中国及邻近陆海地区软流圈三维结构及其与岩石圈的相互作用

通过中国及邻近陆海地区天然地震面波层析成像三维Vs速度结构的系统地质构造解析,笔者论述了中国及邻近陆海地区软流圈三维结构特征,发现该区软流圈内既有高速块体,又有低速异常体,显示软流圈内存在纵向与横向上的不均匀性,研究软流圈内低速异常体三维几何结构表明,南海低速异常体呈复蘑菇状,结合地幔体波层析成像研究显示,南海地区存在巨型复蘑菇状地幔低速柱头。笔者还探讨了软流圈对岩石圈结构的影响及其相互作用问题。     

地幔对流及其对地壳表层拉张盆地的影响

回顾近十年来在地幔对流方面的最新研究进展,阐述了板块俯冲后在地幔中的演化特征,以及地幔上升流即地幔柱的驱动机制和地质效应。特别介绍了地幔柱对地壳表层拉张盆地形成和充填过程的影响。进一步探讨了地幔柱活动在济阳坳陷的地质表现及其引发的火山岩浆活动、碎屑充填特征。认为盆地演化的阶段性间接反映了地幔对流的阶段性。     

海南地幔柱与南海形成演化

东南亚上地幔地震层析成像表明,海南岛周围之下存在地幔柱,近垂直的低波速柱体位于海南岛及南海之下,从浅部向下穿越660 km的不连续面处（上下地幔的分界面）并一直延伸到1 900 km。南海及周边地区包括雷琼半岛、海南岛、北部湾盆地、广西北海涠洲岛、以及中南半岛等地,分布有一定量的新生代碱性玄武岩,它们的地球化学数据显示出OIB的特点并具有DUPAL异常,表明其源区较深。此外,由南海新生代碱性玄武岩中的橄榄石-流体平衡所推导的南海底地幔潜在温度（ 1 661℃）位于夏威夷（1 688℃）与冰岛热点（1 637℃）相应值之间,为海南岛地幔柱的存在提供了岩石学及矿物化学方面的约束。基于以上地球物理学、地球化学及矿物化学方面的证据,结合数字模拟实验资料,表明在海南岛及邻近区域之下存在地幔柱。建立了一个南海形成演化的初步模型：（1）50~32 Ma,印度洋板块-欧亚板块碰撞及其所导致的太平洋板块后退的综合效应为南海地区提供了一个伸展环境,进而为地幔柱物质的上升提供了通道;（2）32~21 Ma,当地幔柱柱头到达软流圈时, 由于侧向物质流与扩张中心发生相互作用,促进了南海的扩张,并在26~24 Ma期间发生了洋脊重新就位,使扩张中心从原来的18°N附近（即现今西北海盆的中心）调整到15.5°N附近（即现今的东部亚盆）;（3）21~15.5 Ma, 随着地幔柱效应的逐渐增强,热点-洋脊相互作用越来越强烈,在大约21 Ma发生了洋脊的再次重新就位事件,诱发了西南海盆的扩张;（4）15.5 Ma~现在,由于印澳板块前缘与巽他大陆碰撞,使得南海大约在15.5 Ma停止扩张,并沿着南沙海槽及吕宋海沟向菲律宾岛弧及巴拉望地块之下俯冲,而南海热点继续活动,直到第四纪还有碱性玄武岩喷出 地表。     

地幔动力系统与演化最新进展评述

评述了９０年代以来地幔动力学研究的一些最新的观测和理论模拟的进展,探讨该领域的几个主要热点问题,包括地幔内部转换带和核幔边界的物理化学性质与演化,俯冲板片热结构及其与地幔的相互作用,热点物理化学性质与地幔柱动力学模拟,地幔对流系统及其对表层地质过程的影响等。这些结果是在多学科交叉研究的背景下取得的。地震层析的结果超越了８０年代取得的大尺度地幔结构,得到了越来越精细的结构,如俯冲板片的结构,６６０ｋｍ间断面的起伏,ＣＭＢ的超低速层和各向异性等。俯冲板片在某些区域平躺在上地幔底部,造成６６０ｋｍ间断面的凹陷。已有明显的迹象表明,俯冲板片至少在某些区域达到了地幔底部,说明下地幔是驱动地表板块运动的地幔对流不可分隔的一部分。全地幔对流模式对地幔中存在不同的地幔地球化学源区的看法提出重大挑战,计算机模拟三维球坐标地幔对流已经成为现实,新的研究正试图把地表板块加入到对流的模拟之中,并再造板块运动的动力学演化史。最后,对这些领域的最新进展提出自己的分析和看法,认为地球动力系统演化研究所面临的难题是地球内部动力状态演变的历史记录问题。而这样的记录,尤其是早期记录,只能从地球表面的造山带和盆地记录中去寻找。认为建立地质记录与?     

地幔柱构造理论研究若干问题及研究进展

介绍了目前地幔柱构造理论研究中若干重要问题和最新进展,许多证据显示,地幔柱是严自于核幔边界附近的Ｄ″层发生热扰动并产生地幔柱的热动力源于外地核的不均匀加热作用;一个新启动的地幔柱在穿过整个地幔的缓慢上升过程会形成巨大球状顶冠和狭窄尾柱;地幔柱巨大球状顶冠会导致地壳发生上隆、区域变质作用、地壳深熔作用、构造变形作用和大规模火山作用,形成大陆或大洋溢流玄武岩;地幔柱狭窄尾柱的长期活动会在上覆运动板块上     

残留板块及地幔柱:怀俄明克拉通的上地幔地震图像(英文)

介绍了近年来天然地震体波和面波层析成像以及接收函数在怀俄明克拉通地区的应用。怀俄明克拉通地区的地壳和上地幔结构可以归结为克拉通成型时期的残存高速度异常以及进行中Yellowstone低速地幔柱。在克拉通南部边界缝合带地区以及在中部和北部下地壳中保存着一些高速度结构。南部边界缝合带地区的高速度倾斜上地幔结构与人工地震剖面LithoProbe在北美各个克拉通边界所记录的上地幔倾斜反射体一致。作为一个可能的上地幔消减板块残留体,这个倾斜上地幔结构显示出板块叠加可能是一个普遍的克拉通成型过程。在克拉通缝合带的莫霍面和上地幔深度,人工地震的研究结果显示板块叠加过程形成一个楔形体,体现出克拉通上地幔的较高粘度系数。接收函数的转换波共转换点叠加技术显示出这种楔形体存在于整个怀俄明克拉通的南部边界。接收函数和基于噪声的瑞利波层析成像图像显示出在克拉通地壳增厚地区存在下地壳高速体。作为早期岩石圈分裂过程残留的火成岩侵入体,这种下地壳高速体存在于较早成型的克拉通北部和中部地区,显示出南部克拉通地区不同的形成机制。克拉通的西部地区受到Yellowstone地幔柱的影响。层析成像显示低速的地幔柱从黄石地区向下延伸到至少500km。在消蚀岩石圈的同时,岩浆侵入体沿着hotspottrack在中地壳大量的形成,并引起下地壳岩石的横向流动。     

地幔柱理论研究概述

本文介绍了地幔柱理论研究的一系列进展，诸如地幔柱特征，动力学主模式及其一系列地质铲应；阐明了地幔柱构造与板块构造的关系，地幔柱理论涉及的是地幔深部物质垂直运动的机制，其研究对于进一步了解地球深部动力学机制有重大意义。     

南海区域的上地幔活动特征及印支地幔柱

根据不同阶次的卫星模型重力异常计算岩石层下的地幔拖曳力场，揭示南海区域存在三种尺度的地幔对流是控制其地球动力学的主要因素。其中大尺度和中等尺度的地幔对流模型已为震波层析成像的资料所证实，并可用现行的地幔柱概念进行解释。本文着重讨论了印支地幔柱的表现形式、成因和时代以及对沉积盆地中的有机质转化和烃类富集等所起的重要作用。     

地幔柱构造与地幔动力学--兼论其在中国大陆地质历史中的表现

地幔柱构造是基于全地慢对流模式、主要依据热点火山活动提出的新的全球构造理论。它的主要表现形式和产物是地幔柱头上部地壳抬升、岩浆活动形成大火成岩省、大型放射状岩墙群，并导致大陆裂解、板块运动和大规模成矿，是生物灭绝、磁极倒转的诱因。中国大陆的地质演化历史中保存了多期地幔柱活动印记，它们主要是华南新元古代Rodinia地幔柱、古生代古特提斯和峨眉山地幔柱和中一新生代中国东部地慢柱构造事件。上述地幔柱活动产生了地壳抬升、强烈岩浆活动、大陆伸展与裂解、岩石圈剧烈减薄和大规模成矿等重要地质事件。     

地幔内板片俯冲运动模式及其大地构造意义 ——俯冲的屏障与穿越机制

地震层析成像揭示了地幔内存在俯冲板片的重要证据,它们涉及多种几何形态和运动方式,地幔过渡带为其下沉的重要屏障,俯冲板片在这里发生停滞、变形和岩石圈物质积累。板片在个别地区可以俯冲到地核—地幔边界,堆积形成板块墓地,造成D″ 层物质组成和热学的不均一性。高温高压实验以及流变学计算模拟,对地幔组成及其物性提供了新的制约,板片俯冲地幔过程中,涉及矿物相变、黏度、密度、力学强度等因素的制约,地幔过渡带为俯冲重要屏障和相变界面。围绕板片俯冲的研究,提出地幔整体对流的新模式,板块墓地与超级地幔柱具有成因联系,成为全球地幔对流的重要环节,有待深入研究。板片俯冲是浅表板块构造与深部超级地幔柱的联系纽带和重要驱动力。     

南海热幔柱构造与油气分布

南海处于欧亚、印度—澳大利亚和太平洋—菲律宾海三大板块的夹持地带,区内以NE向深海区-海盆为中心,周围有众多的含油气盆地。南海区具有"北断(裂)、南褶(皱)、东(俯)冲、西(碰)撞"的构造特征。南海及其周缘新生代玄武岩和花岗岩广为分布,故有潜在的大火成岩省之称。其中,火山岩以碱性玄武岩为主,多为OIB型成因,其成岩年龄自南海中心至外围呈由新逐渐变老的趋势。深部地幔流动呈现出涡旋式上涌的特点,上地幔明显具环带状结构,中心部位为上升流,外围为下降流,表现出热幔柱和冷幔柱活动"双模式"对流。从区域S波速度扰动异常来看,在670km间断面,对热流体上涌确有阻挡作用。通过层析成像研究,证实本区存在巨型复蘑菇云状地幔低速体,演化过程和相邻板块活动构成相辅相成关系。由于地幔热流体上涌,促使地壳-岩石圈上隆、熔融、减薄和断陷,形成南海从边缘向中心(海盆)热流温度逐步升高的轨迹,基本控制油气田"外油内气"环形有序分布的格局。     

广东三水盆地火山岩: 地球化学特征及成因--兼论火山岩性质的时空演化和南海形成的深部过程

位于中国东南部的三水盆地、珠江口盆地、雷琼半岛和北部湾地区广泛分布新生代火山岩。火山岩的形成时间具有从内陆向沿海变新的特点,早第三纪三水和珠江口盆地火山岩具有由玄武岩与粗面岩-流纹岩构成的双峰式特点。其中玄武岩和粗面岩的微量元素和稀土元素的配分形式相似,富集大离子亲石元素并且有相似的εNd(T)同位素组成(2.34～6.4),说明它们来自相同的地幔源区,为同源岩浆演化的产物。玄武岩和粗面岩经历了不同的结晶分异过程,其中玄武岩在较深部岩浆房中经历橄榄石和单斜辉石为主的分离结晶作用,而粗面岩则是在浅部岩浆房中由玄武岩浆分异形成的过渡性岩浆再经过强烈的钾长石和斜长石、以及磷灰石的结晶分异形成的。晚第三纪珠江口盆地和北部湾火山岩、雷琼半岛第四纪火山岩则由碱性和拉斑玄武岩构成。这些火山岩的形成时间和地球化学和同位素特征表明它们经历了连续的软流圈地幔上涌和部分熔融过程,受控于自晚中生代以来的地幔柱构造。南海的形成是地幔柱活动引起的地幔上涌和大陆裂解作用的结果。     

东南沿海地区第四纪大陆岩石圈地幔的特征

东南沿海地区新生代玄武岩中的橄榄岩包体来自年轻的大陆岩石圈地幔 ,该岩石圈地幔在岩石学、矿物组成、痕量元素以及Sr Nd同位素组成等各方面具有很大差异。这些差异反映了它们来自不同的地幔过程。南海张开与地幔热柱有关 ,南海扩张后第四纪形成的火山岩携至地表的包体更多保留了地幔热柱的信息。橄榄岩包体的矿物成分与深海橄榄岩类似 ,相对贫Opx而富Ol;在痕量元素上 ,表现为强不相容元素的富集 ,其配分模式类似于其寄主岩 ;Nd同位素强烈亏损 ,显示出比MORB源区更亏损的特征。大陆岩石圈地幔经历了来自地幔深处的贫SiO2 熔体的进一步改造。     

A mantle plume origin for the Siberian traps: uplift and extension in the West Siberian Basin, Russia

The West Siberian Basin (WSB) records a detailed history of Permo-Triassic rifting, extension and volcanism, followed by Mesozoic and Cenozoic sedimentation in a thermally subsiding basin. Sedimentary deposits of Permian age are absent from much of the basin, suggesting that large areas of the nascent basin were elevated and exposed at that time. Industrial seismic and well log data from the basin have enabled extension and subsidence modelling of parts of the basin. Crustal extension (β) factors are calculated to be in excess of 1.6 in the northern part of the basin across the deep Urengoy graben. 1-D backstripping of the Triassic to Cenozoic sedimentary sequences in this region indicates a period of delayed subsidence during the early Mesozoic. The combination of elevation, rifting and volcanism is consistent with sublithospheric support, such as a hot mantle plume.

This interpretation accords with the geochemical data for basalts from the Siberian Traps and the West Siberian Basin, which are considered to be part of the same large igneous province. Whilst early suites from Noril'sk indicate moderate pressures of melting (mostly within the garnet stability field), later suites (and those from the West Siberian Basin) indicate shallow average depths of melting. The main region of magma production was therefore beneath the relatively thin (ca. 50–100 km) lithosphere of the basin, and not the craton on which the present-day exposure of the Traps occurs. The indicated uplift, widespread occurrence of basalts, and short duration of the volcanic province as a whole are entirely consistent with published models involving a mantle plume. The main argument against the plume model, namely lack of any associated uplift, appears to be untenable.     

Characteristics of Upper Mantle Activity in the South China Sea Region and the Indochina Mantle Plume

According to computed results of the mantle traction field beneath the lithosphere based on satellite-modelled gravity anomalies of different degrees, it has been revealed that the three types of mantle convection on different scales existing in the South China Sea region is the key factor controlling the geodynamics. The mantle convection models on large and middle scales have been proved by natural seismic S-wave tomographic data and interpreted by using the present mantle plume concept In consideration of other relevant geological and geophysical data, the authors put emphasis on discussing the expression form, origin and age of the Indochina mantle plume and its important effect on the conversion of organic matter and hydrocarbon accumulation in Cenozoic basins.     

The effect of the large-scale mantle flow field on the Iceland hotspot track

Fluid dynamical simulations were carried out in order to investigate the effect of the large-scale mantle flow field and the depth of the plume source on the structure of the Iceland plume through time. The time-dependent location and shape of the plume in the Earth's mantle was calculated in a global model and it was refined in the upper mantle using a 3D Cartesian model box. Global flow was computed based on density heterogeneities derived from seismic tomography. Plate motion history served as a velocity boundary condition in both models. Hotspot tracks of the plume conduits and the plume head were calculated and compared to actual bathymetry of the North Atlantic. If a plume source in the lowermost mantle is assumed, the calculated surface position of the plume conduit has a southward component of motion due to southward flow in the lower mantle. Depending on tomography model, assumed plume age and buoyancy the southward component is more or less dominating. Plume models having a source at the 660 km discontinuity are only influenced by flow in the upper mantle and transition zone and hence rather yield westward hotspot motion. Many whole-mantle plume models result in a V-shaped track, which does not match the straight Greenland–Iceland–Faroe ridge. Models without strong southward motion, such as for a plume source at 660 km depth, match actual bathymetry better. Plume tracks were calculated from both plume conduits and plume heads. A plume head of 120 K anomalous temperature gives the best match between plume head track and bathymetry.     

华北东部地幔热柱的特征与演化

燕山运动以来,华北东部地区发生了翻天覆地之构造转变,构造体制从印支期末华北地块与扬子地块的拼贴-增生,转变为地幔热柱演化-区域伸展断陷。华北地幔热柱强烈上隆过程中,在岩石圈底部受阻并呈蘑菇状向外拆离流变,在使上部岩石圈发生热减薄-断陷的同时,向外拆离流变的地幔岩在盆地外围受到韧性剪切带的切割,导致深熔岩浆活动并带动围岩上隆,形成一系列次级隆起(幔枝构造)。地形地貌上亦从东部隆起的高原转变为一盆多山耦合格局——地幔热柱上部的热减薄断(拗)陷与外围的一系列幔枝构造的空间有机组合,即华北东部裂陷盆地西与太行造山带、北与燕山造山带、东与朝鲜半岛、南与大别造山带(即中心裂陷盆地与外围各幔枝构造)均为盆-山耦合关系。