青藏高原东部及其邻区力学耦合的岩石圈变形模式

根据青藏高原东部及其邻区布设的143个宽频带固定和流动地震台站的远震记录的SKS波分裂分析获得了各台站的快波偏振方向和快慢波之间的时间延迟。SKS分裂分析结果总体上反映了高原东部的上地幔物质流动方向,即高原内部表现为环绕喜马拉雅东构造结的顺时针旋转。在造山运动过程中有关岩石圈地壳和地幔力学耦合的造山变形方式,用从GPS和第四纪断裂滑动速率数据确定的地面变形场和由地震波各向异性数据推断的地幔变形场联合分析来定量求得。在青藏高原东部和云南、四川等地区新近快速增加的GPS和SKS波分裂观测数据,提供了对青藏高原岩石圈地幔实际变形方式的检验。这些新的数据不仅加强了高原内部力学耦合岩石圈的证据,而且也解释了高原外部相同的耦合特征。文中引入简单剪切变形和纯剪切变形的概念,用于解释高原内外不同的耦合变形特征。青藏高原和周围区域力学耦合岩石圈的垂直连贯变形有两个方面的大陆动力学含义:第一,岩石圈垂直强度剖面被一个重要的条件所约束,即要求与重力势能变化相关的应力能够从地壳传递到地幔;第二,青藏高原各向异性的空间变化反映了一个岩石圈变形的大尺度模式,以及从高原内部的简单剪切变形向高原外部的纯剪切变形的过渡带。文中提出的力学耦合岩石圈变形模型与当前已有的多种造山运动变形模型具有不同的变形含义,因此,地幔变形在青藏高原隆升过程中起主要作用。     

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。     

秦岭显生宙地幔组成及其演化

通过对秦岭造山带及扬子克拉通北缘显生宙时期 3个含地幔捕虏体的煌斑岩、钾镁煌斑岩、碱性玄武岩以及 11个不含捕虏体的辉石岩、辉长岩、玄武岩出露点的岩石地球化学对比研究 ,揭示出研究区地幔演化经历了自古生代的OIB亏损地幔到中生代的高度富集地幔再到中生代末期 -新生代的OIB MORB的亏损地幔的两次明显变更。制约这种变更的主要因素是熔融岩浆时源区发生的层圈相互作用类型。鉴于大陆岩石圈软流层体系的特征 ,有必要划分出岩石圈 /软流层相互作用带(过渡带 ) ,它是大陆岩浆作用的重要源区。     

南极洲普里兹湾岩石圈各向异性:海底地震仪观测

为了研究南极普里兹湾岩石圈深部应力场及其动力学,采用S波分裂旋转相关法,对中国第31次南极科学考察成功回收的3个站位海底地震仪数据(5个远震记录)进行了反演,获得了普里兹湾洋陆过渡带岩石圈各向异性特征.结果表明,台站所在区域各向异性显著,在较小的范围内存在明显的空间差异,快S波偏振方向变化范围是N40°E ~ N60°E,快慢波时间延迟变化范围为0.2~1.3 s.洋盆的各向异性主要取决于海底扩张地幔流作用,大陆及附近的各向异性主要受上地幔顶部残留构造的影响,而中间过渡带各向异性层厚度较小集中在地壳内,它可能受海底扩张地幔流和残留构造共同作用.      

玄武岩浆起源和演化的一些基本概念以及对中国东部中-新生代基性火山岩成因的新思路

以全球大地构造为背景讨论了玄武岩浆起源和演化的一些基本概念.这些概念的正确理解有助于合理解释各种环境中火成岩的形成机制,也有助于依据野外岩石组合来判别古构造环境.在此基础上结合已有资料和观察,对中国东部中生代岩石圈减薄及中-新生代基性火山岩成因提出了一些新解释.这些解释与地质观察相吻合,且符合基本的物理学原理.虽然中国东部基性火山活动可称为"板内"火山活动,但它实际上是板块构造的特殊产物.中国东部中生代岩石圈减薄是其下部被改造为软流层的缘故.这种改造是加水"软化"所致.水则源于中国东部地幔过渡带(410～660 km)内古太平洋(或其前身)俯冲板块脱水作用.其将岩石圈底部改造为软流层的过程,实际上就是岩石圈减薄的过程.因为软流层是地幔对流的重要部分,而大陆岩石圈则不直接参与地幔对流.中生代玄武岩具有εNd＜0的特征,说明其源于新近改造而成的软流层,亦即原古老岩石圈之底部.中国大陆北北东-南南西向的海拔梯度突变界线与东-西部重力异常,陆壳厚度变化,以及地幔地震波速变化梯度吻合.因此可将北北东-南南西向梯度线称为"东-西梯度界".该界东-西海拔高差(西部高原与东部丘陵平原),陆壳厚度差异(西部厚而东部薄)和100～150 km的深度范围地幔地震波速差异(西部快而东部慢),均受控于上地幔重力均衡原理.这表明西部高原岩石圈厚度＞150～200 km,而东部丘陵平原岩石圈厚度＜80km."遥远"的西太平洋俯冲带具有自然的地幔楔吸引作用.此吸引作用可引起中国东部"新生"软流层东流.软流层东流必将引起西部高原底部软流层的东向补给(流动).这一过程必然导致东移软流层的减压,即从西部的深源(岩石圈深度＞150～200 km处)到东部的浅源(岩石圈深度～80km处).东移软流层的减压分熔可合理解释具有软流圈地球化学特征(εNd＞0)的新生代中国东部基性火山活动及玄武岩的成因.这些对中国东部中-新生代地质过程的解释,将为更加细致的,以岩石学和地球化学为主的讨论所验证.     

青藏高原的地幔结构:地幔羽、地幔剪切带及岩石圈俯冲板片的拆沉

通过横穿青藏高原近 80 0 0km长的 4条天然地震层析剖面 ,获得 4 0 0km深度以上的地壳和地幔速度图像及地震波各向异性 ,揭示了青藏高原 4 0 0km深度范围内的地壳和地幔结构特征。地幔速度图像显示 ,青藏高原腹地的深地幔中存在以大型低速异常体为特征的地幔羽 ,其可能通过热通道与大面积分布的可可西里新生代高钾碱性火山作用有成因联系 ;阿尔金、康西瓦、金沙江、嘉黎及雅鲁藏布江等走滑断裂可下延至 30 0～ 4 0 0km深度 ,显示了低速高热物质组成的垂向低速异常带特征及大型超岩石圈或地幔剪切带的产出 ;发现康西瓦、东昆仑—金沙江、班公湖—怒江和雅鲁藏布缝合带下部存在不连续的高速异常带 ,可以解释为青藏高原地体拼合及碰撞过程中可能保留的加里东、古特提斯和中特提斯大洋岩石圈“化石”残片 ,是“拆沉”的地球物理证据。印度大陆岩石圈的巨厚俯冲板片以 15～ 2 0°倾角向北插入唐古拉山下 30 0km深处 ,并被高热物质组成的地幔剪切带分开。结合新的横穿喜马拉雅及青藏高原的地幔层析资料 ,提出青藏高原碰撞动力学新模式 :青藏高原南部印度岩石圈板片的翻卷式陆内超深俯冲 ,北缘克拉通向南的陆内俯冲 ,腹地深部的地幔羽上涌 ,以及地幔范围内的高原“右旋隆升”及物质向东及北东方向运动及挤出。     

地幔内异常热熔变与青藏高原的隆升

本文利用中法合作研究获得的定日—格尔木天然地震记录资料所揭示的青藏岩石圈存在的各向异性变化，讨论了雅鲁藏布江缝合带南北地幔物质运动方向的差异。结合区域重力场、地热和大量地质资料，提出了解释青藏高原形成和隆升的新模式。青藏高原是在印度板块和欧亚板块强烈碰撞挤压下，地壳缩短变形增厚，碰撞挤压达于极限，地幔内物质产生热熔变，导致了受热幔壳的急剧膨胀，托浮起上覆地壳整体，形成了巨大高耸而且地形平坦的高原。喜马拉雅造山带则是印度板块北缘俯冲受阻，逆冲叠覆堆积变形的结果。     

吉林汪清—辉南地幔透辉石微量元素及其记录的地幔熔融与交代作用

根据吉林汪清(WQ)中新世和辉南(HN)上新世玄武岩捕虏体橄榄岩透辉石的激光探针(LAM-ICPMS)微量元素分析结果,分析了华北北缘与兴蒙造山带结合部位陆下岩石圈地幔所经历的部分熔融作用和地幔交代作用.新生代时无论是靠近华北地块一侧的辉南,还是靠近兴蒙造山带一侧的汪清陆下岩石圈除少量难熔地幔残留外,主体上均表现为显生宙‘大洋型’的地幔特征,即经历了8％以下的部分熔融作用.这些地幔又记录着复杂的地幔交代作用过程,交代介质类似于含水的、含碳酸岩质的硅酸岩熔体.这样的地幔特征与中国东部其他地区新生代时的主体岩石圈相似,也有少量古老地幔残余,由此进一步说明中国东部中、新生代岩石圈减薄作用经历了软流圈地幔对古老岩石圈的侵蚀和最终的置换过程.     

古地幔流体及其在大陆克拉通地幔演化中的意义——以华北地台为例

古生代含捕虏体的金伯利岩和新生代含捕虏体的玄武岩同出于华北地台，提供了研究自古生代以来岩石圈演化的深源探针。古生代含金伯利岩的侵位表明古生代时曾存在冷厚的岩石圈；而新生代含捕虏体玄武岩的喷发，表明新生代时存在热薄的岩石圈。岩石圈减薄与“大洋化”是层圈物质交换作用在一定历史阶段中的反映。地幔流体是地幔演化产物，反之又作用于地幔演化。富含地幔流体的幔内剪切带及交代矿物层作为幔内软薄弱带，存在热、流体、化学及机械的耦合，是岩石圈减薄拆沉作用的重要界面位置。     

浅地幔系统的组成和属性相态

板块构造学说根据构造的活动性划分单元,不考虑单元是否同质。浅地幔系统考虑了系统组成单元的异质性和动力来源,适合于系统的能量和物质运动总体规律的研究。把地球系统地划分为地球表面、浅地幔、地幔对流和地核四个子系统,地球系统就完整了。浅地幔子系统由四个不同质的的单元相互作用组成,它们是大洋岩石圈、大陆岩石圈、洋陆转换带岩石圈和软流圈,它们是不同质的。地震层析成像结果支持这种单元划分。系统作用反映了大洋岩石圈与大陆岩石圈的相互博弈,洋陆转换带是洋底扩张和大陆增生之间博弈的主要战场和阻尼器。软流圈是地幔对流的顶层,也是系统的能量库和主要动力来源。在深度200 km以下,软流圈的物质运动已经与板块运动模式分离。软流圈物质运动主要是大尺度的蠕动,也包括流体的析出和渗透,局部岩浆的集结和上涌。岩石圈板块浮在蠕动的软流圈之上,软流圈地幔的热流体可以通过岩石圈地幔黏度较小的区域向上渗透。同时,在重力作用下,岩石圈黏度大的物质也可以向下运动,拆沉到软流圈底部。从目前的成像结果可以看到,对于地球表面难以观察的软流圈和地下深部,对比三维的地震波速和电阻率扰动图像,可以获得关于物质运动的信息,认知已经发生在地壳和上地幔的物质运动特征。     

青藏高原东部壳幔速度结构和地幔变形场的研究

在青藏高原东部地球动力学问题中,笔者在文中主要考虑与地壳上地幔速度结构和地幔变形场有关的问题,它涉及当前流行的下地壳流动模型和壳-幔的耦合-解耦模型。在2000年完成的穿过川西高原和四川盆地的深地震测深剖面,揭示了川西高原的地壳结构具有地壳增厚(主要是下地壳增厚)、地壳平均速度低等特点,显示地壳的缩短与增厚的碰撞变形特征。根据川西高原上设置各爆炸点的记录截面图共同呈现PmP(莫霍界面反射波)弱能量的特点,推断在川西高原的下地壳介质具有强衰减(Qp=100～300)的性质,支持存在下地壳流动的模型。青藏高原东部和川滇西部地区的上地幔各向异性(SKS波快波偏振方向和快慢波延迟时间)的初步结果表明,这两个地区的壳-幔变形特征是不同的,尽管它们在地理位置上属于同一个板块碰撞带。在青藏高原内部的壳幔变形属于垂直连贯变形,它以缩短为主,而高原外部的地壳(或岩石圈)则相对于其下方地幔运动。在高原内部和外部之间存在一个重要的地幔变形过渡带。然而,高原内部的垂直连贯变形与高原内部存在大范围下地壳流动的模型不一致。笔者在该地区开展了近两年的宽频带流动地震观测,试图从地震记录中确定过渡带的位置和探讨它的流变性质。文中扼要回顾已经取得的结果,并介绍正在进行的研究。     

Mantle Redox State Evolution in Eastern China and Its Implications

Using the secondary spinel standard, the authors have precisely measured the Fe3+/∑ Fe values of spinels in mantle xenoliths from Cenozoic basalts in eastern China, and estimated the oxygen fugacities recorded by 63 mantle xenoliths through olivine-orthopyroxene-spinel oxygen barometry. The results indicate that the oxygen fugacities of the lithospheric mantle in eastern China are higher in the south than in the north. Among them, the oxygen fugacity of the North China craton lithospheric mantle is the lowest, similar to that of the oceanic mantle, while that of Northeast and South China are the same as that of the global continental mantle. The variations of mantle redox state in eastern China are mainly controlled by the C-O-H fluids derived from the asthenospheric mantle. According to the mantle oxidation state, it can be concluded that the C-O-H fluids in the lithospheric mantle of eastern China consist mainly of CO2 and minor H2O, but CH4-rich fluids should come from the asthenosphere where the ox     

华北克拉通上地幔变形及其动力学意义

华北克拉通从稳定到破坏的演化过程对有关地球动力学的经典理论提出了挑战,研究其独特的演化历史是固体地球科学研究的一项重要内容。上地幔矿物晶体的各向异性记录了上地幔发生构造变形的信息,研究上地幔地震波各向异性能够揭示现今和构造历史时期所发生的构造运动。本文总结了近年来作者在华北克拉通地区所进行的高密度、覆盖广泛的地震波横波分裂观测研究结果。横波分裂的快轴方向与绝对板块运动方向的不一致,以及横波分裂参数快速的空间变化特征表明了华北克拉通的SKS横波分裂主要反映上地幔的变形。观测结果表明：鄂尔多斯块体保留了克拉通较弱的各向异性特征,其西端体现了元古代克拉通拼合的变形特征; 中新生代华北克拉通破坏事件以不同的机制主导了华北克拉通中部和东部的上地幔变形,在东部地区北西-南东向的拉张应力作用使得快轴方向平行于拉张方向,而在中部则因受到较厚岩石圈的阻挡使得地幔流动改变了方向,因此造成了北东和北北东向的岩石圈拉张。     

青藏高原及其部分邻区地震各向异性和土地幔特征

通过研究在青藏高原及其部分邻区由三分量宽频地震资料获得的剪切波各向异性的特征，得出了上地幔构造的若干认识，在本区200km以上的上地幔范围内各向异性的方向性变化主要是上地幔物质运移方向的影响，各地体的岩石圈与地壳在相当长时间内是连贯的运移，各向异性的主要方向决定于上地幔承受的主应力剪切作用方向常常与地表的山系和构造方向不一致，最强的各向异性特征出现在高速体地体边缘，与深部热的地幔物质有关，在各地体边缘的走滑断裂附近各向异性与断裂带走向一致。     

青藏高原东缘地壳上地幔结构及其动力学意义

本文综述了我们在青藏高原东缘实施的垂直切过龙门山断裂带宽频带地震探测的研究成果,揭示了研究区复杂的地壳上地幔结构,结果表明松潘-甘孜地块与四川盆地西缘莫霍面深度为58 km与40 km±,在龙门山断裂带下方存在约15 km的莫霍面错断; 松潘-甘孜与龙门山断裂带域地壳纵横波速度比Vp/Vs比值远大于173,预示着粘性下地壳流或基性/超基性物质的存在。探讨了研究区强烈的盆山之间以及深部不同层圈之间的相互作用,推断四川盆地对青藏高原东缘软流圈驱动的物质东向逃逸阻挡作用可能深达整个上地幔。     

华北克拉通东部显生宙地幔演化

华北克拉通东部显生宙以来的地幔可以划分为3种类型:克拉通型地幔,大陆活动带型地幔和大陆裂谷型地幔。1 700 Ma—古生代末,地幔属于克拉通型:ε(Nd,t)值高于-5,为弱富集型;层圈相互作用以幔源的熔体和/或流体与古老的岩石圈地幔的作用为主,但规模较小,范围局部。100 Ma以前的中生代地幔属于“大陆活动带型”:ε(Nd,t)值低,在-5以下,为富集型;地幔中含有地壳的组分,层圈相互作用以下地壳与弱化的岩石圈地幔之间的作用为主;发生的时间为190~100 Ma,高峰期在130 Ma左右;发生的部位邻近莫霍面,导源的岩浆多为钙碱性系列,部位浅,活动范围广泛。100 Ma至新生代,地幔属于“大陆裂谷型”:为亏损型的软流圈地幔,ε(Nd,t)值高,几乎均为正值。层圈相互作用转变为软流圈岩石圈地幔之间的作用,转变的时间具有约40 Ma的过渡时期,前锋开始于100~109 Ma,导源的岩浆大致沿NWW和NEE向的大型断裂带分布。进一步证实了软流圈地幔上隆的不均匀性和主动性。     

Deformation microstructures of olivine and pyroxene in mantle xenoliths in Shanwang,eastern China,near the convergent plate margin,and implications for seismic anisotropy

Deformation microstructures, including lattice-preferred orientations (LPOs) of olivine, enstatite, and diopside, in mantle xenoliths at Shanwang, eastern China, were studied to understand the deformation mechanism and seismic anisotropy of the upper mantle. The Shanwang is located across the Tan-Lu fault zone, which was formed due to the collision between the Sino-Korean and South China cratons. All samples are spinel lherzolites and wehrlites, and LPOs of minerals were determined using scanning electron microscope/electron backscattered diffraction. We found two types of olivine LPO: type-B in spinel lherzolites and type-E in wehrlites. Enstatite showed two types of LPO (types BC and AC), and diopside showed four different types of LPO. Observations of strong LPOs and numerous dislocations in olivine suggest that samples showing both type-B and -E LPOs were deformed in dislocation creep. The seismic anisotropy of the P-wave was in the range of 2.2–11.6% for olivine, 1.2–2.3% for enstatite, and 2.1–6.4% for diopside. The maximum seismic anisotropy of the shear wave was in the range 1.93–7.53% for olivine, 1.53–2.46% for enstatite, and 1.81–6.57% for diopside. Furthermore, the thickness of the anisotropic layer was calculated for four geodynamic models to understand the origin of seismic anisotropy under the study area by using delay time from shear wave splitting, and S-wave velocity and anisotropy from mineral LPOs. We suggest that the seismic anisotropy under the study area can be most likely explained by two deformation modes that might have occurred at different times: one of deformed lherzolites with a type-B olivine LPO by lateral shear during/after the period of the Mesozoic continental collision between the Sino-Korean and South China cratons; and the other deformed the wehrlites with a type-E olivine LPO by horizontal extension during the period of change in absolute plate motion in relation to the westward-subducting Pacific plate.     

Continuation of the San Andreas fault system into the upper mantle: Evidence from spinel peridotite xenoliths in the Coyote Lake basalt, central California

The Coyote Lake basalt, located near the intersection of the Hayward and Calaveras faults in central California, contains spinel peridotite xenoliths from the mantle beneath the San Andreas fault system. Six upper mantle xenoliths were studied in detail by a combination of petrologic techniques. Temperature estimates, obtained from three two-pyroxene geothermometers and the Al-in-orthopyroxene geothermometer, indicate that the xenoliths equilibrated at 970–1100 °C. A thermal model was used to estimate the corresponding depth of equilibration for these xenoliths, resulting in depths between 38 and 43 km. The lattice preferred orientation of olivine measured in five of the xenolith samples show strong point distributions of olivine crystallographic axes suggesting that fabrics formed under high-temperature conditions. Calculated seismic anisotropy values indicate an average shear wave anisotropy of 6%, higher than the anisotropy calculated from xenoliths from other tectonic environments. Using this value, the anisotropic layer responsible for fault-parallel shear wave splitting in central California is less than 100 km thick. The strong fabric preserved in the xenoliths suggests that a mantle shear zone exists below the Calaveras fault to a depth of at least 40 km, and combining xenolith petrofabrics with shear wave splitting studies helps distinguish between different models for deformation at depth beneath the San Andrea fault system.