华北岩石圈三维流变结构的一种初步模型

利用华北地区(105~124°E, 30~42°N)的地震P波速度资料和大地热流资料建立了华北岩石圈的三维波速分布及温度分布. 考虑了摩擦滑动、脆性破裂及蠕变三 种主要的流变机制在岩石圈中的作用. 计算了华北岩石圈流变强度及粘度的三维分布. 结果表明, 岩石圈的流变强度和粘度有着明显的分层特征. 在应变率为 的情况下, 上地壳上部为脆性区, 下部有可能是以蠕变为主的延性区; 中地壳可以是以脆性破裂为主的脆性区, 也可以是上层以脆性破裂为主而大部分是以蠕变为主的延性区; 而下地壳几乎均是以蠕变为主的延性区; 壳下岩石圈上部是以脆性破裂为主或以蠕变为主的高强度区. 同时可以看出, 流变强度在水平方向上有很大的不同, 与大地构造有着明显的联系. 讨论了岩石圈波速结构, 温度分布对流变结构的影响, 并对改进岩石圈流变结构的研究提出了建议.     

组构对花岗质岩石流变影响的实验研究

正华北克拉通减薄是近年来地学界的热点问题,拆离断层形成与地壳伸展减薄是华北克拉通岩石圈减薄的浅部响应,而拆离断层内岩石的流动及变形机制直接受控于岩石流变学状态。对于华北克拉通地壳流变研究,流变实验和天然样品流变分析多数集中在下地壳,对于与拆离断层对应的中上地壳流变实验研究比较少。目前为止,有关于地壳伸展和拆离断层形     

汶川地震区的流变结构与发震高角度逆断层滑动的力学条件

本文利用龙门山地区的地质、地球物理剖面、弹性波速和流变实验数据等,建立了汶川地震相关构造单元的地壳流变结构.川西高原和龙门山构造带的地壳流变结构中存在多个塑性流变层,而四川盆地地壳基本没有出现塑性流变层,这种复杂的流变结构是汶川地震孕育和发生的基础.岩石破裂-黏滑-摩擦实验表明,以二长花岗岩为代表的震源区岩石具有很高的破裂强度和摩擦强度,能够承受极大的差应力和积累巨大的能量,这是高角度逆断层能够滑动和汶川地震强度大的原因之一.高流体压力是高角度逆断层滑动和触发汶川地震的另一个必要条件,而龙门山断层带内可能存在这种比较高的流体压力.     

基性岩流变实验揭示出大陆下地壳流变的复杂性

基性麻粒岩流变实验研究对认识大陆下地壳流变、板内构造变形和强震孕育等具有重要意义.大量基性岩流变实验数据表明,基性麻粒岩流变实验研究集中在单相矿物和两相矿物集合体,对天然基性麻粒岩流变研究很有限.基性麻粒岩流变实验结果的影响因素众多,除了实验条件(如温度、压力、应变速率)外,实验样品的矿物组分、样品颗粒粒度、微量水、熔体、矿物反应等都会影响其流变特性,这导致实验结果的复杂性.因此,根据单相或两相矿物集合体流变讨论大陆下地壳流变结构时,存在很多不确定性,不能满足下地壳流变研究的实际需求.而根据端元组分流变参数和经验方程估计由多相矿物组成的麻粒岩的流变强度,只是一种简单近似,无法完全取代麻粒岩流变实验研究.因此,开展多相矿物基性麻粒岩的流变实验,以获得更接近真实大陆下地壳流变的实验数据,并且用于定量研究下地壳流变,是大陆下地壳流变实验未来发展的方向.在基性麻粒岩流变实验研究中存在的科学问题与技术难题是多相矿物流变、高温部分熔融的影响、矿物反应-流变相互作用,这些问题都有待通过高温高压流变实验进行深入研究.     

岩石圈流变机制的确定及影响岩石圈流变强度的因素

讨论了确定岩石圈流变强度中存在的问题，根据Byerlee定律，给出了在Anderson断层系统下三种断层的摩擦滑动强度公式，利用小标本实验结果外推，用大标本实验结果作约束，得到岩石圈几种典型岩石的脆性破裂规律，利用上述结果和传统的方法，分别得到了鄂尔多斯和山西裂谷两个典型地区的流变强度随深度的变化。结果表明，以往的计算对岩石圈流变强度的估计过高，对脆性形变区估计不足，流变机制估计不对；岩石圈有力学分层的特性，但各地分层的深度范围不同，使得成层和力学作用变得复杂，讨论了水、应变率以及多相矿物对流变强度的影响。     

我国实验岩石力学与构造物理学研究的若干新进展

简述了近年来我国学者在与地震学和地球内部物理学相关的实验岩石力学和构造物理学研究方面的进展．在此领域的进展主要体现在:大量实验以及数学模拟结果丰富了对岩石脆性破裂过程，特别是结构和介质非均匀条件下破裂过程的认识；在非均匀断层的摩擦行为与失稳成核方面取得了一些新结果，揭示了断层滑动行为的复杂性；在岩石脆塑性转换和塑性流变方面取得了一些新结果，特别是在下地壳和上地幔物质的流变性质方面取得了重要进展；在高温高压岩石物理方面取得了一批实验结果, 并应用于地球内部物质的组成和状态的研究．这些结果为深入理解地球内部物质的物理性质、变形机制及地震物理过程提供了有价值的参考资料.      

先存组构对各向异性岩石流变强度的影响

地壳深部岩石普遍存在变形组构,花岗质岩石中的变形组构不仅影响岩石强度,而且对后期变形具有显著控制作用。近年来,先存组构对各向异性岩石的流变强度影响成为高温高压实验研究的热点之一。文中对前人给出的各向异性岩石(包括云母片岩-片麻岩、石英-钙长石均匀混合体与层状组构样品)半脆性-塑性流变实验数据进行了重新整理与分析,结合作者开展的不同组构条件下花岗片麻岩与糜棱岩流变实验结果,讨论了先存组构对各向异性岩石流变强度的影响。实验数据表明:1)各向异性岩石的面理与最大主应力方向的角度是影响强度的主要因素。在半脆性破裂域,样品压缩方向垂直于面理(PER)和平行于面理(PAR)的强度基本相同,在压缩方向与面理呈30°夹角时,岩石破裂强度最小;在塑性流变域,垂直于面理方向的强度显著高于平行于面理方向的强度,当面理与最大主应力方向的角度为45°时,岩石强度最小。2)后期变形对原有组构的继承与改造程度,决定了各向异性岩石强度高低。3)样品中矿物的含量、分布与粒度对各向异性岩石强度有显著影响。理论模型预测结果与云母片岩实验结果比较吻合,但其他类型各向异性岩石的流变比理论模型结果要复杂得多。因此,进一步开展具有先存组构的各向异性岩石的流变实验,并将实验变形与实际地质条件下更为复杂的岩石变形进行对比分析,是认识各向异性岩石流变和变形机制最有效的方法。     

中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构

依据地震波速得到的上地幔温度和气象台站记录的地表温度为约束,结合地表热流和热导率观测数据,利用有限元方法计算了中国大陆及邻区岩石圈三维热结构.基于此温度结果和GPS观测得到的应变率数据,以滑动摩擦、脆性破裂和蠕变三种强度机制为约束,计算得到了中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构.结果显示:弱强度和低等效黏滞性系数的下地壳在中国大陆及邻区普遍存在,并且下地壳的流变强度和等效黏滞性系数比上地壳和岩石圈地幔一般要低1~2个数量级;中国大陆范围内青藏高原存在着厚度最大、强度最低的下地壳;青藏高原的岩石圈强度和等效黏滞性系数比华北、华南和印度板块的都要低;岩石圈流变结构的横向分布特征与重力梯度带和地形过渡带比较一致.     

岩石破裂强度的温度和应变率效应及其对岩石圈流变结构的影响

研究了温度和应变率对岩石破裂强度的影响,得到了岩石圈中一些典型岩石破裂强度的新的经验规律.新的经验规律除考虑围压和标本尺度的影响外,还考虑了温度和应变率的影响,并增加了新岩石的结果,所以更能反映岩石圈内岩石破裂的真实状态.通过对鄂尔多斯平均流变结构的计算和对比研究表明：传统的忽略脆性破裂的流变模型过高地估计了流变强度,流变机制的分布也不尽合理.而考虑了脆性破裂机制的流变模型的结果表明脆性区分为两部分,浅部以摩擦滑动机制控制,深部以脆性破裂机制控制.由于新的经验规律考虑的代表性岩石更全面,并考虑了应变率的影响,得到的脆性区的范围进一步增大,流变强度进一步降低.     

华北地区壳内低速层与地壳流变的关系及其对强震孕育的影响

京津唐张地区普遍存在壳内低速层 ,鄂尔多斯块体内部没有发现低速层 ,壳内低速层的这种分布受新生代裂陷伸展的控制。华北地区中地壳下部和下地壳低速层是岩石塑性流变的结果 ,中地壳上部低速层是地壳裂陷伸展时形成的水平拆离带和韧性剪切带 ,岩石各向异性和流体作用可能是引起低速的原因。壳内软弱层 (低速和塑性流变层 )增强了块体层间的解耦作用 ,对地震孕育起着重要作用     

长英质岩石的流变学特征及其影响因素

在总结岩石变形机制与岩石流变学实验进展的基础上,讨论了岩石流变学数据的重复性。虽然高温高压流变学实验积累了大量的数据,但中、上地壳长英质岩石和早期获得的石英集合体的流变实验数据重复性比较差,而近年来发表的石英、长石的流变学实验数据重复性相对较好。虽然利用经验理论模型,根据端元组分可以拟合两相矿物集合体的流变律,但并不能满足定量确定复杂组分和特殊流变性的长英质岩石流变参数的需要。因此,利用长英质岩石流变参数估计大陆地壳流变强度剖面时,即使在相同地温和应变速率条件下,给出的流变曲线、脆-塑性转化带深度也有一定差别,还需要通过大量实验给出更精细的长英质岩石流变学实验数据。根据近年来流变学实验研究的新进展,讨论了在实验室条件下影响长英质岩石流变的各种因素,重点分析了流体、岩石成分、样品粒度和组构对流变的影响。微量结构水对岩石流变有显著的弱化作用,而熔体对流变的影响与熔体含量和分布相关,只有熔体呈薄膜状湿润颗粒边界时,熔体的弱化作用才显著。成分对岩石流变的影响不仅体现在样品的应力指数等流变参数的变化方面,还体现在样品从半脆性变形向塑性变形的转化温度方面。粒度主要影响岩石的变形机制,其中,细粒样品在扩散蠕变域具有应力与粒度线性负相关特性,是理想的应力计,可以用来定量确定韧性剪切带的流变强度;而在位错蠕变域,应力与粒度没有依存关系,这为将实验室条件得出的流变数据外推估计地壳流变提供了重要依据。组构和各向异性是地壳中岩石存在的普遍现象,但关于层状组构对多相矿物组成的岩石流变影响的研究非常少,需要通过新的实验来深入研究。     

冀东陆壳结构的岩石学模型

冀东地区的古老变质岩系是一个出露的大陆地壳断面。根据变质岩系的变质相、亚相的研究和地质温压计计算的结果推定的深度,并结合地球物理测深资料,以及笔者测定和前人的岩石高压下波速实验资料提出了本区大陆地壳结构的岩石学模型。下地壳由麻粒岩相岩石组成,上部为角闪石麻粒岩亚相的中性成分的麻粒岩,下部为辉石麻粒岩亚相的基性成分的麻粒岩构成,底部夹有透镜状蛇纹石化橄榄岩以及紫苏花岗岩。中地壳主要由高角闪岩相的中性-中酸性成分的片麻岩、片岩构成,顶部为低角闪岩相的片麻岩、片岩,广泛发育英云闪长岩和花岗闪长岩岩体,含隙间高温流体相(fluid phase),形成高导-低速层。上地壳主要为绿片岩相(部分低角闪岩相)的板岩、千枚岩、片岩、变粒岩以及花岗岩组成,顶部为沉积盖层     

ESTIMATING THE LOWER CRUSTAL VISCOSITY OF THE WESTERN QINLING-SONGPAN TECTONIC NODE AND ITS ADJACENT AREAS BY USING LANDFORM MORPHOLOGY

The western Qinling-Songpan tectonic node is located at the intersection of three major tectonic units of Tibetan plateau, the South China Block and the Ordos Block, and is at the forefront of the northeastern margin of Tibetan plateau. It has unique geological and dynamic characteristics from the surface to the deep underground. Based on the model for ductile flow in the lower crust, the geomorphological form is used to estimate the viscosity of the lower crust, and how the rheological process of the deep lithosphere acts on the upper crust deformation and structural geomorphology. And combined with GPS velocity field data, the current crustal deformation is analyzed to further study the regional dispersive deformation process. The results show that the viscosity of the north and northeast of the Zoige-Hongyuan Basin is smaller than that of the east and southeast. Therefore, the lower crust flow has a tendency of flowing to the northeastern low viscosity zone. We believe that when the lower crust flows from the central plain of the Qinghai-Tibet Plateau to the rigid Sichuan Basin with a higher viscosity of the lower crust, it cannot flow into the basin, and part of the lower crust flow accumulate here, causing the upper crust to rise, and the uplifting led to the formation of the Longmen Mountains and a series of NNE-striking faults as well. When the lower crust flows to the northeast direction with a low viscosity, the brittle upper crust is driven together. Because of the remote effects from the Ordos Basin and the Longxi Basin, the mountains in this region are built slowly and the stepped arc-shaped topography of the current 3 000-meter contour line and the 2 000-meter contour line are developed. At the same time, a series of NWW-trending left-lateral strike-slip faults are developed. This explains the seismogenic tectonic model of the western Qinling-Songpan tectonic node as from NWW-trending left-lateral strike-slip faulting to the NNE-trending right-lateral strike-slip faulting and both having a thrust component. The current crustal movement direction revealed by the GPS velocity field is consistent with the direction of historical crust evolution of the lower crust revealed by the viscosity, implying that there is a good coupling relationship between the lower crust and upper crust. The results provide a basis for studying the development of fault systems with different strikes and properties, the formation of orogenic belts, the macroscopic geomorphological evolution characteristics, and the rheological and uplift dynamics of the lithosphere in the northeastern margin of the Tibetan plateau. In addition, our research differs from the previous studies in the spatial and temporal scale. Previous studies included either the entire Qinghai-Tibet Plateau or only the eastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau. However, our analysis on the contours and topographical differences in the topography of the western Qinling-Songpan tectonic knot reveals that the study area is controlled by the lower crust flow. Our results are confirmed by various observations such as seismology, magnetotellurics and geophysical exploration. Moreover, the previous studies did not point out enough that the elevation contours are elliptical, and the elliptical geomorphology further illustrates that the formation and evolution of the Qinghai-Tibet Plateau has rheological characteristics and also conforms to the continuous deformation mode. Meanwhile, in terms of time scale, the evolution time of the study area is divided into three types of simulation time according to geochronology. And the GPS velocity field is introduced to observe the present-day crustal deformation.     

Thermal-rheological structure of the lithosphere beneath Jiyang Depression: Its implications for geodynamics

Thermal regime of the lithosphere is the scenario of the lithospheric thermal evolution, and the thermo-mechanical state of lithosphere definitively controls its deformation style and mechanism. Better understanding of the lithospheric deep thermal-rheo- logical structure of sedimentary basin will shed light on the formation and evolution dynamic process of the basin. Surface tectonics is the response of the deep structure, and is controlled by the lithospheric ther-mal-rheological properties.…     

华北东部地区地壳结构的初步研究

综合国家地震局地球物理勘探大队在华北地区开展以人工地震测深为主的深部探测成果,认为该地区地壳结构具有如下特点; (1)纵向的分层特性。沿纵向可划分为上层地壳、中层地壳和下层地壳三部分。在很多地震剖面上,中层地壳为一低速层,出现了速度逆转现象。 (2)莫霍界面沿横向的波浪起伏性和不连续性。莫氏面多在其波浪起伏的“拐点”处被断开。在此基础上,分析了华北东部地区强震的深部构造背景,地热活动和深部物质活动     

三维黏弹性数值模拟华北盆地地震空间分布与构造应力积累关系

华北盆地为我国板内地震多发区域,历史以来相继发生多次破坏性大地震.前人地震勘探与震源定位结果揭示了华北地震的空间分布特征:横向上,华北地震基本发生在地壳的薄弱地带(Moho面上隆),或者地壳厚度的急剧变化带;纵向上,华北地震在地壳一定深度范围内呈现成层分布特征;主震一般在上地壳底部9~15 km深度范围,余震多发生在大约深5~25 km的上地壳与中地壳范围内,在中地壳下层与下地壳中仅有少量或者鲜见有余震发生.为研究解释华北盆地地震空间分布的以上特征,本文建立了华北盆地岩石圈三维黏弹性有限元模型.震源机制和GPS反映华北盆地处于NNE最大主压应力方向挤压,因此对模型边界施以恒定的位移速率边界条件;数值模拟华北岩石圈各层位在数百年以上长期匀速构造挤压作用下的应力积累特征,分析了华北地震空间分布与构造应力积累速率的关系,探讨了地壳结构与地壳分层流变性质对地壳应力积累的影响.计算结果表明,Moho面的隆起与地壳各层位岩石介质的黏滞系数是华北盆地地震孕育的重要因素.华北盆地在构造挤压的持续作用下,Moho面隆起处产生明显应力集中现象.该区域应力在长时期的积累过程中,在脆性的上地壳与中地壳上层,应力表现近于线性增长趋势,上地壳底部较其它深度有最大的应力增长率,其主震可以在应力积累至岩石破裂强度时发生;在脆、韧性转换的中地壳下层,应力增长速率次之,华北地震的大部分余震可能在该层位为主震所触发;而在柔性的下地壳应力增长近于指数形式,稳定状态之后其应力增长速率近于零,而鲜有地震发生.地壳各层位的应力增长率差异与地震成层分布的现象揭示了华北地壳的分层流变性质:脆性(上地壳)-较弱脆性(中地壳上层)-较弱韧性(中地壳下层)-较强韧性(下地壳)-韧性(岩石圈上地幔)的分层流变结构.     

华北地区GPS形变测量结果及其地震地质意义

简要介绍了华北地区ＧＰＳ形变监测网１９９５～１９９６年两次观测概况,利用伯尔尼软件进行数据处理的主要过程、水平形变计算与应变分析的方法和结果及垂直形变的结果。分析了ＧＰＳ成果的地震地质意义,认为ＧＰＳ观测到的水平形变可能反映了上地壳层块构造活动的某些特征     

A preliminary model for 3-D rheological structure of the lithosphere in North China

3-D rheological structure is mainly the spatial distribution of lithospheric strength or viscos-ity, its strength and viscosity are indispensable parameters in quantitative study of the lithosphere deformation. Plate tectonics theory initially divided the…