（地球物理学专业论文）俯冲板块断离与碰撞造山带早期隆升的数值研究.pdf

中国科学技术大学博士论文 摘要 本文从板块构造学说出发，用数值模拟的方法定量地描述了以海洋板块俯冲为前导的 夏菌寝瑛藏蘧碲i 币西蓓陆文将俯渖板块的天陆和海洋岩石层部分分别称为大陆板块和海洋 板块j ，详细叙述了在天陆板块俯冲时影响俯冲区域热结构的各种主要因素，计算了在此热 结构下值壁堡垫的! 星堡堕塑及霎芝i 撞强，并讨论了萱曼盟! 哟连堂堑垫从厦堡! 鼬的盔瞳 蜇块断离( b r e a k o 毋的可能性以及影响板块断离深度的因素。此外，本文还用一维和准二维 的数值模型模拟了在俯冲板块断离发生后岩石层的隆升过程，讨论了板块不同的俯冲角度 和断离深度对岩石层隆升的影响，并认为俯冲板块断黉后的岩石层隆升是碰撞造山带阶段 性隆舞的早期过程。最后，本文从以上的观点出发，分别探讨了青藏高原的早期鹰嚣过程 以及大别山超高压变质岩折返的动力学机制。 ，一7 (尽管地球物理学家早就指出大陆碰撞之后，由于大陆地壳的浮力，大陆板块不能够无 限制地俯冲，然而由于制约大陆板块俯冲的因素过于复杂，以至迄今为止并未见有对大陆 板块俯冲过程的定量描述。大陆板块俯冲是以海洋板块俯冲为前导的，本文第一章假设在 未发生大陆板块俯冲时，海洋板块的俯冲是匀速的，即沿板块方向的合力为零，由此引入 大陆板块俯冲时俯冲板块受到的陆壳浮力以及受俯冲速度影响的粘滞阻力，构造了一个简 单的一维动力学方程，第一次以定量的方式描述了大陆板块的减速俯冲过程。计算结果表 明，大陆板块俯冲的深度受到俯冲初速度、俯冲角度以及地幔粘滞性等的影响，其最大的 俯冲深度在2 0 0 k m 左右，一般情况下，大陆板块能在2 - 4 m a 时间内俯冲至8 0 - 1 4 0 k i n 的深 度。 在大陆板块俯冲的过程中，影响俯冲区域热结构的因素有：1 地壳、地幔各分层岩石 的热力学性质，2 热源。包括绝热自压生热、放射性生热、相变生热，3 俯冲板块的运动， 包括不断减小的俯冲速度以及俯冲角度等。在考虑以上各因素的基础上，本文第二章构造 了一个二维模型。首次考虑了大陆俯冲的减速过程，使用有限差分算法详细计算了俯冲区 域的热结构。而后，从计算的热结构出发，使用岩石低温下的脆性形变和高温下的延展性 形变公式( 幂指数定律) 计算了俯冲板块的强度结构并进而得到板块的“积分强度”( 板块强 度在厚度方向的积分) ，将海洋板块与大陆板块交接部位的积分强度与板块受到的拉张力进 行比较，便可以对俯冲板块断离的可能性作出判断。考虑到海洋板块与大陆板块交接部位 的深度是大陆俯冲时间的函数因此也可据此得出板块断离的大致时间。在第二章的末尾， 列出了在不同俯冲速度、俯冲角度等情况下，板块断离的深度和时间。 俯冲板块断离后的必然结果便是由俯冲陆壳浮力引起的俯冲区域岩石层隆升，本文第 三章分别以一维和准二维的动力学数值模型首次模拟了断离后的岩石层隆升。在一维模型 中将整个隆升的岩石层模拟成一个柱体，而在准二维模型中，将隆升的岩石层在水平方向 上等分成多个不同的柱体，探讨这些柱体在相互影响中的隆升。两个模型唯一的隆升动力 是俯冲陆壳的浮力，在准二维模型中，各柱体侧面的阻力则以更接近实际情况的脆性和延 性的应力应变关系代替了一维模型中简单的粘滞性假设。在对各柱体列出隆升动力学方程 后，通过改进的g e a r 算法对此大复杂度，强刚性的刚性方程组进行了计算，得到的结果是： 俯冲板块断离后岩石层的隆升是由板块断离的深度，板块俯冲角度决定的，在岩石层隆升 过程中，表面剥蚀的作用不可忽视：岩石层隆升和地表隆起呈现不对称性，且隆升幅度的 最大位置受到断离深度和俯冲角度的控制：在隆升幅度最大位置的左右两侧，隆升和隆起 幅度逐渐递减；俯冲板块断离深度越大，则岩石层隆升幅度越大、速度越快，地表隆起亦 是如此，且隆升和隆起幅度最大值的水平位置随着断离深度的增大也将向板块俯冲的方向 右移；在相同的断离深度下，俯冲角度的变化不影响岩石层的最终隆升量，但影响隆升的 速度；俯冲角度越小，板块断离后岩石层的前期隆升较快；较小的俯冲角度将导致较大的 地表隆起高度，且隆升和隆起幅度最大值的水平位置随俯冲角度减小而向板块俯冲的方向 右移，隆升和隆起的范围增大。本章不仅给出了不同情况下岩石层隆升和地表隆起的对比 结果，而且形象地分别描绘了在8 0 k i n 、1 2 0 k i n 、1 6 0 k i n 、2 0 0 k m 断离深度下、俯冲角度为 3 0 。、4 5 。、6 0 。时的岩石层隆升过程示意图。 青藏高原的形成在空间和时间域上表现为一个非均一的多阶段复杂过程，我们现在认 识到它的形成不仅仅是由于岩石层内部的构造作用，而且还与地幔的动力学过程密切相关。 依据傅容珊教授提出的青藏高原隆升三阶段模式0 3 c c m ，“断离( b r e a k o 毋隆升”一“挤压 ( c o m p r e s s i o n ) 隆升”一“对流( c o n v e c t i o n ) 隆升”) ，本文第四章以俯冲板块断离的观点对青 藏高原，尤其是南缘喜马拉雅造山带的早期隆起进行了探讨。 高压与超高压变质岩在造山带的出露是一个比较常见的现象，大别山超高压变质岩的 折返机制被认为是揭示大别造山带岩石圈动力学过程的一把钥匙，本文第五章认为，超高 压变质岩是由大陆地壳的快速俯冲而形成，之后随着俯冲板块断离后岩石层的隆升而折返 至地表，折返的源动力是大陆地壳的浮力。计算得到的超高压变质岩的分阶段隆升速率、p t 轨迹和年代学特征与地质学、地球化学的结果比较吻合。 在本文第六章中，对断层粘滑摩擦增温及其对热释光( t l ) 和电子自旋共振( e s r ) 测龄的 意义进行了理论探讨，认为在计算断层粘滑摩擦增温中，应该充分考虑岩石孔隙流体对增 温的影响，理论研究结果对利用t l 和e s r 法进行断层活动年代的测定有十分重要的意义。 全文的总结见于第七章。 i i 中囝科学技术大学博士论文 a b s t r a c t i nt h ev i e w p o i n to fp l a t et e c t o n i c s ，n u m e r i cm o d e l i n gi su s e dt od e s c r i b et h es u b d u c t i o n p r o c e s s o fc o n t i n e n t a l p l a t e l e a d e d b yo c e a n i cp l a t ew i t hd e g r e s s i v ev e l o c i t y t h et h e r m a l s t r u c t u r eo fs u b d u c t i o na r e ai so b t a i n e dw i t hm e s ti m p o r t a n tf a c t o r sc o n s i d e r e d a c o o r d i n gt ot h e t h e r m a ls t r u c t u r e , s t r e n g t ho f t b es u b d u c t i v ep l a t ei sc o m p u t e dt od e t e r m i n et h ep o s s i b i l i 移o f s l a b b r e a k o f f ( o c e a n i cp l a t ed e t a c h e sf r o m c o n t i n e n t a lp l a t e ) b yc o m p a r e dw i t ht h eb u o y a n c e i n d u c e d e x t e n s i u n a lf o m ei nt h es u b d u c t i v ep l a t e t h ef a c t o r s ，w h i c hi n f l u e n c eb r e a k o f fd e p t l la r ea l s o d i s c u s s e d f u r t h e r m o r e ，g r e a tl e n g t ho f t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h e1 da n d2 dm o d e l s ， w h i c hs i m u l a t et h ep r o c e s so f l i t h o s p h e r eu p l i f ta f t e rs l a bb r e a k o f f , a n dt h er e s u l t sf r o md i t i e r e n t b r e a k o f fd e p t ha n ds u b d u c t i o na n g l ea r ea l s od i s c u s s e d 1 1 l ed i s s e r t a t i o ns u g g e s t st h a tl i t h o s p h e r e u p l i f ta f t e rs l a bb r e a k o f fm a yb et h ee a r l y - s t a g eo ft h em u l t i - s t a g ep r o c e s so fc o l l i s i o n a lo r o g e n u p l i f t t h i sv i e w p o i n ta l l o w st h ee x p l a n a t i o nf o rt h ee a r l y - s t a g eo ft i b e t a np l a t e a u sf o r m a t i o n a n dt h eu p l i f tm e c h a n i s m o f u l t r a - h i g hp r e s s u r em e t a m o r p h i cr o c k si nd a b i em o u n t a i n ( e a s tc h i n a ) i nt h i sp a p e r a l t h o u g hg e o p h y s i c i s t sh a v ep r e d i c t e dt h a tc o n t i n e n t a lp l a t e c a nn o ts u b d u c ti n t om a n t l e u n l i m i t e d l y , q u a n t i t a t i v ed e s c r i p t i o nf o rt h i sp r o c e s sh a sn o tc o n d u c t e d 蝴ln o wb e c a u s eo f t h e c o m p l i c a t e dc o n t r o l l i n g f a c t o r s i nc h a p t e rl ，o c e a n i cs u b d u c f i o ni ss u p p o s e dt ob eu n i f o r mb e f o r e c o n t i n e n t a ls u b d u e t i o n w h 锄c o n t i n e n 协lp i a t es u b d u e t i n g c 日n t i n e n t a l e n t s t p r n d u c e sn e t b u o y a n c ea n dt h ev i s c o u sr e s i s t a n c ec h a n g e sb e c a u s eo f t h es u b d u c f i o nv e l o c i t y as i m p l e1 d m e d e l i sb u i l tt od e s c r i b et h i sd e g r e s s i v ep r o c e s sa n dt h er e s u l ti st h a tc e n t i n e n t a lp l a t ec a nr e a c h d e p t ho f 8 0 1 4 0 k mu n d e rn o r m a lc o n d i t i o n s ，t h em a x i m u mc o n t i n e n t a ls u b d u c f i o nd e p t hi sa b o u t 2 0 0 k m d u r i n gc o n t i n a n t a is u b d u c f i o n s e v e r a l f a c t o r sd o m i n a t et h et h e l t n a ls t r u c t u r eo ft h e s u b d u c t i o nz o n e ，i n c l u d i n g1 t h e r m a lp r o p e r t i e so f c r u s ta n dm a n t l er o c k s ，2 h e a ts o u r c e s ，s u c ha s a d i a b a t i cc o m p r e s s i o n ，m d i o a c t i v i t ya n dp h a s ec h a n g e s ，3 s u b d u e t i o nv e l o e i t ya n da n g l e f i n i t e d i 彘r e n c em e t h o di su s e di nc h a p t e r2t oo b t a i nt h e2 dt h e r m a ls t l l u l r eo f t h es u b d u c t i o nz o n e a n dt h e s t r e n g t h s t r u c t u r eo fs u b d u c t i v ep l a t e b ya s s u m i n g ab r i t t l e - d u c t i l e r h e o l o g y b y c o m p a r i n gt h ei n t e g r a t e ds t r e n g t hw i t he x t e n s i o n a lf o r c ea tt h ej o i n to f c o n t i n e n t a la n do c e a n i c p l a t e w ec a nd e t e r m i n et h ep o s s i b l eb r e a k o f fd e p t ha n dt i m e n ”r e s u l t sf o rd i f f e r e n tb r e a k o f f d e p t ha n da n g l ea r ed i s c u s s e d a tt h ee n do f t h i sc h a p t e r a sac o n s e q u e n c eo f s l a bb r e a k o 丘l i t h o s p h e r ew i l lb eu p l i f t e db yt h eb u o y a n c eo f s u b d u c t i v e c o n t i n e n t a lc r u s t a1 da n da2 dm o d e la r ea d o p t e di nc h a p t e r3t os i m u l a t et h i sk i n do f i i t h o s p h e r eu p l i f r l i t h o s d h e r ei sm o d e l e di n t oo n ec o l u m ni nt h el d m o d e lo rt e n so fc o l u m n si n t h e2 dm o d e lr e s p e c t i v e l y i nb o t hm o d e l s ，b u o y a n c ei st h eo n l yu p w a r df o r e et h a tc a u s e st h e l i t h o s p h e r eu p l i f t b u ti n s t e a do ft h ev i s c o s i t yh y p o t h e s i si n 1 dm o d e l ，t h e2 dm o d e lu s e sa b r i t t l e d u c t i l es t r e s s s t r a i nr e l a t i o n ，w h i c hd e s c r i b e st h er e s i s t a n c ea c t i n go nt h es i d e so fe v e r y c o l u m n ，t oc a l c u l a t et h eu p l i f td i s t r i b u t i o nf o ra l lt h ec o l u m n s ，t h ee q u a t i o n sf o r2 dl i t h o s p h e r e u p l i f ta r es t i f fe q u a t i o n sw i t hg r e a tc o m p l e x i t ya n dn e e da ni m p r o v e dg e a rm e t h o d st os o i v e r e s u l t ss h o wt h a t , a f t e rs l a bb r e a k o i f , l i t h o s p h e r eu p l i f ti sc o n t r o l l e db yb r e a k o f f d e p t ha n da n g l e ， w h i l et h es u r f a c ee r o s i o nc a nn o tb en e g l e c t e di nt h eu p l i f tp r o c e s s a c c o r d i n gt ot h ef i g u r e s o b t a i n e d ，l i t h o s p h e r eu p l i f ta n ds u r f a c eu p l i f ta r eb i l a t e r a la s y m m e t r i c ，a n dt h eh o d z o n t a lp o s i t i o n s o ft h em a x i m u ma m p l i t u d e sf o rt h e s et w op a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e db yb r e a k o f rd e p t ha n d s u b d u c t i o na n g l e t h i sp o s i t i o nw i l ls h i f tt ot h es u b d u c t i o nd i r e c t i o nf o rl a r g eb r e a k o f f d e p t ho r 1 1 1 a b s t r a c t s m a l ls u b d u c t i o n a n g l e t h er e s u l t sa l s os h o wt h a t , t h eu l t i m a t ea m p l i t u d eo f l i t h o s p h e r eu p l i f ti sa a n g l e c a nc h a n g e u p l i f tr a t e sa td i f f e r e n tu p l i f ts t a g e s a sa ne x a m p l e ，f o r s m a l l e rs u b d u c t i o na n g l e ， l i t h o s p h e r eu p l i f tr a t ei n c r e a s e sa ti t se a r l ys t a g ea n d s u r f a c eu p l i f ta m p l i t u d ew i l lb e c o m el a r g e r , t h e m a x i m u m a m p l i t u d ep o s i t i o n s h i f t st ot h es u b d u c t i o nd i r e c t i o na n dt h er a n g eo fb o t h l i t h o s p h e r ea n ds u r f a c eu p l i f t w i l lb e c o m ew i d e r f o rd i f i e r e n tc a s e so fb r e a k o f fd e p t ha n d s u b d u c t i o na n g l e ，c h a p t e r3g i v e st h ev a r i e dr e s u l 协a n di l l u s t r a t et h eh i s t o r yo fl i t h o s p h e r eu p l i f t f o rb r e a k o f fd e p t ho f8 0 k m ，1 2 0 k m ，1 6 0 k m ，2 0 0 k ma n ds u b d u c t i o na n g l eo f3 0 。，4 5 。，6 0 。， r e s p e c t i v e l y t h ef o r m a t i o no f t i b e t a np l a t e a ui sac o m p l i c a t e dp r o c e s s ，h e t e r o g e n e o u si ns p a c ea n dm u l t i - p h a s e di nt i m e ，a n di t i sn o to n l yt h ec o n s e q u e n c eo fl i t h o s p h e r et e c t o n i c s ，b u ta l s om a n t l e d y n a m i c s a c c o r d i n gt ot h eb c c m ( 3 - s t a g eu p l i f tm o d e lf o rt i b e t a np l a t e a uc a u s e db yb r a n k o f f , c o m p r e s s i o na n dc o n v e c t i o n a lr e m o v a l ，p r o p o s e db y p r o f e s s o rf u r o n g s h a n ) ，c h a p t e r 4h a sm a d e a t t e m p tt oe x p l a i n t h ee a r l y s t a g eu p l i f to f h i m a l a y aa n dt i b e t a np l a t e a u h i g hp r e s s u r ea n du l t r a - h i g hp r e s s u r e ( o h p ) m e t a m o r p h i cr o e k sa r eu s u a l l yd e t e c t e di n o r o g e n s t h eu p l i f t m e c h a n i s mo ft h e s e m e t a m o r p h i cr o c k sh a sb e e n c o n s i d e r e dak e yt o i n v e s t i g a t et h el i t h o s p h e r i cd y n a m i c si nd a b i e m o u n t a i n i n c h a p t e r5 ，a su h p r o c k sf o r m e dw i t h t h es u b d u c t i o no fc o n t i n e n t a lc r u s t , i ti ss u p p o s e dt h a tu h pr o c k sw o u l d s u b s e q u e n t l yu p l i rw i t h t h el i t h o s p h e r ea f t e rs l a bb r e a k o f f f r o mn u m e r i cm o d e l i n g , t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eu h pr o c k s u p l i f tr a t e sa td i f f e r e n ts t a g e s ，t h ep - tp a t ha n dt h ec h r o n o l o g yc o i n c i d ei nt h eg e o l o g i c a la n d g e o c h e m i c a l r e s u l t s c h a p t e r6h a ss t u d i e df r i c t i o n a lt e m p e r a t u r er i s eb yf a u l ts l i pa n dd i s c u s s e di t ss i g n i f i c a n c e f o rt l ( t h e r m o l u m i n e s c e n c e ) a n de s r ( e l e c t r o ns p i nr e s o n a n c e ) d a t i n gw i t ht h ei m p o r t a n c eo f i n t e r s t i t i a lf l u i d sc o n s i d e r e d t h ec o n c l u s i o n so f t h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e di nc h a p t e r7 i v 中嗣科学技术太学博士论文 第一章绪论 造山带是地球上最宏伟壮观的构造现象。从北美的科迪勒拉和阿帕拉契亚造山带到南 美的安第斯造山带，从欧洲的加里东和阿尔卑斯造山带到亚洲的乌拉尔和喜马拉雅造山带， 还有大洋洲的塔斯曼造山带，它们绵延数百数千公里。无不向人们展示着地球曾经历或正 经历着的强烈运动。 有关造山作用的最早解释来自中外的神话传说，盘古的开天辟地和旧约的创世纪都描 述了地球的起源和山脉形成的原因，但是神话并不能代替科学。对造山运动的研究可以说 从公元前就已经开始了，但标志着造山运动研究步入科学大门的是构造学成为一门独立的 学科。本世纪六十年代出现的扳块构造理论标志着经典造山理论的终结，基于板块构造的 造山运动理论最终获得了绝对的优势。 d e w e v 和b i r d ( 1 9 7 0 ) 从板块构造学说出发，将造山作用分为俯冲型和碰撞型两大基本 类型。俯冲型造山的驱动力主要为热力俯冲所造成的岩浆喷溢和侵入是造山带发育的主 要原因；而碰撞型造山的驱动力主要为机械力。俯冲型造山和碰撞型造山并不是两个绝对 排斥的概念，它们可能构成某个造山带形成的两个阶段。对喜马拉雅山及青藏高原的研究， 以及阿尔卑斯山的研究表明，两造山带都是古特提斯洋闭合后由于大陆碰撞而形成，古特 提斯洋的闭合就意味着大洋板块的俯冲削减，因此，大陆碰撞型造山带的形成必然受到海 洋板块俯冲的影响。至于大陆碰撞之前的大洋板块俯冲过程，以及随后的大陆板块的俯冲 和大陆碰撞，大陆与太洋板块的不连续性等因素对造山带的形成产生了何种影响? 它们对 造山带形成的贡献是怎样的? 本文将就此进行研究。在本文中，凡提到大陆板块或海洋板 块，均指板块的大陆岩石层部分或海洋岩石层部分。 1 1 俯冲板块断离概念的提出 早在本世纪七十年代末，人们就已经发现在俯冲板块内存在地震空区。在对澳大利亚 板块俯冲于n e wh e b r i d e s ( v a l u a t u 瓦努阿图) 岛之下的研究中，p a s c a l 等( 1 9 7 8 ) 利用全球地 震台网发现一些地震学的证据支持在俯冲板块内部存在空区，他们发现在一些岛屿之下大 约8 5 k m 深度上地震非常稀少( 图1 1 1 ) 。后来m a r t h e l o t 等( 1 9 8 5 ) 、p r e v o t 等( 1 9 9 1 ) 利用当地 台网都发现在该区俯冲板块内存在地震空区，空区的深度一直延伸到板块俯冲方向1 5 0 k m 的深度，并且空区的宽度从3 0 1 0 0 k m 不等。另一些证据表明，通过空区的地震波发生了 强烈的衰减，且p 波速度减小。这些证据都表明板块的地震空区形成于板块俯冲过程中。 一个对空区比较合理的解释是，板块在其俯冲过程中，下部致密的大洋板块与上部密度较 小的大陆板块的断离( s l a bb r e a k o f f ) 。 图l _ 1 i n e w h e b r i d e s 岛弧地区地震分布图( c h a t e l a i n ，e t a l ，1 9 9 2 ) 板块断离概念的提出可以追溯到i s a c k s 和m o l n a r 在1 9 7 1 年对俯冲板块应力分布的研 究( i s a c k s ，e ta l ，1 9 7 1 ) ，在他们的报告中，明确地提出了板块断离的概念，并且作出了图示， 第一章绪论 指明了在大陆板块俯冲终止后，海洋板块会与大陆板块发生断离并沉入地幔。t o k s o z 和b i r d ( 1 9 7 7 ) 以及b i r d ( 1 9 7 8 ) 对碰撞造山带的热结构和变形的研究也表明，在碰撞造山带，具有一 定热结构的俯冲板块可以由于变形作用导致俯冲的海洋板块从俯冲的大陆板块断离。r o b e r t m c c a f f r e y 等( 1 9 8 5 ) 和p a u le s a c k s ( 1 9 9 0 ) 再次详细的阐明了这个观点。 j h u wd a v i s 等( 1 9 9 5 ) 形象地描述了俯冲板块断离的图象( 图1 1 2 ) ：俯冲的大洋板块引 发了附近软流层的流动；大陆碰撞发生后，由于应力集中导致板块在大洋与太陆过渡区发 生开裂，从而软流圈物质上涌，此时由于大陆板块碰撞生成了地壳的叠瓦状构造：由于软 流圈物质的加热软化作用，俯冲板块内部窄的裂缝继续扩大，从而导致板块的断离：断离 板块继续下沉，断离区域岩石层由于卸载作用而隆起。 d 1s l a bs i n k i n g 图1 1 2j h d a v i s 等( 1 9 9 5 ) 对俯冲板块断离的描述 2 第一章绪论 板块断离概念的提出是大胆的，它比较好地解释了俯冲板块内部形成地震空区的原因， 也对板块俯冲碰撞区域山脉的隆起，以及碰撞造山带的高压变质作用、岩浆活动问题给出 了较合理的解释。本论文的研究重点就是探讨在什么情况下俯冲板块会发生断离，以及俯 冲板块断离后岩石圈隆起及造山的动力学过程。 1 2 造山成因简述 造山带并不是人们常见到的山脉，山脉只是造山带的一种地貌景观。在漫长的地质演 化中。有的古老造山带已经夷为平原，但是仍然可以辨认出它的变形。而正处在活动期的 造山带，其主要构造活动也可能在距地表几十甚至更深的部位。 经典的造山成因是从槽台学说发展而来的，但是板块构造学说逐渐取代了槽台学说的 解释。板块构造学说认为，造山带是板块的会聚形成的。由于海洋板块的俯冲形成了俯冲 造山带，由于大陆板块的碰撞形成了碰撞造山带。近年来，许多学者提出了增生造山成因， 认为这种造山带是由不同时代不同地区大量的隔离地体增生而成。近年来的最新研究表明， 俯冲板块的断离、增厚大陆岩石层的对流剥离以及岩石层的拆离是太陆碰撞区不可忽视的 几种造山作用。 在大陆碰撞区，当发生大陆板块俯冲时，由于大陆地壳具有比地幔较低的密度，其俯 冲必然受到浮力的阻止。同时，由于下部较重的海洋板块的拉张，在大陆与海洋板块的过 渡区由于应变集中会导致海洋板块从大陆板块的断离( b r e a k o f f ) 。断离的深度取决于俯冲板 块的强度，而板块的强度强烈地受到俯冲板块内部温度的控制。本文的目的之一就是应用 地球动力学的方法，研究影响板块断离深度的因素。当海洋板块从大陆板块断离后，因为 俯冲大陆板块的低密度，浮力会导致岩石层的抬升，从而成为造山运动的一个成因( 李力刚 等，1 9 9 8 a ，傅容珊等，1 9 9 8 a ) 。 在对青藏高原的研究中人们发现，高原岩石层的缩短量将导致其厚度会达到2 0 0 k m 左 右，然而现今青藏高原的岩石层厚度只有大约1 0 0 k i n ，那么增厚的l o o k m 的岩石层哪里去 了? 为此，e n g l a n d 和m o l n a r 等人提出了一个增厚岩石层对流剥离的模式来解释此现象 ( e n g l a n d 等，1 9 8 8 ，e n g l a n d ，1 9 9 3 ，m o l n a r 等，1 9 9 3 ) 。他们认为增厚的大陆岩石层是不稳 定的，最终会发生对流移动而沉入地幔，并为较热的软流层物质代替。如此，由于岩石层 失去了较重下部，则上部会发生隆升，这就是对流剥离( c o n v e c t i v e n m o v 锄的造山作用。 对于科罗拉多高原的形成机制，b i r d ( 1 9 7 9 ) 的解释是，增厚的岩石层底部整体从岩石层 脱落( d e l a m i n a t i o n ，拆离) ，上部岩石层因而发生了隆升。最近的研究也表明，青藏高原的 后期隆升不能排除是由此种机制导致的结果( 熊熊，1 9 9 7 ) ，本文将这种造山说概括为拆离 的造山作用。 从以上的描述我们得知，造山作用并不单纯是岩石层的形变，它强烈地受到地幔动力 学过程的影响，因此，要充分地了解造山过程发生的复杂的地质、地球物理及地球化学现 象，离开对地幔动力学机制的考察是得不到正确的答案的。 i 3 用板块断离解释造山带早期隆升和造山带超高压岩石折返机制的合理性 在造山带，与造山运动最密切的构造、地球动力学现象就是山脉的隆起，俯冲和逆冲 运动，以及一系列的超高压岩石的形成、岩浆活动等。我们认为，造山带的形成是有阶段 性的，在不同的阶段可能存在不同的造山机制，这些机制在造山带形成的不同阶段分别起 着主导作用，而它们之间又可能相互影响。例如，研究表明，喜马拉雅山以及青藏高原的 隆升历史明显是不均匀和多阶段性的。有关青藏高原隆升机理的研究一直是地球科学关注 的课题，长期以来地学家们对此提出了各种不同的模型。这里不就各种模型进行详细的讨 论，不过，俯冲板块断离是在大陆板块俯冲后1 0 m a 时间以内极可能发生的地质事件，通 第一章绪论 过对青藏高原的研究，并综合其他的研究成果，傅容珊等( 1 9 9 7 ，1 9 9 9 ) 提出了个高原三 阶段隆升模型。认为在特提斯洋闭合后，发生了大陆碰撞和大陆俯冲，由于海洋板块的断 离，开始了喜马拉雅山脉的第一期的隆升。板块断离导致的山脉隆升伴随着大陆的碰撞挤 压，但在这一阶段，隆升的贡献主要来自于断离后大陆板块的浮力。板块断离后的隆升持 续时间大致限定在l 千万年以内，接下来青藏高原的形成主要受板块碰撞挤压的作用，这 是青藏高原形成的第二阶段。在最近】千万年内。高原的快速隆起机制为增厚岩石层对漉 剥离( c o n v e c t i v er e m o v a l ) 或拆离作用( d e l a m i n a t i o n ) 。这三个阶段划分的根据是不同的隆升机 制对高原形成的贡献。应该再次指出的是，在整个青藏高原的形成过程中，太陆的碰撞挤 压一直在持续着，只是在不同阶段，不一定是碰撞挤压作用占主导的地位。本文研究的重 点是板块断离对造山运动的贡献，而板块断离一般发生在大陆发生碰撞俯冲后的1 千万年 时间内，因此，本论文的题目被确定为碰撞造山带早期隆升研究。 在俯冲扳块断离前，由于板块的快速俯冲，大陆地壳会俯冲进入压力高达3 g p a 以上 的地幔深度，快速的俯冲使板块没有足够的时间达到与周围物质的熟平衡，形成了产生陆 相低温高压或超高压变质岩的条件这一机理已用于解释在南大别发现的柯石英和金刚石 f 徐树桐等，1 9 9 4 ) 。在岩浆活动方面，板块断离后，软流层物质会随着板块断离后形成的 空区上升并冲击上伏刚性岩石层的底部，由于岩石层底部的热扰动，交代过的岩石层地幔 会发生熔融，从而可能产生侵入地壳的花岗岩岩浆( j h d a v i s ，1 9 9 5 ) 。 超高压变质岩的被认为是由于大陆板块的快速俯冲而生成的。其折返的动力学机理也 受到广泛重视，作为一种可能的模型，其从地幔深处的快速折返也可以用“板块断离后， 超高压岩石随隆升的岩石层而折返”的观点来解释。j h d a v i s 等( 1 9 9 5 ) 认为，超高压岩石 形成以后，会以碎片的形式以碰撞断层为通道而折返，其根据是，由于俯冲扳块被地幔加 热，强度发生软化，在摩擦力的作用下超高压岩石碎片会脱离俯冲板块( b r e a k u p ) ( v a nd e n b e u k e l 。1 9 9 2 ) ，又由于板块断离后软流层物质上升加热了上伏的岩石层，上伏岩石层的强 度也发生软化，这就为脱离俯冲板块的超高压岩石碎片上升到地表创造了条件。本文从男 一角度出发，不采用j h d a v i s 等( 1 9 9 5 ) 的观点，而认为超高压岩石的折返是由于板块断 离后整个俯冲区域的岩石层隆升的结果，因为我们考虑到在大陆碰撞区域，存在着俯冲与 逆冲板块互相挤压的力学环境，而这种环境并不利于给超高压岩石提供折返的通道。在本 文模拟的折返过程中，陆壳浮力和表面剥蚀作用是影响超高压岩石折返最重要的因素。本 文第五章将详细地就此问题进行探讨题。尽管在超高压岩石折返机制上存在差异，但是越 来越多的学者认为，超高压岩石的折返与板块断离有关( e r n s t 等，1 9 9 5 ) 。 4 中国科学技术大学博士论文 第二章大陆板块俯冲及俯冲板块断离 一般而言，大陆碰撞是以海洋板块的俯冲为先导，随着大洋的闭合而发生的。如最具 典型意义的喜马拉雅造山带，它的形成就是在古特提斯洋的闭合之后，由北进的印度次大 陆与欧亚大陆的碰撞挤压而形成。虽然许多学者对喜马拉雅及青藏高原的形成提出了不少 模型，但是没有人否认碰撞挤压在这个造山带和高原形成过程中举足轻重的作用。但是， 单一的挤压变形模型并不能解释青藏高原所有的构造及动力学现象，尤其是对于高原隆升 的多阶段性和非均匀性，以及隆升高度和速度随时间的变化给出具有说服力的定量解释。 再例如中国东部的秦岭一大别造山带，它是由于古扬子板块与华北板块碰撞的产物，其南 大别陆壳成因超高压变质岩的出露对经典的碰撞造山模型提出了挑战，因为经典的碰撞造 山模型很难解释超高压变质岩从超过l o o k m 深的地幔的折返。为揭示大陆板块的俯冲和碰 撞对造山带的形成以及超高压变质岩折返所起的作用，有必要对大陆板块的俯冲过程作出 定量的研究。 2 1 俯冲板块断离的证据 俯冲板块断离主要有地震学和地球化学两方面的证据。在地震学方面，首先是在中等 深度的地震区域内存在着地震空区。如n e wh e b r i d e s 岛弧区域，在m a l e k u l a 。岛之下，震源 深度超过8 5 k m 的地震非常稀少，而震源深度在1 0 0 - 1 5 0 k m 范围内的地震比较密集( 参见图 1 1 1 ) 。其次，通过地震空区的地震波会产生强烈的衰减，并且p 波速度相对较低，短周期 地震仪记录不到通过该区的s 波。一般而言，b e n i o f f 带对应地震波高速、高q 值区，对于 b e n i o f f 带内存在的地震空区、同时又是地震波的低速区和高衰减区而言，一个比较合理的 解释就是俯冲板块的断离。另外，在现今的造山带之下，例如，喜马拉雅山和大别山之下， 并没有发现b e n i o f f 带的存在。很容易理解，随着碰撞的发生，大陆板块因为低密度陆壳导 致的浮力不能无限制地持续俯冲，由于前端俯冲的海洋板块具有较大的密度，当俯冲板块 强度不足以抵御海洋板块的拉力时，俯冲板块将发生断离。这就为位于前端俯冲的海洋板 块的去向提供了一个明确的解释，就是其与大陆板块发生断离后，它沉入地幔中而参与地 幔的再循环了。在断离板块的上部，由于海洋板块断离的卸载作用，大陆板块将与周围的 岩石层一起发生隆升。 另一方面，地质学结果也给出了俯冲板块断离的间接证据，这个证据便是造山带超高 压变质岩的折返。对大别山超高压变质岩的年代学研究表明，超高压岩石的折返是快速的， 而目前不少学者均认为其快速的折返原因是由于板块断离的结果( d a v i s 等，1 9 9 5 ，e r n s t 等 1 9 9 5 ，葛宁洁等，1 9 9 8 ) 。关于此问题的详细讨论见于第五章。 2 2 板块运动的驱动机制 2 2 1