俯冲板块断离与碰撞造山带早期隆升的数值研究

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1、中国科学技术大学博士学位论文俯冲板块断离与碰撞造山带早期隆升的数值研究姓名：李力刚申请学位级别：博士专业：地球物理学指导教师：傅容珊19990901中国科学技术大学博士论文摘要本文从板块构造学说出发，用数值模拟的方法定量地描述了以海洋板块俯冲为前导的夏菌寝瑛藏蘧碲i币西蓓陆文将俯渖板块的天陆和海洋岩石层部分分别称为大陆板块和海洋板块j，详细叙述了在天陆板块俯冲时影响俯冲区域热结构的各种主要因素，计算了在此热结构下值壁堡垫的!星堡堕塑及霎芝I撞强，并讨论了萱曼盟!哟连堂堑垫从厦堡!鼬的盔瞳蜇块断离(breako毋的可能性以及影响板块断离深度的因素。此外，本

2、文还用一维和准二维的数值模型模拟了在俯冲板块断离发生后岩石层的隆升过程，讨论了板块不同的俯冲角度和断离深度对岩石层隆升的影响，并认为俯冲板块断黉后的岩石层隆升是碰撞造山带阶段性隆舞的早期过程。最后，本文从以上的观点出发，分别探讨了青藏高原的早期鹰嚣过程以及大别山超高压变质岩折返的动力学机制。，一7(尽管地球物理学家早就指出大陆碰撞之后，由于大陆地壳的浮力，大陆板块不能够无限制地俯冲，然而由于制约大陆板块俯冲的因素过于复杂，以至迄今为止并未见有对大陆板块俯冲过程的定量描述。大陆板块俯冲是以海洋板块俯冲为前导的，本文第一章假设在未发生大陆板块俯冲时，海洋板块

3、的俯冲是匀速的，即沿板块方向的合力为零，由此引入大陆板块俯冲时俯冲板块受到的陆壳浮力以及受俯冲速度影响的粘滞阻力，构造了一个简单的一维动力学方程，第一次以定量的方式描述了大陆板块的减速俯冲过程。计算结果表明，大陆板块俯冲的深度受到俯冲初速度、俯冲角度以及地幔粘滞性等的影响，其最大的俯冲深度在200km左右，一般情况下，大陆板块能在2-4Ma时间内俯冲至80-140kin的深度。在大陆板块俯冲的过程中，影响俯冲区域热结构的因素有：1．地壳、地幔各分层岩石的热力学性质，2．热源。包括绝热自压生热、放射性生热、相变生热，3．俯冲板块的运动，包括不断减小的俯冲速

4、度以及俯冲角度等。在考虑以上各因素的基础上，本文第二章构造了一个二维模型。首次考虑了大陆俯冲的减速过程，使用有限差分算法详细计算了俯冲区域的热结构。而后，从计算的热结构出发，使用岩石低温下的脆性形变和高温下的延展性形变公式(幂指数定律)计算了俯冲板块的强度结构并进而得到板块的“积分强度”(板块强度在厚度方向的积分)，将海洋板块与大陆板块交接部位的积分强度与板块受到的拉张力进行比较，便可以对俯冲板块断离的可能性作出判断。考虑到海洋板块与大陆板块交接部位的深度是大陆俯冲时间的函数．因此也可据此得出板块断离的大致时间。在第二章的末尾，列出了在不同俯冲速度、俯冲

5、角度等情况下，板块断离的深度和时间。俯冲板块断离后的必然结果便是由俯冲陆壳浮力引起的俯冲区域岩石层隆升，本文第三章分别以一维和准二维的动力学数值模型首次模拟了断离后的岩石层隆升。在一维模型中将整个隆升的岩石层模拟成一个柱体，而在准二维模型中，将隆升的岩石层在水平方向上等分成多个不同的柱体，探讨这些柱体在相互影响中的隆升。两个模型唯一的隆升动力是俯冲陆壳的浮力，在准二维模型中，各柱体侧面的阻力则以更接近实际情况的脆性和延性的应力应变关系代替了一维模型中简单的粘滞性假设。在对各柱体列出隆升动力学方程后，通过改进的Gear算法对此大复杂度，强刚性的刚性方程组进

6、行了计算，得到的结果是：俯冲板块断离后岩石层的隆升是由板块断离的深度，板块俯冲角度决定的，在岩石层隆升过程中，表面剥蚀的作用不可忽视：岩石层隆升和地表隆起呈现不对称性，且隆升幅度的最大位置受到断离深度和俯冲角度的控制：在隆升幅度最大位置的左右两侧，隆升和隆起幅度逐渐递减；俯冲板块断离深度越大，则岩石层隆升幅度越大、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随着断离深度的增大也将向板块俯冲的方向右移；在相同的断离深度下，俯冲角度的变化不影响岩石层的最终隆升量，但影响隆升的速度；俯冲角度越小，板块断离后岩石层的前期隆升较快；较小的俯冲角度将

7、导致较大的地表隆起高度，且隆升和隆起幅度最大值的水平位置随俯冲角度减小而向板块俯冲的方向右移，隆升和隆起的范围增大。本章不仅给出了不同情况下岩石层隆升和地表隆起的对比结果，而且形象地分别描绘了在80kin、120kin、160kin、200km断离深度下、俯冲角度为30。、45。、60。时的岩石层隆升过程示意图。青藏高原的形成在空间和时间域上表现为一个非均一的多阶段复杂过程，我们现在认识到它的形成不仅仅是由于岩石层内部的构造作用，而且还与地幔的动力学过程密切相关。依据傅容珊教授提出的青藏高原隆升三阶段模式03CCM，“断离(breako毋隆升”一“挤压(

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