松辽盆地中央坳陷区中-新生代岩石圈厚度演化

岩石圈厚度演化为揭示深部动力学过程提供依据和重要信息。本文通过恢复松辽盆地中央凹陷区典型单井的热历史,利用实测的热物性参数和前人所确定的地壳分层结构,基于地热学相关理论计算了松辽盆地中-新生代主要地质时期的“热”岩石圈厚度。研究表明,松辽盆地中央凹陷区热流演化有两个阶段:1)晚白垩世逐渐升温阶段,此期间热流逐渐增加,最终在白垩纪末期达到最大热流值;2)新生代以来的热流衰退阶段,此阶段构造活动相对稳定,大地热流在此期间逐渐减少,现今热流平均为78.2 mW/m^(2)。松辽盆地岩石圈厚度在早白垩世为42 km左右,白垩世末期降低至36 km左右,现今岩石圈厚度增加至55 km。这主要是由于在侏罗纪-白垩纪时期,中国东部大陆岩石圈整体处于东西拉张的环境中,地壳和岩石圈伸展减薄,导致白垩纪末期岩石圈减薄,此后盆地整体处于拗陷构造发育期,岩石圈再次增厚至现今的55 km。本文的研究成果初步揭示了松辽盆地中-新生代岩石圈演化的过程,为松辽盆地深部动力学过程提供依据,并具有重要的科学意义。

基于程函面波成像的华北克拉通岩石圈三维高分辨率S波速度结构研究

利用“中国地震科学台阵探测”项目Ⅱ期和Ⅲ期的流动地震台站以及中国区域地震台网中的部分固定台站的观测资料,采用程函面波成像方法获得了华北克拉通及周边区域10—120 s周期的瑞雷面波相速度分布和高分辨率的三维S波速度结构,并基于该速度模型估算了岩石圈厚度分布。结果显示,华北克拉通内部岩石圈厚度除了存在“西厚东薄”的一级分布特征外,还存在一些更小尺度的差异,包括鄂尔多斯地块内部岩石圈“南厚北薄”、鄂尔多斯地块周缘断陷带岩石圈显著的不均匀减薄以及燕山构造带与其南侧华北平原之间的显著差异等。山西断陷带北部与南部地区上地幔浅部(<100 km)存在不同程度的低速异常,它们被中部的高速异常区所分隔。在150 km以下深度从太行山南缘向北至山西断陷北缘存在一条NNE向展布的显著低速异常带,表明上地幔浅部南北部的低速异常在深部相连。结合已有的其它成像结果,我们推测这些低速异常起源于更深处(>200 km),并与由太平洋俯冲板块的滞留脱水导致的上地幔热物质上涌和小尺度地幔对流等密切相关。燕山构造带与华北平原的岩石圈结构存在明显差异,前者遭受的岩石圈破坏改造程度明显弱于后者,张家口—渤海地震带位于这两种不同壳幔结构的过渡带,地震活动较强,我们认为深部结构和热作用的显著差异,以及青藏高原远场挤压效应的共同作用是导致该区地震活动较强的主要原因。

基于自然伽马测井的莺歌海盆地中央凹陷地层生热率及岩石圈热结构研究

【目的】岩石圈热结构对探索盆地热演化的动力学过程、地热资源评价和开发利用具有重要意义。由于莺歌海盆地生热率数据的匮乏,限制了岩石圈热结构的研究。【方法】利用莺歌海盆地23口钻井的自然伽马测井数据,通过GR(自然伽马值)-A(岩石放射性生热率)经验公式,计算莺歌海盆地中央凹陷的地层生热率;依托OBS地壳速度结构模型建立地层生热率参数柱,计算壳幔热流及其比值、莫霍面温度和热岩石圈厚度,获取岩石圈热结构。【结果和结论】结果表明:莺歌海盆地中央凹陷地壳热流为19.2~27.1 mW/m^(2),平均值为(23.5±2.8) mW/m^(2),地幔热流为49.2~57.2 mW/m^(2),平均值为(52.8±2.8) mW/m^(2);莫霍面温度为613~707℃,平均温度为(671±31)℃;热岩石圈厚度为61.23~64.89 km,平均厚度为(63.58±1.35) km;壳幔热流配比为0.45±0.08,岩石圈热结构表现出“冷壳热幔”的特征,反映出莺歌海盆地中央凹陷的热状态受深部热源的影响。研究成果不仅为该地区地热资源的进一步勘探和开发提供了科学依据,还为盆地的地球动力学研究提供重要参考。

华北地区大地电磁测深及岩石圈厚度讨论

近些年来,随着地球科学的进展,大陆岩石圈导电性结构的研究越来越引起人们的重视。这是因为固体地球物理学研究的结果告诉我们,有关大陆岩石圈导电性的研究有可能为当前地球科学各领域的进展提供重要的物理依据。大地电磁测深是从导电性的角度研究地壳和上地幔结构不可缺少的方法。长期以来,国内对此开展了大量工作;而当前,随着科学技术发展,无论是仪器、数据采集或数据处理和反演技术都有了长足的进步。中国的大地电磁测深已实现超宽频带、高精度测量技术;在数据处理和反演等方面也基本与国际先进技术接轨。因此,在2001年,沿着山西应县到山东商河,布置一条大地电磁测深剖面进行研究。采用现代先进的大地电磁数据处理技术和快速松弛二维反演方法获得该剖面二维电性结构模型,从而充分展示了华北地区岩石圈电性结构的特点。从电性特征上讲,华北岩石圈以太行山前断裂为界划分为东、西两区。东区为低阻区,上地壳电性结构基本与华北裂谷系的隆、坳构造格局相对应,岩石圈的电导最高达30000S,远远大于强烈活动的安第斯山岩浆弧区和西藏高原岩石圈的电导。西区为高阻区,太行山和恒山的岩石圈为高阻块体,表现出稳定大陆区岩石圈导电性结构的特点。但恒山高阻块体之下发现一组向西缓倾的高导层,其电导率为0.04～0.25S/m,顶面在20km深处,底面深约40km。研究结果表明,华北裂谷盆地范围内地壳的电阻率很低,属于良导电性的地壳,这可能是由华北裂谷盆地的壳、幔热结构、热状态所决定的。根据对大陆电阻率模型的讨论,推测鄂尔多斯地块的上地幔也许不存在前人所界定的“软流圈”的性状;而华北裂谷盆地虽然是中新生代构造活动区,活动性较强,但与年轻的火山岛弧区或剧烈的构造活动区相比仍有一定差别,因而,上地幔“软流圈”的痕迹并不明显。这也许正是根据现今应县—商河剖面上大地电磁的探测结果看不出来存在通常所说的反映“软流圈”电性特征的“上地幔高导层”的原因。不过,根据这结果还是可以得出:在华北地区西部的地壳和岩石圈厚度大于东部。但更准确的结果还有待于更深入、更精细的地球物理探测。

珠江口盆地大地热流特征及其与热岩石圈厚度的关系

沉积盆地现今热流特征是岩石圈构造-热演化过程的综合反映和盆地热史恢复的必要约束条件,其总体变化趋势与热岩石圈厚度密切相关.本文根据新收集的珠江口盆地19口钻井温度数据,新增计算了19个大地热流数据,其中12个数据位于深水区(水深大于300 m),丰富了该盆地深水区钻井地热数据.结合前人研究成果,绘制了该盆地的大地热流图,并分析了其热流分布特征.在此基础上通过求解一维热传导方程,计算得到36口井位处的热岩石圈厚度,量化了盆地大地热流与热岩石圈厚度间的关系.结果显示,珠江口盆地大地热流值介于24.2~121.0 mW·m^(-2),平均71.8±13.6 mW·m^(-2),新增盆地深水区钻井平均热流值高达84.5±4.4 mW·m^(-2).大地热流分布整体上从陆架区到陆坡区升高,而热岩石圈厚度整体分布趋势与大地热流相反.大地热流与热岩石圈厚度间存在良好的指数相关性.

云南腾冲火山区地壳及岩石圈厚度研究

使用云南腾冲火山监测台网9个宽频带地震台站的远震数据,采用P波和S波接收函数的方法研究了腾冲火山区的地壳厚度、泊松比值以及岩石圈和软流圈分界面（LAB）深度.研究结果表明：1）云南腾冲火山区的地壳厚度约在33.5～38.0km之间;2）火山区的泊松比主要集中范围为0.26～0.32,其中6个台站均大于0.29,推测与地壳镁铁质成分的增加有关并且可能存有2个岩浆囊;3）火山区的岩石圈厚度在78.2～88.0km,较周边地区明显隆起且横向差异较大.腾冲火山区岩石圈的明显穹隆,由软流圈上涌（地幔热物质上升）引起岩石圈的拉张与减薄所致.

中国大陆岩石圈厚度分布研究

利用不同物理性质所估计的岩石圈厚度可能具有不同的地球动力学意义。大陆岩石圈等效弹性厚度往往只与岩石圈内部的某些岩层相关，因此它可能不代表一般意义上的岩石圈厚度。地震学岩石圈厚度虽然有较高的精度，但依赖于人为地对岩石圈的定义；并且其具有的短时间尺度效应决定了它与长时间尺度的岩石圈概念不一致。热学岩石圈厚度体现了长时间尺度上的岩石圈热学作用，因此其厚度定义的标准是较合理的。地震-热学岩石圈厚度研究利用地震波速反演得到的温度数据按照热学岩石圈标准来对岩石圈厚度进行研究，具有地震学和热学岩石圈厚度两者的优点，是较合理的对岩石圈厚度的估计。中国大陆地震-热学岩石圈厚度分布有如下特点：（1）中国东部岩石圈较薄，厚度约100km，其中包括中国东北、中朝克拉通、扬子克拉通东部和华南造山带；（2）青藏高原和塔里木克拉通以南地区的厚度变化较大，厚度约在160-220km；（3）三大克拉通的岩石圈厚度有较大区别，扬子克拉通的核心最厚达约170km，塔里木克拉通的核心厚度约140km，中朝克拉通的厚度约100km；（4）昆仑秦岭造山带的岩石圈上地幔内部较复杂，可能有大面积的部分熔融；（5）整个大陆岩石圈厚度分布并没有显示出与地壳年龄的线性相关关系，却表现出了与大地构造格局的直接关系。受板块碰撞强烈影响的地区，岩石圈较厚；受大洋俯冲带影响较强的地区，岩石圈较薄。

藏北岩石圈厚度与减薄机制分析

天然地震S波和大地电磁测深给出了两种不同的藏北岩石圈厚度模型,两种测量结果的地质含义至今还不十分清楚。通过对地表高程与地壳厚度回归关系的研究,以回归直线的斜率和截距作为地壳和岩石圈地幔平均密度取值的约束,并考虑相变因素对软流圈密度的影响,采用均衡理论对藏北岩石圈厚度进行了计算。计算结果表明,在可能的软流圈温度取值范围内藏北岩石圈的平均厚度约为106～120km,地壳增厚前的岩石圈平均厚度约80km。藏北新生代火山作用和岩浆起源-分凝深度分析表明,藏北现今岩石圈厚度主要受金云母脱水深度所控制。增厚前岩石圈地幔底部温度高于橄榄岩湿固相线温度,并受闪石和金云母高压脱水作用的影响。加厚岩石圈地幔因其底部不断发生脱水低程度熔融而进入软流圈小尺度对流体系,使岩石圈加厚过程中伴随有底部的脉动减薄作用。

海底隧道最小岩石覆盖厚度确定方法研究

目前国内正在修建或拟修建多条海底隧道,其最小岩石覆盖厚度是海底隧道纵断面线路设计的主要参数之一,将直接制约着海底隧道的安全和工程造价。为此,开展了确定海底隧道最小岩石覆盖厚度的确定方法和准则研究,并综合分析了各种不同方法确定的海底隧道最小岩石覆盖厚度对最终岩石覆盖厚度的权重影响。通过加权的方法得到了确定海底隧道最小岩石覆盖厚度的方法和原则。最后结合工程实例,应用上述方法,得到了宁波象山港海底隧道最小岩石覆盖厚度。

数值方法确定海底隧道最小岩石覆盖厚度研究

目前国内正在修建或拟修建多条海底隧道,其中最小岩石覆盖厚度直接制约着海底隧道的安全和造价。本文根据国内外有关文献资料,探讨了利用数值方法确定海底隧道最小岩石覆盖厚度的方法,应用断裂损伤有限元和国际通用数值分析软件,根据隧道在同一剖面处不同底板线位置,隧道上方同一个点的位移收敛情况,建立了确定海底隧道最小覆盖厚度的位移收敛法。通过对国内2条海底隧道开展的研究,其中一条已开始施工,总结出了数值方法确定最小岩石覆盖厚度的思路和过程。为定量确定海底隧道最小岩石覆盖厚度建立了数值分析基础,最后应用数值方法确定某海底隧道最小岩石覆盖厚度。

海底隧道最小岩石覆盖厚度的位移收敛法

关于岩体稳定评判准则至今尚未达到成熟的阶段,从稳定的定义、量化的判断到分析的理论、准则和方法等一系列基本问题尚未形成明确的系统。目前比较常用的方法就是利用塑性区来判断围岩的稳定范围。但塑性区主要用来确定围岩的破坏范围,对于确定海底隧道的最小覆盖层厚度有些过于危险,因为一般海底隧道主要修建于硬岩中,其开挖引起的塑性区很小。因此,有必要建立确定海底隧道最小岩石覆盖厚的方法。应用适合模拟岩土大变形的数值分析方法FLAC3D,运用围岩变形量或变形率判据,建立确定海底隧道最小岩石覆盖厚度的位移收敛判据,并将该判据用于确定某海底隧道的最小岩石覆盖厚度,以说明该方法用于确定海底隧道最小岩石覆盖厚度的正确性和有效性。

西北太平洋岩石圈有效弹性厚度及其构造意义

本文引入滑动窗口导纳技术（MWAT）,计算西北太平洋岩石圈有效弹性厚度（Te）.首先,基于SIO V15.1海底地形模型,模拟研究了MWAT法计算Te的精度,表明当Te〈5km时,误差在±1km以内,当Te≥5km时,相对误差在10%以内.分别采用GEBCO、SIO V15.1和BAT_VGG海底地形模型,构建了西北太平洋Te,通过对获得的洋壳密度参数和实测导纳与模型导纳之差的均方根进行分析,结果表明,BAT_VGG模型更适用于Te计算.西北太平洋Te均值为13.2km,标准差为6.9km,以板块冷却模型为参考,主要分布在150℃～450℃等温线深度范围内.白垩纪和侏罗纪时期岩石圈Te分布在150℃～300℃等温线深度范围内,且未随海山加载时岩石圈年龄增大而增大,说明海山加载时岩石圈年龄不是影响其强度的唯一因素.南太平洋超级海隆活动,以及研究区域广泛存在的断裂带构造,都曾对本区域岩石圈演化产生过重要影响,可能是本地区岩石圈Te较小的构造原因.

海底隧道最小岩石覆盖厚度的权函数法

最小岩石覆盖厚度是海底隧道垂直线路设计的重要参数,影响海底隧道的造价和安全。总结了确定海底隧道最小岩石覆盖厚度常用的方法,包括工程类比法、数值分析法,并分析了各种方法的适用条件。基于大量数值分析,提出了通过最小位移确定最小岩石覆盖厚度的方法。根据专家经验,分析了最小岩石覆盖厚度各种影响因素的重要性,建立确定最小岩石覆盖厚度的权函数法,并应用于青岛胶州湾隧道工程,其研究成果对海底隧道的设计与施工具有参考价值。

地幔熔融柱反演软件Calmantle1.0与云南腾冲地区新生代岩石圈厚度变化的初步讨论

基于前人提出的地幔熔融柱模型和反演方法,笔者编写了一个界面友好的应用软件Calmantle1.0。应用Calmantle1.0,用户可轻易获得玄武岩部分熔融源区的起止条件,包括温度、压力、深度、部分熔融程度等。文中介绍该软件的使用方法,并以腾冲新生代玄武质岩石为例,说明熔融柱反演的地球动力学意义。Calmantle1.0从收集的154个腾冲火山岩分析结果中筛选出两组(N2和Q3)有效数据,反演得到其部分熔融起止深度分别为99～79km和109～88km。结合现今岩石圈厚度(60km)和地质限定条件,提出腾冲地区新生代造山之后经历了岩石圈厚度从约110km→约79km→约110km→约88km→约60km的变化过程。进而认为这是近场应力场与远场应力场强相互作用的结果,腾冲地区的现代地壳变形主要受近场应力场的控制。

海底隧道岩石覆盖层厚度基于群组的层次分析决策方法

最优化技术在决策分析中占着极重要的位置。层次分析法(AHP)是将决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次,在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。基于群组层次分析法的评价指标体系设计方法,它既能体现层次分析法(AHP)的优点,又能较好地弥补层次分析法AHP法的不足。本文以厦门海底隧道为工程背景,就海底隧道埋深提出了基于群组层次分析法。拟请一组专家对影响海底隧道厚度的因素进行评价,根据专家的判断能力,给出判断力权值,得到最小岩石覆盖厚度的重要性因子,给出不同方法的权值,经加权分析后最终确定最小岩石覆盖厚度。

巴颜喀拉地块东部及邻区重力均衡与岩石圈有效弹性厚度

基于SIO(Scripps Institute of Oceanography)最新全球重力和高程模型,计算了巴颜喀拉地块东部及邻区的布格重力异常、均衡重力异常、岩石圈有效弹性厚度及荷载比.结合大地热流、地震速度结构、地震活动和断裂构造分布等,分析了地壳均衡状态和岩石圈有效弹性厚度、地质构造单元间的差异及与地震活动的相关性特征.研究结果表明,该区域布格重力变化范围约为-500~0 mGal(1 mGal=10-5 m·s^-2,下同),在巴颜喀拉块体东部区域形成弧形重力梯度带,近年来的中强地震活动频发于该梯度带不同部位,应与其应力依次释放有关;均衡重力异常结果表明,其变化范围约为-80^+100 mGal,且大部分区域处于±20 mGal以内的被认为处于重力均衡的状态,重力非均衡(正或负)多出现于块体边界带附近,地震多发生在靠近块体边界的均衡重力异常(正或负,主要为正)区域内;巴颜喀拉地块东部及邻区岩石圈有效弹性厚度(Te)为10~65 km,不同构造单元之间Te空间分布差异明显,较低的T e值出现在龙门山构造带附近,T e值为20 km左右,岩石圈荷载加载比为0.5~0.8,表明现今的岩石圈挠曲状态主要由莫霍面加载形成.进一步分析表明,巴颜喀拉地块东部挤压增生与横向流动同时发生,是造成该区域地震发生与重力均衡异常高值重合、岩石圈有效弹性厚度和大地热流值较低的主要原因.本文获得的地壳均衡特征及岩石圈有效弹性强度结果,加深了对巴颜喀拉东部及邻区岩石圈构造演化过程的认识.

现今塔里木克拉通岩石圈厚度分析及机制探讨

塔里木盆地是青藏高原周边稳定的克拉通陆块,在印度板块与欧亚板块碰撞过程中一直保持稳定,盆地内部没有发生强烈的变形,其地壳热状态也同样保持稳定,地温梯度没有明显的变化,以热力学为基础的岩石圈热学厚度约为250km左右,该厚度是热稳态岩石圈的厚度。而最新的地震热学方法的研究成果表明塔里木盆地的岩石圈厚度仅为150km左右,这表明塔里木盆地岩石圈的热结构可能并不是处于稳态状态,其底部正在或已经发生了减薄。本文利用构造热演化方法对塔里木岩石圈减薄的热演化过程进行了定量分析,探讨了塔里木盆地岩石圈减薄可能的三种机制:印度板块与欧亚板块碰撞后青藏高原岩石圈底部的软流圈较塔里木盆地岩石圈底部的软流圈的温度要高,青藏高原的软流圈地幔向塔里木盆地岩石圈底部侵入形成的热扰动使得塔里木盆地岩石圈底部的温度升高;塔里木岩石圈与其下流动的软流圈的摩擦剪切生热导致其岩石圈地幔底部温度升高,使得岩石圈底部发生热侵蚀,从而使得与软流圈接触的岩石圈地幔不断地加入到软流圈地幔;在塔里木盆地岩石圈的下部,青藏高原的岩石圈在该处发生了拆沉,从而诱发的软流圈地幔对流,上升的软流圈地幔流使得岩石圈地幔的温度升高而熔融,成为软流圈地幔。

海峡海底隧道及其最小岩石覆盖厚度问题

主要根据国外有关文献资料,探讨了海峡海底隧道工程的特点及其最小岩石覆盖层厚度的问题,以期对我国未来的海峡海底隧道修建工程有所借鉴。

关于岩石圈有效弹性厚度的地质理解

简要回顾了岩石圈均衡理论的发展及岩石圈区域均衡和挠曲理论在岩石圈动力学研究中起的作用,阐述岩石圈有效弹性厚度(Te)的概念和特征。强调Te的研究是地质学和地球物理学的紧密结合,即通过岩石圈挠曲理论和区域均衡原理,对地形和重力资料进行谱分析计算,来获取岩石圈的物理性质信息。计算的Te(和相应的挠曲刚度)是岩石圈等效的强度,与爆破地震、地震层析成像和大地电磁测深等方法观测到的岩石圈和地壳厚度不同,它们之间只有通过岩石圈的屈服刚度包络面(YSE)才能比较。大洋和大陆岩石圈YSE的理论计算,表明Te值显著小于地震学的地壳和岩石圈厚度。尤其对于大陆岩石圈,地壳厚度、热年龄和应变率均可显著影响岩石圈的强度。本文还以滇西为实例介绍了对相干值曲线计算的新认识和当前岩石圈Te研究的最新趋势。

象山港海底隧道最小岩石覆盖厚度断裂损伤分析

根据象山港海底隧道地质剖面和隧道轴线布置图,取其9个重点剖面位置,对海底隧道选线进行三维分析。每个剖面位置根据基岩的厚度选取隧道轴线设计位置、上抬和下移隧道轴线位置,应用基于断裂损伤模型的有限元程序对其进行数值分析研究。通过分析各个工况的损伤区、塑性区、应力状态、位移变化,研究洞室的稳定性;根据相邻工况的应力状态变化和位移变化,得到 k30+100剖面位置在设计线下移2m 时为计算建议的底板线位置,并得到该剖面位置的最小岩石覆盖厚度。最后得出海底隧道计算建议的底板线位置。