岩石层流变学的研究现状及存在问题

岩石层的流变学是一门综合性的学科，它不仅包括高温高压岩力学实验，而且还包括岩石圈的地质构造，物质组成和温度场特性的研究，70年代以来岩石力学实验和地质热研究的成果推动了岩石层流变学的发展，目前，人们应用已有的实验结果建立了岩石层流变学的剖面，并以此为基础讨论了许多大地构造现象，但是，人们对流变机制的转换，水对岩石层流变性的影响等问题尚不清楚，因此，为了深入的了解岩石层流变性质在岩石层运动学和动力学中的应用，必须开展岩石层流变机制的理论和实验研究，以便建立流变性质的三维分布，本文主要分析了岩石层的流变性质随深度变化的研究结果及其在实际中的应用，讨论了确定岩石层粘度或流变强度的主要因素并对岩石层的流变学研究方向提供了一些看法。     

球层岩石层模型对表面荷载的响应

本文给出了在球层模型下,地球岩石层对表面荷载响应的解析解。计算了地球岩石层对圆盘形荷载和正弦型荷载的响应,及由此产生的重力异常。结果表明:1.岩石层弯曲不仅与其厚度有密切关系,而且与荷载尺度有关。当岩石层厚度与荷载尺度相比很小时,其弯曲与厚度关系不大,并呈现薄板效应。2.弹性模型岩石层在外加荷载下能承受数千巴的弯曲应力。3.弯曲应力在岩石层中的分布较为规则。由于大尺度荷载下岩石层出现薄板效应,传统的由弯曲刚度估算等效岩石层厚度的部分结果需要重新估价。     

大陆弹性岩石层有效弹性厚度对岩石层形变和大地水准面的动力影响

用岩石层－地幔力学、热学耦合模型,以俯冲带为例,研究大陆岩石层不同的有效弹性厚度对岩石层形变和大地水准面起伏的动力影响。数值结果显示大陆岩石层有效弹性厚度的作用象一低通滤波器,它抑制岩石层形变和大地水准面起伏的高频分量。随着有效弹性厚度的增加,岩石层的形变和大地水准面起伏不仅幅度减小,其形状变化也被平滑。模拟结果表明,在进行大陆岩石层动力学过程的研究中,只有充分考虑大陆弹性岩石层有效弹性厚度的动力     

塔里木盆地岩石层热结构特征

在大地热流密度分布的基础上，研究了塔里木盆地中库尔勒－若羌和阿克苏－叶城两条剖面岩石层热结构特征．由岩石层Ｐ波速度分布转换成生热率剖面，用二维数值模型获得了岩石层热结构和热状态特征．结果表明，塔里木盆地壳幔边界温度的高低与其埋深密切相关．居里等温面深度大，地幔热流密度较低．岩石层厚度变化与其新生代期间挠曲过程密切相关．在岩石层温度分布基础上，确定了深部脆－韧性过渡带深度和岩石层屈服强度，表明塔里木盆地岩石层相对较冷，且具有刚性的地球动力学特征．     

大洋中脊的形成过程

本文从热传导方程出发,得到了大洋中脊下岩石层温度分布的分析表达式及数值计算结果。结果表明,软流层上涌流动所提供的热源可以使大洋中脊下岩石层逐步融化;岩石层的相对移动速度对大洋中脊岩石层温度场及融化深度影响较大。     

亚洲岩石层是否俯冲到了青藏高原东北缘之下?从远震接收函数得到的启示

亚洲岩石层是否俯冲到了青藏高原之下?这对于理解高原生长机制非常重要。我们使用来自青藏高原东北缘固定台站的地震波数据,利用P波和S波接收函数研究了青藏高原东北缘岩石层和上地幔的结构特征。P波和S波接收函数偏移成像结果显示,在青藏高原下面有一个厚的地壳和一个模糊的岩石层—软流圈边界(LAB),这与亚洲块体下方相对来说较薄的地壳和尖锐且清晰的岩石层—软流圈边界形成了鲜明对比。亚洲块体下清晰的岩石层—软流圈边界向青藏高原倾斜,但并没有显著延伸到青藏高原之下;这与俯冲到青藏高原之下的亚洲岩石层地幔模型是不一致的。相反,我们的结果表明亚洲岩石层的变形对于正在生长的青藏高原的响应是有限、被动的。     

磁化岩石层球面各向同性统计模型

磁化岩石层产生的磁场是利用磁场观测研究地球发电机过程的最主要障碍之一。基于对球面各向同性随机矢量场及其空间两点关联张量的认识,建立了球面各向同性磁化岩石层的统计模型。结果表明,如果岩石层的剩余磁化强度和磁化率均为球面各向同性,那么在地表观测到的岩石层磁场由球面各向同性和准各向同性两个部分组成。因此,即使统计性质最简单的磁化岩石层,其产生的磁场的统计性质也要复杂得多。     

岩石层物理与动力学研究的进展

以当代国内外岩石层物理与动力学研究的主要成就和最新动向为背景,对该学科领域的发展方向、目标和问题进行了综合研究,突出地讨论了以下四个方面:(1)当代岩石层物理与动力学发展的主导趋势和总特点;(2)岩石层物理与动力学研究的现状和趋势;(3)中国岩石层与动力学研究在全球范围内的战略地位和在发展进程中的作用;(4)中国在岩石层物理和动力学发展中的方向,目标和问题.岩石层物理与动力学研究在地球科学发展中是十分关键的领域.21世纪将是地球科学的世纪,它必将会对人类生存,科技进步和社会经济发展作出重大贡献!     

青藏高原东北缘岩石层结构:高原横向生长的机制

青藏高原东北缘及其周边亚洲板块(北部到阿拉善块体,东部到鄂尔多斯块体)岩石层结构的探测对了解青藏高原的抬升和横向生长具有重要的意义。本研究利用布设在青藏高原东北缘和周边区域的高密度地震台阵所记录的波形,计算S波和P波接收函数,研究岩石层结构。结果表明,鄂尔多斯块体和阿拉善块体下方的地幔岩石层中存在较强、相对稳定的负速度梯度,其深度范围在70~150km,这与典型稳定的大陆岩石层类似;相比之下,在青藏高原东北部下方地幔岩石层的速度梯度相对较弱和较模糊,这可能是由于地幔岩石层高温和存在部分熔融物质造成的;青藏高原与鄂尔多斯块体和阿拉善块体边界之间的岩石层结构变化剧烈,这两个块体作为刚性边界限制了青藏高原的横向变化。此外,在青藏高原东北角到银川地堑区域的地幔岩石层结构是相似的,这可能意味着从青藏高原东北角到鄂尔多斯块体和阿拉善块体之间的过渡间隔区内存在横向地幔流。这个过渡带的地壳结构为青藏高原横向生长提供了证据。特别是,在海原断裂和天景山断裂之间出现了地壳增厚和双地壳的证据,该区域可能是青藏高原在东北缘横向生长的前沿。     

东秦岭岩石层的地电模型

根据大地电磁测深结果,东秦岭河南叶县-湖北南漳地区的岩石层由4个电性单元组成,其中华北地块南缘为相对高温的低阻区;秦岭北部为低温的高阻异常区;南秦岭为高温的低阻区,岩石层平均厚度仅80km,南秦岭的南部推覆到扬子地块之上达40-50km;扬子地块为相对低温的中等电阻率区,岩石层厚度150-200km．利用秦岭地区地壳上地幔岩石样品高温高压条件下电阻率的测定结果推断了各单元岩石层内电性层可能的岩石组成类型,并建立了剖面通过地区岩石层的地电模型．     

龙门山断裂带及其周边地区重力场 和岩石层力学特性研究

继2008年汶川M_S8.0地震之后, 2013年4月20日又发生了芦山M_S7.0地震, 两次地震的发震构造同属龙门山断裂带. 根据最新的重力和地形资料, 采用岩石层弹性板模型, 计算了龙门山断裂带及其周边地区的二维岩石层有效弹性厚度分布, 并从岩石层的力学特征分析了穿过两次地震震中位置的重力剖面特征; 结合以往在该地区的研究成果, 分析了岩石层的力学变形问题. 结果表明, 以龙门山为界, 四川盆地所在的扬子板块弹性厚度为33(±4) km, 龙门山西北的松潘—甘孜地块的弹性厚度为13(±4) km, 两侧岩石层存在明显的力学强度差异. 包括两次地震震中范围的龙门山断裂带南部区域的有效弹性厚度值小于北部地区, 说明该区域的岩石层更容易发生变形, 可以解释在构造上具备强震发生的岩石层动力学条件.      

弹性岩石层,区域重力异常和上地幔小尺度对流

在小尺度地幔对流模型的基础上,建立了顾及岩石层与地幔耦合的地幔对流模型,考虑到岩石层对上地幔小尺度对流的弹性响应,将上地幔视为一均匀的等粘滞系数的牛顿粘滞流体,其对注能量来源于下地幔,用热流体动力学基本方程得到地上地幔对流在壳幔边界处的垂向应力作为弹性板弯曲方程的垂直加载,来耦合弹性岩石层和可流动地幔,推导了两者耦合下区域重力异常和上地幔小尺度对流的相关方程,用以反演上地幔小尺度对流场模式和岩石层底部拖力场格局,对比了有,无弹性岩石层影响的模型之间的差异,并对模型应用范围,特别要板块边界水平均造力可能产生的影响,作了进一步探讨。     

海洋板块俯冲作用下上覆大陆岩石层减薄机制的动力学模拟

几乎所有大陆岩石层的减薄现象,可能都与海洋板块的俯冲作用相关,但是两者之间的内在联系迄今仍不十分明确,为此,我们设计了一系列包含洋-陆俯冲系统的二维数值模型,来探讨海洋板块的俯冲作用对上覆大陆岩石层变形行为的影响,尤其对大陆岩石层减薄效应的制约.模型结果表明,海洋板块俯冲过程中的地幔楔熔体对大陆岩石层地幔的热侵蚀以及由熔体上升所诱发的地幔局部对流的强烈扰动会导致上覆大陆岩石层的减薄效应.这种效应不仅表现在横向上的向陆内蔓延,还表现在垂向上的向浅部发展.且多类动力学参数都能制约大陆岩石层的减薄效应.具体地,随着汇聚速率和洋壳厚度的增加,上覆大陆岩石层在横向上的减薄范围越大,在垂向上的减薄程度也越深;而随着俯冲海洋板块年龄的增加,上覆大陆岩石层在横向上的减薄范围增大,但在垂向上的减薄程度会减小;随着上覆大陆岩石层厚度的增加,其横向减薄范围会减小,但在垂向上的减薄程度会加深.本文研究成果能为揭示华北克拉通减薄/破坏的动力学过程提供一定的理论参考依据.     

地幔深部运动,全球构造格局及中国地震应力场背景

本文探讨了形成岩石层内部应力场两种可能的力源:地幔对流产生的作用于岩石层底部的切向拖曳力和沿板块边界分布力系对岩石层内应力场的影响.发现这两种力同时作用控制了中国大陆应力场的基本格局,它们产生的应力场主压应力方向和用地震震源机制解、钻孔应力测量及地质构造推断的中国应力场分布基本吻合.     

地幔深部运动,全球构造格局及中国地震应力场背景c

本文探讨了形成岩石层内部应力场两种可能的力源:地幔对流产生的作用于岩石层底部的切向拖曳力和沿板块边界分布力系对岩石层内应力场的影响.发现这两种力同时作用控制了中国大陆应力场的基本格局,它们产生的应力场主压应力方向和用地震震源机制解、钻孔应力测量及地质构造推断的中国应力场分布基本吻合.      

青藏高原物质东流的岩石层力学背景探讨

利用地表大地球热流观测资料、岩石生热率及热导率数据研究了三江和四川盆地6个地区的岩石层平均温度结构及强度分布。结果表明，整个三江地区岩石层温度较高，而四川盆地温度较低；在岩石层强度分布上，四川盆地为高强度区，而三江地区则为低强度区；整个三江地区构成了一条青藏高原物质流的低强度通道；由于四川盆地高强度块体的阻挡，青藏高原向东的物质流在此转向近南向，沿三江地区流逸；不同岩石层块体的强度差异可能是控制高原物质流动态势的重要力学背景之一。     

在岩石层动力学和地震预报方面跟着会出现什么?

引言本期包含的地球岩石层动力学方面的研究特别注意了地震活动。问题的本质是地震预报。它不仅对岩石层动力学的基本了解,而且对减轻地震损失都是关键的。本期提交的研究,主要是依据表1归     

亚洲东部及边缘海地区背景噪声层析成像

本文在亚洲东部地区进行了背景噪声层析成像的研究。研究区域包括中国东部沿海各省、朝鲜半岛、日本、台湾岛以及边缘海域。研究中收集了573个宽带台站的12个月的瑞利格林函数,从中提取了群速度和相速度频散曲线,编制了10～70s范围内的速度分布图,并通过反演获得了地壳和上地幔的三维剪切波速度模型。基于三维剪切波速度模型确定了研究区范围内的莫霍面深度和岩石层厚度。速度分布图显示在上地幔中存在三个明显的低速带,其中两个位于太平洋板块和菲律宾海板块俯冲带的增生楔内,另一个位于长白山和朝鲜半岛一带之下,上地幔岩石层在这些地区显著变薄。整个研究区域内的速度异常、地壳和岩石层厚度异常分布多呈NNE-SSW方向分布,在剖面图中岩石层显示出"香肠"状薄厚不一的形态。地壳和岩石层厚度均呈现出由NW向SE逐渐减薄的趋势,与中国东南部的多期次岩浆岩的分布相吻合。分析认为古太平洋板块俯冲以及伴随的多期次回撤是控制中国东部地壳伸展和岩石层减薄的主要动力因素。     

IRIS和我们星球表面

地球表层的原动力产生于岩石层对使其变形的驱动力的响应。板块构造理论对海洋岩石层的运动做了很好的解释,海洋岩石层的年龄一般少于200Ma。大陆岩石层典型地记录了十亿年来的地质演化过程。即使是对现代变形,也很难估算大陆岩石层的应力平衡。假使地球应力场可以直接测量,例如,使用钻孔崩裂测量方法,也需要根据岩石层几何形态及物理状态来将这些点上的应力值外推到整个地球。实时形变的GPS测量观测的是瞬时应变场,只有用合适的本构关系才能把它和应力场联系起来。地震数据对调查我们星球表层内过去和现代运动的地下记录是很必要的。岩石层成象是不容易的,垂向和侧向上的强烈变化的范围相当于用来探测地壳结构的地震波长的范围。这些变化改变了地震波的传播途径,在地表记录的地震波场中产生复杂的图象。岩石层的结构可以描绘成一个三维非均匀波谱,这个波谱可延伸的波段很宽,且仅仅是局部稳定的,需要不同的地震探测方法来重建这种复杂的波数谱,即岩石层的结构。反射地震学为识别陆壳的细结构提供了最高分辨率手段,其分辨率在深部地壳大约为数百米,在浅部地壳可达几米。折射地震学为地壳和上地幔地震波速的变化提供了从某种程度上说更粗略一些的测量方法,其分辨率大约为数公里至数十公里,在区域地震台阵中的地方震测量可提供5～10km规模的构造信息,以及高精度的地震活动性图。在线性分布和区域性分布的便携式地震台阵中,远震信号的宽频带测量可提供地壳总体结构的信息,还可提供地幔结构的最高分辨率,通常为30km的大小。用所提供的三种方法来提高分辨率,并结合不同尺度的测量结果是地震研究的重要内容。     

中国东部海域及邻区岩石层地幔的P波速度结构与构造分析

利用中国大陆东部及台湾地区、日本和琉球群岛的地震观测数据,通过体波地震层析技术反演了中国东部海域及其邻近地区的P波速度结构.以此为依据分析了不同地区的岩石层性质和深部动力学条件,探讨了中朝与扬子块体、扬子与华夏块体在海区的深部边界及其构造属性,揭示出菲律宾海板块与欧亚大陆的碰撞以及板片俯冲下沉、弧后扩张作用对中国东部海域岩石层结构的影响.结果表明,中国东部海域的岩石层地幔存在明显的横向非均匀性,它们与区域构造的形成演化有一定的联系.中国大陆东部的五莲－青岛断裂与朝鲜半岛西缘断裂、济州岛南缘断裂共同构成中朝和扬子块体的边界,江绍断裂向东延伸至朝鲜半岛南端成为分隔扬子和华夏块体的边界;东海陆架与冲绳海槽的岩石层结构差异明显,东海陆架具有中国东部地区的岩石层特征,属于欧亚大陆向海域的延伸;冲绳海槽的岩石层强烈减薄,为大陆向大洋过渡的区域;沿着日本－琉球－台湾俯冲带,菲律宾海板块俯冲下沉引起的地幔扰动对中国东部海域产生了较大的影响,欧亚大陆与菲律宾海板块之间的相互碰撞导致台湾地区岩石层明显增厚.