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.     

地壳主要岩石流变参数及华北地壳流变性质研究

岩石流变参数和变形机制是根据断层摩擦和岩石幂次流动本构关系建立岩石圈强度剖面的基础。近 30年来 ,高温高压实验取得了很大进展 ,获得了大量地壳矿物和岩石流变资料。本文系统总结了这些流变实验资料 ,并应用流变数据结合地震震源深度分布 ,对华北地壳流变性质进行了研究。结果表明 ,以花岗岩和低级变质岩为代表的上地壳为脆性破裂 ,其强度受断层摩擦约束 ,以长英质片麻岩为主的中地壳和以中性麻粒岩为主的下地壳上层处于塑性流变状态 ,由干的基性麻粒岩组成的下地壳下层处于脆性向塑性流变的过渡状态。华北地壳的这种物质组成和流变为地壳不同层次的解耦和强震孕育提供了力学条件 ,也构成了不同尺度块体的底边界     

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.     

南海北部地震震源深度特征与岩石圈流变结构的关系研究

利用收集的地震深度数据,讨论了南海北部及周缘陆区不同地壳结构地震震源深度的分布特征,结果表明:(1)华南大陆、大陆架、大陆坡区壳内地震分布的下界深度在30km左右,平均深度华南大陆最浅、大陆架区次之,大陆坡区最深;(2)华南沿海大陆型地壳区地震集中分布于5～15km的"优势层"内;大陆架和大陆坡区地震的垂向分布也具有"优势层",但厚度明显增加;而在南海海盆区,地震深度分布范围较大,有相当数量的地震分布于地幔内;(3)地震震源深度的分布特征与岩石圈热-流变结构密切相关,地震主要分布于地壳(岩石圈)的脆性层内.由于南海北部由陆向海脆性层底界深度加深,导致了地震"优势层"厚度加厚.(4)地壳上层的流变结构可能对南海北部及周缘陆区地震的发生有重要影响.     

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.     

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.     

岩石圈流变学研究进展

岩石圈流变学的目标是研究岩石圈物质的变形、流动及其机制。７０年代以来高温高压岩石力学实验和地热研究的丰硕成果,推动了该分支学科的进展。Ｒａｎａｌｉ等（１９８７）建立了７种岩石圈流变学剖面,并论述了岩石圈的流变学分层特性。此后,一些学者对不同地区的岩石圈做了研究,获得了类似的结果,建立了岩石圈流变学分层理论。运用这一理论,能解释地球科学许多分支学科所研究的不同尺度的构造现象。因为岩石圈的结构分层和流变性质,控制了大陆构造的形成演化,尤其是大陆构造变形。最新研究表明,一系列深成构造作用,如下地壳韧性剪切、造山带演化晚期或造山期后重力塌陷和莫霍面松驰等,与下地壳软化和塑性流动密切相关,而中上地壳（或汇聚带上地幔最上部）脆性域控制了地震震源的分布     

岩石的脆性-延性转变及塑性流动网络

实验变形研究表明.随着矿物组成.粒度、温度、围压、应变率、液体介质等因素的变化岩石由脆性,半脆性,向半延性.延性转变,其中包括力学行为.微观机制和宏观结构的变化,而决定岩石脆性-延性转变的基本因素在于所含的粘塑性成分及其粘滞性.半延性流动具有共轭网络状的结构特征;延性流动则包括网络状流动和均匀流动两种宏观结构;半延性-延性流动网络以其近似正交性和非牛顿流动特性分别与半脆性破裂网络和均匀延性流动相区别.基于上述研究,可将地壳、上地幔划分为脆性-半脆性的中上地壳,半延性-延性网络状流动的岩石圈下层(含下地壳和岩石圈地幔)和均匀延性流动的软流圈.地壳多震层内的大型地震带及网络是岩石圈下层塑性流动网络的一种响应.     

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。     

岩石圈塑性流动网络与多层构造变形的物理模拟

采用塑化松香作为岩石圈延性下层的相似材料，进行了板内塑性流动网络及多层构造变形的物理模拟实验。延性单层模型的实验表明，在边界挤压或“高原”重力势的作用下，依赖于延性层粘度的高低不同，主要形成剪切网络、压性褶皱以及二者过渡型式等一级构造。在延性／脆性双层模型中（脆性上层和延性下层分别相当于岩石圈上、下层），边界驱动力的远程传递，主要借助于延性下层的网络状流动，岩石圈下层（含下地壳和岩石圈地幔）的剪切网络，即塑性流动网络，控制着板内构造变形，导致脆性上层内剪切破裂网络、逆推断裂、纵向张裂以及其它次级断裂和褶皱的发育。实验还表明，上、下层之间非连续分布的软弱夹层（模拟壳内低速、高导层）并不妨碍下层塑性流动网络的扩展，但影响牵引力的向上传递及上层构造变形的强弱分布     

大陆岩石圈流变结构研究进展及存在问题

自20世纪60年代以来,大陆岩石圈流变学取得了较大的进展,理论和应用研究不断深入.理论上,人们不仅认识到在构造运动中岩石圈介质是流变体而非简单的刚体性和弹性体;并利用矿物和岩石的实验结果提出了岩石圈流变分层的概念,建立了一维流变模型;进而用流变的观点解释了一些具体构造现象,而且开始了三维流变结构的研究,提出了岩石圈流变结构的横向分块纵向分层的观点.应用上,人们已从把流变强度曲线简单地运用于运动学或动力学模型的阶段,进入了在三维空间中定量研究地球动力学问题的阶段.随着岩石圈流变学研究的深入及大陆岩石圈的复杂性,新的问题也不断涌现.     

华北克拉通岩石圈三维密度结构

显生宙以来华北克拉通岩石圈遭到破坏,这一现象的科学问题已受到世界地学家广泛关注.本文首先将地震层析成像反演得到的P波速度扰动转化为密度扰动,以此作为初始密度模型,然后利用布格重力异常反演得到了华北克拉通岩石圈高分辨三维密度结构.为了避开大型稀疏矩阵求逆计算,提高计算效率,我们将代数重构技术用于密度反演解算.反演结果表明:华北克拉通岩石圈密度在横向和纵向上均存在明显的不均匀性,密度分布形态与地表构造格局有很好的相关性;研究区地壳整体表现为低密度异常,地壳以下岩石圈部分则以高密度异常为主;鄂尔多斯块体地壳范围内以低密度异常为主,80~120 km深度上为呈南北两端集中分布的高密度异常,并分别与秦岭造山带和阴山造山带的高密度异常分布相连,这暗示了鄂尔多斯块体可能受到了来自其南北两端造山带深部动力学过程的影响;80~120 km深度上,华北克拉通东部地区呈现出显著的南北向非均匀的高密度异常,这表明遭到破坏后该地区上地幔物质分布具有强烈的南北向非均匀性.     

张家口-塘沽测线岩石圈有效弹性厚度研究

岩石圈有效弹性厚度表征了岩石圈抵抗变形的能力,代表了岩石圈的综合强度,通过岩石圈有效弹性厚度的研究能揭示岩石圈丰富的热力学信息.本文收集分布在首都圈地区张家口-塘沽测线附近的16个大地热流数据,且结合该测线下的地壳结构,计算得到测线下方岩石圈的现今温度场剖面,并根据温度场计算得到其流变结构和有效弹性厚度.通过将有效弹性厚度与前人有关该测线下方震源深度的研究成果做对比,结果表明在有热流约束的地方有效弹性厚度大致对应约400~600℃的等温面,所有地震都发生在有效弹性厚度之上.     

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.     

华北地台岩石放射性元素与现代大陆岩石圈热结构和温度分布

在华北地台1.4×106km2的范围内系统采集了12193个岩石样,组合成1207件分析样,对放射性产热元素K,Th,U进行了测试,同时由国家一级岩石地球化学标准物质监控分析质量．根据岩石中K,Th,U的含量和地壳各结构层的岩石组成,计算了地壳各壳层放射性产热元素的含量,系统研究了华北地台岩石与各时代地层的平均热产生率及其变化,并建立了华北地台现代大陆岩石圈的热结构和温度分布．应用一维稳志热传导模型,求得了华北地台岩石圈的深度-平均地温分布曲线．地表热流密度分布和岩石圈深度-地温分布曲线研究表明,现今华北地台壳内熔融作用不明显。与世界上其他大的稳定克拉通区相比,华北地台地壳活动性较大,具有准地台的特点．     

青藏高原S波和泊松比的层析成像

本研究使用中国数字地震台网（CDSN）（2009—2016）走时数据开展青藏高原地壳地震波速度三维层析成像研究,获得分辨率达到1°×1°×20 km的青藏高原地壳S波三维速度结构和泊松比分布.结果表明,分布在可可西里和羌塘北部的高钾质和钾质火山岩带,其上地壳到下地壳都存在S波波速扰动负异常和高泊松比.说明第三纪青藏高原隆升过程中,由于大陆碰撞使三叠纪的东昆仑缝合带重新破裂,造成大量壳幔混合熔融物质上涌和火山喷发,进而揭示了青藏高原北部新生代火山岩的存在与青藏高原的形成和隆升密切相关;青藏高原新生代裂谷位于中下地壳S波速度扰动负异常带的两侧,裂谷带之下的中下地壳泊松比减小到0.22以下.裂谷带之下中下地壳的S波速异常分布和泊松比值可以推断青藏高原新生代裂谷深达中地壳底部,这个推论与密度扰动三维成像的相关结论一致.青藏高原S波速度和泊松比在下地壳至壳幔边界随深度产生急剧变化,说明地壳内部发生了大规模的层间拆离和水平剪切;青藏高原东构造结之下泊松比高达0.29~0.33,S波速度扰动为负异常,推断东构造结下方地壳主要由坚硬的蛇纹石化橄榄岩组成;青藏高原中下地壳S波速负异常区范围大面积扩大,地壳底部几乎被S波速低值区全部覆盖.下地壳S波异常分布特点可能反映下地壳管道流的影响.     

地幔柱与岩石圈相互作用过程的数值模拟

地幔柱的研究是地球科学研究的热点之一.本文主要集中研究地幔柱与岩石圈的相互作用过程.基于质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程,通过有限元数值方法可以计算得到地幔柱与岩石圈相互作用的温度场、速度场和有效黏度等的时空图.本文的流变本构模型主要基于非牛顿流体的有效黏度模型,通过数值模拟计算分析了地幔柱与岩石圈相互作用过程,着重讨论了地壳流变结构对此过程的影响.数值模拟结果显示,地幔柱与岩石圈的相互作用分为三个阶段:地幔柱上升期,时间持续到0.2 Ma,平均速度为2.75m·a-1,地幔柱顶部地形开始向上隆起;地幔柱与岩石圈纵向作用期,时间从0.2 Ma到0.26 Ma,地幔柱上升的平均速度为0.83m·a-1,地表地形隆升达到最大值;地幔柱与岩石圈横向作用期,0.26 Ma以后,岩石圈开始剪切变形,地幔柱水平运动速度为0.47m·a-1,当剪切变形达到一定程度,岩石圈底部开始出现拆沉作用.当下地壳流变强度比较小时,上地壳的流变结构控制着地幔柱顶部地表地形隆起程度,流变强度越大,隆升高度越小;而下地壳的流变结构控制着地幔柱两侧地表地形的下沉幅度,下地壳流变强度越小,下沉幅度越大.最后,讨论了数值模拟对峨眉山大火成岩省地幔柱发展演化的应用.     

大陆岩石圈流变研究进展与高温高压流变实验现状

大陆岩石圈类似于“三明治”的多层流变结构已经被广泛接受,并用于大陆动力学研究的各方面．然而近年来地震资料和高温高压流变实验结果表明,大陆岩石圈流变可能不是单一模式,流变结构具有多样性,而下地壳流变特性是其中最复杂的层次,这不仅受下地壳成分和结构本身的非均匀控制,而且与其含水程度相关．高温高压流变实验已经积累了大量的数据,但基性岩流变实验目前仍然处于数据积累阶段,缺乏系统性,特别是缺少含水基性岩的流变实验结果,因此,加强干的和含水的基性岩流变实验研究是深入认识下地壳岩石流变必不可少的手段和方法之一．     

岩石圈的流变学分层结构

岩石圈的流变学是根据岩石在脆性域与孔隙压力有关的摩擦破裂和在延性域的幂律稳态蠕变来估计的。根据几种大陆和大洋岩石圈的岩石学模型,考虑地温分布和地壳厚度的变化,我们作出了几种满足不同地球动力学条件的岩石圈流变学模型。岩石圈的流变学性质与深度的关系在不同的构造区是不同的。一般情况下,大陆岩石圈有一层(在地壳的底部)或两层(在地壳的底部和中部)软的延性层夹在脆性层之间。地球物理参数(地震活动性、地震波速度和电导率)的深度变化与流变学模型相当吻合。我们用岩石圈流变学剖面来分析加拿大东南部的科迪勒拉山的变形大陆边缘和大洋地体的构造形式。这一地区的大型构造特征与推测的流变学构造颇为一致。由于宕石圈流变学结构是明显分层的,该地区产生近水平的脱底作用就不奇怪了。     

连云港——银川岩石圈壳—幔组合结构剖面构造应力场的有限元数值模拟

从岩石圈壳－幔组合结构出发，选择了大华北岩石圈块体内一条ＮＷＷ向连云港－银川的岩石圈壳－幔组合结构剖面，试图先从一个简单的力学模型开始，用二维有限元法得到岩石圈（地壳和上地幔顶盖层）中的构造应力场的分布特征，从而解释板内地震与岩石圈壳－幔结构比值（Ｒ）相关的力学原因。