岩石圈HPE热弱化与陆内构造变形

大陆内部变形在很大程度受制于大陆岩石圈流变侧向不均一性,而温度(地热梯度)是影响地壳和地幔岩石流变性质的主导因素。由热引起的地壳/地幔岩石材料的热弱化是弱化的主要途径,为陆内变形准备了物质条件。在构造外力(板块相关的或非相关的)的作用下,这些受到热弱化的岩石材料极易发生变形,导致岩石圈内部的造山带和变形带的形成。文章试图在广泛的国内外文献搜集和综合分析基础上,介绍由生热元素(heat producing elements)聚集产生的地壳/地幔(岩石)热弱化以及随后地幔下降流构造力作用造成的大陆内部应变局部化和陆内构造变形。这些地幔下降流是由大陆岩石圈地幔重力(瑞利 泰勒型)不稳定性发育引起的。     

中国边缘海域及其邻区的岩石层结构与构造分析

利用中国边缘海域近年的地震层析成像结果,根据速度异常和各向异性分析东海、黄海和南海北部的岩石层结构和构造,讨论中朝块体和扬子块体在黄海内部的拼合边界(黄海东部断裂带)、东海陆架盆地上地幔异常与岩石层形成演化、南海北部地壳底部高速层的成因及地幔活动等问题。分析表明,黄海东部与朝鲜半岛之间存在一个深部构造界限(大致对应于黄海东部断裂带),分界两侧Pn波速度各向异性存在明显差异,反映不同构造应力和断裂剪切运动作用下的岩石层地幔变形特征。东海陆架下方的低速异常揭示了张裂盆地形成时期的地幔活动痕迹,表明中、新生代期间发生过地幔上涌并造成岩石层减薄,菲律宾海板块向西俯冲引发的地幔活动对东海陆架岩石层的形成、演化产生明显的影响。南海北部岩石层厚度较大并且温度相对偏低,地幔异常仅限于局部地区,估计南海北部大陆边缘的地壳底部高速层形成于张裂发生之前,或者是地壳形成时期壳幔分异时的产物。南海中央海盆的扩张不仅导致地壳拉张,软流层物质上涌,而且也造成岩石层地幔减薄甚至缺失。     

南海东北部及其邻近地区地壳上地幔P波速度结构

利用中国地震台网和ISC台站记录的P波到时数据,采用球坐标系有限差分地震层析成像方法反演了南海东北部及其邻近地区壳幔三维P波速度结构,并分析了不同地质单元的构造差异及其深部特征。结果表明:南海东北部表现出陆架地区的岩石层特性,属于华南大陆向海区的延伸,岩石层厚度较大,现今不存在大规模的地幔热流活动,推测大陆边缘张裂作用仅限于地壳内部而没有延伸进入上地幔,具有非火山型大陆边缘的深部特点。中央海盆附近上地幔P波速度明显降低,与海盆下方地幔热流活动密切相关。不同的速度异常特征表明:华南大陆暨台湾地区属于欧亚大陆的正常地壳或是与菲律宾海板块相互作用产生的增厚型地壳,冲绳海槽则是弧后扩张产生的减薄型地壳。滨海断裂带作为华南大陆高速异常和南海北部高速异常的分界,代表了一定地质时期华南地块和南海地块的拼合边界。断裂附近的上地幔低速异常揭示了闽粤沿海岩浆作用的深层动力机制。吕宋岛弧、马尼拉海沟、东吕宋海槽的速度异常与其所处的特殊构造位置有密切的关系,清晰地反映出岛弧俯冲带的地壳结构差异;台湾南部至吕宋岛弧的上地幔低速异常揭示了两个重要火山链的深部构造特征,北吕宋海脊下方100 km深度的条带状高速异常有可能代表了俯冲下沉的岩石层板片。     

Evolution of the central Alpine-Himalayan belt in the Late Cenozoic

The Late Cenozoic geodynamics of the Alpine-Himalayan belt comprised the collision between continental-lithosphere plates and blocks and the effect of the Neo-Tethyan active residual asthenosphere, which reached the northern margin of the belt after the ocean had closed. From the late Eocene to the early Pliocene, strong deformation, lateral migrations of flaked plates, metamorphism, and magmatism (they all consolidated the crust) took place in the lithosphere with the participation of mobile asthenospheric components. In the Pliocene–Quaternary, the asthenosphere beneath the consolidated crust partly replaced the dense mantle lithosphere with remaining paleoocean mafic rocks, which subducted into the mantle. Phase transformations and deformations in the subducting metamafic slabs caused mantle earthquakes. The less compact metamafic rocks experienced metamorphic weakening under the effect of the asthenosphere and incorporated into the Earth’s crust. The upper-mantle and lower-crust weakening led to a drastic intensification of uplifting and the formation of mountain ranges. Recent volcanism is also attributed to the activity of the Neo-Tethyan asthenosphere.     

Density inhomogeneity of the lithosphere in the southeastern periphery of the North Asian craton

The study addresses the space distribution of lithospheric density contrasts in 3D and 2D surface (spherical) sources of gravity anomalies to depths of 120 km below the geoid surface and their relationship with shallow deformation and Archean, Early Paleozoic, and Late Mesozoic geodynamic environments. The lithospheric section in northeastern Transbaikalia and the Upper Amur region includes two layers of low-density gradients attendant with low seismic velocities and low electrical resistivity. The lower layer at depths of 80–120 km is attributed to an asthenospheric upwarp that extends beneath the North Asian craton from the Emuershan volcanic belt and the Songliao basin. The concentric pattern of density contrasts in the middle and lower crust beneath the Upper Amur region may be produced by the activity of the Aldan-Zeya plume, which spatially correlates with the geometry of the asthenospheric upwarp as well as with the regional seismicity field, magnetic and heat flow anomalies, and stresses caused by large earthquakes and recent vertical crustal movements. The relationship between shallow and deep structures in the crust and upper mantle bears signature of horizontal displacement (subduction) of the lower crust of the Baikal-Vitim and Amur superterranes beneath the North Asian craton.     

燕山陆内造山作用的深部制约因素

中生代燕山陆内造山带是在克拉通软弱带上发育起来的。陆内造山作用受到深部条件的制约是与陆缘造山的主要区别。深部制约表现在:(1)继承性的构造活动;(2)断块的差异升降;(3)主动裂谷盆地演化;(4)岩石圈剧烈的构造变动。其中,岩石圈剧烈的构造变动和主动裂谷盆地演化直接受制于上地幔的影响,而断块差异升降是深部作用的间接反映。继承性的构造活动贯穿于燕山运动各个时期,其表现形式可以不同。这些深部影响因素随着时间是有变化的,存在交叉叠置,但是构造-岩浆活动的深度总的来说趋于越来越浅。与其他陆缘、陆间造山带对比,可以看到深部热体制调整在燕山陆内造山作用中是最重要的因素。陆内造山作用是上部地壳对岩石圈不同深度层次剧烈变动的响应,地壳以及岩石圈的加厚和随后的变薄是其实质性的构造过程,不仅导致岩石的变形,而且也引起了山脉的隆升。     

横过西昆仑和塔里木结合带的山隆盆降机制动力学模拟

最近的地震探测表明，在西昆仑和塔里木结合带有岩石圈根存在。据此，本文提出地壳均衡与岩石圈根拖曳共同作用导致“山隆盆降”的动力学机制假说。利用新近中英合作完成的有限元粘弹塑构造数据模拟技术FEVPLIB，模拟研究了青藏高原西部横过西昆仑和塔里木结合带剖面的这一动力学深化过程。这种模式既能解释高原隆升，又能解释边缘沉积盆地的成因。模拟结果表明，两个大陆碰撞到一起，当岩石圈根一旦形成以后，造山水平挤压力主要来源于岩石圈根的向下拖曳，而印度板块向北挤压沦为次要因素。     

新疆可可托海—四川简阳地学断面岩石圈与软流圈结构

运用现代构造解析理论和方法,对新疆可可托海—四川简阳人工地震测深剖面与天然地震面波层析成像进行构造解析基础上,综合地质学、深源岩石包体构造岩石学和地球化学以及其他地球物理学标志等多学科综合研究显示,高速块体或幔块构造的几何结构型式是控制该区岩石圈构造格局和岩石圈表层构造变形基本条件之一。本文建立起该地学断面地壳及岩石圈与软流圈速度结构模型和物质组成结构模型,划分出岩石圈3种几何结构模式:克拉通陆根状结构、造山带楔状结构和高原陆根状结构,以及岩石圈二类构造演化类型:克拉通型岩石圈和增厚型岩石圈。在系统论述断面地壳及岩石圈结构构造类型特征基础上,探讨了该断面软流圈结构特征,岩石圈与软流圈相互作用及其地幔动力学模式。     

华北地块南部巨型陆内俯冲带与秦岭造山带岩石圈现今三维结构

豫西横穿秦岭造山带的反射地震为主的综合地球物理探测，发现秦岭现今北界存在华北地块南部自北向南向秦岭的巨型陆内俯冲带，深达Ｍｏｈｏ面以下，与之相伴而生，在中上地壳发育自南向北的逆冲推构造带，千公里东西向延伸，主要发生于晚白垩世１００Ｍａ±，成为秦岭与华北地区块间中新生代重要陆内构造，它是秦岭造山带岩石圈现今三维结构的基本要素和组成部分，秦岭造山带岩石圈现今结构具有流变学分层的“立交桥”三维结构框架模型。显然它们具有统一的动力学背景，是秦岭造山带现今处于印度－青藏、太平洋和欧亚板块的西伯利亚地块等三大构造动力学体系复合部位，导致其从深部地幔动力学的最新调整到上部地壳响应所发生的壳幔等圈层相互作用的综合产物，可能是大陆长期保存、演化的主要途径与形式之一，具有重要的大陆动力学意义，对中国大陆构造、灾害、环境研究也具重要意义。     

东海陆架盆地西湖凹陷岩石圈热流变性质

为了探讨东海陆架盆地西湖凹陷岩石圈热流变性质,本文以实测地温数据为依据,模拟西湖凹陷岩石圈热结构,在此基础上,应用流变学原理模拟确定西湖凹陷岩石圈流变性质。结果表明,西湖凹陷岩石圈为一个冷地壳-热地幔、强地壳-弱地幔的"奶油蛋糕"型岩石圈。西湖凹陷平均地表热流密度为71 m W/m~2,地幔热流密度为40~65 m W/m~2,对地表热流密度的贡献度达73%~79%,地表热流受地幔热流控制,莫霍面温度在700℃左右,热岩石圈平均厚度为66 km。西湖凹陷岩石圈流变分层明显,上、中地壳基本为脆性层,下地壳和岩石圈上地幔为韧性层,岩石圈总流变强度平均约为2.65′10~(12) N/m,其中地壳流变强度为2.12′10~(12) N/m,地幔流变强度为5.29′10~(11) N/m,有效弹性厚度为11.7~14.5 km,地壳的流变性质控制了岩石圈的流变行为。此外,西湖凹陷岩石圈总强度较低,在构造应力作用下易于变形,且存在壳幔解耦现象。西湖凹陷岩石圈热状态及流变性质决定了西湖凹陷东部地区主要以浅部地壳的断层滑动和地层破裂来调节深部的构造应力。     

由震源机制和地震波各向异性探讨青藏高原岩石圈变形

本文据青藏高原天然地震震源参数和地震波各向异性资料，讨论了高原岩圈不同圈层的变形特性。     

大陆地区构造活动、地热及地壳-上地幔结构之间关系的探讨

随着板块构造学说的兴起和发展,对大洋地区构造活动、地热及地壳-上地幔结构之间的关系已有了较为明确的认识。在大陆地区,由于其构造发展历史的复杂性,对这种关系的认识还远没有大洋区那样系统和清晰。但近二十年来,大陆地区各种地球物理资料的大量积累已为进行这种研究提供了较为坚实的基础。     

华北东部大陆地幔橄榄岩组成、年龄与岩石圈减薄

对比分析了华北东部地块陆下岩石圈地幔橄榄石Mg#值和单斜辉石的REE配分形式。报道了汉诺坝和鹤壁橄榄岩中不同产状硫化物的激光MC-ICPMS原位Re-Os年龄和信阳橄榄岩中锆石的U-Pb年龄和信阳橄榄岩锆石的U-Pb年龄。在这些资料基础上,进一步讨论了华北东部岩石圈中、新生代时的减薄机制。原位分析在揭示岩石圈深部过程的细节上,有比全岩分析更大的优越性,并揭示出了在华北深部有中元古代(14亿年)和新元古代(7～8亿年)热活动的记录。岩石圈拆沉作用不能很好地解释古老难熔地幔、过渡型地幔和新生饱满地幔并存的事实;同时,单纯的熔体-橄榄岩相互作用也难以解释中、新生代岩石圈的减薄过程和新生地幔单斜辉石中出现强烈LREE亏损现象,即历史复杂的克拉通岩石圈向历史明显简单的“大洋型”地幔的转换。因此,华北东部岩石圈减薄包括地幔伸展、熔-岩作用、侵蚀置换等复杂过程。这些过程可能包括:(1)早中生代时,扬子地块向北俯冲碰撞所引起华北岩石圈的熔/流体交代富集作用、地幔伸展和受扰动软流圈物质上涌并侵蚀被改造了的岩石圈;(2)晚中生代—古近纪,因太平洋俯冲的热扰动致使软流圈物质进一步的强烈侵蚀作用引起岩石圈的巨大减薄;(3)晚第三纪以来的软流圈热沉降作用所带来的小幅度岩石圈增厚过程。岩石圈先大幅减薄、后小幅增厚实现了最终的地幔置换和岩石圈整体的减薄过程。喷发时代为100Ma的阜新玄武岩所捕获的橄榄岩主体是饱满的,说明华北东部部分地区在此之前曾有过地幔置换作用。     

Progress in the Study of Deep Profiles of Tibet and the Himalayas (INDEPTH)

This paper introduces 8 major discoveries and new understandings with regard to the deep structure and tectonics of the Himalayas and Tibetan Plateau obtained in Project INDEPTH, They are mainly as follows. (1) The upper crust, lower crust and mantle lithosphere beneath the blocks of the plateau form a "sandwich" structure with a relatively rigid-brittle upper crust, a visco-plastic lower crust and a relatively rigid-ductile mantle lithosphere. This structure is completely different from that of monotonous, cold and more rigid oceanic plates. (2) In the process of north-directed collision-compression of the Indian subcontinent, the upper crust was attached to the foreland in the form of a gigantic foreland accretionary wedge. The interior of the accretionary wedge thickened in such tectonic manners as large-scale thrusting, backthrusting and folding, and magmatic masses and partially molten masses participated in the crustal thickening. Between the upper crust and lower crust lies a large detachment (e.g     

亚洲东部“大三角”地震构造区的周边和深部动力环境

亚洲东部存在一个巨大的三角形地震构造区域,大体上,喜马拉雅山脉、帕米尔—天山—阿尔泰山—贝加尔和东经105°线是它的3个边界,主要覆盖中国和蒙古国西部众多高原、山脉及山间盆地。三角区内现今构造活动和地震广泛强烈,地壳破碎,显示不均匀的块体边界和块内变形;区外基本上是稳定的刚性陆块,地震很少,变形较弱,处于整体缓慢运动之中。这个宽阔的板内变形区起源于印度、菲律宾海—西太平洋和欧亚三大板块之间的动力作用以及深部地幔流的影响。向北快速运动的印度次大陆已近水平地插入到西藏板块下,沿喜马拉雅弧产生多种运动和变形,并向亚洲内部远距离地扩散。沿东经95°～100°,向北的地壳运动向东和东南方向偏转,阻截了喜马拉雅弧东端的北向运动;而在喜马拉雅弧西端,帕米尔继续向北挤进中亚,受天山—阿尔泰山—贝加尔一线西北側稳定地壳的限制,扩散的变形被中国、蒙古、俄罗斯边境地区一系列EW向和NW向的老断层吸收并在它们的西端终止。菲律宾海—西太平洋向欧亚大陆的消减-俯冲导致沿海沟-岛弧的漫长而狭窄的地震带,但对亚洲大陆的水平挤压较小,未能阻挡亚洲大陆东部向东移动。其部分原因可能是俯冲板片受到来自欧亚大陆下的ES向地幔流的推挤,这个ES向地幔流与来自印度下面的N向地幔流在西藏中部汇合并向东偏转,在大尺度上与GPS观测到的地表移动图像一致。     

Lithospheric Evolution and Geodynamic Process of the Qinghai-Tibet Plateau:An Inspiration from the Yadong-Golmud-Ejin Geoscience Transect

The Tibet Geoscience Transect (Yadong-Golmud-Ejin) has revealed the basic structures, tectonic evolution and geodynamic process of the lithosphere of the Qinghai-Tibet plateau. The evidence of northward thrusting of the Indian plate beneath the Himalayans on the southern margin and to southward compression of the Alxa block on the northern margin has been found. They were the driving forces causing the plateau uplift. The plateau is a continent resulting from amalgamation of eight terranes. These tenanes are separated by sutures or large-scale faults, and different terranes have different lateral inhomogeneities and multi-layered lithospheric structures. At depths of about 20-30 km of the crust in the ulterior of the plateau there commonly exists a low-velocity layer. It is an uncoupled layer of the tectonic stress; above the layer, the upper crustal slices were thrust and overlapped each other and the rocks underwent brittle deformation, thus leading to shortening and thickening of the upper crust Belo     

Seismic structure and rheology of the crust under mainland China

The crust and upper mantle in mainland China were relatively densely probed with wide-angle seismic profiling since 1958, and the data have provided constraints on the amalgamation and lithosphere deformation of the continent. Based on the collection and digitization of crustal P-wave velocity models along related wide-angle seismic profiles, we construct several crustal transects across major tectonic units in mainland China. In our study, we analyzed the seismic activity, and seismic energy releases during 1970 and 2010 along them. We present seismogenic layer distribution and calculate the yield stress envelopes of the lithosphere along the transects, yielding a better understanding of the lithosphere rheology strength beneath mainland China. Our results demonstrate that the crustal thicknesses of different tectonic provinces are distinctively different in mainland China. The average crustal thickness is greater than 65 km beneath the Tibetan Plateau, about 35 km beneath South China, and about 36–38 km beneath North China and Northeastern China. For the basins, the thickness is ~ 55 km beneath Qaidam, ~ 50 km beneath Tarim, ~ 40 km beneath Sichuan and ~ 35 km beneath Songliao. Our study also shows that the average seismic P-wave velocity is usually slower than the global average, equivalent with a more felsic composition of crust beneath the four tectonic blocks of mainland China resulting from the complex process of lithospheric evolution during Triassic and Cenozoic continent–continent and Mesozoic ocean–continent collisions. We identify characteristically different patterns of seismic activity distribution in different tectonic blocks, with bi-, or even tri-peak distribution of seismic concentration in South Tibet, which may suggest that crustal architecture and composition exert important control role in lithosphere deformation. The calculated yield stress envelopes of lithosphere in mainland China can be divided into three groups. The results indicate that the lithosphere rheology structure can be described by jelly sandwich model in eastern China, and crème brulee models with weak and strong lower crust corresponding to lithosphere beneath the western China and Kunlun orogenic belts, respectively. The spatial distribution of lithospheric rheology structure may provide important constraints on understanding of intra- or inter-plate deformation mechanism, and more studies are needed to further understand the tectonic process(es) accompanying different lithosphere rheology structures.     

华北东部中生代晚期-新生代软流圈上涌与岩石圈减薄

现今的地幔是由软流圈地幔(热的,主元素饱满、微量元素亏损的,塑性流变性质的)、古老岩石圈地幔(地幔1,冷的,主元素贫瘠、微量元素富集的,刚性的,以方辉橄榄岩为代表)以及现今的岩石圈地幔(地幔2,主元素饱满、微量元素亏损,以二辉橄榄岩为代表,可能包括多时期形成的)组成。古老岩石圈地幔与地幔2样品的共存、100~4·3Ma在地幔内部持续发生的古老岩石圈与软流圈的相互作用以及上述作用的时空不均一性,都表明了岩石圈减薄是软流圈呈“蘑菇云状”大规模上涌的结果。上述事件发生于100Ma以后。软流圈来源的玄武岩大范围喷发并伴随了岩石圈的强烈拉伸是事件发生的主要标志,岩石圈减薄是一个深部地质过程,不像是突发事件。     

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。     

华北地区晚中生代镁铁质岩浆作用及其地球动力学背景

华北陆块及周缘地区晚中生代镁铁质岩浆岩的元素-同位素地球化学特征显示岩石圈地幔的区域不均一性。华北内部为古老而富集的EM1型岩石圈地幔,主要岩性为弥散状金云母相橄榄岩;华北北缘的岩石圈地幔相对华北内部在化学成分上饱满,在微量元素特征上高度富集LILE、LREE和亏损Nb-Ta和U-Th,在同位素组成上相对高87Sr/86Sr(i)和εNd(t),为受到再循环古老陆壳组分改造的富集型地幔;华北陆块南缘的岩石圈地幔以高87Sr/86Sr(i)和低εNd(t)为特征,与深俯冲大陆地壳改造作用 (残留陆壳板片和熔体 -地幔反应等多种形式 )密切相关。发育在华北陆块及周缘地区的晚中生代镁铁质岩浆作用形成于岩石圈伸展 -减薄的统一动力学背景。考虑到晚中生代华北陆块受到了来自周缘陆块相互作用,如西南特提斯域构造演化、印支陆块和西伯利亚板块的侧向挤压作用和古太平洋板块迅速向北运动引起的走滑拉分作用的共同影响, 我们倾向认为这些板块边界作用引起的板内效应可能是导致华北岩石圈地幔晚中生代广泛熔融和岩石圈减薄的重要动力来源.