剪切生热与花岗岩部分熔融——关于喜马拉雅地区逆冲断层与地壳热结构的分析

本文对影响喜马拉雅逆冲断层地区热结构的三种主要热源(断层的摩擦剪切热,地壳的放射性热和上地幔的传导热)的效应进行了计算分析,在计算中考虑了岩石的流变性造成的剪应力和温度的非线性关系及岩石温度到达熔点时的熔解热.结果表明,尽管地壳的放射性热和上地幔的传导热也可能引起地壳中的部分熔融,但此时熔融将从地壳底部开始发生,这与喜马拉雅地区观测到的地质现象不符;在考虑了剪切断层带的剪切热后,熔融将从断层附近开始发生,因此得到了比较符合实际地质现象的结果.     

青藏高原构造热演化的主要控制因素

从构造热演化的角度研究了青藏高原的形成模式,对形成机制中的两种主要假说:双地壳模型和叠瓦状模型进行了热模拟.在模拟时考虑了逆冲断层、均衡地壳抬升和沉积覆盖层对温度场的影响.结果表明,双地壳模型的热演化结果和实际观测资料明显不符;叠瓦状模型的结果在藏南地区能够较好地符合地球物理观测资料和解释地质构造运动.除较高的放射性元素含量外,断层的摩擦剪切热和沉积盖层热折射伴随地体的抬升侵蚀是喜马拉雅两条花岗岩带和反转的高温变质岩带的主要成因,并和现今上地壳水热活动有密切的关系.     

基于电性结构模型的青藏高原东缘上地幔热结构研究

研究青藏高原东缘地区的深部物质结构对于理解青藏高原的隆升及扩张机制具有重要的科学意义.本文将青藏高原东缘实测大地电磁测深剖面反演所得的岩石圈电性结构模型与高温高压岩石物理实验测得的上地幔矿物和熔融体导电性定量关系相结合,通过Hashin-Shtrikman(HS)边界条件建立上地幔电导率与温度、熔融百分比等参数的定量关系,在此基础上计算得到了青藏高原东缘上地幔热结构及熔融百分比分布模型.研究结果表明在青藏高原东缘地区通过大地电磁测深方法所探测到的上地幔低阻体可以解释为由高温作用所产生的局部熔融区域.其中,松潘—甘孜地块上地幔高导体对应的温度介于1300～1500℃之间,熔融百分比可高达10%,支持前人将松潘—甘孜地块内部的低阻体解释为局部熔融的观点.龙门山断裂带以东、四川盆地西缘的上地幔高导体温度介于1200～1400℃之间,熔融百分比介于1%～5%左右,表明扬子克拉通的西缘可能正在经历一定程度的活化作用.龙门山断裂带下方的上地幔高阻体温度介于1100℃附近,基本没有发生局部熔融,具有较冷的刚性块体特征,与该区域频发的地震活动相吻合.四川盆地东部的扬子上地幔温度介于800～900℃之间,没有发生局部熔融,符合古老稳定的克拉通块体的基本特征.     

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.     

新马德里地震带的岩石圈强度与板内形变

提出一个简单的假说来解释为什么在相对稳定的板块内部地区会存在高地震活动区与高构造形变区．首先,对于大多数板内地区而言,特别是大陆地盾地区与老的海洋盆地,下地壳与上地幔的温度相当低,那里的岩石相对坚硬在这些地区不可能发生明显的岩石圈变形,因为岩石图累积强度大大超过板块驱动力．相反,如果下地壳与上地幔温度相对较高,板块驱动力则主要由上地壳承受,因为下地壳与上地幔相对软弱在这种地区,由于岩石圈累积强度与板块驱动力大小相当,构造形变相对较快．本文将这种假说应用在位于美国中部的新马德里地震带与周围地区．地震带内部热流密度值约为60mw／m2,略高于本区背景热流密度值45mW／m2．计算得到的地温梯度与实验室结果所揭示的延性流动定律表明,在地震带内下地壳与上地幔相当软弱,板内应力主要由上地壳传递．那里的形变速率相对较高．与此相反,在周围地区热流值相对较低,岩石四累积强度大大超过板块驱动力,构造应力由地壳与上地幔共同承受热流值的大小和下地壳上地幔的受力状态是决定地震活动性在地震带内与周围地区强烈对比的主要因素．     

对喜马拉雅地区地壳热状态的初步估计

本文考虑放射性热源,采用非线性稳态有限单元法估算了喜马拉雅地区地壳的温度分布和地表热流值。 喜马拉雅山南、北有不同的地壳温度结构,南部等温线比较均匀,地表热流值低于1.5HFU;北部地表下20公里以上等温线成密集型分布,20公里以下成环状分布,地表热流值从1.5HFU至2.1HFU。根据等温线圈出西藏南部地区地壳内可能存在局部熔融的部位,并与其他地球物理资料作了比较。     

环渤海地区的地震层析成像与地壳上地幔结构

利用环渤海地区的天然地震P波到时资料,采用纬度和经度方向分别为05°×06°的网格划分,反演了该地区地壳上地幔的三维P波速度结构.初步结果表明,环渤海地区地壳上地幔的速度结构具有明显的横向不均匀性：京津唐地区地壳中上部的速度异常反映了浅表层的地质构造特征,造山带和隆起区对应于高速异常,坳陷区和沉积盆地对应于低速异常;地壳下部出现大规模的低速异常与华北地区广泛存在的高导层相对应,估计与壳内的滑脱层和局部熔融、岩浆活动有关;莫霍面附近的速度异常反映了地壳厚度的变化及壳幔边界附近热状态的差异;上地幔顶部大范围的低速异常可能是上地幔软流层热物质大规模上涌所致.     

南海北缘琼东南盆地热结构与莫霍面温度

相对于大陆地区,洋壳或海陆过渡区目前较缺乏岩石圈热结构方面的研究.本文依据琼东南盆地现有热流数据和相关岩石热物性参数,沿分布于盆地内不同位置的4条地震测线计算了不同圈层的热流分配关系(即热结构)及莫霍面温度.计算时根据最新的P-波速度变化分析将该区地壳分为四层,分别为沉积盖层、上地壳、下地壳及下地壳高速层.结果表明:琼...     

上地幔电导率-温度关系及在大地电磁测深法中应用综述

上地幔热结构的研究对探索地球内部物质状态和岩石圈形成演化过程,评估自然资源的存储状况,监控火山区岩浆活动从而降低自然灾害风险等有着重要的意义.本文概述了基于不同岩石物理学高温高压实验得到的上地幔矿物电导率-温度关系.通过分析并对比前人的实验结果,讨论了不同实验得到的同一矿物的电导率-温度经验关系中参数差异产生的原因.大地电磁测深法(MT)以其探测深度大,受浅部高阻体影响较小且对低阻体分辨率较高等特点,在研究壳幔电性结构、热状态和地球动力学机制中得到了广泛的应用.以MT得到的上地幔电阻率模型为基础,结合岩石物理学实验标定的矿物电导率-温度经验关系,建立上地幔的温度和熔融百分比模型,这项工作在研究上地幔热状态中起着不可或缺的作用.笔者总结并讨论了前人以MT方法获得电性结构为基础,利用电导率-温度经验关系评价上地幔热状态的应用实例,并对未来的研究工作做了展望,同时对其可行性做了评估.     

天山地区岩石层及软流层的结构

将远震P波走时残差同区域工业爆破的P波走时相结合,得到了天山地区上地幔的速度结构图象。按照上地幔的性质,此区域可分为两个部分,其分界线位于Talasso-Fergana断层附近。断层东边区域的上地幔结构类似于裂谷带结构,由两个低速层夹一个高速层组成。其上地幔速度与地表起伏有明显的对应关系,这表明天山东部的隆起与上地幔的地热作用有关。而在天山西部,其上地幔具有一稳定地台的结构,而地壳收缩似乎是此地区这一部分的造山作用最可能的解释。岩石层变形方式的不同必然引起天山上述两部分边界上地壳岩石的相对右旋位移,沿Talasso-Fergana断层已观察到了这种概念模式的位移。     

西藏错勤—申扎剖面大地电磁测深研究

通过对西藏冈底斯地区错勤—申扎大地电磁测深剖面的研究,揭示了该地区壳幔结构特征.上地壳底界面深度大约20 km,在扎日南木错以西和当惹雍错以东地区分别发育壳幔高导层(体).高导层(体)的中心——电阻率低值区出现在20~40 km深度,其根部可追踪到上地幔.从高导层(体)的发育特征推断:错勤—申扎剖面壳幔高导层(体)是在印度板块与欧亚板块主、晚碰撞阶段地幔热流物质上涌和后碰撞阶段地壳东西向拉张作用下,导致中、下地壳岩石相继发生两期部分熔融的结果.而当惹雍错可能是一条深度可能达到上地幔的深、大断裂.     

基于2001年MW7.8可可西里地震震后形变模拟研究藏北地区岩石圈流变学结构

青藏高原岩石圈的流变学结构和形变机制是地学界长期争论的重大科学问题.2001年发生在东昆仑断裂带的M_W7.8可可西里地震造成青藏高原北部地区岩石圈构造应力场的很大改变,引起下地壳与上地幔的快速弛豫形变,从而为研究这一问题提供了难得的机会.本研究采用该区域的GPS震后观测,反演这一地区岩石圈的流变学参数并探讨其形变机制.反演所采用的数据来自45个GPS观测点,其中包括一个中国地壳运动观测网络的基准站,数据最长时间跨度达6.4年.大地震震后形变场主要来源于地壳、上地幔的黏弹性松弛与断层面上的震后余滑,因此本研究同时反演介质的黏滞系数和断层的震后余滑.考虑到东昆仑断层南侧的巴颜喀拉-羌塘地区与北侧的柴达木盆地地区具有明显不同的地壳结构,断层南北两侧采用不同的Burgers体流变学结构,其下地壳-上地幔的短期和长期黏滞系数采用网格搜索法获得;断层震后余滑反演则同时施加近似正比于库仑应力的约束.最终结果显示：东昆仑断层北侧柴达木盆地地区下地壳-上地幔短期和长期黏滞系数分别为5×10¹⁸ Pa·s和1.5×10²⁰ Pa·s;东昆仑断层南侧巴颜喀拉-羌塘地区下地壳-上地幔短期和长期黏滞系数分别为1.5×10¹⁸ Pa·s和1.5×10¹⁹ Pa·s.这一结果表明：巴颜喀拉-羌塘地区下地壳-上地幔黏滞系数显著低于柴达木盆地,意味着巴颜喀拉-羌塘地区下地壳可能存在部分熔融,其地壳形变模式更趋近于连续形变,而柴达木盆地形变模式更趋近于块体运动.研究区下地壳长期黏滞系数比下地壳流模型所主张的黏滞系数高2~3个数量级,表明下地壳流在本地区可能不存在.     

黑水─泉州地学断面东段深部温度与岩石层厚度

应用地震波速度与岩石放射性生热率之间的实验关系,结合地表岩石生热率的测试,对黑水─泉州地学断面东段１８条一维地震剖面上的热源垂向分布进行了评估．在此基础上,建立了一维和二维稳态热传导模型．根据干玄武岩固相线公式,估算了上地幔介质部分熔融开始的深度（＂热＂岩石层厚度）．模型显示出深部温度场沿断面方向侧向变化显著．莫霍界面温度在４００－７００℃间变化,相应的＂热＂岩石层厚度为７５－２０５ｋｍ．一维和二维温度模型的差异主要表现在侧向热传递显著的下地壳和上地幔中．温度场的变化与造山带的形成年代或后期叠加构造热事件的年龄有关．     

华北地区上地幔温度及岩石圈厚度分布研究

上地幔温度是控制地幔流变性和动力学过程的关键参数之一.本文利用高分辨率S波地震层析成像速度结果,基于岩石温度与地震波速度的关系,研究了华北地区上地幔50~300 km深度范围内的温度分布和"热"岩石圈厚度.为了验证结果的可靠性,本文用计算的上地幔60 km深度处的温度作为底面约束,得到了相应的地表热流.计算地表热流与观测地表热流之间符合程度较好,相对误差大部分都在地表热流观测误差范围之内.通过对上地幔的温度分布进行分析,我们研究发现:(1)在上地幔浅部,温度与地表构造之间有很好的对应关系.在小于170 km的深度上,温度呈现东高西低的分布态势.温度较高的区域集中在东部的河淮盆地、渤海湾盆地、华北平原和中部陆块的交界处、西部鄂尔多斯高原北缘的银川―河套地堑以及阴山地区,同时,这些地区的岩石圈厚度也相应较薄,大约为80~100 km;(2)西部的鄂尔多斯高原是整个华北地区岩石圈地幔温度最低的地区,比东部地区低200~400 ℃,岩石圈厚度相应最厚,平均岩石圈厚度达到140~150 km,最厚处超过160 km.(3)在170 km以下的软流圈地幔部分,温度分布发生反转,西部温度高于东部,表明东、西部陆块在地质历史时期经历了不同的深部地幔动力学过程.     

中国大陆壳幔运动耦合作用分析

板块运动是地壳和上地幔变形的主要动力来源之一。因为只有地壳变形能被直接观测到,所以将上地壳变形场与下地壳和上地幔变形场比较是研究壳幔运动耦合作用的主要方法之一。利用中国大陆GPS观测结果,结合第四纪活动断层和由20世纪以来发生的地震资料反演获得的地球表层的水平应变率场,并将相关结果与Pn波各向异性及剪切波分裂的快波方向相比较,探讨中国大陆壳幔运动耦合作用。结果发现,总体来看活动性强的构造单元,其深部上地幔塑性剪切带的展布与上地壳脆性剪切带的方位有较大的差异;反之,活动性弱的构造单元,差异较小。活动构造单元其上地壳与下地壳—上地幔之间构造变形活动差异较大的原因,可能是在这个部位上、下地壳之间构造活动有一定程度的解耦,使下地壳以上部分的活动与其下“大地幔流”的运动趋势发生差异,从而产生构造应变能积累     

南极长城站地壳和上地幔各向异性分析

利用我国第24次和第25次南极科学考察队于2008年2月—2010年3月南极长城站记录到的地震事件数据进行剪切波分裂研究. 选取近震事件对Sg波进行剪切波分裂计算,结果表明快波偏振方向有两个,分别为北东向和近南北向; 慢波延迟时间的范围为1.45—5.17 ms/km,平均值为3.54 ms/km.同时选取长城站记录到的远震数据SKS波震相进行剪切波分裂计算,得出上地幔快波偏振方向优势取向为北东向, 慢波延迟时间平均值为1.60 s. 剪切波分裂结果显示长城站地区地壳和上地幔具有明显的各向异性, 并显示长城站地区地壳与上地幔快波偏振方向几乎平行,表明壳幔变形的一致关系.另外,地壳和上地幔各向异性的快波偏振方向不仅与长城站附近的海沟方向平行,同时也与绝对板块的运动方向平行.该结果进一步说明了绝对板块的运动是构成上地幔各向异性的主要原因.      

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.     

黑水─泉州地学断面东段深部温度与岩石层厚度

应用地震波速度与岩石放射性生热率之间的实验关系，结合地表岩石生热率的测试，对黑水─泉州地学断面东段１８条一维地震剖面上的热源垂向分布进行了评估．在此基础上，建立了一维和二维稳态热传导模型．根据干玄武岩固相线公式，估算了上地幔介质部分熔融开始的深度（＂热＂岩石层厚度）．模型显示出深部温度场沿断面方向侧向变化显著．莫霍界面温度在４００－７００℃间变化，相应的＂热＂岩石层厚度为７５－２０５ｋｍ．一维和二维温度模型的差异主要表现在侧向热传递显著的下地壳和上地幔中．温度场的变化与造山带的形成年代或后期叠加构造热事件的年龄有关．     

高喜马拉雅淡色花岗岩形成的热模拟

地壳物质重熔形成高喜马拉雅淡色花岗岩需要在中地壳深度20多百万年前达到650℃以上的温度，但如何解释冷的印度板块向欧亚大陆俯冲时会产生这样的高温是一个难题，单一因素的解释往往不能解释全部地质观测事实．本文通过有限单元法定量化计算，提出多种因素的综合作用的假说，认为较合理的估计包括逆掩断层的幕式活动和间歇、摩擦剪切生热、高放射性元素含量和低热导率岩石的存在、高抬升剥蚀速度等因素．这些因素的组合才造成高喜马拉雅淡色花岗岩既能成带，但又只是断续的出现．     

控制碰撞造山带热异常形成的主要因素及其地质作用分析

本文对剥蚀、逆冲断层剪切摩擦和放射性物质富集等因素对造山带热结构和热演化的影响进行了模拟计算以及定量分析,并对热异常与造山带内的若干地质现象之间的关系进行了讨论.在剪切生热模型的计算中考虑了逆冲断层的速度变化及其对热结构的影响,考察了断裂宽度与热结构之间的关系.计算中还考虑了两种热剪切计算模式,即:(1)瞬间推覆就位模式;(2)非瞬间推覆就位模式.从计算与讨论中得出如下认识:造山带后期的剥蚀使整个岩石层加热;剪切摩擦使壳内局部地区升温;放射性物质的富集主要使上部岩石层产生热异常.三者联合作用的结果使岩石层大幅度升温,从而形成造山带内部大范围的与其它地区不同的高温异常以及独特的地质特征.通过计算和讨论,文中认为:重熔型花岗岩和大量的构造岩是造山带内逆断层剪切作用的产物;与逆断层呈平行排列的拉张正断层是造山带在诸因素作用下升温,然后又经剥蚀,物质发生热收缩的结果.在造山带演化后期出现的这种拉张正断层代表造山带解体和向盆地转化的构造面貌.