青海共和盆地岩石圈热-流变结构及地热意义

地球深度热状况是深部地球动力学和岩石圈活动性研究的重要内容,岩石圈热结构和热-流变结构可以很好地揭示岩石圈范围内的热状况。近年来,在青海共和盆地钻探揭露了深部高温干热岩体,关于其热源机制尚未有定论。本文以青海共和盆地为研究对象,分析壳内温度分布和流变强度,探讨壳内低速体的地质属性。结果表明,共和盆地的地壳流变结构从上而下分为脆性和韧性两层,韧性层又包括中地壳和下地壳两层韧性层,在上地壳尺度均表现为脆性破裂为主,并逐渐过渡为韧性流变;恰卜恰地区在脆性破裂的上地壳延伸至中下地壳时,破裂沿一系列滑脱面发生韧性滑动,局部地段形成壳内熔融,为恰卜恰地区提供了额外的热源,使其大地热流值(109.6 mW/m^(2))显著高于贵德地区(77.6 mW/m^(2))。这一认识为共和盆地壳内低速体存在提供了新的佐证,也为区内干热岩热源分析以及高温地热资源探测开发提供了科学依据。

基于GPS观测的青藏高原南部构造变形及深部流变结构研究

青藏高原的构造变形模式及动力学机制一直以来都是地学界争论的焦点之一,其中以两大端元学说:“大陆逃逸(块体变形)”和“地壳增厚(连续变形)”最为著名。虽然有研究指出现有的地学资料还无法明确区分青藏高原的运动学机理到底属于哪种变形模式,但至少可以基于已有的大地测量数据来探究高原的构造变形是倾向于块体模型的“聚集式”变形。

广东惠州黄沙洞地区岩石圈热-流变结构及其热源启示

岩石圈热-流变结构研究是揭示岩石圈范围内热状态的有效手段,开展地热异常区的岩石圈热-流变结构研究可以对热源贡献进行有效约束。东南沿海地区是我国地热资源重要分布区,地表出露大量天然温泉,地热钻探揭露深部具有较高的地温梯度,然而关于其热源机制尚未有定论,且深部是否赋存干热岩资源亦不清楚。以广东惠州黄沙洞地热田为研究对象,分析岩石圈尺度温度分布和流变强度,探讨黄沙洞地热田的热源构成,分析浅部水热系统的热影响,并对干热岩资源前景进行分析。结果表明:(1)黄沙洞地热田水热活动影响下地表热通量为130.3 mW/m^(2),地壳热流与地幔热流值相近,表现为温壳温幔型岩石圈热结构,此外,构造活动相关热流达到了30.5~60.3 mW/m^(2);(2)岩石圈流变结构显示中地壳存在韧性流变层,上地壳与下地壳以脆性破裂为主,下地壳与地幔表现出流变结构耦合,为相对稳固的地壳底界;(3)黄沙洞地热田的热源以地壳构造活动产生的热源为主,地幔热源和放射性生热是主要的热源组成部分,构造热作用的主要方式包括区域深断裂的热聚敛和水热系统循环换热,两者可能通过“接力式”热传递携带热量至浅表;(4)区域深断裂的热聚敛在构造热作用中的占比是影响干热岩资源前景的关键因素。本项研究可为后续东南沿海同类型地区的干热岩资源勘查与靶区选址提供参考。

中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构

依据地震波速得到的上地幔温度和气象台站记录的地表温度为约束,结合地表热流和热导率观测数据,利用有限元方法计算了中国大陆及邻区岩石圈三维热结构.基于此温度结果和GPS观测得到的应变率数据,以滑动摩擦、脆性破裂和蠕变三种强度机制为约束,计算得到了中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构.结果显示：弱强度和低等效黏滞性系数的下地壳在中国大陆及邻区普遍存在,并且下地壳的流变强度和等效黏滞性系数比上地壳和岩石圈地幔一般要低1～2个数量级;中国大陆范围内青藏高原存在着厚度最大、强度最低的下地壳;青藏高原的岩石圈强度和等效黏滞性系数比华北、华南和印度板块的都要低;岩石圈流变结构的横向分布特征与重力梯度带和地形过渡带比较一致.

南海西沙海槽岩石圈的密度结构与热-流变结构

在中德合作获得的速度－深度模型基础上，通过重力异常拟合以及地温场和流变性质的估算，获得了西沙海槽的密度结构、热结构和流变结构。计算表明，海槽中部上地壳的密度比两侧低；“热”岩石圈底界在海槽中部埋深为54 km，向南北两侧逐渐加深，在神弧隆起区为76km，在西沙－中沙地块达到 70km；地壳热流贡献量比地幔热流小，海底热流主要来自深部；在海槽中部地幔热流最高，并且具有较高的流变强度；研究区的流变学结构具有纵向分层性及横向变化的特点，向两侧韧性层变厚，脆性层逐渐减薄。地幔顶部的脆性层底界埋深大约为26km左右，相当于 650℃等温线。分析表明，海槽中部强度增加主要归因于后期的热松弛，而块体空间移动困难以及西南次海盆的扩张可能是西沙海槽没有进一步破裂的重要原因。

南海成因机制及北部岩石圈热-流变结构研究进展

南海是西太平洋地区最大的边缘海之一,其北部具有被动大陆边缘特征。南海的形成演化动力学过程对理解该区地质、资源、环境等科学问题有重要意义。综述了近年来在南海北部大陆边缘开展的岩石圈热状态、流变学及南海成因机制和国际上伸展盆地成因数值模拟等方面的研究进展。南海北部大陆边缘区的大地热流相对较高,平均为75 mW/m2,其中绝大部分为来自地幔热流的贡献。莫霍面温度亦较高,从陆架向海盆方向,深部地温越来越高。岩石圈具有温度高、强度低和强烈流变分层等特征,且下地壳表现为韧性流动变形。伸展盆地成因模拟研究已从运动学向动力学模拟过渡,并逐渐强调岩石圈流变学性质的影响。目前对南海成因机制的理解仍存在争议,大陆裂解过程中岩石圈热-流变结构随时间的变化是控制南海形成演化的关键因素,对南海形成中岩石圈的热-流变学结构随时间的演化过程需要进行深入研究。

龙门山断层脆-塑性转化带流变结构与汶川地震孕震机制

汶川地震发震断层为高角度逆断层,这种断层滑动和发生强震需要断层深部具备特殊的力学条件.发震断层地区地表出露若干韧性剪切带,其中不同类型石英变形具有不同的变形温度.细粒糜棱岩中的石英表现为高温位错蠕变,变形温度为500～ 700℃;含残斑初糜棱岩中的石英表现为中温位错蠕变,其变形温度为400 ～ 500℃;早期石英脉中的石英表现为低温位错蠕变,变形温度为280～ 400℃;晚期石英脉以碎裂变形为主,其变形温度为150～ 250℃.石英的这些变形特征显示出断层带经历了多期脆-塑性转化.根据糜棱岩中的重结晶石英的粒度估计的断层塑性流动应力为15 ～ 80MPa.石英和长石内的微量水以晶体缺陷水、颗粒边界水和流体包裹体水的形式存在,水含量随岩石的应变增加而升高,变化范围为0.01～0.15wt％.断层脆-塑性转化带内石英含有大量与裂隙愈合相关的次生流体包裹体,其捕获温度为330～350℃,流体压力为70～405MPa,估计的流体压力系数为0.16～0.9,代表强震发生后,断层带内产生的大量微裂隙逐渐愈合过程中的流体特征.在考虑断层带流体压力和应变速率变化条件下,利用石英流变参数建立了从间震期到地震成核阶段断层脆-塑性转化带流变结构和震后快速蠕滑阶段断层脆-塑性转化带流变结构.结果表明,在间震期、地震成核阶段、震后快速滑动阶段,断层强度和脆-塑性转化深度随应变速率和流体压力变化而变化,且脆-塑性转化特征与石英的变形机制、断层速度弱化和强化转化深度、汶川地震震源深度等吻合,显示映秀-北川断层具备摩擦滑动速度弱化和地震成核的基础,而断层带内存在高压流体可能是触发高角度逆断层滑动和汶川地震发生的主要机制.

汶川地震区的流变结构与发震高角度逆断层滑动的力学条件

本文利用龙门山地区的地质、地球物理剖面、弹性波速和流变实验数据等,建立了汶川地震相关构造单元的地壳流变结构.川西高原和龙门山构造带的地壳流变结构中存在多个塑性流变层,而四川盆地地壳基本没有出现塑性流变层,这种复杂的流变结构是汶川地震孕育和发生的基础.岩石破裂-黏滑-摩擦实验表明,以二长花岗岩为代表的震源区岩石具有很高的破裂强度和摩擦强度,能够承受极大的差应力和积累巨大的能量,这是高角度逆断层能够滑动和汶川地震强度大的原因之一.高流体压力是高角度逆断层滑动和触发汶川地震的另一个必要条件,而龙门山断层带内可能存在这种比较高的流体压力.

南华北盆地群岩石圈热-流变结构

结合南华北盆地群现代地温场资料和深部地震测深资料及岩石热物性参数，对南华北盆地群的热结构进行了研究。结果表明，南华北盆地群平均热流值为53．7mW／m^2，地幔热流为30～34mW／m^2，莫霍面温度为500～550％，热岩石圈厚度为110～130km。在此基础上，进行了岩石圈流变模拟，探讨了研究区的岩石圈流变特征及其地球动力学意义。南华北盆地群岩石圈强度为（7．6～23．3）×10^12N／m，具有显著的“三明治”结构。上地壳表现为脆性变形，中、下地壳为韧性的流动变形。这一分层变形机制决定了南华北盆地群的成盆演化动力学过程。

一种表征原油流变结构随温度变化的新方法

含蜡原油在从高温到低温的变化过程中 ,由于蜡晶析出而具有不同的粘弹特性。粘弹性的强弱与原油中的蜡晶浓度、蜡晶聚集状态和相互作用性质以及液态油的组成等所形成的流变结构有关。对中原和长庆原油的实验表明 ,原油在小振幅剪切振荡实验条件下粘弹性参数的大小及其特殊变化温度可以综合反映原油的流变结构随温度变化的特点 ,并可用于评价改性原油的改性效果。

岩石破裂强度的温度和应变率效应及其对岩石圈流变结构的影响

研究了温度和应变率对岩石破裂强度的影响,得到了岩石圈中一些典型岩石破裂强度的新的经验规律.新的经验规律除考虑围压和标本尺度的影响外,还考虑了温度和应变率的影响,并增加了新岩石的结果,所以更能反映岩石圈内岩石破裂的真实状态.通过对鄂尔多斯平均流变结构的计算和对比研究表明:传统的忽略脆性破裂的流变模型过高地估计了流变强度,流变机制的分布也不尽合理.而考虑了脆性破裂机制的流变模型的结果表明脆性区分为两部分,浅部以摩擦滑动机制控制,深部以脆性破裂机制控制.由于新的经验规律考虑的代表性岩石更全面,并考虑了应变率的影响,得到的脆性区的范围进一步增大,流变强度进一步降低.

岩石圈流变结构的一种新的应变率约束

对目前存在的 3种应变率约束条件 (常应变率 ,常构造力 ,与应变率有关的构造力约束 )进行了讨论 ,它们都不能真实地反映岩石圈内的应变率分布及实际观测 .基于近几年GPS测量的研究结果 ,提出利用GPS实测应变率对岩石圈流变结构进行约束的新方法 .对华北地区实际流变剖面的计算结果表明 ,本文方法克服了上述三种约束条件的不足 ,利用它所确定的岩石圈流变结构更为合理 ,在流变性质上较好地反映了与大地构造的对应关系 ,而且一定程度上反映岩石圈内各种状态参量及物质参量对流变结构的影响 .

南沙海槽岩石圈热-流变结构与动力学演化分析

南沙海槽前陆盆地是我国南海南缘陆架区重要的含油气盆地,海槽之下陆壳减薄的原因、前陆区逆冲推覆构造的变形机制是南海地球动力学研究的重要科学问题。利用地震、重磁、地热观测资料,依据地震沉积地层分析、重磁反演分析、地幔流应力场分析、热-流变学分析方法,文中计算了南沙海区地壳结构特征、南沙海槽逆冲推覆热-流变学结构。结果表明:南沙海区Moho面深度在18~26km,其中海槽区Moho面最浅,由海槽中心向东南至陆坡,Moho面由20km快速下降到26km深度,说明南沙海区陆壳结构曾发生过强烈的构造变动。南沙海区地壳累积流变强度FC与岩石圈累积流变强度FL之比小于80%,显示为一个整体陆壳地块,岛礁区大部分地段地壳热流QC与海底热流Q0之比大于60%,为"热壳冷幔"型热结构,而海槽区情况正相反,QC/Q0小于40%,为"冷壳热幔"型热结构。南沙海槽Moho面温度在300~700℃,地壳整体温度较低,地温梯度在垂向上高、低相间成层分布,地壳浅层地温梯度在15~30℃/km,深层地温梯度大于45℃/km。南沙海槽南北两侧应力分布特征不同,北侧挤压,南侧伸展。北侧挤压区,地层挤压收缩量由深向浅减小,南侧伸展区,地层伸展量由深向浅增大,类似手风琴风箱结构。北侧黏滞系数高、流变强度大,南侧黏滞系数低、流变强度小。南侧的黏滞系数、流变强度大约比北侧低2~3个数量级,因此南沙海槽南侧比北侧更容易发生构造变形。由计算结果推测,南沙Moho面起伏或陆壳减薄与"地壳重力均衡作用"和"地幔热隆升作用"有关,海槽东南缘逆冲推覆体构造变形机制主要是"地壳缩短"作用,其次是"重力滑脱"作用。文中没有涉及南沙陆块不同地质时期Moho面、"地壳均衡"、"地幔热隆升"之间的演化关系,也没有涉及南沙海槽基底变形中"弹性挠曲"和"逆冲推覆"之间的关系。

大陆岩石圈流变结构研究进展及存在问题

自20世纪60年代以来,大陆岩石圈流变学取得了较大的进展,理论和应用研究不断深入.理论上,人们不仅认识到在构造运动中岩石圈介质是流变体而非简单的刚体性和弹性体;并利用矿物和岩石的实验结果提出了岩石圈流变分层的概念,建立了一维流变模型;进而用流变的观点解释了一些具体构造现象,而且开始了三维流变结构的研究,提出了岩石圈流变结构的横向分块纵向分层的观点.应用上,人们已从把流变强度曲线简单地运用于运动学或动力学模型的阶段,进入了在三维空间中定量研究地球动力学问题的阶段.随着岩石圈流变学研究的深入及大陆岩石圈的复杂性,新的问题也不断涌现.

南海北部地震震源深度特征与岩石圈流变结构的关系研究

利用收集的地震深度数据,讨论了南海北部及周缘陆区不同地壳结构地震震源深度的分布特征,结果表明:(1)华南大陆、大陆架、大陆坡区壳内地震分布的下界深度在30 km左右,平均深度华南大陆最浅、大陆架区次之,大陆坡区最深;(2)华南沿海大陆型地壳区地震集中分布于5￣15 km的“优势层”内;大陆架和大陆坡区地震的垂向分布也具有“优势层,”但厚度明显增加;而在南海海盆区,地震深度分布范围较大,有相当数量的地震分布于地幔内;(3)地震震源深度的分布特征与岩石圈热—流变结构密切相关,地震主要分布于地壳(岩石圈)的脆性层内。由于南海北部由陆向海脆性层底界深度加深,导致了地震“优势层”厚度加厚。(4)地壳上层的流变结构可能对南海北部及周缘陆区地震的发生有重要影响。

光纤传感网络用于电磁流变结构的特性测试与工程控制

电流变材料(Electrorheological-ER)是近年出现的能够在外加电场作用下改变性能的新材料,光纤传感器以其优良的抗电磁干扰能力成为ER构件的性能测试和应用研究中的首选.智能结构使用的难点之一是根据实际使用的目的和结构设计合适的传感器和控制系统.本文先探讨了偏振光纤传感器测量ER构件的动态应变的基本原理,然后以欧拉- 伯努利(Euler-Bernoulli)梁的横向弯曲振动为例讨论了一种用光纤传感网络判断一维振动的几阶振动模式的方法,进而探讨了二维情况下圆板振动模式的判断,可作为动态情况下智能结构实际使用的参考模式.

光纤传感网络用于电磁流变结构的特性测试与工程控制

讨论了一种先由多个光纤传感器协同工作判断电流变材料振动模式，由计算机控制改变外加电场，进而控制结构振动的方法。

拉张速率和岩石圈流变结构对大陆岩石圈破裂影响的数值模拟研究

拉张速率和岩石圈流变结构是影响大陆岩石圈破裂的重要因素,共同控制大陆裂谷的演化过程,最终形成不同结构的被动大陆边缘。本文通过热‒动力学数值模拟,分析了拉张速率和岩石圈流变结构对初始裂谷形态及最终大陆边缘结构的影响。模拟结果显示,在不同下地壳厚度(15 km或20 km)和拉张速率(半拉张速率为2~50 mm/a)条件下,大陆岩石圈的破裂时间、破裂过程及大陆边缘结构均会发生明显改变。两种不同初始流变结构模型的初始裂谷均为窄裂谷。当下地壳的厚度为15 km时,较慢的拉张速率下(2~5 mm/a)最终产生了对称型大陆边缘,较快的拉张速率下(10~25 mm/a)形成了非对称型大陆边缘。而当下地壳的厚度为20 km时,不同的拉张速率下均形成非对称型大陆边缘。同时,对于不同的岩石圈流变结构,拉张速率越快,岩石圈破裂发生时间越早。在超慢速数值模拟实验中,由于岩石圈破裂时间长,岩石圈热冷却程度较高,上地壳主要发育脆性断裂,壳幔耦合程度较高,进而形成过度伸展的地壳。在超慢拉张速率(2~5 mm/a)和超快拉张速率(50 mm/a)下,大陆边缘对称性较高。对于不同流变结构的岩石圈,在超快拉张速率下会发育类似宽度的共轭大陆边缘。

光纤传感网络用于电磁流变结构的特性测试与工程控制

电流变材料是近年出现的能够在外加电场作用下改变改性性能的新材料，本文讨论了一种先由多个光纤传感器协同工作判断电流变材料振动模式，然后由计算机控制改变外加电场，进而制结构振动方法。

穿地壳岩浆系统改变岩石圈流变和热结构

以山东东部穿地壳岩浆系统为例,通过研究岩石圈流变结构和热结构,结合已有野外探勘及地球物理数据,对山东东部地壳演变进行还原和解释,并且进一步建立穿地壳岩浆系统的岩浆深部热效应模型,考察岩石圈深部动力学演化机制。初步估算靶区地温,对山东东部地区超过6 km岩石圈结构及其地热储集体展布进行预测,进一步阐述山东东部深部地热储集体形成理论模型。结果表明:华北克拉通太古宙形成具有稳定刚性的陆壳,花岗岩主要以未变质或浅变质的表壳岩为主;中生代以来受华北克拉通基底不稳定,经历强烈构造-岩浆活动,产生强烈构造变形,岩石圈地幔发生拆沉和置换;晚中生代山东东部由于深部构造活动剧烈,穿地壳岩浆沿大型断裂上涌至喷出地表,伴随热隆效应及同化混染;岩石圈厚度减薄,地幔上涌至上、中地壳,伴随表壳岩熔融,其中富含不相容的放射性元素随岩浆再次上涌,不断向浅部地壳输送生热的放射性元素,从而使得岩石圈热结构及流变结构改变。