南海海底扩张停止后残余中脊岩浆活动机制热模拟研究

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海底扩张停止后的岩浆活动是南海地球科学前沿问题之一,岩浆活动形成的火山岩是除古地磁资料之外南海构造演化研究的又一重要窗口。海底扩张期间岩浆由扩张中心溢出地表并产生岩浆活动,然而扩张停止后以现今海山链为地表特征的残余岩浆活动机制至今尚未有定论。热模拟是研究这一残余岩浆活动机制的重要手段,其对扩张期后岩浆活动的量化结果可以为相关研究提供更具可信性的科学依据。受技术限制,海底深部探测有效资料缺乏,热模拟可以弥补这一不足,因而成为研究南海区域深部地球动力学机制重要方法。本文结合南海及周边地区,尤其是南海西南次海盆的地质地球物理及岩石学资料,针对海底扩张停止后的残余岩浆活动机制这一热点问题开展热数值模拟,研究内容主要包括西南次海盆岩石圈热结构影响因素热模拟、洋壳温度对热导率影响热模拟、残余岩浆活动机制热模拟三部分。  (1)依据西南次海盆地质结构特征,利用热模拟手段探讨了岩石圈内部各层厚度变化与热导率变化、热异常区域、底劈以及岩石圈起伏形态等对海底热流及岩石圈热结构的影响,所得结论主要包括:岩石圈内部热异常区域和底劈会使其下热流值降低,其上热流值升高,横向上热流值向两侧逐渐升高;岩石圈起伏时,就岩石圈底部而言的上凹部位热流值较高,下凸部位热流值较低,中间渐进过渡;高温岩浆形成的底劈岩墙本身既可看做热异常区域,岩石圈起伏形态也看做横向热异常的情形。  (2)在前人岩石热导率实验基础上,编制非线性热传导微分方程数值求解程序并进行可行性验证,结合南海西南次海盆地壳相关实际资料,利用地热数值模拟和反演方法探究热导率-温度模型系数规律以及约束稳态热传导条件下的莫霍面深度、探讨温度对热导率影响条件下海底热流同莫霍面温度之间的关系。计算结果表明:倒数型和直线型热导率-温度模型系数呈线性相关,指数型则更符合二次多项式形式;西南次海盆莫霍面深度为14-16km;热导率受温度影响时海底热流值同莫霍面温度呈正相关,当海底热流为100-125mW/m2、莫霍面深度为10.3km时,西南次海盆莫霍面温度为420-540℃,且莫霍面温度随莫霍面深度增加而升高,当莫霍面深度增至14-16km时莫霍面温度可达600-1000℃。  (3)从地热学角度,依据浮力减压熔融机制,对南海西南次海盆残余扩张中心不同粘性结构条件下的岩浆生成量、熔融持续时间、热演化过程等进行了模拟计算,并将计算结果与实测热流值、地震资料和岩石地球化学资料进行了对比分析。研究表明:南海深海盆海底扩张停止后,浮力减压熔融引起的亏损岩浆浮力对岩浆的生成有重要的控制作用,而残留岩浆浮力、热浮力和粘性剪切力对岩浆的生成影响很小;对应三种不同粘性条件模拟得到的残余扩张中心下的岩浆活动持续时间分别为5 Ma、12 Ma、15 Ma;在浮力减压熔融作用下,海盆之下会出现局部高温区,这可以解释地震探测到的西南次海盆岩石圈中、上部存在的低速层现象;模拟得到的残余中脊处不同粘度、温度、熔融比例等热物理条件下可能的岩性分布,可为准确理解南海深海盆岩石地球化学资料提供依据。
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