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《西北大学》 2002年
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北冰洋—欧亚大陆—太平洋地学断面东南段大陆岩石圈有效弹性厚度研究

袁炳强  
【摘要】: 大陆岩石圈的流变学结构、力学结构、热结构比大洋的复杂得多,而且在长期构造演化过程中,也使不同构造单元的岩石圈强度发生很大变化。这种岩石圈强度的变化对于大陆构造与大陆动力学探索都具有重要意义,因此如何来研究岩石圈强度及其变化,就是一个重要的探索科学问题。其中通过有效弹性厚度(Te)或挠曲刚度(D)的研究来给予表征就是一个重要途径。Te值反映了岩石圈综合强度信息,分析研究Te,不仅能够有助于确定主要构造单元,而且能够通过对其细节的研究,揭示岩石圈深部构造的有关特征,探索大陆构造与圈层耦合关系和大陆动力学。 Te的计算是通过对重力异常和地形高程数据的Fourier谱分析来实现的。泉州—黑水地学断面属于中国GGT泉州—阿尔泰的一部分,它东起福建泉州,向北西到四川黑水,全长约1650km。沿断面有实测的1:1000 000区域重力调查资料和来源于1:50 000地形图的1km×1km的地形高程资料,具备计算Te的数据条件。并且作者也参加了该断面的工作,故本论文选择该断面作为研究Te的主要内容。同时在已有研究基础上,完成该断面的Te二维剖面分析,能够深化对泉州—黑水地学断面的研究,诸如加强深化对断面经过地段岩石圈综合强度、岩石圈深部结构、热状态、物质组成以及构造单元划分等的认识,并进而探索利用重力和地形资料的Fourier谱分析计算Te及解释中国GGT的岩石圈结构。 大陆岩石圈Te的研究是大陆动力学的重要组成部分。最近十多年来,国外地质地球物理学家对Te的研究已取得相当的成果,取得了大范围的Te资料,得到不同地区Te的变化规律,也获得了对Te控制因素的若干认识。研究表明,大洋范围内,Te受岩石圈热构造的控制。大陆范围内,影响Te的因素较多,不同的地质环境、不同的地表及地下负载、壳幔的耦合与非耦合等都会对Te产生影响。国内已有学者注意到对Te的研究,并向国内介绍了国外对Te的研究概况,但总体迄今研究较少,文献也不多。 本文比较系统地介绍了大陆岩石圈的弯曲模型和大陆岩石圈Te的概念及计算方法。大陆岩石圈的弯曲模型假定薄弹性板漂浮在液态的软流圈之上而且由于地表及地下负载作用而挠曲,弹性板挠曲的振幅和波长取决于板的挠曲刚度和负载的分布。Te定义为与岩石圈板块中实际应力分布所产生的弯矩相等的理论弯曲弹性薄板厚度,标志着在地质时间尺度内岩石承受超过100MPa压力时发生弹性行为和流变(体)行为转变的深度。计算大陆岩石圈Te有标准谱方法、最大墒方法、小波分析方法,目前应用最多的是标准谱方法之一,相关技术。相关技术包括两方面的内容(1)计算布格重力异常和地形之间在频率域中的相关性(2)假设薄弹性板模型迭代反演预测相关性并使其与实测相关性有最小均方误差从而求出Te。 本文根据国外对大陆岩石圈Te的研究成果,整理、总结讨论了大陆岩石圈Te的研究现状及其地质意义。大陆岩石圈Te反映了大陆岩石圈在地表及地下负载作用下抵抗变形的能力,Te值的大小与岩石圈结构、物质组成、构造背景等因素有关。 本文应用相关技术,计算了北冰洋—欧亚大陆—太平洋地学断面东南段(泉州—黑水段)的大陆岩石圈Te,并把计算结果与断面经过地段的热岩石圈厚度、均衡重力异常、上地幔 低速层顶界面深度、上地慢低阻层顶面深度、磁性构造层底面深度,地壳厚度等地球物理参 数进行了比较,也计算分析了它们之间的相关性及地质意义。泉州-黑水断面走廊内沿线获 得的Te,可分为不同区段,其不同区段的Te有不同的意义。淑浦以东较高的大地热流值对 应较低的Te值,反映了较高的地热流值与较低的Te值的对应关系。以凤凰东(接近淑浦) 为界,与Te值类似,地壳厚度也可以宏观分为南东低值段与北西高值段,地壳厚度大体上 与Te值呈正相关关系,相应较大地壳厚度对应较高的Te值,较小地壳厚度对应较低的Te 值,说明在大的区域构造背景下,岩石圈强度与地壳厚度成正比。整个断面上热岩石圈厚度、 磁性构造层底面深度与Te值的相关性更好。这说明大陆岩石圈Te与“热”地球物理参数关 系密切,也说明热结构为影响Te值的主要因素。均衡重力异常与Te在整个断面上相关性差, 它们只是在局部地段有一定对应关系,这可能是二者的数学实现机制没有明显的联系。上地 馒低速层顶界面深度、低阻层顶面深度与大陆岩石圈Te相关性均较差,这种现象可能说明 地震岩石圈厚度与电性岩石圈厚度对上地慢局部地段物质横向不均匀性具有较高的分辨率, 主要反映的是上地馒的速度和电性变化,而Te反映的是岩石圈各圈层强度的综合效应,在 较大范围它们之间正相关,但在局部范围可能离差较大。 本文根据Te值所反映的岩石圈综合强度进行构造单元识别,相应沿断面识别出了6个构 造单元,由泉川到黑水依次为:泉州-淑浦段(三江-淑浦断裂带以东到断面南东端泉州)称 为华夏地块;淑浦-安县段(三江-淑浦断裂带与江油-灌县断裂带之间)称为扬子地块:安 县-茂县段(江油-灌县断裂带与茂汉断裂带之间)称为龙门山构造带,茂县-黑水段(茂汝 断裂带以西到断面北西端黑水)称为松潘-甘孜地块。其中华夏地块的泉州-永新东段(
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