天山造山带构造变形与造山作用数值模拟研究

【摘要】大陆动力学是当前固体地球科学研究的前沿领域之一,其核心问题是大陆构造变形及其动力学机制。天山是典型的大陆内部造山带,在新生代发生了强烈的构造变形和显著的造山作用,是研究大陆动力学的理想天然实验室。同时,天山造山带也是重要的成矿带和著名的地震带,并且与其南北两侧的含油气盆地的形成和演化有密切关系。近些年来,在天山地区开展的地质学、地球物理学和地球动力学研究工作,深化了对天山造山带地球动力学的认识。但是,天山新生代变形和隆升的机制目前还存有争议。主要原因是：难以通过实验对所提出的地球动力学模型进行检验。为了深入理解天山新生代陆内造山的动力学机制,本文通过数值计算模拟的方法,对天山的构造变形和造山作用进行研究,取得的主要结论如下：(1)基于Fortran编程语言,编写了一套可以求解二维弹塑性接触问题的有限元程序。通过验证算例模型,将该程序计算结果与解析解以及ANSYS计算结果进行对比,检验了自编程序的准确性。通过应用算例模型,检验了自编程序解决问题的有效性,并利用该程序模拟了塔里木盆地—天山接合地带的冲断构造。(2)采用接触单元模拟断层,对比断层滑动和地壳应力在连续模型和非连续模型中的差异,分析断层对地壳应力的影响。研究结果表明：非连续模型比连续模型能够更好地模拟断层的滑动；非连续模型避免了单纯使用软弱带模拟断层所导致的应力削弱现象；断层带的弹性模量、断层与区域主应力的夹角和交叉断层是影响地壳应力的重要因素；断层带的泊松比和平行断层对地壳应力的影响较弱。(3)利用接触模型描述断裂的不连续运动,模拟天山地区现今地壳运动和变形,探讨了天山具有区域差异性的地壳缩短变形的原因。研究结果表明：天山地区的地壳应力场以近N-S向挤压应力为主,导致地壳发生近N-S向缩短变形；天山地壳的缩短变形并不均匀,不同区域缩短变形的主方向也不完全一致：中部为近N-S向,往西偏为NNW-SSE向,往东偏为NE-SW向；塔里木盆地对天山的构造挤压作用由西向东逐渐减弱,导致天山发生由西向东逐渐减弱的缩短变形。(4)构建天山及其邻区地质单元岩石圈的三维热—力学耦合模型,研究天山新生代陆内造山的动力学机制,分析重力引起的蠕变变形对山脉隆升的影响、造山隆升的驱动力、以及岩石圈流变学结构对构造变形的作用。研究结果表明：模型表面隆升的样式与天山的真实地形相一致,说明帕米尔和塔里木块体的构造推挤可以导致天山显著隆升；相比于南北两侧稳定块体,天山的岩石圈流变学强度明显较弱；重力引起的蠕变变形对山脉隆升的过程和高度有重要影响。当受到由帕米尔和塔里木块体的向北推进而形成的构造挤压作用时,强度较弱的天山岩石圈容易发生变形,并吸收更多缩短量,导致地壳增厚以及相应的山脉隆升。(5)以天山及其邻区地质单元岩石圈的三维模型为基础,对比模型在帕米尔和塔里木块体的挤压作用下的变形,研究了二者的构造推挤对天山陆内造山的控制作用。研究结果表明：帕米尔和塔里木块体的单独推挤,分别只能导致天山西段(约76°E以西)和中、东段(约76°E以东)发生地壳缩短和山体隆升；只有在二者的共同推挤下,整个天山才会发生与实际相一致的构造变形。天山新生代构造变形是帕米尔和塔里木块体的共同挤压作用的结果,二者分别对天山西段(约76°E以西)和中、东段(约76°E以东)的变形和隆升起主要作用。
【作者】雷显权；
【导师】赵崇斌；陈运平；
【作者基本信息】中南大学，地质资源与地质工程，2013，博士
【关键词】地球动力学；构造变形；造山作用；有限元数值模拟；天山；

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