Question

方法与模型简述

Answer 1

对中国大陆东部地区新生代幔源岩浆活动导致的非稳态热传递过程，邓晋福和赵海玲(1990)认为以“对流”方式为主。他们根据玄武岩中地幔包体的辉石地温线求得的岩石圈地幔平均地温梯度为3.3℃/km；进而根据地幔绝热梯度0.5℃/km和热传导过程下地幔14℃/km的地温梯度，认为“对流”方式的热传递占79%，热传导占21%(邓晋福和赵海玲，1990)。我们认为，新生代以来华北和华南地区东部的岩石圈减薄和岩浆活动所导致的非稳态热传递属于平流(advective)热传递过程，与热对流方式有重大区别。这种平流热传递过程主要由岩石圈/软流圈界面的抬升，以及相应的地幔部分熔融过程形成岩浆的上侵来实现。因此，在热模拟中首先要考虑平流热传递的贡献。

根据邓晋福和赵海玲(1990)求得的中国东部上地幔新生代平均地温梯度，取地幔热导率为2.5W·m^-1·K^-1，得到相应的地幔热流值约为10mW·m^-2左右。其他研究者发表的华北和华南地区东部新生代地幔包体矿物温压计求出的上地幔地温梯度亦大致在此数量级上(林传勇等，1998)。这数值与克拉通地幔的热流值相当。显然，华北和华南东部的高热流值显然不能简单地用10mW·m^-2的地幔热流加地壳热流来解释。根据本书第四章的研究结果，华北和华南地区的地壳平均生热率在1.0μW·m^-3以下，地壳厚度以33km计，则地壳热流值不过33mW·m^-2左右，加上10mW·m^-2的地幔热流值，地表热流值仅43mW·m^-2左右。根据华北和华南地区东部的华北盆地、汾渭地堑和苏北盆地以及东南沿海地区65～72mW·m^-2的平均热流值，可以估计出平流热传递的贡献至少在22～29mW·m^-2的数量级。根据第二章关于华北盆地、苏北盆地等地地幔热流的论述，将其减去10mW·m^-2，从而估计出平流热传递的贡献为24～39mW·m^-2。当然这可能只代表了现今时期的非稳态热流值，在构造-岩浆活动发育期平流热传递的贡献会更大。

我们采用当平流热传递的贡献不随事件变化时，在温度边界条件下求解一维稳态热传导方程，以估算在构造-岩浆活动发育期平流项的大小。计算得到穿过Moho界面的热流值后，减去10mW·m^-2即是平流项数值。在计算模型中上表面温度取0℃，下界面深度区Moho界面，温度从700℃变化到1300℃。模型中的地壳厚度取33km，其中上地壳15km，中、下地壳均为9km。地壳平均生热率取0.70～1.0μW·m^-3，其中中地壳为0.6μW·m^-3，下地壳为0.3μW·m^-3，上地壳分别为1.00、1.22、1.44和1.66μW·m^-3。地壳热导率的取值与计算公式参见汪洋的博士论文。计算结果见表5-1。

表5-1 不同地壳生热率和Moho界面温度条件下的稳态地幔热流值　Table5-1 Static heat flow across Moho calculated by different crustal heat production and Moho temperature

注：A为地壳生热率；地幔热流值单位为mW·m^-2。

从表5-1可以看出，在构造-岩浆活动发育期通过壳幔边界的热流值变化可以达到40～80mW·m^-2，相应的平流项为30～70mW·m^-2。根据中国东部新生代发生幔源岩浆底侵(underplating)的认识，我们认为玄武岩浆底侵作用发生时，取其导致的底侵岩浆聚集的壳幔界面附近的温度范围为900～1100℃，若取其平均值1000℃，则平流项在50mW·m^-2左右。

将平流热传递贡献归算为壳幔界面处的极高生热率薄层(1km厚)，即可计算考虑平流热传递贡献的(稳态)岩石圈热结构。我们通过此结果来代表深部热事件发生时刻的岩石圈地幔温度结构(假设热事件过程为瞬时)。计算中采用地壳平均生热率为0.90μW·m^-3的模型。地幔生热率忽略不计，除平流项外的地幔热流值取10mW·m^-2。地壳热导率和地幔热导率的取值与计算公式参见汪洋的博士论文 。

对岩浆作用和岩石圈抬升发生前的岩石圈热状态，采用地表平均热流值为55mW·m^-2的稳态模型计算，地壳生热率仍然为0.90μW·m^-3的模型。将由此求得的地壳部分的地温线和采用考虑平流项的模型计算的岩石圈地幔部分的地温线相结合，代表在深部热事件发生时的岩石圈热状态。这是下面进行岩石圈热演化模拟时采用的初始温度分布。

根据华北和华南地区东部新生代岩浆活动的特点，我们设计了两种模型。第一个模型假设深部热事件发育的时期持续了一段时间后才停止，在此期间岩石圈地幔的地温线保持初始给定的地温线不变，此后进入热松弛阶段，我们称之为“热”模型。另一个模型假设深部热事件发生后立即进入热松弛阶段，即上一段所述的岩石圈地幔初始温度分布仅仅作为初始条件参与计算，我们称之为“冷”模型。在计算中，以120km处的地温1310℃为底边界条件，地表温度取0℃。地壳厚度分层同前，生热率取0.90μW·m^-3的模型。上地壳热导率取3.0 W·m^-1·K^-1，中、下地壳和地幔热导率取2.5 W·m^-1·K^-1。地幔生热率忽略不计。采用张菊明和熊亮萍(1986)的有限元程序。网格为1km×1km的正方形，时间差分间隔为0.01Ma，仅考虑一维问题。