1、第 卷 第期 年月地球物理学报 ,郑群凡,张怀,王勤等 新生代华南及邻区上地幔各向异性深部动力学机制的数值模拟地球物理学报,():,:,:.(),():,:新生代华南及邻区上地幔各向异性深部动力学机制的数值模拟郑群凡,张怀,王勤,张振,石耀霖中国科学院大学地球与行星科学学院,计算地球动力学重点实验室,北京 南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室,南京大学地球科学与工程学院,南京 摘要晚中生代以来,华南地区同时受到印度欧亚板块碰撞和太平洋菲律宾板块俯冲及后撤作用的影响,壳幔结构复杂 深入了解华南地区深部地幔流模式和地幔各向异性特征是认识华南复杂的深部构造演化过程与动力学机制的基础 本文采
2、用三维全球地幔对流模型,从软流圈剪切变形的角度计算了软流圈的各向异性,尝试探讨了华南地区各向异性的起源和深部地幔流特征 华南地块东部,软流圈各向异性呈 向,各向异性主要来源于软流圈,壳幔具有垂直连贯的变形特征;南北构造带的中段,软流圈各向异性大致为 向,这一区域的造山作用虽然对岩石圈造成了巨大变形,但是并未显著影响软流圈变形,并且各向异性的主要来源可能是岩石圈地幔;在南北构造带中,可能是地幔各向异性的过渡带,以南的川滇地区,软流圈各向异性的方向出现了环形特征;菲律宾板块向欧亚板块下的俯冲到达地幔转换带,这种俯冲可能带动了西太平洋地幔向华南块体下的流动;华南地区的软流圈流场自西向东显示出顺时针旋
3、转的特征,并在扬子板块东部与来自菲律宾板块下的西南向的地幔流相遇关键词地幔对流;各向异性;软流圈;华南;数值模型 :中图分类号 收稿日期 ,收修定稿基金项目国家自然科学杰出青年基金()和科技部国家重点研发计划“非常规油气三维地震成像的数学方法与超分辨反演高效算法”()资助第一作者简介郑群凡,女,年生,博士研究生,主要从事地球动力学数值模拟研究 :通讯作者张怀,男,年生,教授,博士生导师,主要从事计算地球动力学研究 :,地 球 物 理 学 报()卷 ,;引言华南地区位于欧亚板块的东南部,主要由扬子克拉通和华夏地块构成,其西部与松潘甘孜地块、羌塘地块和拉萨地块相邻(图)其北部以秦岭大别造山带为界与
4、华北克拉通相邻,东部与菲律宾板块相邻 晚中生代到新生代以来,华南地块同时受到印度欧亚板块碰撞和太平洋菲律宾板块的俯冲及后撤作用,西部处于挤压应力场,而东部则处于弧后拉伸的区域应力场状态(,;,;,;,),向的拉张应力场主导了中国东部的裂谷作用(,)新生代以来,太平洋板块、缅甸板块和菲律宾板块在 东 亚 地 区 周 缘 发 生 强 烈 的 俯 冲 碰 撞(,),深俯冲的板块可能带动了地幔流的上升,沿着晚中生代已形成的岩浆通道上涌到浅部从而使上地幔表现为低速异常(,)中国东部的各向异性被认为不仅来自于岩石圈,还来自于软流圈(常利军等,)横波分裂测量结果显示华南大部分地区各向异性的快波方向是近 向的
5、(图),与绝对板块运动方向和 方向近乎一致,因此各向异性被认为主要来自于软流圈(常利军等,;,;,)青藏高原东南缘的各向异性特征复杂,各向异性快波方向从四川地区的向,转为云南地区的 向(图)(,;常利军等,)现今的华南地块岩石圈厚度自东南沿海向西北图()华南地块及邻区构造简图;()横波分裂测量结果(蓝线各向异性来自 ,;红线各向异性来自 ,;黑线各向异性来自常利军等,;绿线各向异性来自常利军等,;黄线各向异性来自 ,;紫线各向异性来自 ,)();()()(),()(),()(),()(),()()()()期郑群凡等:新生代华南及邻区上地幔各向异性深部动力学机制的数值模拟内陆增加(于大勇等,),
6、华夏地块和扬子克拉通的东部岩石圈厚度远小于扬子克拉通西部的岩石圈厚度(,)扬子克拉通在 (郯庐断裂带南段)以东的岩石圈可能被来自华夏地块下的热的软流圈物质“活化”(曲平等,)地震学观测显示中国东部地幔转换带内存在近水平展布的高速异常,而上地幔广泛存在低速异常(,;,;,)地壳和地幔普遍存在不同程度的各向异性 了解地壳和上地幔变形的重要方法之一就是地震各向异性研究(,;,)地震各向异性记录了地球内部各个圈层过去和现今发生的变形,为人们了解地球内部结构和演化提供了丰富的信息在构造稳定区,各向异性保留了历史构造活动的记录(,)在构造活动活跃的地区,各向异性反映的是现今的构造运动 上地壳各向异性主要是
7、由含液体的裂隙或孔隙在应力作用下定向排列造成各向异性(,),中下地壳中各向异性主要是黑云母和角闪石等各向异性矿物在低黏滞度的坏境中晶格优势排列造成的(,;,)在上地幔中,各向异性主要是由于地幔物质形变导致的橄榄岩晶格的优势排列()造成的(,;,;,;,)一般认为,板块运动是导致地幔物质形变的最直接的原因,并且板块运动的速度和方向与上地幔各向异性的方向和强度相关(,;,)地表板块与软流圈之间的相对运动会在软流圈产生与简单剪切一致的 变 形结 构(,;,),橄榄岩晶格的优势排列方向被认为平行于这种剪切的方向(,;,)较之相对年轻的海洋区域,大陆内部的横波分裂测量包含的信息更为复杂地球历史上发生的构
8、造过程被记录在大陆岩石圈“冻结”的各向异性中(,;,),其对横波分裂测量到的地震各向异性信号的贡献尚不清楚,与记录现今地幔流状态的软流圈各向异性往往难以区分开来(,)在对大陆地区壳幔耦合变形、深部演化过程等大陆动力学研究中,上地幔各向异性是关键问题之一青藏高原东南缘与华南地块相连,这一区域的地幔流状态及软流圈各向异性对理解壳幔变形特征,印度欧亚碰撞和太平洋菲律宾板块俯冲作用的远场效应和各向异性的起源等问题至关重要本文从数值模拟的角度探讨了华南地区地幔各向异性和流场特征,为进一步认识这一区域的大陆动力学和演化过程提供了新的约束模型与数值方法 控制方程及流变学性质由于岩石圈和地幔可被视为可压缩斯托
9、克斯流体,模型的控制方程为:(),()()()(),()()(),()其中()()为应变率,为速度,为压力,为密度,为温度,为黏度,为热导率,为热膨胀系数,为等压热容,为单位矩阵,为重力加速度黏性流变特征由依赖温度和压力的扩散蠕变定义:(),()其中为活化能,为活化体积,为气体常数,为不依赖于含水量和粒径的常数因子本研究的动力学数值模型采用开源并行有限元代码 (,)(:)来实现 该软件可对特定研究区域进行自适应加密,并已被广泛应用于各种地球科学问题的模拟研究中 更多关于可压缩地幔对流模拟的技术细节,可参考软件手册(:)和相关文献(,;,;,)模型设置本文在三维全球地幔对流框架下研究区域问题模型
10、采用网格局部加密的方法,在疏松的全球网格中对特定研究区域进行加密 以往相关问题的二维模型或三维六面体模型往往需要人为施加侧边或底边的边界条件,而本研究采用全球模型,只需要考虑地表的边界条件,减少了边界条件的影响,使得模型更加的合理 采用局部加密的方法,大大减少了计地 球 物 理 学 报()卷算量,使得在全球框架下聚焦局部区域这一方法更加可行模型几何为外半径 ,内半径 的球壳 主要研究区域为华南地区(,)(图),关注的深度为 研究区域网格加密到层,水平分辨率约为 ,研究区域之外的全球模型网格加密层,水平分辨率约为 (图)为了便于计算,除了网格局部加密之外,模型还采用了自适应加密,在一些区域程序自
11、动根据需要进行加密,但均不超过层 径向最大和最小分辨率分别约为 和 图研究区域网格加密示意图()全球网格;()穿过研究区域的截面网格 图()中红线为图()截面的位置 ();()()()我们用 将重构的现今全球板块运动模型生成 的数据施加在模型上(,),作为地表速度边界条件 模型计算时间为 模型底边界为自由滑动 模型外边界温度为 ,内边界温度为 (,)初始温度场为绝热剖面,上下热边界层通过半空间冷却 模 型 计 算 我 们 使 用 热 动 力 学 代 码 (:)生成一个地幔岩成 分(,)的 数 据 库(,),将不同温压下对应的不同的密度、热扩散系数、比热等物性参数作为模型的材料参数为了探究上下地
12、幔边界上的黏度跃变对地幔流场和软流圈各向异性的影响,我们设计了个具有不同黏度结构的模型在 深度上,模型中的下地幔黏度分别是上地幔黏度的 倍,倍和 倍 参考前人的研究(,;,),黏度流变参数见表 我们对黏度变化范围进行了限制,使其不超过 深度平均的初始黏度剖面和初始温度场见图 软流圈各向异性板块运动是导致地幔物质变形和地幔各向异性的最直接的原因(,;丁志峰和曾融生,)构造板块和地幔之间的相对运动造成了软流表数值模型采用的黏度流变参数 参数符号(单位)上地幔()下地幔()活化能()活化体积()常数因子()(模型:上下地幔黏度跃变 倍)(模型:上下地幔黏度跃变 倍)(模型:上下地幔黏度跃变 倍)气体
13、常数()圈深度的剪切流,控制了晶格优选定向()的形成(,)岩石圈底部速度(与一般近似认为的刚性岩石圈的地表速度相同)与软流圈主要层位速度之间的差异使得原来随机分布的晶轴方向发生改变,从而产生上地幔各向异性 因此,地表运动速度和软流层地幔流场速度的差异可作为各向异性的一阶近似(,)本文以这种相对运动产生的速度差来近似晶格优选定向(),即:,()其中 为 深度上计算得到的水平流场期郑群凡等:新生代华南及邻区上地幔各向异性深部动力学机制的数值模拟图()初始黏度剖面;()初始温度场 ();()速度,为模型地表的速度 代表了软流圈流场的速度,的方向代表了软流圈各向异性的方向数值模拟结果我们将研究区域从三
14、维全球模型中截出,展示水平流场和典型剖面 (剖面位置见图)上的流场,讨论华南地区软流圈各向异性及菲律宾板块向华南下的俯冲,并探究上下地幔黏度跃变这一因素的影响 软流圈各向异性预测对于软流圈水平流场,个模型的计算结果基本是一致的(图),即上下地幔边界的黏度跃变从 倍至 倍,均不会对软流圈的水平地幔流场产生显著影响 计算结果显示,软流圈水平流场速度在青藏高原东南缘基本为向东和东南,在扬子克拉通下为东南方向 在华夏地块下,东南向的地幔流与西南向的地幔流在 范围内相遇 整体来看,华南地区的软流圈流场自西向东显示出从向东到向东南的大尺度顺时针旋转的特征,并在东南沿海地区与来自菲律宾板块下的西南向的地幔流
15、相遇 总体来看,华南的大部分地区软流圈地幔流都是近东南向的(图),与地表的绝对板块运动大体一致(图),差异主要发生在周缘,即与印度板块交界的位置和东南沿海地带,这可能是由于新生代以来的印度欧亚板块碰撞和菲律宾板块的俯冲造成的前人往往将 观测与地幔各向异性相对比,然而 速度取决于使用的坐标系且仅表示地表的运动速度 而橄榄石晶体的定向排列被认为是平行于剪切的方向,这使得我们可以从软流圈与岩石圈之间的相对运动的角度来探讨现今的地震各向异性 图显示了模型预测的软流圈各向异性,其中线段的方向代表预测的各向异性的方向,线段的颜色代表软流圈与地表速度差的大小,速度差越小代表预测的软流圈各向异性的强度越小 以
16、东的地区,预测的各向异性方向比较统一,基本都是东南向的 而 以西的地区则显示出了与东侧差异较大的结果,表现为北部的近南北向的各向异性和南部的以云南为中心的环形模型 软流圈与地表运动差异超过 的区域位于华南最西侧与印度板块相邻的地区以及华南最东侧的沿海地区;速度差异最小的区域位于以云南为中心的各向异性方向呈环形的区域内,速度差大小不超过 ,即此区域预测的软流圈各向异性的强度最小因此,我们将研究区域分为三部分(图),分别统计了 以东的地区(区域)和 以西 以北地区(区域)的方位角(图)对于区域,三个模型预测的各向异性均为东南向的,平均方向分别为 (模型)、(模型)和 (模型)对于区域,三个模型的预
17、测都是近南北向的,平均方向分别为(模型)、(模型)和(模型)这说明随着 深度上的黏度跃变从 倍减小到 倍的过程中,区域 的平均方向从 减小到 ,区域的平均方向从 减小到 ,地 球 物 理 学 报()卷图模型()、模型()、模型()的软流圈流场速度和地表重构的板块运动(,)()(),()(),()()图预测的模型()、模型()、模型()的软流圈各向异性 (),()()整体的方位角都显示出了逆时针的转动 对前人观测结 果(,;,;,;常利军等,;,)的统计显示区域 的各向异性为近东西向,平均方向为 ,区域的各向异性为近东南东向,平均方向为 我们将模型作为参考模型,将此模型所预测的软流圈各向异性方向
18、与前人的横波分裂测量结果(,;,;,;常利军等,;,)的 网格平均方向作对比,如图所示 结果显示在 以东的大部分区域,以及在 以南的地期郑群凡等:新生代华南及邻区上地幔各向异性深部动力学机制的数值模拟图软流圈各向异性预测值与前人横波分裂观测值方位统计分析()区域,;()方位角玫瑰图 (),;()区,两者角度差异普遍较小;而在扬子克拉通的中部和东喜马拉雅构造结附近出现两者明显差异较大的区域 菲律宾板块向华南下的俯冲图显示了典型剖面 (图)上的速度和温度结果 图(,)为垂直于这个剖面的速度,红色表示速度方向垂直纸面向内(近北东向),蓝色表示速度方向垂直纸面向外(近南西向)红色的速度是受到欧亚板块的
19、绝对运动的影响,而蓝色的速度则是受到西太平洋的影响 由图中可以看出 点位置 以上的流场还是受到欧亚板块的运动的影响,以下则完全反向 欧亚板块绝对运动对深部地幔流的控制作用从 点向点逐渐减弱,点位置深部则完全受到西太平洋的影响图(,)为平行于剖面的速度,速度大小用颜色表示,速度方向用箭头表示 由于剖面 为近东南向的,而欧亚绝对板块运动速度也是近东南向的,因此 点位置以下近 的深度范围内,地幔流方向与欧亚绝对板块运动方向是一致的,以下则完全反向 点位置下的地幔流则几乎完全受到来自西太平洋的地幔流的影响 由此可见,西太平洋对东南沿海地区 深度以下地幔流场起主要控制作用,欧亚板块对这一区域 以上的地幔
20、流的影响从 点到点逐渐减弱 三个模型速度场的计算结果几乎是一致的,表明上下地幔的黏度跃变并没有对上地幔流场产生显著的影响图(,)温度场显示出了从 点向 点的俯冲作用这种俯冲已经进入 的地幔转换带中,在上地幔的俯冲角度大约 ,在地幔转换带趋向于平卧的形态 三个模型的计算结果相似,模型中 等温线超过 深度(图),而模型(图)和模型(图)中并没有出现这种情况,表明在上下地幔边界上,更大的黏度跃变会更阻碍俯冲进入 深度以下的下地幔地 球 物 理 学 报()卷图软流圈各向异性预测值与前人横波分裂结果的对比图红色短线为模型的软流圈各向异性预测值;蓝色短线为前人横波分裂测量结果(,;,;,;常利军等,;,)
21、的 平均值;背景颜色为两者角度差 ;(,;,;,;,);图模型()、模型()、模型()中剖面(位置见图)上的速度场和温度场(,)垂直于剖面 的速度分量;(,)平行于剖面 的速度分量;(,)温度场 ()(),()()(,);(,);(,)讨论 各向异性层的约束基于板块驱动假设,目前关于壳幔变形运动学存在两个端元模型,即简单软流圈流动模型(,;,)和垂直连贯变形模型(,)前者预示板块与地幔有效解耦,软流圈顶部和底部的速度差异主导了地幔的变形;后者预示板块强烈耦合于地幔,地表变形与地幔变形一致 前人将 与横波分裂测量的各向异性作对比,两者方向一致时认为浅部物质变形与深部上地幔物质变形一致,推测可能存
22、在壳幔之间的垂直连贯变形(常利军等,;,)然而 显示的运动方向依赖于所选取的坐标系,不同坐标系下的速度差异很大 本文从地表期郑群凡等:新生代华南及邻区上地幔各向异性深部动力学机制的数值模拟运动与软流圈运动差异的角度,探讨剪切造成的软流圈各向异性的贡献 如果预测的软流圈各向异性的方向和横波分裂测量的结果方向近似,可以说明该区域各向异性结构随深度变化不大,反之则说明存在不同结构的各向异性层我们将华南及其邻区分为三个区域(图)来讨论,分别为位于华南地块东部(以东)的区域、南北构造带中段(以西 以北)的区域和南北构造带南段(以西 以南)的区域 新生代以来,由于印度欧亚板块碰撞和西太平洋俯冲作用的影响,
23、华南地块的东部处于 向的弧后拉张 的区域应力场,裂谷 广 泛 发 育(,;,)我们预测的这一区域软流圈各向异性为 向(图,区域),平均方位角为 (模型)、(模型)和 (模型),与 向拉张伸展方向一致 前人的 波分裂研究结果也大多显示这一区域的地震各向异性是近 或 方向的(图,图,图)(罗艳等,;常利军等,;,;,)和 ()预测了基于软流圈的 方向,也同样显示了 以东的区域为东南向的特征 因此,我们推测这一区域大尺度的地幔变形归因于软流圈的流动,地震各向异性主要来源于软流圈,壳幔变形存在垂直连贯变形特征南北构造带,也称南北地震带,是中国大陆东西构造域的分界线,也是一条南北向延伸的重力梯度带(李善
24、邦,)南北构造带中段(图,区域)位于青藏高原的东缘,这一区域造山带和大型断裂的构造走向大致为 向,横波分裂测量结果也大多显示各向异性快波方向为 向(,;常利军等,)而我们预测的这一区域的软流圈各向异性方向主要为向(图,区域),说明虽然造山作用造成了岩石圈的巨大变形,但是并未对其下覆软流圈变形造成显著影响 各向异性来自于岩石圈和软流圈的综合效应,但主要来源可能是岩石圈地幔在南北构造带中,可能是地幔各向异性的过渡带,以北的区域(图,区域)预测的软流圈各向异性是近向的(图),而以南区域(图,区域)则显示出了环形的软流圈各向异性方位特征(图)南北构造带 以南出现的环形的各向异性特征包括了在四川盆地南缘
25、和扬子板块西部的近 向各向异性,以及在拉萨地块和羌塘地块最东端的近 向各向异性(图;图)前人的横波分裂测量结果显示在青藏高原东缘 以北附近的各向异性快波方向为近 向,以南附近为近 向(图;图)(,;常利军等,)这一区域(图,区域)位于青藏高原东南缘,平均岩石圈厚度在北部约为 ,在南部约为 (,)前人研究认为 以南各向异性主要来源于软流圈(常利军等,),而本文结果显示软流圈各向异性在 以南(图;图 区域)强度非常小,这种差异可能归因于数值模型中未包含岩石圈厚度的变化(,;,)以及缅甸微板块和巽他板块在俯冲过程中的后撤回转(,;,)对各向异性的影响 在青藏高原东南缘的南段,缅甸与巽他板块西南向的后
26、撤回转被认为可能影响该区域的整体变形(常利军等,;李长军等,),从而影响该区域的各向异性值得注意的是,我们的模型探讨的是现今软流圈的各向异性,但真实的岩石圈和软流圈中的各向异性可能保留有过去的地质历史造成的橄榄石晶体的定向排列 地幔流模式及参数分析地震学研究认为中国东部的高速异常与西太平洋和菲律宾板块的俯冲作用相关(,),俯冲的深度始终存在争议 俯冲板片可能停滞在地幔转换带(,;,),也可能进入下地幔(,;,)菲律宾板块在琉球海沟处向欧亚板块下俯冲,俯冲板片达到 深度,并且 深度上也出现了高速异常体(,)波各向异性层析成像研究显示出了在扬子克拉通和华夏地块之下,地幔过渡带深度出现了高速异常(,
27、)我们的计算结果显示菲律宾板块向华南下的俯冲作用可能进入并停滞在地幔转换带(图,),与 等()的地震层析成像结果相一致 然而,菲律宾板块的演化历史和俯冲历史都十分复杂,我们的研究只关注现今的状态,无法确定俯冲的菲律宾海板片是否在历史上发生过撕裂 这一俯冲作用可能带动了来自西太平洋的地幔流向北西方向运动(图,和),对软流圈地幔的影响范围包括了扬子地块的东部(图)受到模型设置的限制,小尺度的地幔对流在我们的研究中无法体现 我们的研究同时也探讨了上下地幔地 球 物 理 学 报()卷边界处的黏度跃变对软流圈各向异性和地幔流的影响,结果显示这一因素并不是决定因素 深度上的黏度跃变一定程度上阻挡了深俯冲的
28、板片进入下地幔,但由于模型未考虑相变等因素的影响,我们认为 深度上的黏度跃变在 倍的范围内,不会对计算结果产生明显的改变结论本文利用有限元三维模型在全球地幔对流框架下探讨华南块体及邻区的地幔流场和各向异性,主要结论如下:()预测的华南地块东部的软流圈各向异性为 向,软流圈的流动主要造成了这一区域的大尺度地幔变形,地震各向异性主要来源于软流圈,且壳幔变形存在垂直连贯变形特征()在南北构造带的中段,预测的软流圈各向异性大致为 向,虽然这一区域的造山作用对岩石圈造成了巨大变形,但是并未显著影响软流圈变形,并且各向异性的主要来源可能是岩石圈地幔()川滇地区预测的软流圈各向异性的方向出现了环形的特征;岩
29、石圈厚度变化以及缅甸板块和巽他板块在俯冲过程中的后撤回转可能会对青藏高原东南缘的南部的各向异性产生较大的影响()菲律宾板块向欧亚板块下的俯冲可能到达地幔转换带;华南地区的软流圈流场自西向东显示出从向东到向东南的顺时针旋转的特征,并在扬子板块东部与来自菲律宾板块下的西南向的地幔流相遇致谢感谢审稿专家提出的建设性意见 ,():,():,:,(),():,:,(),():,:,():,:(),():,:,():,:,():,:?,():,():,()(),():,:,():,:,():,:,():,:,():,():,:,:,():,:期郑群凡等:新生代华南及邻区上地幔各向异性深部动力学机制的数值模
30、拟 ,():,():?,():,():()(),():,():,():,:,(),():,:,:,:,:,():,():,:,():,(),():,:,():,():,:,:,:(),():,:,():,:,():,:,:,():,:?,():,():,:,():,():,():,():,():,(),:,():,地 球 物 理 学 报()卷 .,():,:,():,:,():,():,():,:,:,:,():,(),():,“”,:,():,:,:,():,():,():附中文参考文献常利军,王椿镛,丁志峰 中国东部上地幔各向异性研究中国科学辑:地球科学,():常利军,丁志峰,王椿镛 南北
31、构造带南段上地幔各向异性特征地 球 物 理 学 报,():,:常利军,王椿镛,丁志峰等 喜马拉雅东构造结及周边地区上地幔各向异性中国科学 辑:地球科学,():常利军,丁志峰,王椿镛 南北构造带北段上地幔各向异性特征地 球 物 理 学 报,():,:丁志峰,曾融生 青藏高原横波分裂的观测研究地球物理学报,():李长军,甘卫军,秦姗兰等 青藏高原东南缘南段现今变形特征研究地球物理学报,():,:李善邦 中国地震区域划分圖及其說明总的說明地球物理学报,():罗艳,黄忠贤,彭艳菊等 中国大陆及邻区 波分裂研究地球物理学报,():曲平,陈永顺,于勇等 华南地区上地幔 波三维速度结构和动力学意义:来自有限频层析成像的证据地球物理学报,():,:于大勇,米宁,黄晖等 华南壳幔结构与动力学的宽频地震观测研究地质科学,():(本文编辑何燕)