克拉通岩石圈重力不稳定过程的数值模拟及其动力学响应

发布时间：2017-09-14 11:31

  本文关键词：克拉通岩石圈重力不稳定过程的数值模拟及其动力学响应

  更多相关文章： 克拉通 华北克拉通破坏 岩石圈不稳定性 非牛顿流变 地形 热流

【摘要】：作为大陆内部最古老的组成部分,克拉通一般认为可以抵抗地幔对流的作用而稳定存在长达几十亿年。克拉通地区通常具有低的表面热流和厚的、冷的地幔岩石圈。相比于下覆软流圈地幔而言,克拉通地幔岩石圈在化学组分上是亏损的,因而具有低的化学组分密度从而是有浮力的。熔融亏损作用以及低温使得克拉通岩石圈地幔具有较高的强度(粘性)。克拉通岩石圈的化学组分浮力以及高粘性有助于维持克拉通的稳定性,因而在克拉通的演化过程中起着重要的作用。然而,并不是所有的克拉通都是一直保持稳定的,人们同样发现有一部分克拉通遭到了一定程度的破坏和改造。因此,研究克拉通的稳定与破坏过程是理解大陆演化历史必不可少的组成部分。中国的华北克拉通是克拉通破坏的一个典型的例子。华北克拉通东部自中生代-新生代以来发育有大规模的岩浆活动,而且地球化学和地球物理学研究表明华北克拉通东部不仅是岩石圈的厚度和热状态发生了改变,其岩石圈地幔的化学组分也发生了改变。尽管目前大量观测证据证实华北克拉通遭到了破坏,但是仍然有很多问题还有待解决,例如克拉通破坏的动力学过程,克拉通破坏的时空尺度等等。为解释不同的地球化学观测证据人们提出了不同的克拉通破坏机制,例如拆沉、热-化学侵蚀、熔体-橄榄岩相互作用以及水化作用等。然而这些破坏机制都缺乏地球动力学模型的支持。本文的主要研究目的就是通过利用动力学数值模拟方法研究克拉通岩石圈的重力不稳定过程来探讨华北克拉通破坏的动力学过程。前人关于克拉通岩石圈重力不稳定过程的研究主要是实验室条件下基于牛顿流体流变性质的讨论。本文建立二维热-化学对流模型,研究非牛顿流体流变条件下克拉通岩石圈在重力不稳定性作用下的动力学演化过程及其引起的表面响应,包括不稳定过程的演化模式、时间和空间尺度,以及地形和热流响应等等。数值结果显示,非牛顿流变性质可以有效的减小克拉通岩石圈的粘性,因而在克拉通岩石圈的不稳定过程中起着非常重要的作用。在非牛顿流变条件下,克拉通岩石圈的不稳定过程表现为分期、多阶段的特征而且持续时间超过100 Myr。华北克拉通东部新生代和中生代时期岩浆活动具有幕式分布特征而且持续时间接近100 Myr。因此,我们的数值模拟结果可以很好的解释华北克拉通破坏时期的岩浆活动特征。而且我们发现,克拉通岩石圈的不稳定过程开始于岩石圈的浅部,这使得在破坏早期有大量的热的软流圈物质上涌到达下地壳底部,因此可以为下地壳的榴辉岩化提供足够的温度,从而为地球化学观测到的华北地区下地壳榴辉岩的存在提供动力学支持。同时,一部分失稳的克拉通岩石圈物质会返回到岩石圈层并与上升的软流圈地幔物质混合,这也解释了华北地区古老的克拉通岩石圈地幔和新生海洋型岩石圈地幔并存的地球化学观测。因此,本文的模拟结果所给出的岩石圈不稳定过程为华北克拉通破坏的动力学过程提供了很好的解释。地形和热流是岩石圈不稳定过程在表面最直接的响应,主要受岩石圈热-化学结构变化的控制,因此可以用来约束克拉通破坏的动力学过程。数值模拟结果显示,克拉通岩石圈的重力不稳定过程会抬升失稳区域的地形和热流,这与华北克拉通东高西低的残余地形和热流特征基本一致。我们的数值模拟也为定量化的研究克拉通破坏以后古老的岩石圈地幔物质残留提供了一个可行的办法。根据华北克拉通东西部现今的残余地形和残余热流大小,数值模拟结果显示在克拉通破坏以后大约有20%-50%的古老的克拉通岩石圈地幔物质还残留在华北克拉通东部岩石圈。
【关键词】：克拉通 华北克拉通破坏 岩石圈不稳定性 非牛顿流变 地形 热流
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P541
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 主要符号对照表12-13
• 第一章 绪论13-30
• 1.1 克拉通的基本特征13-22
• 1.1.1 表面热流13-15
• 1.1.2 岩石圈厚度15-18
• 1.1.3 化学组成18-20
• 1.1.4 流变性质20-22
• 1.2 克拉通的稳定性22-24
• 1.3 华北克拉通破坏24-28
• 1.3.1 华北克拉通破坏的证据24-26
• 1.3.2 华北克拉通破坏的时空尺度和动力学机制26-28
• 1.4 本文的研究目的和内容28-30
• 第二章 地幔对流的基本控制方程及数值求解30-39
• 2.1 地幔对流基本方程30-33
• 2.1.1 质量守恒方程30
• 2.1.2 动量守恒方程30-32
• 2.1.3 能量守恒方程32
• 2.1.4 状态方程32-33
• 2.2 Boussinesq近似33-34
• 2.3 控制方程的无量纲化34-36
• 2.4 热化学对流方程36-37
• 2.5 对流方程的数值求解37-39
• 2.5.1 有限元方法简介37-38
• 2.5.2 有限元程序Citcom简介38-39
• 第三章 克拉通岩石圈分期、多阶段的重力不稳定过程39-72
• 3.1 引言39-42
• 3.2 数值模型42-47
• 3.2.1 模型建立42-44
• 3.2.2 粘性结构44-47
• 3.3 数值模拟结果47-66
• 3.3.1 常粘性分层模型48-51
• 3.3.2 粘性和组分、应力相关模型51-61
• 3.3.3 模型长宽比和粘性差异的影响61-64
• 3.3.4 粘性和组分、应力以及温度相关模型的结果64-66
• 3.4 分析与讨论66-70
• 3.4.1 岩石圈不稳定过程的模式、空间以及时间尺度66-67
• 3.4.2 数值模拟结果对华北克拉通破坏动力学过程的意义67-68
• 3.4.3 岩石圈粘性和华北克拉通破坏的起因68-70
• 3.5 本章小结70-72
• 第四章 地形和热流对克拉通岩石圈不稳定过程的动力学约束72-95
• 4.1 引言72-75
• 4.2 华北克拉通地区的残余地形75-77
• 4.3 数值模型建立77-80
• 4.4 数值模拟结果80-90
• 4.5 分析与讨论90-94
• 4.5.1 热-化学结构对地形响应的影响90-92
• 4.5.2 地形和热流对华北克拉通破坏过程的动力学约束92-94
• 4.6 本章小结94-95
• 第五章 结论与展望95-98
• 5.1 本文的主要工作与结论95-96
• 5.1.1 克拉通岩石圈重力不稳定过程的时空尺度以及演化模式95-96
• 5.1.2 地形和热流对岩石圈不稳定过程的动力学约束96
• 5.2 工作展望96-98
• 参考文献98-114
• 致谢114-115
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果115

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