论大陆碰撞中岩石层变形的粘性薄片模型

文章对近十多年来国外关于在印度－欧亚大陆碰撞过程中岩石圈的变形和造山运动的研究工作进行了简要的回顾和总结。粘性薄片模型在某些方面比较成功地代表了岩石圈在大陆碰撞和造山运动中的变形过程及其后果的主要特征,但也存在一些不足之处。     

青藏高原-天山大陆内部地壳变形三维数值模拟研究

大量研究事实证明,板块相互作用除了在板块边缘产生地壳强烈变形外,其应变可以扩展到远离板块边界的大陆内部,对板块相互作用的远程效应以及大陆内部地壳变形的动力学机制目前仍然有争议.本文结合前人对大陆岩石圈流变学研究的知识和现代GPS观测结果,应用三维有限元数值模拟技术探讨了印度大陆向北推挤与青藏高原-天山地壳变形的动力学关系.模拟地壳的流变学用Maxwell黏弹性模型近似,印-藏的汇聚速度用大量GPS观测的速度边界约束,而欧亚大陆内的远程边界用弹簧约束.在重力方向上,模型考虑了重力加载和位于深部的静岩压力边界.通过大量模型的计算,在均一的地壳流变学框架下印-藏汇聚的应变使研究区内发生整体隆升;然而当考虑青藏高原,塔里木地块和天山等区域中地壳流变学可能存在的横向不一致时,可以发现印藏汇聚的应变经青藏高原吸收后可以跃过塔里木导致天山地区的强烈变形.这暗示新生代以来发生在天山地区强烈地壳变形的动力学可能与印-藏汇聚过程中青藏高原-塔里木天山一带岩石圈流变学存在横向不均一有关.这对我们进一步认识板块相互作用的远程效应和大陆内部岩石圈变形机制有一定理论意义     

印度板块与欧亚板块碰撞时间比原认识晚1000万年

2013年2月3号,麻省理工学院新闻报道,在印度板块与欧亚板块碰撞发生前,印度板块面积要比通常假设的要小。喜马拉雅山山峰是大约数千万年前大规模构造运动的现代残余,之前的研究大多认为这个碰撞发生在5 000万年前,印度板块迅速北移并向上挤压欧亚板块。当今对印度板块和亚洲板块地质跟踪调查显示2个板块碰撞后,褶皱     

从江汉洞庭盆地新生代以来的构造变形探讨华南地块与周缘板块的相互关系

利用构造分析结果、震源机制解和现场应力测量资料,获得江汉洞庭盆地及邻区新生代４个时段构造应力场主应力的优势分布,在此基础上,综合分析了华南地块在不同变形阶段的应力场体系和运动史,并对地块与周缘板块运动的相互作用进行了讨论。     

印度-欧亚碰撞与洋—陆碰撞的差异

观测的证据充分表明,印度——欧亚的缝合带雅鲁藏布江上存在自南向北的地壳俯冲带,它穿过莫霍面,深度大约达到100 km. 喜马拉雅中可能存在多重的地壳俯冲. 它们有别于海洋碰撞时所产生的整个岩石圈俯冲. 作者观测到雅鲁藏布江以北上地幔的板片构造,它可以解释为印度向欧亚俯冲时上地幔岩石圈的痕迹. 它们说明与洋——陆的俯冲不同,印度向欧亚俯冲时,地壳与上地幔岩石圈出现拆层现象. 综合现有的地壳上地幔构造,显示在不同地质年代中,印度与欧亚之间产生自南向北以及自北向南相反方向的俯冲,而且俯冲带周围出现某些速度异常区.      

中国三大地块的碰撞拼合与古欧亚大陆的重建

根据最新取得的华北地块的古地磁数据,并与目前收集到的按一定判据经过筛选的华南地块、塔里木地块、蒙古褶皱带与中亚褶皱带、西伯利亚板块以及稳定欧亚大陆的数据对比分析,对中国三大地块——华北、华南、塔里木地块的碰撞、拼合及其与北邻的西伯利亚板块的构造关系,进行了初步的讨论,并尝试作了古欧亚大陆的重建.     

中国三大地块的碰撞拼合与古欧亚大陆的重建

根据最新取得的华北地块的古地磁数据,并与目前收集到的按一定判据经过筛选的华南地块、塔里木地块、蒙古褶皱带与中亚褶皱带、西伯利亚板块以及稳定欧亚大陆的数据对比分析,对中国三大地块--华北、华南、塔里木地块的碰撞、拼合及其与北邻的西伯利亚板块的构造关系,进行了初步的讨论,并尝试作了古欧亚大陆的重建.     

5°拐折构造变形物理场的实验研究与数值模拟

以实验方法和数值模拟方法研究了含５°拐折的断层在变形过程中物理场的时空演化，结果表明在一次事件序列中拐折部位的声发射往往发生在序列开始时和结束时，震级虽不大，但却有重要意义，在断层错动中拐折部位两侧的断层交替地作为变形主体构造，拐折部位则起了错动阀的作用。     

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.     

大陆碰撞动力学的三维数值模拟

用三维有限单元模型模拟了印度—亚洲大陆碰撞在板内的力学效应。结果表明,印度板块北东方向的推挤力作用在亚洲大陆内造成逆断层和走滑断层型的应力状态,以及北西走向的平行的弧形应力等值线。岩石圈下伏岩层的塑性变形导致地壳变形范围扩大,垂直位移的水平梯度减小,应力传递的水平距离显著增加。在相对坚硬的地盾型构造区边缘,出现应力梯度较高的特征。对比了刚体水平挤入和低角度俯冲这两种大陆聚合模型,计算结果表明低角度俯冲是较合理的模型     

全球五大板块的运动和形变──用卫星激光测距数据导出的站速度分析

根据德国卫星激光测距（ＳＬＲ）数据分析中心ＧＦＺ对１９８０年１月－１９９１年７月获取的ＳＬＲ观测数据处理后得到的４１个ＳＬＲ站的站速度，解算了北美、欧亚、太平洋、南美和澳大利亚板块之间的相对运动欧拉矢量，得到了第１个ＳＬＲ实测的板块运动模型ＳＰＭＭ１．与地学板块模型ＲＭ２和ＮＵＶＥＬ－１的比较指出，ＳＰＭＭ１大体上与地学模型一致，与ＮＵＶＥＬ－１更为接近；ＳＰＭＭ１的欧亚与北美板块相对运动欧拉极与ＮＵＶＥＬ－１的相应极很接近，但旋转速率明显偏小．还分析了各板块上ＳＬＲ站的局部形变特征．欧亚板块东部和西部存在１０－２０ｍｍ／ａ的相对运动；板块边界附近ＳＬＲ站的残差站速度基本上反映了该边界的构造形变特征．     

全球五大板块的运动和形变──用卫星激光测距数据导出的站速度分析

根据德国卫星激光测距（ＳＬＲ）数据分析中心ＧＦＺ对１９８０年１月－１９９１年７月获取的ＳＬＲ观测数据处理后得到的４１个ＳＬＲ站的站速度,解算了北美、欧亚、太平洋、南美和澳大利亚板块之间的相对运动欧拉矢量,得到了第１个ＳＬＲ实测的板块运动模型ＳＰＭＭ１．与地学板块模型ＲＭ２和ＮＵＶＥＬ－１的比较指出,ＳＰＭＭ１大体上与地学模型一致,与ＮＵＶＥＬ－１更为接近;ＳＰＭＭ１的欧亚与北美板块相对运动欧拉极与ＮＵＶＥＬ－１的相应极很接近,但旋转速率明显偏小．还分析了各板块上ＳＬＲ站的局部形变特征．欧亚板块东部和西部存在１０－２０ｍｍ／ａ的相对运动;板块边界附近ＳＬＲ站的残差站速度基本上反映了该边界的构造形变特征．     

甘宁交界地区弧形断裂失稳理论的模拟研究

以１０２°～１０９°Ｅ,３５．５°～４２°Ｎ为界,通过对该区地质构造,地壳结构的归纳总结,采用临界失稳函数的概念及断裂失稳理论,通过有限元法定量地模拟研究了甘、宁交界地区弧形断裂的稳定状态,认为１．在平面上,临界失稳函数的分布具有不均匀性与断裂活动具有一定的相关性。２．中强地震往往发生在临界失稳函数变化较大的地段。３．临界失稳函数在横向上、纵向上分布不均匀区域容易形成应力集中,从而产生地震     

GPS测量研究板块边界的地壳运动和变形

近些年来，ＧＰＳ（全球定位系统）测量取得的进展是其测量精度已可与ＶＬＢＩ及ＳＬＲ相媲美，由于这样的发展及ＧＰＳ具有使用方便经济的特点，作为强有力的工具而被用于研究全球大地测量学及地球动力学，ＧＰＳ测量监测全球板块运动，监视海平面上升，建立地球（参考）框架等等。     

岩石圈根拖曳作用在青藏高原西部和东部造山中的比较研究

根据地球物理探测资料,基于二维模型,利用黏弹性有限元方法,研究青藏高原西、东剖面的地壳均衡和岩石圈根拖曳的构造应力机制.数值模拟结果表明,青藏高原西部（B B′剖面）的造山水平挤压力主要来源于岩石圈根的向下拖曳,印度板块向北挤压为次要因素,形成“山隆盆降”的地表形态;而青藏高原东部（A A’剖面）岩石圈根向下拖曳还不足以形成硬上地壳中挤压造山的主要力源.对比结果认为,青藏高原的深部层圈结构和应力体系在西、东部存在明显的差异,反映了高原内部造山演化的西、东分异特征.     

NUMERICAL SIMULATION OF LONG-TERM DEFORMATION OF TIBETAN PLATEAU AND SURROUNDING AREA

The subduction of the Indian plate underneath Eurasian plate results not only in deformation and movement of the elastic upper crust, but also flow of the ductile lower crust in the high temperature and high pressure which drags the brittle upper crust to move at the same time. These two actions work together producing the present movement and deformation field in Tibetan plateau. The dynamics progress has been verified by GPS observation data. Therefore, in a two-dimension plain model, only the elastic deformation with the boundary action at the upper crust cannot explain the deformation well, the drag force acted on the base of upper crust by the drag of ductile flow of the lower crust also need to be considered. However, it's hard to figure out the magnitude and direction of the drag force. Thus, we established a two-dimension plain elastic finite element model, with the equivalent-body force approach to simulate the drag force. With the internal GPS observation data of Tibetan plateau as constraint condition, we calculated inversely the drag force of key nodes in the model with trial method, and the other nodes in the model with bilinear interpolation method. Finally, we got the drag forces(nodal forces, unit:N) caused by the difference flow of ductile lower crust dragging the brittle upper crust, which are distributed mainly in the region of 86°~100°E and 26°~32°N, the direction is east and south, and the maximum reaches to 1e8N; in some areas in the western part of the study region at 31°~36°N and 76°~80°E, the direction is west, and the maximum reaches to 1e7N. All these work provides a new thought for further research on long-term dynamic mechanism of surface deformation in Tibetan plateau and its surrounding area.     

大洋岩石层拖曳窄条陆壳俯冲的极限尺度分析--以新西兰南岛和大别山超高压变质带为例

超高压变质研究涉及的一个基本力学问题是为什么低密度的大陆地壳岩石能克服浮力俯冲到高密度地幔100多公里的深度.本文的三维有限单元法计算表明:俯冲海洋板块可以拖曳侧面相邻宽度不超过150km的一窄条大陆板块,俯冲到超高压变质深度,形成少见的大规模超高压变质带.十几公里乃至几十公里尺度的陆壳块体,可能被俯冲地幔裹挟至超高压变质深度,在造山带内形成零星出露的超高压变质岩.成熟的陆-陆碰撞带则不可能使陆壳俯冲到超高压变质深度.     

大洋岩石层拖曳窄条陆壳俯冲的极限尺度分析——以新西兰南岛和大别山超高压变质带为例

超高压变质研究涉及的一个基本力学问题是为什么低密度的大陆地壳岩石能克服浮力俯冲到高密度地幔100多公里的深度.本文的三维有限单元法计算表明:俯冲海洋板块可以拖曳侧面相邻宽度不超过150km的一窄条大陆板块,俯冲到超高压变质深度,形成少见的大规模超高压变质带.十几公里乃至几十公里尺度的陆壳块体,可能被俯冲地幔裹挟至超高压变质深度,在造山带内形成零星出露的超高压变质岩.成熟的陆-陆碰撞带则不可能使陆壳俯冲到超高压变质深度.     

俯冲板片形貌特征和活动大陆边缘演化体制的关系

当大洋板块向大陆板块下俯冲时,上覆板块的边缘可以以沟—弧—盆体制发育,也可以不发育弧后拉伸盆地．为什么同属上覆板块边缘但可以这二种完全不同的体制演化是现代地球科学研究的一个热点．本文在查阅大量最新文献的基础上认为造成这二种不同演化体制除了与俯冲作用的年代学特征有关外还可能主要与俯冲板片的形貌不同所导致局部地幔对流方式不一有关．由于俯冲的倾角,俯冲达到的最大深度以及俯冲板片在６７０ｋｍ上下地幔过渡带处保存的形态等因素不同,造成仰冲板块边缘之下软流圈对流方式不一．从而,造成弧体近陆一侧是否将发生岩石圈拉伸的动力学过程．