地幔柱与岩石圈相互作用过程的数值模拟研究

作     者：蒙伟娟 

作者单位：中国科学院大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈祖安

授予年度：2015年

学科分类：070904[理学-构造地质学] 0709[理学-地质学] 07[理学] 

主      题：地幔柱 岩石圈 相互作用过程 数值模拟 

摘      要：地幔柱的研究是地球科学研究的热点之一。本文主要集中研究地幔柱与岩石圈的相互作用过程，探讨岩石圈本构模型和已存在断层对其如何影响。利用开源有限元程序Ellipsis3D，基于质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程及岩石流变本构关系数值模拟得到地幔柱与岩石圈相互作用过程，分析各种情况下温度和速度场及有效粘度和地表变形等的时空图的变化特征。 本文首先简单介绍了Ellipsis3D理论基础、相关算法及Input输入文件参数，并基于非牛顿流体的有效粘度模型，通过数值模拟计算分析了地幔柱与岩石圈相互作用过程，同时分析了激活体积项、粘度模型及地壳流变结构对此过程的影响。最后，讨论了本文的数值模拟结果对峨眉山大火成岩省地幔柱发展演化过程的应用。通过本文的数值模拟研究结果，可以得到如下的初步结果和认识: (1)在本文所选模型下，地幔柱与岩石圈相互作用大致可以分为三个阶段:地幔柱上升期，时间持续到0.2Ma，平均速度为2.75m/a;地幔柱与岩石圈纵向作用，时间从0.2到0.26Ma，其地幔柱向上的平均速度为0.83 m/a;地幔柱与岩石圈横向作用，0.26Ma以后，岩石圈开始剪切变形，地幔柱水平运动速度为0.47m/a。 (2)地幔柱和岩石圈的相互作用会引起地表的隆升和沉陷。从地幔柱向上运动开始，地表地形就开始发生变化，地幔柱顶部地形不断向上隆起，在地幔柱与岩石圈相互纵向作用过程中，地表地形的隆升达到了最高值，随后又慢慢下沉;而地幔柱的两侧区域则开始先向下沉陷，然后又慢慢向上抬升，直至趋于水平位置。 (3)地幔柱上升到岩石圈底部时，其冠部会热溶蚀岩石圈的底部。当地幔柱冠部与岩石圈底部接触后，岩石圈经加热软化，部分物质被地幔柱扩张所产生的剪应力带出，导致岩石圈的热溶蚀减薄，从120km厚度变为70km。随着时间的推移，岩石圈底部剪切变形越剧烈，最终可导致岩石圈底部的拆沉作用。 (4)激活体积项对结果影响不是很大，一般可以忽略不计;不同的粘度模型对数值模拟结果影响非常大，牛顿流体与非牛顿流体对地幔柱异常体的运动速度可达100多倍的差别，所以选择合理粘度模型是非常关键的;当下地壳流变强度比较小时，上地壳的流变结构控制着地幔柱顶部地表地形隆起程度，流变强度越大，隆升高度越小。而下地壳的流变结构控制着地幔柱两侧地表地形的下沉幅度，下地壳流变强度越小，下沉幅度越大。 (5)当岩石圈中预设一断层时，模拟结果显示地幔柱与岩石圈相互作用将更为剧烈，并且部分地幔柱物质将穿过断层直接到达地表。