地幔柱与岩石圈相互作用过程中熔融问题的数值模拟

地幔柱是最可能形成大火成岩省的原因之一,同时地幔柱与岩石圈的相互作用也极大的影响着岩石圈的构造演化.本文主要集中研究地幔柱与岩石圈相互作用过程中熔融相关的问题.利用开源程序Ellipsis3D,基于质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和岩石流变本构关系,以及不同的熔融损耗关系,通过有限元数值方法模拟得到地幔柱与岩石圈相互作用过程中熔融程度的动态变化.数值模拟结果显示,地幔柱与岩石圈相互作用的熔融相关过程分为三个阶段：地幔柱的初融阶段,地幔柱自身熔融占主导,减压熔融为主因;地幔柱与岩石圈的纵向作用阶段,岩石圈地幔开始熔融,地幔柱以减压熔融为主,岩石圈地幔以升温熔融为主;地幔柱的横向展平阶段,随着地幔柱的扩展岩石圈地幔熔融范围增加,以升温熔融为主,地幔柱自身熔融程度减小.最后基于数值模拟结果及现场资料对峨嵋山大火成岩省地幔柱的发展演化以及峨眉山大火成岩省的形成进行了讨论.     

地幔对流拖曳力影响青藏高原东北缘地壳运动格局的数值模拟研究

基于近期关于青藏高原东北缘岩石圈速度、流变结构和地壳形变的观测和研究结果,建立了青藏高原东北部岩石圈三维有限元模型,并考虑了地幔对流拖曳力、高原重力势能、块体间相互作用等外部和内部条件对青藏高原东北缘岩石圈现今运动格局的控制作用.将地表运动速率的数值模拟结果与观测结果进行比较,结果表明:活动地块相互作用和高原地形蓄积的重力势能对高原内部向高原边缘逐渐变小的地壳运动特征具有控制作用,而以往关注不多的地幔对流拖曳力对青藏高原内部的地壳运动方向具有明显的控制作用;此外,基于岩石圈水平运动速率与下伏地幔对流速度差异、地震波各向异性观测提出的不同地块垂直连贯变形差异等观点,提出模型范围不同地块岩石圈底部地幔拖曳力作用强度存在差异的设想,并引入了地幔拖曳力强度因子并进行数值模拟,得到的地表形变速率模拟结果与GPS观测结果更为一致,模拟结果进一步支持了地震波各向异性观测提出的观点,即不同地块的壳幔耦合程度存在显著差异.     

青藏高原东缘岩石圈结构对现今地表垂向运动影响的数值分析

参考青藏高原东缘松潘-甘孜地块至四川盆地陡变地形起伏和地壳密度结构的横向差异,本文建立了二维牛顿黏性流体有限元模型,计算分析构造加载、陡变地形和重力效应控制下青藏高原东缘岩石圈变形特征,探讨横向不均匀的地壳密度结构、陡变地形和岩石圈流变性质对区域现今垂向运动的影响.计算结果显示：在构造加载作用下,松潘-甘孜地块至四川盆地地表抬升微弱.区域横向不均匀的地壳密度结构驱使松潘-甘孜地块地壳整体抬升,速率高达2 mm·a^-1,四川盆地整体下沉,速率约1 mm·a^-1,与龙门山两侧现今观测到的地表垂向变形模式相近.龙门山地区陡变地形驱使柔性地壳流动,调整区域地壳局部变形;岩石圈流变结构影响重力驱动作用下的模型变形量值和岩石圈变形耦合程度,松潘-甘孜地块较低的中地壳黏滞系数引起上、下地壳的变形解耦;模型较高的岩石圈地幔黏滞系数使重力驱动作用下区域垂向变形量降低.因此,青藏高原东缘地壳密度结构差异、地形起伏和岩石圈流变性质是现今区域垂向变形的重要动力学控制因素.     

华北克拉通东部地壳与地幔盖层结构——长观测距深地震测深剖面结果

利用文登—阿拉善左旗长观测距地震宽角反射/折射剖面东段资料,辩识出4组地壳震相和3组地幔盖层震相.采用二维射线追踪走时反演和正演拟合交替计算方法,得到了包括鲁东隆起和华北裂陷盆地在内的地壳和地幔盖层二维速度结构.研究结果表明:华北裂陷盆地基底深达6km以上,研究区壳内界面C1埋深约15km,C2界面深约25km,Moho面平均埋深约35km.上地壳速度6.0~6.1km·s-1,且横向变化较大;中地壳速度相对均匀约为6.2~6.4km·s-1;下地壳速度为6.5~7.0km·s-1,速度梯度较大.地壳平均速度与隆起和坳陷构造相关.研究区岩石圈底界面一般为75~80km,西端接近太行隆起构造时深至90km左右,向西呈明显加深趋势,地壳厚度呈现相同的增厚特征.地幔盖层上部速度8.0~8.2km·s-1,具明显正梯度特征.岩石圈平均速度在郯庐断裂带附近显著偏低.PmP和PLP震相存在不同程度的复杂性,意味着在本地区Moho界面和岩石圈界面有较为复杂的结构,可能具有一定厚度或过渡带性质.结合其他研究结果认为,地幔盖层和下地壳速度梯度、界面性质差异与华北克拉通破坏相关,意味着破坏是一个渐变、缓慢和不均匀的过程.郯庐断裂带附近的低速应是其为软弱带的证据.     

哈山冲断带构造变形数值模拟

岩石圈流变结构是控制大陆碰撞造山的重要因素.哈山冲断带的构造变形、地表地形与青藏高原周缘冲断带差异较大,指示需要开展地壳流变学研究.本研究采用二维数值模拟,设计了盆山上地壳强度横向差异的单因素实验,模拟结果分析表明：若上地壳强度“山弱盆强”,构造变形集中于造山带,断块垂向叠置造成造山带隆升,使地表地形的构造高点位于造山带;若上地壳强度“山强盆弱”,构造变形集中于冲断带和盆地,盆山相互作用造成地表地形的构造高点位于冲断带,而非后陆.本文基于此单因素实验,模拟了哈山冲断带构造演化,发现哈山冲断带晚二叠世发育推覆构造后,构造变形逐渐减弱,扩展方式由前展式变为后展式,基底倾向由向后陆变为向前陆.结合哈山及龙门山的多学科观测资料,本文认为哈山和龙门山冲断带的构造变形、地表地形分别符合地壳强度“山强盆弱”模式和“山弱盆强”模式.研究成果可以为中西部冲断带的地球动力学模型和实验模型的搭建提供一定启示,同时对研究区内构造控藏分析和油气勘探具有指导意义.     

呼包盆地周缘壳、幔结构研究

对呼包盆地周边七个台站的远震接收函数研究表明：研究区地壳厚度为43～46 km,地壳速度比和S波速度结构均无异常;阴山造山带岩石圈埋深为65～85 km,且上地幔S波平均速度偏低,是典型的异常地幔区.根据S波速度结构和地壳厚度随地形高程反比的变化关系,以及地表广泛出露的幔源玄武岩分布,推测该区地幔深部热物质上涌是阴山造山带隆升的原因之一.上升的软流层物质与地幔发生交代、侵蚀作用导致岩石圈减薄,S波速度降低.呼包盆地的形成可能与深部物质上涌造成的拉张效应有关.     

青藏高原东北缘岩石圈变形方式的动力学模拟研究

青藏高原东北缘是青藏高原横向扩展的前缘位置,其岩石圈变形方式和动力学机制是理解青藏高原横向扩展模式的关键.本研究利用数值模拟方法,以地表地形、岩石圈结构和地表热流等观测为约束,重点讨论了流变强度差异对青藏高原东北缘岩石圈变形方式的影响.结果表明:当青藏高原周缘地块岩石圈地幔强度相对较高,地壳强度相对较低的情况下,在不断扩展的青藏高原挤压作用下,周缘地块地壳增厚,增厚的地壳在重力作用下使得下覆岩石圈地幔俯冲下插;而当周缘地块岩石圈地幔强度非常高,则有限的地壳增厚不能使其俯冲下插,只能在地壳部分形成有限的缩短变形;低黏滞性、高速流动的下地壳使得下地壳整体增厚,从而对青藏高原地表的整体抬升有重要贡献,而对岩石圈地幔的变形方式影响有限.     

四川龙门山断裂带高精度地壳/岩石圈黏度结构及其动力学意义

岩石圈黏度是大陆动力学研究中一个重要参数,但是岩石圈黏度,尤其是横向小尺度(<100 km)黏度结构的确定是一个挑战.本文根据电阻率和黏度与它们控制因素的相似关系,直接把一条跨过青藏高原东缘和四川龙门山断裂带的大地电磁(MT)探测的电阻率剖面转换成黏度结构作为输入,在GPS速度和地表地形数据的约束下,利用地球动力学数值模拟获得了该剖面的二维地壳/岩石圈黏度结构.本文推断的黏度与前人获得的区域尺度的黏度值一致,但揭示出了更多的细节.本文的黏度结构揭示出研究区域内的地壳/岩石圈黏度存在较大的空间变化范围(约5量级),黏度值分布在1.48×10^17~8.44×10^22 Pa·s之间;龙门山断裂带下的黏度存在强烈的小尺度横向变化,其中、下地壳的黏度分别为1.99×10^18~8.21×10^20 Pa·s(平均1.17×10^20 Pa·s)和4.09×10^19~7.08×10^20 Pa·s(平均1.77×10^20 Pa·s).基于该黏度结构的地球动力学模型表明驱动青藏高原中-下地壳物质流动的可能是热-化学浮力,以及上地壳和中-下地壳可能处于解耦状态.本文获得的黏度结构可以为龙门山断裂带地震成因和机制、岩石圈小尺度变形和构造应力状态的深入研究提供重要的帮助.     

塔里木北缘岩石圈热-流变结构及其地球动力学意义

结合塔里木北缘的库车坳陷和塔北隆起这两个构造单元的地温资料和岩石热物性参数, 利用一维热传导方程, 给出了塔里木北缘地区岩石圈的热结构. 塔里木北缘地区平均地表热流为45 mW/m2左右, 地幔热流约为20~24 mW/m2, 莫霍面温度为514~603℃, 热岩石圈厚度138~182 km. 在此基础上, 根据该区地震测深剖面揭示的P波速度结构和岩石学, 结合流变学模拟进一步确定了该区的岩石圈强度及其分布特征. 研究结果表明, 岩石圈的流变分层现象明显, 整个上地壳和下地壳部分以脆性性质为主, 下地壳底部才显韧性性质, 壳下岩石圈地幔也表现为脆性性质, 具有典型的“三明治”结构. 此外, 岩石圈强度也具有横向变化的特征, 隆起区强度大于坳陷区强度; 从南往北, 强度依次降低, 塔北隆起南部强度最大, 库车坳陷强度最小. 塔里木北缘地区岩石圈拉张背景下强度为4.77×1012 ~ 5.03×1013 N/m, 挤压背景下为6.5×1012 ~ 9.40×1013 N/m, 其脆-韧性转换深度在20 ~ 33 km之间. 塔里木北缘的岩石圈较冷且强度较大, 岩石圈表现为刚性并以整体变形为主. 该区地震活动性研究也表明了这一整体变形的地球动力学特征.     

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.     

峨眉山大火成岩省地壳横波速度结构特征及其动力学意义

峨眉山大火成岩省是我国境内最早获得国际学术界广泛认可的大火成岩省,对于认识地幔柱形成与作用机理、生物与环境演化、资源富集与成矿机制等具有重要意义.本文利用峨眉山大火成岩省宽频带地震台阵(COMPASS-ELIP)以及云南、四川区域地震台网的部分台站资料,基于分格加权叠加策略实现接收函数和面波频散在信息来源和分辨尺度方面的协同;进而开展联合反演,重建了峨眉山大火成岩省关键剖面下方的地壳横波速度结构.研究结果显示:研究区地壳平均S波速度,沿剖面呈现自西向东先增大后减小的分带性,内带中、下地壳速度较高,尤其是下地壳存在明显的高速异常(V_s约3.8~4.2 km·s~(-1))丽江—小金河断裂带和水城—紫云断裂带的东西两侧,中上地壳存在低速层(V_s约3.3 km·s~(-1)),尤其是水城—紫云断裂带东西两侧的中地壳低速层尤为明显.结合本文以及现有的系列研究结果,进一步确认内带中、下地壳高速对应二叠纪古地幔柱作用的遗迹,大规模岩浆的底侵和内侵,不仅改造了滇中块体的地壳结构和组分,而且也改变了地壳的流变强度,进而对现今青藏高原东南缘的深部过程产生了深远影响.     

A preliminary study on ore-forming environments of Xianglushan-type iron deposit and the weathering mineralization of Emeishan basalt in Guizhou Province,China

Xianglushan-type iron deposits are one of the new types of iron deposits found in the Weining Area of Western Guizhou. The iron-bearing rock system is a paleo-weathered crustal sedimentary(or accumulating) stratum between the top of the Middle-Late Permian Emeishan basalt formation and the Late Permian Xuanwei formation. Iron ore is hosted in the Lower-Middle part of the rock system. In terms of the genesis of mineral deposit, this type of deposit should be a basalt paleo-weathering crustal redeposit type, very different from marine sedimentary iron deposits or continental weathering crust iron deposits. Based on field work and the analytical results of XRD Powder Diffraction, Electron Probe, Scanner Electron Microscope, etc., the geological setting of the ore-forming processes and the deposit features are illustrated in this paper. The ore-forming environment of the deposit and the Emeishan basalt weathering mineralization are also discussed in order to enhance the knowledge of the universality and diversity of mineralization of the Emeishan Large Igneous Province(ELIP), which may be a considerable reference to further research for ELIP metallogenic theories, and geological research for iron deposits in the paleo-weathering crust areas of the Emeishan basalt,Southwestern, China.     

青藏高原东缘峨眉山新生代加速抬升剥蚀作用

本文通过峨眉山基底卷入构造带低温热年代学(磷灰石和锆石裂变径迹、锆石(U-Th)/He)研究,结合典型构造-热结构特征诠释峨眉山晚中-新生代冲断扩展变形与热年代学耦合性.峨眉山磷灰石裂变径迹(AFT)和锆石(U-Th)/He(ZHe)年龄值分别为4~30Ma和16~118Ma.ZHe年龄与海拔高程关系揭示出ZHe系统抬升剥蚀残存的部分滞留带(PRZ).低温热年代学年龄与峨眉山构造分带性具有明显相关性特征:万年寺逆断层上盘基底卷入构造带AFT年龄普遍小于10Ma,万年寺逆断层下盘扩展变形带AFT年龄普遍大于10 Ma;且空间上AFT年龄与断裂带具有明显相关性,它揭示出峨眉山扩展变形带中新世晚期以来断层冲断缩短构造活动.低温热年代学热史模拟揭示峨眉山构造带晚白垩世以来的多阶段性加速抬升剥蚀过程,基底卷入构造带岩石隆升幅度大约达到7~8km,渐新世以来抬升剥蚀速率达0.2~0.4mm·a-1,其新生代多阶段性构造隆升动力学与青藏高原多板块间碰撞过程及其始新世大规模物质东向扩展过程密切相关.     

早二叠世塔里木陆块的经度：来自大火成岩省的制约

经度的确定是板块重建的难点. 塔里木盆地下二叠统大规模溢流玄武岩已被确定为大火成岩省, 提供了一次根据大火成岩省来定量确定塔里木陆块早二叠世经度的机遇. 核幔边界约2800 km深处地震波低速带与全球300 Ma以来喷发的大火成岩省之间的关系已得到建立: 恢复喷发位置后, 大火成岩省全部分布在核幔边界低速带的边缘之上, 其中大部分在非洲LLSVP和太平洋LLSVP边缘, 个别在规模较小的LSVPs边缘. 在使用塔里木陆块早二叠世古地磁数据来限定其纬度的基础上, 本文利用上述理论方法, 并联系前人的地质结论, 发现塔里木大火成岩省约290 Ma喷发时的位置最可能为20°N, 60°E. 本文提出, 塔里木大火成岩省与西伯利亚大火成岩省相似, 其喷发时并不在两大LLSVPs的边缘带上, 而最可能与非洲LLSVP东侧附近一个单独的、范围较小的LSVP(20°N, 60°E)相关联, 暗示重建之前的假设"塔里木大火成岩省源自核幔边界"是合理的. 如果塔里木、峨眉山和西伯利亚大火成岩省都源自核幔边界, 上述(20°N, 60°E)位置的获得说明三者都不是同一幔源.     

洋中脊扩张速率对洋壳速度结构的约束

洋中脊速度结构是揭示大洋岩石圈演化过程的重要约束.为探讨不同扩张速率下洋中脊的洋壳速度结构特征,挑选了全球152处快速(全扩张速率 90mm·a-1)、慢速(全扩张速率20～50mm·a-1)和超慢速(全扩张速率20mm·a-1)扩张洋中脊和非洋中脊的洋壳1-D地震波速度结构剖面,通过筛选统计、求取平均值等方法对分类的洋壳1-D速度结构进行对比研究,获得了不同扩张速率下洋中脊洋壳速度结构差异以及洋中脊与非洋中脊洋壳速度结构差异的新认识:(1)快速、慢速和超慢速扩张洋中脊的平均正常洋壳厚度分别为6.4km、7.2km和5.3km,其中洋壳层2的厚度基本相似,洋壳厚度差异主要源自洋壳层3;其洋壳厚度变化范围分别为4.9～8.1km、4.6～8.7km和4.2～10.2km,随着洋中脊扩张速率减小,洋壳厚度的变化范围逐渐增大;(2)快速扩张洋中脊的洋壳速度大于慢速和超慢速,可能与快速扩张脊洋壳生成过程中深部高密度岩浆上涌比较充足有关;(3)非洋中脊(10Ma)的洋壳比洋中脊(10Ma)的洋壳厚～0.3km,表明洋壳厚度与洋壳年龄有一定的正相关性.     

青藏高原东南缘大凉山新生代隆升建造过程——多封闭系统低温热年代学与热模型限制

长波长、低起伏度大凉山构造带新生代隆升剥露与建造过程是解译青藏高原东向扩展过程的关键核心地区之一.本文基于大凉山构造带喜德剖面和沐川剖面9件样品的多封闭系统低温热年代学年龄(即磷灰石(U-Th)/He(AHe)、磷灰石裂变径迹(AFT)和锆石(U-Th)/He(ZHe))定年,揭示出多封闭系统热年代学年龄与古岩性柱深度具有明显的正相关性,即伴随古岩性柱深度增大,多封闭系统热年代学年龄明显减小.喜徳剖面多封闭系统低温热年代学AHe、AFT和ZHe年龄值分别为7—9Ma、14—22Ma和25—38Ma;沐川剖面多封闭系统低温热年代学AHe和AFT年龄值分别为10—26Ma、23—85Ma,ZHe年龄值为未完全退火年龄.多封闭系统热年代学和QTQt热史模拟揭示,大凉山构造带喜徳和沐川剖面岩性柱所有样品都经历大致相似的三阶段热演化过程,尤其是晚新生代快速隆升剥露阶段(30—20 Ma以来),其平均剥露速率分别为~0.15mm·a-1和~0.20mm·a-1,抬升剥露量分别为~3.0km和~1.5km.结合区域低温热年代学特征的大凉山构造带地表隆升动力学模型,揭示出重力均衡作用下地壳缩短与剥露作用(即构造隆升剥露机制)控制形成了现今大凉山造山带长波长、低起伏和高海拔地貌建造过程.     

基于偏移追踪的青藏高原卓琼冰川流速监测及成因分析

冰川作为地球系统中重要的组成部分,是全球气候变化的敏感指示器和调节器.冰川运动的遥感监测也是进行冰川研究的重要内容.本文主要采用偏移追踪的方法,利用2003-2010年期间7对雷达单视复数数据监测了青藏高原珠穆朗玛峰地区的卓琼冰川运动情况.经验证,本研究获得的冰川流速结果可靠.卓琼冰川的流向自西向东,流速自冰川末端向上游积累区逐渐增加,流速大小主要来自距离向的贡献.研究结果显示,卓琼冰川在2003-2005年期间流速较大,最大流速达到45 m·a~(-1),而在2005-2010年期间流速有所降低,最大流速在35~40 m·a~(-1)范围内波动;卓琼冰川年际间流速变化基本一致,冰川中部存在流速突变情况,突变幅度为3~7 m·a~(-1),但该尺度的突变并不会影响卓琼冰川的总体运动趋势.此外,本文还分析了气象以及地理位置因素对卓琼冰川运动的影响.     

利用面波频散与接收函数联合反演青藏高原东南缘地壳上地幔速度结构

青藏高原东南缘对于青藏高原的隆升、增厚和物质逃逸等问题有着重要的研究价值.本文对研究区内布设的大型流动地震台阵的观测记录进行处理,联合反演面波频散与接收函数数据,获得了地壳厚度、沉积层厚度分布情况以及地壳上地幔高精度S波速度结构.联合反演的结果表明:(1)研究区域内地壳厚度变化很大,从西北往东南方向地壳厚度逐渐变薄;(2)沉积层厚度与研究区内沉积盆地的分布情况较为一致;(3)在研究区中下地壳内由北向南呈条带状分布有两条主要的壳内低速体,其中一条从川西北次级块体向南延伸,穿过丽江断裂到达滇中次级块体下方,另一条低速体沿小江断裂分布,向南延伸到24°N左右,两条低速体在中地壳范围被四川盆地及峨眉山大火成岩省内带下方的高速异常所隔开.