天山造山带上地幔对流及岩石层形变研究

The Tien Shan orogen is one of the most tectonically complicated and active regions on the Earth. Many tectonic features of the Tien Shan orogen could not be attributed to the India-Eurasia collison and compression. It is suggested that the regional tectonics of the Tien Shan orogen is, at least partly, controlled by the small-scale convection system within the underlain upper mantle. In this study, we will compile a density model of the upper mantle beneath the Tien Shan orogen,by converting from the seismic tomographic models. The convection pattern and convection-generated stress field are calculated by combining gravity and seismic tomography data. And, by constructing 3D lithospheric rheological model and applying numerical modeling for lithospheric deformation under the impact of mantle convection, we analyze the contribution of mantle convection upon the regional tectonics in the Tien Shan orogen. This study is desired to be benefit for understanding the dynamic mechanism of the tectonics in the Tien Shan orogen, and the mechanism of mantle dynamics for the intraplate orogen building.

天山地区是地球上最年轻、现今构造运动最活跃的造山带，许多构造特征难以归因于印度－欧亚大陆的碰撞挤压。研究表明，天山地区的区域构造动力学过程至少部分地受控于该区下上地幔小尺度对流系统。本申请项目利用地震层析成像模型，构建天山地区上地幔密度模型，结合重力资料，联合反演天山地区上地幔对流流场和作用于岩石层底部的应力场；在此基础上，构建该区岩石层三维流变结构模型，通过综合地幔对流及多种构造因素作用下的岩石层形变模拟，定量分析天山地区地幔对流对区域岩石层动力学的作用与贡献。本项目对深入、全面认识天山地区岩石层构造运动的动力学机制、探究大陆内部造山带形成的深部地幔动力学机理等，具有重要的科学意义。

本项目旨在研究天山造山带下上地幔小尺度对流的动力过程及其对区域岩石层形变的作用。我们构建了三维密度驱动下的地幔对流模型及岩石层形变模型，发展了相应的数值方法。利用地震、重力等资料，研究了天山造山带下地幔对流形态及其导致的岩石层形变。研究结果显示，天山造山带下存在活跃的上地幔小尺度对流系统，该对流系统对天山地区岩石层形变起着重要的控制作用。天山下的地幔上升流部分地支撑了天山的地形，其贡献量达1000m以上。而在天山周边的前陆块体，地幔下降流对地形产生负的贡献量。我们同时基于地壳均衡和岩石层挠曲方法，从另一个途径研究了地幔对流作用导致的残差动力地形，两者显示出较好的一致性。这一结果表明，地幔对流动力地支撑天山地区的一部分地形，对天山及其前陆块体的构造过程和地形分布具有重要的控制作用。本项目对深入、全面认识天山地区岩石层构造运动的动力学机制、探究大陆内部造山带形成的深部地幔动力学机理等，具有重要的科学意义。