中国大陆及邻区岩石圈热流变结构模拟计算及应用

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岩石圈的流变性质是控制岩石圈构造形变的主要因素之一,是探讨岩石圈动力学的基础研究之一。岩石圈的流变结构与岩石圈的物质组成,温度分布,压力状态和应变率有密切关系。因此,研究岩石圈的流变结构是一个非常复杂的问题。根据近些年来国内外学者的不断研究,对岩石圈流变结构有了纵向分层、横向不均匀的初步认识。但是对于具体的量化计算仍需要不断的深入研究。目前,国内外学者对于中国大陆地区不同块体的流变结构开展了不少研究,但是,在中国大陆及邻区这样的尺度上,还缺乏深入的量化研究。本文主要围绕这一问题展开。  论文主要围绕岩石圈热流变结构进行以下研究:①根据中国大陆及邻区大地热流实测数据,基于Crust2.0模型,在三维球坐标系下,建立了中国大陆及邻区的岩石圈热结构三维有限元模型。给定合理的热边界条件,并充分考虑了热力学参数的各向不均匀性。在稳态热传导方程的基础上对中国大陆及邻区岩石圈热结构进行了有限元数值计算分析,给出了温度、热流在不同深度的分布图和部分剖面图。②根据计算出来的中国大陆及邻区岩石圈三维温度场,在参考前人给出的岩石圈分层流变参数和中国大陆地区GPS观测数据得到的应变率场,详细计算了中国大陆及邻区岩石圈的强度和等效粘滞性系数。其中考虑了摩擦滑动、脆性破裂和蠕变三种强度机制。给出了整个中国大陆及邻区的岩石圈强度和等效粘滞性系数分布图。③鉴于稳态热传导方程在计算板块边界地区的不足,本文针对台湾地区给出了关于岩石圈流变结构的具体应用,对台湾地区这一构造运动非常复杂的地区进行了岩石圈流变结构的探讨。首先,在分层流变结构计算的基础上,通过建立热-流耦合的有限元模型,对2006年12月26日台湾屏东地震进行了动力学分析,对其发生的动力学机制进行了合理的解释。其次,在流变结构计算的基础上,通过建立台湾地区三维粘性的有限元模型,分析了台湾地区的速度、应力和应变率场分布。同时也重新认识了台湾地区的三维流变结构。  通过以上对中国大陆及邻区岩石圈热流变结构的研究,主要得到以下结论:①对中国大陆及邻区岩石圈热结构的计算表明:中国大陆东部地区和印度板块来自Moho面处的热流要高于中国大陆西部地区(包括新疆的大部、甘肃、青藏高原和云南地区);对于中国大陆及邻区的地壳温度,中国大陆东部地区比西部地区低,印度板块比青藏高原温度低。地壳的这种“冷热”转换地带分别与中国大陆地形的二、三阶梯分界线和板块界线大致相一致,而“冷热”转换地带对应着地壳结构的强烈变化地带,同时也是构造活动比较强烈的地区。②流变结构垂向分层,横向分块的特征在中国大陆地区非常明显。“弱”的下地壳在中国大陆及邻区普遍存在,尤其在青藏高原最为明显。下地壳的流变强度和等效粘滞性系数一般比上地壳、中地壳和岩石圈地幔上部低1-2个数量级。下地壳岩石类型以长英质麻粒岩和镁铁质麻粒岩共同存在能够比较合理解释地震特征的垂向分布。从岩石圈强度和等效粘滞性系数来看,青藏高原和中国大陆西部比中国大陆东部和印度板块要低,而且它们之间的分界线比较明显,大致与板块边界和地形阶梯边界一致。垂向上看,地震活动性高的地区对应着岩石圈强度和等效粘滞性系数数高的地区,这主要与岩石圈的粘性应力积累有关。横向上看,地震活动性高的地区是岩石圈强度低和等效粘滞性系数低的地区,同时也是地形较高的地区,这主要与构造变形特征相关。③对于发生在岩石圈地幔上部的台湾屏东正断层地震,二维有限元数值模拟结果表明屏东地震发生的主要动力学背景与成因为:由于弧-陆碰撞的作用使得台湾地区地壳整体处于北西-南东向压应力状态,但由于柔性下地壳的存在,使得上地壳变形与岩石圈地幔变形解耦,岩石圈地幔板片在俯冲弯曲的过程中,会在其上表面处于拉张状态从而形成正断层机制的地震。对台湾地区三维应力应变场模拟表明:台湾地区存在柔性的下地壳;在台湾纵谷断层地区,等效粘滞性系数比周围其它非断层区域要低2个数量级。
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