地幔柱、大火成岩省及大陆裂解-兼论中国东部中、新生代地幔柱问题

根据前人对地幔流体力学数值模拟、全球地震层析成像和火成岩方面的研究成果，详细叙述了地幔柱的基本特征，即:地幔柱具有巨大的球状顶冠和细窄尾管的形态，具备高温、低粘的物理性质，来自2 900 km处核/幔边界附近的D层. 大火成岩省（LIP）是地幔柱到达地表最好的表现形式. 基于地幔柱、大火成岩省的基本特征，以及地幔柱和大陆解体的时空关系，通过对中国东部中、新生代火成岩的岩石学、地球化学和时空分布特征， 以及这些火成岩产生的构造背景等方面的研究，认为中国东南地区中生代火成岩与典型的地幔柱有关的LIP的基本特征并不符合，不能把东南地区中生代火成岩作为典型的与地幔柱活动相关的大火成岩省的实例来看待；东北地区新生代火成岩不具备热点、地幔柱活动的典型特征，新生代火山活动与地幔柱活动可能没有直接关系.      

塔里木早二叠世大火成岩省

塔里木早二叠世大火成岩省是继峨眉山大火成岩省之后在中国境内确认的又一个大火成岩省,是当前研究的热点和前沿问题.论文系统总结了塔里木大火成岩省近20年研究取得的成果,指出了下一步重点研究领域.塔里木大火成岩省火山岩的残余分布面积大于25万平方公里,最大残余厚度达780 m,大规模玄武岩的喷出发生在290～288 Ma期间,属于快速喷发的大火成岩省岩浆事件.塔里木大火成岩省中最为发育的玄武岩和辉绿岩岩墙的微量元素特征与OIB的特征相似,且以高钛型为主体;但在同位素特征上明显的可以分为两类,柯坪地区玄武岩具有负的εNd值,重稀土值相对较高,来自富集型地幔;塔北玄武岩和辉绿岩具有正的εNd值和相对低的重稀土值,来自亏损型地幔.早二叠世大规模地壳抬升、苦橄岩与大规模岩墙群发育和瓦基里塔格大型钒钛磁铁矿矿床都支持塔里木大火成岩省与地幔柱活动有关.塔里木大火成岩省与中亚地区广泛发育的二叠纪基性和超基性岩浆作用存在着时空联系,它们是代表了一次具有重要地球动力学意义的构造岩浆事件.论文指出了塔里木大火成岩省的深部地质过程、成矿作用、与地幔柱关系、与盆地环境变化和生命演化的关系及其大火成岩省的地球动力学意义等方面研究将是下一阶段的重点研究领域.     

地幔流体及其在地震孕育中的作用

依据地球物理宏观资料、行星化学和地球化学微观分析以及高温高压实验结果,阐明了地幔中存在丰富的流体,扼要介绍了若干流体引发地震的假说,简述了隐爆产生地震的机制。地幔矿物流体包裹体、高温高压相含水硅酸盐矿物与地球物理探测资料表明,整个地幔内普遍存在高能密流体,地幔过渡带和D″层是流体富集的地带,地幔中存在的总水量比海水量高出几个数量级。地幔高能密流体流动产生热对流,造成了固体地球内温度、电导率、地震波速度以及地球化学组成的不均一性。高能地幔流体向外逃逸,不仅改变了壳幔岩石的物理和化学性质,且为岩浆形成和地震孕育提供了能量。流体在地震孕育中的作用包括两个方面:降低断层带摩擦力以及岩石强度触发地震和流体爆炸或相变产生地震。流体爆炸产生地震是地核与下地幔流体以“运移—局部聚集—爆炸的幕式循环”反复进行,产生不同震源深度、不同震级的各类地震。然而,地幔流体的组成、行为及其在孕震过程中的作用机制还需深入研究。     

塔里木早二叠世大火成岩省的成因模式

近20年来,塔里木早二叠世大火成岩省在各类火成岩的空间分布、时间序列、地球化学特征、地幔源区和岩浆演化等方面有了深入的认识,为揭示大火成岩省的成因模式和演化过程奠定了坚实的基础.本文将主要基于塔里木大火成岩省存在的两阶段岩浆产物,结合前期研究基础和前人研究成果,系统论证塔里木早二叠世大火成岩省成因的两阶段熔融模式.模式认为塔里木大火成岩省的形成与地幔柱活动有关,其地幔柱作用形式兼具"巴哈纳型"和"德干型"两种特点,即早期高热的地幔柱引起了岩石圈地幔的低程度部分熔融,后期地幔柱上升绝热减压引起地幔柱自身部分熔融.在早期熔融事件中,地幔柱主要表现为上部岩石圈熔融所需的热供给,后期熔融过程中地幔柱成为熔融发生的主要场所和物质供给源.第一阶段喷发的两类玄武岩具有高~(87)Sr/~(86)Sr、低~(143)Nd/~(144)Nd的同位素特征,富集大离子亲石元素和高场强元素,为富集的大陆岩石圈地幔部分熔融的产物,具有"巴哈纳型"特征;而第二阶段产出的基性-超基性侵入岩具有相对两类玄武岩较低的~(87)Sr/~(86)Sr,较高的~(143)Nd/~(144)Nd比值,为地幔热柱熔融的产物,具有"德干型"特征.其中第一阶段,可细分为Group1和Group2两类玄武岩,Group2玄武岩相对Group1玄武岩具有较低的~(87)Sr/~(86)Sr,较高的~(143)Nd/~(144)Nd比值.Group2玄武岩显示连接Group1玄武岩和第二阶段岩浆作用的过渡类型特征,表明塔里木早二叠世大火成岩省是地幔柱与岩石圈地幔持续相互作用的结果.关于塔里木大火成岩省成因模式的研究有助于增进对塔里木大火成岩省岩浆作用、深部地质过程和地球动力学过程的全面认识,有利于丰富大火成岩省的成因理论和地幔柱活动理论.     

峨眉山玄武岩——中国唯一的大火成岩省

<正>俊秀挺拔的峨眉山屹立在中国大地的西南。它不仅以其地势陡峭、风景秀丽博得了“秀甲天下”的美誉,也因其独特、丰富的文化底蕴在中国历史上久负盛名,“震旦第一山”的封号已经流传了近两千年。那么,是什么样的鬼斧神工造就了如此俊秀的峨眉山呢？是那个担山赶日的二郎,还是那个开天辟地的盘古？     

峨眉山大火成岩省地壳速度结构与古地幔柱活动遗迹:来自丽江-清镇宽角地震资料的约束

峨眉山大火成岩省是中国境内唯一被国际学术界认可的大火成岩省,普遍认为其形成与古地幔柱有关.以往对峨眉山古老地幔柱事件的识别,主要依靠地质地球化学等资料,缺少深部地球物理探测结果的约束和支持.为此,我们利用"丽江-攀枝花-清镇"剖面的人工源宽角地震数据重建该地区地壳速度结构,以便更好地理解峨眉山大火成岩省的深部结构与属性特征.前人根据茅口灰岩的剥蚀程度,将峨眉山大火成岩省从分布空间上划分为内、中、外三个带.跨越内、中、外带剖面地震探测结果显示:(1)沿剖面结晶基底的平均深度在2 km左右.(2)中地壳平均速度结构为6.2~6.6 km/s;内带局部呈现大约幅值为0.1~0.2 km/s的高速异常;下地壳速度结构,在内带为6.9~7.2 km/s;中带和外带偏低,为6.7~7.0 km/s;在内带和中带交界附近,受小江断裂带的影响,上、中、下地壳均呈现相对低速异常特征.(3)小江断裂两侧,尤其东侧地壳平均速度较低,且固结地壳的平均速度也较低,初步认为小江断裂至少向地下延伸至40 km以深,可能切穿整个地壳.(4)沿剖面Moho面深度,内带范围内深约47~53 km,中间呈上隆的特征;中带深约42~50 km,外带深约38~42 km,中带至外带,Moho面逐渐变浅.内带Moho面局部隆起、(固结)地壳呈现高速异常特征,可能是二叠纪地幔柱活动引起的底侵作用及岩浆上侵的结果,为古地幔柱的活动遗迹.     

地幔柱在蒙古-贝加尔裂谷起源中的作用

本文通过整理近年来蒙古-贝加尔裂谷有关地幔柱的研究成果,从重力异常、层析成像和接受函数等方面分析贝加尔地区上地幔的各向异性特性,并重点介绍了中蒙合作项目的深部构造研究成果,探究地幔柱在蒙古-贝加尔裂谷形成中的作用.研究发现:贝加尔裂谷区上涌物质来源于410km不连续面之下和660km不连续面之上,低速异常延伸至贝加尔裂谷下的地幔转换地带,可能是地幔柱低速异常的反映.速度异常还可能与应力环境有关,东部Pn速度低值异常与太平洋板块俯冲动力作用引起的地壳的伸展减薄和岩浆活动有关,西部Pn速度高值异常则是India板块强烈碰撞挤压动力作用所形成.蒙古-贝加尔裂谷带起源受岩石圈扩张和岩石圈不均匀性的综合影响,裂谷下的低速区存在偏转的地幔柱,偏转的地幔柱在India-Asia板块碰撞引起形变的远场力的帮助下,成为贝加尔裂谷演化和发展的主要成因之一.     

磁异常揭示的峨眉山大火成岩省的深部结构

峨眉山大火成岩省位于中国西南部,在晚二叠纪约260 Ma喷发出巨量的大陆溢流型玄武岩.对于大火成岩省的岩浆喷发,在地下必定有一个相应的大规模岩浆聚集和运移系统.地球物理方法是探测岩石圈内部的有效方式.峨眉山大火成岩省为镁铁质岩浆喷发,由于镁铁质-超镁铁质岩石一般具有强磁性,因此,在喷发结束之后,地下岩浆系统如果被镁铁质岩浆填充,冷却固化成为岩石圈的一部分,很有可能会引起磁异常.本文使用区域磁异常数据来对峨眉山大火成岩省的深部构造进行研究.该区域的磁异常由一系列离散的异常组成,通过3D磁化率反演可以得到磁性体的空间分布.由于磁异常中具有明显的剩磁,直接使用经典的反演方法会有较大误差,我们首先将磁异常转换为弱敏感于磁化方向的磁异常模量,再使用模量数据进行3D反演,得到地下空间内磁异常源的分布.经过分析认为这些离散分布的磁异常源反映了岩石圈内部的镁铁质-超镁铁质侵入体.侵入体的位置可能反映了底侵和内侵的镁铁质岩浆固化形成的侵入体,代表镁铁质岩浆房位置或者岩浆运移的主要通道.

     

峨眉山大火成岩省地壳横波速度结构特征及其动力学意义

峨眉山大火成岩省是我国境内最早获得国际学术界广泛认可的大火成岩省,对于认识地幔柱形成与作用机理、生物与环境演化、资源富集与成矿机制等具有重要意义.本文利用峨眉山大火成岩省宽频带地震台阵（COMPASS-ELIP）以及云南、四川区域地震台网的部分台站资料,基于分格加权叠加策略实现接收函数和面波频散在信息来源和分辨尺度方面的协同;进而开展联合反演,重建了峨眉山大火成岩省关键剖面下方的地壳横波速度结构.研究结果显示：研究区地壳平均S波速度,沿剖面呈现自西向东先增大后减小的分带性,内带中、下地壳速度较高,尤其是下地壳存在明显的高速异常（V_S约3.8~4.2 km·s^-1）;丽江-小金河断裂带和水城-紫云断裂带的东西两侧,中上地壳存在低速层（V_S约3.3 km·s^-1）,尤其是水城-紫云断裂带东西两侧的中地壳低速层尤为明显.结合本文以及现有的系列研究结果,进一步确认内带中、下地壳高速对应二叠纪古地幔柱作用的遗迹,大规模岩浆的底侵和内侵,不仅改造了滇中块体的地壳结构和组分,而且也改变了地壳的流变强度,进而对现今青藏高原东南缘的深部过程产生了深远影响.

     

板块绝对运动及地幔热对流

本文以板块绝对运动AM1-2模型为边界条件探讨了不同的瑞利数下地幔热对流模型.结果表明,瑞利数小于10000（529.41）时,地幔对流呈现以板块驱动图式,运动的极型场和环型场由板块运动激发,两种场占有差不多相同的功率.当瑞利数增加到接近或略超过最低临界值时（约1.5倍）,对流呈现出复杂状态:1.板块运动速率小于下伏地幔对流速率;2.区域性的双层对流环出现;3.对流谱成分发生变化;4.环型场仅在地幔很浅的区域中起作用,而在地幔深部对流图式中影响很小.     

磁化率各向异性在火成岩中的应用

磁化率各向异性(AMS)表征岩石及其组成矿物的低场磁化率在不同方向上的变化.AMS以其高精度、经济省时和无损测量等优点,广泛应用于地学各个领域.火成岩原生的磁组构可用于分析岩石结构,指示熔岩流、火山碎屑流、浅成侵入岩以及深成岩体的岩浆流动方向、侵位方式和岩浆来源,研究岩石在侵位期间经历的构造事件,从而进行火成岩同构造侵位过程的研究;而利用次生磁组构则可分析岩石在侵位期后经历的改造作用.AMS结合传统岩石学、构造学方法,能有效解决特定的地质问题.     

板块绝对运动及地幔热对流

本文以板块绝对运动AM1-2模型为边界条件探讨了不同的瑞利数下地幔热对流模型.结果表明,瑞利数小于10000（529.41）时,地幔对流呈现以板块驱动图式,运动的极型场和环型场由板块运动激发,两种场占有差不多相同的功率.当瑞利数增加到接近或略超过最低临界值时（约1.5倍）,对流呈现出复杂状态:1.板块运动速率小于下伏地幔对流速率;2.区域性的双层对流环出现;3.对流谱成分发生变化;4.环型场仅在地幔很浅的区域中起作用,而在地幔深部对流图式中影响很小.     

剥蚀及地幔作用下青藏高原隆升过程的数值模拟

修改了England和Mckenzie的黏性薄层流变模型中控制大陆形变的连续性方程,将剥蚀作用对高原隆升演化的影响直接引入该方程,并考虑下伏地幔小尺度对流对增厚岩石层的搬离作用对高原隆升演化后期的影响,用有限差分法直接模拟青藏高原隆升过程. 数值模拟结果所显示的高原隆升演化过程与实际观测资料吻合较好,揭示了高原隆升演化过程的非平稳和多阶段的特性;同时还表明上地幔小尺度对流对岩石层底部的搬离作用可能是最近8Ma以来高原快速隆升的主导机制.     

地壳和地幔中的温度分布

一.引言了解地球内部的温度分布,一个多世纪以来一直是地质学研究的主要目的。比如,进行岩石学研究,以便确定火成岩和变质岩形成(或最终均衡)时的温度和压力。而大地构造学和构造地质学同样也关心这种温度分布的结果,诸如在地质时间尺度上地壳所经受的大尺度形变。确立使行星内部加热的能源必须依据于对岩石中示踪元素含量的地球化学研究,而从整体上又必须依据于地球原始形成方式的研究。最终,热量从地球内部向外部传输的机制是地球物理观测(例如,热流测量)和地球物理模拟的主题。     

地幔快速隆起对构造地震的触发作用

本文应用弹性半无限空间内均匀膨胀的球体对球上介质的作用,作为地幔快速上涌触发构造地震的力学模型。按照地面垂直位移的年变化率,利用这个模型反推出这种虚拟的膨胀球的半径和膨胀强度。並计算出它在地壳中产生的附加应力。尽管此种附加应力比驱动地壳水平运动的力要小得多,但它能在高倾角断层上引起张性的法向应力,而且在隆起区内还有较高的附加剪应力。这些应力比固体潮、地极移动和地球转速变化等因素产生的附加应力都大得多。因此,地幔快速上涌对构造地震的触发作用应该比上述诸因素更大。由于近十余年来我国不少地区的走滑型强震大都发生在地壳上隆区或者在其边缘,而且发震断层都是高倾角断层,因此,本文能够对此作粗浅的解释。     

剥蚀及地幔作用下青藏高原隆升过程的数值模拟

修改了England和Mckenzie的黏性薄层流变模型中控制大陆形变的连续性方程,将剥蚀作用对高原隆升演化的影响直接引入该方程,并考虑下伏地幔小尺度对流对增厚岩石层的搬离作用对高原隆升演化后期的影响,用有限差分法直接模拟青藏高原隆升过程. 数值模拟结果所显示的高原隆升演化过程与实际观测资料吻合较好,揭示了高原隆升演化过程的非平稳和多阶段的特性;同时还表明上地幔小尺度对流对岩石层底部的搬离作用可能是最近8Ma以来高原快速隆升的主导机制.     

地震重力异常形成机理及其在地震预报中的作用

分析了地震重力异常的形成机理,结合玉树、唐山和汶川三个地震实例阐述了重力异常现象与地震之间的对应关系。认为重力异常可以用来预报地震。流动重力观测和GRACE卫星观测是地震预报中常用的两种重力预测方法,前者可以进行较准确的中短期预报,后者可以进行长期预报。     

现代板块运动驱动地幔块体置换度及地幔混合的研究

定义了描述地幔混合程度的新的统计学量度——地幔块体对流置换度和对流混合扩散度.地幔块体对流置换度等于至少被置换一次的块体数与地幔总块体数之比,对流混合扩散度等于示踪元初始体密度与示踪元终体密度之比.本研究假设地幔对流是稳定的,上地幔和下地幔的黏滞性存在差异,其驱动力为板块运动或地幔中密度异常分布.实验中地幔被划分为20736 个块体（5°×5°×300 km）,2376个示踪元被放置在地幔顶部100 km深度或底部100 km高度的5°×5°的网格点上.模型计算表明, 地幔块体对流置换度随运转时间变化.就全地幔而言,在系统运行四十亿年后,大多数模型对应的块体对流置换度均超过80%,而上地幔块体置换度则达到90%.这预示大多数的地幔块体将被来自其他位置的块体所取代.对于放置在地幔顶部或底部,浓缩于很小空间10°×10°(间距0.25°) 中的两组1681个示踪元而言,尽管其对流混合扩散度在开始有较大的差异,但是在运行一段时间之后,此两组对应的对流混合扩散度均趋于常数,示踪元比较均匀地分布于全地幔之中.由以上的结果可以推断,在经历了四十五亿年的演化过程后,由于对流的作用使地幔基本上已经均匀混合,地幔中不大可能存在尺度大于5°×5°×300 km的异常块体.