克拉通巖石圈重力不穩(wěn)定過程的數(shù)值模擬及其動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

1、克拉通巖石圈重力不穩(wěn)定過程的數(shù)值模擬及其動(dòng)力學(xué)響應(yīng)作為大陸內(nèi)部最古老的組成部分,克拉通一般認(rèn)為可以抵抗地幔對(duì)流的作用而穩(wěn)定存在長(zhǎng)達(dá)幾十億年?？死ǖ貐^(qū)通常具有低的表面熱流和厚的、冷的地幔巖石圈。相比于下覆軟流圈地幔而言,克拉通地幔巖石圈在化學(xué)組分上是虧損的,因而具有低的化學(xué)組分密度從而是有浮力的。熔融虧損作用以及低溫使得克拉通巖石圈地幔具有較高的強(qiáng)度（粘性）?？死◣r石圈的化學(xué)組分浮力以及高粘性有助于維持克拉通的穩(wěn)定性,因而在克拉通的演化過程中起著重要的作用。然而,并不是所有的克拉通都是一直保持穩(wěn)定的,人們同樣發(fā)現(xiàn)有一部分克拉通遭到了一定程度的破壞和改造。因此,研究克拉通的穩(wěn)定與破壞過程是理解

2、大陸演化歷史必不可少的組成部分。中國(guó)的華北克拉通是克拉通破壞的一個(gè)典型的例子。華北克拉通東部自中生代-新生代以來發(fā)育有大規(guī)模的巖漿活動(dòng),而且地球化學(xué)和地球物理學(xué)研究表明華北克拉通東部不僅是巖石圈的厚度和熱狀態(tài)發(fā)生了改變,其巖石圈地幔的化學(xué)組分也發(fā)生了改變。盡管目前大量觀測(cè)證據(jù)證實(shí)華北克拉通遭到了破壞,但是仍然有很多問題還有待解決,例如克拉通破壞的動(dòng)力學(xué)過程,克拉通破壞的時(shí)空尺度等等。為解釋不同的地球化學(xué)觀測(cè)證據(jù)人們提出了不同的克拉通破壞機(jī)制,例如拆沉、熱-化學(xué)侵蝕、熔體-橄欖巖相互作用以及水化作用等。然而這些破壞機(jī)制都缺乏地球動(dòng)力學(xué)模型的支持。本文的主要研究目的就是通過利用動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法研

3、究克拉通巖石圈前人關(guān)于克拉通巖石圈重力不穩(wěn)定過程的研究主要是實(shí)驗(yàn)室條件下基于牛頓流體流變性質(zhì)的討論。本文建立二維熱-化學(xué)對(duì)流模型,研究非牛頓流體流變條件下克拉通巖石圈在重力不穩(wěn)定性作用下的動(dòng)力學(xué)演化過程及其引起的表面響應(yīng),包括不穩(wěn)定過程的演化模式、時(shí)間和空間尺度,以及地形和熱流響應(yīng)等等。數(shù)值結(jié)果顯示,非牛頓流變性質(zhì)可以有效的減小克拉通巖石圈的粘性,因而在克拉通巖石圈的不穩(wěn)定過程中起著非常重要的作用。在非牛頓流變條件下,克拉通巖石圈的不穩(wěn)定過程表現(xiàn)為分期、多階段的特征而且持續(xù)時(shí)間超過100Myr。華北克拉通東部新生代和中生代時(shí)期巖漿活動(dòng)具有幕式分布特征而且持續(xù)時(shí)間接近100Myr。因此,我們的數(shù)

4、值模擬結(jié)果可以很好的解釋華北克拉通破壞時(shí)期的巖漿活動(dòng)特征。而且我們發(fā)現(xiàn),克拉通巖石圈的不穩(wěn)定過程開始于巖石圈的淺部,這使得在破壞早期有大量的熱的軟流圈物質(zhì)上涌到達(dá)下地殼底部,因此可以為下地殼的榴輝巖化提供足夠的溫度,從而為地球化學(xué)觀測(cè)到的華北地區(qū)下地殼榴輝巖的存在提供動(dòng)力學(xué)支持。同時(shí),一部分失穩(wěn)的克拉通巖石圈物質(zhì)會(huì)返回到巖石圈層并與上升的軟流圈地幔物質(zhì)混合,這也解釋了華北地區(qū)古老的克拉通巖石圈地幔和新生海洋型巖石圈地幔并存的地球化學(xué)觀測(cè)。因此,本文的模擬結(jié)果所給出的巖石圈不穩(wěn)定過程為華北克拉通破壞的動(dòng)力學(xué)過程提供了很好的解釋。地形和熱流是巖石圈不穩(wěn)定過程在表面最直接的響應(yīng),主要受巖石圈熱-化學(xué)結(jié)構(gòu)變化的控制,因此可以用來約束克拉通破壞的動(dòng)力學(xué)過程。數(shù)值模擬結(jié)果顯示,克拉通巖石圈的重力不穩(wěn)定過程會(huì)抬升失穩(wěn)區(qū)域的地形和熱流,這與華北克拉通東高西低的殘余地形和熱流特征基本一致。我們的數(shù)值模擬也為定量化的研究克拉通破壞以后古老的巖石圈地幔物質(zhì)殘留提供了一個(gè)可行的辦法。根據(jù)華北克拉通東西部