华北克拉通岩石圈减薄机制的地球动力学模拟研究

作     者：胡宇峰 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：柳建新

授予年度：2022年

学科分类：070904[理学-构造地质学] 070801[理学-固体地球物理学] 0709[理学-地质学] 07[理学] 0708[理学-地球物理学] 

主      题：华北克拉通 古太平洋板块 板块俯冲 减薄机制 地球动力学 数值模拟 

摘      要：华北克拉通(North China Craton,NCC)作为我国古老的构造单元,因其低密度、坚硬等特点,长期漂浮在软流圈之上并长期保持其稳定。近年来,在华北地区开展的大量研究结果表明,华北克拉通在中新生代遭受了破坏,克拉通岩石圈底部发生了显著减薄。目前研究提出的克拉通减薄机制主要包括:拆沉、热侵蚀、机械拉伸、水化作用等,而古太平洋板块向华北地区的俯冲被认为是造成华北克拉通破坏减薄的首要动力学机制。目前古太平洋板块俯冲动力学模型的研究较少,且俯冲板块如何造成古老克拉通破坏的机制仍存在争议,需要进一步深入研究。本文利用最新开源地球动力学数值模拟软件ASPECT,采用二维数值模拟技术,研究燕山期古太平洋板块俯冲华北克拉通的全过程,分析华北克拉通破坏的动力学机制。论文首先从建立二维洋-陆俯冲动力学模型出发,探究俯冲海洋岩石圈地幔的屈服应力、粘度、初始俯冲角度、挤压速率、是否存在双向挤压和弧后区域等因素对俯冲过程的影响。研究发现:(1)增大屈服应力和粘度能够增大俯冲板块的强度,(2)俯冲角度影响上覆板块的侵蚀范围和板块俯冲形态,(3)弧后区域的存在加剧了上覆板块的破坏速度。(4)双向俯冲模式则能够诱发上覆板块发生俯冲。结合已有的地质资料,论文针对华北克拉通地区建立古太平洋板块俯冲模型,并以此分析华北克拉通岩石圈减薄机制。在太平洋板块俯冲的模拟过程中,华北克拉通的稳定性在下覆太平洋板块的应力影响下遭到破坏。古太平洋板块携带的水与软流圈下的熔融体汇聚到大陆岩石圈底部,发生交代和水化反应,改变了大陆岩石圈地幔物质的性质。同时,冷的板块的向下俯冲,打破原有的温度平衡,产生地幔对流。高温物质随着对流圈运移至大陆岩石圈底部,造成热—机械侵蚀。更为重要的是,如果俯冲的太平洋板块存在密度较轻的大洋高原时,太平洋板块由向下俯冲转变为紧贴大陆岩石圈地幔,能显著减薄上覆克拉通的岩石圈根。由此可见,华北克拉通减薄是一个非常复杂的过程,是由古太平洋板块俯冲带来的多种因素所构成的多种破坏减薄机制相互作用产生的结果。本论文研究成果能为进一步认识华北克拉通破坏提供地球动力学依据。图26幅,表7个,参考文献149篇