俯沖板塊斷離與碰撞造山帶早期隆升的數(shù)值研究

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1、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文俯沖板塊斷離與碰撞造山帶早期隆升的數(shù)值研究姓名:李力剛申請學(xué)位級別:博士專業(yè):地球物理學(xué)指導(dǎo)教師:傅容珊19990901中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士論文摘要本文從板塊構(gòu)造學(xué)說出發(fā),用數(shù)值模擬的方法定量地描述了以海洋板塊俯沖為前導(dǎo)的夏菌寢瑛藏蘧碲i幣西蓓陸文將俯瀋板塊的天陸和海洋巖石層部分分別稱為大陸板塊和海洋板塊j,詳細(xì)敘述了在天陸板塊俯沖時影響俯沖區(qū)域熱結(jié)構(gòu)的各種主要因素,計算了在此熱結(jié)構(gòu)下值壁堡墊的!星堡墮塑及霎芝I撞強,并討論了萱曼盟!喲連堂塹墊從廈堡!鼬的盔瞳蜇塊斷離(breako毋的可能性以及影響板塊斷離深度的因素。此外,本

2、文還用一維和準(zhǔn)二維的數(shù)值模型模擬了在俯沖板塊斷離發(fā)生后巖石層的隆升過程,討論了板塊不同的俯沖角度和斷離深度對巖石層隆升的影響,并認(rèn)為俯沖板塊斷黌后的巖石層隆升是碰撞造山帶階段性隆舞的早期過程。最后,本文從以上的觀點出發(fā),分別探討了青藏高原的早期鷹囂過程以及大別山超高壓變質(zhì)巖折返的動力學(xué)機(jī)制。,一7(盡管地球物理學(xué)家早就指出大陸碰撞之后,由于大陸地殼的浮力,大陸板塊不能夠無限制地俯沖,然而由于制約大陸板塊俯沖的因素過于復(fù)雜,以至迄今為止并未見有對大陸板塊俯沖過程的定量描述。大陸板塊俯沖是以海洋板塊俯沖為前導(dǎo)的,本文第一章假設(shè)在未發(fā)生大陸板塊俯沖時,海洋板塊

3、的俯沖是勻速的,即沿板塊方向的合力為零,由此引入大陸板塊俯沖時俯沖板塊受到的陸殼浮力以及受俯沖速度影響的粘滯阻力,構(gòu)造了一個簡單的一維動力學(xué)方程,第一次以定量的方式描述了大陸板塊的減速俯沖過程。計算結(jié)果表明,大陸板塊俯沖的深度受到俯沖初速度、俯沖角度以及地幔粘滯性等的影響,其最大的俯沖深度在200km左右,一般情況下,大陸板塊能在2-4Ma時間內(nèi)俯沖至80-140kin的深度。在大陸板塊俯沖的過程中,影響俯沖區(qū)域熱結(jié)構(gòu)的因素有:1.地殼、地幔各分層巖石的熱力學(xué)性質(zhì),2.熱源。包括絕熱自壓生熱、放射性生熱、相變生熱,3.俯沖板塊的運動,包括不斷減小的俯沖速

4、度以及俯沖角度等。在考慮以上各因素的基礎(chǔ)上,本文第二章構(gòu)造了一個二維模型。首次考慮了大陸俯沖的減速過程,使用有限差分算法詳細(xì)計算了俯沖區(qū)域的熱結(jié)構(gòu)。而后,從計算的熱結(jié)構(gòu)出發(fā),使用巖石低溫下的脆性形變和高溫下的延展性形變公式(冪指數(shù)定律)計算了俯沖板塊的強度結(jié)構(gòu)并進(jìn)而得到板塊的“積分強度”(板塊強度在厚度方向的積分),將海洋板塊與大陸板塊交接部位的積分強度與板塊受到的拉張力進(jìn)行比較,便可以對俯沖板塊斷離的可能性作出判斷。考慮到海洋板塊與大陸板塊交接部位的深度是大陸俯沖時間的函數(shù).因此也可據(jù)此得出板塊斷離的大致時間。在第二章的末尾,列出了在不同俯沖速度、俯沖

5、角度等情況下,板塊斷離的深度和時間。俯沖板塊斷離后的必然結(jié)果便是由俯沖陸殼浮力引起的俯沖區(qū)域巖石層隆升,本文第三章分別以一維和準(zhǔn)二維的動力學(xué)數(shù)值模型首次模擬了斷離后的巖石層隆升。在一維模型中將整個隆升的巖石層模擬成一個柱體,而在準(zhǔn)二維模型中,將隆升的巖石層在水平方向上等分成多個不同的柱體,探討這些柱體在相互影響中的隆升。兩個模型唯一的隆升動力是俯沖陸殼的浮力,在準(zhǔn)二維模型中,各柱體側(cè)面的阻力則以更接近實際情況的脆性和延性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系代替了一維模型中簡單的粘滯性假設(shè)。在對各柱體列出隆升動力學(xué)方程后,通過改進(jìn)的Gear算法對此大復(fù)雜度,強剛性的剛性方程組進(jìn)

6、行了計算,得到的結(jié)果是:俯沖板塊斷離后巖石層的隆升是由板塊斷離的深度,板塊俯沖角度決定的,在巖石層隆升過程中,表面剝蝕的作用不可忽視:巖石層隆升和地表隆起呈現(xiàn)不對稱性,且隆升幅度的最大位置受到斷離深度和俯沖角度的控制:在隆升幅度最大位置的左右兩側(cè),隆升和隆起幅度逐漸遞減;俯沖板塊斷離深度越大,則巖石層隆升幅度越大、速度越快,地表隆起亦是如此,且隆升和隆起幅度最大值的水平位置隨著斷離深度的增大也將向板塊俯沖的方向右移;在相同的斷離深度下,俯沖角度的變化不影響巖石層的最終隆升量,但影響隆升的速度;俯沖角度越小,板塊斷離后巖石層的前期隆升較快;較小的俯沖角度將

7、導(dǎo)致較大的地表隆起高度,且隆升和隆起幅度最大值的水平位置隨俯沖角度減小而向板塊俯沖的方向右移,隆升和隆起的范圍增大。本章不僅給出了不同情況下巖石層隆升和地表隆起的對比結(jié)果,而且形象地分別描繪了在80kin、120kin、160kin、200km斷離深度下、俯沖角度為30。、45。、60。時的巖石層隆升過程示意圖。青藏高原的形成在空間和時間域上表現(xiàn)為一個非均一的多階段復(fù)雜過程,我們現(xiàn)在認(rèn)識到它的形成不僅僅是由于巖石層內(nèi)部的構(gòu)造作用,而且還與地幔的動力學(xué)過程密切相關(guān)。依據(jù)傅容珊教授提出的青藏高原隆升三階段模式03CCM,“斷離(breako毋隆升”一“擠壓(

8、compression)隆升”一“對流(convection)隆升”),本文第四

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