变质核杂岩低角度拆离断层成因和极性的数值模拟研究--以华北地区为例

Metamorphic Core Complex (MCC) is one of the three end-members of continental rifting. Due to its puzzling low-angle normal detachment fault that conflicts with Anderson's classic theory of faulting and its possibility of mineralization in the detachment fault, MCC has been accepted as one of the basic topics of geodynamic process. Despite of intensive studies over the past several decades, the mechanism of low-angle normal faults has not been completely understood and the factors that control the polarity (the shear sense) of detachment faults are poorly investigated, which are thus two focusing problems nowadays. Geodynamic numerical modeling is an efficient approach that is rising up rapidly for studying slow-deforming geologic processes. The North China is famous as the unique extension feature, with wide-spreading and intensively studied MCC, and thus is an ideal place for MCC research. Here, we propose to perform geodynamic numerical modeling based on the results of MCC studies in North China to investigate the mechanisms of low-angle normal fault and the factors that control the polarity of detachment fault. The results of this proposal would be helpful for understanding the process of continental rifting.

变质核杂岩是大陆伸展构造的三种基本形式之一。由于拆离断层独特的与传统断层理论相矛盾的低角度几何形态及拆离断层成矿作用，研究变质核杂岩及相关的拆离断层具有重要的理论意义和经济价值。低角度正断层的成因和拆离断层的极性控制因素是当前变质核杂岩研究的两个热点问题。一方面，拆离正断层低角度几何形态的成因机制至今未被完全理解，存在激烈的争论；另一方面，拆离断层的极性（拆离带岩石变形的剪切运动指向）是区域动力学的反映，但对其控制因素的认识还非常有限。地球动力学数值模拟是研究缓慢变形地质体的最新方法和有效手段。我国华北及周边地区是世界典型的伸展构造发育地区，变质核杂岩广泛发育且研究程度高，是开展变质核杂岩研究的理想场所。本项目拟基于华北地区变质核杂岩的研究成果，通过地球动力学数值模拟实验，研究变质核杂岩低角度拆离正断层的成因机制，探索变质核杂岩拆离断层极性的控制因素，为大陆伸展构造提供新的认识。

项目从变质核杂岩出发，开展了伸展作用下板内大规模变形的研究，在此基础上，对地幔流动作用下板块俯冲起始问题进行了探索，揭示了地幔拖拽力的重要作用，丰富了板块构造理论。..变质核杂岩是板内伸展的表现，记录了大陆演化的运动学信息。华北克拉通由于全球特有的克拉通遭受破坏而成为了国际研究的热点区域。观测表明，华北克拉通发育了大量变质核杂岩，它们在伸展方向上具有很好的一致性，并且形成年代集中在克拉通破坏的峰期。因此，认识变质核杂岩与克拉通破坏的关系对理解大陆演化具有重要意义。本项目利用动力学数值模拟研究变质核杂岩的形成机制，观测到三种端元模式：变质核杂岩模式、拆离-抬升模式和均匀伸展模式。对变质核杂岩形成条件的参数化研究表明强上地壳、极弱下地壳是变质核杂岩形成的关键条件。通常认为稳定克拉通具有较强的地壳，而华北克拉通变质核杂岩的发育表明下地壳可能发生了弱化，这种弱化可能与克拉通破坏有关。基于这种相关性，变质核杂岩可以作为克拉通破坏的一种指示，也为大陆演化研究提供了一定的指导意义。..地球是目前已知唯一存在板块构造的星球。动力学模拟表明，由于岩石粘度随温度降低而急剧增加，对流地幔会在表层形成一个坚硬的盖层。地球上板块构造的存在需要打破这种盖层，但是其中的机制存在极大争论，其中关键的难点在于最初的驱动力来自哪里。本项目利用数值模拟研究最初的板块俯冲形成过程，重点关注地幔拖拽力的驱动作用。研究发现，地幔流动引起的拖拽力可以促使俯冲板块的形成。通过对拖拽力进行分析，发现拖拽力不随软流圈粘度降低而减小，解决了俯冲起始驱动力缺失的难题。研究观测到了四种端元模式：非对称俯冲模式、对称俯冲模式、盖层模式和水平缩短模式，其中只有非对称俯冲模式与现今的板块构造相对应。参数化研究表明，非对称俯冲模式的形成条件集中在较大的摩擦角以及适中的热年龄，这种非常局限的条件可能是其他类地行星没有产生板块构造的原因。