控制中国大陆地形的内部动力学机制研究

Due to its strong undulation and dramatic variations of topography, China continent is one of the most tectonic active and complex regions in the world. In order to understand the dynamic mechanisms which are responsible for the topography of China, we propose to do the following work: (1) Collecting the released seismic velocity models in China, the data about the depths of the Moho discontinuity and the bottom of lithosphere, the topography data, and the gravity anomalies data; (2) Developing upper mantle convection model to obtain stress field acts on the lithopsheric bottom by mantle convection; (3) Computing the 2D lithospheric flexure equation with spatial-dependent lithospheric effective elastic Te to obtain the topography supported by the lithospheric strength; (4) Computing topography supported by mantle convection, and analyzing the contributions of topography from crustal, lithospheric strengths, and mantle convection stress act on the bottom of lithosphere. The implement of this project will help us to deepen our understanding on the mechanisms which control the topography and the dynamic processes of crust, lithosphere and upper mantle.

中国大陆是全球构造最活跃、最复杂的地区之一，地形起伏大、变化剧烈。本项目以揭示控制中国大陆地表地形的动力学机制为目的，综合利用中国大陆地震波速度模型和Moho面及岩石圈底面深度资料，以及地形和大地水准面、重力异常数据，通过模拟地幔对流流场及作用于岩石圈底面的应力场，并解算强度随空间变化的二维岩石圈挠曲方程，研究中国大陆地壳、岩石圈基于挠曲均衡机制对地形的贡献，和地幔对流作用对地形的贡献，定量分析地壳、岩石圈和地幔不同圈层对中国大陆地表地形的控制作用。本项目对深入认识中国大陆地形成因和地壳、岩石圈及地幔动力学过程具有重要的参考价值。

本项目围绕揭示控制中国大陆地表地形的动力学机制这一目标，综合多种地球物理观测资料，开展了岩石圈流变结构、强度、地幔对流以及岩石圈变形等方面的研究，取得一下研究成果：1. 发展了基于地球物理学-岩石物理学方法, 综合利用多种资料构建大陆岩石圈三维热-流变结构模型的新方法,并以华北克拉通为例，研究了岩石圈流变结构与拉张构造和地表地形的关系。结果表明, 莫霍面温度和岩石圈地幔、地壳强度比是拉张构造和裂谷地形的主要控制因素；2. 综合多种地球物理资料，岩石圈均衡和岩石圈挠曲分析, 定量研究了地壳、岩石圈地幔对地形的贡献，解释了支撑跨龙门山断裂约4000m地形差异的动力学机制，提出下地壳流与地幔对流是研究龙门山及其邻近地区动力学问题必需考虑的动力因素；3. 综合多种方法和地球物理观测数据，研究了天山造山带地形不同尺度的支撑机制。结果显示，强度较大的块体抵抗变形，支撑了大部分的地形分量。强度较弱的天山地区促进了岩石层变形，支撑较少的地形分量。地幔对流动力地支撑天山地区的一部分地形，对现今天天山及其前陆块体的地形的形成具有重要的控制作用；4.通过理论模拟，建立地幔动力作用与地表观测间的定量联系。采用有限元方法数值计算了现今的地幔对流格局。结果表明地幔动力作用是控制中国大陆地形起伏的主要机制之一。地幔动力作用可通过岩石圈强度的挠曲作用于地表，表现为地形起伏的显性表达，因此，研究岩石圈、地幔动力学问题必需同时考虑二者的相互作用，以构建全面的认识体系。