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。     

青藏高原软流圈与特提斯洋板块俯冲

由于缺乏足够的青藏高原内部观测的地震数据,难以对地壳上地幔构造进行准确的地震体波三维层析成像。在中国西部设有412个地方地震台站,2005～2008年观测仪器全部实现了数字化,为解决地震体波层析成像的观测数据问题提供了新的可能性。经过收集和整理这些地方地震台2009～2015年的数字化观测数据,得到了通过青藏高原的足够地震射线和对应的走时数据,处理后在北京和美国进行了三维层析成像计算,取得了一致的结果。利用地方地震台站的数据开展青藏高原地壳地震波速度的三维层析成像研究,得到1°×1°×20 km网格的纵波三维速度结构图像,揭示了青藏高原地壳上地幔波速结构特征。三维层析成像研究结果表明,青藏高原岩石圈地幔的速度变化很不连续,与软流圈没有连续的分界面。青藏高原软流圈内局部的高速和低速异常密集分布,与克拉通地区均匀分布的模式不同。这种软流圈内异常密集分布的模式,是新生代以来特有的大规模能量交换和物质运动的反映。成像结果发现在高原软流圈底部有一个清晰和稳定的高波速异常,它是现今特提斯洋板块的反映,纬度在28°～40°N之间。根据印度板块和特提斯洋板块的推进运动速度的估计,可以把现今特提斯洋板块构造模型沿时间轴反推回50 Ma和100 Ma以前,得到反映特提斯洋板块演化和青藏高原上地幔地质作用过程的模式。此模式说明,在50 Ma前特提斯洋板块已经俯冲到青藏高原软流圈,然后慢慢地下沉到软流圈底部。根据这个新生代青藏高原上地幔地质作用过程的反推模式,对不同时期特提斯洋板块和印度板块陆—陆俯冲前沿进行了定量的定位。这个作用过程的模式对板块构造学说以往的认识有一个重要突破:不认为所有的大洋板块都会俯冲到上地幔底部,宽度较小、俯冲速度较快的特提斯洋板块可能只俯冲到410 km的间断面之上。     

形成闽浙火山岩带的洋陆转换作用

本文研究了闽浙火山岩带形成的洋陆转换作用。洋陆转换作用涉及整个上地幔物质运动,研究的主要根据来自对地幔调查的地球物理资料。研究表明,闽浙火山岩带形成的根源在其下方的伊佐奈崎板块,它反映为上地幔底部的高波速异常体。它向上方释放基性的熔体,使软流圈底部变为玄武质低黏度物质,并且向上继续蠕动。向上的继续蠕动在岩石圈地幔形成英安质岩浆房。由于闽浙地壳比较冷硬的克拉通性质,英安质岩浆房上涌速度缓慢,混染了大量上地壳物质,转变成为酸性的枝叉状岩浆囊。在125 Ma太平洋板块发生旋转后,由于地壳逐渐放松俯冲造成的挤压,岩浆释放造成大规模酸性火山爆发,形成闽浙火山岩带。可见,大陆增生的主要方式不仅有俯冲带大量英安质和玄武质幔源岩浆上涌的模式,还有混染了大量上地壳物质的流纹质岩浆活动。     

从高分辨率地震层析成像看青藏高原软流圈的物质运动

通过分辨率达到0.5°×0.5°×10 km的青藏高原地壳与上地幔三维成像,为研究青藏高原在新生代的动力学作用提供了新的认识.软流圈的波速扰动数据证实,特提斯大洋板块在拆沉后只俯冲到410 km的间断面之上,并不是所有的大洋板块都会俯冲到上地幔底部.这种大洋板块在软流圈拆沉后激发的热流体上涌,造成高原中部大规模的火山喷发,是青藏高原隆升的主要动力来源之一.根据上地幔三维地震层析成像结果定量计算了岩石圈-软流圈界面（LAB）的深度,揭示了软流圈地幔物质的上涌或者岩石圈地块下沉的作用布局,表明青藏高原的东部在新生代动力学作用过程中是一个相对独立的岩石圈地幔块体.      

中-新生代东北和华北的洋陆转换作用

本文对西太平洋的洋-陆转换作用进行探讨。西太平洋洋-陆转换带在中国东部可分为华南、华北-黄海和东北3个区段。东北地区中-新生代洋-陆转换作用涉及古今太平洋板块和蒙古—鄂霍茨克洋板块两方面俯冲作用的影响,产生大面积中基性岩浆和火山活动,从侏罗纪一直延伸到现在。不同于东北和华南地区,华北-黄海有克拉通型的岩石圈,在晚侏罗世—新近纪因为太平洋板块的大角度旋转造成软流圈低黏度物质上涌,和地壳拉张与幔源岩浆的底侵,造成上地壳裂谷型沉积盆地。燕山地区在侏罗纪与东北地区类似,有强烈的软流圈上涌和岩石圈岩石部分熔融,产生强烈岩浆活动。在白垩纪到新生代,因为蒙古—鄂霍茨克洋闭合和太平洋板块大角度旋转,发生沿蒙古—鄂霍茨克洋的转换断层的拉张,产生从南蒙古过锡林浩特的NW向玄武质岩浆和火山带。洋-陆转换带不同区段有不同的动力学作用演化过程,与先期岩石圈的性质、大洋板块俯冲带的分布、方向变化和俯冲持续时间、以及后期俯冲带后撤作用都有密切关系。洋-陆转换作用的统一后果是大陆的增生,但是不同区段大陆增生和物质运动的模式是不一样的。     

中—新生代东北和华北的洋陆转换作用

本文对西太平洋的洋—陆转换作用进行探讨。西太平洋洋—陆转换带在中国东部可分为华南、华北—黄海和东北3个区段。东北地区中—新生代洋—陆转换作用涉及古今太平洋板块和蒙古—鄂霍茨克洋板块两方面俯冲作用的影响,产生大面积中基性岩浆和火山活动,从侏罗纪一直延伸到现在。不同于东北和华南地区,华北—黄海有克拉通型的岩石圈,在晚侏罗世—新近纪因为太平洋板块的大角度旋转造成软流圈低黏度物质上涌,和地壳拉张与幔源岩浆的底侵,造成上地壳裂谷型沉积盆地。燕山地区在侏罗纪与东北地区类似,有强烈的软流圈上涌和岩石圈岩石部分熔融,产生强烈岩浆活动。在白垩纪到新生代,因为蒙古—鄂霍茨克洋闭合和太平洋板块大角度旋转,发生沿蒙古—鄂霍茨克洋的转换断层的拉张,产生从南蒙古过锡林浩特的NW向玄武质岩浆和火山带。洋—陆转换带不同区段有不同的动力学作用演化过程,与先期岩石圈的性质、大洋板块俯冲带的分布、方向变化和俯冲持续时间、以及后期俯冲带后撤作用都有密切关系。洋—陆转换作用的统一后果是大陆的增生,但是不同区段大陆增生和物质运动的模式是不一样的。     

西昆仑及邻区岩石圈结构构造演化——塔里木南—西昆仑多学科地学断面简要报道

通过深地震反射剖面,宽频天然深地震探测,广角折射、反射剖面,结合地表地质观察、岩石矿物和地球化学研究,以及弹性模拟计算等,对当前国际上流行的所谓高原北缘向南呈A型俯冲,南缘向北俯冲构成的青藏高原地壳加厚、隆升的“双俯冲”(two-sidedsubduction)模式提出质疑,认为高原北缘至少在西昆仑与塔里木(欧亚板块)之间不存在长距离的俯冲,在新生代以来的强劲挤压中,塔里木起到了一定的阻挡作用,在这里呈现南北向挤压应力场,因而青藏高原西北缘陆-陆碰撞造山、盆山的形成受到“南北双向挤压模式”所控制,也是造成青藏高原西北缘新生代期地壳加厚、隆升的重要动力因素     

西昆仑及邻区岩石圈结构构造演——塔里木南——西昆仑多学科地学断面简要报道

通过深地震反射剖面，宽频天然深地震探测，广角折射、反射剖面，结合地表地质观察、岩石矿物和地球化学研究，以及弹性模拟计算等，对当前国际上流行的所谓高原北缘向南呈A型俯冲，南缘向北俯冲构成的青藏高原地壳加厚、隆升的“双俯冲”（two-sided subduction）模式提出质疑，认为高原北缘至少在西昆仑与塔里木（欧亚板块）之间不存在长距离的俯冲，在新生代以来的强劲挤压下，塔里木起到了一定的阻挡作用，在这里呈现南北向挤压应力场，因而青藏高原西北缘陆-陆碰撞造山、盆山的形成受到“南北双向挤压模式”所控制，也是造成青藏高原西北缘新生代后期地壳加厚、隆升的重要动力因素。     

东亚典型构造结的壳幔结构

笔者等在研究亚洲位于青藏高原的东、西构造结,和位于中国台湾和日本伊豆地区的构造结以后,发现这4个典型的构造结的地壳上地幔有共同结构：地壳和岩石圈地幔含有上涌的低速异常,而中—下软流圈有集中凸起的高速异常。对这种壳幔结构特征形成的动力学作用机制,提出了以下解释：两组洋—陆或者陆—陆俯冲带运动交叉处相互挤压和撞击,造成比较薄弱的块体的一端破碎。破碎的高的密度大洋岩石圈块体向软流圈下沉,同时使软流圈上层的热流体上涌,最后形成了构造结,同时产生了地震波速上低下高的壳幔结构特征。     

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。     

西藏及其周围地区地壳、地幔地震层析成像——印度板块大规模俯冲于西藏高原之下的证据

文中介绍有关西藏—喜马拉雅碰撞带的一项地震层析成像研究。根据一个用天然地震数据产生的全球波速模型 ,印度板块有可能以近水平状俯冲于整个西藏高原之下至 16 5～ 2 6 0km深度。西藏岩石圈具有低波速地壳和高波速下岩石圈 (75～ 12 0km深 )。在 12 0～ 16 5km深度范围 ,西藏岩石圈与俯冲的印度板块之间有一层低速软流圈物质。高原中部从地表到 310km深处有一低速体 ,说明地幔物质有可能穿过俯冲板块的脆弱部位上隆。这些结果以及野外实测的地壳缩短值说明高原的抬升得助于印度板块的近水平俯冲。我们推论俯冲印度板块的升温上浮以及上覆软流层的存在是造成西藏高原高海拔抬升以及内部地表仍相对平坦的主要原因。2 0 0 1年 1月 2 6日在印度西部发生的毁灭性大地震有可能是俯冲应力在印度板块后缘薄弱处引发的岩石圈大断裂。     

中国西部布格重力异常特征和地壳密度结构

本文是以地学断面、反射／折射地震和宽频地震资料为地壳密度模型初始约束条件,沿西藏噶尔—新疆布尔津、西藏亚东—内蒙古额济纳旗、新疆阿尔泰—四川成都等3条剖面做布格重力异常反演计算,模拟出中国西部地壳密度结构。中国西部地壳密度结构特征在南北方向存在巨大差异。以西昆仑一阿尔金一祁连山近EW向重力梯度带为界,地壳密度结构可分为南北两个大的密度结构单元,南部地壳密度结构特征为低密度、厚地壳;北部地壳密度结构特征为高密度、薄地壳;中国西部地壳处于地壳均衡状态。地壳上地幔密度不均匀性特征在纵向和横向上都是很明显的。青藏高原内部软流圈具有低密度特征,低密度软流圈产生向上的浮力是青藏高原重要的隆升机制之一。     

华北地台北缘中段中生代岩浆活动基本特征

本区地处欧亚板块东缘、横跨太平洋构造带北段第二和第三隆起带及其间的松辽沉降带。由于太平洋板块向大陆的俯冲作用,使本区成为活动的太平洋型大陆边缘的一部分,岩浆活动强烈(图1),与之有关的矿产十分丰富。按本区中生代构造发展过程可分为两个阶段,即侏罗纪陆缘造山带、裂谷系形成阶段与白垩纪陆缘裂谷形成阶段,新生代     

喜马拉雅造山带东段错那裂谷的地壳结构

喜马拉雅造山带由印度与欧亚大陆板块的陆陆碰撞而形成。为何在挤压造山的碰撞前缘形成代表垮塌的藏南裂谷系存在巨大的争议。回答这个问题需要对裂谷的地壳结构有一个全面的认识。各裂谷带的起始活动年代自西向东逐渐年轻。本研究选取喜马拉雅东部较为年轻的错那裂谷,利用密集台阵接收的远震数据,通过P波接收函数方法,揭示错那裂谷的精细地壳结构,进而通过地壳结构分析裂谷的形成。结果显示错那裂谷为全地壳尺度结构,裂谷下方莫霍面发生明显错断,且壳内结构侧向不连续发育显著。本研究表明裂谷的形成可能关联更大尺度的区域构造运动,单一的重力垮塌是否能形成地壳尺度的裂谷需要进一步研究。综合前人对藏南裂谷系区域的超钾岩和埃达克岩研究以及深部地球物理观测结果,推断因俯冲的印度板片撕裂导致软流圈物质上涌弱化了错那裂谷区域下地壳,并且结合研究区内喜马拉雅淡色花岗岩研究显示中上地壳也存在弱化现象。因此,结合本研究结果推测全地壳尺度裂谷的形成需要不同深度的地壳弱化。     

青藏高原北部的碰撞造山及深部动力学——中法地学合作研究新进展

本文展示了中法1995～2000年青藏高原北部地学研究的如下主要新进展：①完成8000km长的青藏高原北部及中部天然地震岩石圈探测剖面，确定若干条岩石圈断裂，发现与新生代火山喷发有关的青藏高原中部深处的低速、低密度体，塔里木地块俯冲于阿尔金山之下；②提出阿尔金断裂形成于220～240Ma和左行平移400km的科学依据及确定其新生代变形量；③确定祁连南缘350km长的高压-超高压变质带，提出其可能代表早古生代时期北中国板块与扬子板块之间西部界限的新认识；④根据加里东期蛇绿岩、花岗岩及俯冲杂岩带的新发现，初步建立了古碰撞造山格架；⑤提出高原隆升的“地幔底辟和内向陆内俯冲”的新假设。     

秦岭地区硅质岩的地质地球化学特征及研究展望

在全球板块构造格局中,中国大陆位于欧亚板块的东南部,东邻俯冲的太平洋板块及其俯冲带,南接印度板块及与欧亚板块的碰撞造山带,处于欧亚板块、印度板块和太平洋板块三大板块交汇的特殊区域,构成了中国独特的地球动力学背景,制约着中国大陆中新生代以来的板块运动和板内构造作用.中国大陆中东部地区可划分为三大基本构造单元:华北陆块、扬子陆块及其之间的秦岭一大别造山带.地史上,受加里东-海西期俯冲-碰撞作用,致使扬子大陆被动陆缘在地幔热流上涌时引发南秦岭陆缘裂谷作用,继而在古特提斯扩张叠加下勉略洋扩张打开,并直接造成南秦岭陆内地壳伸展及断陷盆地形成.除在古生代沉积建造中酿造多种类型的含矿岩系外,重要的是在断陷盆地中形成一大批超大、大、中小型热水沉积型层控铅锌矿床.硅质岩是造山带中分布较为广泛的岩石类型之一,在秦岭地区也同样广泛发育,并且与矿床有着非常密切的关系.     

华南东南沿海地区岩石圈电性结构

为了研究华南东南沿海地区的壳幔电性结构及其动力学背景,布设了4条大地电磁测深剖面,获得了相应的二维地电模型,并结合相关地质和地球化学信息对地电模型进行了研究。结果表明:研究区西部地壳由于碰撞汇聚作用变厚,东部地壳由于太平洋板块的俯冲作用剧烈减薄。华南东南沿海地区的岩石圈并不是简单的呈现"西厚东薄"的特征,研究区东西两端岩石圈厚度超过100km,推测西段岩石圈增厚主要形成于陆内挤压造山或陆内碰撞汇聚造山作用,而东端岩石圈增厚可能由于大洋板块俯冲时洋壳残留物叠置在岩石圈的下部所形成,而中部岩石圈的减薄与软流圈物质上侵有关,造成此区域大规模软流圈物质上侵的动力来自于太平洋板块俯冲产生的深部热扰动。     

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。     

东北亚南区中—新生代大地构造轮廓

东北亚南区是西太平洋构造带、北美大陆板块(或鄂霍次克板块)与中亚造山带、中朝、扬子板块等交汇部位,在泛大陆(Pangaea)拼合、裂解的宏观背景下中—新生代以来经历了多次构造事件的叠加,构造面貌比较复杂。包括朝鲜半岛在内,许多中—小型陆块的构造归属长期以来一直存在着争议,笔者根据近年来SHRIMP测年信息、生物古地理和相邻构造带的延伸,认为朝鲜半岛、日本飞驒—隐歧地块古生代应该归属于中朝板块;萨哈林岛—日本北海道归属于北美板块;布列亚—佳木斯—兴凯地块古生代归属于西伯利亚板块。20世纪80年代以来绝大多数学者都把本区中生代以来的构造发展同西太平洋壳向东北亚大陆的俯冲联系在一起,然而近年相当多学者从东亚大陆本身的陆-陆碰撞-挤出-扩张来寻求晚中生代以来地壳-岩石圈减薄的地球动力学原因。本区经历了晚海西—印支期古亚洲洋消亡和晚燕山期(晚侏罗—早白垩世)南北大陆的陆-陆碰撞汇聚两个时期,使中亚造山带扩展到中朝板块北缘的阴山—燕山地区,使地壳增厚,形成与现今青藏高原类似的高原地貌;早白垩世晚期—古近纪本区地壳-岩石圈减薄,出现大规模伸展型盆-山结构,郯—庐断裂北延,出现左行走滑错移,东部陆缘俯冲增生、太平洋板块运动转向,引起的挤压变形,以及古近纪晚期大面积准平原化,黑龙江、吉林古近纪隆起边缘断陷盆地中的许多重、贵金属砂矿矿床也多半形成在此期;新近纪本区地壳-岩石圈进一步减薄,大陆裂谷扩展为东亚—西太平洋裂谷带,形成NNE向伸展型盆-山结构,日本海打开,西太平洋岛弧形成,早更新世末初步形成地形阶梯,晚更新世以后才形成了控制着地热与水系分布的现今地貌格架。     

浅地幔系统的动力学作用

近年来地幔地球物理三维成像为地下深部构造和物质运动提供了大量数据和信息,促进了人们对浅地幔系统物质运动的特征和动力学作用的认知。按照运动的方向不同,浅地幔系统的物质运动可分为三种主要形式:水平运动、向上涌动和向下沉动。浅地幔系统物质向下运动由地球引力势能引起,其他方向的运动主要由热能和动能引起。除了动力来源之外,浅地幔系统物质运动的方向还取决于岩石圈和软流圈的物质属性,因为高黏度介质阻挡物质运动,而低黏度介质加速物质运动。软流圈物质的水平蠕动差异,产生了岩石圈的伸展、拆离和推覆等复杂构造,速度和动能较大软流圈物质的蠕动,一定会带动岩石圈板块物质的运动和变形。软流圈物质的向上涌动又可以进一步细分为上涌运动、上拱运动和穿刺运动三种方式,它们对上方岩石圈的作用效果是不同的。浅地幔系统的物质下沉运动有多种形式,包括俯冲、拆沉和交代作用,也经常伴随有软流圈物质上涌,在微观上是一种对偶运动。这种对偶运动造成了克拉通地壳的底垫和岩石圈的陆根。软流圈大规模的物质运动,包括大洋中脊物质上涌、大陆碰撞造山和大洋俯冲的前陆拉张,在全球地震层析成像图上都有清晰的反映。中国东南沿海一带是浅地幔系统物质运动的一个特殊地区,可能是由于白垩纪伊佐奈崎板块俯冲,激发东亚大陆边缘软流圈上涌,然后又造成大陆边缘岩石圈局部拆沉等一连串动力学作用叠加形成的。