俯冲构造vs.地幔柱构造——板块运动驱动力探讨

板块构造是指地球外壳岩石圈块体在地球表面的(水平)运动及其相互作用.自50年前板块构造理论建立以来,对板块运动的动力来源这一问题一直存在争议.早期的观点认为是"自下而上"机制,即板块运动受控于板块之下的地幔对流系统,特别是起源于核幔边界的地幔柱作用于板块底部,促使大陆裂解,并驱动板块运动.而现今较为普遍接受的观点则是"自上而下"机制,即认为板块运动的驱动力主要来源于板块自身的负浮力(即重力大于浮力),板块构造和地幔对流均受控于板块的俯冲作用,因此板块构造又被称为俯冲构造.这一观点得到了众多地质和地球物理观测的支持.进一步研究表明,个别板块增速、减速与单一地幔柱活动在百万年时间尺度具有耦合关系;多个板块内稳定克拉通地区地表隆升、沉积速率与地幔柱相关的岩浆活动在亿年时间尺度存在时空相关性;而全球范围的超大陆聚合、裂解与超级地幔柱活动在二十亿年以来的地质历史时期表现为周期性耦合关系.这些不同时空尺度的耦合现象均表明,板块构造与地幔柱构造在地球演化过程中是紧密联系、相互作用的,地幔柱构造对板块运动产生了不可忽视的影响.因此,需要将板块构造和地幔柱构造这两大地球构造体系加以联合,开展综合分析与研究,才能获得对板块构造和整个地球动力系统运行机制的全面认识.     

菲律宾海板块运动欧拉参数的确定及其推论

利用 ＮＵＶＥＬ－１全球板块模型的 １１２２个数据、菲律宾海板块（ＰＨ）的地震滑动 矢量以及由ＧＰＳ测得的的运动速率，根据全球板块模型反演了包括菲律宾海板块在内 的１２个板块相对于太平洋板块（ＰＡ）的欧拉矢量．推得了菲律宾海板块相对周围其他板 块的运动矢量．这一结果与观测值相当符合，并能满足开罗林板块（ＣＲ）附近的ＣＲ－ＰＨ， ＰＡ－ＣＲ边界上的地质及其他地球物理约束．最后利用板块运动参数讨论了菲律宾海板 块的形变．     

智利三联点相关的板块相对运动及其地球动力学意义

智利三联点作为典型的RTT型三联点,伴随智利洋脊俯冲到南美大陆板块下方,通过建立纳兹卡南极南美—太平洋四板块系统,并基于GPS、地震滑移矢量、洋中脊扩展速率及转换断层方位角等观测资料,给出了前三个板块相对于太平洋板块的欧拉矢量,据此进一步得到了各板块两两之间的相对欧拉运动矢量.结果 显示,整个智利海沟处,三联点以北表现为纳兹卡板块相对南美板块的约83.0 mm·a-1的近东向俯冲,快速下降到三联点以南的南极板块相对南美板块的约22.0 mm·a-1的东偏南俯冲,由于洋脊俯冲效应,智利三联点自5.3Ma以来,整体由南向北作迁移运动,同时因为智利洋脊被转换断层切割成多个小段,导致智利三联点的性质在RTT型与FTT型间不断转变,当智利三联点为FTT型时,其运动方向改变为反向自北向南迁移,使得部分地区会经历多段洋脊的重复俯冲,从而导致洋壳玄武岩多次经历800～900℃的温度条件和低压(10～20 km深度)下的部分熔融,使熔体与残留物从第一次相平衡后形成的中性岩石,在经历又一次的部分熔融后形成酸性岩,这也是我们在三联点交替向北向南迁移的位置,多处发现弧前酸性岩存在的重要原因.     

利用海洋重力场变化分析洋底板块运动

洋底板块运动是地球动力学和全球变化研究的重要内容.本文根据质量迁移与地球外部重力场变化的对应关系,利用不同时期测高资料推算的1995—2019全球海洋重力场变化结果,反演分析全球洋底板块运动特征.研究表明,板块汇聚边界、板块内无震海岭、海山群、断裂带等区域重力异常变化显著,而在板块离散边界无明显变化趋势;西南印度洋中脊、大西洋中脊、中印度洋中脊等地区重力异常垂直梯度变化显著,且在西太平洋俯冲带、部分海岭区域也存在明显变化,其空间分布与地形基本吻合.海洋重力场变化整体上准确反映了全球洋底板块构造运动.相较于重力异常变化反演结果,重力垂直梯度的变化能够更为准确地反映洋底板块运动特征,特别是在洋中脊区域,扩张速率越小,垂直重力梯度变化越显著.此外,详细讨论了测高海洋重力场不确定因素对洋底板块运动分析结果的影响,海面坡度改正是主要因素之一.     

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．     

ITRF2000的无整体旋转约束及最新全球板块运动模型NNR-ITRF2000VEL

由IERS最新公布的ITRF2000地球协议参考架中, 用54个台站维持参考架的定向. 它有两个不足, (ⅰ) 54个台站只分布在全球14个大板块中的9个, 其中有3个板块只有1个台站, 因此这些台站不能很好地维持全球地壳无整体旋转的条件; (ⅱ) 虽然ITRF2000公报中称ITRF2000相对于NNR-NUVEL1A 地质模型为无整体旋转约束, 但计算结果表明ITRF2000不满足地球协议参考架相对于地壳无整体旋转的条件. 结合实测速度场与地质板块模型, 导出产生ITRF地球协议参考架的无整体旋转的条件, 给出选择维持地球协议参考架无整体旋转条件的核心站条件. 同时在建立ITRF地球协议参考架过程中获得新的地球板块运动模型, 可作为ITRF的产品.     

弹性板块运动模型研究进展

传统板块构造理论认为板块是一个刚体,实际上板块是可变形的.板块内部几年到几十年时间尺度的变形主要是弹性变形,因此应当用弹性模型描述板块运动.推导了板块的弹性运动方程,由空间大地测量新的观测成果建立了菲律宾海、太平洋和澳大利亚板块的弹性运动模型.发现三个板块内部都存在明显的水平形变.板内应变场的空间变化有明显的规律：板块边界附近的应变率最大,从边界向内部逐渐减小;在板块扩散边界附近,主张应变率大于主压应变率,主张应变轴基本上与边界的扩张方向一致;在俯冲边界附近,主压应变率大于主张应变率,主压应变轴基本上与板块的俯冲方向一致;在走滑兼有俯冲性质的边界附近,最大剪应变的方向与边界断裂的走向基本一致.由GPS观测得到的主压应变轴与由震源机制解得到的主压应力轴方向具有很好的一致性.板内的应力－应变场基本上遵循广义胡克定律.     

基于ITRF2005的全球板块运动模型

利用最新的国际地球自转服务(IERS)发表的国际地球参考框架ITRF2005的速度场,建立了一个完全基于现代空间大地测量实测结果的现今全球板块运动模型ITRF2005VEL,并与地质模型NNR-NUVELlA及以往利用ITRF序列所建立的模型进行了比较.结果表明,从整体上看ITRF2005VEL与NNR-NUVELlA模型有较好的一致性,且较以往的ITRF序列的模型精度更高,但同时也存在着一定的差异性,这与观测台站、板块本身等相关因素都有关.本文还由ITRF2005VEL模型计算了构造板块的总角动量,结果不为零,说明ITRF2005框架有可能不满足无整体旋转的要求.     

菲律宾海板块与欧亚板块的相互作用及其对东亚构造运动的影响

根据菲律宾海的演化,指出菲律宾海板块的特点:以俯冲边界为主,易于产生形变.将理论结果与地球物理、地质以及GPS测量结果进行比较,发现菲律宾海板块内部及边界有明显形变.讨论了菲律宾海板块与欧亚板块的相互作用,指出其相互作用有明显的分段性.在南海海槽一带有较强的挤压,在琉球海沟一带由于两板块耦合较弱及冲绳海槽的开裂,没有形成对东亚大陆的挤压;台湾附近两板块碰撞,对中国东南形成较强的挤压;在菲律宾群岛一带形成两板块间的复杂变形带,使两板块间的作用减弱.     

基于地震参数的缅甸弧俯冲带处板块间几何接触方式的研究

从全球板块系统来看,中国大陆周边板块活动是其地壳运动的主要外部力源,明确周边板块与中国大陆间较精细的三维几何接触方式对中国大陆动力学研究具有实际意义.本文首先基于研究区域地震活动参数,引用Hayes等在2009和2010年提出的Slab1.0模型,对其进行改造以适用于研究缅甸弧俯冲带处欧亚大陆与印度板块接触的几何产状.其次,沿缅甸弧俯冲边界带截取了166个剖面,依次考察各剖面的震源深度分布情况,对其进行线性平面与非线性曲面拟合,定量地给出了缅甸弧俯冲带东向俯冲的三维几何产状及俯冲范围.最后,针对缅甸弧俯冲带上6个典型剖面的震源深度分布情况,并联合震源机制解和地质构造背景讨论并初步给出了该俯冲带可能的动力作用模式.本文企望为研究中国大陆与周边板块边界几何接触方式提供一个初步方案,并为板块间的动力作用及相关地球动力学研究提供基础研究资料.     

南极板块运动新模型的确定与分析

自1995年起,国际南极研究科学委员会（SCAR,the Scientific Committee on Antarctic Research）组织实施全南极国际GPS（Global Positioning System）联测.本文运用GAMIT/GLOBK软件分析了从1997到2004年的SCAR GPS数据和在南极的一些GPS永久跟踪站数据.数据处理分为两步,第一步：运用GAMIT软件进行单天解算,估计站位置、轨道等参数,其数据源主要有以下三类：(1) SCAR GPS观测站;（2）南极的连续跟踪站;（3）南极及其周边的部分IGS站;第二步：运用GLOBK软件加入SOPAC（Scripps Orbit and Permanent Array Center）的全球GPS子网（IGS1、IGS2、IGS3）进行全球网平差解算测站位置和速度.然后,参照地质构造讨论网的形变,分析了南极板块的现今地壳运动.GPS结果显示南极板块的欧拉角速度是0.224(°)/Ma,旋转极的位置为（58.69°N,128.29°W）,这与NNR-NUVEL-1A预测的和一些前期GPS研究的成果有着较大的不同.相对于澳大利亚板块,本文结果同其他模型的旋转角速度相差约0.01(°)/Ma,旋转极的位置相差在4°以内,不同模型之间的差异相对较小.这为描述南极板块运动提供了一个更为精确的新的运动模型.     

板块运动与地震各向异性及应力场的相关性统计分析

利用收集到的各种来源共计7 959组的地震各向异性观测数据和21 750组应力场数据,结合板块绝对运动模型计算给出的各板块的运动规律,分别统计分析了板块运动与地震各向异性及应力场的相关性,并对板块运动对地震各向异性及应力场特征产生的影响进行了分析． 统计结果表明,阿拉伯、 加勒比、 胡安德富卡、 北美、 纳兹卡、 太平洋和南美板块上地震各向异性与板块运动均具有较好的相关性,而非洲、 南极洲、 澳大利亚、 欧亚、 印度和菲律宾板块上二者的相关性则相对较差. 讨论分析发现,板块运动拖动软流圈流动、 橄榄岩晶格优选方位、 化石各向异性和地幔流动或岩石圈流动等因素均在一定程度上控制并影响着地震各向异性与板块运动的一致性． 而板块基底拖曳力、 洋脊推力、 浮力作用和碰撞及俯冲作用等多种因素共同制约了板块运动与应力场的相关性,使得非洲、 可可斯、 欧亚、 胡安德富卡、 北美、 纳兹卡、 菲律宾和南美板块上二者的相关性较好,其它板块上其相关性则较差． 对于俯冲带地区,由于俯冲机制的复杂性和软流圈、 岩石圈地幔流动方向的不确定性,其板块运动与地震各向异性及应力场的相关性图像表现复杂,需要结合具体的俯冲带构造进行近一步研究．      

科学家发现预测地震应力的新数值模型

据2012年2月17日发表在《科学》杂志上的一篇研究论文报道,纽约州立大学石溪分校的研究人员设计出了一种数值模型,有助于解释地震与引发地震的强应力之间的联系.这一研究成果将对地震长期预报产生深远的影响. 纽约州立大学石溪分校地球科学系教授Holt博士和Ghosh博士,使用他们的模型来解释作用于地球构造板块的应力.根据他们所撰写的"全球动力学模型用于板块运动及其驱动力模拟"的研究论文,这些引发地震的应力不仅存在于地震频发的板块边界,而且也发生在板块内部,尽管目前对于板块内部的应力了解甚少.     

全球地表热流的产生与分布

全球地表热流是反映地球内部热与动力学过程的一种主要能流.本文在三维球坐标框架下，就几个不同的粘度模型分别研究地幔内部密度异常(基于全球地震层析结果)以及板块运动激发的地幔流动的热效应及其对于观测地表热流产生和分布特征的贡献.由于地幔动力系统具有较高的Pe数，可以期望由板块运动激发的地幔流动将强烈地扰动地幔内部初始传导状态下的温度场以及地表热的热流分布.结果表明，与地幔内部密度异常产生的热效应相比，运动的板块及其激发的地幔流动在全球地表观测热流的产生和分布特征上起着更为重要的作用.观测到的大洋中脊处的高热流在很大程度上可以归因于板块激发的地幔流动的热效应.计算的平均温度剖面较好地揭示了岩石圈和D″层的温度特征，即温度随深度的剧烈变化，这与我们目前通过其他手段对岩石圈和D″层的温度结构了解是一致的.一个下地幔粘度比上地幔高出30倍的粘度结构(文中使用的粘度模型2)较之其余模型的拟合程度似乎更好.     

用GPS和VLBI数据检测固体地球的体积和形状变化

本文利用2003年GPS和VLBI组合的站坐标、站速度及它们的误差估计,采用Delaunay算法生成的三角形来逼近地形表面,研究了地球的表面积、体积及它们的变化趋势,并利用板块运动模型插值方法得到的全球分布均匀的台站对检测方法进行了检核.结果表明,实测的和插值后的数据给出的结论是一致的,即若以赤道为界,北半球在压缩,南半球在膨胀;若以0°～180°经线为界,东半球处于挤压变形中,西半球处于扩张变形中;若以90°～270°经线为界,包含太平洋的半球处于压缩状态,而包含大西洋的半球则处于扩张变形中.这种变形证明地球仍处于非对称变形中.根据GPS和VLBI组合的数据解算的体积变化率达到 -15937×1012?m3·a-1,相当于地球半径每年大约缩短3～4 mm,表明地球整体上处于压缩变形中.     

基于统计检验法研究Amurian板块相对独立性

Amurian 板块是Zonenshain等提出的提出的东北亚地区内部一个构造亚板块.Amurian板块自提出以来就一直受到地学界的广泛重视.它到底是欧亚大陆的一部分,还是独立于欧亚大陆之外的一个独立次级构造块体?这个问题一直是是东亚,乃至欧亚大陆构造动力学研究的核心问题之一.许多学者从地质和地球物理学两个角度研究了Amurian板块存在的可能性.但是复杂的构造特征和稀少且弥散的地震分布使得Amurian问题充满了争议.全球卫星定位系统(GPS)技术的不断进步使得在短时间获得高精度、大范围、准实时的地壳运动观测数据,并确定地壳运动速度场成为可能.本文利用东北亚地区最新GPS资料,从大地测量学角度对东北亚地区的地壳运动特征进行分析,基于统计检验方法重点研究Amurian板块相对欧亚大陆的独立性及其边界等问题.     

2010年震情述评

1 全球地震活动概况 据中国地震台网测定,2010年全球共发生7级以上地震28次(表1),最大地震为2月27日智利8.8级地震(图1).与2009年相比,全球地震频次和能量释放明显增加.2010年全球7级以上地震活动有以下特点： 2010年全球共发生7级以上地震28次,明显高于1900年以来的平均水平(18次/年),与2009年(20次)相比,地震频次明显增加.2010年南美板块西边界和印度-澳大利亚板块活跃,全球28次7级以上地震中有16次分布在印度-澳大利亚板块的北边界和东边界上,5次在南美板块西边界,4次在菲律宾板块边界,2次在北美板块边界,1次在中国青藏块体边缘地区,显示出空间分布相对集中的特点(图1).     

关于全球板块运动模型ITRF2000VEL若干问题探讨

利用最新的国际地球自转服务（IERS）发布的国际地球参考架ITRF2000速度场，建立了一个独立于任何其它模型、安全基于现代空间大地测量实测结果的现今全球板块运动模型ITRF2000VEL，较百万年平均地质模型NNR－NUVELIA更能真正反映全球板块现今运动特征，相比ITRF96,晚接近于百万年地质模型NNR－NUVELIA，而且ITRF2000参考架在定向、原点和尺度的定义较ITRF96和ITRF97参考架有了改进，但ITRF200VEL模型存在诸多问题：总角动量|L|=0.127，即不为零，与协议参考架（CTRF）不符，存在整体旋转，并建立无旋转NNR－ITRF2000VEL模型，台站不均匀分布全球板块、部分板块界线不明确以及有的板块不满足刚性特征等，这些对ITRF2000的高精度应用和长期维持、地球自转参数的长期变化都将产生一定的影响。     

俯冲带几何特征的研究

在板块的汇聚边界上 ,若一板块向另一板块俯冲下插 ,所形成的俯冲边界 (海沟 ,造山带 )的形态与俯冲板块、被俯冲板块的性质有很大关系。文中主要通过平板俯冲模型来计算模拟全球范围内一些大的俯冲边界 ,并对俯冲角等问题作了一些讨论。近来的研究表明 ,岩石圈板块存在普遍的西向漂移。由文中计算得到的太平洋东岸的板块初始俯冲角小于目前观测到的贝尼奥夫带倾角 ;而太平洋西岸的情况则恰好相反 ,初始俯冲角大于目前观测到的贝尼奥夫带倾角。这直接反映了岩石圈板块的西向漂移 ;对地幔而言 ,则是地幔相对于地壳的东向流动     

孔隙水压是控制地震破裂的主要因素

正全球最大地震往往发生在大洋板块向大陆板块俯冲的地方,而被困于两个板块边界之间的水对地震破裂过程有着非常明显的影响。通过对2010年2月27日智利大地震的分析,德国地学中心(GFZ)和英国利物浦大学的研究人员发现,形成板块边界的岩石的孔隙水压是影响地震破裂过程的主要因素。该研究成果发表在2014年3月28日的Nature上。