中国大陆东、西部岩石圈热-流变结构及其对晚新生代变形的制约

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经典的板块构造理论认为岩石圈为刚性,板块构造表现为板块间的相互运动,构造变形集中于板块边界。然而,近来大量的观测却表明大陆岩石圈的变形并不限于板块边界,甚至在距离板块边界数千公里之遥的大陆内部产生显著的构造变形;但我们对陆内变形的机制和过程等关键问题还知之甚少。中国东、西部大陆地区新生代构造变形显著且板块边界条件明确,是研究大陆变形的理想天然实验室。在构造应力作用下,大陆变形的方式和速率取决于岩石圈的流变学性质。研究中国东、西部大陆岩石圈的热-流变结构及力学性质对中国大陆新生代变形、现今地震活动规律和东、西部盆地形成及其油气成藏等方面的研究具有十分重要的理论和实际意义。 本文的研究工作主要包括三方面内容:首先利用地温和岩石热物性资料分析了中国东、西部盆地的现代地温场特征;其次,结合中国大陆东、西部地区的地热、地壳结构和物质组成等方面的资料,建立了中国大陆东、西部地区岩石圈的热-流变结构,并在此基础上进一步研究了中国大陆岩石圈有效弹性厚度Te;最后,讨论了中国大陆岩石圈热-流变结构对晚新生代变形的制约,并对大陆变形进行了思考,提出了一些初步的看法和展望。全文概要如下:以西部的库车前陆盆地和东部的济阳坳陷为典型案例,揭示了中国东、西部盆地的现代地温场特征,并表明东部盆地的现代地温要整体高于西部盆地;盆地地温场的分布特征受盆地的岩性、构造和沉积厚度等因素影响,但与其所处的地球动力学背景更为密切。中新生代期间西太平洋板块的俯冲和印度-欧亚大陆的碰撞等地球动力学过程分别控制了中国东、西部盆地的现代地温场特征。 中国大陆岩石圈热结构研究表明东部地区的岩石圈热状态要整体高于西部,但东、西部大陆内部的不同热-构造区内亦存在差异。塔里木、扬子等克拉通块体仍具有前寒武岩石圈的热状态,而华北克拉通因构造变革而活化,表现出中新生代岩石圈的热状态。渤海湾盆地岩石圈热结构演化重建表明前中生代岩石圈热厚度大于200km,而中生代末期不足80km,暗示中生代期间岩石圈存在显著的减薄事件。 中国大陆东、西部地区的岩石圈流变学性质具有显著的横向分块、纵向分层的特征,由此表现出强烈的非均质性。对地温低、强度高的岩石圈而言,其有效弹性厚度(Te)大于地壳厚度和脆-韧性转换深度,且强度主要由地幔部分提供,橄榄岩质地幔控制了岩石圈的流变学;对于地温高、强度低的岩石圈而言,其有效弹性厚度则小于地壳厚度,并与脆-韧性转换深度接近,强度主要由地壳部分提供,长英质地壳控制了岩石圈流变学。我们的研究结果还表明在中国大陆地区,既存在“强地壳-弱地幔”的流变模式,也存在“弱地壳-强地幔”的流变模式;弱岩石圈地区的有效弹性厚度(Te)接近其孕震层厚度(Ts),而强岩石圈地区Te则大于Ts。 在综合中国大陆地区的GPS观测、地震活动性研究和活动构造等成果基础上,指出了岩石圈热-流变结构的非均质性决定了中国大陆现今地壳变形的方式和速率。岩石圈强度高、地温低的地区表现为稳定块体,其内部不变形,变形集中在块体边界;而岩石圈强度低、地温高的地区表现为弥散变形。岩石圈热-流变梯度带和前期构造冻结带(断层、古缝合带、地幔内的力学各项异性等)表现为构造软弱带,在构造应力下表现为变形集中区域。以天山地区和青藏高原东部地区为例,讨论了岩石圈热-流变结构对新生代变形的控制作用。进而,结合目前已有的世界范围内的大陆变形特征观测资料,提出了大陆岩石圈热-流变结构的非均质性和构造继承性是大陆变形的主控因素。强调大陆岩石圈的热-流变学性质是解决大陆变形的关键,岩石圈流变学性质和岩石圈的温度、结构和物质组成体现为“三位一体”的关系。最后,指出大陆变形的运动学和动力学模型及大陆岩石圈热-流变结构等方面是今后大陆动力学的重点研究领域并进行了展望。 通过上述工作,本论文获得了如下一些新认识:①提出了中国大陆岩石圈既具有“强地壳-弱地幔”的流变模式,也存在“弱地壳-强地幔”模式。我们的工作不支持Maggi等(2000)提出的大陆岩石圈有效弹性厚度(Te)小于岩石圈孕震层厚度(Ts)这一观点。 ②提出了两个新概念来描述大陆变形,即“热流变-构造区”(Thermorheological-tectonicdomain)来刻画大陆变形的分块特征,和“前期构造冻结带”(Pre-existingtectonicfrozenzone)来表征大陆变形的构造继承性。 ③提出了大陆岩石圈热-流变结构的非均质性和构造继承性是大陆变形的主控因素。 本文论证了中国大陆地区岩石圈的热-流变学性质,并进一步考察了岩石圈热-流变结构对新生代变形的制约。以上的认识对于了解中国大陆地区的岩石圈性质和大陆动力学研究提供了科学依据和约束。
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