天山造山帶構(gòu)造變形與造山作用數(shù)值模擬研究
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【摘要】大陸動(dòng)力學(xué)是當(dāng)前固體地球科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域之一,其核心問(wèn)題是大陸構(gòu)造變形及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制。天山是典型的大陸內(nèi)部造山帶,在新生代發(fā)生了強(qiáng)烈的構(gòu)造變形和顯著的造山作用,是研究大陸動(dòng)力學(xué)的理想天然實(shí)驗(yàn)室。同時(shí),天山造山帶也是重要的成礦帶和著名的地震帶,并且與其南北兩側(cè)的含油氣盆地的形成和演化有密切關(guān)系。近些年來(lái),在天山地區(qū)開展的地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)研究工作,深化了對(duì)天山造山帶地球動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)。但是,天山新生代變形和隆升的機(jī)制目前還存有爭(zhēng)議。主要原因是:難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)所提出的地球動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。為了深入理解天山新生代陸內(nèi)造山的動(dòng)力學(xué)機(jī)制,本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算模擬的方法,對(duì)天山的構(gòu)造變形和造山作用進(jìn)行研究,取得的主要結(jié)論如下:(1)基于Fortran編程語(yǔ)言,編寫了一套可以求解二維彈塑性接觸問(wèn)題的有限元程序。通過(guò)驗(yàn)證算例模型,將該程序計(jì)算結(jié)果與解析解以及ANSYS計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,檢驗(yàn)了自編程序的準(zhǔn)確性。通過(guò)應(yīng)用算例模型,檢驗(yàn)了自編程序解決問(wèn)題的有效性,并利用該程序模擬了塔里木盆地—天山接合地帶的沖斷構(gòu)造。(2)采用接觸單元模擬斷層,對(duì)比斷層滑動(dòng)和地殼應(yīng)力在連續(xù)模型和非連續(xù)模型中的差異,分析斷層對(duì)地殼應(yīng)力的影響。研究結(jié)果表明:非連續(xù)模型比連續(xù)模型能夠更好地模擬斷層的滑動(dòng);非連續(xù)模型避免了單純使用軟弱帶模擬斷層所導(dǎo)致的應(yīng)力削弱現(xiàn)象;斷層帶的彈性模量、斷層與區(qū)域主應(yīng)力的夾角和交叉斷層是影響地殼應(yīng)力的重要因素;斷層帶的泊松比和平行斷層對(duì)地殼應(yīng)力的影響較弱。(3)利用接觸模型描述斷裂的不連續(xù)運(yùn)動(dòng),模擬天山地區(qū)現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)和變形,探討了天山具有區(qū)域差異性的地殼縮短變形的原因。研究結(jié)果表明:天山地區(qū)的地殼應(yīng)力場(chǎng)以近N-S向擠壓應(yīng)力為主,導(dǎo)致地殼發(fā)生近N-S向縮短變形;天山地殼的縮短變形并不均勻,不同區(qū)域縮短變形的主方向也不完全一致:中部為近N-S向,往西偏為NNW-SSE向,往東偏為NE-SW向;塔里木盆地對(duì)天山的構(gòu)造擠壓作用由西向東逐漸減弱,導(dǎo)致天山發(fā)生由西向東逐漸減弱的縮短變形。(4)構(gòu)建天山及其鄰區(qū)地質(zhì)單元巖石圈的三維熱—力學(xué)耦合模型,研究天山新生代陸內(nèi)造山的動(dòng)力學(xué)機(jī)制,分析重力引起的蠕變變形對(duì)山脈隆升的影響、造山隆升的驅(qū)動(dòng)力、以及巖石圈流變學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)構(gòu)造變形的作用。研究結(jié)果表明:模型表面隆升的樣式與天山的真實(shí)地形相一致,說(shuō)明帕米爾和塔里木塊體的構(gòu)造推擠可以導(dǎo)致天山顯著隆升;相比于南北兩側(cè)穩(wěn)定塊體,天山的巖石圈流變學(xué)強(qiáng)度明顯較弱;重力引起的蠕變變形對(duì)山脈隆升的過(guò)程和高度有重要影響。當(dāng)受到由帕米爾和塔里木塊體的向北推進(jìn)而形成的構(gòu)造擠壓作用時(shí),強(qiáng)度較弱的天山巖石圈容易發(fā)生變形,并吸收更多縮短量,導(dǎo)致地殼增厚以及相應(yīng)的山脈隆升。(5)以天山及其鄰區(qū)地質(zhì)單元巖石圈的三維模型為基礎(chǔ),對(duì)比模型在帕米爾和塔里木塊體的擠壓作用下的變形,研究了二者的構(gòu)造推擠對(duì)天山陸內(nèi)造山的控制作用。研究結(jié)果表明:帕米爾和塔里木塊體的單獨(dú)推擠,分別只能導(dǎo)致天山西段(約76°E以西)和中、東段(約76°E以東)發(fā)生地殼縮短和山體隆升;只有在二者的共同推擠下,整個(gè)天山才會(huì)發(fā)生與實(shí)際相一致的構(gòu)造變形。天山新生代構(gòu)造變形是帕米爾和塔里木塊體的共同擠壓作用的結(jié)果,二者分別對(duì)天山西段(約76°E以西)和中、東段(約76°E以東)的變形和隆升起主要作用。
【作者】雷顯權(quán);
【導(dǎo)師】趙崇斌;陳運(yùn)平;
【作者基本信息】中南大學(xué),地質(zhì)資源與地質(zhì)工程,2013,博士
【關(guān)鍵詞】地球動(dòng)力學(xué);構(gòu)造變形;造山作用;有限元數(shù)值模擬;天山;
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