中国地质
GEOLOGY IN CHINA
第39卷第1期2012年2月Vol．39，No．1Feb.，2012
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大陆两大疑难构造问题与岩石圈
拆沉
Bird P 在研究Colorado 高原时指出，板块构造
用于大陆地质已解决了许多重要问题，但至少有两个大陆构造问题看来是板块理论无法解决的。这就是：大陆内部出其不意的隆升及远离板块边界的岩浆活动[1]。他随后指出，如果我们放弃大陆是一整体的板块的观念，而认为壳幔间可能脱偶，有可能找到问题的解决方案。他又说，实验室内研究变形发现在正常莫霍温度下，硅铝质地壳壳内可发生蠕变位移[2]。当今的Zagro 发现壳幔间滑脱[3]，喜马拉雅造山带壳幔间发现“拆离”[4]。这些过程可以发生在大陆碰撞带，为什么它不能发生在板块内部？
如果在板块内部发生了这样的过程，因为岩石圈地幔的密度大于其下伏软流圈的密度（图1）[5]，在力学上处在不稳定状态，致密的岩石圈地幔就可能从地壳脱落下沉。Bird 称这种作用为岩石圈拆沉。
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使人困惑的中国东部岩石圈
Bird P 提出的大陆内部出其不意的隆升及远离
瑞雷-泰勒不稳定性与中国东部岩石圈
———三论岩石圈地幔蘑菇云构造
袁学诚1李善芳1管
烨2
（1．中国地质调查局发展研究中心，北京100037；2.中国地质科学院地质研究所，北京100037）
提要：本文讨论引起中国东部岩石圈巨变的动力。认为较重的岩石圈地幔位于较轻的软流圈之上形成的瑞雷-泰勒不稳定性驱动岩石圈地幔流动是东部岩石圈巨变的构造动力。由于瑞雷-泰勒不稳定性只
存在于中年期大陆，老年期与青年期大陆都不存在瑞雷-泰勒不稳定性，因而只有像中国东部那样的中年期大陆才能发生蘑菇云地幔构造。关
亲爱的英文怎么说键
词：中国东部岩石圈；岩石圈地幔蘑菇云构造；瑞雷-泰勒不稳定性
中图分类号：P542
文献标志码：A
文章编号：1000-3657（2012）01-0001-11
收稿日期：2011-10-13；改回日期：2011-10-29
基金项目：中国地质调查局“中国地质构造区划综合研究与区域地质调查综合集成”项目（1212010811033）资助。作者简介：袁学诚，男，1928年生，教授级高级工程师，从事深部地球物理研究工作；E-mail ： 。
emergency
图1岩石圈几何及密度模型[5]
Fig.1Geometrical and density model of the lithosphere [5]
Upper crust —上地壳；Middle crust —中地壳；Lower crust —下地壳；Mantle lithosphere —岩石圈地幔；Asthenosphere —软流圈；Resultant crustal supporting force —地壳支持合力；Negative buoyancy —负浮力；
Asthenospheric supporting force —软流圈支持力
中国地质2012年板块边界的岩浆活动等两个板块理论至今还无法解
决的问题折射中国大陆构造中的两个为全球瞩目至
今尚在热议的疑难构造问题。这就是世界最大的青
藏高原的强烈隆升和远离太平洋板块西缘俯冲带的
中国华北的岩浆活动。
中国东部地台匪夷所思的构造特征受到地质学
家的关注已非一夕。黄汲清发现它们规模小，具有线
状隆起和深凹陷，沉积盖层厚度大，盖层和基底都常
受到强烈的褶皱以及岩浆作用发育广泛。因而将它
们称为“准地台”，以有别于稳定的“正地台”[6,7]。陈
国达则认为中国东部中生代以来发育强烈岩浆活
动，表明它们已失去地台的稳定性质，正在向地槽转
化，因而将它们称为“活化地台”[8]。
20世纪末，地球物理和地球化学异军突起，并
对华北地区的强烈构造活动进行了多方位的探索研
究。中国东部最初浮出水面的重大深部问题是岩石
圈“减薄”。
中国东部岩石圈减薄的发现首先来自地球化学
的研究。地球化学家发现在山东蒙阴和辽宁复县等
地奥陶纪金伯利岩筒中的太古宙地幔捕虏体样品以及金刚石中的矿物包裹体组合揭示该区的地幔成分具有低热导率、克拉通地温的特点。岩石圈与软流圈之间的界面深度约180km。而新生代发育区下的地幔玄武岩具高地温，岩石圈与软流圈界面深度约80 km（图2）[9]。这就意味着从古生代到现在，岩石圈厚度已减薄了约1/2。
中国东部古生代稳定岩石圈模型见图3-A。被认为已减薄的岩石圈模型见图3-B，它的地壳厚度已减至约为35km，岩石圈总厚度已减至80km。减薄后的岩石圈地幔组成有两种不同观点(图3-B虚线)，一种观点认为现今的岩石圈地幔是由上部减薄后的残留和下部新生地幔组成，第二种观点则认为减薄已涉及到地壳，应是部分下地壳连同下部的岩石圈地幔一同被减薄（移离），地壳下直接就是新生地幔。支持前一种论点的主要证据是在新生代玄武岩的地幔橄榄岩捕虏体中存在高镁的橄榄岩包体或高镁的橄榄石捕虏晶，它们应该是残留的古老岩石圈地幔。后一种观点的主要证据是，新生代玄武岩中幔源包体的岩石学与地球化学特点反映的该时期岩石圈地幔以亏损型的海洋型地幔为主[10]。
字母游戏与岩石圈减薄推论相反，地球物理却在中国东部岩石圈内发现蘑菇云构造[11-12]。地球物理用地震层析实测证实岩石圈并没有“减薄”，而是由于软流圈物质蘑菇云状的上升，岩石圈被改造重组（图3-C）。它的上部出现一个新的壳幔过渡层，由下地壳和岩石圈地幔顶部局部熔融重组而成（蘑菇云盖）
，这一过渡层的埋深约35km，厚度约45km。它的下部形成一个软幔过渡层，它由高角度侵入的软流圈物质（蘑菇云柄）和残留的古老岩石圈地幔组成。在这一地区地表出露中生代火山岩有高钾钙碱性岩与橄榄安粗岩等两个系列。前者常被误认为是岛弧火山岩，实际上却是代表壳幔过渡层中的壳源熔融体。后者则代表软幔过渡层中的幔源熔融体。由于软幔过渡层的埋深大，除了高分辨率的地震体波方法外，别的地球物理方法都无法得到它们内部细结构，只能探测得到一个速度和电阻率的数值与上覆的壳幔过渡层不同的低速低阻层。这一巨层顶部埋深约为80km。将岩石圈地幔厚度误认为减薄的原因就是将这个岩石圈地幔内部的新界面误认为是岩石圈的底界。
地球物理与地球化学对东部岩石圈结构认识上的巨大落差源于两个学科研究对象与研究方法的不同。地球化学研究化学元素及其同位素在地球演化历史中的分布和迁移规律，但它不能得到岩石圈的构造图像。地球物理可以得到当今地质体各种物理图2太古宙地温和年轻地温的比较[9] Fig.2Comparison between the Archean and the younger
bachelorgeotherms[9]
Lithosphere—岩石圈；Asthenosphere—软流圈；Basalt provinceze
geotherm—玄武岩省地温；Paleozoic geotherm—古生代地温；
Graphite—石墨；Diamond—金刚石
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第39卷第1期
图3正常岩石圈（A）、减薄岩石圈（B）与蘑菇云
地幔岩石圈（C）
（白色为地壳，斜线为地幔，黑色为软流圈，
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灰色为新生地幔）
Fig.3Normal lithosphere,thinning lithosphere and
forwardsmushroom mantel lithosphere
(White-Crust,Oblique line-Mantle,Black-
benjaminfranklinAsthenosphere;Grey-Juvenile mantle)
特性的二维甚至三维深部图像，但它不能直接得到深部物质的成分，更不用说它们的演化。因此，不
同学科应该精诚团结、共创辉煌。得到的推论应具包容性，不能与各学科分别得到的的基本事实相抵触。否则就容易陷入“白马非马”的诡辩泥潭。
3热议中的中国东部岩石圈拆沉模型
Bird P等[1-3]所描述的岩石圈拆沉过程是一个连续的“三脚跳”：第一跳，必须出现贯通岩石圈地幔的构造，岩石圈地幔遭受重创；第二跳，壳幔边界发生局部熔融，出现险情；第三跳，大块岩石圈地幔与地壳脱离而下沉。拆沉导致软流圈和岩石圈地幔换防，岩石圈地幔掉进软流圈而被融化消失，软流圈上升占领失去控制下沉的岩石圈地幔块体的位置，形成新生地幔。其后果是大地热流值大增，引发镁铁质火山作用，地震波传播速度下降。
有多种地质作用可以完成从软流圈到地壳底部的贯通构造的第一跳，如板块内部的不稳定（instability）、裂解(rifting)、地幔柱上升(plume erosion)、俯冲(subduction)等（图4）[1]。纵贯华北的郯庐断裂被认为可能就是这样的构造[13]。insomnia什么意思
壳幔边界局部熔融的第二跳至少有两种可能[14]：一种可能是随着地幔物质上升，它的内部压力释放导致地幔熔点下降，另一种可能是岩石圈地幔中混入壳源物质导致熔点下降。属第一种情况的有洋中脊。洋中脊下方的地幔隆升时，其内部压力逐步下降，当上升到深约50km处，地幔物质开始熔融而涌出地面。而地壳沿俯冲带俯冲到地幔内则属于第二种情况，俯冲使含有水、钠、钾等不相容元素的地
壳物质带入地幔，地幔熔点下降。
岩石圈拆沉最后一跳最具戏剧性，岩石圈地幔的顶界已沿壳幔边界拆离，它已成为一个没有后方的孤立块体，在重力作用下好像遇难的泰坦尼克号，无奈向下沉没到软流圈内。
触发岩石圈地幔拆沉的诸多地质过程中，最容易被人接受的是俯冲。俯冲带本身常常就是一个贯通岩石圈地幔的不连续带。板块俯冲时壳幔已拆离，被拆离的岩石圈地幔块体自然下沉，软流圈便像替补队员迅速回流到位，形成新生地幔。
南美阿根廷安第斯高原是俯冲拆沉并引发火山作用的一个例子。2～3Ma时，阿根廷Puna地区地壳减薄、地壳缩短，镁铁质火山作用遍布全区，地表上升[15]。
图5-a是穿越安第斯的地震剖面及其地质解释。俯冲将大陆岩石圈撕开一个空间，大陆岩石圈和地壳组成的块体拆层下沉，软流圈上升填充到位。并引发火山，地面上隆。痕量元素分析，地震透明体处的洋岛玄武岩(OIB)的熔融程度最高，在OIB靠海岸一侧的钙碱性火山岩的熔融程度中等，而分布在厚岩石圈的东南地区的橄榄玄粗岩(shoshonite)熔融程度最低。
类似的俯冲拆沉还发生在内华达[17-18]，西地中海阿尔沃兰海盆[19-20]，东喀尔巴千山[21-23]，Tyrrhen裂谷[24]，加拿大西北[25]，伊朗北部[26]，安纳托利亚东部[27]，豪勋爵岛[28]等地。
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许多学者认为俯冲拆沉是引起中国东部岩石圈巨变的主要原因。但中国大陆以东地区是一个多板块活动的复杂地区。要确认东部岩石圈拆沉由板块俯冲所引发，首先要破解到底是哪一个板块对华北陆块俯冲引发岩石圈拆层的谜团。有以下几种可能的解：
（1）太平洋板块或菲律宾海板块：有人认为使得东部岩石圈发生剧变的罪魁祸首是太平洋板块，或菲律宾板块，是它们向中国大陆俯冲引发了岩石圈
袁学诚等：瑞雷-泰勒不稳定性与中国东部岩石圈——
—三论岩石圈地幔蘑菇云构造3
中国地质2012年
图4诱发拆沉的4种可能[1]
Fig.4Four possibilities of delamination[1]
拆层。
菲律宾海板块是被太平洋板块与欧亚大陆所夹持的块体。它的东部边界是太平洋板块的西缘俯冲带。
它从千岛海沟，经日本海沟，伊豆—小笠原海沟，马里安纳海沟，到雅浦海沟。菲律宾海板块的西部边界则是菲律宾海板块的东缘俯冲带。它从琉球海沟，经台湾，到吕宋海沟。
有多种地球物理方法可以探测到俯冲带的俯冲方向及其形态，其中最具单一解的地球物理证据应数地震震中分布[12]。沿菲律宾海板块东缘俯冲带从地表到200km的深度处，地震震中均分布在很窄的一个范围内，说明它们的俯冲从地表到深200km 是近垂直向下的。太平洋板块西缘俯冲带的深部形态按地震震中的分布可分成内带与外带。外带的位置与千岛海沟、日本海沟、伊豆—小笠原海沟和马里安纳海沟一致，震中深度一般小于200km，也分布
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第39卷第1期在一个很窄的范围内，意味着它们的俯冲也是近垂直向下的。内带位于日本海内，它经萨哈林岛南端向东北收拢，与外带逐渐合并。内带的南东方向则约经京都，与外带逐渐靠拢合并。位于日本海内的地震震中分布弥散，并已透入中国东北地区。地震震中的分布说明，在软流圈以上，太平洋板块近垂直向下俯冲，在软流圈以下，太平洋板块楔状越过日本海向亚洲大陆俯冲。图7是以板片等深线表示的太平洋板块俯冲的形态[29]。
因此，根据地震震中的分布，太平洋板块和菲律宾
海板块都没有俯冲到除中国东北而外的中国大陆下。
（2）在中国东北地区600km 不连续面上，地震层析发现有一个平卧的高速异常[30]。有人认为它是从日本海沟俯冲入中国大陆下太平洋板块的反映；有人更认为，它是推动中国东部岩石圈巨变的“杀手”。
大陆岩石圈厚度大，需要很高的温度才能使上升的地幔物质冲破固相线达到岩石圈底部。地幔的位温为1475℃，如它上升到约115km 处时，将会因减压而熔融，在115km 以下，地幔的静水压力将阻止其熔融[14]（图8）。因此它们对中国东部岩石圈的构
图5安第斯岩石圈剖面图[16]（a ）和安第斯火山岩地球化学分类[16]（b ）
Fig.5Lithospheric profile across Andes [16]（a ）and Geochemical classification of volcanics in Andes [16]（b ）
袁学诚等：瑞雷-泰勒不稳定性与中国东部岩石圈———三论岩石圈地幔蘑菇云构造5
