对流地幔输入大陆与大陆成矿作用

文章讨论了对流地幔向大陆的输入是大陆成矿作用的直接驱动力。以华北燕山造山带为例,认为卷入的对流地幔可能深达670km界面。对流地幔的热和物质输入大陆诱发形成一个新的被扰乱的岩石圈–软流圈系统(LAS),它成为大陆成矿作用的重要深部环境。提出了被扰乱的大陆岩石圈–软流圈系统及其成矿作用的4个类型:①伸展环境下的岩石圈巨大减薄作用;②挤压环境下的岩石圈巨大减薄作用;③挤压环境下的岩石圈巨大加厚作用;④太古克拉通岩石圈根在造陆运动中,地幔深部小的热扰乱。最后讨论了大陆成矿作用的基本过程。

地幔对流反转:来自全球反转构造的透视和构想

【研究目的】全球中生代与新生代油气盆地在其发育某一阶段发生了构造反转,早期的裂陷盆地在反转期被反转盆地叠加与改造,本文以地幔对流反转作用(区域性反转作用或局部性反转作用)为视角,尝试对地壳表层反转构造成因提出深部解决途径。【研究方法】基于地球物理资料,借助构造地质学、地球物理学研究手段,对全球中、新生代盆地在白垩纪末期、古近纪末期的构造反转事件及反转构造特征进行归纳与对比,研究大洋、大陆板内裂陷盆地正构造反转时间,与其之临近的陆陆板块间造山带内负反转构造事件时间具有同期性,建立了反转构造发育的地幔对流反转模型,研究盆山耦合与局部性地幔对流单元及其变化的关联性。【研究结果】大量证据表明大陆板内裂陷盆地正构造反转时间,与其之临近的陆陆板块间造山带内负反转构造事件时间具有同期性,例如大别造山带造山挤压、伸展塌陷与南华北盆地及合肥盆地伸展裂陷、收缩反转分别具有对应关联性,这种盆山耦合推测是由局部性地幔对流单元及其变化所制约关联起来的。造山带的垮塌不是由于板块间的俯冲作用减弱或汇聚速率减小而引起的重力垮塌,推测根本原因可能是地幔对流方式、方向的改变所引起的间歇性伸展裂陷。大洋板内裂谷(大洋中脊)的正反转构造作用时间与俯冲带内负反转构造作用时间也具有同期性,尽管目前的证据不是很充分。无论板块间活动带内反转构造事件下的反转构造,还是板内裂陷盆地内的反转构造作用下产生的反转构造,都标志着这些构造单元的构造演化进入到一个新的发育演化阶段。【结论】反转构造产生的动力机制涉及到的地幔对流的反向流动,地幔对流反转所引起的岩石圈或地壳反向收缩运动导致盆地反转收缩变形。本构想的深远意义是对地幔对流状态、动力及其变化的理解、研究将会对板块反向运动启动机制研究产生深远的影响。

利用重力场模型解算全球地幔对流应力场

在利用Runcorn模型确定全球地幔对流应力场的研究中,扰动位系数是关键参数之一。在以往研究中,该参数阶次的选取缺乏定量准则,本文引入点质量源法中场源深度与扰动位系数阶次的关系方程,初步对Runcorn模型中截止阶次进行限定。基于该思路,场源深度为30 km的地幔对流应力场应使用2~213阶扰动位系数推算。采用EGM2008地球重力场模型(2~213阶)解算全球地幔对流应力场,并与近8 a内深度大于30 km的M5.5以上地震的震中分布进行比较。结果表明,与板块边界重合的高应力区域和地震震中的分布有较好的对应关系,说明地幔对流可能通过控制板块间汇聚、拉张或错动,进而控制该地区地震的发生。此外,对3处地震发生频数较高的典型区域(欧亚-菲律宾板块边界等)的地幔对流应力及其构造背景进行分析,结果与前人研究结论一致。最后,通过与前人研究结论(2~8阶)进行对比发现,本文解算结果(2~213阶)在太平洋板块西南缘等有较大地震发生的板块边界具更多高地幔对流应力细节,这些地震的发生可能受到小尺度地幔对流的控制。

蒙古—贝加尔地区上地幔小尺度对流及地球动力学意义

上地幔小尺度对流是控制区域地球动力学过程的主要机制之一,蒙古—贝加尔地区的一些区域动力学过程被认为与上地幔小尺度对流相关.本文目的在于利用重力资料研究蒙古—贝加尔地区的上地幔小尺度对流,并探讨其与构造动力学的关系.基于区域均衡重力异常与上地幔小尺度对流的相关方程,本文利用区域均衡重力异常资料反演了蒙古—贝加尔地区上地幔小尺度对流流场及作用于岩石层底部的应力场.结果显示,蒙古—贝加尔地区地幔流场及对流应力场呈现非常复杂的图像,流场及应力场分布与地表构造具有很好的相关性.西伯利亚地台和蒙古褶皱带下地幔流场和对流应力场均较弱,这与这些地区现今较弱的构造活动性是一致的.贝加尔裂谷区下存在地幔上升流,对流应力场呈拉张状态,但应力场的幅值较小(约8 MPa),表明地幔对流不是贝加尔裂谷开裂的主要控制因素.Hangay高原、阿尔泰和戈壁—阿尔泰下存在地幔上升流,对流应力场为拉张状态,这一方面可能构成Hangay高原隆升的深部动力机制,另一方面,也为Amurian板块西边界划分提供了动力背景.

区域重力异常和上地幔小尺度对流相关方程及对流拖曳力场

建立了区域重力均衡异常的物理模型，假定区域重力均衡异常源于上地幔密度分布横向不均匀以及由上地幔小尺度对流产生的边界形变．导出了区域重力均衡异常和上地幔小尺度对流之间的相关方程，讨论了该方程在地球动力学研究中的应用．应用几种模型计算上地幔小尺度对流产生的作用于岩石层底部的拖曳力场．结果表明，将这一相关方程用于利用区域重力均衡异常研究地壳及上地幔应力状态，将有广阔的前景．

区域重力均衡异常和上地幔小尺度对流模型

假定区域重力均衡异常主要源于由上地幔小尺度热对流相应的物质的不均匀和由此对流动力效应而导致的边界形变，同时将上地幔模拟为一均匀的等粘滞系数的牛顿粘滞流体，其主要的热量来自下地幔．由此建立了以流体力学３个基本方程为基础的热对流模型，并讨论了低瑞利数状态下，以区域重力异常和上地幔小尺度对流相关方程为主要条件，上述方程的基本解．几种模拟重力均衡异常所对应的流场表明；区域重力均衡异常正异常中心对应于上地幔小尺度对流上升流，表现出地幔上隆；相反，负异常中心对应于对流下降流，表现出岩石层（地壳）向下弯曲．结合实际的地质构造形态和重力异常形态，这些结果将有利于对板块内部岩石层动力学的理解．

黏滞分层地幔中密度异常驱动对流模型的研究

在地震层析成像计算的地幔密度异常直接驱动地幔对流的新方法的基础上,发展了在上、下地幔不同黏性结构框架下,密度异常驱动地幔对流的物理模型.利用Grands和S12WM13等地震层析成像模型推得的地幔密度异常分布,设置板块绝对运动极型场为运动上边界,考虑深度660km地震波不连续面为界的上、下地幔之间存在黏滞性的差异,直接反演了不同黏滞系数的双层地幔结构下地幔对流的模式.研究中选取地幔平均密度为ρ=5500kgm3,上层地幔平均黏滞系数为μ=1021Pa·s,计算了上、下地幔黏滞系数之比为1∶1,1∶10,1∶100和1∶1000时地幔大圆剖面、以及区域剖面上的流场.结果表明,两种模型在球谐展开1～13阶的范围内其对流的基本格局相似.当下地幔黏滞性超过上地幔的100倍时,下地幔流场速度与上地幔的流场速度相比显著减小,但是对流仍然表现出单层对流环的基本格局.论文还用240km深度球面上的对流格局讨论了对流和全球构造之间的关系.

地幔对流的数值模拟及其与表面观测的关系

本文从基本的热对流方程出发,并结合地幔对流特点,特别考虑到自重及非线性影响,探讨地幔对流及其与表面观测的关系,发展了相应的数值方法.结果表明,计算得到的长波大地水准面、地表地形、板块速度场水平散度与观测值符合程度较好.上、下地幔的非绝热温度异常与由地震层析得到的地震波速异常显示一定的相关性.地幔内部的流动呈现复杂形态,反映了高瑞利数对流的特征.

两种地幔对流模式下俯冲带的热结构

根据准动力学计算方案，通过采用等效热源和等效热传导系数的方法，用有限元法计算了不同俯冲角度，而俯冲速度为８ｃｍ／ａ、年龄为１００Ｍａ的俯冲带在稳定俯冲状态的热结构．计算结果表明俯冲带在接近６７０ｋｍ间断面的最低温度可达到１１００℃．全地幔对流模式热结构的计算结果表明６７０ｋｍ间断面以下可存在最低温度达１０００℃的低温区，相应于有０．７％—３．０％的Ｐ波低速异常存在．双层地幔对流模式表明，在６７０ｋｍ间断面以上可有与周围地幔相差约４００℃的水平舌状低温区存在，相应于０．５％—１．４％的Ｐ波低速异常．

青藏高原及邻区地幔对流应力场及地球动力学含义

基于改进的Runcorn模型 ,利用布格重力异常计算了青藏高原及邻区地幔对流应力场。数值结果显示 ,青藏高原中部、北部和天山为应力发散区 ,对应地幔上升流 ,而塔里木、柴达木、四川盆地等地区则为应力汇聚区 ,对应下降区。地幔对流形态与地表特征之间的相关性表明 。

利用地震层析成像数据计算地幔对流新模型的探讨

假设地幔地震层析成像数据对应的地幔横向不均匀结构是地幔热对流的结果 .将地震层析成像数据转化为地幔温度 (或密度 )不均匀分布 ,考虑热流体动力学的三个基本方程 ,顾及热输运方程中的非线性项 ,直接将地震层析成像转化的地幔温度不均匀分布作为内部荷载引入基本方程 ,反演计算地幔对流 .本文在利用地震层析成像数据计算地幔对流模型的新理论和方法的基础上 ,用SH12WM13地震层析成像模型数据 ,计算了全球地幔对流格局 .结果表明 ,对流格局不仅依赖地震层析成像数据 ,而且在很大程度上受地幔动力学框架、热动力参数和边界条件的所确定的系统响应函数的影响 .显示了地幔中复杂的对流格局 ,特别是区域性层状对流以及多层对流环可能在地幔中存在的现象 .

白垩纪大火成岩省与地幔对流

白垩纪事件是全球非常明显和重要的一次地质突发事件,包括洋壳的超巨量形成,地磁正超时达41 Ma之久(124～83 Ma),海水温度大幅度升高,黑色页岩沉积和石油形成的大量增长,海平面的快速上升,大气CO2水平的急剧升高,以及伴生的生物灭绝事件等.中-新生代的大火成岩省与冈瓦纳超大陆的裂解伴生,是超级地幔热柱产生的结果,而与欧亚超大陆的形成伴生分散火成岩省,是超级冷地幔下降流的结果,两者的联合构成全地幔对流的格局.全地幔对流模型为白垩纪地质演化、生物演化和环境演化的突变提供地球深部过程的约束.

地幔对流与深部物质运移研究的新进展

现代固体地球科学已经认识到,地幔对流不再是少数动力学家的假想,它是地幔热动力系统的主要构架.地幔对流和板块运动驱动机理关系的研究已经从简单的主动或被动驱动的讨论转向对统一热动力系统的探讨.包括地幔热柱在内的地幔对流的深入研究不仅成为研究地幔热动力系统演化的主线,也成为研究大陆形成和演化驱动机理的主线.与此同时,以地震层析成像为主体的地震、地球物理观测资料和以地幔岩石化学组份为主体的地球化学观测成为认识地幔对流的强有力的工具.然而,地球化学和地球物理观测之间存在明显的差异,一些依赖于地球化学数据构思的新的热动力学框架对地幔对流的研究构成了强烈的挑战.

藏北新生代玄武质火山岩起源的深部机制——大陆俯冲和板片断离驱动的地幔对流上涌模式

近年来地震层析成像揭示出可可西里-西昆仑中新世-第四纪钾质火山岩带下方存在一个深达900km的巨型地幔低速体,空间上与新特提斯洋和印度大陆俯冲断离板片沉降形成的冷地幔下降流共存(Replumaz et al.,2010a,b),两者构成统一的地幔对流体系。研究表明,羌塘古近纪(60~34Ma)钠质玄武岩和高钾钙碱性玄武岩均以富含Ti O2、P2O5和大离子亲石元素为特征,主体具有与OIB相近的微量元素组成和弱亏损的Sr、Nd同位素特征,指示岩浆起源于软流圈的上涌熔融,但Nb、Ta的弱亏损表明岩浆源区有岩石圈地幔熔融组分的贡献。羌塘(32~26Ma)碱性钾质玄武岩与可可西里和西昆仑中新世以来喷发的钾质玄武岩的地球化学性质相近,不相容元素比值和Sr、Nd同位素组成指示岩浆起源于古俯冲地幔楔的低程度熔融。这些特征表明藏北软流圈上涌作用始于古近纪,初始上涌中心位于羌塘地体之下。计算表明藏北古近纪火山岩距离当时的印度大陆北缘的最大和最小距离约为1250km和700km,与现今可可西里地幔低速体的南、北边界与印度大陆北缘的距离相近,支持羌塘古近纪地幔上涌作用也是受藏南冷地幔下降流所驱动。青藏高原在南北缩短过程中不仅表现为软流圈自西向东挤出流动,地幔垂向对流也是其重要的运动形式,在地幔上升流形成的藏北热幔区内,地壳的水平缩短增厚与岩石圈地幔的伸展减薄呈脉动式共存。藏南冷地幔下降流和藏北热地幔上升流的持续北移是导致藏北后碰撞火山岩时空迁移的主要控制因素。

海沟后退对地幔对流的影响

本文分析了有海底扩张无海沟后退、有海沟后退无海底扩张以及海底扩张与海沟后退共存等３种情况下，俯冲板片运动与海沟迁移的关系．用幂律流体有限元方法计算海沟后退对地幔对流的影响．地幔有效粘度除依赖应力偏张量的第二不变量以外，尚与温度、压力（含流体静压力和流动压力）有关．计算表明，对流环、高流动负压区以及低粘区的个数和位置，均受控于海沟是否后退以及海底是否扩张；温度场与海沟后退无明显关系．流动压力对形成洋中脊和弧后火山、驱动地幔对流以及维持板片的倾斜角度都具有重要意义．

地幔对流对全球岩石圈应力产生与分布的作用

利用动力学模拟方法研究地幔对流对于大尺度岩石圈内部应力场形成的作用.地幔物质内部的密度横向非均匀及表面板块运动引起地幔流动,并在岩石圈底部产生一个应力场.该应力场作为面力将造成岩石圈本身变形,从而产生岩石圈内部的应力分布.模拟计算结果表明,大部分俯冲带及大陆碰撞带区域应力均呈现挤压特征,如环太平洋俯冲带及印度-欧亚碰撞带等;而东太平洋洋脊、大西洋洋脊及东非裂谷处应力状态均表现为拉张;并且绝大多数热点位置处于应力拉张区域,这与目前对全球构造应力状态的理解是一致的.计算的岩石圈内部最大水平主压应力的方向与观测表现出相当的一致,其结果总体上吻合得较好,然而在局部区域(例如西北太平洋的俯冲带、青藏高原等地区)存在着较大的差异.研究表明,地幔对流是造成岩石圈内部大尺度应力状态及分布的一个重要因素.

地幔对流反转:盆地反转的动力来源

全球中生代与新生代油气盆地在其发育某阶段发生了多期盆地反转,早期的裂陷盆地在反转期被反转盆地叠加与改造,尽管目前对这些盆地反转发育有了共识,但是对于盆地反转产生的机制没有根本解决。以地幔对流反转为视角,尝试对地壳表层盆地反转成因提出解决途径。利用地球深层与表层过程的相互作用原理,推测盆地反转产生的动力机制涉及到地幔对流的反向流动。建立了盆地反转发育的地幔对流反转模型,讨论了地幔对流反转所引起的岩石圈/地壳反向收缩或伸展运动,从而导致盆地收缩或伸展变形。本构想重大意义在于对地幔对流状态、动力及其变化的理解、研究将会对板块反向运动的研究产生深远影响。

天山南北地块构造演化与地幔对流耦合动力机制

天山造山带南北分别于塔里木盆地和准噶尔盆地相接,经历古生代时期超级大陆裂解、南北天山洋裂开、洋盆持续扩张、洋壳俯冲消减、陆陆碰撞缝合过程及中新生代陆内再造山构造调整,是现今世界上较为活跃的陆内造山带,成为国内外大陆动力学研究的热点地带.在综合分析地质学、地球物理(地震剖面、重力异常、地震层析)、地球化学、岩石学及天文学等资料基础上,结合天山造山带大地构造演化历史、地表构造变形、盆地基底构造样式,以及对5种地幔对流模式的深入探究,基于全地幔对流和上地幔小尺度对流模式,提出天山地区板块构造演化与地慢对流的耦合动力机制,总体呈现为"启动同步超越消减"模式,中间过程则伴随微观振荡旋回动力模式向前发展,该模式可与经典威尔逊旋回比较,同时现今地球深部板块演化痕迹及地幔对流数值模拟一定程度上支持了该模式.总之,将板块构造演化历史与地幔对流结合起来、纳入统一的动力学模型中,对于今后研究地球各子系统之间的耦合状态、相互作用有十分重要的意义.

地幔对流的实验研究:非立柱状幔柱和地幔涡旋

地幔对流的物理模拟实验结果表明 ,在地幔介质和温度非均匀分布的复杂条件下 ,热卷流 (地幔柱 )往往由立柱状转变为非立柱状 (含斜柱状、涡旋状等 )。在忽略科里奥利力的情况下 ,板块的下插和滞积下沉、岩石圈根的存在以及地幔介质粘度的非均匀分布等都可能构成不同形状的障碍 -导流体 ,导致地幔的涡旋运动。软流圈中的水平涡旋环带属于对数螺线型 ,环带旋转半径及线速度逐渐减小 ,最终在旋转中心处下沉 。

中国岩石层底面地幔对流状态的探讨

本文应用卫星测量地球重力场的球谐函数系数和地幔流体力学方程,计算了中国地区岩石层下的地幔对流状态。计算中选用了三种不同的模式:模式Ⅰ,完全场(2—30阶);模式Ⅱ,高阶场(13—25阶);模式ⅢI,低阶场(4—18阶)。其目的是探求一种与我国地质和地球物理实测资料相符合的最佳模式。考虑到岩石层厚度与所假定的地幔对流区厚度相比是很薄的,因而可以把地幔流对岩石层底面产生的拖曳力近似地看作岩石层内构造力。将上述三个模式分别与中国及邻区的131个地震(1961—1977,M≥5)震源机制解和近代地质构造形变等资料进行比较。结果表明,模式Ⅰ与我国大多数地区的实测资料符合得最好,该模式所显示的地幔对流特征与相应各地区近代构造运动特点相符。模式Ⅰ为探讨近代构造运动的力源问题,提供了新的线索。