地幔对流对全球岩石圈应力产生与分布的作用

利用动力学模拟方法研究地幔对流对于大尺度岩石圈内部应力场形成的作用. 地幔物质内部的密度横向非均匀及表面板块运动引起地幔流动,并在岩石圈底部产生一个应力场. 该应力场作为面力将造成岩石圈本身变形,从而产生岩石圈内部的应力分布. 模拟计算结果表明,大部分俯冲带及大陆碰撞带区域应力均呈现挤压特征,如环太平洋俯冲带及印度－欧亚碰撞带等;而东太平洋洋脊、大西洋洋脊及东非裂谷处应力状态均表现为拉张;并且绝大多数热点位置处于应力拉张区域,这与目前对全球构造应力状态的理解是一致的. 计算的岩石圈内部最大水平主压应力的方向与观测表现出相当的一致,其结果总体上吻合得较好,然而在局部区域（例如西北太平洋的俯冲带、青藏高原等地区）存在着较大的差异. 研究表明,地幔对流是造成岩石圈内部大尺度应力状态及分布的一个重要因素.     

中国东北地区北部上地幔各向异性及其动力学意义

中国东北地区广泛发育新生代板内火山,晚中生代以来岩石圈遭受过多期拉张作用.作为中国唯一的深震孕育区,中国东北地区受到太平洋板块的西向俯冲,使得其成为研究岩石圈变形、板块俯冲和板内火山成因及其相互作用关系的天然实验室.通过分析架设在中国东北地区北部的147个流动和固定台站的SKS波形数据,共计得到了377对各向异性参数和251个无效分裂结果.结果表明,中国东北地区东西两侧具有不同的各向异性分布:西部地区各向异性方向变化范围为N143-199°E,平均N169°E,与晚中生代岩石圈伸展方向一致;其各向异性延迟时间平均值约为0.8s,说明来自地幔的各向异性比较微弱,主要由残留在岩石圈中的古老变形所引起.同时,在松辽盆地和佳木斯地块部分区域,观测到延迟时间较小的各向异性(~0.4s),可能是由于岩石圈的拆沉和热地幔物质的上涌侵蚀了保留在岩石圈的古老形变所致.在研究区东部,NNW-SSE朝向的各向异性被观测到,并伴随较大的延迟时间(大于1.0s),可能与太平洋板块撕裂回撤而产生的地幔流动有关.此外,近W-E方向的各向异性只在佳木斯地块被观测到,而太平洋板块在地幔过渡带中的俯冲可能是其产生的主要成因.     

利用双差层析成像方法反演阿拉斯加地区岩石圈速度结构

阿拉斯加地区由不同地质时期的地体向北增生而成,经历了漫长的构造演化,地质构造复杂。ANF （Array Network Facility）网站新近提供的来自USArray地震台网记录的地震台站观测数据填补了阿拉斯加地区西部和北部的观测空白,本文选取该区域中345个台站记录的5 638个地震事件的P波、S波到时数据,采用区域双差地震层析成像方法反演得到了该地区的岩石圈三维P波速度模型和地震重定位结果。研究结果显示:阿拉斯加西部太平洋板块的俯冲倾角较大,深部地幔楔表现为P波低速异常,推测由俯冲板块顶部脱水产生的流体释放到地幔楔并触发部分熔融所致,这些熔融物质上升到达地表形成阿留申火山岛链;中部亚库塔特（Yakutat）地体与太平洋板块发生耦合,俯冲倾角减小,一方面使地壳压应力增加,引起地壳增厚和楚加奇（Chugach）山脉隆升,另一方面导致该处地幔楔降温从而使产生的熔体减少,并随着地壳压应力的增加部分地壳裂隙闭合,阻断了熔体上升至地表,从而形成迪那利（Denali）火山空区;亚库塔特地体与东部兰格尔（Wrangell）火山区之间存在较明显的分界,兰格尔火山区下方的低速区（与岩浆活动对应）集中于西北侧,火山区的岩浆来源可能与环形地幔流沿太平洋—亚库塔特板块边缘的上升流相关。这些结果表明,阿拉斯加地区深部复杂的地球动力学过程导致了其地表复杂的地质构造。      

西北太平洋俯冲带及其深震活动

俯冲带是理解地球内部物质循环和能量交换、大陆岩石圈演化、地震和火山活动及矿产资源分布等的重要环节.本文聚焦于西北太平洋俯冲带,通过汇集多种地震观测研究结果,清晰地揭示了由日本海沟至中国东北的俯冲板片整体活动图像,即整个西北太平洋俯冲板片的主压应力轴一致地稳定在俯冲方向上,俯冲板片上深浅部的显著地震活动存在密切的关联性;俯冲板片深处的亚稳态橄榄岩楔形区及其周边是深源地震多发区,深源地震可能是由亚稳态橄榄岩楔形区内的相变断层开始破裂的;在410～660 km深的地幔过渡带内处观测到的俯冲板片上下界面,揭示了俯冲板片的层状组分结构和板块下侧的高含水量.为更好地约束日本海下方的俯冲板片结构和深入探讨西太平洋的俯冲动力作用,有待于在全球罕有的大陆深部不断发生深震的西北太平洋俯冲区,开展海陆联合的地球物理探测及岩石高温高压实验和地球动力学模拟等研究.     

东北地区660km间断面附近波速结构研究

我国东北地区位于西北太平洋和达-贝尼奥夫俯冲带前缘,其深部速度结构对理解板块俯冲行为以及地幔物质的交换有重要意义.利用区域三重震相模拟方法,对中国地震观测台网记录到的两个深源地震P波和SH波波形数据,进行了相对到时和波形的拟合,获得了我国东北地区660 km间断面附近波速结构.结果表明,研究区域下方的间断面没有发生明显...     

西北太平洋板块边缘俯冲特征：来自堪察加壳幔速度成像的约束

堪察加半岛位于太平洋板块的西北边缘处。太平洋板块沿堪察加海沟俯冲进入地幔,而在板块边缘处,其俯冲特征是否有不同？本研究从IRIS网站下载76个固定台站记录到的来自2 239个近震事件和75个远震事件的77 141条P波到时数据,利用近震-远震联合层析成像方法（TOMOG3D）获得堪察加地区壳幔内的三维P波速度结构。成像结果显示,研究区域下方上地幔内存在非常明显的高速异常块体,且与深源地震的空间分布高度一致。分析认为,该高速异常体为俯冲的西太平洋板块,俯冲角度和深度沿堪察加海沟由北向南均逐渐增加。地幔过渡带和下地幔顶部存在明显的高速异常块体,可能是因为堪察加半岛下方的太平洋俯冲板块在边缘或深部发生岩石圈熔融或拆沉现象,该高速异常块体即为拆沉的岩石圈。本文的成像结果中还可清晰地观察到2个板块窗口。堪察加地区浅部火山前线下方出现大范围的低速异常,可能是由于俯冲板块脱水或流经板块窗口的地幔流热物质导致。     

双地震带的影响因素探讨

讨论了全球39个俯冲带内的双地震带层间距、应力类型与俯冲参数的相互关系,这些俯冲参数包括动力学参数(板块年龄、热参数、板片拉力)、运动学参数(俯冲板块速度、上覆板块运动速度、海沟迁移速度、弧后形变特征)、几何形态参数(浅俯冲角、深俯冲角、俯冲深度、长度)及上覆板块性质等.结果表明:(1)I型双地震带易形成于年龄较古老(...     

俯冲带的后撤与弧后扩张

西太平洋地壳年龄较老,因而岩石层较冷和比重较大,俯冲带的角度也较大,活动和成熟的弧后盆地则较多;条件与之相反的东太平洋弧后盆地则较少.本文探讨这种相关关系的力学成因,计算了俯冲板块诱生的弧后上涌地幔流动.计算表明,俯冲角度大及存在后撤俯冲时,有利于在弧后地区产生明显的上涌地幔流,这种深部热物质的上涌会导致弧后扩张.反之,年龄较轻的海洋地块较热和较轻,俯冲角度一般也较小,不易诱生上涌地幔物质流动和弧后扩张.大陆地壳密度小于地幔物质,大陆碰撞区就更不具备弧后扩张的条件.     

大地电磁数据揭示中国东北地区牡丹江缝合带俯冲极性及活化特征

佳木斯地块和松嫩地块位于中亚造山带最东端,两者的汇聚受控于二叠纪至侏罗纪期间牡丹江洋的俯冲及闭合作用.牡丹江缝合带后期又受到古太平洋板块和太平洋板块俯冲作用的直接影响,因此是研究古缝合带俯冲极性和后期改造作用的理想地区.本文对跨越牡丹江缝合带的160km长大地电磁剖面数据进行三维反演,建立了缝合带及邻区的电阻率模型.结果揭示了牡丹江洋的俯冲极性和俯冲痕迹,并提供了(古)太平洋板块俯冲作用导致牡丹江缝合带活化的地电学证据.缝合带表现为复杂的高导结构,位于松嫩地块-佳木斯地块碰撞带下方的地壳尺度西倾高导体,代表牡丹江洋闭合的古俯冲带,表征了牡丹江洋西向俯冲的极性.同时,由地表地质定义的牡丹江断裂不能完全代表牡丹江缝合带的深部结构,对于该缝合带的定义应扩展至横向延伸约70km的整个高导区域.俯冲前缘弧下的固体导电矿物由深部被抬升至上地壳,其下与地幔连通的“烟囱”状高导结构代表了幔源物质的上侵通道,表明牡丹江缝合带受古太平洋板块和太平洋板块的俯冲作用影响发生活化,导致通道内原本冷却、结晶的物质发生重熔.因此,(古)太平洋板块的俯冲作用破坏了中亚造山带东段古碰撞带的岩石圈结构,其下方大尺度地壳高...     

欧亚东边缘的双向板块汇聚及其对大陆的影响

自3 Ma至现今,在欧亚东缘太平洋、菲律宾海板块以较大速率朝NWW方向运动,并沿海沟向欧亚大陆俯冲;同时欧亚板块以较小速率朝SEE方向移动,构成双方向的板块汇聚格局.沿日本岛弧东侧,海洋板片以较小的倾角插入欧亚大陆下面,在浅部产生的挤压变形扩展到日本海东边缘.琉球岛弧的中、北部,菲律宾海俯冲板片的倾角较大,其西南段由NE向转变为EW向,正经历活动的海沟后退与弧后扩张.台湾是3种板块汇聚的交点:欧亚沿马尼拉海沟向东俯冲,吕宋弧与台湾碰撞,使台湾岛陆壳东西向缩短与隆升,形成年轻的造山带,菲律宾海板块沿琉球海沟的西南段向北俯冲到欧亚下面.位于南海与菲律宾海之间的菲律宾群岛是宽的变形过渡带,两侧被欧亚向东、菲律宾海向西俯冲夹击,中间是大型左旋走滑断层.总体上,现今时期的太平洋、菲律宾海板块的西向俯冲运动所产生的变形主要分布在俯冲板片内部及岛弧,未扩散到弧后地区,可能这种俯冲运动产生的水平应力较小,不能阻挡欧亚大陆的向东移动,对大陆内部的现今构造没有明显的影响.     

Continental subduction and exhumation of high-pressure rocks: insights from thermo-mechanical laboratory modelling

Thermo-mechanical physical modelling of continental subduction is performed to investigate the exhumation of deeply subducted continental crust. The model consists of two lithospheric plates made of new temperature sensitive analogue materials. The lithosphere is underlain by liquid asthenosphere. The continental lithosphere contains three layers: the weak sedimentary layer, the crust made of a stronger material, and of a still stronger lithospheric mantle. The whole model is subjected to a constant vertical thermal gradient, causing the strength reduction with depth in each lithospheric layer. Subduction is driven by both push force and pull force. During subduction, the subducting lithosphere is heating and the strength of its layers reduces. The weakening continental crust reaches maximal depth of about 120 km and cannot subduct deeper because its frontal part starts to flow up. The subducted crust undergoes complex deformation, including indicated upward ductile flow of the most deeply subducted portions and localised failure of the subducted upper crust at about 50-km depth. This failure results in the formation of the first crustal slice which rises up between the plates under the buoyancy force. This process is accompanied by the delamination of the crustal and mantle layers of the subducting lithosphere. The delamination front propagates upwards into the interplate zone resulting in the formation of two other crustal slices that also rise up between the plates. Average equivalent exhumation rate of the crustal material during delamination is about 1 cm/year. The crust-asthenosphere boundary near the interplate zone is uplifted. The subducted mantle layer then breaks off, removing the pull force and thereby stopping the delamination and increasing horizontal compression of the lithosphere. The latter produces shortening of the formed orogen and the growth of relief. The modelling reveals an interesting burial/exhumation evolution of the sedimentary cover. During initial stages of continental subduction the sediments of the continental margin are dragged to the overriding plate base and are partially accreted at the deep part of the interplate zone (at 60-70 km-depth). These sediments remain there until the beginning of delamination during which the pressure between the subducted crust and the overriding plate increases. This results in squeezing the underplated sediments out. Part of them is extruded upwards along the interplate zone to about 30-km depth at an equivalent rate of 5-10 cm/year.     

南阿拉斯加地壳及上地幔结构成像研究

通过反演562891个纵波和156321个横波走时数据,第一次同时获得了阿拉斯加地区地壳及上地幔的纵波与横波速度以及泊松比图像,为更好地认识阿拉斯加地区的深部地震结构、太平洋板块与亚库塔特板块的俯冲几何形态提供了科学依据.成像结果表明P波和S波速度图像与泊松比结构具有很好的一致性,强的高速度和低泊松比异常沿着阿拉斯加俯冲带延伸至200 km深度,该高速度和低泊松比异常体与俯冲带的地震空间分布吻合,因此,我们认为该高速体为俯冲的太平洋板块和亚库塔特板块.从地震空间分布发现,大部分大地震（M>6.5）发生在高速度与低速度异常交界处,可能反映了俯冲板块之间强耦合作用.在俯冲带的地幔楔显示出广泛的低速度和高泊松比异常,并且这些异常与岛弧火山的位置相对应,这与大洋板块俯冲所形成的岩浆入侵作用有关.研究结果表明在南阿拉斯加俯冲带,俯冲板块的俯冲角度从兰格尔块体下方的平坦变成在布里斯托尔湾下方的陡峭,这与亚库塔特板块俯冲在兰格尔块体下方和太平洋板块俯冲在布里斯托尔湾下方有关.在基奈半岛和科迪亚克岛连接处的上地幔位置存在强烈的低速与高泊松比异常体,使该处的大洋俯冲板块变薄.这一现象可能与亚库塔特板块和太平洋板块相互碰撞作用以及软流圈强烈的上升流入侵有关.     

智利三联点南部扩张洋脊俯冲区域岩石层热结构的数值模拟

智利三联点(CTJ)位于纳兹卡板块、南极洲板块与南美板块的交界处,由南极洲—纳兹卡板块之间的智利洋脊俯冲到智利海沟而形成.巴塔哥尼亚板片窗的发展是智利洋脊长期扩张俯冲的结果之一.随着纳兹卡板块的不断东向俯冲,纳兹卡板块范围逐渐变小,CTJ同时向北移动.本文采用数值模拟方法,建立了关于洋脊海沟碰撞的简单二维模型,来研究智利三联点南部扩张洋脊俯冲区域岩石层的热结构.模拟结果表明,洋脊的位置、板块相对汇聚速度及上覆大陆板块的存在均对俯冲区域海洋板块的温度结构有着很大影响,并且大陆板块下方海洋板块温度变化最大的位置距洋脊的水平距离与洋脊到板片窗范围的水平距离两者之间具有较好的一致性.同时,当存在两两板块间的相对汇聚时,洋脊右侧大陆板块下表面的温度升高,俯冲带内海洋板块温度接近于地幔温度.纳兹卡板块以7.8 cm·a~(-1)的速度急速俯冲于南美板块之下的过程中,同时伴随着智利洋脊的持续扩张俯冲,在智利三联点南部,南美板块之下纳兹卡板块的温度因而可以更快地达到地幔软流层的约1300℃温度,并最终消亡于地幔之中.     

海山的倾斜俯冲对上覆板块变形的影响

伴随洋壳的俯冲,驼伏其上的海山会导致上覆板块的强烈变形.为解释该构造变形特征,本文运用物理模拟实验的方法,着重分析海山的斜向俯冲对上覆板块变形的影响,并将模拟结果与正向俯冲过程进行对比.实验结果显示:海山开始进入俯冲,前缘楔体的增生会被阻止,同时楔体被抬升并出现脱顶构造,未被海山破坏的楔体会出现后冲断层的激活,后冲断层轴平行于海山的俯冲方向.海山进一步俯冲,突起项部发育一系列张扭性质的微断裂和走滑性质的共轭断裂,尾随突起之后的楔体由于重力会产生正断层系统.比起正向俯冲,斜向俯冲过程中所产生的后逆冲体、海山两侧的叠瓦状逆冲推覆构造都出现不对称分布,断裂和微断裂束的走向不规则散开,后冲断层的轴向及海山俯冲过后在楔体上产生的凹槽的轨迹都不断斜向迁移,且凹槽两侧的地势不一致等.最后利用文中的物理模拟结果,很好的解释了马尼拉海沟中段俯冲构造的构造特征,同时对其他俯冲大陆边缘的构造解释具有指导意义.     

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.     

太平洋板块俯冲对中国东北深浅震影响机理的数值模拟

本文采用与深度有关的不同分层结构模型, 并考虑太平洋板块俯冲角度差异等特征, 建立太平洋板块向中国东北地区俯冲的2D纵向静力学模型。 以太平洋板片俯冲速度为约束条件, 通过变化俯冲板块的俯冲角度, 数值模拟太平洋板块向中国东北的俯冲过程, 探讨太平洋板块俯冲作用对于我国东北深浅震的影响, 得到不同俯冲角度模型的深浅部应力场分布, 揭示区域构造应力场的总体特征和断裂带局部特性, 并讨论了活动断裂带以及邻近区域对东北地区深浅部构造应力场的响应。 结果表明, 太平洋板块俯冲角度的变化对于中国东北地区深浅震的地震活动格局具有重要影响, 断裂带构造环境是浅源地震孕育的基本条件。     

Oblique subduction, collision of microcontinents and subduction of oceanic ridge: Their implications on the Cretaceous tectonics of Japan

Abstract The Izanagi plate subducted rapidly and obliquely under the accretionary terrane of Japan in the Cretaceous before 85 Ma. A chain of microcontinents collided with it at about 140 Ma. In southwest Japan the major part of it subducted thereafter, but in northeast Japan it accreted and the trench jumped oceanward, resulting in a curved volcanic front. The oblique subduction and the underplated microcon-tinent caused uplifting of high-pressure (high-P) metamorphic rocks and large scale crustal shortening in southwest Japan. The oblique subduction caused left-lateral faulting and ductile shearing in northeast Japan. The arc sliver crossed over the high-temperature (high-T) zone of arc magmatism, resulting in a wide high-T metamorphosed belt. At about 85 Ma, the subduction mode changed from oblique to normal and the tectonic mode changed drastically. Just after this the Kula/Pacific ridge subducted and the subduction rate of the Pacific plate decreased gradually, causing the intrusion of huge amounts of granite magma and the eruption of acidic volcanics from large cauldrons. The oblique subduction of the Pacific plate resumed at 53 Ma and the left-lateral faults were reactivated.     

活动海岭俯冲与岛弧火山活动的热模拟研究

为解释活动海岭的俯冲会造成岛弧火山活动的间断这一现象,本文采用有限单元法对活动海岭俯冲的热演化过程进行了模拟计算．一般情况下,摩擦剪切生热使岛弧下100km左右深度形成地温反转,俯冲板片海洋地壳内角门岩等含水矿物脱水,释放的水进入其上覆板块,降低了地幔岩石的熔点,使热的地幔楔状体内发生部分熔融,形成岛弧火山活动．高温的活动海岭俯冲时不再出现这种温度反转,俯冲板片在较浅深度达到较高温度而脱水,水进入上覆相对较冷的地幔楔状体不能造成熔融,因此岛弧火山活动会中断．     

俯冲初始时板块分界面形状对俯冲过程的影响

自板块理论建立以来,俯冲一直是学者们关心的热点问题.前人结合地质、地球物理、实验室物理实验和数值模拟等多种手段对这一问题进行了大量的研究.以往的研究更为关注俯冲过程中板块的作用、地幔流动的规律和物质的迁移与相变等问题,却常忽视了俯冲是如何开始的这一基本问题.同时,由于相关数据资料较为有限,更限制了俯冲启动的相关研究.因此,本文选取俯冲启动问题中板块分界面形状对俯冲过程的影响这一问题,使用有限元的方法进行了数值模拟.我们选择针对倾斜型、垂直型和弯曲型三种不同形状的板块分界面建立对比模型,比较它们演化至10Ma的过程我们发现:分界面几何形状的不同的确会对俯冲板块演化和海沟的深度产生影响.倾斜型模型的俯冲角度最大,海沟深度最深,俯冲深度最深;垂直型模型的俯冲角度和海沟深度仅次于倾斜型模型,俯冲深度最浅;弯曲型模型的俯冲角度最小,海沟深度最小,俯冲的深度介于倾斜型和垂直型之间.结合以上结论不难看出,俯冲角和海沟深度变化具有一定的相关性,俯冲角度越大,相应的海沟深度越大.     

Seismicity and stress state in the South China Sea, Indochina and their vicinity

The distribution of earthquakes from 1973 to 1982 in the South China Sea, Indochina and their vicinity was studied using the data from I. S. C. It was found that the earthquakes are mainly concentrated along the boundaries of plates. Beside, some of shallow eartqhuakes are distributed in west part of Burma and the boundary between Burma and China, a few of earthquakes occurred in South China Sea. The features of Benioff zone along the boundaries between India plate, Philippine Sea plate and Eurasia plate were studied. The plate do not coupled well under the Java trench and the Philippine trench. The subducted India plate under Burmese range, Andaman—Nicobar arc moves NNE. The fault plane solutions of earthquakes were studied using the first motions of P wave. The stress state on subduction zones and within the area were deduced from the fault plane solutions and the fault movement. It was found that the direction of principal compression axis of stress is in the NNE in west part of Burma, in S—N in south and middle part of Bruma and Thailand, and in NNE or S—N in the South China Sea. It was also found that the stress state has close relation with the interaction of plates. The Chinese version of this paper appeared in the Chinese edition ofActa Seismologica Sinica,13, 129–137, 1991.