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。     

新疆可可托海—四川简阳地学断面岩石圈与软流圈结构

运用现代构造解析理论和方法,对新疆可可托海—四川简阳人工地震测深剖面与天然地震面波层析成像进行构造解析基础上,综合地质学、深源岩石包体构造岩石学和地球化学以及其他地球物理学标志等多学科综合研究显示,高速块体或幔块构造的几何结构型式是控制该区岩石圈构造格局和岩石圈表层构造变形基本条件之一。本文建立起该地学断面地壳及岩石圈与软流圈速度结构模型和物质组成结构模型,划分出岩石圈3种几何结构模式:克拉通陆根状结构、造山带楔状结构和高原陆根状结构,以及岩石圈二类构造演化类型:克拉通型岩石圈和增厚型岩石圈。在系统论述断面地壳及岩石圈结构构造类型特征基础上,探讨了该断面软流圈结构特征,岩石圈与软流圈相互作用及其地幔动力学模式。     

岩石圈—软流圈物质循环促进大陆增生的新方式

大陆动力学研究地球内能量和物质的运动和伴随的信息传播,上地幔中的软流圈是地球内部的物质运动的关键部位之一。由于观测的技术方法少,人类对软流圈内部的地质作用过程所知甚少。在青藏高原,过去地震波三维层析成像的分辨率不高,难以对地壳上地幔构造进行准确的定位。我们收集和整理了地方地震台的数字化观测数据,使地震体波三维层析成像的准确度大大提高,为解决软流圈的地质构造准确成像提供了新的可能性。根据地震体波三维层析的成像结果,在古特提斯洋和特提斯洋俯冲板块前沿的软流圈底部410 km间断面上方,存在反映古大洋俯冲板块的高速体,它们在青藏高原、苏鲁和伊朗都有出现。清晰和稳定的高波速异常的位置表明,特提斯洋俯冲板块现在已经拆沉在软流圈的底部,古特提斯洋俯冲板块也可能曾经拆沉在软流圈的底部。对比青藏高原和苏鲁的地壳上地幔波速结构推测,拆沉造成软流圈中的轻元素物质上涌,进入大陆岩石圈,造成岩浆活动。上涌还使碰撞造山带地壳厚度减小,而岩石圈厚度增加。大约100 Ma后,俯冲下去的大洋残块会被软流圈物质磨蚀交代,使岩石圈厚度增加, 形成大陆下方的大陆根,造成大陆克拉通化和体积增生。大洋板块俯冲后在软流圈拆沉是岩石圈—软流圈物质循环的一种重要方式,对软流圈中物质均衡和体积稳定也起重要作用。     

华北地区两个世代深部构造的识别及其意义——燕山运动与深部过程

通过对华北地区地震层析成像成果的研究，将其深部构造划分为三带：①大型软流圈上涌柱带，主要出现两个大型软流圈上涌柱；②过渡带，呈现4个小型软流圈上涌柱（软块）与岩石圈较厚区（硬块）相间的构造格局；③巨厚岩石圈带，为巨厚岩石圈（鄂尔多斯硬块）稳定区。依据岩石圈热力学衰减原理，一定体积的深部构造可存留200～300Ma之久，而传导人浅表的热量则扩散较快。故以大地热流值为主，结合浅层岩浆活动可将本区中生代与新生代的软流圈上涌柱区分开来：渤海湾柱、大同柱和南阳柱属新生代，邯郸柱、中条柱和吕梁柱则属于中生代燕山期。在此基础上，建立了燕山期深部构造与浅表岩浆构造活动关系的模式：在强大的分散热力作用下，软流圈上涌柱柱头中大量热浮物质向上熔蚀薄的岩石圈及下地壳，混染而主要形成中酸性岩及有关矿产；而在软流圈上涌柱与岩石圈的陡接触处，由于该处热力集中，致使幔源物质底侵下地壳，并再熔融上侵形成偏碱性-碱性杂岩及相应矿产。     

东亚西太平洋巨型裂谷体系岩石圈与软流圈结构及动力学

笔者根据地震面波层析成像结果，对欧亚大陆及西太平洋岩石圈和软流圈速度结构进行了研究，发现东亚至西太平洋间存在一巨型低速异常带，结合构造地质学、地幔岩石学、地球化学及其他地球物理特性的研究，确认该区存在巨型裂谷体系。该巨型裂谷体系的岩石圈和软流圈三维Vs速度结构与太平洋洋中脊、大西洋洋中脊和印度洋洋中脊及其邻区的岩石圈和软流圈地震Vs速度结构十分相似，而与东太平洋边缘现代板块俯冲带的岩石圈与软流圈Vs速度结构有显著差异。在进一步论述该区动力学特征后认为，该巨型裂谷体系是中生代中晚期以来岩石圈整体主动伸展变形，大型裂陷盆地形成，岩石圈强烈拆沉减薄，以及软流圈物质上涌加热引起的。边缘海是在大陆裂谷系形成基础上发展起来的，主导扩张期为中渐新世至中中新世（32－13Ma），这些边缘海在17－15Ma后停止扩张，因而未能将所有边缘海和洋中脊联通。据此划分出4期构造变形动力学演化阶段，现今东亚至西太平洋间大陆裂谷、边缘海与沟弧体系是新生代中晚期以来，邻区各板块构造相互作用叠加的结果。     

华北地区深部构造特征

通过岩石圈厚度变化、大地热流值和莫霍面起伏,结合浅表岩浆构造活动,编制了华北地区深部构造略图,建立了燕山期软流圈上涌与岩浆构造活动的关系模式,总结了该区的深部构造特征:岩石圈厚区与软流圈上涌区共存.同时,按生成机制对该区软流圈上涌进行了类型划分:中生代燕山期(J-K1)、早新生代(E2-E3)主动机制形成的软流圈上涌,中、新生代(K2-E1)及晚新生代(N-Q)被动机制形成的软流圈上涌.     

造山后脉岩组合的岩石成因——对岩石圈拆沉作用的约束

造山后脉岩组合是在寄主岩基冷却之后形成的，可能是造山带应力场转换的标志。昆仑造山带早中生代末期以及太行山-燕山造山带晚中生代花岗质岩基中广泛出露这种类型的脉岩，可划分为煌斑岩质，玄武质，闪长质，花岗闪长质．花岗质和富硅花岗质等5组。主元素和痕量元素分析表明它们是不同的原生岩浆固结的产物，相互之间不存在重要的分离结晶，同化混染和岩浆混合作用的关系，因而要求软流圈／岩石圈系统不同圈层的源区岩石同时达到部分熔融的条件。结合已有的高温高压实验，区域岩石圈结构和地质事件序列的分析，认为岩石圈拆沉作用是造山后脉岩组合形成的最合理触发机制。简单热模拟表明，软流圈窗顶界埋深达到一定深度时（例如昆仑造山带为82km），可以满足处于不同深度位置的中性麻粒岩，基性榴辉岩和地幔橄榄岩同时发生部分熔融。这时，岩石圈／软流圈系统可以有6～8个产生岩浆的位置。热的软流圈物质快速涌入软流圈窗，不仅触发地幔岩的减压熔融，也可能导致区域构造应力场由挤压转换为伸展，为岩浆的快速侵位创造了条件。所提供的岩石成因模型可以更合理地解释造山后脉岩组合的地质特征，主元素和痕量元素特征，也可以满足同位素体系变异所要求的条件。     

造山后脉岩组合的岩石成因——对岩石圈拆沉作用

造山后脉岩组合是在寄主岩基冷却之后形成的,可能是造山带应力场转换的标志.昆仑造山带早中生代末期以及太行山-燕山造山带晚中生代花岗质岩基中广泛出露这种类型的脉岩,可划分为煌斑岩质,玄武质,闪长质,花岗闪长质-花岗质和富硅花岗质等5组.主元素和痕量元素分析表明它们是不同的原生岩浆固结的产物,相互之间不存在重要的分离结晶,同化混染和岩浆混合作用的关系,因而要求软流圈/岩石圈系统不同圈层的源区岩石同时达到部分熔融的条件.结合已有的高温高压实验,区域岩石圈结构和地质事件序列的分析,认为岩石圈拆沉作用是造山后脉岩组合形成的最合理触发机制.简单热模拟表明,软流圈窗顶界埋深达到一定深度时(例如昆仑造山带为82km),可以满足处于不同深度位置的中性麻粒岩,基性榴辉岩和地幔橄榄岩同时发生部分熔融.这时,岩石圈/软流圈系统可以有6～8个产生岩浆的位置.热的软流圈物质快速涌入软流圈窗,不仅触发地幔岩的减压熔融,也可能导致区域构造应力场由挤压转换为伸展,为岩浆的快速侵位创造了条件.所提供的岩石成因模型可以更合理地解释造山后脉岩组合的地质特征,主元素和痕量元素特征,也可以满足同位素体系变异所要求的条件.     

中国东部中生代软流圈上涌与构造 岩浆 矿集区

在深入研究华南地震层析成像的基础上,按照大地构造环境和软流圈上涌形状和热度,将中国东部(大陆)中生代上地幔中岩石圈 软流圈构造划分为3类:(1)陆台区(华北块和扬子块),软流圈沿古裂陷上涌,其柱头上方形成幔壳混熔花岗质岩及相应Au、Cu、Mo、Pb Zn等矿集区,并于软流圈与岩石圈厚区之陡接触带形成中基性杂岩及相应Fe矿集区;(2)褶皱带中心区(南岭及其延伸带),软流圈在适当深度、热量充足、较大范围内“平卧”,因热传导而致使地壳内物质部分重熔,形成壳源型花岗质岩及相应的W、Sn、稀有元素矿集区;(3)褶皱带边缘区(大兴安岭南部及华南南缘),在软流圈上涌柱上方形成幔源或幔壳混熔的花岗质岩,相应为Cu、Au、Pb Zn、Mo、Ag矿集区。总之,软流圈上涌是中生代构造、岩浆、矿集区形成之根源。     

太行山中生代板内造山作用与华北大陆岩石圈巨大减薄

近年来,华北大陆岩石圈巨大减薄成为国际地学界关注的焦点之一,但对其减薄的时间、机制仍然知之甚少。约束条件的多解性和表面上相互矛盾的证据导致了对区域构造发展史的模糊认识。笔者认为,华北板内造山过程是理解岩石圈巨大减薄机制的关键,因为华北岩石圈是在造山带而不是在克拉通基础上开始减薄过程的。岩石圈减薄过程可以划分为拆沉减薄、伸展减薄、热减薄和化学侵蚀减薄4种类型。前者依赖于岩石圈重力不稳定性,是一种突变过程;后三者取决于软流圈挤出构造,属于渐变过程。减薄过程主要始于120~110Ma的拆沉减薄,其标志是造山后脉岩组合的形成。亚洲大陆软流圈的多阶段汇聚过程造成软流圈向东挤出,是中国东部中新生代以来岩石圈持续减薄的重要基础。因此,大陆动力学与大洋最重要的区别之一就是大陆岩石圈经常发生减薄作用,特别是拆沉作用,并由此将软流圈系统区分为浅部混染系统和深部纯净系统,火成岩的地球化学属性主要取决于岩浆起源的深度。     

板内地震过程的三层次构造模式

地震的本质是一个能量长期积累和突发释放的地质过程。在板内地震特征分析的基础上,我们提出板内地震的三层次构造模式——软流圈上隆的深部构造、中地壳韧性流变层(低速高导层)及其上、下的强硬层组成的中部三明治构造和上地壳浅表脆性断裂构造。软流圈上隆使岩石圈减薄并为震源提供热能和机械能,提升地震三明治构造中韧性流变层的温度,且降低其粘度,相应地加大了高导层与高阻层的能干差,使得热能和机械能引起的应变能在两种不同流变性质介质边界附近强烈集中。三明治构造上面脆性断裂加速了应力集中,当活动断层达到三明治构造边界,即可触发地震的发生,引起应变能、热能的突然释放。基于以上模式,我们初步设计了对三层次构造信息的地震监测系统。     

中国大陆地壳上地幔不均匀性与矿产资源预测

在充分收集、整理、综合研究中国大陆11条地学断面(简称GGT)、数十条其它地球物理剖面(地震剖面、大地热流、大地电磁测深等剖面)和覆盖中国大陆及邻区的剪切波三维速度结构资料的基础上,阐述了中国大陆及邻区地壳结构、岩石圈结构和软流圈结构,并对中国大陆矿产资源预测作了简单的讨论。中国岩石圈结构是在三种不同性质的软流圈基础上发展起来的,有明显的继承性。中国岩石圈结构在某种程度上与大地构造单元相吻合,说明地壳构造受到岩石圈的影响和制约。尤其在地震波垂向低速带上(地壳上地幔都表现为低速性质)是内生多金属矿带的良好产出环境。     

贝加尔裂谷下的软流圈底辟：岩石学约束条件

地壳底部部分熔融物质的存在是对贝加尔裂谷带深部构造所提出的模型的主要依据之一，可以把这种上地幔异常解释为不连续的０－５０ｋｍ的 厚层，这种厚层是通过狭窄的通道与软流层连接的（流体，张性破裂模型），或解释为与地壳基底相接触的２００－３００ｋｍ宽的软流圈隆起（地幔柱模型）。来自于新生代玄武岩的地幔捕虏体的岩石学数据与热软流圈物质引起的壳下岩石圈的完全机构交代简单模式不一致，来源于４５－７５ｋｍ深处的尖     

造山作用的两大类型与成因差异

根据造山作用的主要标志识别出板内造山和板缘造山两种主要造山作用类型。板块和软流圈之间不同的相对运动机制是形成不同类型造山作用的主要原因。板缘造山主要表现为岩石圈和软流圈以基本相同的运动趋势的相对运动。板内造山主要表现为同一区域内岩石圈、软流圈等不同层圈之间的不协调的相对运动。     

地球史中的构造活动论和发展阶段论

从全球构造的活动论和地壳演化的发展阶段论出发,简要地讨论如下科学问题:(1)岩石圈形成;(2)中国大陆形成和演化;(3)造山过程;(4)裂谷作用过程中的某些问题。研究认为:(1)岩石圈不是地球形成时就已存在了,亦不是一次形成的,而是对流地幔(或软流圈)多次(或多阶段)分异形成的;基于岩浆作用、沉积作用、变质作用和成矿作用等在地球发展历史中长远阶段性的变化的可能指示,提出岩石圈-软流圈系统的不可逆的长远期阶段性变化特征,并可划分为若干阶段。(2)基于对中国大陆形成与演化的大阶段的研究,认为显生宙以来,中国大陆是由塔里木、扬子、中朝、华夏、蒙古和印度等陆块经过多个阶段的造山运动,镶嵌组装在一起的一个复合大陆,其拼合组装的各个阶段的洋陆分布的格局是不一样的,这种构造重组一定伴随岩石圈-软流圈动力系统的重组和构造体制的重大转换。(3)燕山带燕山期可识别出5个造山幕,每个造山幕的岩浆作用、沉积建造、变质作用、变形方式均有差异,造山过程的幕式阶段性标志明显;并认为华北地区现今面积的大小,并不能代表侏罗纪-白垩纪时的状态,燕山带的面积在侏罗纪—白垩纪时期远比现在的小。(4)提出华北大陆裂谷作用在古近纪与新近纪—第四纪的伸展作用是两次幕式事件,而不是前人认为的一次事件的两个相,同时,认为古近纪的断陷性质盆地发育对应纯剪切机制,而新近纪—第四纪拗陷性质盆地发育对应于分布剪切机制。(5)认为燕山期和喜山期华北地区岩石圈减薄作用的机制、过程不同,分属两个不同的阶段的动力学系统,而不是一个连续的渐变过程。     

秦岭陆内造山带岩石圈结构

重新处理和解释叶县—南漳反射地震剖面,并综合利用油气勘探地震剖面,地震层析、大地电磁测深、地热流、气体测量等地球物理和地球化学数据,得到秦岭造山带岩石圈构造模型。识别出秦岭地壳不同时代的重要构造:(1)加里东期华北克拉通向秦岭微板块的俯冲,并造成中上地壳内华北地壳和北秦岭地壳形成锯齿状楔入构造。(2)印支—燕山期扬子克拉通与秦岭微陆块的对冲走滑软碰撞,形成了以南阳地区为中心由一系列规模宏大的逆冲断层组成的负花状构造。(3)白垩纪后,由正副片麻岩交互成层的结晶基底形成的穹隆。(4)盖在结晶基底上的近透明浅变质元古宙地层形成的褶皱基底。白垩纪后,秦岭地区和中国东部其他地区一样,岩石圈地幔遭受到软流圈上升形成蘑菇云构造,岩石圈活化,严重影响构造演化过程。     

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-软流圈界面埋深为80~100 km,华夏褶皱带及东南沿海岩浆岩带的岩石圈-软流圈界面埋深约为140 km,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。     

大陆岩石圈与软流圈之间的耦合关系—大陆动力学研究的突破口

板块构造学说解释了全球构造的许多现象,但尚未满意地解释大陆构造中的一些问题,例如陆内造山带的形成、造山带和盆地形成的复杂历史和旋回性问题、大陆构造圈的不均一性等。新近提出的一些构造模式,都不约而同地指出了软流圈在大陆构造发展中的重要作用,但尚未成功解决软流圈运动的驱动力问题。本文认为,大陆岩石圈与软流圈之间相互作用关系的深入研究,是阐明大陆动力学过程的关键之一。此外,本文还对“软流体振荡作用”工作假说作了初步讨论。     

华南地区岩石圈三维结构类型与演化动力学

从地球层块结构研究思路出发,对华南及邻区天然地震面波层析成像进行系统地构造解析,发现岩石圈中下部存在形态各异,大小不等的高速块体,结合地质学、地球化学、其它地球物理学标志等多学科综合研究,将其称为幔块构造。研究显示高速块体或幔块构造是华南地区岩石圈构造格局和岩石圈表层构造变形最基本条件之一。首次建立起华南地区岩石圈三种三维几何结构样式:克拉通陆根状结构、造山带楔状结构和碎块状结构,以及岩石圈三类构造演化类型:克拉通型岩石圈、增厚型岩石圈和减薄型岩石圈(弱减薄型岩石圈及强减薄型岩石圈)。本文在论述华南岩石圈三维结构构造类型基本特征基础上,首次探讨了华南地区软流圈三维结构以及该区岩石圈演化动力学特征。     

大陆岩石圈与软流圈之间的耦合关系─—大陆动力学研究的突破口

板块构造学说解释了全球构造的许多现象，但尚未满意地解释大陆构造中的一些问题，例如陆内造山带的形成、造山带和盆地形成的复杂历史和旋回性问题、大陆构造圈的不均一性等。新近提出的一些构造模式，都不约而同地指出了软流圈在大陆构造发展中的重要作用，但尚未成功解决软流圈运动的驱动力问题。本文认为，大陆岩石圈与软流圈之间相互作用关系的深入研究，是阐明大陆动力学过程的关键之一。此外，本文还对“软流体振荡作用”工作假说作了初步讨论。