地球内部主要层圈相互作用研究的若干进展

20世纪90年代以来，人们正在探索建立一个统一的全球动力学体系及各圈层相互作用的热、物质运动机制。通过对地核、核幔边界、过渡带、岩石圈—软流圈地幔、地幔柱理论、壳幔边界和地壳内热、物质的交换和圈层流变运动方式等进行分析，讨论了地球各圈层之间存在的热与物质的交换机制以及底侵作用、拆沉作用和岩浆部分熔融作用等壳幔相互作用过程。认为壳幔作用过程表现为一种阶段式、递进式动力学和物理化学演化过程。壳幔相互作用不仅是大陆动力学演化的主要机制，而且与深部地幔的交代及上地壳变形、造山带、盆地形成和演化之间存在耦合过程。基于壳幔热和物质相互作用的研究可以对上地幔及更深层次的地质作用过程进行限定。     

陆壳的垂向增生

陆壳的垂向增生是幔源物质进入到下地壳和下地壳物质进入到地幔的双向过程 ,前者主要表现为壳下底侵作用 ,后者主要表现为岩石圈规模的拆沉作用 ,其中拆沉作用往往诱发了陆壳下大规模的底侵作用。下地壳部分熔融残余的超镁铁质岩沉入到岩石圈地幔的过程称为陆壳沉没作用 ,它可能是陆壳物质进入地幔的一种重要方式。     

壳幔混合及花岗质岩浆的形成

花岗岩成因与壳幔作用有着密切的联系,花岗岩成分不单来源于地壳,还有地幔物质的参与,不同程度的壳幔混合可形成类型多样的花岗质岩石。本文简要总结了在俯冲作用、底侵作用、拆沉作用及地幔柱活动过程中花岗质岩浆的形成,并对此类花岗岩的岩石学及地球化学特征进行了描述。鉴于此,可初步判断花岗岩的形成是否与壳幔相互作用有关,但还没有一种统一的模式能对其进行有效的解释。     

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。     

壳幔作用与花岗岩成因——以中国东南沿海为例

笔者在近年来的中国东南沿海花岗岩成因研究中,注意到下地壳之下的岩石圈地幔与下地壳之间必然有着十分密切的关系,认识到壳幔作用的重要形式是发生于壳－幔接口的玄武岩浆的底侵作用,它涉及地幔对地壳在“成分”和“热”两方面的贡献。研究表明,本区底侵作用十分发育,是中国东南大陆边缘陆壳演化的重要 过程。中国东南部中生代早期形成的花岗岩多为Ｓ－型花岗岩,它们主要是板块强烈挤压和导致地壳增厚,陆壳重熔形成的岩石。而且这期大规模花岗岩浆活动是与弧后拉张、岩石圈减薄 软流圈上涌作用直接有美．早期太平洋板块向欧亚大陆板块俯冲对大陆裂解起了诱导作用中国东南部晚中生代缝合带的年龄为100～11OMa,可能代表了晚中生代构造－岩浆作用由挤压,地壳增厚,陆壳重熔向扩张岩石圈减薄一双蜂式岩浆作用机制的转变年龄。     

壳幔过渡层及其大陆动力学意义

根据地震测量结果,造山带常见一个P波传播速度介于典型地壳和典型地幔之间的圈层,称为壳幔过渡层。这个圈层在地球物质科学领域常常被解释为壳幔混合层,形成机制不十分明确。提供了另一种选择,认为壳幔过渡层实际上可能是幔源岩浆底侵作用和地壳分异作用的产物,其密度随压力的逐渐变化是其波速特征的主要原因,是区域岩石圈重力不稳定的标志;也可能是软流圈物质岩石圈化的结果,是区域岩石圈逐渐冷却的象征。这个模型可以更好地解释造山带岩石圈拆沉作用、壳幔物质交换和岩浆活动,因而壳幔过渡层的查明具有重要的大陆动力学意义。     

拆沉作用(delamination)及其壳—幔演化动力学意义

拆沉作用导致下地壳和岩石圈地幔下沉，相应软流圈上涌至壳—幔边界，使下地壳、岩石圈地幔和软流圈三者发生物质交换，引起岩浆作用、山脉隆升、伸展、垮塌，形成坳陷盆地，并最终使大陆地壳向长英质方向演化，产生与其它行星不同的、独一无二的中性安山质或英云闪长质成分。拆沉作用是对经典板块构造理论的重要补充与完善     

苏鲁地区地壳岩浆底侵的地球物理判识

底侵作用是研究壳幔物质交换与大陆增生演化的重要机制之一，但是对岩浆底侵作用的判识是十分困难的科学问题，中国大陆科学钻探先行项目在苏鲁地区积累的地震学，地热学及地电学资料表明，在苏鲁地区发生过与大陆裂谷同期的地幔岩浆底侵作用，发生了时段主要为始新世，它的发育与沿嘉山－晌水大陆裂谷带在时空上有密切联系，这里的壳幔过渡带厚度可达3km，推测为橄榄岩与基性麻粒岩互层。结合岩石学资料可以推算出由浆底侵作用造成大陆地壳增厚的平均速度约为0.1mm/a.     

壳幔混合层的物质过程及其动力学意义

以评述壳幔混合层的物质过程为主,对壳幔混合层的概念、研究现状、形成机制及作用过程等作了简要综述。底侵作用、拆沉作用和部分熔融作用是壳幔混合层的主要物质过程。底侵和拆沉构成壳幔物质循环,部分熔融则为其提供物质和条件,这三者相互作用,影响和制约着壳幔物质交换,在大陆地壳变形中起着极其重要的作用。最后分析了壳幔混合层的研究在岩石圈动力学中的意义     

大兴安岭中生代火山活动构造背景

大兴安岭中生代火山岩主要为高钾粗面质火山岩, 属于一套碱质含量比较高的钙碱性火山岩系, 随时间从酸性向中基性方向演化。其元素地球化学特征和Sr、 Nd 同位素组成揭示火山岩具有壳源和幔源两部分源区特点, 玄武质岩石来源于相对未亏损的地幔, 中酸性火山岩则成因于地壳物质的混染或下地壳的重熔作用, 暗示火山岩的形成与陆内深部软流体上涌引起的壳幔相互作用有关。 此外, 本文还从火山活动中心的迁移,以及东邻洋陆板块之间的相互运动角度,阐述了大兴安岭中生代火山活动与大洋板块的俯冲作用无直接联系。     

地壳早期演化的研究进展

地壳早期演化研究的主题是探讨早期大陆形成、生长和再循环的地质过程及其地球化学和地球物理模式。由于陆上古老岩石分布极为有限,围绕着陆壳生长速率的争论持续了30多年。地球化学家基于陆壳从地幔萃取而成并导致被萃取后的地幔在地球化学上产生亏损的认识,提出了许多重要的大陆形成、生长、再循环模式。近年来发展起来的高精度MC ICPMS分析技术,使单颗粒锆石Lu Hf同位素系统分析为评价早期地壳演化提供了更多的信息和更为可靠的证据。不同大陆早前寒武纪地壳及地幔地球物理和地球化学状态研究表明,陆壳再循环作用、壳—幔以及壳内（如古老的地壳重熔作用及其与相对较新的地壳发生广泛的混合作用）相互作用是早期大陆演化的重要地质过程。     

岩浆混合作用研究综述

本文详细阐述了近年来国内外对岩浆混合作用的研究进展,集中在混合作用的验证及地幔物质参与对混合作用的影响。从能量、物质运移的角度认识岩浆混合作用,以揭示上地幔、地壳的信息,并为认识区域构造一岩浆演化提供约束。综合归纳了岩浆混合作用主要的研究方法,系统总结了混合作用发生的规律及主要影响因素,并应用已有理论和数据进行简单的数值模拟,合理解释岩脉的不混合特征。作为壳一幔间物质与能量交换的重要形式,阐述了岩浆混合与底侵作用的关系,并介绍了常见的岩浆混合作用岩石成因模型。最后说明了岩浆混合作用今后的发展趋势和存在问题。     

地球深部壳-幔边界的层束精细结构与物理属性研究

地球深部壳幔边界的介质结构和属性在地球内部圈层结构,特别是岩石圈结构与深层动力过程的研究中占有重要地位。这不仅由于它是地壳与上地幔的分界,而且它与深部物质的分异、调整及其深、浅物质的运移和耦合密切相关。研究结果表明:①通过地震宽角反射和近垂直反射波场效应可分辨其精细结构;②壳幔边界具有高低速相间的薄层、层束状多态结构;③来自壳幔边界复杂结构的地震反射波和宽角反射波具有明显的和各异的波场特征,并具有明显的动力学响应;④壳幔边界是一个主体由榴辉岩组构的化学界面;⑤给出了壳幔边界的广义模式。     

壳-幔演化和板块俯冲作用过程中的硼同位素示踪

硼同位素是近年来发展起来的一门新兴的稳定同位素地球化学方法。硼有两个稳定同位素 :10 B和11B。硼同位素组成自然界变化十分大 ,δ11B值为 - 37‰～ +58‰。对地幔岩石的硼同位素研究表明 ,原始地幔的δ11B值为 - 10‰± 2‰ ,B的质量分数估算为 (0 2 5± 0 1)×10 -6。相对而言 ,地壳岩石的B含量和δ11B值均较高。由于壳、幔岩石具有不同的B含量和δ11B值 ,硼同位素已被广泛应用于研究壳幔演化和板块俯冲作用过程 ,用于示踪俯冲板块中大洋沉积物和蚀变洋壳在地幔中的循环。     

莫霍面,下地壳与岩浆作用

美国地质学会近期在意大利北部阿尔卑斯山区召开的关于地壳分异作用的Ｐｅｎｒｏｓｅ会议,以Ｉｖｒｅａ带大陆地壳剖面为样板,讨论了与大陆生长和演化有关的主要过程。文中结合会议情况,评述了岩浆作用与大陆生长、莫霍面演化和地壳动力学的关系。大陆壳特有的成分和大的花岗岩基的形成,要求下地壳有大体积的基性超镁铁质岩存在。这样的基性超镁铁质岩,既可能代表囤积在下地壳的幔源岩浆,也可能是幔源岩浆分异的堆积岩,或是在壳内分异作用过程中产生出花岗质熔体后的残余体。在伸展构造区,幔源岩浆的底侵作用强烈地影响了大陆壳的结构、组成和热状态,而在陆陆碰撞带,由于地壳加厚,下地壳的基性超镁铁质岩石会转变为“榴辉岩”,促进地壳沉没作用和下地壳拆沉作用。由于地壳岩石的榴辉岩相变质作用,地球物理莫霍面与壳幔边界可能并不对应。莫霍面和地壳对岩浆的密度过滤作用,又控制了大陆壳中岩浆的侵位和演化。     

地球的物质运动与地幔热柱多级演化

地球是重力分异和热力对流的对立统一体。重力分异使地内重物质下沉、轻物质上浮，并分划成壳－幔－核结构圈层。核幔间巨大的温度差、压力差、粘度差和速度差的存在，导致源于“超临界层”的热物质流呈柱状上涌形成地幔热柱及其多级演化。由于地球圈层结构及其间的差异，分别在670km、100km深处，即核－幔界面上和岩石圈底部形成地幔亚热柱和幔枝构造。地幔热柱、地幔冷柱共同驱动幔壳运动，并控制着板块运动，形成复杂的大陆（大洋）动力学系统。这种动力学模式越来越得到地球物理学的证实。     

岩浆作用与青藏高原演化

        青藏高原是我国岩浆岩最发育的地区之一,出露着从元古宇到新生代各个地质时期多种类型的火山岩与侵入岩,面 积达30万km2左右,占全区面积的10％以上。这些岩浆岩在青藏大陆动力学研究中有着重要的作用,既是探测深部的“探 针”和“窗口”,又是构造演化的记录,并形成重要的构造-岩浆-成矿带。本文拟通过岩浆作用和岩浆岩来研究青藏高原 演化的一些科学问题。（1）印度-亚洲大陆碰撞时限：印度-亚洲大陆碰撞时限是青藏高原形成演化中一个非常重要的基础 问题,也是国际上争论的一个热点,到目前为止,分歧仍然很大,从主张早于70 Ma 到34 Ma都有。本文根据来自我国西藏 南部延伸1500 km以上的主碰撞带的综合证据提出,印度-亚洲大陆碰撞开始的时间为70/65 Ma,完成的时间在40 Ma左右, 这个时期称为同碰撞期,40 Ma之后转入后碰撞期。（2）同碰撞阶段的壳-幔交换-底侵与岩浆混合作用: 南冈底斯带同碰撞 花岗岩中有着丰富的岩浆底侵作用与岩浆混合作用证据。这两种作用,是通过岩浆作用实现壳－幔间物质和能量的交换, 是两种不同而又密切相关的大陆地壳生长方式。（3） 青藏巨厚地壳的成因: 双倍于正常厚度的巨厚地壳,是青藏高原最显著 的特点之一,世界瞩目。通过对同碰撞与后碰撞火成岩的研究提出“两类地壳、两种机制”的认识,即新生地壳与再循环 地壳;构造挤压增厚机制与地幔物质注入增厚机制。（4）青藏岩石圈的组成、结构与演化：高原岩石圈地幔存在三种地球 化学端元,存在三种岩石圈结构类型,已在青藏高原多处发现地幔与下地壳岩石的地表露头及火成岩所携带的深源岩石包 体。（5）青藏高原深部物质的可能流动：青藏高原新生代碰撞-后碰撞火成活动有规律的时空迁移,以及深部地球物理探 测,都暗示碰撞引起壳幔深部物质的横向流动     

太古宙克拉通岩石圈地幔研究现状述评

本文主要介绍了太古富克拉通岩石圈地幔的一些基本特征，国内外有关早期地幔研究的最新进展和发展趋势，主要包括以下几方面：１．太古宙岩石圈地幔的岩石组成和化学组成；２太古亩地幔同位素体系；３．太古亩地幔热状态和结构特征；４．幔内地质事件。通过研究主要获得以下认识：１．早太古代岩石圈演化以壳－幔分异作用为主，晚太古代以壳内分界作用为主；２．太古宙存在一个又厚又冷（２００ｋｍ）的岩石圈；３馒内地质作用与克拉通化存在成因上的联系。     

岩石圈伸展的壳/幔拆离模型(Parallel Extension Tectonics):华北克拉通东部早白垩世岩石圈减薄与破坏机理

华北克拉通岩石圈减薄和破坏机理长期以来存在争议,基于岩石学、岩石地球的化学分析研究突出强调深部过程的重要性。前人提出了两种重要模式:包括以拆沉作用为代表的top-down tectonics模型和以热-机械侵蚀与化学侵蚀,或地幔置换、交代作用的bottom-up tectonics模型。然而,对于这两种模式而言尚存在许多无法合理解释的问题,比如在此深部过程中,区域性岩石圈伸展有多大的贡献?地壳伸展构造是作为深部过程的响应,还是同为岩石圈伸展的产物?本文基于早白垩世东亚地区(尤其是华北克拉通东部地区)伸展构造与岩浆活动的综合分析,揭示出华北克拉通东部不同地区伸展构造变形与岩浆活动之间的时、空和成因关系有一定的差异。但整体上看,岩石圈伸展起着主导作用,控制着岩浆上侵和就位,在拆离断层下盘侵入形成各种规模的花岗质为主的侵入体,或于上盘喷发形成火山-沉积岩盆地。在伸展构造发育的不同阶段,可以有伸展早期、伸展期及伸展期后的岩浆活动。岩浆活动的强度及岩浆源区特点有显著的时空变化。一方面,在同一地区不同演化阶段其源区有很大的差异。表现为主体上是早期以古老下地壳源为主,随着壳/幔伸展作用演化,逐渐向混合源或独立幔源的演化。同时,不同地区岩浆源区的变化规律也显著不同。以胶辽地区为例,胶东整体上是壳幔混合源区对于岩浆演化有重要贡献;而辽东地区具有显著的源区演化特点:从剪切早期古老下地壳源区为主,并伴有幔源物质加入,剪切期古老下地壳为主,到剪切晚期和剪切期后以新生下地壳为主。本文认为岩石圈伸展的壳/幔拆离模型(Parallel Extension Tectonics),可以合理地解释华北克拉通及邻区早白垩世构造-岩浆活动性。在该模型中,遭受伸展的华北克拉通岩石圈发生壳-幔拆离作用。在岩石圈伸展作用期间,地壳层次的拆离作用与岩石圈地幔层次上的拆离作用可以是耦合的或者是解耦的,从而导致华北克拉通岩石圈减薄过程中在地壳尺度上的拆离作用与变质核杂岩的剥露有三种不同的类型:同岩浆活动型伸展(C型:Co-magmatism mode extension)、无岩浆活动型伸展(A型:Amagmatism mode extension)和多阶段混合型(M型:Multi-mode extension)。     

月球虹湾-雨海盆地壳幔结构

为了探讨月球大型撞击盆地形成后的壳幔物质迁移, 采用新近的月球重力场数据研究壳幔界面的起伏情况, 这对撞击盆地的形成演化研究有重要意义.通过对虹湾-雨海盆地地区玄武岩引起的重力异常进行正演模拟, 发现该部分重力异常仅约占布格重力异常幅值的8%, 布格重力异常主要与壳幔界面起伏有关.对该地区不同解算高度的剩余布格重力异常进行场源边界提取, 发现虹湾-雨海西北部的壳幔界面随深度增加向雨海中心倾斜, 在此区域下方, 壳幔界面会有一个向虹湾方向的额外上隆, 可能为月幔物质曾向此方向涌动造成.分析表明这种月幔上涌情况可能在雨海撞击时形成, 或者可能是形成虹湾的撞击对雨海盆地壳幔结构产生了二次影响, 在虹湾地区的壳幔回弹过程中, 拖动雨海下方的物质向虹湾方向运移造成的.