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基于原地重熔说的大陆边缘温度场扰动因素的 数值模拟 专业：构造地质学 硕士生：张狮 指导教师：陈国能教授 摘要 花岗岩是组成大陆地壳上层的主要岩石。这部分重要岩石的成因，关系到对 各种大陆地质过程，包括构造过程、成矿过程及变质过程，以及整个陆壳演化过 程的认识。全球各地不同时期的花岗岩带，其空间分布上几乎都是与相应区域不 同时期的板块俯冲或碰撞边界紧密相关。说明板块的俯冲或碰撞过程，不仅仅是 造成地壳或岩石圈的变形，而且导致了一种新的岩石花岗岩的形成。显而易 见，花岗岩的形成不是单纯力的作用结果。因而研究板块碰撞汇聚过程的能量转 换与壳内熔融的关系，应是大陆边缘热一动力学研究的重要课题。 原地重熔的构造模型的提出，为板块俯冲过程能量转换的数值模拟，提供了 重要的基础地质模型。本次研究就是基于原地重熔说，利用数值模拟的方法，分 别对地幔热流和板块俯冲摩擦产热过程，以及它们对大陆地壳温度场扰动的贡献 做了初步的模拟，为进一步开展陆壳大规模熔融的模拟和计算作铺垫。 模拟过程中，分别计算了地幔热流、不同俯冲速度和角度组合所产生的摩擦 热，以及地幔热流与摩擦热联合作用时对地壳温度场的影响。并对研究结果进行 了分析、对比和讨论。通过研究，获得了如下基本认识： ( 1 ) 地幔热流不可能是产生花岗岩的主要热源。这一结果与花岗岩活动不是遍 布于地质历史各个时期，而只发生在某个时间段的现象吻合； ( 2 ) 板块俯冲的摩擦热是引起大陆边缘俯冲带地壳热扰动的主要因素，它才是 促使当时陆壳发成大规模重熔的有效热源； ( 3 ) 俯冲速度和俯冲角度的变化将直接影响摩擦生热量的变化。速度增大或角 度减小，都能使摩擦生热量增大； ( 4 ) 地幔热流与摩擦热的叠加，加增强了加热作用，使得地壳温度升高的速度 加快，升温幅度增大。增幅不大的地幔热流和一定的俯冲速度一角度组合， 就能够使地壳中部达到硅铝质岩石部分熔融的温度条件。 本项研究刚刚开始，限于论文研究的时间和模拟软件的局限性等方面的原 因，模拟过程尚存在不少问题，模型有待进一步改进和深化。 关键词：数值模拟板块俯冲陆壳熔融摩擦生热热扰动 i i n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t e m p e r a t u r ed i s t u r b a n c ef a c t o r s i nc o n t i n e n t a lm a r g i nb a s e do ni n - s i t um e l t i n gt h e o r y m a j o r ：t e c t o n i cg e o l o g y n a m e ：z h a n gc h o n g s u p e r v i s o r ：p r o f c h e ng u o n e n g a b s t r a c t g r a n i t ei st h ed o m i n a t i n gr o c k sf o r m e dt h eu p p e rc r u s t t h ec a u s eo fg r a n i t e s f o r m a t i o ni sr e f e r r e dt oa l ls o r t so fc o n t i n e n t a lg e o l o g i c a lp r o c e s s e s ，i n c l u d i n g t e c t o n i c o r e - f o r m i n ga sw e l la sm e t a m o r p h i cp r o c e s s e s i tw i l la l s oi n f l u e n c eo u r u n d e r s t a n d i n g sa b o u tw h o l ec o n t i n e n t a le v o l u t i o n a r yp r o c e s s g r a n i t e sf o r m e di n d i f f e r e n tp e r i o d s ，t h e i rs p a c ed i s t r i b u t i o n sa l m o s th a v ec l o s er e l a t i o n st ot h ep l a t e s u b d u c t i o no rc o l l i s i o nb e l to fd i f f e r e n tp e r i o d si nc o r r e s p o n d i n ga r e a t h o s ea l l i n d i c a t et h a t ，d u r i n gt h ep r o c e s s e so fs u b d u c t i o no rc o l l i s i o n ，i tw i l ln o to n l ym a k et h e c r u s t a lo rl i t h o s p h e r i c a ld e f o r m a t i o nc o m e si n t ob e i n g ，an e wk i n do fr o c k sw i l la l s o b ep r o d u c e d ，t h a ti sg r a n i t e o b v i o u s l y , t h ep r o d u c t i o no fg r a n i t ei sn o to n l yt h e o u t c o m eo fc o m p r e s s i o n s os t u d yo u tt h er e l a t i o n sb e t w e e nc o n t i n e n t a lm e l t i n ga n d c o n v e r s i o no fe n e r g yd u r i n gt h ep l a t ei m p a c ts h o u l db eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n t t h e m ei nc o n t i n e n t a lm a r g i n st h e r m a l - d y n a m i cr e s e a r c h t h ep r e s e n t a t i o no fi n - s i t um e l t i n gs t r u c t l 枷m o d e l o f f e r sab a s i cg e o l o g i c a l m o d e lt ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f e n e r g yc o n v e r s i o nd u r i n gt h ep l a t ei m p a c t t h i s t h e s i si sb a s e do nt h ei n - s i t um e l t i n gm o d e l i nt h i se x p e r i m e n t ，w ew i l lu s en m n c d c a l s i m u l a t i o nm e t h o d st oc a l c u l a t et h ep r o c e s s e so fm a n t l ef l u xa n df r i c t i o nh e a td u r i n g s u b d u c t i o np e r i o d ，t h e i rc o n t r i b u t i o n st ot h ec o n t i n e n t a ll i t h o s p h e r ew i l lb ec a l c u l a t e d a sw e l l t h i ss t u d yi sap r e p a r a t i o nt ot h ef u r t h e rs t u d yo fs i m u l a t i o na n dn u m e r a t i o n l o fc o n t i n e n t a ll a r g es c a l em e l t i n g d u r i n gt h es i m u l a t i o n ，c a l c u l a t et h ei n f l u e n c e so fm a n t l ef l u x ，f r i c t i o n a lh e a t s p r o d u c e db yd i f f e r e n td i v i n gv e l o c i t i e sa n da n g l e sa sw e l la st h ec o m b i n e da c t i o no f m a n t l ef l u xa n df r i c t i o n a lh e a tt ot h eg r o u n dt e m p e r a t u r er e s p e c t i v e l y , a n a l y s e ， c o m p a r ea n dd i s c u s st h er e s u l t sa sw e l l f i n a l l y , w eg e tt h e s ec o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ： ( i ) m a n t l ef l u xi sn o tt h ef i n a lh e a ts o u r c eo fg r a n i t eg e n e r a t i o n t h i sr e s u l ti si n a c c o r dw i t lt h ep h e n o m e n o nt h a tg r a n i t em a g m a t i ca c t i v i t i e sj u s tt a k ep l a c ei n c e r t a i np e r i o d s ，n o te x i s ti na l lp e r i o d so fg e o l o g i ch i s t o r y ( 2 ) f r i c t i o n a lh e a to fp l a t es u b d u c t i o ni st h ep r i m a r yf a c t o rc a u s i n gt h et h e r m a l d i s t u r b a n c ea tc o n t i n e n t a lm a r g i n i ti st h ee f f e c t i v eh e a ts o u r c ew h i c hc o u l d m a k et h el a r g e - s c a l ec r u s t a lm e l t i n gt a k e ni n t op l a c e ( 3 ) t h ec h a n g e so fs u b d u c t i o nv e l o c i t ya n da n g l ew i l li n f l u e n c et h ef r i c t i o nh e a t g e n e r a t i o nr a t ed i r e c t l y , t h ev e l o c i t yr i s eo ra n g l er e d u c e ，b o t hw i l li n c r e a s e t h ef r i c t i o nh e a tp r o d u c t i o n ( 4 ) w h e nm a n t l ef l u xa n df r i c t i o n a lh e a tt a k ec o m b i n e da c t i o n 。t h eh e a t i n ge f f e c t w i l lh ee n h a n c e d ，t h et e m p e r a t u r ew i l lr i s ef a s t e r , a n dt h ee x t e n to fh e a t i n g w i l lb ee n l a r g e d o n l yn e e do r d i n a r ym a n t l ef l u xa n dv e l o c i t y - a n g l e c o m b i n a t i o n , i tc o u l dm a k em e l t i n gt a k ep l a c ei nm i d d l ec r u s t b e c a u s et h i ss t u d yi sa tt h eb e g i n n i n gs t a g e ，t h es t u d yt i m ea n df a c i l i t i e sa r el i m i t e d ， t h es i m u l a t i o nh a sal o to f p r o b l e ms h o u l db es o l v e di nf u r t h e rs t u d i e s k e y w o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p l a t es u b d u c t i o n , c r u s t a lm e l t i n g ，f r i c t i o nh e a t ， t h e r m a ld i s t u r b a n c e 中山大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 花岗岩不但是大陆的岩石，而且是组成大陆地壳上层的主要岩石。这部分重 要岩石的成因，关系到对各种大陆地质过程，包括构造过程、成矿过程及变质过 程，以及整个陆壳演化过程的认识【1 】o 现代花岗岩成因争论的焦点在于岩浆花岗岩。目前大部分学者认为，花岗岩 浆主要起源于大陆内部岩石的部分熔融 1 , 2 1 。问题是：到底陆壳中那一部分的岩 石发生熔融? 对此有两种不同的认识。一种认识是“异地重熔( 或熔融) ”( 通常 称为“深熔”) 【l 卅。即相对于花岗岩的定位空间，岩浆形成于深部源区( 般认 为是地表2 0 k m 以下，相当于上陆壳底部或下陆壳) 。岩浆在深部源区形成后， 通过某种方式向上侵入，最后在地壳浅部定位，经冷凝固结后形成岩体。这一假 说依据的是：在有水情况下，硅铝质岩石的初熔温度一般为6 5 0 c 左右，正常的 地温梯度为每公里3 0 ，因而熔融应该发生在地表2 0 k m 以下1 2 , 5 】。另一种认识 是“原地重熔”i i , 6 , 7 1 。该假说认为，地温是可变的，花岗岩的形成是陆壳内部的 物质随着系统温度的变化而从有序( 原始岩石) 到无序( 熔浆) ，再到新的有序 ( 花岗岩) 的结果。重熔花岗岩是成层的，岩基只是壳内重熔层上界面( 重熔界 面) 的突起部分，其大小与形态，反映的是重熔界面与现代剥蚀面的几何关系， 与“岩浆侵入量”的多寡无关；壳内重熔层的厚度取决于壳内岩石的性质和6 5 0 左右等温面在上陆壳内部所能达到的高度1 1 3 。 华南中生代发生了强烈的构造岩浆活动，形成了众多的花岗岩( 图1 1 ) 。 基于原地重熔说的大陆边缘温度场扰动因素的数值模拟 图1 1a ：华南中生代的花岗岩带与构造带( a f t e rc h e ne ta 1 ，2 0 0 3 ) 其中1 为中生代花岗岩。2 为断裂构造3 为褶皱构造；b 华南构造岩浆活动年表 根据原地重熔的理论【l l ，华南中生代发生过多次大规模的陆壳熔融或重熔事件。 每次重熔事件所形成的壳内重熔层的厚度达到一定程度时会触发构造运动，因而 构造运动与花岗岩活动不论在时间、空间和强度变化上均具有同步性( 图1 1 ) 。 导致华南陆壳在中生代发生大规模压缩变形和重熔的热和动力均与古太平洋( 库 拉) 板块的俯冲作用有关1 8 】。 原地重熔的构造模型已经系统阐明了华南中生代花岗岩有关的各种地质、地 球化学方面的资料，包括花岗岩的空间、捕掳体与包体、花岗岩化学成分和同位 素组成的变化、岩体的形态与环带构造( 相带) 、花岗岩与构造运动的时空一致 性、花岗岩背斜与复式岩体的形成、花岗岩活动白海向陆减弱、花岗岩带的迁移 等等1 1 , 6 , 7 】。本实验拟在此基础上，通过数值模拟方法，探讨板块俯冲过程能量转 换的可能性，为进一步开展陆壳大规模熔融的模拟和计算作铺垫。显而易见，本 论文的选题对于板块相互作用过程中的能量转换、以及大陆地壳对于大洋板块俯 冲作用的响应等重大理论课题的研究，无疑有重要意义。 1 2 数值模拟发展现状 应用数值模拟软件，通过计算机进行数值分析，是地质学的研究走向定量化 的重要一步。近年来，数值模拟方法在国内外的地学研究中已广泛应用1 9 1 4 】。 数值模拟技术的具有下列特点： 中山大学硕士学位论文 方法简单便捷，可以快速检验各种处理、解释结果的正确性；而旋转交 错的网格高阶有限差分和虚谱法等，则为解决以复杂介质为目标的基础 研究、以及油气藏勘探中的高精度数值模拟提供了技术保障。 作为一种认知手段，借助数值模拟技术可以提高对复杂介质中能量传播 规律的认识程度。 数值模拟方法中的波场数值模拟技术应用于油气藏勘探中，证实不仅可 以在勘探阶段确定使用的处理解释方法，而且可以利用其振幅对储层参 数的敏感性监测油气开采情况，等等。 数值模拟中常用的计算方法有有限单元法、有限差分法、边界元法等【9 】o 其 中，拉格朗日有限差分法是一种新型的数值分析方法。该方法与有限元法和边界 元法的不同之处在于：拉格朗日有限差分法是一种显式计算方法，而后二者则是 隐式计算方法【l ”。显式差分法求解时，未知数集中在方程的一边，无需形成刚度 矩阵，不用求解大型联立方程，因而占用内存少，便于微机求解。显式拉格朗日 有限差分法中最著名的一个数值模拟软件就是f l a c 。在国外，f l a c 软件应用 较广泛，主要用于工程地质学、构造地质学、大陆动力学以及成矿学等方面的模 拟。在9 0 年代初，国内引进该软件，并成功应用于岩土力学分析、滑坡和沉陷 预测、水利枢纽岩体稳定性分析、矿巷稳定性等方面的研究a e t g - 1 2 】。近年来，f l a c 软件被逐步应用于构造变形、成矿作用以及大陆动力学等研究领域【1 2 】。可以预测， 随着计算机技术的飞速发展，数值模拟技术在地球科学中的应用范围会越来越 广，其研究也将朝着更为深入的方向发展。 1 3 应用方法及软件介绍 本次研究中主要用到了两种功能强大的软件：f l a c 软件和m a t l a b 软件。 f l a c 是一种数值模拟软件，而m a t l a b 则是一种数值计算型软件。下面分别 对这两种软件的特点作一简单的介绍。 基于原地重熔说的大陆边缘温度场扰动因素的数值模拟 1 3 1 快速拉格朗日法( f l a c ) 简介 f l a c ( f a s t l a g r a n g i a n a n a l y s i so f c o n t i n u e ，连续介质快速拉格朗日有限差 分法) 是一种有限差分数值模拟计算方法，适合求解非线性的大变形问题。f l a c 软件最早由美国1 t a s c a 咨询集团公司利用拉格朗日元方法原理开发，主要应用 于岩土工程力学计算渊。软件分为f l a c 2 d ( 二维) 和f l a c 3 d ( 三维) 两个计 算版本，本次研究选用了f l a c 2 d 软件。该软件能有效地模拟地质变形能量传输 流体相互作用的耦合关系，被广泛应用于解决不同尺度变形构造和大陆动力学 问剐1 2 ，1 3 】。其基本原理类同于离散元法，但却同有限元法一样适用于多种材料模 式与边晃条件非规则区域的连续问题求解；计算中利用了“混合离散化”技术， 可针对不同介质特性选取相应的本构方程，更真实地描述实际地质体的动态行 为，这比常规有限元法“降低完整性”的方法在力学上更为合理。f l a c 分析将 计算区域划分为若干六面体单元，单元网格可以随着材料的变形而变形，即所谓 的拉格朗日算法。这种算法可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大 变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到 的优点。 f l a c 软件使用了如下三种计算方法：( 1 ) 离散模型方法。连续介质被离散为 若干六面体单元，作用力均被集中在节点上。( 2 ) 有限差分方法。变量关于空间 和时间的一阶导数均用有限差分来近似。( 3 ) 动态松弛方法。由质点运动方程求 解，通过阻尼使系统运动衰减至平衡状态。它利用了节点位移连续的条件，将连 续介质的动态演化过程转化为离散节点的运动方程和离散单元的本构方程求解。 即首先由节点的应力和外力变化以及时间步长，利用虚功原理求节点不平衡力和 速度：再根据单元的本构方程，由节点速度求单元的应变增量、应力或位移增量 和总应力，继而进入新的循环。 f l a c 软件包含静力、动力、蠕变、渗流和温度五种计算模型，适用于多种 材料模式与边界条件非规则区域的连续问题求解，而且在计算中可针对不同介质 特性选取相应的本构方程，更真实地描述实际地质体的动态行为f 1 4 1 。f l a c 具有 模拟单独过程或组合过程的能力，力学分析、流体流动以及热分析可单独进行， 也可以耦合在一起同时进行。模型可以静态求解，也可有动态响应，这样，f l a c 就可以随时完成简单分析和复杂问题的模拟。其模拟流程图如图1 4 所示。 4 中山大学硕士学位论文 图1 4f l a c 主要模拟流程( 据参考文献“，翻译重绘) 综上所述，f l a c 软件的优点主要表现在如下几个方面： 对硬件配置要求较低；由于f l a c 采用的是显示有限差分法。不形成刚 度矩阵，可节约计算机存储空间，减少运算机时，提高解题速度，在内 存较小的低档机上也可进行较大规模的计算。计算机内存分别为2 、4 、 基于原地重熔说的大陆边缘温度场扰动因素的数值模拟 8 、1 6 m b 时，f l a c 可计算的单元数分别为1 5 0 0 、1 0 0 0 0 、3 0 0 0 0 、6 0 0 0 0 。 强大的前后处理功能：f l a c 具有很强的前后处理功能。只要设置某些 控制点的坐标，软件就可以自动生成计算机网格，界面美观。用户可以 根据实际情况通过某些命令修改网格，如：对圆形巷道可采用放射性网 格；对于其它非规则洞室及复杂地下洞群，则可采用局部密集周边疏松 的网格。单元网格可以随着材料的变形而变形。各阶段的计算结果均可 以用数据文件的形式存盘，一旦需要就可用r e s t a r t 命令恢复全部现场， 使用起来非常方便。 与大多数程序采用的数据输入方式不同，f l a c 采用的是命令驱动方式。 命令字控制着程序的运行。在必要时，尤其是绘图，还可以启动f l a c 用户交互式图形界面。f l a c 输出的图形包括各个运算时期的主应力向 量图，各应力分量图，以及位移的等值线图，结构的受力向量图，塑性 区范围等，各图形表现力极强。用户还可根据需要对关键部位的应力、 位移、速度等特征量进行跟踪记录，并可绘出这些特征量与时间( 步长) 的关系曲线。 实现对多种材料的模拟：f l a c 可以模拟六种材料模型，分别是：弹性 模型、莫尔一库仑模型、横观各向同性模型、遍有节理模型、应变硬化 以及应变软化模型。同时，f l a c 软件还提供了交界面模型，用户可以 用滑动面来模拟断层和节理。此外。还可根据实际情况，采用某一种模 型，并在计算范围内定义若干子区域，赋予不同的材料不同的参数值， 以模拟复杂的地质条件。 f l a c 是以岩石力学理论为基础，以介质物理力学参数和地质构造特性为计 算依据，建立在客观反映原型( 地质体的几何形态与物理形态) 和仿真其动态演 化过程力学效应基础上的一种新型数值方法( 谢和平等，1 9 9 9 ) 1 1 1 ，因此应用范 围广泛。目前，f l a c 已经被成功地应用于求解许多地学问题，如她壳增厚与部 分熔融、褶皱和断层演化、构造一热和形变一流动耦合模拟及其相关效应探讨等 1 4 1 6 中山大学硕士学位论文 1 3 2m a t l a b 简介 在科学研究及日常工作中，将一些数据资料用图形的方式显示出来，将会使 人们更形象地了解问题。作为一个优秀的科技软件，i v l a t l a b 不仅在数值计算 上独占鳌头，而且在数据可视化方面有上乘表现【”】。m a q q _ 。a b 原是m a t r i x l a b o r a t o r y 在7 0 年代用来提供l i n p a c k 和e i s p a c k 软件包的接口程序，采用c 语言编写。从8 0 年代出现3 0 的d o s 版本，逐渐成为科技计算、视图交互系统 和程序语言。m a t l a b 可以运行于多个操作平台上，如w i n d o w s9 x n t 、0 s 2 、 m a c i n t o s h 、u n i x 、l i n u x 等。作为一类数值计算型软件，m a t l a b 语言是具有 以矩阵和向量为基本数据单位，包括控制流程语句、函数、数据结构、输入输出 及面向对象等特点的高级语言。程序主要由主程序和各种工具包组成，其中主程 序包含数百个内部核心函数，工具包则包括复杂系统仿真、信号处理工具包、神 经网络工具包、图像处理工具包、统计工具包等。i v l a t l a b 以矩阵作为基本数 据单位，在应用线性代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、动态系统仿真 方面已经成为首选工具【1 5 q 8 1 ，给用户带来的是最直观、最简洁的程序开发环境， 其主要特点有如下几个方面： 语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数及其丰富； 运算符丰富； 既具有结构化的控制语句又有面向对象编程的特性； 语法限制不严格程序设计自由度大； 程序可移植性好，基本上不做修改即可在各种型号的计算机和操作系统 上运行： 图形功能强大，并具有较强的编辑图形界面的能力； 具有功能强大的工具箱： 源程序的开放性。 m a t l a b 被称为第四代计算机语言，如同高级语言的执行效率要比汇编语 言的执行效率低，t l a b 的执行效率比一般高级语言的执行效率低，但是其 编程效率却要远远高于其他高级语言，并且其程序的可读性及可移植性好。此外， m a t l a b 强大的库函数带来的简单程序代码具有无可替代的作用。 基于原地重熔说的大陆边缘温度场扰动因素的数值模拟 1 4 研究内容及工作流程 花岗岩是组成大陆地壳上层的主要岩石。有关这部分重要岩石的成因，一 直是地质学长期争论的重大理论问题。最早是水成论和火成论之争，其后是变成 论与岩浆论之争，最近十多年来是岩浆来源和形成方式之争( 陈国能等，1 9 9 6 ) 。 一般认为，花岗岩浆是形成于深部源区，然后通过某种方式向上入侵，最后在地 壳浅部定位，经冷凝固结后形成岩体。这一传统的“岩浆侵入说”，实质是将花 岗岩的形成过程分为岩浆生成、岩浆运移和岩体形成三个阶段。三个阶段分别发 生于地表以下不同深度的部位( 即源区、通道和定位区间) 。前两个阶段的岩浆 源区和岩浆通道事实上是不可观察的，而最后“岩浆定位”阶段，却又存在无法 解决的“空间问题”( 陈国能，1 9 9 8 ) 。通过十多年的研究，陈国能等提出了与传 统岩浆论“截然不同的逻辑体系”( 杨遵仪，1 9 9 6 ) ( 陈国能等，1 9 9 6 ) ，即花岗 岩的原地重熔说。前已述及，该假说与传统的岩浆侵入说的主要区别在于：后者 认为花岗岩不是外来的“侵入体”，花岗岩的形成是上陆壳内部的物质随着系统 内能的变化而从有序( 原始岩石) 到无序( 熔浆) ，再到新的有序( 花岗岩) 的 结果( 陈国能，1 9 9 8 ) 。问题是，什么原因造成陆壳系统的内能变化? 为此，陈 国能等( 2 0 0 3 ) 通过对华南中生代花岗岩及其与中生代地壳变形关系的研究，建立 了陆壳大规模熔融的构造模型，认为重熔热主要是来自板块俯冲作用所产生的摩 擦热( c h e n ，e ta 1 2 0 0 3 ) 。 板块俯冲过程的能量转换能否造成上陆壳岩石的大规模熔融? 出了板块俯 冲作用外，陆壳温度场的扰动是否还有其它因素，例如地幔热流、放射性热等? 最有效的热产生因素是什么? 各热产生因素的贡献又有多大呢? 这些问题就是 本论文要研究的内容。研究方案是在花岗岩成因的原地重熔理论及其构造模型的 基础上，利用f l a c 和m m l a b 两个软件，分别对地幔热流和不同板块俯冲过 程( 例如不同的俯冲速度和俯冲角度) 的摩擦生热进行数值模拟，从而通过定量 分析来探讨陆壳熔融的有效热源。具体的技术路线如下( 图1 _ 3 ) ： 中山大学硕士学位论文 图1 3 研究工作流程图 基于原地重熔说的大陆边缘温度场扰动因素的数值模拟 1 5 研究意义 对于花岗岩形成及温度场扰动的数值模拟，基于其它的一些动力学模型前人 已做过一些。不同的动力学模型，其所产生的结果不同。原地重熔说及在此基础 上建立的陆壳大规模熔融合变形的构造模型，对于华南中生代花岗岩有关的各种 地质、地球化学有广泛的包容性。如何从量的角度描述上述过程，对于花岗岩成 因和陆壳演化、以及大陆边缘动力学等重大研究课题，无疑有着重大的意义。本 次研究是以导师陈国自教授提出的“花岗岩成因的原地重熔理论”为理论基础和 地质模型，目的是为了探究地质非稳定时期造成温度场强烈扰动的因素以及它们 各自的影响力。此次模拟实验与前入所作之模拟，从地质模型和理论基础上就存 在着根本的不同，因此是十分具有创新意义的。这项研究为将进步开展的陆壳 大规模熔融的数值模拟和计算提供了铺垫和实践基础。 一直以来，花岗岩的成因问题都是地学界争论的一个焦点。在考虑花岗岩的 成因时，一个基本问题是陆壳是怎样被加热到足以形成大量的岩浆的? 有学者认 为地幔是产生某些花岗岩或所有花岗岩的最终热源【5 1 ，认为摩擦剪切热的作用可 以忽略。本次研究中不仅对建立的热传导方程进行了定性的解析推导，同时针对 地幔热和摩擦热这两种潜在热源进行了定量的计算机分析运算，为原地重熔理论 提供了有效的实验数据支持。 花岗岩的成因，包括源岩和热流机制两个不可缺少的方面。花岗岩类型与地 质环境有广泛的联系，不同的构造环境提供不同的源岩组合，其花岗岩形成过程 也不同【2 j 。源岩一经确定，就应成为探索大地构造环境的线索。本次计算机模拟 在确定原岩及其物性的基础上对造成大陆边缘温度场扰动的因素及其影响效果 进行了定量分析，并且通过变换俯冲速度及俯冲角度的大小分析得出了俯冲速度 及角度的大小与摩擦生热量的多少之间的大致变化关系。这对于板块俯冲过程中 的热动力转换过程研究，有着重要的参考价值。 虽然本次实验是以燕山运动首幕为时间背景进行的，但其结果对于整个中生 代乃至地质历史中各时期的板块俯冲、碰撞边界以及花岗岩浆事件具有一定的推 广价值。这对于研究板块俯冲的构造过程、能量转换过程，以及解释为什么花岗 岩的产生总是与构造活动相伴随等重大课题，无疑具有极为重要的意义和价值。 1 0 中山大学硕士学位论文 第二章华南中生代陆壳大规模熔融的地质模型 地质学的理论模型是对地质现象发生发展过程的逻辑解释。数值模拟是地质 模型的量化手段。数值模拟结果的可信度，取决于地质模型对于地质现象的包容 度。所谓模型包容度，在此是指模型对于某种地质体有关的各种地质现象的逻辑 解释合理程度。地质模型对各种地质现象的包容度越大，说明其反映的过程越接 近真实。在此基础上提取各种参数，进行数值模拟，方能保证数值模型能够接近 客观的地质过程。 前已述及，华南东部中生代发生了多次强烈的构造一岩浆活动，形成了众多 的花岗岩。对于这部分岩石的成因，陈国能教授提出了不同于传统岩浆侵入说的 原地重熔说，以及有关壳内大规模熔融的构造模型1 ，6 ，7 1 。本文是在此基础上，模 拟陆壳熔融的条件与过程。因此，有必要讨论原地重熔说及其构造模型的包容性， 以确立数值模拟的前提条件。 2 1 华南东部的地壳结构与地壳演化 华南东部( 包括浙、闽、赣、粤、湘、桂六省) 的地壳结构具有东薄( 2 9 k m ) 西厚( 4 8 k m ) 、南薄( 2 6 k i n ) 北厚( 3 8 k m ) 的特点 2 3 1 。外地壳结构可分两层。 上外地壳厚1 9 6 1 9 8 k m ，p 波速为6 0 7 , , - 6 1 2 k i n s ：下外地壳厚11 7 1 2 5 k m ，p 波速为6 6 4 7 k m s ：地幔顶层埋深平均为3 2 6 3 3 1 k m p 波速为8 0 2 8 0 3 k n d s ( 1 9 7 9 ，永平爆破观测组) ，莫霍面起伏不大，与现代地貌呈镜像关系【矧。 本区n e 和n n e 向磁特征线密集成带，与n e 向深大断裂带和岩浆带大体 相应【2 3 1 。在热流值表现上，一般是沿海区大地热流值较高，为5 0 2 4 - 6 6 9 9 m w m 2 ， 向内陆递减，如雪峰山仅3 3 4 9 m w m 2 。地温梯度的分布具有东部高、西部低， 南部高、北部低的总趋势，这与地温分布的规律是一致的 2 4 】。中国东部的地温梯 度多在3 0 - - - 4 0 c k m 东南沿海为一地温梯度异常区。东南沿海地区的浙、闽、 粤等省区，地温梯度多在2 5 3 5 c k m 间，尤其在沿海地区的温州、大浦、广州 一线以东地区，多为3 0 c k m 以上的地温梯度分布区，其中一些地热异常区的地 基于原地重熔说的大陆边缘温度场扰动因素的数值模拟 温梯度可达6 0 - - 7 0 k _ r n ；此带中的雷州半岛及北部湾、莺歌海等海域的地温梯 度均可达3 3 k i n 左右。地温梯度等值线的延伸方向为n e 及n n e ，并与海岸线 方向一致。鄱阳、洞庭( 包括江汉) 、南阳、三水及百色等中小型盆地的地温梯 度均偏高，一般都在3 0 c k i n 左右，最高达4 0 c k i n 以上( 2 4 1 。深部地壳结构对 大区域的地温分布的控制是十分明显的，在某种程度上它们之间是相互依存的 【2 3 】。中国地温的分布与地壳结构区有着较好的一致性( 图2 1 ) 。 ：，一氟蛰矗, l f l m t i l l i l l 蠢耋 ； 、厂一厂、 。 一青蠢高厨 苗2 。蛰一一星耋 一 一。 图2 1 地壳厚度与地温变化示意剖面( 据参考文献2 4 ) 羹鬟摊雨 华南东部的地壳演化经历了槽、台、洼三个阶段【2 3 1 。从中元古代至晚志留 世为地槽发展阶段，形成了一套以复理石建造为主的地槽型沉积建造。中元古界 以四堡群( 桂北) 、冷加西群( 湘西) 、瑶山群( 滇东南) 、九龙群( 黔东南) 为 代表，为一套厚达2 5 0 0 0 m 以上，由板岩、千枚岩、片岩、片麻岩、角闪岩、变 粒岩等组成的复理石建造、细碧角斑岩建造等。武陵运动使其褶皱变质，形成紧 闭型n e e w 向德褶皱断裂带，并有超基性、基性、中性岩侵入，晚期有斜长花 岗岩和花岗闪长岩侵入( 如苯洞岩体为1 0 6 3 1 1 0 9 m a ) 。晚元古界以板溪群( 湘 西) 、丹洲群( 桂北) 、陈蔡群( 浙江) 、建瓯群( 福建) 为代表，也为一套厚达 1 3 0 0 0 m 的由千枚岩、片岩、变质砂岩、片麻岩、大理岩等组成的复理石建造、 细碧角斑岩建造等，与下伏中元古界呈高角度不整合接触。晋宁运动使其褶皱变 质、形成n e e w 向紧闭型褶皱和断裂，伴有较大规模的花岗岩浆活动( 广西元 宝山三防岩体7 6 弧他) 和超基性、基性岩浆活动。震旦纪时本区在文山一桂林一 赣州一三明一余姚一线以北为滨、浅海环境，沉积冰川及浅海相砂页岩等：以 中山大学碗士学位论文 南仍保持优地槽环境，堆积较厚的复理石建造和细碧角斑岩建造等，澄江运动使 上下震旦统间为假整合。自寒武纪开始海侵时进时退，构造运动亦分别于不同地 段表现明显，本区地槽呈现多旋回期方式回返。寒武纪末的郁南运动使滇东南、 桂西、粤东、粤西等地褶皱变质，形成e w 向的云开一武夷隆起和吴川一四会、 邵武河源、政和一打浦等断裂及云开一武夷混合岩和混合花岗岩带( 莫柱孙， 1 9 8 0 ) 。中奥陶世末的北流运动，又使赣南、桂北等地褶皱上升。志留纪末的广 西运动使本区地槽全面回返( 只残留钦州一n w 向的海槽) ，形成以e w 、s n 和 n e 向为主的紧闭型褶皱和断裂，以及武夷山武功山混合花岗岩化带田】。 早泥盆世至中三叠世为地台阶段【2 3 】。初定期为早泥盆世，此期在基本夷平 的基础上缓慢上升，遭受剥蚀，除少量陆相砾岩沉积外大部分地区缺失。中泥盆 世至早二叠世末为地台和缓期，地壳震荡运动频繁，古陆表海形状变化很大，沉 积了一套稳定的碳酸盐岩建造、含煤砂页岩建造等，并有基酸性火山喷发和石 英闪长岩、辉长岩侵入。晚二叠世本区转入地台型沉积层，并有峨眉山玄武岩的 喷溢和花岗岩侵入( 六万大山、大容山岩体，2 3 6 - - 2 8 1 m a ) 。钦廉运动的结束， 使原先残留的钦州海槽封闭。此后的印支运动一、二幕，又使这套地台构造层发 生n e 向的褶曲及断裂【2 3 1 。 从中三叠世末开始，本区进入了地洼演化阶段 2 3 1 ，在地洼盆地中形成了一 套以红色建造和中酸性火山建造为特色的地洼型沉积建造。与此同时出现了频繁 的构造运动，造成了地台构造层发生褶皱与断裂。陈国能等( 2 0 0 3 ) 曾据中生代各 次构造幕所造成的地层不整合，勾画出不同构造幕的影响范围( 图2 2 ) ，从中不 但可以看到各次构造运动的强度变化，而且证实了华南中生代地壳压缩变形的构 造动力是来自太平洋方向而不是地幔，应该与太平洋板块俯冲所施加的侧压力有 判7 1 。 基于原地重熔说的大陆边缘温度场扰动因素的数值模拟 1 、甲 一r ” 礤j 魁耵住i 姚毽裂鬈 点弼 艇i l 矿髟 毽止 轴“穗瓣懵 捌嵛i 篙矿。矿l 图2 2 中生代挤压变形事件影响到的区域以及中国东南部中生代的花岗岩分布 十字职影区为不整合接触带，垂直线区为假整合接触带，水平线区为整合接触带。箭头指 示西北向中生代古太平洋( 库拉) 板块俯冲方向。黑色代表出露花岗岩带 c a f t e rc h e ne ta 1 ，2 0 0 3 ) 随着各次构造运动的发生，本区在中生代发生了强烈的花岗岩浆活动，形 成了本区中生代的花岗岩带。从图2 2 上可见到，与各次构造运动相应的花岗岩 活动，均发生在相应构造运动的不整合区内。 卜一 熬日i 旋鞠i 一印炎旋列。i 图2 3 中国东南花岗岩1 5 5 2 个同位素年龄的柱状图平滑曲线( 加粗虚线) 与中生代变形 事件年代( 黑色圆柱) 的对比 圆柱的高度取决于它们各自的构造运动强度值，由构造运动各幕的变形阶段所产生的不整 合区面积换算得出 ( a r e rc h e ne t _ l 2 0 0 3 ) 1 4 中山大学硕士学位论文 如图1 1 b 所示，岩浆期与构造幕是同步的。图2 _ 3 给出了本区1 1 5 2 个花岗 岩同位素年龄的统计曲线，也清楚反映出两者不但在时间上，而且在强度变化上 也具有同步性 7 1 。 根据上述资料，陈国能等建立了板块作用引起陆壳大规模熔融和变形的构造 模型 i , 6 3 1 。 2 2 陆壳熔融的构造模型及其包容性 与传统岩浆侵入论不同。原地重熔模型视上陆壳为独立系统，认为花岗岩的 形成是陆壳内部的物质随着系统内能的变化而从有序( 原始岩石) 到无序( 岩浆) ， 再到新的有序( 花岗岩) 的结果( c h e n e t a l ，2 0 0 3 a ) 。原地重熔说对花岗岩成因 的主要论点有( 陈国能等，1 9 9 6 ；2 0 0 0 ) ： 花岗岩浆来自壳内岩石的部分熔融，其形成是陆壳内部温度变化而引起 物质性状变化( 从岩石一熔浆) ，以及在这一过程中，各种化学元素重 新分配和重新组合的结果： 重熔花岗岩是成层的。岩体只是壳内重熔层上界面( 重熔界面) 的突起 部分，其大小与形态，反映的是已经固结的重熔界面与现代剥蚀面的结 合关系而不是岩浆侵入量的多寡；多次重熔形成多层花岗岩；花岗岩的 “层序”上老下新； 原地重熔过程造成了元素在熔融系统之内的重新分配和重新组合，因而 花岗岩的化学组成、同位素组成和稀土配分特征等，反映的是熔融系统 的物质演化而不是岩浆的来源。 原地重熔模型合理的解释了花岗岩及与花岗岩有关的各种地质、地球化学现 象，包括岩基的空间、岩基与围岩接触关系、花岗岩背斜的形成、热变质作用和 混合岩化、花岗岩的环带状构造( 相带) 、花岗岩的岩石化学与同位素组成以及 稀土配分特征等等( 陈国能等，1 9 9 6 ，2 0 0 0 ；c h e n e t a l ，2 0 0 3 ) 。 在花岗岩原地重熔模型的基础上，结合图1 1 、图2 2 以及图2 3 所反映的 区域花岗岩活动与构造运动关系等方面资料，陈国能等( 2 0 0 3 ) 进一步提出了陆 壳大规模熔融与板块俯冲作用关系的构造模型( 图2 4 ) 。 基于原地重熔说的大陆边缘温度场扰动因素的数值模拟 圈2 4 板块俯冲与陆壳熔融和重熔层的关系圈( a f t e r c h e n e ta 1 ，2 0 0 3 ) 陈国能等认为随7 1 ，在太平洋( 库拉) 板块向欧亚板块方向俯冲过程中，板 块相互作用产生的摩擦热必会导致大陆岩石圈内部的温度升高。一旦上陆壳底部 的温度升至该处硅铝质岩石的初熔温度( 根据实验岩石学的资料，在有水情况下， 硅铝质岩石一般在6 5 0