华北克拉通破坏的深部过程与动力学机制：大陆岩石圈与软流圈的热学、力学与化学耦合

活动的板块构造是地球独有的动力学现象。地球早期的绝大多数地质记录都也因此而被破坏。海洋岩石圈仅有1亿多年历史。但克拉通由于其特殊的物理与化学特性在大陆中可稳定存在达三十亿年以上。华北克拉通克拉通也至少可上朔到18亿年的历史。但在中生代其底部遭到破坏，岩石层厚度从200多公里减薄到现在的60-80公里。本课题力图从数值模拟的角度研究华北克拉通这一破坏过程的动力学过程和机制。地质、地球物理、地球化学和地球动力学研究显示，克拉通的破坏可能涉及大陆岩石圈与软流圈的力学、热学与化学作用。本研究将以涵盖地幔热、相变和化学等因素的热－力学－化学耦合为主线,采用有限元数值方法，在分析一般克拉通稳定和可能被破坏的基础上，就华北克拉通的特殊构造动力学环境研究华北克拉通破坏的机理。结合已有的和正在开展的华北克拉通破坏的地质、地球物理和地球化学研究成果，重建华北克拉通破坏的演化过程。

本研究采用有限元数值模拟方法，计算分析了一般克拉通稳定性参数范围、计算并分析了克拉通岩石圈重力不稳定性发展过程和后果、计算并分析了克拉通岩石圈在对流地幔中的对流减薄过程并给出了对流减薄时间的定量估算方法、研究了金星地幔中热柱模式对流和地球地幔中板块模式对流的不同机理以及地幔热柱对金星地形与重力场的影响、计算并分析了地震、地表形变与岩石圈粘弹性变化的关系。通过对比华北克拉通地质、地球物理和地球化学观测，探讨了华北克拉通破坏的深部过程和可能的动力学机制，达到了项目预期目标。需要说明的是，相关研究结果有些已经发表，但有几篇包含研究结果的论文仍在整理或审稿中。主要研究进展和成果包括：.（1）研究了克拉通岩石圈的重力不稳定性。结果显示非牛顿流体克拉通岩石圈在化学组分浮力比B=0.7时仍可失稳，而牛顿流体在组分浮力比B>0.4就处于稳定状态。这是对Jaupart等[2007]经典结果的一个改进。.（2）研究了克拉通岩石圈的对流减薄程并首次给出克拉通岩石圈对流减薄时间的定量估算方法，这也可用以推算可长期保持稳定的克拉通岩石圈的参数空间。.（3）研究了克拉通岩石圈的失稳过程，发现非牛顿流体的克拉通岩石圈内部会发展小尺度对流。这种可造成克拉通破坏的过程表现为小尺度、多期拆沉模式。这与观测到的华北地区存在的多期小规模岩浆活动相一致。该过程很可能代表了华北克拉通破坏的深部过程。.（4）研究了克拉通岩石圈小尺度多期失稳过程的后果，结合华北克拉通的地球物理观测如动力地形和表面热流等发现，在华北克拉通破坏过程中，华北克拉通古老岩石圈并没有被整体置换，而是在多期的失稳过程中与地幔混合，并仍有许多古老的岩石圈地幔物质被保留了下来。.（5）研究了金星地幔对流。结合金星地形、重力场和岩浆活动的观测发现，相变在金星地幔对流中起着重要作用但不会造成灾难性表面更新、金星内部可能没有像地球一样的软流圈、而软流圈存在与否可能就是地球板块模式地幔对流和金星热柱模式地幔对流的重要判据。.综合本研究结果，可以认为华北克拉通破坏的深部过程是一种小尺度多期的拆沉过程，在该过程中一部分古老岩石圈地幔仍留在当今华北岩石圈内。该过程既可解释华北地区长期存在的岩浆活动、也能解释部分地区出现的榴辉岩和地幔岩的混合体、以及动力地形和热流。太平洋板块俯冲可能是导致华北克拉通破坏的机制，因俯冲可改变华北区域的应力场并将水分到带入地幔。