数值模拟华北克拉通岩石圈热对流侵蚀减薄机制.pdfVIP

中国地球物理201I ·291· (8)地球内部结构及其动力学 数值模拟华北克拉通岩石圈热对流侵蚀减薄机制 Numericalsimulationofthe lithospherethinning craton intheNorthChina heatconvecUon by 乔彦超1郭子祺2石耀霖1 YanchaoGuo ShiYaolin Qiao Ziqi 1．中国科学院研究生院计算地球动力学实验室 北京100049； 2．中国科学院遥感应用研究所 北京100101 克拉通是地球表面上相对稳定的构造单元，然而，并不是所有的前寒武纪克拉通从它们形成以后都是 处于稳定状态。有些克拉通在新元古代和显生宙由于克拉通再活化而发生减薄。克拉通岩石圈的改造和破 坏已经成为大陆动力学研究的一个热点。形成于早前寒武纪的华北克拉通，其厚的岩石圈根部在显生宙发 生丢失，华北克拉通已经成为世界上研究克拉通活化和再造的典型地区。 对华北岩石圈减薄的具体时间、机制及其控制因素，仍存在争论。Gao等人在燕山地区(辽西兴隆沟)的 研究，获得了下地壳和岩石圈地幔物质进入软流圈地幔的岩石学证据，认为“拆沉作用”是岩石圈减薄的方 式。国内外学者的相关研究，提出了软流圈热物质上涌主导的热侵蚀作用是岩石圈破坏的热一化学／机械侵 蚀方式。Zhang通过分析玄武岩携带的橄榄石捕虏晶和辉石捕虏晶中的环带结构，提出多来源熔体与橄榄 岩相互作用是造成岩石圈地幔性质改变的有效途径。拆沉作用、热一化学／机械侵蚀作用、橄榄岩—熔体相 互作用和机械拉张，以及进入岩石圈的水弱化模型等有关克拉通破坏方式的多种见解，需要数值模拟计算 来检验，并使合理的解释能被大家直观接受。 在地球内部除了全球尺度的大规模对流外，还很可能存在小尺度的上地幔对流。最近二十年来，用数 值模拟或实验模拟的方法对小尺度地幔对流的发生、发展与热演化、重力异常及其波长特征等进行了研究。 小尺度地幔对流的发生主要取决于地幔黏性结构，根据目前对地幔黏性的理解，即使顾及其不确定性，软流 圈中极有可能存在小尺度地幔对流，这与地震学的研究结果相一致。 高压下矿物的蠕变试验表明，地幔、特别是岩石圈的黏度强烈地依赖于温度、压力。关于变黏度问题 的对流研究，自20世纪80年代以来已有相当多的工作。由于问题的复杂性，几乎所有的工作都是利用数 直角坐标和球坐标下，探讨了黏度随温度变化的本构关系对全球地幔对流的影响。 关于华北克拉通岩石圈减薄机制，国内外学者通过各种研究定性的提出了不同的机制。本研究根据最近 几年国内外发表的有关资料，通过数值模拟方法，主要对华北克拉通岩石圈热对流侵蚀的减薄机制进行了 计算。通过我们的计算证实了原来稳定存在的克拉通，如底边界为1673K时的初始情形，在底部温度扰动 升高后，由于浮力驱动的小尺度地幔对流加剧能够使岩石圈发生大规模减薄，减薄速率在mm／Year的量级， 减漳的时间尺度基本都在十几个百万年；计算过程中我们讨论了初始参考等效粘滞系数分别为珂o=1．Oe22 合现今地球物理观测的结果。并且初始参考等效粘滞系数和底边界温度是影响减薄速率的重要因素。