数值模拟研究二叠纪峨眉山玄武岩浆在四川盆地的热效应

四川盆地是我国重要的含油气盆地,其西南部位于峨眉山大火成岩省的外带,二叠纪峨眉山玄武岩浆对四川盆地热历史及烃源岩热演化的影响一直备受关注.近年来,盆地古温标结果揭示出盆地在二叠纪存在高古热流（75~85 mW·m^-2）,甚至部分点位存在超高古热流（97~114 mW·m^-2）,被认为和峨眉山玄武岩浆的热效应有关.为了解这些高-超高古热流的成因机制,以及溢流到地表的玄武岩浆对二叠系及以下地层和烃源岩的热影响,本文采用二维有限元方法对二叠纪峨眉山玄武岩浆的热效应进行了模拟,得出如下结论：（1）置于岩石圈底部的地幔柱头高温异常体和挤入地壳底部的高温玄武岩浆在短期内（4 Ma内）对地表热流的扰动分别小于5 mW·m^-2和20 mW·m^-2,均无法解释四川盆地二叠纪的异常古热流.（2）古热流与侵入到地壳内部的岩浆有关,中心在7~17 km深度的不同形态的岩浆都有可能造成高或超高古热流的形成,引起超高古热流的水平状岩浆囊厚度在2~10 km,表层距地表在6~12 km之间.（3）地表岩浆越厚、下伏地层越浅,岩浆对该地层产生的热扰动越大,其中烃源岩所受影响也越大.如,上覆岩浆厚度为300 m时,在深度300 m（二叠系）、800 m（奥陶系）、1250 m（寒武系）、2000 m（震旦系）地层引起的最大升温分别是241℃、77℃、40℃和19℃,所需时间分别为2100年、6100年、1.17万年和2.56万年.（4）相变热的存在对二叠系和奥陶系地层不可忽略,如300 m厚岩浆产生的相变热可以使二叠系地层额外增温达55℃.

     

中国陆地热岩石圈厚度及其地球动力学意义

依靠最新的中国大地热流数据、精细的地壳分层结构, 通过求解一维稳态热传导方程获得各个热流测量点对应的热岩石圈厚度, 通过克里金插值法绘制中国陆地热岩石圈厚度分布等值线图.计算结果表明, 中国陆地各构造区的热岩石圈厚度差异较大, 稳定的克拉通地区最厚, 可达200 km以上, 造山系次之, 多在100~200 km之间, 破坏的克拉通地区岩石圈最薄, 可以低于100 km. 通过对比三大克拉通地区的热岩石圈厚度和地震岩石圈厚度, 得出了四点认识: (1) 塔里木克拉通西部、中上扬子克拉通、华北克拉通西部以及南华北基本保留了稳定的克拉通巨厚岩石圈特征, 而华北克拉通东部的渤海湾盆地、下扬子克拉通以及塔里木克拉通东南部则发生了大规模的减薄; (2) 华北克拉通西部从鄂尔多斯向东北的银川—河套凹陷及向东南的汾渭凹陷的岩石圈厚度和流变边界层厚度逐渐变薄, 主要受控于地幔对流强度的增强; (3) 华北克拉通东部的南华北依然保持稳定, 而渤海湾的岩石圈厚度减薄显著, 体现了华北克拉通破坏在空间上的不均匀性; (4) 扬子克拉通自西向东岩石圈厚度和流变边界层厚度逐渐变薄, 可能受控于太平洋板块的俯冲, 和华北克拉通东部经历了相似的地球动力学过程.

     

渤海湾盆地新生代拉张中心迁移的热-流变机制

在区域拉张应力作用下, 岩石圈拉张减薄, 减薄的中心地带成为拉张中心, 渤海湾盆地新生代期间拉张中心具有自西向东、自南向北的迁移规律.为了探究渤海湾盆地新生代期间拉张中心的迁移与岩石圈热-流变结构的关系, 本文在构造-热演化模拟的基础上, 对渤海湾盆地各坳陷新生代岩石圈热-流变结构进行了计算.结果表明: 渤海湾盆地新生代岩石圈拉张中心的迁移主要受岩石圈流变强度的非均匀性所控制.拉张中心开始位于岩石圈强度最低的济阳坳陷, 拉张及伴随的的热冷却过程使得济阳坳陷岩石圈强度增大, 并且超过了渤中坳陷岩石圈强度, 因此, 沙四段时期, 拉张中心迁移到了渤中坳陷; 沙三段时期, 拉张中心迁移到了黄骅以及辽东湾坳陷.这是由于拉张速度较慢时(对于约90 km厚度的岩石圈而言, 如果初始地壳厚度＞34 km, 拉张速度0.5 cm·a^-1), 拉张初期会造成岩石圈强度的降低, 但随着拉张的持续进行, 岩石圈整体强度反而增加.孔店组时期, 在岩石圈强度较大的冀中及临清坳陷形成拉张中心可能是叠加了其他地质因素(如前期构造、断裂活动、远程应力等)的影响.东营组时期, 在岩石圈强度较大的渤中坳陷形成拉张中心, 这可能是该时期岩石圈强度同时受到了郯庐断裂带的活动或小规模的地幔对流的影响, 导致其实际强度比模拟计算的强度更低, 因而使得应变集中在渤中以及辽东湾坳陷.

     

日本海盆地弧后扩张期间构造-热演化数值模拟研究

日本海弧后系统几乎保留了完整的大陆-海洋弧后系统, 这为研究完整的大陆-海洋弧后系统提供了一个难得的机会.本文基于拉张模型, 对日本海盆地的5条OBS(ocean bottom seismographs)剖面进行构造-热演化模拟研究, 揭示盆地不同地区拉张强度及热演化的时空差异性.研究结果表明: 日本海弧后扩张时期总的拉张系数介于1.71~3.59, 其中北部的日本盆地拉张系数较大, 而东南部的大和盆地拉张系数相对较小.盆地基底热流只经历过一次热流高峰, 且达到峰值的时期有所不同.盆地东南部达到热流峰值(101~118 mW·m^-2)时期较早(约18.2~17.6Ma), 盆地北部达到热流峰值(123~137 mW·m^-2)的时期较晚(约13.8~12.5Ma).日本海弧后扩张可能是由于俯冲板块脱水导致其上覆岩石圈处于湿而热的状态, 使其强度明显弱于周围岩石圈进而促使弧后扩张的开始.太平洋板块与菲律宾海板块两者共同作用可能是造成日本海晚渐新世以来南北演化差异的动力学机制.