地球物理学报  2012, Vol. 55 Issue (12): 4249-4256   PDF    
数值模拟华北克拉通岩石圈减薄的一种可能机制 ——下地壳榴辉岩重力失稳引起的拆沉
乔彦超1,2 , 郭子祺1 , 石耀霖2     
1. 中国科学院遥感应用研究所,北京 100101;
2. 中国科学院研究生院,北京 100039
摘要: 通过数值模拟研究,论证了中生代华北拉通岩石圈受挤压,下地壳玄武岩相变为密度较大的榴辉岩,榴辉岩重力失稳能够引起下地壳的拆沉,造成岩石圈的大规模减薄的可能性.通过对比不同规模的榴辉岩减薄方式发现,当榴辉岩规模较大时可能发生双管道拆沉,而规模小时发生单管道拆沉.计算结果表明当榴辉岩的水平尺度为100 km, 200 km, 300 km时,岩石圈拆沉减薄后厚度分别可达92 km,105 km,136 km.对比中生代华北克拉通岩石圈热侵蚀减薄和拆沉减薄机制,从力学机制上都能造成岩石圈减薄,但它们的结果对应着不同的地表地质特征.热对流减薄,中心区域变热变薄,中心区域是一个伸展区域,发展一个大的变质核杂岩区,岩浆的发展时序是从中心向两侧对称分布,并且向两侧减弱拆沉减薄结果中,中心区域受到挤压加厚,反而变冷.在中心区域的两侧发生两个减薄伸展区域,可能对应两个变质核杂岩区域,岩浆的发展时序是从两侧向中心减弱发展.
关键词: 华北克拉通      岩石圈减薄      拆沉      榴辉岩     
Numerical simulation of a possible thinning mechanism of the North China Craton —Gravitational instability delamination induced by lower crust eclogite
QIAO Yan-Chao1,2, GUO Zi-Qi1, SHI Yao-Lin2     
1. Institute of Remote Sensing Application Chinese Academy of Science, Being 100101, China;
2. Graduate University Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: We carried out numerical simulation to show the possibility that basalt in the thickened lithosphere may subject to phase transition and produce eclogite extensively in the lower crust, the eclogite of high density then may induce gravitational instable delamination, resulting in the thinning of North China Craton lithosphere. The extent of eclogite affects the mode of delamination. Large width of eclogite coverage tends to induce two-channel delamination, while small scale of eclogite can produce a single sinking channel only. The results show when the width of eclogite is 100 km, 200 km, and 300 km, the lithosphere thickness is 92 km, 105 km, and 136 km, respectively after delamination thinning. The different bottom temperature influences are small compared to the eclogite gravity instability. Numerical simulation suggests that both thermal convection and delamination are possible cause of the North China Craton thinning, but they have different geological consequences which may be recognized on the earth surface. Thermal convection is characterized by a heated and thinned central extension area of metamorphic core complex, with magmatism beginning from the central area and expanding to both sides; while single channel delamination is characterized by a central area of compression of thickened and cold crust, with two extension areas of core complex beside the central zone, and the magmatism develops from both sides of the central zone, but not at the central zone..
Key words: North China Craton      Lithosphere thinning      Delamination      Eclogite     
1 引 言

大陆岩石圈一直被认为是相对稳定的构造单元,然而并不是所有的前寒武纪克拉通从它们形成以后都是处于稳定状态.近期的研究发现,如北美的Wyoming克拉通自中元古代以来发生了减薄和破坏[1-2],南非的Kapvaal克拉通在3.1Ga 时由于岩石圈地幔的拆沉作用而被改造[3],Seber等研究发现地中海Alboran海盆及其周围摩洛哥北部Rif造山带和西班牙南部Betic 造山带(两者均属阿尔卑斯造山期产物)岩石圈地幔现今正在发生拆沉作用[4],很多结果也表明[5-18]华北克拉通在古生代再活化而发生减薄,克拉通岩石圈的改造和破坏已经成为大陆动力学研究的一个热点.也正是如此,华北克拉通岩石圈破坏已成为继青藏高原和大别—苏鲁超高压变质带之后,我国又一在国际地球动力学界引起广泛关注的重大科学问题,已成为国际地球科学前沿研究领域.

关于华北克拉通岩石圈减薄机制还是有比较多的争议[6-8, 12, 17-20],高山等[17-18]通过研究在华北克拉通发现高镁安山岩、英安岩、和埃达克岩,并认为这些岩石是部分熔融的榴辉岩和地幔岩石相互反应生成,是华北克拉通拆沉的主要证据.拆沉作用泛指由于重力的不稳定性导致岩石圈地幔、大陆下地壳或大洋地壳沉入下伏软流圈或地幔的过程.俯冲大洋岩石圈中榴辉岩的拆沉再循环是板块构造的直接产物[21-23].

拆沉理论认为岩石圈加厚是大陆岩石圈和下地壳拆沉的前奏.岩石圈加厚促使基性下地壳转变为榴辉岩[17-18];榴辉岩的密度比岩石圈地幔的密度高200~400kg/m3 [24-26].这种差异将造成重力上的不稳定性,使榴辉岩拆沉再循环进入地幔中[27-32].

本文研究通过数值计算的方法,结合华北克拉通已有的地质成果,模拟华北克拉通岩石圈拆沉机制,通过研究讨论能够发生拆沉需要榴辉岩的厚度,不同规模榴辉岩造成拆沉的不同模式,以及对比热侵蚀和拆沉所造成的地表不同反应,来揭示华北克拉通岩石圈不同减薄机制的动力所对应的不同地质构造特征.

2 模 型 2.1 数值计算的基本原理

我们曾对计算原理、使用公式以及所使用程序的验证进行过论述[23],本文不再详述.研究基于粘滞系数、密度与温度相关的二维上地幔小尺度地幔对流[33-40],其关系式为

(1)

(2)

其中η0 是等效粘滞系数,b是经验系数,Ttop Tbottom分别是计算区域上下边界的温度,ρ0 是等效密度,α 是膨胀系数.

我们使用了有限差分方法,并结合MIC 技术[34-36]求解连续性方程,动量守恒方程和能量守恒方程.计算中使用无限大Prandtl数假定,这样忽略动量方程中的惯性项,假定流体是不可压缩的,并且引入Boussinesq假设[41, 42].

计算的二维模型是长700km,宽700km 的方盒子,网格为71×71,共有400×400 个示踪点.边界条件:所有的边都为自由边界条件;左右两个边界是绝热边界条件$\left( \partial T/\partial x=0 \right)$;顶边界温度为Ttop=273K;底边界温度为Tbottom=1773K.

克拉通拆沉过程中的第一步是岩石圈加厚玄武岩相变为密度比较大的榴辉岩.计算中我们使用由Wylllie[43]提出,Anderson[44]修改的玄武岩-榴辉岩相变图,如图 1.因此大于50km 的地壳被认为是榴辉岩质的,小于25km 是玄武质,深度在25~50km之间且温度达到Teclo(z)(公式3,图 1)的玄武岩转变为榴辉岩.

(3)

图 1 岩石圈加厚玄武岩相变为榴辉岩相变图 Fig. 1 Phase transition of basait to eclogite when lithospheres thicken

当温度达到固相线时岩石开始融化,计算温度,选择McKenzie[45]公式(图 1):

(4)

本文使用的是温度场定义的岩石圈厚度.岩石圈加厚前的地温曲线为图 1 中黑线,上地壳地温梯度为25℃/km,则20km 处为500 ℃;岩石圈100km厚,温度为1350 ℃[46];最底边200km 处温度为1400 ℃,如图 1Told.地壳厚度为35km,即图中原来Moho的深度.假定岩石圈快速挤压增厚一倍到200km 深,那么新的地温曲线为图 1中绿色曲线,上地壳变为40km,温度为500℃;岩石圈变为200km,温度为1350 ℃,如图 1Tnew.TnewTelo的交点深度约为34km,加厚的Moho深度为70km,那么从34km 到70km 都为相变区域,我们首先考虑极端情形,假定这一区域都变为榴辉岩.

2.2 模型初始温度场和物质组成

我们计算区域为700km×700km,温度场主要参考Tnew的值,在底边界700km 处温度为1500℃,如图 2.关于物质组成,我们考虑极端的情形,数值模拟中我们往往对现实的模型或者资料进行很多简化或者合理的假设,从而专注于我们研究的问题,并且数值模拟的一大优势是,在保证正确的前提下,我们可以进行,不同参数,不同条件,不同模型的讨论.使我们得到研究问题的全面资料.本研究中我们假定初始地壳厚度为70km,榴辉岩厚度为34~70km,首先计算横向榴辉岩规模200~500km,如图 3.我们将讨论横向榴辉岩不同规模,如300~400km,200~500km,100~600km,即水平尺度分别为100km,200km,300km 时所造成不同的拆沉模式.

图 2 计算的初始温度场 Fig. 2 Initial thermal state
图 3 初始物质组成 Fig. 3 Initial density
2.3 参数

计算中使用的参数如表 1.计算中关键的参数是不同组分密度的选取,榴辉岩的密度取3500kg/m3 [47],地壳的密度取2800kg/m3 ,地幔的密度取3340kg/m3 [48].

表 1 计算中用到的参数 Table 1 Parameters used in computation
3 计算结果

榴辉岩的厚度为34~70km,我们横向上采用三种不同规模的榴辉岩分别为200~500km,300~400km,100~600km,讨论了不同规模的榴辉岩造成的不同拆沉结果.其温度场等值线不同时刻结果如图 4.

图 4 三种模型不同时刻温度场等值线图 Fig. 4 Temperature contours of three models at different times

图 4中第一横排为中等规模榴辉岩(200~500km)情况下,不同时刻温度场拆沉的等温线结果,依次第二横排为较小规模榴辉岩(300~400km),第三横排为较大规模榴辉岩(100~600km).通过对比这三种情况,我们可以发现,榴辉岩的规模越大拆沉的越剧烈,最终能发生拆沉的区域也越大.为了更好的观察拆沉的过程,同时我们给出了不同模型密度的随时间的变化过程如图 5.

图 5 三种模型不同时刻密度场变化图 Fig. 5 Density variations of three models at different times

图 5的横排次序如图 4.从图 5中可见,当榴辉岩规模较大时,拆沉开始阶段的过程更倾向于双管道向下拆沉,模型较短时为单管道拆沉的模式.为了得到更精确的定量数据,我们给出了三种模型的榴辉岩最终时刻的温度彩图叠加速度矢量图.其结果如图 68.

图 6 较长模型时最终时刻拆沉的结果 Fig. 6 Delamination result of the big modelat last
图 7 模型为中等时最终时刻拆沉的结果 Fig. 7 Delamination result of the middle model at last
图 8 模型为最小时最终时刻拆沉的结果 Fig. 8 Delamination result of the small model at last

图 6中三条黑色线从上到下分别为500,1000,1350 ℃时的温度等值线图,绿色线为拆沉前的岩石圈底边界,即200km 处.因此从绿色线到最下面的黑线之间的区域为华北克拉通岩石圈能够发生拆沉的区域.通过计算我们能够知道减薄后的岩石圈最大厚度为64km,发生拆沉的最大厚度为136km.从流体场可以看出最终时刻发育两个比较完整的对流环.整个流体场比较稳定.

图 7中的线代表的意义如图 6.通过计算我们能够知道减薄后的岩石圈最大厚度为95km,发生拆沉的最大厚度为105km.可以看到最终时刻1350 ℃等温线以上两端局部有小的对流环,中心区域则是比较稳定,这样两端可能会热流更高,对应着比较强烈,时间比较长的岩浆活动.同华北克拉通岩浆分布地质资料51相比也比较符合.

图 8中的线代表的意义如图 6.通过计算我们能够知道减薄后的岩石圈最大厚度为108km,发生拆沉的最大厚度为92km.可以看到最终时刻流体场发育多管道向下拆沉.

4 拆沉减薄与热侵蚀减薄的对比讨论

通过对华北克拉通岩石圈热对流减薄机制的计算[32]及本文对华北克拉通岩石圈拆沉减薄机制的研究对比,我们可以知道在力学机制上这两种机制都是可能发生的,即华北克拉通岩石圈由于热扰动引起对流减薄和由于榴辉岩密度不稳定引起对流减薄都是可能发生的.但是通过细致的对比如图 9,我们可以发现不同的减薄机制的结果是不一致的,对应的地表地质特征也完全不同.

图 9 热对流减薄和拆沉减薄结果对比图 Fig. 9 Comparison of heat convection thinning and delamination

图 9中左图为热对流减薄的结果,右图是拆沉减薄的结果,从图中蓝色箭头标志我们可以发现,热对流减薄,中心区域变热变薄,中心区域是一个伸展区域,发展一个大的变质核杂岩区,岩浆的发展时序是从中心向两侧对称分布,并且向两侧减弱;热拆沉减薄结果中,中心区域受到挤压加厚,反而变冷,但是我们知道,对于地质历史上发生过的加热事件通过地质手段,如探针等方法是可以得到信息的,对于变冷的过程我们是没有办法得到信息的.在中心区域的两侧发生两个岩浆活动中心,岩浆的发展时序是从两侧向中心减弱发展.

通过上面讨论,何种减薄机制在这一过程中起主导作用,要更多的分析地表的地质资料,来找到足够的证据.

5 结 论

本文研究表明,中生代华北拉通岩石圈受挤压,玄武岩相变为密度较大的榴辉岩,榴辉岩重力失稳能够引起下地壳的拆沉,造成岩石圈的大规模减薄.对比不同规模的榴辉岩减薄方式发现,当榴辉岩较大规模时更可能发生双管道拆沉,而规模小时发生单管道拆沉.榴辉岩模型最大时候(100~600km)减薄后的岩石圈最大厚度为64km,发生拆沉的最大厚度为136km;规模中等时候(200~500km)岩石圈最大厚度为95km,发生拆沉的最大厚度为105km;规模比较小时候(300~400km)岩石圈最大厚度为108km,发生拆沉的最大厚度为92km.

通过对比中生代华北克拉通岩石圈热减薄和拆沉减薄机制可知,从力学机制上都能造成岩石圈减薄,但他们的结果对应着不同的地质特征.对比我们的计算,热侵蚀最多能减薄100km[32],拆沉最多能够减薄136km,但是很多资料都表明华北东部最多减薄了120km 以上,所以单从减薄量上来看拆沉减薄机制更符合实际地质资料.根据华北克拉通岩浆分布规律[7, 49-50]我们可以发现有东北部和南部两个比较大的中心,这与我们文中讨论的中等规模的榴辉岩拆沉减薄机制能够在中心两侧发展两个岩浆活动中心比较一致.同时如果我们单纯考虑热侵蚀减薄机制,它所对应的底部热扰动太过于偶然性,为什么不在其他地方,而只在华北克拉通,相比较于热侵蚀,由于拆沉理论得到了很多地质学的证据,如高山等的地球化学证据证明华北发生拆沉进入地幔的榴辉岩存在,所以我们更倾向于榴辉岩重力失稳引发拆沉是主导华北克拉通岩石圈减薄的机制.

致谢

感谢郑亮先生提供并维护并行机器.

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