再论岩石圈地幔蘑菇云构造及其深部成因

根据地球物理资料的分析得到,除了东北吉辽地区太平洋板块向大陆俯冲外,当今中国东部其他地区大陆下都没有俯冲太平洋板块的证据。中生代以来中国东部发生的岩石圈巨变不是太平洋板块向中国大陆的俯冲所造成,而是由于软流圈物质上涌形成蘑菇云构造对岩石圈地幔的改造而引发的重大地质事件。软流圈物质的上涌使岩石圈地幔成为新生地幔与残剩地幔并存的结构,岩石圈被激活,稳定的克拉通地壳褶皱变形,地壳减薄,地震频发,岩浆活动活跃,地面沉降,并形成广袤的西太平洋边缘海。但是岩石圈厚度并未减薄,只是由于岩石圈地幔形成了蘑菇云结构使它的速度降低,与周遍地区的岩石圈结构产生明显差别。蘑菇云地幔发育的地区覆盖整个东南亚西太平洋地区。包括中国东北的中东部、华北的东部、华南的东南缘、马来半岛、印尼、菲律宾、日本海、黄海、东海、南海,加罗林盆地和菲律宾海盆。与这个东南亚西太平洋低速岩石圈地幔相对应,还存在一个巨大的大地椭球面正异常,它应是核幔边界的质量过剩所引起。它与印度洋—西藏地区核幔边界质量亏损引起的负大地椭球面异常孪生,并形成一个控制中国大陆构造的深层动力系统,这个动力系统产生的时代可能为中生代或晚古生代。它们之间的地幔环流造成了东南亚西太平洋岩石圈巨变,并驱动印度板块的北移和青藏高原的隆升。     

中国东部岩石圈减薄研究中的几个问题

中国东部岩石圈减薄是近 10年来国内外研究的热门课题 ,但关于岩石圈减薄的具体时间、机制及其构造控制因素 ,多有争论。根据目前的研究资料 ,文中对上述问题进行了全面的讨论。初步认为该岩石圈减薄发生在晚中生代 ,且在 12 0～ 130Ma的早白垩世达到高潮。综合分析认为 ,岩石圈的减薄与东侧太平洋板块的俯冲有关 ,即大洋板块的俯冲作用导致岩石圈加厚 ,进而发生岩石圈拆沉。Os同位素资料显示 ,由地幔橄榄岩包体所反映的新生代岩石圈地幔具有年轻性质 ,与古生代时的岩石圈地幔截然不同。因此笔者认为 ,中国东部现今的岩石圈地幔并不是减薄后的残留 ,它表明中生代时 ,岩石圈地幔和部分下地壳一起通过拆沉作用而沉入软流圈地幔 ,由此而导致软流圈地幔与地壳的直接接触。幔源岩浆的底侵及软流圈对地壳的直接加热作用 ,使上覆地壳发生大规模的岩浆和成矿作用 ,并导致中国东部中生代时期伸展构造的广泛发育。     

华南晚中生代大陆变形、深部过程及动力学

受控古太平洋板块俯冲及后撤作用,华南晚中生代经历了强烈大陆再造,并伴随幕式岩浆活动,是研究活动大陆边缘构造- 岩浆作用、壳幔过程和板块俯冲动力学的天然实验室。本文系统综述了近年来发表的构造变形、岩浆作用和深部结构等多学科成果,以构造解析为主线,深- 浅结合,在华南识别出与古太平洋板块俯冲相关的中晚侏罗世弧背缩短和白垩纪弧后伸展系统,厘定了二者的时空格架和叠加改造关系。弧背缩短系统以扬子中部的隔档- 隔槽式褶皱、深部多层滑脱和双重逆冲推覆构造为特征,具SE向NW的逆冲扩展变形规律,与古太平洋板块的前进式俯冲有关。白垩纪主体以大陆伸展为主,经历了伸展和挤压变形交替,并伴随着岩浆活动的爆发、迁移和停止,其可能与板片俯冲动力学变化有关。在此基础上,我们分析了白垩纪岩石圈长距离伸展的深部过程及浅表响应,提出了岩石圈随深度变化的分层差异伸展模式。自下而上,从岩石圈地幔到上地壳,应变近一致地表现为(W)NW- (E)SE伸展,反映了垂向变形一致性。可能的垂向应力传播过程：板片后撤诱发长距离地幔流,其在岩石圈底部形成剪切牵引应力,促进下岩石圈地幔被动拉伸;上岩石圈地幔局部发育强应变剪切带,作为应力传播构造,其可有效加强壳- 幔间剪切,促进下地壳韧性拉伸,将下地壳和岩石圈地幔的变形关联。我们认为岩石圈伸展、板片后撤和地幔流形成了三位一体的动力学耦合系统,将华南岩石圈长距离伸展的驱动力归结为：① 古太平洋俯冲带海沟后撤和板片回卷诱发的远程效应,和② 地幔流在岩石圈底部施加的剪切牵引应力。     

侏罗纪地壳转动与中国东部岩石圈转型

对中国东部侏罗纪时期地壳增厚和岩石圈显著变薄的现象,提出一个新的形成机制假说.基于古地磁和地质学的证据认为,鄂霍次克板块朝西和伊佐奈岐板块朝西北方向运移、俯冲和碰撞,造成西伯利亚东部边缘的强烈构造变形,使东亚大陆地壳产生20°～30°的逆时针转动,形成东亚大陆北部地壳朝西运移,而东亚大陆南部(中国东部)地壳相对向东运移.这种滑移作用使中国东部发生强烈的构造-岩浆活动、地壳增厚,同时也使中国大陆东部的上地壳从大陆型岩石圈地幔滑移到大洋型岩石圈地幔之上,出现岩石圈类型的转变和厚度显著变薄的现象.看来,中国东部岩石圈变薄并不是深部地幔羽或大陆伸展作用的结果.     

从地壳上地幔构造看大陆岩石圈伸展与裂解

本篇讨论大陆岩石圈拆沉、伸展与裂解作用过程。由于大陆岩石圈厚度大而且很不均匀,产生裂谷的机制比较复杂。大陆碰撞远程效应的触发,岩石圈拆沉,以及板块运动的不规则性和地球应力场方向转折,都可能产生岩石圈断裂和大陆裂谷。岩石圈拆沉为在重力作用下"去陆根"的作用过程,演化过程可分为大陆根拆离、地壳伸展和岩石圈地幔整体破裂三个阶段。大陆碰撞带、俯冲的大陆和大洋板块、克拉通区域岩石圈,都可能产生岩石圈拆沉。大陆岩石圈调查表明,拉张区可见地壳伸展、岩石圈拆离、软流圈上拱和热沉降;它们是大陆岩石圈伸展与裂解早期的主要表现。从初始拉张的盆岭省到成熟的张裂省,拆离后地壳伸展成复式地堑,下地壳幔源玄武岩浆侵位,断裂带贯通并切穿整个岩石圈,表明地壳伸展进入成熟阶段。中国东北松辽盆地和西欧北海盆地曾处于成熟的张裂省。岩石圈破裂为岩浆侵位提供了阻力很小的通道网。岩浆侵位作用伴随岩石圈破裂和热流体上涌,成熟的张裂省可发展成大陆裂谷。多数的大陆裂谷带并没有发展成威尔逊裂谷带和洋中脊,普通的大陆裂谷要演化为威尔逊裂谷带,必须有来自软流圈的长期和持续的热流和玄武质岩浆的供应。威尔逊裂谷带岩石圈地幔和软流圈为地震低速带,其根源可能与来自地幔底部的地幔热羽流有关。     

华北克拉通晚中生代壳-幔拆离作用: 岩石流变学约束

大陆岩石圈的流变学结构对于岩石圈深部过程(壳/幔过程)有着深刻的影响,直接表现在岩石圈壳-幔结构与浅部构造上.本文注意到华北克拉通晚中生代岩石圈减薄期间地壳的伸展、拆离与减薄在不同地区的宏观、微观构造及地壳岩石流变学等方面的差异表现与区域变化,以及现今和晚中生代时期岩石圈厚度的不均匀性.讨论了以水为主体的地质流体的存在对于岩石圈流变性的影响.综合克拉通东部与西部地壳/地幔厚度变化特点以及下地壳和上地幔含水性特点,阐述了晚中生代时期华北克拉通岩石圈内部壳幔耦合与解耦的规律,提出了华北岩石圈壳-幔拆离作用模型以解释华北克拉通晚中生代岩石圈减薄的基本现象与深部过程.提出区域性伸展作用是岩石圈减薄的主要动力学因素,东部地区在晚中生代伸展作用过程中壳-幔具有典型的解耦性,上部地壳、下部地壳和岩石圈地幔的变形具有显著差异性.而西部区壳幔总体具有耦合性,下地壳与岩石圈地幔共同构成流变学强度很高且难以变形的岩石圈根.     

中国东部中生代岩石圈演化与太平洋板块俯冲消减关系的讨论

国内外不少学者认为中国东部中生代岩石圈演化与太平洋板块向欧亚大陆俯冲、消减有关,近年来作者从岩石圈-软流层深部地质过程审视中国东部岩石圈演化问题发现,中国东部中生代早期(三叠纪至侏罗纪)岩石圈演化与太平洋板块向欧亚大陆俯冲消减没有直接的关系,它们可能是一种源自中国东部周边东亚洋盆系的一些洋盆向中国东部大陆俯冲消减碰撞造山以及由它们引发的中国东部大陆内的软流层上涌的深部地质作用联合作用的结果。软流层上涌作用自始至终控制着中国东部大陆岩石圈与软流层之间以及壳幔之间的层圈拆离,底侵作用以及岩石圈变形缩短、伸展和岩浆活动。     

中国岩石圈三维结构雏型

根据岩石圈的流变习性,可以将中国岩石圈分成3层,即:弹性上地壳、塑性下地壳和岩石圈地幔.它们的构造各不相同,并且各层间呈现复杂的关系.在新疆地区,上地壳推覆叠置形成以三山四盆为特点的盆山构造,驮伏在一系列东西走向的条带状背型构造与向型构造的下地壳之上.在强烈隆升中的西藏地区,它的周边是差异隆升,但它的腹部地区的弹性上地壳完整未遭破坏.这是因为它的腹部的下地壳和岩石圈地幔发生局部熔融,上地壳被局部熔融的下地壳和岩石圈地幔顶托,以液压的方式整体抬升.华北地区,则是软流圈上升破坏了岩石圈地幔,形成新生地幔与残留地幔并存的蘑菇云岩石圈地幔构造.并由于软流圈的上升,使地壳拉张减薄形成裂谷盆地.中国大陆下除了东北吉辽地区太平洋板块向大陆俯冲外,东部其他地区都没有发现太平洋板块俯冲的证据.中生代以来中国东部发生的岩石圈巨变不是太平洋板块向中国大陆的俯冲而造成的,而是软流圈物质上涌的结果.因此,中国大陆当今的构造动力,是西部由印度板块俯冲推挤和东部东亚-西太平洋软流圈上升构成的二元系统.这两个动力系统的分界是南北地震带.在南北地震带以西整体处在压缩环境中:南北地震带以东,则处在拉张环境中.正是由于应力场由压缩转变成拉张产生的剪应力造成了南北地震带.华北地区所以成为地震活动地区是因为它的岩石圈地幔已被强烈的改造成为蘑菇云构造.热流上升,弹性层急剧减薄,弹性极限下降所致.     

中国东部岩石圈减薄时间的制约及构造控制因素探讨

华北地块中生代含幔源包体玄武岩同位素年龄、岩石化学、地球化学及Sr-Nd同位素研究成果表明:119 Ma~110 Ma之间华北地块岩石圈地幔性质由富集型岩石圈地幔转化为亏损的软流圈地幔,岩石圈地幔性质的显著变化,说明中国东部岩石圈减薄的主要时间发生在早白垩世晚期119~100 Ma之间。中生代古太平洋伊泽奈崎大洋板块(Izanagi Plate)向欧亚板块俯冲所导致的拆沉,应是岩石圈减薄的重要控制因素。     

中国东部大陆岩石圈地幔置换作用的内外原因

克拉通大陆通常有古老、巨厚且难熔的岩石圈地幔。这种地幔高度亏损玄武质组分,有密度低、刚性程度高的特点,能长期漂浮于软流圈之上而稳定存在。中国东部大陆主要由华北和华南两个古老地块在古生代—早中生代沿中央造山带拼合形成,在晚中生代时强烈活化,表现为构造变形、盆地形成、岩浆活动、巨量成矿等,其深部原因是什么？在分析东部大陆形成过程和岩石圈地幔属性基础上发现:块体初始规模小且发育薄弱带,后期容易受改造;特别是显生宙以来中国大陆受周边多个构造域夹持,板块俯冲作用会引起软流圈物质扰动和上涌并沿薄弱带侵蚀和改造上覆岩石圈,使之发生有效减薄、明显再富集和最终地幔置换。改造和置换后的岩石圈地幔富含玄武质组分,有较高密度和较低刚性程度,容易发生变形和部分熔融,使克拉通大陆活化。因此,块体规模大小并发育薄弱带以及周边构造环境是大陆稳定性控制重要的内、外在因素;中国东部大陆岩石圈显生宙强烈活化和地幔置换是由于块体规模较小而且周边多体系俯冲作用等内、外在有利因素协同作用下的结果。      

Wide rift model in Bohai Bay Basin: insight into the destruction of the North China Craton

The Bohai Bay Basin is a Cenozoic extensional basin along the eastern aspect of Asia. Whether the Bohai Bay Basin is a pull-apart or rift basin is controversial. The Bohai Bay Basin exhibits a high density of extensional faults and records destruction of the North China Craton. Many structural analyses have been performed on the Bohai Bay Basin, especially the Tan-L and Taihang Mountain fault systems which control its boundary. The initial deposition of Kongdian Formation was mainly distributed along the boundary of Bohai Bay Basin during the Palaeocene–early Eocene. Subsequently, tectonic activity migrated toward the interior of the basin during deposition of Shahejie Formation in the middle Eocene–early Oligocene. Bohai Bay Basin crust was thickened in early Mesozoic time and has thinned since late Mesozoic time. The crustal strength profile of Bohai Bay Basin is characterized by very weak lower crust, which differs from that of adjacent crust. In regard to the crustal structure, lithospheric thickness, and extensional style, an alternative rift model is proposed. Initial Bohai Bay Basin rifts were characterized by metamorphic core complexes affecting the North China Craton, which reflects collapse of parts of the early Mesozoic intra-plate orogen. Furthermore, westward subduction of the Palaeo-Pacific Plate led to upwelling of asthenosphere mantle. Persistent upwelling of mantle decreased the strength of lower crust and led to the warm heat-flow regime and generation of a lower crustal fluid layer and wide rifting. Outward flow of ductile lower crust following late Cretaceous extension thinned the lower crust and generated the overall sag appearance of the basin in early Cenozoic time. The model supports a model whereby a wide rift narrows with time. For the Bohai Bay Basin, extension and strike-slip faulting were two independent deformation systems superimposed on each other.     

松辽盆地形成、发展与岩石圈动力学

根据区域构造环境、深部构造机制、火山活动的时间序列以及盆地几何学、运动学特征,分析了松辽盆地形成与发展的岩石圈动力学问题。提出古太平洋板块向欧亚大陆下俯冲引起热流上升,由此导致裂谷期前火山作用和岩石圈热与机械减薄,裂谷期上地壳伸展发育成裂谷盆地,火山活动减弱。随着陆缘陆块拼贴,俯冲带长距离后退,处于热异常的岩石圈开始向热平衡转化,盆地由伸展转化为坳陷。     

中国东部新生代玄武岩记录古太平洋俯冲带壳幔相互作用

大陆玄武岩通常具有与洋岛玄武岩相似的地球化学成分,其中含有显著的壳源组分.对于洋岛玄武岩来说,虽然其中的壳源组分归咎于深俯冲大洋板片的再循环,但是对板片俯冲过程中的壳幔相互作用缺乏研究.对于大陆玄武岩来说,由于其形成与特定大洋板片在大陆边缘之下的俯冲有关,可以用来确定古大洋板片俯冲的地壳物质再循环.本文总结了我们对中国东部新生代玄武岩所进行的一系列地球化学研究,结果记录了古太平洋板片俯冲析出流体对地幔楔的化学交代作用.这些大陆玄武岩普遍具有与洋岛玄武岩类似的地球化学成分,在微量元素组成上表现为富集LILE和LREE、亏损HREE,但是不亏损HFSE的分布特点,在放射成因同位素组成上表现为亏损至弱富集的Sr-Nd同位素组成.在排除地壳混染效应之后,这些玄武岩的地球化学特征可以由其地幔源区中壳源组分的性质来解释.俯冲大洋地壳部分熔融产生的熔体提供了地幔源区中的壳源组分,其中包括洋壳镁铁质火成岩、海底沉积物和大陆下地壳三种组分.华北和华南新生代大陆玄武岩在Pb同位素组成上存在显著差异,反映它们地幔源区中的壳源组分有所区别.中国东部新生代玄武岩的地幔源区是古太平洋板片于中生代俯冲至亚欧大陆东部之下时,在>200 km的俯冲带深度发生壳幔相互作用的产物.在新生代期间,随着俯冲太平洋板片的回卷引起的中国东部大陆岩石圈拉张和软流圈地幔上涌,那些交代成因的地幔源区发生部分熔融,形成了现今所见的新生代玄武岩.      

Evolution of the lithospheric mantle during passive rifting: Inferences from the Alpine–Apennine orogenic peridotites

This paper presents an updated review of recent field/structural and petrologic/geochemical studies on orogenic peridotites from the Alpine–Apennine ophiolites (NW Italy). Results provide determinant constraints to the evolution of the lithospheric mantle during passive rifting of the fossil Ligurian Tethys oceanic basin.The pre-rift, spinel lherzolites precursors, preserved in the mantle section of the Ligurian ophiolites, were resident in the lithosphere along an intermediate geothermal gradient (T about 1000 °C, P compatible with spinel-peridotite facies). Passive rifting by far-field tectonic forces induced whole-lithosphere extension and thinning (the a-magmatic stage). After significant thinning of the lithosphere, the passively upwelling asthenosphere underwent decompression melting along the axial zone of extension. Silica-undersaturated melt fractions infiltrated via diffuse/focused porous-flow through the lithospheric mantle under extension (the magmatic stage) and underwent pyroxenes-dissolving/olivine-crystallizing interaction with the percolated host peridotite.Pyroxenes assimilation and olivine deposition modified the melt compositions into silica-saturated. These derivative liquids migrated to shallower, plagioclase-peridotite facies levels, where they stagnated and impregnated/refertilized the lithospheric mantle. Melt thermal advection by melt infiltration heated to temperatures higher than 1200 °C the lithospheric mantle column above the melting asthenosphere.The syn-rift magmatic and tectonic processes induced significant rheological softening/weakening that destabilized the lithospheric mantle of the Europe–Adria plate along the axial zone of extension. The presence of destabilized lithospheric mantle between the future continental margins played a determinant role in promoting the geodynamic evolution from pre-oceanic rifting to oceanic spreading.The active upwelling of hotter/deeper asthenosphere inside the destabilized axial zone promoted transition to active rifting, enhancing continent break-up. Asthenosphere underwent partial melting and formed aggregated MORB liquids that migrated inside high-porosity dunite channels. The MORB liquids formed olivine-gabbro intrusions and pillowed lava flows (the oceanic crustal rocks).This paper evidences the primary role of mantle destabilization by melt infiltration in the geodynamic evolution of the Ligurian Tethys rifting.     

大陆溢流玄武岩的地球化学特征及起源

快速上涌的大陆溢流玄武岩（CFB），与大陆裂开存在密切的成因关系。CBF总体岩石及地球化学成分均一，富集同位素及不相容元素，但一些样品含有明显的亏损成分，反映出普遍的地幔不均一性，来自上下地幔边界及软流圈的地幔柱提供了CFB所需的主要物质和能量来源，地壳混染作用对CBF的成分影响不大，而受俯冲带脱水流体以及热地幔柱自身与围岩发生的交代作用影响。交代岩石圈地幔对CBF产生重要影响，很好地解释了CFB所具备的微量元素和同位素特征。     

Magmatism in western Cuddapahs: The mafic sills and lava flows of Vempalle and Tadpatri formations

The western part of Cuddapah basin has been considered as a foreland to the fold-thrust belt represented by eastern Nallamalais and Nellore schist belt. The igneous activities, in the form of lava flows and sills, in western Cuddapahs have been a subject of controversy since tectonogenetic models ranging from a mantle plume to lithospheric extension have been suggested. The present work covers a detailed study of the mafic sills and lava flows of Vempalle and Tadpatri formations in western Cuddapahs, which earlier workers have also noted. A detailed field and laboratory work in this study brings out, for the first time, five distinct petrographic and geochemical varieties of sills. Geochemical studies also suggest that the different sill types have originated from varying degrees of partial melting of a metasomatized subcrustal lithospheric mantle, the metasomatism of source being attributed to older Archaean convergent settings/greenstone belts that the basin unconformably overlies. The possible contribution of any small plume is only heating and doming of overlying mantle that induced incipient crustal rifting. Our geochemical studies on the lava flows of Vempalle Formation also suggest that the magma was derived from small degree of partial melting of spinel-garnet peridotite mantle in a rift setting.     

区域伸展体制下盆—山构造耦合关系的探讨——以渤海湾盆地和太行山为例

根据地质、地球物理和构造地貌等资料研究了渤海湾盆地和太行山之间的耦合关系。盆地和山脉是在晚白世形成的结山准平原上经新生代裂陷作用产生的。盆地阶段性下沉与山区间歇性抬升彼此相应，相反相成。盆山之间的太行山山前断裂带是上地壳中的大型拆离构造，沿它拉张滑脱而盆降、山隆；区内现今地壳上地幔结构等差异可能是盆－山构造发育过程中形成的，总体为分层拆离、脆韧转换和伸展－收缩组合而成的岩石圈结构构造剖面。盆地和山脉具统一的形成机制和同一动力条件，盆地深部软流圈上隆和侧向分流导致岩石圈地幔和下地壳自下而上同向锁流变，不仅托曳传力使上覆壳层拉张裂陷成盆，而且往西推挤山区相同层圈的物质使之缩短增厚并隆升，为盆地伸展让位；山半随盆地发育而形成。     

南海北部及其沿岸中、新生代壳幔相互作用与构造演化——纪念“陆缘扩张带”概念的倡导者陈国达教授

新生代火山岩中的深源捕虏体资料反映,南海北部及其沿岸地区岩石圈地幔的主体由主量元素易熔组分相对饱满的、同位素组成类似MORB-OIB型的、高温型的二辉橄榄岩所组成;但在其顶部残留有古老的岩石圈地幔,它由主量元素易熔组分相对贫瘠的、同位素组成类似EM型的、较低温的方辉橄榄岩组成。在下地壳底部,分布着由晚中生代幔源岩浆分离结晶和堆晶的基性麻粒岩。由此提出了该区中、新生代壳 -幔或岩石圈 -软流圈相互作用与构造演化的简略模式: (1)印支期 -燕山早期为地壳岩石圈厚度增大的华夏型后地台活化造山带环境;(2)燕山晚期岩石圈快速减薄(如拆沉作用),造山带拉伸塌陷,地壳深处并发生广泛的底侵作用; (3)始新世 -渐新世软流圈再次上涌(如地幔柱的影响),岩石圈地幔发生底蚀减薄,地壳也因为下部层的塑性流展和上部层的张裂拉伸而减薄; (4)中新世以来,由于地幔热源在拉伸环境中被释放,壳幔发生冷却,部分软流圈地幔转化为“新生的”岩石圈地幔。研究进一步说明,南海北部陆缘扩张是该区大陆构造演化到大陆活化造山带后期,在深部壳 -幔的相互作用下,岩石圈所发生的垂向减薄和侧向伸展,既不同于弧后扩张,也不是受控于大西洋式的海底扩张。     

A possible mechanism for the thermal asymmetry of the Ligurian basin

ABSTRACT We propose a thermo-mechanical model and a new interpretation of heat flux data for the Ligurian basin that may be a key to understanding the evolution of the NW Mediterranean. The model incorporates the removal of a portion of mantle lithosphere to explain the heat-flux and subsidence anomaly of the eastern (Corsican) margin of the basin. This process is envisaged as a result of eastward asthenosphere flow induced by the Apennines subduction system. After a heating phase, time-dependent conductive cooling and re-thickening of the lithosphere result in re-equilibrium of the thermal gradient to its initial value. Such a rifting mode can account for the asymmetric heat-flux and subsidence pattern observed across the basin and the present-day lithospheric thickness.