数值模拟华北克拉通岩石圈减薄机制

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1、密级：中阉斜孳jil宪硒巍生跪博士学位论文作者姓名：歪彦趣一一指导教师：互龌基夔援：瞳±一生国科堂隧妥塞生隧学位类别．0．堡堂学科专业：_．固佳丝墼堑墨堂培养单位：主国垄乜堂瞳班塞生睦2012年4月$Y1521431嬲623Y2431NumericalsimulationthethinningmechanismofNorthChinaCratonlithosphereYanchaoQiaoADissertationSubmittedtoGraduateUniversityofChineseAcademyofScienc

2、esInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofGeophysicsChineseAcademyofSciences4，2012中国科学院研究生院直属院系研究生学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明或致谢。作者签名：带起日期

3、：驯-·夕本人完全了解并同意遵守中国科学院有关保存和使用学位论文的规定，即中国科学院有：权保留送交学位论文的副本，允许该论文被查阅，可以公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。涉密的学位论文在解密后适用本声明。作者签名：莉起日期：列弘歹导师签名：日期：摘要关于华北克拉通岩石圈减薄方式，国内外学者通过各种研究定性的提出了不同的机制。本篇论文根据最近几年国内外发表的有关资料，通过数值模拟方法，主要对地质学家提出的华北克拉通岩石圈热对流侵蚀和拆沉减薄机制分别进行了初步模拟。模拟的目的

4、主要在于探讨不同机制发生的条件、特点、可能造成的地质过程有什么差别，从而为探讨华北克拉通减薄问题提供参考。论文主要围绕华北克拉通岩石圈减薄机制进行以下研究：①针对燕山期华北克拉通的岩浆活动进行了数值模拟工作，考虑在热传导的机制上，玄武岩浆底侵围岩，使其部分熔融，部分熔融的围岩最终变为花岗岩，现今华北克拉通有大规模的花岗岩区，我们通过统计花岗岩的量可以反演底侵的玄武岩浆的量，而这部分玄武岩在岩石圈加厚后，可以相变为密度加大的榴辉岩，通过这种方式估计出的榴辉岩的量可以约束我们计算华北克拉通岩石圈拆沉时榴辉岩的量，在计算过程

5、中，我们考虑了相变对这个过程的影响，更符合实际情况。②根据地质学家关于华北克拉通岩石圈减薄机制的理论，我们数值计算了岩石圈热侵蚀减薄机制的形成条件和特点，主要是采用了上地幔小尺度方腔地幔对流的程序，考虑了粘滞系数随温度变化，模型中热侵蚀在上地幔底部有热扰动，使其温度增加时，会造成上地幔系统活化，对流加剧而造成岩石圈的减薄，我们讨论了两种等效粘滞系数情况下，不同上地幔底边界温度对计算结果的影响，并得到了每种情况的岩石圈减薄曲线。③数值计算了岩石圈拆沉减薄机制的产生条件和特点，拆沉机制认为岩石圈先挤压加厚下地壳玄武岩相变为

6、榴辉岩，而榴辉岩的密度大于地幔的平均密度，这样下地壳的重力不稳定造成上地幔系统的不稳定对流，使岩石圈发生减薄破坏，通过我们的计算讨论了不同规模的榴辉岩拆沉，会有不同的模式，我们也计算得到了不同规模榴辉岩造成的岩石圈拆沉量。通过以上对华北克拉通岩石圈减薄机制的数值模拟研究。主要得到以下结论：①通过计算表明在1GPa条件下，地幔的玄武岩浆底侵作用于下地壳英云闪长岩围岩的情况下，英云闪长岩围岩纯的熔融量与底侵玄武岩纯的结晶总量的比值约为0，161；假设仅有25％的熔浆可分离出来，那么，可分离出的熔浆与玄武岩结晶总量比为约0．

7、04025。即如果生成总量为1km厚的花岗岩的岩基需要24．85km的底侵玄武岩岩浆的结晶来提供热量。而24．85km的底侵玄武岩岩浆需要约248．5kin的地幔物质参与(假设二辉橄榄岩lO％的熔融程度，并且全部局部熔浆均可分离出来)。由于玄武岩浆内热对流过程传热更有效率，可以从深部提供大量的热量，所以实际的玄武岩厚度可能远低于24．85km。数值模拟结论得到最后时刻发生相变的整体区域为～36．867要l-50．285km。相比于樊祺诚等人对汉诺坝捕虏体研究反演得到的现今下部下地壳和壳幔过渡带33—40和40—50km

8、，也比较合理，因此得到了岩石学验证。②通过我们的计算证实了原来稳定存在的克拉通，如果发生在上地幔数值模拟华北克拉遥岩石圈减薄机{}

9、

10、底部温度扰动升高的情况，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／y的量级，减薄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rl。