鄂尔多斯盆地深部热结构特征及其对华北克拉通破坏的启示

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华北克拉通破坏一直是国际热点研究问题,但关于华北克拉通减薄机制一直争论不休,且来自地热学的研究和贡献相对较少。位于华北克拉通西部的鄂尔多斯盆地,为一典型的板内构造单元,发育了古生代以来不同时期的稳定沉积。侏罗纪至白垩纪是鄂尔多斯盆地的形成、演化的重要活动期,且其形成是受特提斯构造域和环太平洋构造域联合作用的结果。本文主要从大地热流、岩石圈热结构及地球动力学方向着手,通过模拟研究东西向横穿鄂尔多斯盆地的二维剖面深部温度场及其深部热-流变结构特征,与华北克拉通破坏研究相结合,揭示其深部地球动力学机制,试图为华北克拉通破坏提供地热学证据和启示。  本文作者收集、归纳和整理了大量已发表的大地热流数据,经过最新系统整理和汇编,最新统计数据已达1098个,是截至2012年以来最全面最系统的一次大地热流数据汇编。此汇编工作对地热学及其他相关地学研究具有一定贡献和理论意义。作者根据最新1062个大地热流数据(去除36个D类后)进行统计分析,热流值变化范围为:26.2-140mW/m2,平均为60.2±15mW/m2,较历次汇编的平均值有降低,其原因是早期热流数据主要集中在热流较高的东部地区,而近些年西北低热流地区的数据已显著增加。鄂尔多斯盆地现今大地热流数据54个(去除D类后),变化范围为:34.8-84.2mW/m2,平均值为61.6±9.3mW/m2。这些基础热流数据是后续岩石圈热结构和流变学结构研究的基础。  本研究基于二维稳态热传导方程,选取东西向横穿鄂尔多斯盆地地质与地球物理解释大剖面进行了深部温度场数值模拟研究,得到了鄂尔多斯盆地下伏岩石圈热结构特征,进而得到其流变学特征。鄂尔多斯盆地各构造单元深部的地幔热流变化范围:21.2~24.5mW/m2,且体现为鄂尔多斯盆地东部地幔热流较高,西部相对较低,但地幔热流整体平缓且不高的特征,与华北东部相比明显偏低,表明华北克拉通西部较为稳定的深部热背景。在对其热结构研究过程中,重点对能反映深部区域热背景和深部动力学环境的地幔热流进行了探讨,并与中国大陆东西部进行了对比研究,其相对地表热流而言,对揭示华北克拉通破坏研究更有意义。剖面的壳幔热流比(Qc/Qm)介于1.51-1.84之间,为“热壳冷幔”型热状况,表明来自浅部地壳的热贡献作用较大,而来自鄂尔多斯盆地深部的地幔热流贡献较少,深部处于相对比较稳定的构造环境。该热状态与华北东部的“冷壳热幔”型不同。对于鄂尔多斯盆地东部地表热流较高的原因,地壳热流对地表热流的贡献作用相对较大。东西部的差异抬升剥蚀作用是造成东部热流较高的另一原因。鄂尔多斯盆地自西向东的各构造单元的流变学特征几乎均表现为“果冻三明治”结构且地幔强度较大的稳定大陆岩石圈结构特征。对比华北克拉通东、西部热流变结构,表明二者差异很大,从地热学角度也进一步补充说明华北克拉通西部处于相对稳定的构造动力学环境。  通过岩石圈热结构的研究,进一步丰富了热岩石圈厚度研究内涵。且重点对克拉通地震岩石圈与热岩石圈厚度差异进行了对比。研究表明,鄂尔多斯盆地东部热岩石圈厚度底界平均为140km,西部的底界厚度平均为160km。鄂尔多斯盆地西部地震岩石圈与热岩石圈厚度差异达到约140km,鄂尔多斯东部的汾渭地堑,渤海湾盆地二者差异逐渐减小。即华北克拉通自西向东,地震岩石圈厚度与热岩石圈厚度差异不断减小。综合前人地质、地球化学、地球物理以及本文地热学相关研究表明,鄂尔多斯盆地处于相对稳定的深部地幔环境、“果冻三明治”的稳定大陆岩石圈流变结构、正常偏厚的岩石圈厚度,华北克拉通自西向东地震岩石圈厚度与热岩石圈厚度差异的减小,进一步强调华北克拉通的破坏主要集中在华北克拉通东部或中部,华北克拉通西部的鄂尔多斯盆地西部相对稳定。  华北克拉通自西向东,地震岩石圈厚度与热岩石圈厚度差异不断减小,意味着华北克拉通岩石圈下部的软流圈地幔粘性系数自西向东逐渐降低,印证了太平洋俯冲脱水作用对华北克拉通的影响。综合前人成果及本文研究,作者对华北克拉通减薄机制进行了思考:作者倾向认为,太平洋俯冲作用下华北克拉通东部形成的大地幔楔中对流热侵蚀和橄榄岩熔融相互作用是华北克拉通减薄破坏的动力学机制。
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