中国东部壳-幔、岩石圈-软流圈之间的相互作用带:特征及转换时限

中国东部中—新生代,下部岩石圈存在壳与幔、岩石圈与软流圈两个相互作用带,它们是重要的岩浆源区,在层圈相互作用中,热和物质的交换及其动力学过程是引起中、新生代岩石圈内部层圈间的厚度调整、岩石圈不均匀减薄以及区域构造-岩浆-成矿作用的重要机理。大陆内部的壳-幔作用有3种类型:地幔来源的底侵熔体与下地壳的作用;下地壳拆沉进入弱化(weakening)了的岩石圈地幔二者发生的作用以及陆-陆碰撞深俯冲带的壳-幔相互作用。它们形成的火山岩组合有一定的差别,但源区都含有地壳组分。岩石圈-软流圈的作用带也是重要的岩浆源区,源区是以软流圈地幔为主,基本不含地壳组分。东部岩石圈的减薄时间大体与出现大规模软流圈来源的玄武岩喷发的时间一致,也与上述两类层圈作用转换的时间一致,大约在100Ma以后。

基于sP前驱震相叠加研究南美中部地区岩石圈-软流圈边界形态

岩石圈-软流圈边界(lithosphere-asthenosphere boundary)是上地幔内具有负速度梯度的地震波速度界面.对俯冲带区域LAB开展地震学探测有助于进一步认识岩石圈和软流圈的相互作用以及与板块俯冲有关的地球动力学过程.本文收集了2006-2012年发生于南美中部地区4个深源地震的垂向宽频带波形资料,利用线性倾斜叠加处理得到了相对走时-慢度域的灰度图,并成功提取了sP在LAB底反射的前驱震相S_(LAB)P.基于改进的一维速度模型IASP91-SA计算得出了6个S_(LAB)P震相反射点的水平分布,并划分为西部(Ⅰ)和东部(Ⅱ)分区:分区工内LAB深度位于60~63 km,平均深度为61 km,起伏为3 km;分区Ⅱ内LAB深度位于78~82 km,平均深度为80 km,起伏为4 km.研究结果显示南美中部地区LAB深度自西向东呈变大的趋势,这可能反映了大陆岩石圈受改造程度的差异.我们推测在靠近海沟的地区,软流圈内部分熔融程度较高且熔体较为富集,对大陆岩石圈的侵蚀作用较强;在远离海沟的地区,软流圈内部分熔融程度降低且熔体分布减少,对大陆岩石圈的侵蚀作用减弱.

热-流-固耦合方法模拟岩石圈与软流圈相互作用

岩石圈和软流圈的相互作用是现今地球动力学研究的热点问题之一.本文针对岩石圈与软流圈的相互作用模型,开发了新的基于热-流-固三场耦合方法的有限元程序.岩石圈变形和对流的地幔之间的耦合方式为:地幔在热驱动(或运动岩石圈的拖曳)下产生对流,对流的地幔对耦合边界施加载荷并造成岩石圈的变形,变形的岩石圈反作用于软流圈从而影响其地幔对流的状态.温度场根据速度场和网格变形的结果适时调整,如此反复推动整个系统的演化.利用该耦合方法模拟了"地幔柱作用下地表隆升"地质过程,其结果与实际地质资料和地质认识能很好的吻合,验证了该方法模拟地幔与软流圈相互作用过程的有效性及处理复杂耦合问题的能力.

斑点火山的形成机制和岩石圈-软流圈边界(LAB)的性质

近二十年来,在俯冲带外缘发现的斑点火山群代表了一种全新的海底岩浆活动类型.这种火山规模很小,成簇出现,年龄异常年轻,岩样以EM1型碱性玄武岩为主,孔隙度高且富含挥发性组分.有关斑点火山的岩浆起源以及与岩浆上涌相关的动力学过程目前仍然存在广泛的争论.本文系统性地介绍了斑点火山的特征,总结了前人针对其形成机制和岩浆源区研究提出的3种模型;另外,结合大洋岩石圈-软流圈边界(LAB)可能含熔体的最新研究成果,指出了斑点火山还可能与LAB的性质这一板块理论的根本科学问题密切相关;由于CO2可能是导致LAB深度处出现熔融聚集层的原因,而斑点火山岩样中富含CO2,因此斑点火山还可能是碳循环的重要组成部分.最后,本文对未来围绕斑点火山形成机制等科学问题的多学科综合研究做出展望.

大陆岩石圈的热-流变底边界——以Kaapvaal、Fennoscandia和Slave克拉通为例

板块构造理论的一个基本假设是相对刚性的岩石圈板块漂浮在相对软弱的软流圈之上作欧拉运动.岩石圈与软流圈间存在边界面称为岩石圈-软流圈边界（LAB）.提出一种半解析方法来确定大陆LAB：定义其为有效黏度取极小值所在的深度.该方法得到的LAB,综合考虑了大陆岩石圈地幔介质的热学和流变学性质,故称其为热-流变底部边界.对3个著名克拉通（Kaapvaal,Fennoscandia和Slave）的研究表明：3个克拉通的热-流变底部边界在~250km,与大地电磁测深等其他地球物理方法得到的结果一致.因为热-流变底部边界是从力学的角度来定义的,且提供了岩石圈板块浮于软流圈上运动的极大可能性,因而与板块构造理论的定义更为接近.在该边界及附近,主导的流变机制是湿橄榄石的扩散蠕变,有效黏度极小,差应力小,应变率相对较大.

峨眉山大火成岩省的岩石圈结构:对地幔柱-岩石圈相互作用的启示

峨眉山大火成岩省位于扬子克拉通西缘,是中-晚二叠世峨眉山古地幔柱头熔融的产物。因此,该区岩石圈结构特征对于揭示地幔柱-岩石圈相互作用方式与机制具有重要的指示意义。本文基于COMPASS-ELIP宽频带地震台阵资料,开展S波接收函数成像研究,并与同剖面远震S波有限频层析成像、区域面波层析成像结果进行对比分析,识别了沿剖面岩石圈内部主要间断面,从而获得了峨眉山大火成岩省岩石圈结构的横向变化特征。结果显示,相对中带和外带,内带具有地壳增厚(增厚15~20km)、岩石圈减薄(减薄~50km)现象,且岩石圈地幔具有高速、分层特征,但下层底界面转换波震相并不明显;中带岩石圈厚度大(~170km),局部地段岩石圈-软流圈边界(LAB)缺失,对应位置存在地幔低速异常;外带岩石圈厚度略小(~150km),中带和外带均发育岩石圈中部不连续面(MLD)。结合地球化学、岩石学、物理/数值模拟等研究成果,本文推测上述特征记录了古地幔柱作用引起的不同程度岩石圈变形:地幔柱在内带以纵向作用为主,通过热-动力冲击方式造成岩石圈大幅度快速减薄,地幔柱头高程度减压熔融,产生的大规模岩浆穿透岩石圈地幔,在地壳发生底侵和内侵,部分喷出地表形成溢流玄武岩;地幔柱在中带以横向作用为主,通过底部剪切引起岩石圈地幔横向伸展,甚至造成局部撕裂,在撕裂部位进一步引发热-化学侵蚀并导致岩石圈破坏;地幔柱在外带以垂向拖曳为主,造成岩石圈的局部拆沉而减薄。此外,内带下方地幔的高速、分层特征,可能指示经历地幔柱作用减薄后的岩石圈,减薄产生的岩石圈空区因捕获地幔柱头熔融残留物而得到一定程度愈合,而受地幔柱改造后的残存岩石圈,因经历大量熔体抽取更加亏损而得到强化。综上,本文揭示的峨眉山大火成岩省岩石圈结构,为进一步理解地幔柱-岩石圈相互作用的方式与机制提供了新的地球物理观测证据。

青藏高原东北缘岩石圈厚度与上地幔各向异性

利用青海地震台网和甘肃地震台网2007—2009年记录的远震波形资料,提取S波接收函数和SKS分裂参数,得到了青藏高原东北缘的三维岩石圈厚度分布和上地幔各向异性特征.S波接收函数结果表明:昆仑—阿尼玛卿缝合带以南的松潘—甘孜地块东北缘和西秦岭造山带下方岩石圈较薄,厚度为125～135km;昆仑—阿尼玛卿缝合带以北具有较厚的岩石圈,在昆仑和祁连地块下方岩石圈厚达145～175km,并向柴达木盆地(175～190km)和克拉通(鄂尔多斯南部约为170km、阿拉善南缘约为200km)下方增厚.上地幔各向异性结果显示:东北缘地区的SKS快波偏振方向为NW-SE向,与前人得到的昆仑断裂带南侧的快波方向存在较大差异,南侧自高原内部呈顺时针旋转,表明昆仑断裂带可能为上地幔变形的转换带.SKS快、慢波延迟时间为0.8～1.9s,且在昆仑—阿尼玛卿缝合带以北,延迟时间与岩石圈厚度呈正相关关系,推断该区各向异性主要来源于地幔盖层的初期伸展变形.

华南地区岩石圈电性特征及其地球动力学意义

岩石圈-软流圈界面（TheLithosphere—AsthenosphereBoundary，LAB）是地球内部主要界面之一．大地电磁测深（Magnetotelluric，MT）是研究地球壳幔电性结构最有效的方法，利用长周期大地电磁测深数据可以较好地探测LAB．在SinoProbe-01—03课题的资助下，首次获得了华南地区4°×4°网度的高质量大地电磁测深数据．利用一维奥卡姆（Occam）算法反演了MT阻抗的反对角线元素所计算出的平均视电阻率．根据一维地电结构可以将华南地区岩石圈划分为五种类型：以湖南邵阳和贵州施秉为代表的克拉通型，以四川达州和彭州及湖北荆门为代表的构造边界型，以浙江湖州和广东云浮为代表的岩石圈中等改造型，以江西赣州、广东揭阳及福建霞浦为代表的岩石圈强烈改造型，以湖北英山为代表的造山带型．除湖南邵阳、贵州施秉及广东揭阳外，华南地区岩石圈厚度为60～145km．本文研究表明华南地区岩石圈显示出南北两侧上抬、中部下凹、东部受不均匀改造的趋势，这一结果与之前发表的文献所揭示的华南地区岩石圈东薄西厚的典型特征是不同的．研究结果反映华南地区岩石圈稳定性较好，晚中生代以来的构造伸展作用对岩石圈的改造程度有限，可能主要以不同形式的软流圈底辟为主．

青藏高原古新世-始新世早期(65～40Ma)火山岩——同碰撞火山作用的产物

印度-亚洲大陆的碰撞开始于65Ma左右,大约在45/40Ma完成,之后转入碰撞后阶段至今。碰撞过程(～65～40Ma)中,已消减的新特提斯大洋板片回转,不仅导致会聚速率提高,还诱使青藏岩石圈之下的对流软流圈上涌,并发生减压熔融,产生碰撞期(或同碰撞)火山作用。西藏中部和南部的古新世-始新世早期(～65～40Ma)火山岩即是此碰撞期(或同碰撞)火山作用的产物。该碰撞期(或同碰撞)火山岩系并非是单一的长英质中酸性火山岩,其成分变化很宽,从玄武质到流纹质均有发育。它们源于成分为εNd(t)≈+3、87Sr/86Sr(t)≈0.705和La/Nb≈0.8的软流圈源。根据岩石地球化学数据,古新世-始新世早期基性熔岩可以划分为高Ti/Y(HT,Ti/Y≥500)和低Ti/Y(LT,Ti/Y<500)两个岩浆类型。LT熔岩又可以进一步划分为LT1和LT2等两个亚类。HT和LT1熔岩为未遭受地壳混染的基性熔岩,以具有高Nb/La值(0.88～1.53)和原始地幔标准化分配曲线上缺乏Nb、Ta和Ti负异常为特征;而LT2熔岩却为受到了强烈地壳混染的基性熔岩,其Nb/La值很低(0.20～0.49),Nb、Ta和Ti明显亏损。西藏中部拉嘎拉玄武岩和邦达错碱性玄武岩的化学演化受控于橄榄石(ol)+单斜辉石(cpx)结晶分离作用;而西藏南部林子宗火山岩系的化学变异则是经受了辉长质结晶分离作用。元素和同位素数据表明,青藏高原古新世-始新世早期基性熔岩并不是单一母岩浆结晶分离的产物。遭受地壳混染的LT2熔岩的Sr-Nd同位素变化特点与其软流圈源熔体上升过程中所卷入的不同岩石圈组分有关。下地壳组分的卷入导致典中组、帕那组和拉嘎拉玄武岩的LT2熔岩具有低-负εNd(t)值(+1.3～-3.9)和较低87Sr/86Sr(t)值(0.7046～-0.7065);而达孜基性火山岩和年波组的LT2熔岩则是以具较高87Sr/86Sr(t)值(0.7051～0.7084)和变化幅度较大的εNd(t)值(+5.4～-4.0)为特征,这应该是与受到上地壳混染有关;还有一些LT2熔岩样品,具有高εNd(t)(+5.4～+9.4)值和低87Sr/86Sr(t)值(0.7046～0.7051),可能与其岩石圈地幔源区受到前新生代消减作用改造有关。较早(65～44Ma)喷发的熔岩源于软流圈石榴子石稳定区3～4GPa条件下的低程度(<10%)部分熔融;而较晚(42～38Ma)喷发的熔岩是源于软流圈石榴子石-尖晶石过渡带较高程度(10%～30%)的部分熔融。软流圈源岩浆被岩石圈混染的程度受其上升速率的控制。未遭受混染的HT和LT1熔岩的母岩浆上升迅速,受到强烈混染的LT2熔岩的母岩浆上升较为缓慢。

鹤壁新生代玄武岩源区及成因:地球化学和Sr-Nd-Hf同位素证据

大陆碱性玄武岩是研究大陆地幔、软流圈和岩石圈、壳幔相互作用的窗口。鹤壁碱性玄武岩为华北中部新生代玄武岩重要组成部分,其源区和成因对了解新生代期间华北克拉通中部岩石圈地幔改造提供了重要依据。鹤壁新生代玄武岩主要为碱性玄武岩,贫硅(SiO2=45.0%～47.8%)富镁(MgO=7.3%～8.5%)和全碱(Na2O+K2O=4.6%～6.3%),富集轻稀土元素,轻、重稀土元素强烈分馏[(La/Yb)N=15.1～21.2],无明显Eu异常。富集大离子亲石元素(LILEs)和高场强元素(HFSEs)。在原始地幔标准化蛛网图上,具有明显的Nb、Ta正异常,其中Nb/U=35～48、La/Nb=0.4～0.7、Ba/Nb=3.6～11。全岩的Sr、Nd、Hf同位素比值分别为87Sr/86Sri=0.7036～0.7044,εNd(t)=+0.4～+5.4,εHf(t)=+5.0～+9.7,显示鹤壁新生代玄武岩具有洋岛玄武岩(OIB)的地球化学特征和同位素组成。岩相学特征和地球化学特征表明鹤壁新生代玄武岩是软流圈地幔(>80km)小程度部分熔融形成的熔体与富集的岩石圈地幔相互作用后的结果,地壳物质混染和结晶分离作用不显著。

对流地幔输入大陆与大陆成矿作用

文章讨论了对流地幔向大陆的输入是大陆成矿作用的直接驱动力。以华北燕山造山带为例,认为卷入的对流地幔可能深达670km界面。对流地幔的热和物质输入大陆诱发形成一个新的被扰乱的岩石圈–软流圈系统(LAS),它成为大陆成矿作用的重要深部环境。提出了被扰乱的大陆岩石圈–软流圈系统及其成矿作用的4个类型:①伸展环境下的岩石圈巨大减薄作用;②挤压环境下的岩石圈巨大减薄作用;③挤压环境下的岩石圈巨大加厚作用;④太古克拉通岩石圈根在造陆运动中,地幔深部小的热扰乱。最后讨论了大陆成矿作用的基本过程。

华南地区进贤—柘荣剖面深部电性结构

为了研究华南地区的深部电性结构，探寻浅部地质过程的深部背景，布设了江西进贤至福建柘荣超长周期大地电磁测深剖面。通过剖面数据的处理、定性分析及二维反演，获得剖面岩石圈尺度的电性结构模型，并分区块对壳幔电性结构及主要断裂进行了分析。反演结果表明：1）剖面可分为4个构造单元，分别为江南造山带、华夏地块内部、华夏褶皱带和东南沿海岩浆岩带；2）武夷山与东南沿海岩浆岩带两处电性莫霍面隆起，电性莫霍面的起伏特征受控于区域深大断裂；3）剖面电性岩石圈整体表现为西薄东厚，江南造山带岩石圈一软流圈界面埋深为80～100km，华夏褶皱带及东南沿海岩浆岩带的岩石圈一软流圈界面埋深约为140km，存在一处岩石圈减薄区和两处软流圈上涌区，反映了伸展构造作用对岩石圈的不均匀改造。

基于P波三重震相的华南地区上地幔速度结构研究

华南块体是研究太平洋板块俯冲和岩石圈减薄机制等问题的最佳场所之一.本文基于中国地震观测台网和大型流动台阵记录到的震中距10°~30°之间的两个中深源地震P波记录,利用三重震相波形拟合技术,获得了中扬子克拉通和华夏地块上地幔高精度P波速度结构.研究结果表明:(1)中扬子克拉通过渡带底部存在高速异常,系太平洋俯冲板块的滞留体.俯冲的板块并没有进入下地幔,660-km间断面下沉约11 km,与后尖晶石相变的克拉伯龙斜率为负有关.而华夏地块过渡带底部并无明显高速异常,接近全球平均模型;(2)整个华南块体,410-km间断面上方普遍存在低速层,主要与上地幔部分熔融有关,与IASP91相比P波速度减小了1.38%~2.29%;(3)在研究区域内,中扬子克拉通和华夏地块都存在岩石圈减薄(<80 km),推测可能与太平洋板块俯冲和快速回撤导致的岩石圈拆沉有关.且华夏地块减薄程度较明显,下伏软流圈速度较低,说明其上地幔强度较弱、温度较高.另外,中扬子克拉通过渡带中存在一个较宽的速度梯度带,可能与520-km间断面有关,其具体成因有待进一步研究.

中国东部深部构造特征及其与矿集区关系

文中以地震层析原始数据为基础,结合大地电磁测深和热流值数据,对老资料重新开发,编制了中国东部岩石圈厚度图、大地热流值图、岩石圈构造与矿集区关系图等,在此基础上对中国东部上地幔岩石圈-软流圈构造及其变异进行了初步研究,认为:(1)中生代燕山期较大型深部构造(如软流圈上涌体)的地震层析影象可存留至今,运用大地热流值及其相应浅表岩浆岩、矿集区等特征差异可以将中、新生代深部构造加以区分;(2)中国东部深部构造总特征:上地幔岩石圈-软流圈构造起伏变化,岩石圈西厚东薄,软流圈上涌发育且形式各异。大体可分为华南(构造线呈NWW)、华北(构造线近SN)、东北(构造线呈NNE)三大块,其基本特征各异。整个中国东部深部构造中,软流圈上涌起主导作用;(3)中生代软流圈上涌是相应浅表燕山期花岗质岩形成的根源,并与金属矿集区密切相关,新生代软流圈上涌则是大陆裂谷、玄武岩喷发及大型油气田形成的基础;(4)岩石圈减薄的主因是软流圈上涌,中生代燕山期主要减薄于中国东部大陆内部,新生代主要减薄于偏东部沿海区域。

华北板内深部构造

华北板块的形成经历了早前寒武纪、燕山期及喜马拉雅期 3个主要构造发展期 ,由于华北板块自身运动及所受应力场的作用 ,加之上地幔岩石圈的不均一性等因素 ,在中、新生代形成许多特殊的板内构造块。综合应用地质、地球物理和地球化学的成果 ,对华北板内深部结构进行了研究。从深部构造角度划分出 6个金及多金属成矿带、4个金刚石成矿带 ,并对华北地区的地震及地热资源与新生带大陆裂谷的关系进行了探讨。

江绍断裂带晚中生代镁铁质火山岩成因及其深部过程意义

本文对沿江绍断裂带的江山和浦江两地区中生代镁铁质火山岩进行了Ar-Ar年代学、岩石学和元素-同位素地球化学研究。Ar-Ar年代学结果显示,江山玄武岩的形成年龄约为99Ma,为晚白垩世喷发产物;浦江玄武岩和玄武质安山岩的喷发时间为111~112Ma,属于早白垩世。两区中生代镁铁质火山岩都为中钾钙碱性系列,根据其地球化学指标可划分为三组:第1组为江山OIB型玄武岩,在微量元素组成上无Nb-Ta亏损和Pb负异常,高εNd(t)和低(87Sr/86Sr)i比值,总体上显示出类似洋岛玄武岩的元素-同位素组成特征;第2组为高钛磷玄武岩,Nb-Ta弱负异常和明显Pb正异常,中等εNd(t)和(87Sr/86Sr)i比值;第3组为低钛磷玄武岩,强烈Nb-Ta负异常和中等Pb正异常,低εNd(t)(-6.0^-3.7)和高(87Sr/86Sr)i为特征。三组镁铁质火山岩相互之间缺乏分异演化关系,也不是同一母岩浆经历地壳混染作用的结果。对比三组镁铁质火山岩的La/Nb、Ba/Nb、Zr/Ba比值和Sr-Nd同位素模拟结果,我们认为江绍断裂带晚中生代玄武岩为软流圈-岩石圈相互作用的产物,从早期(111~112Ma)到晚期(99Ma)镁铁质岩浆地幔源区软流圈组分的比例越来越多而岩石圈成份逐渐减少的趋势。考虑到该区晚中生代的盆岭构造格局与邻区郴州-临武断裂带同时期镁铁质岩浆的产出特点,华南地区在早白垩世晚期到晚白垩世期间发生了强烈的岩石圈伸展-减薄作用。

南京六合塔山地幔橄榄岩捕虏体中的稀有气体同位素组成

稀有气体同位素能够为陆下岩石圈地幔的性质及演化提供很好的制约。本次研究采集了郯庐断裂带东侧附近的南京地区六合塔山新生代玄武岩中的地幔橄榄岩捕虏体,测定了其主元素和微量元素,并采用真空压碎法获得了单矿物颗粒中流体包裹体的He、Ar稀有气体丰度和同位素组成。塔山的4He含量较低(基本小于5×10^−9 cm^3/g,标准状况下),比昌乐-临朐明显低1~2个数量级,可能代表着更高程度的熔体抽取以及较低程度的交代作用,而且分离熔融产生的动力学分馏,可能是导致塔山4He/40Ar*比值(0.02~0.30)远低于地幔产率(1.4~4.8)的原因。橄榄岩中单斜辉石的(La/Yb)N比值在0.31~3.61之间,显示其遭受了地幔交代作用。橄榄岩中橄榄石3He/4He的比值为5.6~9.0 Ra,同时含有洋中脊玄武岩(MORB)型和放射成因型组分,而且富集轻稀土元素的二辉橄榄岩3He/4He比值随着4He含量增长逐渐趋向于MORB值(8±1 Ra),显示受软流圈-岩石圈相互作用的影响。