岩石圈—软流圈物质循环促进大陆增生的新方式

大陆动力学研究地球内能量和物质的运动和伴随的信息传播,上地幔中的软流圈是地球内部的物质运动的关键部位之一。由于观测的技术方法少,人类对软流圈内部的地质作用过程所知甚少。在青藏高原,过去地震波三维层析成像的分辨率不高,难以对地壳上地幔构造进行准确的定位。我们收集和整理了地方地震台的数字化观测数据,使地震体波三维层析成像的准确度大大提高,为解决软流圈的地质构造准确成像提供了新的可能性。根据地震体波三维层析的成像结果,在古特提斯洋和特提斯洋俯冲板块前沿的软流圈底部410 km间断面上方,存在反映古大洋俯冲板块的高速体,它们在青藏高原、苏鲁和伊朗都有出现。清晰和稳定的高波速异常的位置表明,特提斯洋俯冲板块现在已经拆沉在软流圈的底部,古特提斯洋俯冲板块也可能曾经拆沉在软流圈的底部。对比青藏高原和苏鲁的地壳上地幔波速结构推测,拆沉造成软流圈中的轻元素物质上涌,进入大陆岩石圈,造成岩浆活动。上涌还使碰撞造山带地壳厚度减小,而岩石圈厚度增加。大约100 Ma后,俯冲下去的大洋残块会被软流圈物质磨蚀交代,使岩石圈厚度增加, 形成大陆下方的大陆根,造成大陆克拉通化和体积增生。大洋板块俯冲后在软流圈拆沉是岩石圈—软流圈物质循环的一种重要方式,对软流圈中物质均衡和体积稳定也起重要作用。     

扬子板块西缘稀散金属超常富集的地球化学背景

稀散矿产资源作为"三稀"矿产(稀散、稀有、稀土)的重要组成部分,对国民经济、国家安全和科技发展具有"四两拨千斤"的重要战略意义,是新一代信息技术、新能源生物、高端装备制造、新材料、新能源汽车等重点培育发展战略性新兴产业的功能材料和结构材料,也是现代工业、国防和尖端科技领域不可缺少的支撑材料。相对其它大宗金属,稀散金属往往分散难以成矿,需在特殊的地球化学背景下,经过更复杂地质过程才能富集成矿。初步研究表明,扬子板块西缘铟、锗、镓等稀散金属均发生了超常富集,构成了全球罕见的稀散金属聚集区,是研究稀散金属矿床的天然实验室和理想基地,扬子板块西缘具有什么样的特殊地球化学背景才能导致众多稀散矿床聚集。为了解决这一科学问题,本文以扬子西缘为研究区,实测了扬子西缘典型代表区(贵州)的元古界-中生界剖面,系统地对不同时代的地层样品进行了测试。结果表明,元古界地层的Ga、Ge、Se、Cd、In、Te、Re、Tl均值分别为9. 71×10~(-6)、0. 30×10~(-6)、1. 71×10~(-6)、0. 48×10~(-6)、0. 07×10~(-6)、0. 10×10~(-6)、0. 015×10~(-6)、0. 29×10~(-6);古生界地层的Ga、Ge、Se、Cd、In、Te、Re、Tl均值分别为14. 70×10~(-6)、0. 35×10~(-6)、2. 36×10~(-6)、0. 23×10~(-6)、0. 06×10~(-6)、0. 08×10~(-6)、0. 014×10~(-6)、0. 69×10~(-6);中生界地层的Ga、Ge、Se、Cd、In、Te、Re、Tl均值分别为9. 06×10~(-6)、0. 22×10~(-6)、2. 48×10~(-6)、0. 07×10~(-6)、0. 04×10~(-6)、0. 07×10~(-6)、0. 003×10~(-6)、0. 11×10~(-6)。结合稀散元素矿床分布特征,发现扬子板块西缘基底地层(除Ge),稀散元素背景总体不高,早寒武世是重要的稀散元素富集阶段,可能与这一时期发育的黑色岩系成矿系统有关,广泛分布的峨眉山玄武岩层一般有较高的稀散元素背景,可能是重要的矿源,Se或Cd或Ga的赋矿层位与高地球化学背景层位对应关系较好,其它元素虽然对应关系不明显,但赋矿层位下部一般为高背景层,反映了成矿物质浅源或就近的特点。本文只是报道了扬子板块西缘的绝大部分不同时代地层的地球化学背景值,初步探讨了稀散元素地球化学背景与稀散矿床的耦合关系。随着稀散矿床的研究不断深入,更多的地质信息和成矿规律会逐渐被揭示,本研究可为后续以上工作的开展奠定背景基础。     

马杏垣先生开合构造思想的提出、形成及最新进展

概述了马杏垣院士的学术生平与创建开合构造史实.开合构造提出是中国地球科学"百花齐放,百家争鸣"发展的结果;是黄汲清院士、张文佑院士、马杏垣院士领导的青年团队,在国际板块构造革命的新潮中,根据板块构造登陆存在的巨大问题,结合中国地质构造的特色,依据坚实的实际资料进行深入的全新探索.3位院士领导的团队又联合起来,进行开合构造的长期研究.2002年在构造地质专业委员会支持下,成立了开合构造研究组,召开了开合构造第一次学术研讨会,总结20多年研究成果,出了专刊书集.2015年研究组聚首北京,总结开合构造研究的新成果,并吸取地球物理研究新成果,准确地阐明开合构造的定义,提升了研究方法,总结了开合构造运动和开合构造体系特征,将构造动力来源初始点建立在古登堡面的开合构造转换带上,全新解析了转换带的重要作用,站在星球角度认识开合构造.最后,强调青年研究力量的培养,是开合构造走向世界的重要途径.     

基于小波函数的锚杆拉拔全过程分析

基于小波函数伸缩平移的特性,建立了能反映锚杆界面黏结?软化?滑动力学特性的剪应力?位移非线性本构模型,克服了三折线软化界面模型需要分段分析的复杂性。结合锚固体荷载传递的力学微分方程,推导了锚杆拉拔荷载?位移曲线的解析表达式,并提出了锚固体位移、轴力、周边剪应力的数值计算方法和步骤。通过算例分析,得到不同张拉位移作用下的锚固段位移、轴力和剪应力分布,获得的锚杆拉拔荷载?位移和锚杆轴向力分布计算值与实测值进行了对比分析,验证了该方法的有效性。该方法能准确地反映锚杆在不同荷载下的传力机制,模拟锚杆从弹性工作状态到塑性滑移的全过程。最后,通过参数分析,得到了锚杆锚固长度、轴向刚度以及锚固界面本构参数对锚固效果的影响规律。     

开合旋构造体系及其形成机制探讨:兼论板块构造的动力学机制

开合构造总体上可以表述为:地球膨胀为开,收缩为合;垂向上地球物质离心(地心)运动为开,向心运动为合;水平方向上地球物质相背运动为开,相向运动为合。从驱动机制角度,我们把以热力(热能)为主体驱动的上浮物质运动定义为开;将重力(势能)为主体驱动的下沉物质运动定义为合。因此,开与合是一个高度综合的概念,具有广阔的内涵,开合运动是联系一切地质运动和地质科学的纽带。开合运动具有同步统一性,即垂向的开在水平方向也表现为开;垂向开得强烈,水平方向同样开得强烈,反之亦然。地球刚形成时诸多开合构造是无序的,地球的旋转运动统领地球上所有物质、能量、运动和大大小小的各种开合构造于旋转运动中,并将它们调剂到有序状态。简言之开合构造体系是开合旋运动长期作用下形成的不同时期、不同层次、不同级别的开合旋回组成的动态平衡构造体系。本文总结了地球开合旋构造体系物质组成、结构构造特征和规律,建立了开合旋复杂构造体系简要模型。提出平衡体系的形成机制是开合旋运动遵循地球重力均衡准则、最小内能原理(结晶化)、几何淘汰生长(垂直地心生长)和物质均匀化四条自然演化规律,其中重力均衡准则是主导的。由于地质事件(构造运动)在破坏开合旋平衡体系的同时,经常直接或间接向体系内输入新能量,往往使新的旋回比老旋回的结构构造更符合地质演化的自然规律,于是使地球显得更强大而有活力。这一次又一次的地质事件(构造运动)是开合旋构造体系螺旋式向前发展的动因。本文最后用开合构造观点探讨了地球的形成和演化,分析了板块构造运动的动力学过程。     

板块运动的机制与动力来源学术争鸣

目前人类对地球的认识仍很肤浅,无论国外还是国内对于地球动力学问题仍在探索过程中,Science杂志2005年公布的125个重大科学问题中的第10个问题是“地球内部是如何运行的”,提出地球动力来源还尚未解决。 2017年出版的《中国学科发展战略--板块构造与大陆动力学》认为板块构造理论虽然取得了巨大成功,但该学说依然存在其形成以来就存在的难题,即板块动力、板块起源及板块上陆三大问题,驱动板块运动的动力机制是最为重要的问题,也是亟待解决的问题。 研讨会分两个环节,一是主要观点报告环节,二是讨论争鸣环节。 在报告环节,涉及动力机制的主要有5位报告人,分别阐述了他们的主要观点。梁光河提出了新大陆漂移说,通过大量证据分析认为传统的海底扩张驱动大陆漂移的模式存在很多问题,很多地质和地球物理观测事实说明持续推动大陆漂移的动力不是海底的持续扩张,而是大陆板块后下方持续的岩浆上涌推动大陆板块向前漂移,那是一个自发的连锁反应。万天丰认为传统的海底扩张传送带模式很难解释大陆板块漂移速度远远大于地幔对流速度这个问题,提出了陨击说。陨石撞击诱发地幔底劈推动大陆板块运动这个新的驱动模式。唐春安提出了地球龟裂说,认为地球内部热能的积累与释放,使得地质历史上岩石圈地幔具有冷热交替的周期。毛小平分析认为,目前所提出的地球动力中,只有周向应力具有足够数量级的应力,可以推动板块运动;周向应力在岩石圈薄弱处释放从而产生地壳相对运动;长期以来解释不了的“地壳异常压力”其实就是周向应力,而可独立于重力的构造力、碰撞力并不存在。 在讨论争鸣环节,大家针对地壳运动的动力来源自由发言。梁光河指出万天丰提出的陨石撞击可以较好地解释超大陆裂解的初始动力,但不同意陨石撞击可以提供持续的大陆漂移的动力,以印度板块的北漂为例,因为地幔的巨大黏滞阻力,需要无数个陨石定点撞击印度板块后面才可能持续推动印度板块漂移。唐春安提出地球的锅盖效应,因此上地幔具有冷热周期,在热周期地壳才会大规模漂移,按照力学机制,大洋中脊和转换断层不可能是海底扩张产生的,应该是大陆漂移拉开产生的断裂系统。最后杨巍然总结发言,认为陨石撞击是一个重要因素,地球上的构造运动都可以归结为开合运动,海底扩张和大陆漂移都是存在的,地体构造也是科学的。研讨会取得的共识是：大陆的确存在大规模水平运动,传统的地幔对流传送带驱动模式存在很多与观测事实不符的问题,需要重新认识驱动机制和驱动力的问题,对板块俯冲问题多数持怀疑甚至反对的观点。其驱动力应该来自重力和地球内部热力,但它们之间是如何相互作用的,仍需要进行更深入的研究。     

关于秦岭造山带

纪念老一代地球科学家李四光先生,思考地球科学与大地构造学的创新发展。文章以秦岭造山带为例思考大陆复合造山及其动力学,认知概括秦岭造山带基本属性与特质,探索认识中小多板块多期洋陆俯冲造山-陆-陆板块俯冲碰撞造山的板块复合造山,并又强烈叠加复合陆内造山,造成复杂组成与结构,形成立交桥式四维流变学分层的多层非耦合动态演化的大陆复合造山带模型,及其新的演化趋势动态和构成国家人类需求的成矿成藏物质财富与宜居的地表系统环境等,期望前瞻探索认知地球发展的未来。文章还就秦岭造山带几个有争议的问题,进行简要讨论,共求新的探索研究发展。期盼学习李四光先生学术理论精华,尤其在深化发展板块构造,探索认知大陆构造与动力学方面,创新发展地质力学,以宇宙太阳系视野探索地球动力学,推动大地构造新发展。      

长春地区白垩系地层地铁勘察参数的确定

白垩系砾岩及泥岩地层在长春地区普遍存在,但由于砾岩地层现场钻探难以取样进行室内土工试验,泥岩地层由于存在水稳性、膨胀性、崩解性等因素影响,砾岩和泥岩的承载力值、抗剪强度参数指标、渗透系数以及基床系数等参数多以经验数据评估方法为主,在合理准确确定相关参数的问题上存在较大分歧。通过对长春地区白垩系砾岩及泥岩进行原位平板载荷试验、浸水载荷试验以及现场原位剪切试验,获取砾岩、泥岩的承载力值、抗剪强度指标、渗透系数以及现场基床系数值等,为地铁建设工程地质问题分析及设计提供充足的地质依据。     

拉林铁路板块缝合带隧道地应力分析

青藏高原板块缝合带为印度板块和欧亚板块两大陆块的缝合区域,带区地质条件复杂,构造运动强烈。川藏线拉林铁路几乎沿雅鲁藏布江缝合带展布,高地应力问题十分突出,但目前针对板块缝合带隧道的地应力研究相对较少。本文采用空心包体法对拉林铁路沿线隧道进行了原位地应力测量,并与成兰、兰渝和锦屏等几个典型工程的地应力进行对比分析。研究表明：拉林铁路沿线隧道埋深大,构造应力突出,总体表现为最大水平主应力 > 垂直主应力 > 最小水平主应力;平均侧压系数（1.0~1.5）分布较为集中且处于较高水平;最大主应力量值大多在20~50 MPa之间,最大主应力与埋深的梯度为0.033 7 MPa/m,方向以北北西-北北东向为主。建议采用仰拱结构减小隧道墙脚处的应力集中现象。     

Deep structure of the Amur lithospheric Plate border zone

Based on the study of the deep Amur Plate border structure, seismogravimetric (density) and geoelectric sections of the plate lithosphere crossing geologically and seismically defined plate boundaries are compiled to construct a three-dimensional model of its lithosphere. The model demonstrates the almost ring structure of the plate with its inner part dipping for 50 km and uplifted fringing. The plate boundary zone consists of orogenic belts (Mongol-Okhotsk, Selenga-Stanovoi, Transbaikal, and Sikhote-Alin) and margins of the Siberian and North China platforms. The plate boundaries are described by mantle diapirism models with a largely bilateral inclined dip of its bordering belts.