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。     

壳-幔物质交换的岩浆岩石学研究

地质地球物理综合研究表明,岩石学地球化学意义上的壳幔边界与地球物理学确定的莫霍面并不等同,物质成分上的壳幔边界具有动态演化的特点,并具有两侧物质成分的双向交换。火成岩中的深源包体和出露的壳幔边界剖面研究揭示,岩浆底侵作用是地幔物质进入地壳的主要方式,并造成地壳垂向增生,而拆沉作用是地壳物质进入地幔的重要机制,上述两种过程的联合是大陆地壳内部地质演化的重要原因     

地幔柱假说及地质意义

文章介绍了地幔柱理论研究的一系列进展，诸如地幔柱特征、动力学模式及其地质意义。在重力分异过程中，随着地球质量不断向地心集中，地球自转动能也不断向地核集中，从而产生圈层分化和差异旋转。地核相对地壳、地幔高速旋转，具有巨大动能，旋转阻力不断将其转化为热能，在核幔边界聚积起来，为液核对流和热幔柱提供足够的能量。核幔边界是产生热幔柱的位置。阐明了地幔柱构造与板块构造的关系。地幔柱理论涉及地幔深部物质垂直运动的机制，对了解地球深部动力学机制有重大意义。     

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。     

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     

地幔柱假说及地质意义

文章介绍了地幔柱理论研究的一系列进展,诸如地幔柱特征、动力学模式及其地质意义.在重力分异过程中,随着地球质量不断向地心集中,地球自转动能也不断向地核集中,从而产生圈层分化和差异旋转.地核相对地壳、地幔高速旋转,具有巨大动能,旋转阻力不断将其转化为热能,在核幔边界聚积起来,为液核对流和热幔柱提供足够的能量.核幔边界是产生热幔柱的位置.阐明了地幔柱构造与板块构造的关系.地幔柱理论涉及地幔深部物质垂直运动的机制,对了解地球深部动力学机制有重大意义.     

核—幔相互作用及其地球动力学意义

核－幔边界是地球内部反差最大的一个边界,也是最重要的边界,界区的核－幔相互作用过程在整个地球动力学系统中起着重要的作用。本文在概述了该－边界基本特征的基础上,系统地总结了有关核幔物质的化学反应和Ｄ”层的形成,核－幔间的质量传递及其对地幔对流之贡献,核－幔耦合与动量传递等的研究成果及有关问题。     

壳─幔相互作用的有关问题

现代地质正从地表向空间．从地球浅部向深部发展。壳幔的相互作用制约着地球的演化及岩石圈的各种作用．幔壳、核之间的界面可能主要是化学界面。壳、幔、核内部的界面可能主要是物理界面。在影响岩石圈地球动力学的诸多因素中．岩石圈的组成与地温状况是起决定作用的因素．造山带所记录的地球内部动力机制及其对外部圈层作用的演化历史可以为建立地球系统演化理论和全球动力学理论提供重要资料．     

核幔成矿物质(流体)的反重力迁移——地幔热柱多级演化成矿作用

地壳中矿床分布极不均匀 ,这与地球的形成与演化密切相关。在地球演化的早期 ,由于在引力收缩和热力膨胀的统一作用支配下 ,放射性、卤族、稀有、稀土元素及碱金属向上迁移 ,而贵金属、有色、铁族、铂族等密度较大的元素则有逐渐向地核聚集的趋势 ,以至于铁、镍、金等元素主要聚集在地核之中。但是 ,在地球形成圈层结构的同时 ,由于地球内外温度差、压力差、粘度差等的存在 ,导致地球发生以地幔热柱多级演化为主要形式的垂向物质运动 ,两者互为依存 ,并构成幔壳运动的原动力。地幔热柱多级演化沟通了深部矿质的迁移通道 ,聚集在地核及核幔界面上的气态金等重元素得以作为地幔热柱的热物质流 ,呈反重力迁移至岩石圈 ,并进而以气 液态向近地表迁移 ,在有利的构造扩容带中聚集成矿。这可能是金银铜铅锌等多种元素的重要成矿作用方式。     

类地行星热物理条件与热演化影响因素分析——以火星地幔热柱演化为例

太阳系内类地行星具有相似的岩石层包围金属核的圈层结构,在行星幔的热演化历史起源方面具有同时性和同源性,并且都在早期变形重力位能加热的基础上随放射性热能衰减而冷却。但是,由于半径、密度、粘度以及表层构造属性等物理条件的差异,其热演化历史各具特色。依据基本的热对流和热传导方程,我们计算分析了类地行星热物理条件差异对行星幔热演化历史的影响。计算表明,类地行星热演化的早期,行星幔热对流是主要的散热方式。半径较大的行星表面热流密度大,平均散热量也大。半径较小的行星内部温差小,粘滞系数高,对流能力低,提早进入传导散热状态,且传导散热的岩石层也比大行星厚。不同边界层热物理条件下,类地行星幔热演化历史会分别出现逐渐冷却的平稳式、包含热柱上涌的波动式、行星幔幕次翻转的周期式等特点不同的热演化过程。火星内部曾经存在的地幔热柱构造与火星地幔热动力学演化过程密切相关。我们从火星地幔热动力学演化模型出发,定量计算与地幔热柱构造演化相关的地幔热动力学演化特征,通过三维球壳数值模拟,研究了火星地幔热演化历史上可能存在的热柱活动造成的火星热演化历史的非单调变化,火星地幔对流环结构随时间的演变方式,以及与边界相关的地幔热柱对火星地形的影响。     

大陆俯冲带壳幔相互作用

由板块俯冲引发的深部物质循环过程是地球内部的一级运行机制,主宰了地球从内到外的演化进程,是地球科学研究的重要前沿.俯冲带化学地球动力学研究不仅需要确定俯冲带地壳物质再循环的机制和形式,而且需要确定俯冲带动力来源和热体制及其随时间的变化.为了识别不同类型壳源熔/流体对地幔楔的交代作用、寻求板片-地幔界面反应的岩石学和地球化学证据、理解汇聚板块边缘地壳俯冲和拆沉对地幔不均一性的贡献,我们必须将俯冲带变质作用、交代作用和岩浆作用作为一个地球科学系统来考虑.板块俯冲带变质过程中发生一系列物理化学变化,这些变化不但是导致板块进一步俯冲的主要驱动力,同时也控制着释放的熔/流体组成和俯冲到地球深部的物质组成,对俯冲带化学地球动力学过程产生重要影响.地幔楔作为俯冲系统中连接俯冲盘和仰冲盘的关键构造单元,在地球层圈之间物质循环和能量交换等方面起着重要作用.造山带地幔楔橄榄岩直接记录了俯冲带多种性质的熔/流体交代作用,以及复杂的壳幔物质循环过程.俯冲带岩浆岩是大洋/大陆板块俯冲物质再循环的表现形式,这些岩石样品记录了俯冲带从深部地幔到浅部地壳的过程,也为认识地球深部物质循环提供了理想的天然样品.尽管国际上在俯冲带岩石学和地球化学领域针对地球深部过程的研究方面取得了多项重要进展,但由于研究工作缺乏密切的协同配合,包括俯冲带熔/流体的物理化学性质、俯冲带壳幔相互作用的机制和过程、俯冲带幔源岩浆活动的物质来源和启动机制以及深部地幔过程对地表环境的影响等许多关键科学问题尚未得到根本解决.将来的研究需要聚焦俯冲带物质循环这一核心科学问题,进一步查明俯冲带变质作用、交代作用、岩浆作用等过程的各自特征和相互联系,包括挥发性组分在地球深部的迁移过程及其资源和环境效应,着力考察研究相对薄弱的古俯冲带,阐明板块俯冲与地球深部物质循环之间的耦合机制.      

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。     

青藏高原地球物理研究中几个重要问题之我见

青藏高原的地球物理研究是深化认识高原本体和东亚壳、幔结构、隆升机制和大陆动力学响应的基础,故为中、外地球科学家们所瞩目。主要讨论以下3个方面问题,即问题的提出与背景;当今青藏高原地球物理研究中的核心科学问题;当前地球物理学要做些什么。研究结果表明,第一,在青藏高原地球物理研究中只有在清晰思路指导下取得高分辨率的数据才能反演,并刻画其壳、幔的精细结构;第二,青藏高原壳、幔结构存在分区特征,特别是地壳低速层、力学作用、深部物质运移、多要素约束下的物理-数学模拟及陆-陆碰撞动力学响应进行量化研究;第三,当今在青藏高原地球物理研究的核心问题是地球内部物质和能量的交换、圈层耦合及其深层动力过程。中国地球科学家们应当清晰地认识到,青藏高原地球物理研究乃是中国地球科学家摘取“桂冠”的一个契机,必须走自主创新之路,建立起具有中国地质科学特色的理论和模型。     

胶东地区壳-幔作用与金成矿效应

胶东矿集区的形成、演化受地幔剪切带和深部流体控制,壳-幔作用和地球动力体制转换是成矿物质活化→运移→聚集→成矿的基本动力学保障,构造应力场转换是其重要表现形式。郯庐断裂是深切地幔的成熟岩石圈断裂,是富含地幔流体的幔内剪切带,其内发生流体-热-化学-物理耦合,决定了胶东矿集区的形成与分布规律,其剪切深熔作用是成矿物质活化、运移的重要驱动力,是成岩成矿作用发生的根本原因之一。地幔流体通过壳-幔相互作用,形成碱交代热液,沿郯庐断裂带向上发散、运移,将含矿流体系统输运到更高的层位,为流体成矿作用提供了矿源。胶东金矿集中区为相对于周边的地幔隆起区,金矿床产于莫霍面的梯度变化处或变形部位,凹陷区局部隆起部位金的成矿强度明显小于其它地段。超大型矿床决定于超大型碱交代岩规模和深部流体活动强度及成矿元素的高效富集效应,在早期剪压体制下,流体组分、成岩组分和成矿组分大量交换运移;晚期剪张体制下,热液析出、交代作用和成矿作用易于发生。     

日本的综合大洋钻探计划(IODP)

对日本的IODP活动以及科学目标进行简要介绍。IODP核心技术支撑之一的立管钻探船“地球号”可在水深4 000 m的海底钻进7 000 m,钻达发震带和上地幔,实现日本的IODP科学目标。日本的IODP科学规划主要有三大科学主题和八项研究目标,三大科学主题包括地幔过程和地球系统演化,地壳作用过程和地球系统演化,俯冲带和地球系统演化过程中的动力学及物质循环。其八项研究目标为：①钻探西太平洋洋底高原,认识核—幔作用过程;②钻探太平洋白垩纪—新生代沉积物,详细研究地球温室期间的物质循环及从温室环境到冰室环境的转化过程;③钻探大洋岛弧,认识大陆地壳形成过程;④钻探扩张的弧后,认识洋壳岩石圈形成过程;⑤钻探亚洲边缘海及陆坡,认识陆壳—洋壳—大气圈关系;⑥调查增生楔中的碳循环及深部生物圈;⑦调查汇聚板块边缘大地震周期及形成机制、构造及物质循环;⑧研究生活于增生楔环境中极端微生物生物学。     

A Metallogenic Model of Gold Deposits of the Jiaodong Granite-Greenstone Belt

An analysis of trace elements and isotopic geochemistry suggest that the ore-forming materials of gold deposits in the Jiaodong granite-greenstone belt have multiple sources, especially the mantle source. Seismic wave, magnetic and gravity fields show that the crust-mantle structure and its coupling mechanism are the fundamental dynamic causes for the exchange and accumulation of materials and energy in the metallogenic system. Considering the evolution history of the structural setting, the tectono-metallogenic dynamics model of the area can be summarized as follows: (1) occurrence of the greenstone belt during the Archean-Proterozoic-the embryonic form of Au-source system; (2) stable tectonic setting in the Paleozoic-an intermittence in gold mineralization; (3) intensive activation and reformation of the greenstone belt in the Mesozoic-tectono-mineralization and tectono-diagensis; (4) posthumous structural activity in the Cenozoic-destruction of orebodies in the later stage. In the middle and late Ind     

中美洲俯冲带南段上覆板块沉积物化学组分及其地质意义

在剥蚀型汇聚板块边缘,俯冲输入板块剥蚀上覆板块并将剥蚀物质带入俯冲隧道,随后,这些剥蚀物质与俯冲板块物质一同参与了俯冲带浅部与深部地幔的地球化学循环。构造地质学和地球物理研究显示中美洲俯冲带南段是典型的俯冲剥蚀型汇聚板块边缘,这为研究上覆板块俯冲剥蚀物质是否参与俯冲带物质循环过程提供了天然的实验室。由于目前仍然缺乏对该俯冲剥蚀机制的地球化学制约,综合大洋钻探计划(IODP) 344航次对中美洲俯冲带南部哥斯达黎加西部的俯冲板块和上覆板块开展了钻探工作,并获取了系统的岩芯样品。本文对IODP344航次取自上覆板块中陆坡和上陆坡的U1380和U1413站位中沉积物中的粗碎屑层位样品,开展了系统的主、微量元素与Sr-Nd-Pb-Hf同位素地球化学研究。这些沉积物粗碎屑层位组分与加勒比大火成岩省基底相似,指示它们可能来自加勒比大火成岩省基底在弧前出露的区域,可以代表上覆板块基底被俯冲剥蚀的物质组成。研究进一步探讨了晚中新世中美洲俯冲带南部大陆弧火山岩的成因,并指出上覆板块底部被剥蚀物质参与了中美洲俯冲带南部大陆弧火山岩岩浆过程,这为中美洲俯冲带南部存在俯冲剥蚀过程提供了直接的地质学证据。     

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。     

Magmatism and metallogeny of the Early Earth as a reflection of its geologic evolution

The paper is focused on the evolution of the Earth starting with the planetary accretion and differentiation of the primordial material (similar in composition to CI chondrites) into the core and mantle and the formation of the Moon as a result of the impact of the Earth with a smaller cosmic body. The features of the Hadean eon (ca. 4500–4000 Ma) are described in detail. Frequent meteorite-asteroid bombardments which the Earth experienced in the Hadean could have caused the generation of mafic/ultramafic primary magmas. These magmas also differentiated to produce some granitic magmas, from which zircons crystallized. The repeated meteorite bombardments destroyed the protocrust, which submerged into the mantle to remelt, leaving refractory zircons, indicators of the Early Earth’s geologic conditions, behind.The mantle convection that started in the Archean could possibly be responsible for the Earth’s subsequent endogenous evolution. Long-living deep-seated mantle plumes could have promoted the generation of basalt-komatiitic crust, which, thickening, could have submerged into the mantle as a result of sagduction, where it remelted. Partial melting of the thick crust, leaving eclogite as a residue, could have yielded tonalite-trondhjemite-granodiorite (TTG) melts. TTG rocks are believed to compose the Earth’s protocrust. Banded iron bodies, the only mineral deposits of that time, were produced in the oceans that covered the Earth.This environment, recognized as LID tectonics combined with plume tectonics, probably existed on the Earth prior to the transitional period, which was marked by a series of new geologic processes and led to a modern-style tectonics, involving plate tectonics and plume tectonics mechanisms, by 2 Ga. The transitional period was likely to be initiated at about 3.4 Ga, with the segregation of outer and inner cores, which terminated by 3.1 Ga. Other rocks series (calc-alkaline volcanic and intrusive) rather than TTGs were produced at that time. Beginning from 3.4-3.3 Ga, mineral deposits became more diverse; noble and siderophile metal occurrences were predominant among ore deposits. Carbonatites, hosting rare-metal mineralization, could have formed only by 2.0 Ga. From 3.1 to 2.7 Ga, there was a period of “small-plate” tectonics and first subduction and spreading processes, which resulted in the first supercontinent by 2.7 Ga. Its amalgamation indicates the start of superplume-supercontinent cycles.Between 2.7 and 2.0 Ga, the D″ layer formed at the core-mantle interface. It became a kind of thermal regulator for the ascending already tholeiitic mantle plume magmas. All deep-seated layers of the Earth and large low-velocity shear provinces, called mantle hot fields, partially melted enriched EM-I and EM-II mantles, and the depleted recent asthenosphere mantle, which is parental for midocean-ridge basalts, were finally generated by 2 Ga. Therefore, an interaction of all Earth’s layers began from that time.     

长江中下游成矿带岩浆-成矿系统深部背景和过程的电性结构约束

长江中下游成矿带是我国重要的铁铜金属"仓库",然而,关于矿体密集分布成因的深部背景研究仍存较多争议,前人相继提出了碰撞变形、俯冲变形、构造机制转换等多种解释模型.本文基于成矿系统概念和前人对成矿系统各组成要素的研究成果,分析长江中下游成矿带内宁芜、庐枞、南陵-宣城和安庆-贵池矿集区的深部电性结构,并发现成矿带地壳深部普...