Deep Mechanical Cenozoic Volcanism Background for the in the Tibetan Plateau

The principle prerequisite for the formation of a volcano is the generation of a channel for magma transportation. There is little research on the deep mechanical mechanism for the formation of a magma transportation channel in the Tibetan plateau. Based on the subcrustal mantle convectiongenerated stress field inversed by gravity anomalies, together with its relationship to the Cenozoic volcanism in the plateau, and the mechanism of crustal fracture formation, as well as the numerical results of the evolution of mantle convection beneath the plateau, this paper investigates the deep mechanical mechanism for the formation of a magma transportation channel in the Tibetan plateau. There are two significant extensional convection-generated stress zones beneath the plateau, in which the volcanic rocks in the central and northern parts of the plateau are distributed. The Linzizong volcanism in southern Tibet correlates the upwelling mantle flow prior to the India-Asia collision or during the early stage of the collision. The magnitude of the stress is - 100 MPa, which is the same order of force that causes crustal fractures. The evidence implies that the mantle convection-generated stress is one of the principle causes of crustal fractures, and furthermore, the formation of the magma transportation channel in the Tibetan plateau.     

青藏高原新生代火山活动的深部力学背景

为了研究火山形成基本要素——岩浆运移通道的形成, 基于重力异常反演的青藏高原下地壳底部的地幔对流应力场, 结合地壳破裂形成机理和对流应力场与青藏高原新生代火山分布的关系, 以及青藏高原下地幔对流演化的数值模拟结果, 分析了高原火山岩浆运移通道产生的深部力学机制.研究表明, 高原下地幔对流应力场存在两个大的拉张区, 高原中部和北部的火山岩均分布于拉张应力区.南部的林子宗火山区对应了印度板块与欧亚大陆碰撞前或碰撞早期高原下的地幔上升流.对流应力的量级为~100Ma, 这与导致地壳破裂的应力量级相当.所有这些证据表明, 青藏高原下地幔对流应力场可能是导致高原地壳破裂, 并发展为岩浆物质通道的主要力学机制之一.      

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。     

青藏高原的地幔动力学研究

青藏高原的形成是印度板块与欧亚大陆碰撞、挤压的结果，但简单的碰撞模型及南西—北东向的挤压无法解释高原现今所有的构造。因此，其他地球动力学因素，尤其是地幔动力学过程逐渐引起人们的关注。简要回顾青藏高原隆升的地幔动力学机制研究历史；较详细地介绍了青藏高原下深部结构的地幔动力学含义；并重点评述在青藏高原隆升的地幔动力学机制研究领域所取得的主要结果。说明在全球构造格局中，青藏高原不仅仅是印度和欧亚大陆会聚、碰撞以及大陆形变的结果，它也是青藏高原大陆岩石层和下伏地幔物质运动的相互耦合、相互作用的产物。     

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.     

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。     

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。     

利用接收函数方法研究哀牢山剪切带南段金矿区的岩石圈结构: 岩石圈减薄与岩浆通道

印藏碰撞导致了青藏高原内部及周边地区形成巨量储量的成矿带。虽然这一地区的成矿研究非常深入,但仍然需要 完善对“源-运-储”的综合研究,需要从地壳上地幔结构角度对成矿源的起源进行探索。位于哀牢山剪切带南段的大坪- 长安金矿具有幔源成因迹象,该文研究了该矿区及邻区的岩石圈结构,从深部研究成矿来源。通过接收函数方法获得的研 究区剖面,揭示壳幔边界（Moho） 深度在30~40 km,但在金矿矿区下表现为Moho转换震相强烈横向不连续,表现为东西 两侧约3~5 km的下沉。岩石圈软流圈边界（LAB） 的转换震相揭示,研究区的岩石圈厚度为60~80 km,有效约束了研究区 强烈岩石圈减薄后剩余岩石圈的厚度。金矿区西侧思茅块体的岩石圈厚度最薄,位于前人层析成像工作揭示上地幔顶部一 低速体的上方。金矿区下方的岩石圈厚度为~80 km且LAB的转换震相表现为强烈的横向不连续。金矿下Moho和LAB的横 向不连续暗示了金矿区下方存在岩石圈尺度的岩浆通道,即软流圈的地幔物质可以较快速地到达浅表。笔者认为,研究区 的岩石圈结构支持由俯冲驱动的幔源成矿模型,但大坪-长安金矿矿区下的岩石圈尺度的岩浆通道的形成与哀牢山剪切带 的剪切变形直接相关。由Burma俯冲导致的地幔物质上涌对该通道的形成贡献有限。     

长白山火山区高精度Rayleigh面波相速度结构与岩浆系统

近年来,有关长白山火山是否存在潜在喷发危险的讨论引起了国内外地学研究者的广泛关注,但人们目前对其壳幔岩浆系统的了解却十分不足,已有的研究对长白山火山壳内岩浆房存在的深度位置、形态规模及其部分熔融程度的认识仍存在较大分歧。本研究通过汇集长白山火山及邻区(包括朝鲜境内)多个密集流动地震台阵和区域固定地震台网的观测资料,采用背景噪声成像方法获得了长白山火山区高精度的Rayleigh面波相速度模型。成像结果表明:长白山火山中-下地壳深度位置存在显著低波速异常,可能指示了岩浆房的存在。上地壳局部低速区可能反映了壳内深部岩浆向上运移的通道或者是区域小尺度的岩浆聚集体。长白山火山上地幔顶部的低速可能揭示了软流圈热物质上涌,其减压熔融为壳内岩浆房提供了幔源岩浆补给。     

Volcanism of the Kerguelen Plateau (Indian Ocean): Composition,Evolution, and Sources

Petrographic and geochemical study of basalts in the Kerguelen Plateau basement revealed changes in the composition and character of volcanism during the development of this tectonovolcanic structure. The Kerguelen Plateau is one of the largest intraplate rises in the World Ocean. It started to form about 120 Ma ago. The age of basalts and overlying sediments shows that the plateau formation succeeded in the northwestern direction. Basalts of the Kerguelen Plateau basement are products of tholeiitic melts in terms of geochemistry, but differ from the mid-oceanic ridge basalt (MORB). They are enriched in incompatible trace elements and rare earth elements (REE) relative to MORB, and the degree of enrichment varies in basalts from different segments of the plateau. The composition of basalts does not directly depend on their age. Specific features of the plateau magmatism are commonly explained in terms of a long-living deep magma plume, which variously interacted with a depleted upper mantle source at different stages of the plateau formation. However, taking into account block morphology and deep structure of the plateau, one can suggest that the plateau volcanism was initiated by a large fault. As the volcanism prograded to the northwest, the depth of fault penetration into the mantle changed. The composition of basalts in the plateau basement was also governed by the formation depth of primary melts.     

华北克拉通北缘显生宙四次底侵作用及其构造-岩浆活动与深部背景

通过对华北克拉通北缘显生宙四次(P₁,T₃,J₁,K₁)底侵作用的研究,将华北克拉通的活化与岩石圈深部地幔物质的底辟体上涌联系起来。不同阶段底侵作用在岩浆来源深度、与构造格局关系、对地壳垂向增生的贡献、幔源物质脉动式上涌等方面的差异与变化,显示它们是一个分阶段连续热演化的深部过程,其动力学机制是深部的高热流和地幔物质的向上运移。对应于地幔物质上涌,必然存在同期的地幔底辟体隆起的岩石圈结构变化。通过对华北中生代盆山系形成机制的讨论,认为该区高分辨率面波层析成像所显示的地幔底辟体上涌的特征可以反映中生代岩石圈底侵作用的深部背景。     

中国西部及邻区岩石圈热状态与流变学强度特征

根据均衡原理制约的地热计算得到中国西部及邻区岩石圈的温度分布状态,以40、100km和莫霍面深度等温线图的形式表示,同时计算了以1 350℃等温面深度表示的中国西部及邻区的热岩石圈厚度。结果显示:中国大陆西北部地区、哈萨克斯坦东部地区以及上扬子地块、蒙古中西部地区和青藏高原中部的深部地温较低,青藏高原北部、东部以及天山褶皱带中部的深部地温高。在中国西部及邻区范围内,岩石圈厚度在180km以上的地区包括准噶尔盆地,塔里木盆地核心部位,西藏东部、中部以及祁连山地区。上扬子地块(四川盆地)岩石圈厚度为160km或更多,蒙古中西部地区以及哈萨克斯坦东部地区的岩石圈厚度为140～180km。青藏高原东部边缘和藏北地区以及天山中部吉尔吉斯伊塞克湖地区的岩石圈厚度较薄(<140km)。地热计算得到的结果与地震层析成像研究结果之间相互吻合。采用湿的上地幔流变学模型的计算结果表明,青藏高原及其东部边缘、天山褶皱带中部和蒙古中西部地区的岩石圈流变学强度模型为"奶油蛋糕(crèmebrlée)"型,其强度剖面显示强地壳而弱地幔的特点;上扬子地块(四川盆地)、准噶尔盆地、塔里木盆地和哈萨克斯坦东部地区岩石圈流变学强度模型为"果冻三明治(jelly sandwich)"型。     

Cenozoic rifting and volcanism in eastern China: a mantle dynamic link to the Indo–Asian collision?

The Indo–Asian continental collision is known to have had a great impact on crustal deformation in south-central Asia, but its effects on the sublithospheric mantle remain uncertain. Studies of seismic anisotropy and volcanism have suggested that the collision may have driven significant lateral mantle flow under the Asian continent, similar to the observed lateral extrusion of Asian crustal blocks. Here we present supporting evidence from P-wave travel time seismic tomography and numerical modeling. The tomography shows continuous low-velocity asthenospheric mantle structures extending from the Tibetan plateau to eastern China, consistent with the notion of a collision-driven lateral mantle extrusion. Numerical simulations suggest that, at the presence of a low-viscosity asthenosphere, continued mass injection under the Indo–Asian collision zone over the past 50 My could have driven significant lateral extrusion of the asthenospheric mantle, leading to diffuse asthenospheric upwelling, rifting, and widespread Cenozoic volcanism in eastern China.     

东昆仑大地震的深部构造背景

本文以深地震测深剖面资料揭示的地壳结构形态为切入点 ,探讨东昆仑 8.1级大地震的深部构造背景。沱沱河—小柴旦长 5 0 0km的剖面范围内发现两处大的莫霍面错断 ,分别位于东昆仑 柴达木结合带之下和金沙江断裂之下。青藏高原北部的地壳厚度 6 1～ 75km :莫霍面具有一致南倾 ,逐步加深的产状及弱反射性特征 ;下地壳明显增厚 ,但速度未见明显降低 ;上地壳发育逆冲、走滑断裂 ;地壳中部存在低速层。北邻的柴达木盆地地壳相对刚性 ,厚 5 2± 2km。东昆仑及邻区的壳幔结构有利于强地震孕育。在印度板块向北推挤和柴达木地块的向南插入的区域挤压应力场中 ,青藏高原北部较弱的下地壳缩短增厚 ,变形过程中的蠕滑引起地壳浅部的应力放大。但NE向主压应力的作用不是大地震形成的唯一要素 ,与青藏高原北部各地体侧向运动有关。侧向运动速率和幅度的差异使应力在各地体的边界断裂积累并使其复活。而低速层对形成孕育大地震需要的“立交桥式”的局部应力环境是必不可少的条件。     

长江中下游及邻区的地壳密度结构与深部成矿背景探讨——来自重力学的约束

长江中下游成矿带是我国最重要的矿产资源生产基地之一。为了深入理解和认识此成矿带形成的深部构造背景及其岩浆活动与成矿作用过程,本文利用NW-SE向利辛-宜兴地球物理探测剖面的重力场资料构建了跨越长江中下游成矿带地域的二维深部地壳密度结构模型。并在结合其他已有研究成果的基础上,从Moho界面的展布形态、密度分布特征与壳内低密度区的存在等方面探讨了该区的深部构造格局与成矿作用过程。研究结果表明:长江中下游成矿带地域下方的地壳密度结构与其两侧地域存在显著差异;在宁芜矿集区下方的Moho界面呈上隆形态,矿集区存在密度值略低于两侧地域的低密度异常区。幔源岩浆的上涌底侵与MASH成矿作用可较好地解释该区的结构与构造形态以及在地表所见到的岩浆广泛存在和矿产资源富集的特征。岩石圈地幔物质在宁芜矿集区下方的上涌导致了Moho界面的抬升,而脆性上地壳中的伸展断裂则为岩浆的向上运移与矿产资源的形成提供了有利场所与环境。     

Study on Unified Inter-Spherical Acting of Continental Collision of Tibet Plateau

STUDY ON UNIFIED INTER-SPHERICAL ACTING OF CONTINENTAL COLLISION OF TIBET PLATEAU     

Anomalous phenomena preceding earthquakes (one more approach to discussion on SES nature and VAN-prediction reliability)

Seismic electric signals (SES) preceding strong earthquakes (EQ) are reliable recorded and separated by VAN group on special station network in Greece. Traditional commonly accepted idea that original cause of EQ and all its precursors is the stress accumulation in focal zone meets difficulties in explanation of SES features: long distance appearance, selectivity, lack of reversibility, alternation. Recently proposed (Guterman & Khazan, 1994) magmatic mechanism of shallow crustal EQ preparation allows to construct the model for explanation of most enigmatic SES features. Basic model consists of mantle chamber, the central crustal magma chamber and magma channel connecting mantle and crustal chambers. Basic model can be supplemented by set of secondary crustal chambers with their magma channels spreading quasiradially from centre. Data of geology on giant radiating dike swarms confirm plausibility of the model.     

大型花岗岩基形成和演化的深部动力学过程：滴水构造、钾质火山作用与地表地质过程

以美国内华达山脉复合岩基为例,系统评述了与大型花岗岩基的形成、演化相关的深部地球动力学过程及构造地貌学响应.在大陆岛弧环境下,基性岩浆的底侵作用促使下地壳发生角闪岩脱水部分熔融,在岩基根部形成高密度的石榴辉石岩,岩基根部最终发生重力失稳,形成滴水构造;在地貌上反映为滴水构造对应区域的沉降和相应的张性构造,在岩浆作用上则表现为软流圈地幔上涌和残余富集岩石圈地幔的低程度部分熔融,形成钾质火山岩.这种高度动态的深部动力学过程是维持大型花岗岩基地区较高高程或促使这些区域高程骤然增加的重要因素.     

根据地震纵波速度分析青藏高原地壳放射性生热率和地幔热状态

从1974年至今,人们对青藏高原的研究积累了大量的地球物理资料。笔者搜集了23条地震剖面纵波数据,利用地震纵波速度和生热率的关系,绘制了各条剖面的地壳岩石生热率随深度变化的等值线,并结合已有的大地热流数据,得到了地幔热流密度分布情况。从地幔热流密度分布可以看出:在班公—怒江缝合带、印度—雅鲁藏布江缝合带、拉萨地体上存在地幔热流较高区域;该区域位于地块碰撞挤压带上,地层构造复杂,地热资源丰富,以著名的羊八井地热田为代表。初步推断该区域地幔岩浆较活跃。     

东昆仑地区地球物理特征与矿产资源分布

利用东昆仑地区的区域重磁场及深部地球物理信息,研究探讨了地球物理特征与矿产资源的关系。贯穿研究区的重力梯级带反映了地壳深部构造的深大断裂带,该梯级带与昆中断裂对应,它不仅是划分构造单元的边界,而且与地壳构造运动的性质及岩浆活动、矿产分布等密切相关。研究区航磁异常区以东西向、北西向和北东向为主,异常呈交叉及串珠状分布。沿重力梯级带及航磁异常周围形成一些具工业价值的矿床。深部地质与地球物理资料揭示了该区地壳与上地幔密度分布的不均匀性及其速度结构差异。深大断裂的发育对该地区金属成矿区带的分布起到了控制作用。