变质核杂岩与岩浆作用关系的三维数值模拟研究——以华北克拉通为例

A typical symbol of crustal extension, Metamorphic Core Complex (MCC) is often associated with large-scale magmatism. The relationship between magmatism and MCC is a key factor to understand the mechanism of extension. Kinematic and geochronological studies on MCC and granitic magma have yield fruitful results, in contrast, quantitative analysis upon the thermal-mechanical background and engine is still lacking. Numerical modeling however breaks through the time-space limitation of geo-scientific research, becoming an effective means for our understandings of the internal evolution of the earth. Traditional 2D vertical-profile simulations show a disadvantage of low precision when dealing with full-space characters, complex composition and boundary conditions. Given this, we intend to restore the exhumation and deformation of the MCC in 3D numerical approach, analyze the effect of crustal or/and mantle lithosphere melting on the temporal and special distribution of magmatic activities and MCCs, and further discuss the origin of the magma and its connection with the extensional event. Combining the numerical results and the geological and geochemical data in North China Craton, we expect to offer insight to the extensional process as well as the mechanism of lithospheric destruction.

作为地壳经历强烈伸展的标志，变质核杂岩多与大规模岩浆作用伴生，二者的时空分布特征和成因关系对认识伸展构造的机制具有重要指导作用。目前，变质核杂岩和以花岗岩为代表的岩浆活动的运动学特征和年代学研究已取得丰硕成果，但对二者的热-动力学背景和机制的定量化分析还非常有限。数值模拟方法突破了研究地质事件中时间和空间的局限性，成为了解地球内部演化过程的主要手段。传统的二维数值模拟方法受纵向剖面模型的限制在正演复杂介质组成，全空间特征和复杂边界条件时计算精度较低。鉴于此，本项目拟通过三维数值模拟手段还原变质核杂岩的拆离、变形的过程，分析地壳和地幔部分熔融作用对变质核杂岩与岩浆活动的在时间和空间上的影响，从而探讨伸展构造的成因机制。最后结合华北克拉通地区地质学和地球化学研究资料与所得数值模拟结果对比，为华北克拉通岩石圈伸展过程提供定量化条件，继而为克拉通破坏的动力机制提供认识。

本项目围绕华北克拉通地区变质核杂岩变质核杂岩的形成过程和热动力机制进行了三维数值模拟，得到了如下结果：.（1）编写了三维数值模拟程序LaMEM的部分熔融扩展程序.（2）对造山带中发现的变质核杂岩的形成过程进行了动力学模拟，还原了其从地壳深部的剥蚀过程。先期的造山带对地壳的改造显著影响后期的伸展作用，当地壳中的薄弱带倾向与伸展方向垂直或成一定交角时，可以形成变质核杂岩，当地壳中的薄弱带倾向与伸展方向平行时，则为宽裂谷模式。该项研究内容突破了前人研究多以二维数值模拟的局限性。.（3）变质核杂岩在剥蚀的不同阶段可以发生A型和B型变质核杂岩的转换，也可因薄弱带的位置同时产生A型和B型变质核杂岩。因此对变质核杂岩的地质观测具有指导意义。.（4）高温地壳底部发生部分熔融，从而降低下地壳的粘滞系数，更易产生穹隆构造，薄弱带的倾角决定了拆离断层的形成机制。.（5）太平洋板块的俯冲后撤形成的伸展作用是华北克拉通地区变质核杂岩的形成机制，板块俯冲发生的非均匀的脱水和引发的地幔转换带的湿上升流等岩浆活动破坏了克拉通岩石圈，使岩石圈壳幔解耦和非均匀形变。