岩石圈热-流变演化史

发布网友 发布时间：2022-10-03 18:54

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热心网友 时间：2023-10-11 10:50

4.2.1 岩石圈热演化史

我们采用二维多期拉张模型来模拟南海盆地在新生代的热演化历史。该多期拉张模型(纯剪切)是在岩石圈尺度上，采用正演的方法，通过求解二维热传导方程式(4.4)来模拟盆地在形成演化过程中，构造位移发生变化的同时，温度场和热流在时间、空间上的演化历史。研究手段是利用有限元方法，在拉格朗日坐标系下，通过网格节点位移的变化来描述模型(岩石层、盆地)形态的演变；通过节点温度来描述模型温度的演变，从而动态地再现模型在拉张演化过程中的构造、热演化史。

中国南海海域岩石圈三维结构及演化

其中，T为温度(K)，k为热导率(W/m·K)，ρ为密度(kg/m³)，c为比热容[J/(kg·K)]，t为时间(s)，Q为热源(W/m³)。模型所采用的边界条件为：上边界温度T₀=0℃，深度Z=0km，下边界温度T_m=1330℃，深度Z=125km，侧边界为绝热边界。

模型原始温度场(第一次拉张的初始温度场)为稳态场。考虑到拉张的多期性和继承性，后期拉张的初始温度场取前期拉张结束时的温度场(一般为非稳态分布)。模型假定与岩石层初始厚度相应的某一深度的温度是固定的，网格划分时，在模型底界预留网(初始状态时岩石层底界与模型底界重合)。随着岩石圈拉张、减薄，其底界上升，但模型底界保持不变。拉张速率模式采用的是匀减速拉张模式。拉张系数的计算采用与构造沉降量拟合的方法，即通过与剖面不同区块各演化阶段的总构造沉降量拟合来求取剖面不同区块各期的拉张系数。

岩石圈热演化史模拟是建立在其构造演化史基础之上的。南海在新生代经历了多期构造运动，关于构造运动的期次和时间，尤其是中新世以来是否存在区域性构造运动，目前还存在异议。姚伯初(1994)等依据地震剖面和钻孔资料分析，认为南海在新生代经历的拉张作用分别发生在晚白垩世晚期(约65Ma)、早始新世(约54Ma)、早渐新世(约36Ma)、中中新世(约15.2Ma)和上新世(约5.2Ma)。我们依据姚伯初等提出的四期拉张模型和依据钻井资料、地震剖面回剥计算的构造沉降史，模拟计算了西部地学断面的热演化历史。为讨论方便，我们选取西部地学断面两个具有代表意义的ESP12(位于珠江口盆地的珠三坳陷)和ESP16(位于西沙海槽中心)作为例子进行讨论。

通过与各期构造沉降量的拟合，计算得到的两个点的各期拉张系数列于表4.2。ESP12位于珠江口盆地，在新生代早期经历了强烈的拉张，第一期的拉张系数为1.25，而在随后的演化阶段，其经历的拉张强度明显减弱，最后一期的拉张系数为1.071，它在新生代经历的总拉张系数为1.718。而ESP16 在新生代经历的拉张过程与ESP12 明显不同。它在新生代早期拉张强度很弱，到了后期才有大幅度的增强，第二期和第三期的拉张系数分别为1.675和1.385。它所经历的总拉张系数为2.74，远远大于ESP12所经历的拉张强度。两种显著不同的拉张过程势必造成显著不同的热-流变演化历史。

表4.2 ESP12和ESP16在各期的拉张系数

注：E为拉张期；S为热沉降期。

模拟结果表明，ESP12在新生代演化期间基底热流变化不是很大(图4.7)。尽管它在第一期经历了较为强烈的拉张，但由于拉张持续时间较长，并没有引起显著的基底热流异常。在此后的演化阶段，由于拉张系数较小，基底热流始终未能实现大幅度的攀升，而与初始热流相差不大。ESP16则不然，随着拉张强度的增加、拉张持续时间的缩短，基底热流在后期迅速升高，显示出逐步升温的特点。

图4.7 西部地学断面ESP12和ESP16新生代热流演化史

4.2.2 岩石圈流变演化史

在热演化模拟结果基础之上，我们模拟研究了南海西部地学断面在新生代多期拉张演化阶段岩石圈的流变演化特征。仍采用岩石圈分层流变模型来构建岩石圈强度包络线，即湿石英、石英闪长岩和橄榄岩来代表上地壳、下地壳和上地幔。在拉张期应变速率的大小由拉张系数决定(Karner，et al.，1992)：

中国南海海域岩石圈三维结构及演化

在常速率条件下，上式变为ε^*(i，t)=U₀(i)/L(i，t)，其中U₀(i)为剖面上第i个构造单元的拉张速率，L(i，t)是第i个构造单元在t时刻的长度。由于我们选用的是匀减速拉张模型(He，et al.，2001)，因而将应变速率的计算公式修正为ε^*(i，t)=U(i，t)/L(i，t)，其中U(i，t)为剖面上第i个构造单元在t时刻的拉张速率。

在张裂后期，应变速率的取值带有一定的人为性，有的采用10^-15s^-1或更大，而有的采用10^-16s^-1或10^-17s^-1。考虑到该盆地在拉张期的应变速率一般为10^-15s^-1的量级，故采用10^-17s^-1来作为初始的、张后期的和现今的应变速率。

相对于屈服强度包络线而言，岩石圈总强度可以定量地反映岩石圈抵御构造作用力的能力。在盆地形成演化过程中，岩石圈总强度与应变速率、温度场和地壳、上地幔厚度的变化相关。岩石圈强度对瞬时应变速率非常敏感，应变速率越大，强度也越大；温度越高，强度越弱；地壳在整个岩石圈厚度的比例越小，强度则越大。因此，岩石圈总强度是在这些相互抵消因素的综合作用下不断演变的。

在拉张期，岩石圈总强度的变化与应变速率密切相关。在各期拉张开始时，由于应变速率的陡然增大，岩石圈总强度有一瞬时的跳跃(图4.7)。随后，在整个拉张期间，由于应变速率的逐渐减小和温度的持续升高，总强度处于衰减状态。图4.8中的曲线可以明显地反映出应变速率对岩石圈总强度的强烈影响。岩石圈总强度在拉张期的变化与拉张速率和温度场密切相关，其变化规律相对复杂。尽管总强度在拉张期呈衰减特征，但在数值上，在拉张阶段前期，岩石圈总强度大于拉张前的初始强度，仅在拉张后期才小于拉张前的初始强度。在张后阶段，岩石圈总强度的变化仅与温度场相关。随着岩石圈的冷却，总强度逐渐回升，能否恢复至或大于拉张前的总强度则取决于张后的冷却时间。从 ESP12和ESP16岩石圈强度演化的对比来看，尽管在新生代演化期间它们所在的岩石圈强度处于下降趋势，但ESP12岩石圈强度的降低主要在新生代早期，而ESP16 岩石圈强度的降低主要在新生代晚期。

图4.8 西部地学断面ESP12和ESP16新生代岩石圈强度演化史