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《中国科学技术大学》 2016年
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俯冲带热结构的动力学模型约束

毛伟  
【摘要】:俯冲板块在俯冲过程中与周围地幔不断发生热交换,该热演化过程主要由热传导和平流物质交换两种作用构成.俯冲带热结构的演化是控制俯冲过程中物理化学性质转变的决定性因素之一,直接影响我们对矿物脱水、岩石部分熔融、岛弧火山喷发以及俯冲带地震等关键地质现象的理解.对俯冲带热结构的动力学模型研究主要分为解析方法和数值方法两种.解析模型能够从物理上给出对热结构具有最重要影响的控制因素,比如俯冲板块的年龄、速度和角度、剪切应力以及热传导系数等.数值模型能够进一步给出解析模型难以处理的各种复杂因素的影响,比如地幔楔的粘性变化、俯冲板块与周围地幔的耦合过程、与矿物岩石学的结合等.将模型结果实际应用于各俯冲带时由于各种影响因素很多,因此对俯冲带热结构的限定是一个非常复杂的过程.随着地球物理与地球化学各种定量观测手段的进步,将能够给出更多对俯冲带热结构的约束条件,进而更合理的解释与俯冲带相关的地质现象.在深部地幔俯冲板块的温度及热流在地幔热演化的过程中起着关键作用.尽管之前的研究对于俯冲板块在浅部(300km)的热结构有了大量研究,但对于在地幔深部考虑到绝热生热和粘性生热效应俯冲板块的热结构却没有相关研究.本文中我们采用二维轴对称的球坐标系下的地幔对流数值模型来研究俯冲板块的温度和热流随深度的变化.我们探索了可能导致这些变化的不同物理机制的贡献.主要的结果如下:(1)俯冲板块的温度随深度增加比绝热温度曲线要快.在300kmm以下俯冲板块的温度可以采用类似地幔绝热线的幂指数方式来描述.(2)俯冲板块的温度以及热流主要受到平流,扩散生热以及绝热生热作用的影响.而粘性生热以及放射性元素生热的贡献小到可以忽略.(3)俯冲板块在2590km处的亏损温度近似等于核幔边界的温度以及地表温度差的~10%.我们的结果对于不同的瑞丽数,内生热率,活化能以及随深度变化的热膨胀系数和热扩散系数不敏感.了解大洋俯冲到大陆俯冲过程变化过程中俯冲带热结构的变化规律对于深入了解洋陆转换过程以及板块构造过程有着重要作用.通过对前人的高压-超高压变质岩温压数据的总结,我们发现三个有着截然不同的热结构变化过程的洋陆转化带:从热变冷的桐柏-红安造山带,从冷变热的祁连-柴达木造山带以及基本不变的西阿尔卑斯造山带.我们采用了二维笛卡尔坐标系下的对流模型,探讨了不同因素对于洋陆俯冲转换过程中热结构的影响.我们发现,可能导致洋陆俯冲转换过程变冷的原因有:(1)大陆板块的初始温度结构比大洋板块的初始温度结构要冷;(2)俯冲板块的倾角减小;(3)俯冲板块的速度增加;(4)上覆板块的地表热流减小;反之则反.由于多种作用的共同影响,对于不同洋陆俯冲转换带,造成温度结构变化的原因也可能不尽相同,需要更多的观测资料加以更好地限制.
【关键词】:俯冲带 热结构 深部地幔 数值模拟 地幔对流 洋陆转换带 大洋俯冲 大陆俯冲 高压-超高压变质 温压曲线
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:P541
【目录】:
  • 摘要5-7
  • abstract7-10
  • 第一章 引言10-30
  • 1.1 解析模型10-15
  • 1.2 数值模型15-23
  • 1.2.1 主要控制方程15
  • 1.2.2 基本数值结果15-21
  • 1.2.3 数值结果在不同大洋俯冲带中的应用21-22
  • 1.2.4 三维模型及非稳态模型的影响22-23
  • 1.3 矿物相变与水含量等其它因素对俯冲带热结构的影响23-27
  • 1.4 大陆俯冲与大洋俯冲的区别27-28
  • 1.5 前人工作的总结以及本文的研究目的和内容28-30
  • 第二章 俯冲板块在深部地幔热结构的动力学约束30-46
  • 2.1 引言30-31
  • 2.2 数值模型31-35
  • 2.3 结果35-44
  • 2.4 讨论及总结44-46
  • 第三章 大洋俯冲转换到大陆俯冲过程中俯冲带热结构的变化规律46-68
  • 3.1 引言46-47
  • 3.2 三个典型洋陆俯冲转换带47-55
  • 3.2.1 桐柏-红安造山带47-50
  • 3.2.2 祁连-柴达木造山带50-52
  • 3.2.3 西阿尔卑斯造山带52-55
  • 3.3 数值模型55-57
  • 3.4 结果与讨论57-68
  • 第四章 结论和展望68-70
  • 参考文献70-84
  • 致谢84-86
  • 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果86

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