚、挤压褶皱、单向高角度俯冲、单向低角度俯冲、双向俯冲以及俯冲板块的断离.同时,俯冲隧道中高压-超高压岩石的折返机制主要包含8种模式:逆冲断裂折返、褶皱挠曲折返、物质回旋折返、构造增压折返、俯冲板块"中上地壳"的整体拆离和折返、不同深度处物质周期性的韧性挤出、俯冲板块断离引发的板块后撤折返以及俯冲隧道中地壳物质穿过"破碎的"上覆岩石圈的折返.在大陆俯冲隧道中,中上地壳的弱化和拆离是物质从俯冲到折返转换的先决条件.但是物质弱化的主导机制及其在大陆俯冲隧道中的控制作用尚没有得到很好的解决.近似而言,大陆俯冲和折返的动力学机制可以等效为流体动力学中的"倾斜隧道流模式".该模式中,物质的俯冲抑或折返取决于俯冲隧道中"向下的Couette流"和"向上的Poiseuille流"这两种流动机制的竞争结果.另外,壳-幔岩石中的水对于俯冲隧道和上覆岩石圈的变形和破坏具有非常重要的作用,从而如果在模型中增加脱水和水化作用的数值算法,那么模拟的结果将可能大大区别于简单的"倾斜隧道流模式".数值模拟的另一个重要问题就是三维模型的应用,这对于研究造山带沿走向的差异性俯冲碰撞模式具有重要意义,也是该领域未来的发展方向之一.     

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.     

岩浆岩定量限定陆-陆碰撞时间和过程的方法和实例

基于板块运动的主要驱动力(俯冲带大洋板片下沉引起的板片拖拉力)和岩浆产生的三种主要机制(加流体、升温和减压),将陆-陆碰撞过程定义为初始碰撞、正在进行的碰撞和构造转换三个阶段,分别以正常钙碱性安山质岩浆(洋壳脱水释放流体)、向海沟方向迁移的钙碱性岩浆(洋壳脱水释放流体或升温)或小规模壳源过铝质岩浆(壳内剪切热)、板片断离诱导的大规模成分多样性岩浆作用(升温和减压)为特征.在准确限定板片断离时间的基础上,结合汇聚速率、板片断离深度和俯冲角度,就可以反推陆-陆初始碰撞的时间.拉萨地体南部冈底斯岩基岩浆活动的时空迁移规律,及其与林子宗帕那组火山岩记录到的52~51Ma岩浆大爆发和岩浆温度增高的现象,很可能是雅鲁藏布新特提斯大洋板片在约53Ma开始断离的结果,由此限定的印度-亚洲初始碰撞时间为约55~54Ma,接近于各种地质现象限定的印度-亚洲初始碰撞时间(60~55Ma).将这一方法应用于阿拉伯-欧亚大陆碰撞带的土耳其南部Bitlis造山带,获得的阿拉伯-欧洲大陆初始碰撞时间为约29~22Ma,与最近根据磷灰石裂变径迹年龄(约20Ma)和区域构造缩短量(约27Ma)提出的初始碰撞时间接近.南部拉萨地体上白垩统强烈褶皱及其与上覆林子宗火山岩之间的角度不整合事件(90~69Ma),可能是新特提斯扩张脊南侧热且年轻的俯冲洋壳与上覆岩石圈强烈耦合或新特提斯洋底高原或海山俯冲作用的结果,与印度-亚洲大陆的初始碰撞无关.林子宗典中组和年波组之间的角度不整合事件持续了约3Ma,很可能标志了印度-亚洲大陆的初始碰撞.雅鲁藏布新特提斯大洋板片断离引起的俯冲带拖拉力消失可能是导致印度大陆在约51Ma明显减速的主要原因,现今的印度大陆北向漂移的驱动力主要来自榴辉岩化印度大陆下地壳的下沉.印度-亚洲大陆初始碰撞后与雅鲁藏布新特提斯大洋岩石圈回转有关的高角度俯冲、拉萨地体南缘大的地壳厚度和高的海拔以及印度大陆中上地壳与下地壳、下地壳与岩石圈地幔的解耦,可能是造成印度-亚洲碰撞带上盘岩石圈板块在60~40Ma期间发生弱变形的主要原因.     

大洋深俯冲带流变性质及其地球动力学意义——来自地幔岩高温高压实验的启示

在压力3GPa,温度1450～1600K,应变速率10-4～10-5s-1条件下,对深俯冲带和上地幔中两种重要岩石（榴辉岩和方辉橄榄岩）的流变性质进行了实验研究,获得了榴辉岩在超高压条件下的流变参数,应力指数为3.4,活化能为480kJ/mol,活化体积为12cm3/mol.实验结果表明具有中等石榴石含量榴辉岩的流变强度与方辉橄榄岩的流变强度在上地幔浅部条件下基本相当,是多晶绿辉石岩强度的2～3倍和多晶石榴石岩强度的一半.随榴辉岩中石榴石含量的逐步增加,岩石的整体流变强度也不断增大.在实验研究基础上,计算了不同板块汇聚速率条件下深俯冲大洋岩石圈在不同深度层次上的流变强度,以及橄榄岩和榴辉岩上地幔流变强度随深度的变化.研究表明,俯冲洋壳从下覆的上地幔拆离出来最有可能发生在缓慢俯冲的热俯冲带中;而快速俯冲的冷俯冲带,俯冲地壳与上地幔之间在强度上是耦合的,发生拆离的可能性不大.过渡带是上地幔中除岩石圈地幔外的高强度和高黏度层.     

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.     

大洋深俯冲带流变性质及其地球动力学意义

在压力3 GPa, 温度1450～1600 K, 应变速率10-4～10-5 s-1条件下, 对深俯冲带和上地幔中两种重要岩石(榴辉岩和方辉橄榄岩)的流变性质进行了实验研究, 获得了榴辉岩在超高压条件下的流变参数, 应力指数为3.4, 活化能为480 kJ/mol, 活化体积为12 cm3/mol. 实验结果表明具有中等石榴石含量榴辉岩的流变强度与方辉橄榄岩的流变强度在上地幔浅部条件下基本相当, 是多晶绿辉石岩强度的2～3倍和多晶石榴石岩强度的一半. 随榴辉岩中石榴石含量的逐步增加, 岩石的整体流变强度也不断增大. 在实验研究基础上, 计算了不同板块汇聚速率条件下深俯冲大洋岩石圈在不同深度层次上的流变强度, 以及橄榄岩和榴辉岩上地幔流变强度随深度的变化. 研究表明, 俯冲洋壳从下覆的上地幔拆离出来最有可能发生在缓慢俯冲的热俯冲带中; 而快速俯冲的冷俯冲带, 俯冲地壳与上地幔之间在强度上是耦合的, 发生拆离的可能性不大. 过渡带是上地幔中除岩石圈地幔外的高强度和高黏度层.     

大陆俯冲带弹性板块厚度的变化

通过对欧洲、亚洲和美洲俯冲形成造山带地区的15个弹性岩石圈厚度可靠地估计后,我们认为大陆岩石圈的强度作为深度的函数与大洋岩石圈显著不同。大陆岩石圈的强度可比所预计的、具有相同热年代的大洋岩石圈的强度高得多或低得多,这取决于岩石圈的应力状态。我们认为这是两种效应相互作用的结果。对一亿年以上的大陆板块来说,大陆下面的热板块越厚,其弹塑性转变点就越深,并且由于大陆地壳的塑性蠕变激活能低,导致上部弹性岩石圈在很高的扭曲应力作用下大规模破裂。若年龄为10亿年的岩石圈弹性板块的厚度为100km,则热板块的厚度至少为250km。在高应力状态下弹性板块变薄的程度与下地壳中包含塑性带的简单屈服包络线的计算结果相一致,大陆物质的屈服强度低,表明有效弹性板块的     

西太平洋板块俯冲运动与中国东北深震带

中国东北地区有一条震源深度达600公里的深震带,从震源剖面投影可以明显地看出,它是西太平洋板块俯冲的结果,俯冲的角度约为26°。 根据板块学说,建立了一个板块俯冲模型,主要考虑地幔物质和岩石层板块的热传导,计算了板块俯冲到一定深度时的温度分布。结果表明,西太平洋板块俯冲到中国东北地区深度达600公里时,其中心温度约为1200℃,仍比周围地幔物质的温度低得多,因而能产生弹性断裂,发生地震。 震源机制的结果表明,中国东北地区深震的主压应力轴方位为93°-113°,正好迎着板块俯冲的方向,仰角为27°-28°,与板块俯冲的角度大体一致。以上结果说明中国东北深震是西太平洋板块俯冲到中国东北大陆之下造成的。