太古宙巖石圈構(gòu)造變形過程與巖漿作用的數(shù)值模擬研究

董 昊, 戴黎明*, 李三忠, 楊 悅, 胡澤明

太古宙巖石圈構(gòu)造變形過程與巖漿作用的數(shù)值模擬研究

董 昊1, 2, 戴黎明1, 2*, 李三忠1, 2, 楊 悅1, 2, 胡澤明1, 2

(1.中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院, 海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室, 山東 青島 266100; 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室, 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室, 山東 青島 266237)

太古宙巖石圈構(gòu)造變形是巖石圈與軟流圈在高溫條件下發(fā)生垂向運動的結(jié)果, 反映了太古宙非板塊構(gòu)造體制下的地球動力學(xué)過程。為了解釋這個已經(jīng)消失的過程, 前人利用數(shù)值模擬方法并結(jié)合較少的地質(zhì)實例, 提出了蓋子構(gòu)造、熱管構(gòu)造、濕蓋子構(gòu)造、地幔柱構(gòu)造等多種可能存在于太古宙的前板塊構(gòu)造體制。這些體制的主要差異源于前人實驗中對巖漿作用的簡化方式不同, 進而導(dǎo)致了對太古宙地球動力學(xué)過程認識的不一致性。為了解決上述矛盾, 本研究在不簡化巖漿運移過程的前提下, 討論了五種可能條件及其組合對太古宙巖石圈構(gòu)造變形的控制作用。結(jié)果顯示, 太古宙巖石圈強度較高時, 只有經(jīng)充分弱化才可能產(chǎn)生垂向變形。巖漿的存在不僅弱化了巖石圈, 還借由自身浮力提供了變形所需的驅(qū)動力。地幔柱主要引發(fā)巖石圈減薄與底部拆沉, 其他因素如巖石圈厚度、地殼性質(zhì)、薄弱帶等并非巖石圈變形的敏感因素。該結(jié)論揭示了太古宙巖漿作用對巖石圈構(gòu)造變形過程起到了重要控制作用。

太古宙; 巖石圈; 構(gòu)造變形; 數(shù)值模擬; 巖漿作用

0 引 言

太古宙巖石圈構(gòu)造變形是巖石圈與軟流圈發(fā)生垂向作用的結(jié)果, 體現(xiàn)了地球早期構(gòu)造演化過程, 是前板塊構(gòu)造體制的重要研究對象。太古宙巖石圈具有較高的地溫梯度和頻繁的巖漿活動, 處于垂向構(gòu)造運動極為活躍的時期(Smith and Lewis, 1999; 趙國春和孫敏, 2002; Fischer and Gerya, 2016; Rozel et al., 2017; Louren?o et al., 2018)。此時板塊構(gòu)造體制尚未形成, 無法用板塊構(gòu)造理論來解釋這一極端環(huán)境下產(chǎn)生的獨特的巖石圈構(gòu)造變形樣式(翟明國, 2012)。解決這一問題需要確定巖石圈所處物理狀態(tài), 以及在這種狀態(tài)下巖石圈受何種因素驅(qū)動產(chǎn)生形變, 即需要充分考慮太古宙巖石圈構(gòu)造變形的控制條件及其響應(yīng)特征。

太古宙既是大撞擊期結(jié)束后的下一階段, 又是板塊構(gòu)造體制開始的前一階段, 此時巖石圈溫度較高、巖漿活動頻繁、隕石活動較弱(張旗和翟明國, 2012; 李三忠等, 2015)。在這種極端環(huán)境下, 殼幔相互作用催生了卵形構(gòu)造、穹脊構(gòu)造與流變構(gòu)造等獨特構(gòu)造樣式(Salop, 1972; Van Kranendonk et al., 2007; Thébauda and Rey, 2013; 劉昕悅等, 2017)。在此已知條件下, 前人試圖通過還原太古宙物質(zhì)結(jié)構(gòu)和溫度條件, 來研究太古宙地球的構(gòu)造體制及其控制下的巖石圈構(gòu)造變形過程。Piper (2013)認為巖石圈在冷卻結(jié)晶后變得堅硬而穩(wěn)定, 形成蓋子構(gòu)造。Moore and Webb (2013)和Moore et al. (2017)認為, 早期地球與現(xiàn)今木衛(wèi)一結(jié)構(gòu)十分相似, 熱量通過巖漿通道由深部傳輸?shù)降乇? 即熱管構(gòu)造。Fischer and Gerya (2016)認為, 在玄武巖巖漿平鋪地表的條件下, 巖石圈可以自發(fā)拗沉(sagduction)和拆沉(delamination),將其稱之為濕蓋子構(gòu)造。除此之外, 地幔柱理論認為, 超大陸裂解是超級地幔柱導(dǎo)致的(Davies, 2011); 小板塊構(gòu)造理論認為, 早期脆弱的巖石圈可以自發(fā)產(chǎn)生變形與俯沖(Ernst, 2007); 重力構(gòu)造觀點認為, 在地球成層過程中巖石圈淺部冷卻收縮, 隨后形成了龜裂(李潔, 2010)。

上述研究表明, 前人對于巖石圈構(gòu)造變形的成因尚持有不同觀點, 產(chǎn)生這些爭論的原因在于: 實驗設(shè)置了不同巖石圈條件以及模擬了巖漿作用的不同階段。蓋子構(gòu)造體制沒有考慮巖石圈異常與巖漿作用對構(gòu)造變形的影響, 熱管構(gòu)造側(cè)重于熱量傳輸過程, 濕蓋子構(gòu)造模擬了巖漿覆蓋地面后的巖石圈變形。此外, 地幔柱構(gòu)造體制沒有考慮超級地幔柱帶來的巖漿作用, 小板塊構(gòu)造理論忽略了巖石圈密度和強度, 重力構(gòu)造考慮了巖石圈冷卻過程中的破裂。

在簡化或忽略巖漿運移過程、成分異常、溫度異常的前提下, 得出的實驗結(jié)果對前寒武紀構(gòu)造體制研究具有一定意義。然而巖漿運移過程對巖石圈構(gòu)造變形有著重要影響, 所以不應(yīng)該將其簡單化, 而且成分異常和溫度異常也起到了制約作用(Bédard, 2006)。為了充分探討巖漿作用和其他異常條件(如地幔柱、巖石圈厚度等)對巖石圈變形的控制作用, 本次研究基于熱機械動力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù), 模擬了太古宙巖漿的垂向運動過程及其主要制約因素。與前人常用的巖漿簡化移動或特殊擴散(Moore and Webb, 2013; Fischer and Gerya, 2016; Moore et al., 2017)不同的是, 本研究直接模擬了巖漿的運移過程, 獲得了較為可靠的變形過程。結(jié)合前人提出的構(gòu)造體制, 實驗分別設(shè)置了巖漿房、巖漿通道、地幔柱、巖石圈龜裂、巖石圈減薄、玄武質(zhì)地殼等條件, 測試了太古宙巖石圈構(gòu)造變形過程與巖漿作用之間的多種內(nèi)在關(guān)聯(lián)及其響應(yīng)機制, 并為相關(guān)研究提供參考和約束。

1 研究方法

1.1 模擬方法

數(shù)值模擬實驗采用了有限差分原理和標記點網(wǎng)格方法(Marker-in-cell Method), 通過I2VIS代碼來實現(xiàn)(Gerya and Yuen, 2003; Liao and Gerya, 2014; Li et al., 2015; Dai et al., 2018; Huangfu et al., 2018)。數(shù)值模型受到質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律的約束, 不可壓縮流體條件下具體控制方程如下:

式中:r表示放射熱;s表示剪切熱;a表示絕熱產(chǎn)熱;L表示相變產(chǎn)熱。

有效黏度分別由蠕變與塑性形變兩種機制共同影響。蠕變包括擴散蠕變和位錯蠕變, 塑性形變與屈服應(yīng)力相關(guān)。有效黏度的計算方法如下:

此外, 代碼還包括部分熔融功能, 通過溫度與固液相線關(guān)系計算出了熔融比例, 公式如下:

式中:表示粒子的熔融比例, 當=0時物質(zhì)為固態(tài), 當=1時物質(zhì)完全熔融, 當處于0和1之間時, 物質(zhì)發(fā)生部分熔融;表示粒子溫度;S代表物質(zhì)的固相線;L代表物質(zhì)的液相線。

1.2 初始模型設(shè)置

為了同時體現(xiàn)地幔過程和巖石圈變形特征(Harris et al., 2012), 本文將初始模型大小設(shè)置為879 km× 400 km, 共包含了587×161個歐拉點。網(wǎng)格為不均勻網(wǎng)格, 核心區(qū)位于模型中上部, 最高分辨率達0.4 km×1 km, 模型兩側(cè)及底部分辨率最低不超過 8 km×6 km。模型物質(zhì)結(jié)構(gòu)自上而下分別為: 10 km厚的空氣薄弱層, 3 km厚的綠巖層、32 km厚的地殼、75 km厚的巖石圈地幔, 其余為軟流圈地幔, 沉積物層由模型求解產(chǎn)生(圖1)?？諝鈱映跏紲囟仍诓煌Ｐ椭蟹謩e假設(shè)恒為0 ℃或300 ℃, 地表溫度與之相等, 用以測試兩種地表溫度的影響。莫霍面溫度約600℃, 巖石圈底部約1400 ℃。此外, 假設(shè)巖漿通道的溫度及地幔柱溫度比背景溫度高200 ℃。模型不與外界發(fā)生物質(zhì)交換和動量交換。各邊界均為自由滑移邊界, 以此來減少模型的邊界效應(yīng)。左右熱邊界維持熱平衡, 頂?shù)撞繜徇吔鐪囟群愣ā?/p>

依據(jù)太古宙運動學(xué)特征, 將模型邊界條件設(shè)置為自由滑移。所有實驗均未設(shè)置外強迫作用力或遠端移動速度, 模型在重力條件下自然演化。之所以采用這種保守設(shè)置, 是考慮到在前板塊構(gòu)造體制下巖石圈不具備恒定水平運動條件。溫度邊界條件分別按照如下設(shè)置: 頂部為恒溫邊界, 固定為273 K或573 K; 左右兩側(cè)設(shè)置為熱通量為零, 底部為遠端恒定溫度。

在不同類別的實驗中, 模型分別引入了地幔柱條件、巖漿條件、龜裂條件、薄弱巖石圈條件、地殼性質(zhì)條件, 詳細設(shè)置見表1。地幔柱條件反映了前板塊構(gòu)造體制可能受控于地幔柱作用(Bédard, 2006; 李三忠等, 2015; Fischer and Gerya, 2016), 巖漿條件反映了太古宙多期次巖漿作用(Bédard, 2006; 萬渝生等, 2017; Clos et al., 2019), 而其他條件反映了巖石圈自身性質(zhì)影響。地幔柱按照不同寬度和高度進行分類測試, 巖漿設(shè)置分別按照形態(tài)和巖漿量進行設(shè)置, 龜裂模型中引入了垂直展布的薄弱地幔, 其他條件主要考慮了巖石圈厚度和地殼性質(zhì)的影響。地表分為花崗質(zhì)的上下地殼或玄武質(zhì)地殼。物質(zhì)參數(shù)設(shè)置見表2與表3(Ranalli and Donald, 1983), 此外, 含鐵綠巖密度取3.0 g/cm3(范正國等, 2013)。

2 結(jié) 果

本次模擬結(jié)果顯示, 太古宙巖石圈變形特征主要依賴于巖漿及地幔柱作用。其中, 在巖漿及地幔柱聯(lián)合作用下, 巖石圈能夠發(fā)生強烈的垂向變形, 并伴隨巖石圈地幔破壞減薄。而其他條件對巖石圈變形程度起促進或抑制作用。太古宙巖石圈構(gòu)造變形的詳細演化過程如下。

模型兩側(cè)的淺黃色符號表示自由滑移邊界條件, 白線為以200 ℃為間隔等溫線。模型中不同顏色代表不同的物質(zhì)組成, 分別是: 1. 空氣層; 2. 海水; 3. 沉積物; 4. 綠巖帶; 5. 上地殼; 6. 下地殼; 7. 巖石圈地幔; 8. 軟流圈地幔; 9. 玄武質(zhì)地殼; 10. 部分熔融地殼; 11. 地幔柱; 12. 巖漿房和巖漿通道; 13. 薄弱帶。

表1 實驗條件設(shè)置

注: 表中“√”表示已設(shè)置此條件，“?”代表未設(shè)置此條件。

表2 數(shù)值模擬采用的粘滯性流變參數(shù)(據(jù)Ranalli and Donald, 1983)

注: a.0表示為有效粘滯系數(shù), 計算公式為:0=(1/D)×106n; b. 熔融的長英質(zhì)熔體(G*)表示熔融的沉積物和地殼。

表3 數(shù)值模型中的主要材料參數(shù)

注: a.1=[0.64+807/(K+77)]exp(0.00004);2=[1.18+474/(K+77)]exp(0.00004);3=[0.73+1293/(K+77)]exp(0.00004);b. 當<1200 MPa,S1=889+17900/(+54)+20200/(+54)2; 當>1200 MPa,S1=831+0.06,L1=1262+0.09; 當<1600 MPa,S2=973?70400/(+354)+778×105/(+354)2; 當>1600 MPa,S2=935+0.0035+0.00000622,L2=1423+0.105。

2.1 巖漿作用與巖石圈構(gòu)造變形

數(shù)值模擬結(jié)果顯示, 在巖漿作用下巖石圈能夠發(fā)生較為強烈的垂向變形, 其中, 有無巖漿通道對巖石圈構(gòu)造變形影響較為明顯。大量巖漿沿通道上涌侵位形成新地殼, 并導(dǎo)致原地殼處于水平擠壓環(huán)境, 能夠形成一系列的B型褶皺, 說明太古宙巖石圈水平構(gòu)造不一定來自于板塊俯沖作用, 巖漿作用同樣能夠?qū)е碌貧に娇s短、增厚, 與前人研究結(jié)果相吻合(Beall et al., 2018)。同時, 該系列結(jié)果顯示, 巖漿上涌過程中能夠?qū)е聨r石圈地幔底部重力失穩(wěn)并逐漸發(fā)生拆沉。詳細的地表?地殼?深部地幔動力學(xué)過程如下。

在巖漿侵入?噴出的整個過程中, 地表在垂向上發(fā)生了較為劇烈的抬升作用。首先, 在巖漿早期侵入階段(圖2a), 地表在整個巖漿房范圍內(nèi)發(fā)生了整體抬升, 抬升高度大約5 km; 隨后, 巖漿由侵入轉(zhuǎn)換為了噴出過程(0.2 Ma, 圖2b), 地表快速發(fā)生抬升, 且抬升中心位于巖漿噴出中心, 抬升高度可達10 km;隨著巖漿完全噴出地表, 噴出中心的高地形發(fā)生了重力垮塌, 在0.7 Ma, 抬升高度回降到6 km左右, 但抬升范圍擴大到約150 km, 這與巖漿橫向流動有關(guān); 最后, 地表高度始終維持在4～6 km左右, 形成高原, 不再響應(yīng)深部的動力學(xué)過程。

在巖石圈地殼深度范圍內(nèi), 由于模型設(shè)置了較高的溫度梯度, 下地殼首先發(fā)生了熔融。在巖漿侵入過程中, 巖漿正浮力導(dǎo)致巖石圈彎曲, 因此, 巖漿房兩側(cè)的巖石圈因受壓而增厚。圖2b展示出侵位巖漿沿水平方向、擴張, 并產(chǎn)生局部擠壓導(dǎo)致巖石圈橫向位移與垂向增厚。受擠壓作用影響, 地殼發(fā)生撓曲變形并開始形成擠壓盆地及一系列B型褶皺。伴隨侵位巖漿量的逐漸增加, 低密度、低黏度巖漿最終能夠沿著巖漿通道大規(guī)模的突破地殼并冷凝形成火成巖省(圖2c、d), 同時, 可能保留巖漿侵位時中?下地殼隆升過程中卵型構(gòu)造特征, 即穹窿構(gòu)造特征。

圖2c和2d展示了沿巖漿房底部巖石圈地幔發(fā)生了部分拆沉現(xiàn)象, 拆沉由破壞中心逐步向兩側(cè)擴散, 這一結(jié)果與前人提出的拆沉模式相吻合(Rozel et al., 2017)。當巖石圈厚度為110 km時, 拆沉現(xiàn)象穩(wěn)定發(fā)生在70 km深度以下。在巖漿上涌后, 被破壞的巖石圈地幔重新愈合, 形成完整而連續(xù)的巖石圈, 但巖石圈厚度明顯減薄。與之相對, 遠離破壞中心的巖石圈則明顯增厚, 厚度約為150 km。增厚原因來自于巖漿侵入過程中的水平擠壓作用。

與上一模型相比, 在不設(shè)置巖漿房通道的模型中, 巖漿受浮力作用上升并持續(xù)侵蝕巖石圈中部和底部。在侵蝕過程中巖漿仍然能發(fā)生橫向擴展, 但無法穿透巖石圈淺部。如圖3所示, 僅設(shè)置巖漿房并不能得到與圖2相同的結(jié)果。圖2a與2b表明巖漿房在演化過程中能夠?qū)е聨r石圈抬升、減薄, 并誘發(fā)了巖石圈地幔的拆沉現(xiàn)象。圖3a與3b由于沒有巖漿通道, 巖漿始終無法穿透整個剛性巖石圈, 更無法改變巖石圈淺部結(jié)構(gòu)。圖3c與3d展示了模型的后期演化, 巖漿與50～75 km處巖石圈逐步同化混染, 最終冷卻并穩(wěn)定下來。

由此可見, 巖漿通道決定了兩種不同的巖石圈演化過程。在有巖漿通道的模型中, 巖漿能夠迅速穿過巖石圈, 并在巖石圈頂部形成大火成巖省。在僅設(shè)置巖漿房的條件下, 巖漿的穿透力不足, 擾動范圍局限在巖石圈中部和下部。巖漿通道控制著巖漿是否能夠穿透巖石圈, 這在很大程度上決定了整個模型的演化。

2.2 地幔柱作用結(jié)果

在地幔柱條件下, 巖石圈地幔底部自地幔柱正上方開始發(fā)生破壞并拆沉, 拆沉范圍逐漸擴大, 其演化過程如圖4所示。當?shù)蒯ＶN近巖石圈底部時, 巖石圈地幔由地幔柱柱頭位置首先開始發(fā)生拆沉(圖4a、b)。隨著地幔柱不斷上涌, 并擾動周緣軟流圈地幔, 從而導(dǎo)致地幔拆沉中心逐漸由單中心向兩側(cè)拓展形成多個拆沉中心, 最終導(dǎo)致巖石圈地幔整體減薄, 減薄厚度大約是30 km。作為地幔柱作用下的主要破壞形式, 拆沉對巖石圈地幔底界的結(jié)構(gòu)樣式具有重要影響, 但由于地幔上涌速度過快, 熱傳導(dǎo)過程緩慢, 巖石圈100 km以淺的部分沒有受到任何影響, 始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。需要注意的是, 在拆沉過程中, 位于巖石圈與地幔柱之間的軟流圈物質(zhì)沿著拆沉方向不斷墜離。因此, 地幔柱內(nèi)部能夠混合外來的巖石圈地幔與軟流圈地幔, 從而造成地幔柱局部地球化學(xué)信息的改變。由此可以假設(shè), 如果地幔柱能夠與巖石圈底界面進行較長時間的熱交換過程, 除能導(dǎo)致巖石圈地?？焖贉p薄以外, 必然還能夠?qū)е聨r石圈地幔弱化并發(fā)生部分熔融, 從而形成巖漿活動。這些巖漿可能會含有已經(jīng)被混染過的深部幔源信息。

圖2 巖漿作用結(jié)果

圖3 單一巖漿房條件結(jié)果

不同寬度的地幔柱對巖石圈形成的影響見圖5。結(jié)果顯示地幔柱的寬窄并不影響巖石圈的破壞樣式。在這些模型中, 位于地幔柱上方的巖石圈都能夠受拆沉作用而減薄, 但減薄程度與地幔柱大小基本無關(guān)。通過對比還可以發(fā)現(xiàn)拆沉體大小基本相同。因此, 可以認為地幔柱大小不影響巖石圈破壞樣式。但如圖5d所示, 地幔柱過窄會導(dǎo)致熱對流范圍較小, 因此拆沉范圍要小于其他模型。

2.3 巖漿與地幔柱共同作用

為了模擬在地幔柱與巖漿共同作用下巖石圈的構(gòu)造變形特征, 本文還構(gòu)建了地幔柱?巖漿房聯(lián)合作用模型, 模擬結(jié)果見圖6。模型中巖石圈構(gòu)造形變過程不能夠視作地幔柱與巖漿兩種作用效果的簡單疊加, 其演化過程有其特殊之處。該條件下巖石圈變形和地表抬升的初始演化過程(圖6a)雖與巖漿單獨作用結(jié)果相似(圖2a), 但該模型在地幔柱作用下, 由于充沛的物質(zhì)供應(yīng), 巖漿上涌速度明顯增快。巖漿房兩側(cè)的巖石圈無論深部還是淺部都呈向上翹起的趨勢, 而驅(qū)動力來自下方地幔柱(圖6b), 該條件下巖石圈抬升強于其他條件。模擬結(jié)果顯示在此條件下, 地幔柱能夠快速噴出到地表, 形成大火成巖省, 并導(dǎo)致中上地殼部分熔融, 特別是綠巖帶的熔融(圖6c)。在這種弱化作用下, 很可能導(dǎo)致綠巖帶與中下地殼反轉(zhuǎn), 從而形成太古宙巖石圈特有的穹?脊構(gòu)造。圖6d～f呈現(xiàn)出在地幔柱作用下, 巖石圈地幔能夠被快速地減薄, 且造成復(fù)雜的軟流圈地幔對流過程。而該對流過程, 又進一步促進巖石地幔進一步減薄。

綜上, 在本模型中地殼變形主要由巖漿侵位過程所引起, 地幔柱影響較少。而巖石圈地幔則是先受巖漿侵入影響發(fā)生局部變形, 再由地幔柱作用導(dǎo)致大范圍撓曲變形及地表的整體抬升。地幔柱在整個巖石圈構(gòu)造變形過程中提供了正浮力、熱驅(qū)動力以及持續(xù)的物質(zhì)供應(yīng)。需要注意的是, 在這個模型中地幔柱物質(zhì)能夠沿著巖漿通道侵入到地表, 這一結(jié)果很好地揭示了太古宙科馬提巖的侵入過程以及金伯利巖筒中含鉆石巖石的剝露機制。

3 討 論

前人研究認為地幔反轉(zhuǎn)后的地球已由內(nèi)輕外重的密度結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樯w子構(gòu)造(Debaille et al., 2009; Moore and Webb, 2013), 即淺部形成了密度輕的剛性巖石圈, 其變形過程及特征受自身密度和強度所約束(Moore and Webb, 2013; Piper, 2013; Moore et al., 2017)。本次實驗結(jié)果也表明, 蓋子構(gòu)造在一般條件下能夠持續(xù)穩(wěn)定存在且不易發(fā)生變形(圖7a)。這意味著巖石圈在常規(guī)條件下與地幔脫耦, 不參與軟流圈物質(zhì)循環(huán)過程, 密度較小的巖石圈也不受軟流圈控制。

但經(jīng)巖漿作用弱化后, 巖石圈可以產(chǎn)生固定樣式的垂向形變。換而言之, 巖石圈構(gòu)造變形強烈依賴于外部弱化條件。相比于隕石活動較為頻繁的冥古宙來言, 太古宙所處的宇宙環(huán)境相對穩(wěn)定, 地球自身熱機械作用是主導(dǎo)地球演化的首要因素(李三忠等, 2015)。來自地球內(nèi)部的地幔柱作用、巖漿作用以及巖石圈本身的性質(zhì)作為弱化條件, 可以顯著影響巖石圈構(gòu)造變形的演化進程。

在地幔柱條件下, 巖石圈底部遭受強烈的侵蝕與破壞, 并以拆沉的方式參與地幔深部物質(zhì)循環(huán)(圖7b)。而巖石圈地殼部分不參與地幔深部物質(zhì)循環(huán), 因此, 地殼難以發(fā)生形變。從結(jié)果來看, 無論是地幔柱引起的熱對流還是熱傳導(dǎo)都無法使得地殼充分弱化。地幔柱雖然溫度較高、密度較小, 但其密度仍然大于地殼, 因此無法直接穿透地殼, 噴出地表。由此可見, 地幔柱主要影響巖石圈底部, 對巖石圈淺部尤其是地殼形變的影響不大, 只能夠?qū)е碌乇碚w抬升。

圖4 地幔柱作用結(jié)果

(a) 地幔柱寬約175 km; (b) 地幔柱寬約275 km; (c) 地幔柱寬約475 km; (d) 地幔柱寬約75 km。

模擬結(jié)果表明, 巖漿條件可以充分弱化巖石圈并提供動力。按照實驗設(shè)置, 巖漿條件有巖漿房與巖漿通道兩種。單一的巖漿房與地幔柱條件相似, 均對巖石圈底部產(chǎn)生了一定程度的破壞, 但巖漿在上升過程中受控于巖石圈淺部的流變學(xué)強度, 無法進一步影響地表形變(圖7d)。而在巖漿通道與地幔柱組合條件下, 巖漿更容易從巖漿房析出, 并侵入巖石圈淺部, 直至噴出地表, 導(dǎo)致巖石圈淺部及地殼產(chǎn)生形變(圖7c、e)。巖漿作用之所以能夠影響巖石圈構(gòu)造變形, 包括如下幾個原因: 首先, 巖漿密度低于圍巖因此受到正浮力的推動, 提供了物質(zhì)上涌的動力; 其次, 巖漿溫度較高, 通過熱傳導(dǎo)可以加熱與弱化圍巖, 并提供水平方向熱差異, 對熱對流有促進作用; 此外, 巖漿本身粘滯系數(shù)低, 具有易于運移和形變, 弱化了巖石圈流變學(xué)強度, 起到了薄弱帶作用。

巖漿通道的形成過程與其背后的運動機制有待進一步研究。在以往研究中, 巖漿萃取過程常通過直接移動到地表的方式來實現(xiàn)(Moore and Webb, 2013; Fischer and Gerya, 2016; Sizova et al., 2018), 忽略了巖漿運動過程中產(chǎn)生的構(gòu)造過程。本文設(shè)置了巖漿運動所產(chǎn)生的通道, 但仍需要進一步探索巖漿通道是如何產(chǎn)生以及巖漿萃取、滲透、運移過程的物理機制和化學(xué)機制。盡管如此, 實驗結(jié)果表明, 未設(shè)置特殊運移機制的巖漿難以在地表沿水平方向大范圍擴散, 質(zhì)疑了濕蓋子構(gòu)造理論所假設(shè)的運移機制的合理性。

在地幔柱與巖漿組合條件下, 受巖石圈底部垂向推力和內(nèi)部浮力的雙重作用, 巖石圈可以發(fā)生減薄、變形直至破壞。巖石圈淺部形變?nèi)灾饕芸赜趲r漿作用, 巖石圈深部侵蝕破壞則是以地幔柱作用下的拆沉為主。在不設(shè)置外界水平運動速度的條件下, 模型受控于自身密度和流變學(xué)強度不易發(fā)生形變。而引入巖漿作用能夠充分弱化巖石圈淺部, 引入地幔柱條件能夠?qū)е聨r石圈深部拆沉。由此可見, 巖漿作用與地幔柱作用在太古宙巖石圈構(gòu)造變形過程中起到了重要的控制作用, 為進一步研究前板塊構(gòu)造體制以及構(gòu)造樣式提供了相關(guān)參考。

從其他實驗結(jié)果來看(圖7g～h), 巖石圈薄厚在一定程度上會影響地幔柱作用下的抬升幅度, 也會影響地幔柱的作用范圍。從地殼性質(zhì)角度來看, 玄武質(zhì)地殼與花崗質(zhì)地殼具有類似的形變特征, 說明地殼結(jié)構(gòu)對太古宙構(gòu)造變形行為不具有重要控制作用。在薄弱帶模型中, 薄弱帶是巖石圈底部侵蝕作用的集中點, 即形變優(yōu)先發(fā)生在薄弱帶處。但薄弱帶的加入并沒有引起地表形變, 也不會改變地幔循環(huán)過程。由此可以看出, 巖石圈自身性質(zhì)和差異不是主要控制條件。

圖6 巖漿與地幔柱共同作用結(jié)果

(a) 不加特殊條件的對照模型; (b) 地幔柱條件; (c) 巖漿房與巖漿通道條件; (d) 單一巖漿房條件; (e) 巖漿與地幔柱混合條件; (f) 薄弱玄武質(zhì)地殼與地幔柱混合條件; (g) 薄弱花崗質(zhì)地殼與地幔柱條件; (h) 薄弱帶條件。

4 結(jié) 論

本次研究以探究太古宙巖石圈構(gòu)造變形機制為目的, 討論了地幔柱作用以及巖漿作用下的巖石圈變形, 并考慮了巖石圈本身特征所造成的影響, 得到以下認識:

(1) 巖漿活動能夠引發(fā)巖石圈活化從而允許巖石圈內(nèi)部發(fā)生運動和變化, 而地幔柱作用主要導(dǎo)致巖石圈拆沉和減薄, 巖石圈性質(zhì)對自身的影響較弱。

(2) 太古宙巖石圈強度較高, 溫度較低的巖石圈淺部不參與軟流圈的物質(zhì)循環(huán)過程, 形成了流變學(xué)性質(zhì)較差且穩(wěn)定的蓋子構(gòu)造。

(3) 在沒有遠端水平應(yīng)力的條件下, 只有充分弱化的巖石圈才能在淺部產(chǎn)生形變從而形成獨特的構(gòu)造樣式。而促使巖石圈充分弱化的可行方式是巖漿作用。熔融巖漿與圍巖相比具有低黏度低密度的特征, 能夠產(chǎn)生足夠的浮力差, 不僅滿足了弱化條件, 還提供了物質(zhì)運動的驅(qū)動力。地幔柱的影響范圍局限于巖石圈深部, 可以造成大范圍的拆沉作用。

(4) 實驗結(jié)果有力地支持了巖漿通道和地幔柱是控制太古宙巖石圈構(gòu)造變形的重要機制。

致謝:感謝審稿人中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所趙亮研究員及另一位匿名審稿人為本論文提出寶貴意見, 向兩位審稿專家致以誠摯的謝意。

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Numerical Simulation of the Structural Deformation Process and Magmatism of the Archaean Lithosphere

DONG Hao1, 2, DAI Liming1, 2*, LI Sanzhong1, 2, YANG Yue1, 2and HU Zeming1, 2

(1. Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, MOE, Institute for Advanced Ocean Study, College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, Shandong, China; 2. Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266061, Shandong, China)

Deformation of the Archaean lithosphere as a result of vertical movement of lithosphere and asthenosphere under high temperature may reveal geodynamic processes under the Archaean pre-plate tectonics. In order to explain the Archean deformation, various pre-plate tectonic hypotheses have been proposed, such as lid tectonics, heat-pipe tectonics, plume-lid tectonics and mantle plume tectonics by using numerical modeling and geological examples. These different theories arose mainly from some different ways of simplification for magmatism in previous experiments, which leads to the inconsistent interpretations of the Archean geodynamic process. To avoid such contradiction, five possible conditions and their combined models without simplifying the process of magma migration are discussed in this contribution. The numerical experimental results show that the strength of the Archaean lithosphere is high enough so that only full weakening can cause vertical movement. The existence of magma not only weakens the strength of lithosphere, but also provides driving force for buoyant deformation. Other conditions such as lithospheric thickness, crustal properties or weak zone are not sensitive factors for lithosphere deformation. Therefore, this study reveals an impact of magmatism on deformation of the Archaean lithosphere.

Archean; lithosphere; deformation; numerical modeling; magmatism

2020-01-04;

2020-08-06

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0601002)、國家自然科學(xué)基金重大研究計劃重點項目(91858215, 91958214)、青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室鰲山科技創(chuàng)新計劃項目(2017ASKJ02)、山東省泰山學(xué)者特聘教授項目(ts20190918)、鰲山卓越科學(xué)家計劃(2015ASTP- 0S10)和青島市創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計劃(19-3-2-19-zhc)聯(lián)合資助。

董昊(1995–), 男, 博士研究生, 海洋地質(zhì)專業(yè)。Email: donghao10000@stu.ouc.edu.cn

戴黎明(1980–), 男, 副教授, 從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)及數(shù)值模擬研究。Email: dlming@ouc.edu.cn

P542

A

1001-1552(2021)04-0621-013

10.16539/j.ddgzyckx.2021.04.001