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。     

中国东南部中一新生代地球动力学背景若干问题的探讨

近年来，有关中国东南部中新生代地球动力学背景的研究已取得了重要的进展，主要体现在：地幔性质、岩石圈减薄、岩石圈伸展和构造背景四个方面。研究表明，中国东南部中新生代的地幔性质主体是亏损地幔和EMⅢ型富集地幔混合，中生代以富集地幔为主，而新生代主体为亏损地幔。中国东南部晚中生代经历了岩石圈减薄，并伴生了玄武质底侵作用，具有较为复杂的岩石圈增生～减薄过程。大量事实表明中国东南部中新生代存在多期岩石圈伸展事件，侏罗纪存在局部岩石圈伸展，主要集中于内陆地区，白垩纪经历了区域性岩石圈伸展。近二十年来，中国东南部大规模岩浆的构造背景一直存在着争论，焦点在于太平洋俯冲对中国东南部产生什么的影响。从目前已有的资料来看，白垩纪地幔源区受到太平洋俯冲的影响，太平洋俯冲和玄武质岩浆底侵诱发了地壳加厚，岩石圈拆沉和软流圈上涌而导致岩石圈伸展是中国东南部主要构造背景。但是，中国东南部晚中生代以来的岩石圈伸展—减薄及其深部动力学机制是目前急需进一步深入探讨的问题。     

华北早白垩世末岩石圈局部被扰动的时空证据

对比研究了辽西阜新碱锅和内蒙古平庄含地幔捕虏体的阜新组玄武岩与碱锅义县组的安山岩，并结合前人的同位素年代学研究，确认在早白垩世117—106Ma期间，该区火山岩岩浆来源从富集的岩石圈地幔转变成亏损的软流圈地幔．即岩浆作用从以壳幔相互作用为主转化成软流圈的底辟体上升。将岩浆来源的巨大变化与前人关于古地磁和白垩纪超静磁带的研究成果以及研究区脊椎动物群集群死亡事件联系起来，认为这是一次重要的岩石圈圈层结构被扰动的事件。通过区域对比，发现阜新、平庄岩浆源区从富集地幔向亏损地幔转化的事件同样存在于山东沂水以及松辽盆地。而且岩浆来源转化的时间大体一致，均发生在100～80Ma前后。根据前人提供的小比例尺的三维面波速度结构，推断中国东部软流圈物质沿着构造薄弱带上涌，使岩石圈发生局部扰动的起始时问可能是晚中生代100Ma，由于各地构造差异它们可以表现为若干软流圈上涌的底辟体。     

从地壳上地幔构造看大陆岩石圈伸展与裂解

本篇讨论大陆岩石圈拆沉、伸展与裂解作用过程。由于大陆岩石圈厚度大而且很不均匀,产生裂谷的机制比较复杂。大陆碰撞远程效应的触发,岩石圈拆沉,以及板块运动的不规则性和地球应力场方向转折,都可能产生岩石圈断裂和大陆裂谷。岩石圈拆沉为在重力作用下"去陆根"的作用过程,演化过程可分为大陆根拆离、地壳伸展和岩石圈地幔整体破裂三个阶段。大陆碰撞带、俯冲的大陆和大洋板块、克拉通区域岩石圈,都可能产生岩石圈拆沉。大陆岩石圈调查表明,拉张区可见地壳伸展、岩石圈拆离、软流圈上拱和热沉降;它们是大陆岩石圈伸展与裂解早期的主要表现。从初始拉张的盆岭省到成熟的张裂省,拆离后地壳伸展成复式地堑,下地壳幔源玄武岩浆侵位,断裂带贯通并切穿整个岩石圈,表明地壳伸展进入成熟阶段。中国东北松辽盆地和西欧北海盆地曾处于成熟的张裂省。岩石圈破裂为岩浆侵位提供了阻力很小的通道网。岩浆侵位作用伴随岩石圈破裂和热流体上涌,成熟的张裂省可发展成大陆裂谷。多数的大陆裂谷带并没有发展成威尔逊裂谷带和洋中脊,普通的大陆裂谷要演化为威尔逊裂谷带,必须有来自软流圈的长期和持续的热流和玄武质岩浆的供应。威尔逊裂谷带岩石圈地幔和软流圈为地震低速带,其根源可能与来自地幔底部的地幔热羽流有关。     

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。     

造山后脉岩组合的岩石成因——对岩石圈拆沉作用的约束

造山后脉岩组合是在寄主岩基冷却之后形成的，可能是造山带应力场转换的标志。昆仑造山带早中生代末期以及太行山-燕山造山带晚中生代花岗质岩基中广泛出露这种类型的脉岩，可划分为煌斑岩质，玄武质，闪长质，花岗闪长质．花岗质和富硅花岗质等5组。主元素和痕量元素分析表明它们是不同的原生岩浆固结的产物，相互之间不存在重要的分离结晶，同化混染和岩浆混合作用的关系，因而要求软流圈／岩石圈系统不同圈层的源区岩石同时达到部分熔融的条件。结合已有的高温高压实验，区域岩石圈结构和地质事件序列的分析，认为岩石圈拆沉作用是造山后脉岩组合形成的最合理触发机制。简单热模拟表明，软流圈窗顶界埋深达到一定深度时（例如昆仑造山带为82km），可以满足处于不同深度位置的中性麻粒岩，基性榴辉岩和地幔橄榄岩同时发生部分熔融。这时，岩石圈／软流圈系统可以有6～8个产生岩浆的位置。热的软流圈物质快速涌入软流圈窗，不仅触发地幔岩的减压熔融，也可能导致区域构造应力场由挤压转换为伸展，为岩浆的快速侵位创造了条件。所提供的岩石成因模型可以更合理地解释造山后脉岩组合的地质特征，主元素和痕量元素特征，也可以满足同位素体系变异所要求的条件。     

板块构造学说面临的挑战

板块构造学说揭示了海底扩张和板块的水平运动现象,阐明了与板块边界相联系的岩浆活动。但大量资料表明地球历史上岩石圈板块与软流圈是同步耦合运动的,而不是在软流圈上滑移。全球扩张与俯冲的不对称性现象也是不吻合于板块构造理论所期望的。安第斯弧作为洋陆俯冲的典范在地球物理和地球化学上均缺少证据。对于与俯冲带相关的弧后引张、大陆增生、地壳物质返回地幔和成矿作用方面均存在较多的问题。大火成岩省所揭示的岩浆活动现象超越了板块构造的格局,并发生在整个地质历史时期和更广泛的地域范围。大火成岩省学说所解释的大陆增长、地壳物质返回地幔和成矿作用过程完全不同于板块构造学说。驱动地幔柱的深地幔对流假说允许岩石圈板块与下伏软流圈一起运动,吻合铅同位素所揭示的岩石圈与软流圈长期耦合的规律。     

青藏高原新生代形成演化的整合模型——来自火成岩的约束

深部过程是青藏高原演化的主导因素,其他地质过程都可以看作是对深部过程的响应。因此,一个构造旋回(阶段)的地球动力学事件链可以概括为深部地质过程—幔源岩浆活动—壳源岩浆活动—陆壳增厚—地表隆升—表层剥蚀与沉积,其中幔源岩浆活动的研究成为追索青藏高原演化历史的关键环节。据此,青藏高原演化的关键性时间坐标为80、45、27、17、9和4Ma。青藏高原新生代火成岩具有三种展布形式:与雅鲁藏布缝合带平行的岩浆带、沿深大断裂展布的岩浆带和藏北离散性岩浆分布区,它们分别受控于大陆碰撞、大规模走滑和岩石圈拆沉构造体制,且都受控于印度—亚洲软流圈汇聚过程。据此,文中提出了一个描述青藏高原演化的整合模型:南北向地幔对流汇聚控制了岩石圈块体的相对运动,并最终导致印度—亚洲大陆的碰撞和沿碰撞带的大规模岩浆活动;碰撞之初(白垩纪末期),大陆岩石圈块体的刚性属性有利于应力的远程传递和块体旋转,沿块体边界分布的大型走滑断裂控制了岩浆活动的发生;随着挤压过程的持续进行,岩石圈块体的受热和变形,高原岩石圈的重力不稳定性增加,最终导致拆沉作用和软流圈物质的大规模上涌以及藏北高原的离散性岩浆活动。在高原演化中,岩石圈拆沉作用具有重要意义,许多地质事件的发生都与此有关。同时,软流圈的汇聚还导致软流圈物质的向东挤出,并因此造成青藏高原岩石圈的向东挤出和晚新生代的伸展构造。     

造山带与相邻盆地间物质的横向迁移

本文以太行山隆起与相邻华北断陷盆地为例，论述了在大陆岩石圈中造山带与相邻断陷盆地在地球动力学机制上是相辅相成的对立统一体系。当软流圈受力产生波状起伏变形时，在软流圈和上地幔隆起上方，地壳发生减薄并裂陷；软流圈和上地幔拗陷上方，地壳变厚，由脉隆升。造山带遭受物理（化学）风化作用的产物被搬运至相邻断陷盆地，并以逆冲推覆岩片、拆离滑脱构造体系向盆地扩展。断陷盆地的中下地壳物质，则在地幔上隆形成的地幔位势差、密度差和盆地扩张力的共同驱动下，沿向造山带缓倾的拆离滑脱变形带，向山根蠕动流动，以补充因地幔拗陷和山脉隆升造成的重力亏损，从而达到岩石圈四维空间物质的动态调整。     

中国东部壳-幔、岩石圈-软流圈之间的相互作用带：特征及转换时限

中国东部中—新生代,下部岩石圈存在壳与幔、岩石圈与软流圈两个相互作用带,它们是重要的岩浆源区,在层圈相互作用中,热和物质的交换及其动力学过程是引起中、新生代岩石圈内部层圈间的厚度调整、岩石圈不均匀减薄以及区域构造-岩浆-成矿作用的重要机理。大陆内部的壳-幔作用有3种类型:地幔来源的底侵熔体与下地壳的作用;下地壳拆沉进入弱化(weakening)了的岩石圈地幔二者发生的作用以及陆-陆碰撞深俯冲带的壳-幔相互作用。它们形成的火山岩组合有一定的差别,但源区都含有地壳组分。岩石圈-软流圈的作用带也是重要的岩浆源区,源区是以软流圈地幔为主,基本不含地壳组分。东部岩石圈的减薄时间大体与出现大规模软流圈来源的玄武岩喷发的时间一致,也与上述两类层圈作用转换的时间一致,大约在100Ma以后。     

运用地球动力作用原理推断黄金埋藏分布规律

本文属探讨性理论文章。从力学观点出发,利用黄金的比重结合各地质年代的地壳强度,运用地球动力原理推断全球黄金埋藏的地理纬度和我国黄金埋藏的特点及部位。文中除分析黄金的力学特性外,重点介绍了地球动力合成作用原理的来源、内容、作用和它与成矿条件的力学关系。提出了4种类型的成矿条件,并以世界金矿资料予以验证。其次还分析了中国地壳受力状态,最后举例说明了我国金矿形成的特点及分布规律。     

关于地球磁场极性反转机制的思索

地球磁场极性在地质历史中发生过相当频繁的倒转。作者将地球内部划分为岩石圈－软流圈－中圈－液圈－固核等5个动力学圈层，认为中圈与固核间可异步旋转；地球偶极磁场由中圈与固核异步旋转时所驱动的液圈中的封闭涡流与系磁场作用产生；该偶极子场极性由地球所通过的银道面上侧或下侧磁场方向及液圈涡流的方向共同决定，二者之一反向，极性发生倒转。     

福建沿海盆地第四纪构造运动模式与动力学环境

对福建省福州、泉州、漳州、厦门等城市所在盆地沉积和断裂的研究表明,自漳州地区向北东和向南西各盆地起始沉积、沉积间断和全新世海侵等事件是时间上依次发生的序列沉积事件,漳州及其以北各第四纪盆地构成向南西掀斜的箕状盆地。基于上述规律性,提出了自漳州向北东和向南西依次扩展的第四纪以来地壳隆张的运动模型。分析了菲律宾板块与欧亚板块的接触关系和相互作用,认为菲律宾板块的作用是该区第四纪构造运动的主要驱动力,巴士系构造是该区地壳运动的触发构造。     

地壳运动的力源问题探讨

本文提出了一个假设,即地壳运动的力源主要是太空对地球的引力变化,并对地壳运动作了初步分析,提出了存在的问题和想法。     

周向应力在地壳运动中的作用

地壳运动的驱动力一直存在争议。目前虽然提出了很多假说,但这些假说所描述的驱动力数量级均较小,不足以推动地壳运动;另外,大量实际地应力测量表明,水平主压应力在三个地应力分量中最大,被看作地壳“异常”压力,其机理也没有统一的认识。因此,有必要弄清楚地壳运动的动力来源是什么及为什么会出现这种水平应力占主导的现象。受背斜构造或石拱桥的侧向支撑的启发,通过地球模型受力分析得出,地壳作为球壳在自重下会相互挤压,在圆周方向产生很强的周向应力。周向应力大于重力,且由重力派生,和实测的地应力特征是一致的。推测该应力在20 km深处约为900 MPa,足以驱动板块运动(>500 MPa)。因软流圈是可流动的,其上面的岩石圈只要存在薄弱带,该应力就会释放,板块之间从而产生相对运动。整个洋壳和拱桥类似,在该力的作用下,会在俯冲带处下插至陆壳深部,俯冲带就是岩石圈的薄弱区,它因此会承担部分甚至全部洋壳的重量。最后提出,没有独立于重力的、可独立起作用的构造力或碰撞力,周向应力是地壳运动的唯一具有足够数量级的驱动力。     

秦岭造山带新生代构造隆升与区域环境效应研究

据沉积，构造、地貌并结合地球物理资料综合研究认为，秦岭造山带新生代构造隆升是在中生代白垩纪晚期构造隆升基础上，于晚第三纪中新世迅速隆升，而早更新世早期则是新构造活动最强烈时期。秦岭造山带的新生代构造隆升的方式主要有地垒式、掀斜式、振荡式和翘板式4种。诱发这一地区新构造抬升的主要原因和动力学机制是华北地块自北而南，扬子地块自南而北相向向秦岭造山带之下陆内俯冲和秦岭地块深部软流圈抬升共同作用所致。     

对地质节律与地球动力系统的思考

文章对地质历史过程中出现的各种节律现象进行了分析，并就其可能的形成原因进行了初步讨论，认为地球的内部动力作用是地质节律形成的主要的动力学背景。地球内部动力系统的能量主要来源于原始增生热、短寿命放射性核素和长寿命放射性核素衰变产生的辐射能等；能量主要以热传导、热对流的方式由地球内部通过岩石圈向外耗散，并导致岩石圈的板块运动；内部能量的释放是呈指数衰减的，在此背景上叠加着非线性的、脉冲式的变化。在分析地球动力系统的主要特征基础上，笔者将地球视为一个自组织临界状态的自然系统，提出一个简单地球热动力系统模型，对地质节律现象进行模拟，并对未来地球动力系统模型要考虑的主要问题进行了简要讨论。     

壳-幔动力学与活化构造(地洼)理论

壳-幔动力学是地球内部物理学和大地构造演化的重要研究方向之一。本文从地球物理角度出发,以物理概念和数学描述相结合的定量方式,对陈国达院士生前所创建的活化构造(地洼)理论研究中的某些地球深部动力学问题进行了较系统的综合评述和探讨。主要论题包括岩石圈的性质与物理学、地幔流变学、重力与均衡理论、地球的温度和热传递,诸如热传导、物质的物理运动所引起的热传输、地球内部的热对流及地幔柱的形成和作用等。作者特别强调了构造演化的定量分析问题,如热时间常数、热应力与其它力源、水平运动与垂直运动的关系,以及地壳断裂作用。岩石圈的构造作用与演化是与深部热运动有关的水平 (压缩和扩张)应力和由地壳厚度差异所导致的垂直应力差的共同结果。热应力的构造意义主要表现为短时间尺度的脆性断裂或柔性应变松弛过程。局部对流机制对活化构造(地洼)研究值得重视。     

地球公转自转与地壳动力学

经典力学是有相对性的,但在地球公转自转力学和地壳构造动力学的研究中有一定可用性。地球的公转和自转是地壳构造应力的天体力源,在此力学体系中的岩体力学基本方程还须做重要改进或重建。     

开合旋构造体系及其形成机制探讨:兼论板块构造的动力学机制

开合构造总体上可以表述为:地球膨胀为开,收缩为合;垂向上地球物质离心(地心)运动为开,向心运动为合;水平方向上地球物质相背运动为开,相向运动为合。从驱动机制角度,我们把以热力(热能)为主体驱动的上浮物质运动定义为开;将重力(势能)为主体驱动的下沉物质运动定义为合。因此,开与合是一个高度综合的概念,具有广阔的内涵,开合运动是联系一切地质运动和地质科学的纽带。开合运动具有同步统一性,即垂向的开在水平方向也表现为开;垂向开得强烈,水平方向同样开得强烈,反之亦然。地球刚形成时诸多开合构造是无序的,地球的旋转运动统领地球上所有物质、能量、运动和大大小小的各种开合构造于旋转运动中,并将它们调剂到有序状态。简言之开合构造体系是开合旋运动长期作用下形成的不同时期、不同层次、不同级别的开合旋回组成的动态平衡构造体系。本文总结了地球开合旋构造体系物质组成、结构构造特征和规律,建立了开合旋复杂构造体系简要模型。提出平衡体系的形成机制是开合旋运动遵循地球重力均衡准则、最小内能原理(结晶化)、几何淘汰生长(垂直地心生长)和物质均匀化四条自然演化规律,其中重力均衡准则是主导的。由于地质事件(构造运动)在破坏开合旋平衡体系的同时,经常直接或间接向体系内输入新能量,往往使新的旋回比老旋回的结构构造更符合地质演化的自然规律,于是使地球显得更强大而有活力。这一次又一次的地质事件(构造运动)是开合旋构造体系螺旋式向前发展的动因。本文最后用开合构造观点探讨了地球的形成和演化,分析了板块构造运动的动力学过程。