新生代华南及邻区上地幔各向...性深部动力学机制的数值模拟_郑群凡.pdf
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1、第 卷 第期 年月地球物理学报 ,郑群凡,张怀,王勤等 新生代华南及邻区上地幔各向异性深部动力学机制的数值模拟地球物理学报,():,:,:.(),():,:新生代华南及邻区上地幔各向异性深部动力学机制的数值模拟郑群凡,张怀,王勤,张振,石耀霖中国科学院大学地球与行星科学学院,计算地球动力学重点实验室,北京 南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室,南京大学地球科学与工程学院,南京 摘要晚中生代以来,华南地区同时受到印度欧亚板块碰撞和太平洋菲律宾板块俯冲及后撤作用的影响,壳幔结构复杂 深入了解华南地区深部地幔流模式和地幔各向异性特征是认识华南复杂的深部构造演化过程与动力学机制的基础 本文采
2、用三维全球地幔对流模型,从软流圈剪切变形的角度计算了软流圈的各向异性,尝试探讨了华南地区各向异性的起源和深部地幔流特征 华南地块东部,软流圈各向异性呈 向,各向异性主要来源于软流圈,壳幔具有垂直连贯的变形特征;南北构造带的中段,软流圈各向异性大致为 向,这一区域的造山作用虽然对岩石圈造成了巨大变形,但是并未显著影响软流圈变形,并且各向异性的主要来源可能是岩石圈地幔;在南北构造带中,可能是地幔各向异性的过渡带,以南的川滇地区,软流圈各向异性的方向出现了环形特征;菲律宾板块向欧亚板块下的俯冲到达地幔转换带,这种俯冲可能带动了西太平洋地幔向华南块体下的流动;华南地区的软流圈流场自西向东显示出顺时针旋
3、转的特征,并在扬子板块东部与来自菲律宾板块下的西南向的地幔流相遇关键词地幔对流;各向异性;软流圈;华南;数值模型 :中图分类号 收稿日期 ,收修定稿基金项目国家自然科学杰出青年基金()和科技部国家重点研发计划“非常规油气三维地震成像的数学方法与超分辨反演高效算法”()资助第一作者简介郑群凡,女,年生,博士研究生,主要从事地球动力学数值模拟研究 :通讯作者张怀,男,年生,教授,博士生导师,主要从事计算地球动力学研究 :,地 球 物 理 学 报()卷 ,;引言华南地区位于欧亚板块的东南部,主要由扬子克拉通和华夏地块构成,其西部与松潘甘孜地块、羌塘地块和拉萨地块相邻(图)其北部以秦岭大别造山带为界与
4、华北克拉通相邻,东部与菲律宾板块相邻 晚中生代到新生代以来,华南地块同时受到印度欧亚板块碰撞和太平洋菲律宾板块的俯冲及后撤作用,西部处于挤压应力场,而东部则处于弧后拉伸的区域应力场状态(,;,;,;,),向的拉张应力场主导了中国东部的裂谷作用(,)新生代以来,太平洋板块、缅甸板块和菲律宾板块在 东 亚 地 区 周 缘 发 生 强 烈 的 俯 冲 碰 撞(,),深俯冲的板块可能带动了地幔流的上升,沿着晚中生代已形成的岩浆通道上涌到浅部从而使上地幔表现为低速异常(,)中国东部的各向异性被认为不仅来自于岩石圈,还来自于软流圈(常利军等,)横波分裂测量结果显示华南大部分地区各向异性的快波方向是近 向的
5、(图),与绝对板块运动方向和 方向近乎一致,因此各向异性被认为主要来自于软流圈(常利军等,;,;,)青藏高原东南缘的各向异性特征复杂,各向异性快波方向从四川地区的向,转为云南地区的 向(图)(,;常利军等,)现今的华南地块岩石圈厚度自东南沿海向西北图()华南地块及邻区构造简图;()横波分裂测量结果(蓝线各向异性来自 ,;红线各向异性来自 ,;黑线各向异性来自常利军等,;绿线各向异性来自常利军等,;黄线各向异性来自 ,;紫线各向异性来自 ,)();()()(),()(),()(),()(),()()()()期郑群凡等:新生代华南及邻区上地幔各向异性深部动力学机制的数值模拟内陆增加(于大勇等,),
6、华夏地块和扬子克拉通的东部岩石圈厚度远小于扬子克拉通西部的岩石圈厚度(,)扬子克拉通在 (郯庐断裂带南段)以东的岩石圈可能被来自华夏地块下的热的软流圈物质“活化”(曲平等,)地震学观测显示中国东部地幔转换带内存在近水平展布的高速异常,而上地幔广泛存在低速异常(,;,;,)地壳和地幔普遍存在不同程度的各向异性 了解地壳和上地幔变形的重要方法之一就是地震各向异性研究(,;,)地震各向异性记录了地球内部各个圈层过去和现今发生的变形,为人们了解地球内部结构和演化提供了丰富的信息在构造稳定区,各向异性保留了历史构造活动的记录(,)在构造活动活跃的地区,各向异性反映的是现今的构造运动 上地壳各向异性主要是
7、由含液体的裂隙或孔隙在应力作用下定向排列造成各向异性(,),中下地壳中各向异性主要是黑云母和角闪石等各向异性矿物在低黏滞度的坏境中晶格优势排列造成的(,;,)在上地幔中,各向异性主要是由于地幔物质形变导致的橄榄岩晶格的优势排列()造成的(,;,;,;,)一般认为,板块运动是导致地幔物质形变的最直接的原因,并且板块运动的速度和方向与上地幔各向异性的方向和强度相关(,;,)地表板块与软流圈之间的相对运动会在软流圈产生与简单剪切一致的 变 形结 构(,;,),橄榄岩晶格的优势排列方向被认为平行于这种剪切的方向(,;,)较之相对年轻的海洋区域,大陆内部的横波分裂测量包含的信息更为复杂地球历史上发生的构
8、造过程被记录在大陆岩石圈“冻结”的各向异性中(,;,),其对横波分裂测量到的地震各向异性信号的贡献尚不清楚,与记录现今地幔流状态的软流圈各向异性往往难以区分开来(,)在对大陆地区壳幔耦合变形、深部演化过程等大陆动力学研究中,上地幔各向异性是关键问题之一青藏高原东南缘与华南地块相连,这一区域的地幔流状态及软流圈各向异性对理解壳幔变形特征,印度欧亚碰撞和太平洋菲律宾板块俯冲作用的远场效应和各向异性的起源等问题至关重要本文从数值模拟的角度探讨了华南地区地幔各向异性和流场特征,为进一步认识这一区域的大陆动力学和演化过程提供了新的约束模型与数值方法 控制方程及流变学性质由于岩石圈和地幔可被视为可压缩斯托
9、克斯流体,模型的控制方程为:(),()()()(),()()(),()其中()()为应变率,为速度,为压力,为密度,为温度,为黏度,为热导率,为热膨胀系数,为等压热容,为单位矩阵,为重力加速度黏性流变特征由依赖温度和压力的扩散蠕变定义:(),()其中为活化能,为活化体积,为气体常数,为不依赖于含水量和粒径的常数因子本研究的动力学数值模型采用开源并行有限元代码 (,)(:)来实现 该软件可对特定研究区域进行自适应加密,并已被广泛应用于各种地球科学问题的模拟研究中 更多关于可压缩地幔对流模拟的技术细节,可参考软件手册(:)和相关文献(,;,;,)模型设置本文在三维全球地幔对流框架下研究区域问题模型
10、采用网格局部加密的方法,在疏松的全球网格中对特定研究区域进行加密 以往相关问题的二维模型或三维六面体模型往往需要人为施加侧边或底边的边界条件,而本研究采用全球模型,只需要考虑地表的边界条件,减少了边界条件的影响,使得模型更加的合理 采用局部加密的方法,大大减少了计地 球 物 理 学 报()卷算量,使得在全球框架下聚焦局部区域这一方法更加可行模型几何为外半径 ,内半径 的球壳 主要研究区域为华南地区(,)(图),关注的深度为 研究区域网格加密到层,水平分辨率约为 ,研究区域之外的全球模型网格加密层,水平分辨率约为 (图)为了便于计算,除了网格局部加密之外,模型还采用了自适应加密,在一些区域程序自
11、动根据需要进行加密,但均不超过层 径向最大和最小分辨率分别约为 和 图研究区域网格加密示意图()全球网格;()穿过研究区域的截面网格 图()中红线为图()截面的位置 ();()()()我们用 将重构的现今全球板块运动模型生成 的数据施加在模型上(,),作为地表速度边界条件 模型计算时间为 模型底边界为自由滑动 模型外边界温度为 ,内边界温度为 (,)初始温度场为绝热剖面,上下热边界层通过半空间冷却 模 型 计 算 我 们 使 用 热 动 力 学 代 码 (:)生成一个地幔岩成 分(,)的 数 据 库(,),将不同温压下对应的不同的密度、热扩散系数、比热等物性参数作为模型的材料参数为了探究上下地
12、幔边界上的黏度跃变对地幔流场和软流圈各向异性的影响,我们设计了个具有不同黏度结构的模型在 深度上,模型中的下地幔黏度分别是上地幔黏度的 倍,倍和 倍 参考前人的研究(,;,),黏度流变参数见表 我们对黏度变化范围进行了限制,使其不超过 深度平均的初始黏度剖面和初始温度场见图 软流圈各向异性板块运动是导致地幔物质变形和地幔各向异性的最直接的原因(,;丁志峰和曾融生,)构造板块和地幔之间的相对运动造成了软流表数值模型采用的黏度流变参数 参数符号(单位)上地幔()下地幔()活化能()活化体积()常数因子()(模型:上下地幔黏度跃变 倍)(模型:上下地幔黏度跃变 倍)(模型:上下地幔黏度跃变 倍)气体
13、常数()圈深度的剪切流,控制了晶格优选定向()的形成(,)岩石圈底部速度(与一般近似认为的刚性岩石圈的地表速度相同)与软流圈主要层位速度之间的差异使得原来随机分布的晶轴方向发生改变,从而产生上地幔各向异性 因此,地表运动速度和软流层地幔流场速度的差异可作为各向异性的一阶近似(,)本文以这种相对运动产生的速度差来近似晶格优选定向(),即:,()其中 为 深度上计算得到的水平流场期郑群凡等:新生代华南及邻区上地幔各向异性深部动力学机制的数值模拟图()初始黏度剖面;()初始温度场 ();()速度,为模型地表的速度 代表了软流圈流场的速度,的方向代表了软流圈各向异性的方向数值模拟结果我们将研究区域从三
14、维全球模型中截出,展示水平流场和典型剖面 (剖面位置见图)上的流场,讨论华南地区软流圈各向异性及菲律宾板块向华南下的俯冲,并探究上下地幔黏度跃变这一因素的影响 软流圈各向异性预测对于软流圈水平流场,个模型的计算结果基本是一致的(图),即上下地幔边界的黏度跃变从 倍至 倍,均不会对软流圈的水平地幔流场产生显著影响 计算结果显示,软流圈水平流场速度在青藏高原东南缘基本为向东和东南,在扬子克拉通下为东南方向 在华夏地块下,东南向的地幔流与西南向的地幔流在 范围内相遇 整体来看,华南地区的软流圈流场自西向东显示出从向东到向东南的大尺度顺时针旋转的特征,并在东南沿海地区与来自菲律宾板块下的西南向的地幔流
15、相遇 总体来看,华南的大部分地区软流圈地幔流都是近东南向的(图),与地表的绝对板块运动大体一致(图),差异主要发生在周缘,即与印度板块交界的位置和东南沿海地带,这可能是由于新生代以来的印度欧亚板块碰撞和菲律宾板块的俯冲造成的前人往往将 观测与地幔各向异性相对比,然而 速度取决于使用的坐标系且仅表示地表的运动速度 而橄榄石晶体的定向排列被认为是平行于剪切的方向,这使得我们可以从软流圈与岩石圈之间的相对运动的角度来探讨现今的地震各向异性 图显示了模型预测的软流圈各向异性,其中线段的方向代表预测的各向异性的方向,线段的颜色代表软流圈与地表速度差的大小,速度差越小代表预测的软流圈各向异性的强度越小 以
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