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2.75 m·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0.83 m·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0.47 m·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.     

挤压推覆造山与拉张伸展成盆的自组织转化成因机理探讨

挤压推覆造山与拉张伸展成盆的转化成因机理概括为：褶皱－逆冲带临界楔角制约与重力蠕滑作用；增温，岩石圈热膨胀隆升减薄作用；剥蚀，重力均衡调整作用以及由于地球表面积的基本守恒而造成的岩石圈板块空间上的挤压收缩与拉张伸展的相互转化作用。强调岩石圈板块是一个不断与外界进行能量交换的开放性体系，因此上述转化实质上具有无序、随机的混沌性，但另一方面它们又受天体（包括地球本身）运行规律的宏观制约，从而又具有有序     

中国东部海区岩石层结构的区域综合地球物理研究

结合新一轮编图工作的开展,中国东部海区重、磁平面图件在拼入新资料同时,也包含了邻区朝鲜半岛,台湾岛,日本海,菲律宾海等地区的资料.本文在此基础上综合分析研究区重、磁异常特征,利用重、磁资料反演莫霍面、居里面,进而求取了热岩石层底界面,对重、磁数据进行了突出断裂带信息的处理,确定了13条重要断裂带的展布,将研究区划分为8个块体和4个结合带,它们具有"东西成带、南北分块"的特征,是"2条锋线"作用的产物.研究表明,江—绍断裂带向东延伸进入海区,虽然受东海陆架西缘断裂带的切割,但仍继续往东延伸,可能延至朝鲜半岛南端与济州岛南缘断裂带相接;在朝鲜半岛西缘地球物理场存在NNW—NW的明显界线,可解释为断裂带,称之黄海东缘断裂带,中国大陆东部的五莲—青岛断裂带与黄海东缘断裂带和济州岛南缘断裂带共同构成中朝和扬子块体的边界.     

The geotherm of the lithosphere beneath Qilin, SE China: a re-appraisal and implications for P–T estimation of Fe-rich pyroxenites

The Qilin geotherm established by Xu et al. [Xu, X.S., O'Reilly, S.Y., Zhou, X.M. and Griffin, W.L., 1996. A xenolith-derived geotherm and the crust-mantle boundary at Qilin, southeastern China. Lithos, 38: 41–62.] using the Ellis and Green [Ellis D.J. and Green D.H., 1979. An experimental study of the effect of Ca upon garnet-clinopyroxene Fe-Mg exchange equilibria. Contrib. Mineral. Petrol., 71: 13–22]/Wood [Wood B.J., 1974. Solubility of alumina in orthopyroxene coexisting with garnet. Contrib. Mineral. Petrol. 46: 1-15] combination is in need of revision on the basis of re-evaluation of geothermobarometers, comparison of calculated pressures and temperatures with experimentally determined phase relationships and geological/geophysical data. The invalid assumption that all iron is present as Fe²⁺ in minerals, and the thermal destruction of equilibrium Fe–Mg exchange between clinopyroxene and garnet that may have resulted from heating of the Qilin xenoliths by the host magma resulted in unrealistically high temperatures estimated by the Ellis and Green's thermometer. An important implication arising from this study is that care must be taken when applying thermobarometers to Fe-rich pyroxenites for the purpose of geotherm construction and a comprehensive analysis is often required.     

东太平洋Juan de Fuca板块的磁变研究

作为EMSLAB电磁感应国际合作计划的一部分,通过对海底观测的三分量变化地磁场的分析,构制了横跨Juan de Fuca洋脊、Juan de Fuca板块到板块俯冲带的三条地磁转换函数剖面,计算了各个测点的地磁场感应矢量。结果表明,Juan de Fuca板块的东、西两部分的浅部电性结构是有差异的,近海岸线的东区更导电;而深部电性结构是相对均匀的。这一结果与由大地电磁资料计算得到的二维模型剖面是一致的。     

川东北-大巴山盆山体系岩石圈结构及浅深变形耦合

近年来,盆山体系研究已经成为大陆动力学的热点和前沿领域之一。为了进一步理解大巴山前陆的构造演化,解决该区油气勘探的关键问题,中国地质科学院与中国石化南方公司合作,2007年完成了一条300km长的深地震反射剖面。基于深地震反射剖面提供的岩石圈结构的几何图式和深地震测深剖面提供的速度数据,作者分析了川东北-大巴山盆山体系的岩石圈结构特征,探讨了变形样式与岩石圈结构的关系,提出了对大巴山造山带形成的新认识。川东北-大巴山盆山体系继承了扬子克拉通基底。较大的岩石圈厚度和强度,导致扬子克拉通在与华北克拉通拼合后的陆内造山过程中, 将其收缩变形集中在其顶部而不是中下地壳,区域性的拆离层使盖层和基底解耦,结晶地壳保持弹性只出现大尺度的挠曲几乎没有横向缩短,故大巴山造山带表现为"薄皮"、"无根"的特征。大巴山造山带的席卷深度和变形样式主要受区域性的深部滑脱面控制,该滑脱面发育于寒武系底部泥岩层内,由TWT 4 .0s反射所指示。沿该滑脱面,城口断裂将南秦岭震旦系和古生界地层逆冲到浅表并向南西推覆60km叠置于四川盆地中-古生界地层之上;且镇巴断裂和城口断裂均收敛于该滑脱层,其下伏的变质岩层基本未卷入变形。     

由地面、卫星重力资料研究岩石层密度

地球内部物质密度的分布决定了地球表面及外空的重力场,不过在特定的条件下,也可以根据地面或外空的重力场推求地球内部异常密度的分布。本文在单层位理论的基础上,利用上述资料确定了我国大陆下面地球深部的异常密度,试用分离重力场长、短波长的方法,求出了地球外层-岩石层内异常密度的侧向分布,对此,还初步作了地球物理的解释,其结果与地震测深的较为一致。     

The latest geodynamics in Asia: Synthesis of data on volcanic evolution,lithosphere motion,and mantle velocities in the Baikal-Mongolian region

From a synthesis of data on volcanic evolution,movement of the lithosphere,and mantle velocities in the Baikal-Mongolian region,we propose a comprehensive model for deep dynamics of Asia that assumes an important role of the Gobi,Baikal,and North Transbaikal transition-layer melting anomalies.This layer was distorted by lower-mantle fluxes at the beginning of the latest geodynamic stage(i.e.in the early late Cretaceous) due to avalanches of slab material that were stagnated beneath the closed fragments of the Solonker,Ural-Mongolian paleoceans and Mongol-Okhotsk Gulf of Paleo-Pacific.At the latest geodynamic stage,Asia was involved in east-southeast movement,and the Pacific plate moved in the opposite direction with subduction under Asia.The weakened upper mantle region of the Gobi melting anomaly provided a counterflow connected with rollback in the Japan Sea area.These dynamics resulted in the formation of the Honshu-Korea flexure of the Pacific slab.A similar weakened upper mantle region of the North Transbaikal melting anomaly was associated with the formation of the Hokkaido-Amur flexure of the Pacific slab,formed due to progressive pull-down of the slab material into the transition layer in the direction of the Pacific plate and Asia convergence.The early—middle Miocene structural reorganization of the mantle processes in Asia resulted in the development of upper mantle low-velocity domains associated with the development of rifts and orogens.We propose that extension at the Baikal Rift was caused by deviator flowing mantle material,initiated under the moving lithosphere in the Baikal melting anomaly.Contraction at the Hangay orogen was created by facilitation of the tectonic stress transfer from the Indo-Asian interaction zone due to the low-viscosity mantle in the Gobi melting anomaly.     

基于P波三重震相的华南地区上地幔速度结构研究

华南块体是研究太平洋板块俯冲和岩石圈减薄机制等问题的最佳场所之一.本文基于中国地震观测台网和大型流动台阵记录到的震中距10°~30°之间的两个中深源地震P波记录,利用三重震相波形拟合技术,获得了中扬子克拉通和华夏地块上地幔高精度P波速度结构.研究结果表明:(1)中扬子克拉通过渡带底部存在高速异常,系太平洋俯冲板块的滞留体.俯冲的板块并没有进入下地幔,660-km间断面下沉约11 km,与后尖晶石相变的克拉伯龙斜率为负有关.而华夏地块过渡带底部并无明显高速异常,接近全球平均模型;(2)整个华南块体,410-km间断面上方普遍存在低速层,主要与上地幔部分熔融有关,与IASP91相比P波速度减小了1.38%~2.29%;(3)在研究区域内,中扬子克拉通和华夏地块都存在岩石圈减薄(80 km),推测可能与太平洋板块俯冲和快速回撤导致的岩石圈拆沉有关.且华夏地块减薄程度较明显,下伏软流圈速度较低,说明其上地幔强度较弱、温度较高.另外,中扬子克拉通过渡带中存在一个较宽的速度梯度带,可能与520-km间断面有关,其具体成因有待进一步研究.     

华北板块北缘早白垩世的底侵作用：来自麻粒岩包体的证据

内蒙古四子王旗地处华北板块北缘中段,近年来在该区的早白垩世碱性玄武岩中发现了下地壳麻粒岩包体。本文研究的麻粒岩包体多数为中酸性的苏长麻粒岩,只有个别属于基性的二辉麻粒岩。麻粒岩包体的主量元素特征为SiO₂含量在49.9%到69.24%之间,MgO含量在0.92%~3.56%之间,Mg^#为43.0~62.9,Al₂O₃在13.91%~22.79%之间;稀土元素总量变化较大（∑REE在33.76×10^-6~184.13×10^-6之间）,分配模式也不尽相同,反映这些包体来自于不同源区或经历了不同的演化过程,但总体特征是LREE相对HREE富集,大多数样品的Eu呈现明显的正异常;由于包体的来源不同或经历了不同的演化阶段,它们的微量元素特征也有很大的差异。本区研究的麻粒岩包体的地球化学特征与华北地台的麻粒岩包体和麻粒岩地体都有很大的不同,反映了地壳组成横向上的不均一性。计算得出二辉麻粒岩的平衡温压条件分别为940~947℃和1.2±0.1GPa;苏长麻粒岩的平衡温度范围为927~715℃。通过对麻粒岩包体的岩相学、平衡温压条件估算、锆石形态特征分析和锆石的LA-ICP-MS年代学研究,得到本区早白垩世时的下地壳组成和之前的演化过程：本区下地壳在约40km深处可分为上下两部分,上部主要由苏长麻粒岩组成,厚度至少为9km,下部可能由二辉麻粒岩组成;下地壳上部的苏长麻粒岩是晚太古代（2509±35Ma）的岩浆岩经历了早白垩世（约122Ma）的玄武质岩浆底侵,发生了麻粒岩相变质和部分熔融形成的。推测本区岩石圈减薄事件的起始时间为122Ma。