基于单矿物流变方程的下地壳多矿物岩石流变性质的数值模拟

Studying the rheological properties of the lower crust is extremely important to understand the mechanical behavior of crust, earthquake generating, the properties of crust-mantle transition, the tectonic motion and etc. The substance of the lower crust rheological properties is the rheological behavior of its composed multi-mineral rocks. Previous studies about rheological properties mainly focused on the mono-mineral rock. Until now, studies on multi-mineral rocks from experiments are still not enough and controversial views goes on because of the complex composition and uncontrollable experimental conditions. Previous simulating studies indicated that simulation by the finite elemen method is an useful way to understand the rheologyical properties of the multi-mineral rocks. In this study, the typical minerals (pyroxene, feldspar) of the lower crust will be selected to establish multi-mineral rock models. The rheological properties of the multi-mineral rock models will be studied by the finite element method. The rheological equations of mono-minerals from experiments and dislocation creep theory will be considered. The effects of composition, strength, temperate and stress on the rheological properties of multi-mineral rock will be focused. This study may supply important constraints on the rheological properties of the lower crust.

下地壳流变是地壳构造活动的重要力学机制,因此对研究地壳力学行为、地震孕育环境、壳幔过渡带性质、板块运动等一系列科学问题都有着非常重要的意义。下地壳流变的实质是其组成岩石的流变。虽然理论和实验上对单矿物岩石的流变性质研究较多，但对多矿物岩石的流变性质研究还存在很多不足，争议较大。现有计算研究表明,有限元方法有助于理解多矿物岩石的流变性质。因此，为了更好的理解下地壳流变，我们选取下地壳主要矿物（辉石、长石）建立多矿物岩石模型，基于单矿物流变实验方程和单矿物位错蠕变方程，利用有限元方法研究多矿物岩石在下地壳温度和偏应力条件下的流变性质。探讨不同组成、不同强度的矿物对岩石流变性质的影响，为研究下地壳的流变性质提供参考。

研究下地壳岩石流变对理解地壳力学行为、地震孕育环境等一系列科学问题都有着非常重要的意义。目前，对地壳多矿物岩石的流变性质研究还存在很多不足。本课题中我们主要采用数值模拟方法研究两相矿物模型蠕变过程中内部应力的发展变化。1.利用有限元方法研究了两相矿物岩石在1000-1200 K温度和100 MPa的应力条件下的蠕变过程中应力不均匀性的发展。选取了两组模型：钙长石-透辉石和钙长石-单斜辉石，每组的矿物相体积比为1：1，矿物相之间的蠕变速率不同（约差4-8个数量级）。我们的数值结果表明，矿物相之间的流变差异比其他影响因素，如颗粒大小，边界条件和网格密度。矿物相流变差异造成应力不均匀性明显较高，模型内部应力可以达到外加差应力的几倍，这样可能造成模型内部的局部滑动或破裂的初步形成。长石、辉石两种矿物之间的流变差加速了下地壳应力不均匀性发展，可能为下地壳中矿物颗粒减小提供了力学基础，从而促使了下地壳变形机制由位错蠕变向扩散蠕变转变，加强了下地壳的流变性。2.作为上述研究的推广，我们研究了俯冲带橄榄石-单斜辉石、瓦兹利石-单斜辉石、林伍德石-石榴石三种两相矿物模型在俯冲带温度应力条件下的蠕变，分析了剪切应力在俯冲带两相矿物模型中的发展，结果显示矿物蠕变差异在俯冲带剪切应力发展过程中起到了重要作用，尤其是林伍德石蠕变的快速蠕变率极大地加速了俯冲带深部剪切应力的发展过程，可能是600公里深度附近地震数量急剧增多的重要原因。我们的结果可以从一个新的角度理解俯冲带深源地震机制。