洋底动力学——国际海底相关观测网络与探测系统的进展与展望

海洋在地球系统中的关键作用已获得了广泛共识。海洋占地球总面积的70.8%,而深海大洋占据海洋约92.4%,因此,洋底更是了解众多地球过程的主要窗口之一。从动力学角度,洋底动力系统可以划分为洋脊增生子系统、深海盆地子系统、俯冲消减子系统和地幔动力子系统。以海洋科学、海洋地质、海洋地球化学与海洋地球物理等高新探测和处理技术、观测网络建设为依托,国际上逐步开始实施一系列不同级别的海底观测网络建设计划,通过大量传感器,侧重探测海底各种大地构造背景各级尺度的结构、构造和过程,以及动力学过程的各个变量要素,监测不同圈层界面和圈层之间的物质和能量交换、传输、转变、循环等相互作用的过程,为了解地球系统变化提供技术保障。     

雪峰陆内构造系统燕山期构造变形特征和动力学

通过分析雪峰陆内构造系统燕山期褶皱-断裂的构造特征和时空演化,得出研究区雪峰山西侧构造样式具有明显的块断效应,各次级构造单元的边界断裂对构造样式具有强烈的控制作用。时序上,燕山期有两期褶皱变形,早期褶皱轴向总体为NE向,晚期褶皱轴向为S-N向或NNE向;动力学上,雪峰陆内构造系统在NW-SE向的缩短作用下,其中的雪峰山隆升带的前寒武纪基底垂向推挤隆升,且不同块体平面上表现为复杂的走滑逃逸:以怀化-新晃断裂为界,以南的块体向SW向挤出。结合古太平洋板块在燕山期的俯冲规律,古太平洋板块NW向和W向的两次俯冲可能控制了燕山期两幕褶皱和逆冲作用。     

俯冲带耦合作用对苏门答腊地区应变场影响的三维数值模拟

采用有限元方法模拟了俯冲带耦合作用对巽他弧及其邻区的影响.根据模拟结果,对比GPS、地震和地质学观测数据,定量分析了苏门答腊及其周边地区的应变强度和主应变方向的分布特征,据此探讨了该区构造特征、地震发生模式与耦合面积之间的关系.模型由具有黏弹性性质的岩石圈和软流圈上地幔组成,其中岩石圈包括了大陆岩石圈和大洋岩石圈以及俯冲至上地幔中的俯冲板片.研究结果如下:(1) 通过对不同俯冲带耦合面积模拟,发现苏门答腊前弧伴随耦合面积的增加应变强度逐渐增大,而增大的应变强度又影响了其周边地区的应变分布特征,因此整个苏门答腊前弧呈现出明显的分段性,这与该区地震破裂模式有较好的对应.(2)苏门答腊北部地区主应变方向与南部相比存在一定的差异,该差异是俯冲带的俯冲方向、俯冲速度、俯冲形态以及不同区域间耦合面积共同作用的结果.(3)虽然苏门答腊2004年地震主震区处于弱耦合状态,但从本文模拟的结果中可以看到,在俯冲作用下该区依然存在垂直向下的位移,这为地震激发海啸提供了有利的构造环境.     

晚更新世以来南海冬季古海流分布格局和演化机制

总结了前人对南海12个岩心的U37k'法所反演的古海表温度,结合晚更新世以来典型地质时期南海海洋环境记录,探讨了晚更新世(120 kaBP)以来南海冬季表层古海流分布格局及其演变机制。结果显示:南海冰期与间冰期冬季的表层古海流存在明显差异,冰期冷性海流势力强盛,表层海流呈逆时针环流;间冰期暖性海流势力较强,表层海流呈双向穿越流。黑潮势力的变化对南海的表层海流性质与格局起重要作用。     

伊豆-小笠原-马里亚纳俯冲带地震成因

计算了伊豆-小笠原、马里亚纳弧段的浅源地震与俯冲速率的相关系数,证实了俯冲速率是一个重要的控制因素。地震统计结果展示马里亚纳中深度(60~300 km)地震存在较明显分段性,且与海底地形起伏度相对应,推断这种现象一方面因为海山俯冲引起的板块破裂程度高,导致更多的流体供应所致; 另一方面可能与海山俯冲机制导致板片局部变形有关。通过全球P波波速模型,提取马里亚纳之下大约8.0 km/s的等值面,揭示了俯冲板片的深部形态,在马里亚纳弧的南北两侧之下,存在两个明显的缺失,代表了板片深部的撕裂,且北部撕裂程度要比南部高,可能与北部小笠原高原与南部卡罗琳洋中脊俯冲有关。重力数据与地震数据揭示了相对于马里亚纳俯冲带北部,南部可能为强耦合,菲律宾海板块之下410~660 km不连续界面滞留为太平洋板片,西南部与马里亚纳俯冲带南部俯冲太平洋板片相连。初步推断这种结构与具有较大浮力的卡罗琳洋中脊可能共同决定了马里亚纳俯冲带南部8°N、137.3°E存在的旋转极。     

华北克拉通破坏动力学机制:数值模拟的启示

华北克拉通是古老克拉通遭到破坏的一个典型例子。近几十年的地球物理、地球化学以及地质学等多学科研究都证实了华北克拉通东部自中生代以来遭受了强烈的改造和破坏, 表现出大规模的岩浆活动、构造变形以及岩石圈减薄。华北克拉通破坏的动力学过程一直以来都是地球科学领域关心的热点问题, 也存在很多争论, 而数值模拟手段也逐渐成为研究华北克拉通破坏动力学机制的重要手段之一。前人利用数值模拟手段从拆沉、热侵蚀、俯冲脱水、化学交代等不同角度开展了一系列研究工作, 为很多地球物理、地球化学以及地质学观测提供了一定的动力学模型支持, 为理解华北克拉通破坏的动力学成因机制奠定了坚实基础。但是需要指出的是, 克拉通破坏是一个非常复杂的过程, 目前的数值模型还存在很大的局限性, 要更加深入透彻地理解华北克拉通破坏的动力学成因机制, 在未来还需要从以下几个方面开展进一步深入细致的研究:(1)从二维粗略模型向三维精细模型的过渡; (2)考虑更为实际的岩石流变学特性、相变过程; (3)利用板块重建等技术为数值模型提供板块运动历史等运动学约束; (4)拆沉、热-化学侵蚀、俯冲脱水等作用相互耦合的动力学模拟。     

夏威夷-皇帝海山链成因机制—古地磁学约束

夏威夷-皇帝海山链位于北太平洋中部,是一条自西北至东南延伸的海底火山链,并在47 Ma存在一个方向弯折。厘定这一特征的成因机制和运动学过程,是西太平洋海区软流圈与岩石圈相互作用以及跨圈层物质能量交换的关键科学问题,对于解译东亚大陆动力学演化过程亦具有重要意义。目前对于夏威夷-皇帝海山链47 Ma弯折的机制有两种争论：太平洋板块运动方向改变和热点移动。古地磁学是研究大陆漂移和板块演化的最有效手段之一,其最大优势是可以定量化研究地质历史时期中岩石圈板块的运动学过程。本文首先通过回顾与总结前人对夏威夷-皇帝海山链成因及转向机制的研究,重点探讨古地磁学在该问题上所提供的约束证据,并对存在的关键科学问题进行了梳理和展望。     

南海北部陆坡神狐海域SH-CL38站位的粒度特征及沉积记录

南海北部陆坡神狐海域发育众多海底峡谷,其物质来源、地貌形态、水动力条件、沉积过程复杂,海底滑坡和浊流频发。虽然通过地球物理（多波束和反射地震等）能够识别出数米至百米的滑坡体,但对于浅层海底重力流、浊流和异重流等沉积体系的高分辨率识别还受到很多限制。本研究以南海北部陆坡海底峡谷群12号峡谷脊部下游的SH-CL38站位岩芯沉积物为研究对象,通过粒度测试和浮游有孔虫氧同位素组成分析,将该站位岩芯划分为3个层段：第Ⅰ层段（0～285 cm）、第Ⅱ层段（285～615 cm）以及第Ⅲ层段（615～800 cm）。其中第Ⅱ层段的粒度参数、有孔虫的氧同位素组成明显不同于其他层段,这表明该层段形成时的水动力条件、沉积环境发生了突变。而且第II层段的285～505 cm和505～615 cm具有明显不同的概率累积曲线特征,粒度数据也分布在C-M图上不同的区域。基于此,我们认为该站位的异常沉积层是受深水沉积作用和末次冰期海平面变化的影响,285～505 cm层段发育浊流沉积,而505～615 cm层段可能是浊流或重力流引发的沉积物失稳。     

黄骅坳陷南部滩海区中生界分布及目的层沉积相

利用综合录井和三维地震等资料,讨论了黄骅坳陷南部滩海区中生界划分,分析了中生界展布规律,并对中生界主要目的层进行了测井相、地震相特征分析,在此基础上进行了沉积相和亚相特征研究。研究区残留中生界的分布主要受印支期南北向挤压、燕山中期SE-NW向挤压和新生代右阶右行拉分的综合作用,中、下侏罗统在研究区的北区复背斜地势低洼处分布,残留体长轴方向近东西向展布,主沉降中心靠近东部,残留厚度从四周向中心增厚。南区缺失中、下侏罗统,三叠纪在南区分布在EW向原古生界隐伏背斜之上。研究区中生界主要目的层为下侏罗统,属于温暖湿润气候条件下的曲流河沉积体系,曲流河沉积可分为河道亚相和河漫滩亚相,河道亚相砂砾岩成分和结构成熟度高,具有良好的储集性,河漫滩沼泽亚相一般为细颗粒沉积,通常作为盖层。     

安徽巢北地区的中生代构造变形及其大地构造背景

安徽巢北地区位于晚中生代华北高原的东部、郯庐断裂东侧、苏鲁高压—超高压造山带南侧的扬子地块下扬子前陆褶断带北缘,其演化受这个大地构造背景制约,形成了“两向一背”叠加棋盘格式断裂的特征构造样式。这种明显的构造样式和一些隐式构造变形是多幕变形的结果。该区中生代经历了印支期三幕褶皱、三幕逆冲推覆变形。其中第一幕变形发育以下志留统高家边组为主要低角度逆掩拆离面（主拆离面或主滑脱面）和局部相关断展、断滑褶皱为主;第二幕变形才形成该区“两向一背”的褶皱格局和由北西向南东逆冲的叠瓦式逆冲断裂组合,第三幕变形主要为宽缓的北西西轴向的褶皱和近东西向逆冲断裂。至燕山中期又经历了一幕南北向褶皱叠加,燕山晚期的北西向正断层活动在该区表现为倾向北东的多米诺式正断层组合,区域上控制了上白垩统的沉积空间。区域对比表明,印支期变形与苏鲁—大别造山带的构造变形是一致的,说明其动力机制上的相关性,与高压—超高压岩石折返相关;燕山期变形动力与古太平洋板块向西的俯冲和中国东部逃逸构造相关。