拆沉作用综述

1、火成岩石学读书报告拆沉作用综述目 录1 拆沉作用的含义及成因机制 . 1 2 拆沉作用的识别标志 .12.1 地球物理学标志 . 12.2 地球化学标志 . 22.3 岩石学标志 . 23 .拆沉作用的分布.3.4. 拆沉作用的模式 . 35 拆沉作用的动力学演化意义 . 65.1 大陆地壳物质的再循环 . 65.2 山脉的隆升、岩浆作用、岩石圈的伸展减薄与盆地的形成 . 65.3 造山带山根的消失和莫霍面的再造 . 75.4 超高压变质体的折返. 76.华北克拉通破坏拆沉作用模型及其存在问题 . 7 讨论与结论.8参考文献：.81. 拆沉作用的含义及形成机制1.1 拆沉作用的含义拆沉作用的概

2、念最早是由Bird于1978和1979年的两篇文章中提出来的。文章中他分别讨论了喜马拉雅造山带的花岗岩浆作用、变质作用和伴随的隆升作用机制以及科罗拉多高原岩浆作用机制。在前一种情况下，热模拟表明，逆冲断层和放射性产生的热不足以造成地壳熔融产生喜马拉雅花岗岩和变质作用，而需要另外的热源。在后一种情况下，科罗拉多高原的隆升和岩浆作用难以用板块俯冲作用来解释，因为始新世当俯冲板片已退至加利福尼亚时，该高原仍未隆起，因此需要用经典板块俯冲作用以外的机制来解释该高原的隆升和大规模岩浆作用。在此两种情况下，Bird均用拆沉作用引起软流圈上升至地壳底部带来的热和岩浆活动来解释。然而，正如Bird 所指出，1

3、976年Sleep等在讨论密执安盆地沉降机制时，实际上已涉及拆沉作用的思想。稍后于1981年，Houseman 等从连续介质力学角度研究了大陆碰撞过程，结果表明造山带地幔根应迅速沉入下伏软流圈对流系统中，也即拆沉作用。在上述早期研究中，拆沉作用系指大陆下岩石圈地幔由于较软流圈温度低，因此密度较大，由此产生重力不稳定性，当存在适合的裂隙时，岩石圈地幔将沉入软流圈地幔中。这是人们通常所指的、狭义的拆沉作用。据现有资料，拆沉作用泛指由于重力不稳定性导致岩石圈地幔，大陆下地壳或大洋地壳沉入下伏软流圈或地幔的过程。1.2 拆沉作用的形成机制按现有文献，拆沉作用应泛指由于重力的不稳定性导致岩石圈地幔、大陆

4、下地壳或大洋地壳沉入下伏软流圈或地幔的过程。其中，重力不稳定性是拆沉作用的驱动力，其直接结果是造成岩石圈地幔和下地壳沉入软流圈，热的软流圈物质相应上涌至地壳下部置换冷的上地幔。岩石圈加厚是大陆岩石圈和下地壳拆沉的前奏曲。由于岩石圈的加厚，导致基性下地壳发生变质作用形成密度更高的榴辉岩从而导致重力失稳沉入软流圈，软流圈高温低密度物质上涌，引起大量的岩浆活动、变质作用和山脉隆升等，由于上部低温高密度物质的快速下沉引起回撤作用可将深部的柯石英以及金刚石等超高压变质产物带到地表并使得山脉隆升，重力势能增大进而发生流动，坍塌最后形成盆地，这是最为普遍的观点。现代的安第斯山、青藏高原、阿尔卑斯山等正在发生

5、拆沉作用。2.拆沉作用的识别标志由于拆沉作用发生在2025 km以下的下地壳和岩石圈地幔，并涉及与软流圈的相互作用，人们对这一过程难以直接观察。因此，地球物理测深、地球化学示踪和岩石学研究，辅之以计算机模拟，是获取拆沉作用信息的主要途径。一、地球物理学标志拆沉作用所引发的一系列反应，如岩石圈地幔或岩石圈地幔与下地壳沉入软流圈、软流圈物质上涌等都会引发一系列的现象，而这些现象有的可以被地球物理测深所发现。现今，公认的对拆沉作用提供最有说服力的地球物理证据的是Seber 等在1996年对地中海Alboran海盆及其周围摩洛哥北部Rif造山带和西班牙南部Betic造山带(两者均属阿尔卑斯造山期产物)

6、地震震源分布以及重力异常特征的研究，他们认为该区岩石圈地幔现今正在发生拆沉作用。其中主要依据是，A lboran 海盆2060 km 深度处的上地幔顶部现今为一基本无地震的区域，具有异常低的地震纵波速度(gp 为7. 57. 9 km·s-1)和低的Q(品质因数)值，地震波速衰减迅速，甚至观察不到剪切波，证明该带是一软弱带，难以产生地震。下伏60150 km 深度处为一震源分布密集、地震波速度高和Q值高(即更有利于地震波传播)的区域，表明该区是力学强度较大的不稳定区域。此外，Alboran 海盆对应于明显的重力负异常和高热流值。Seber 等将2060 km 深度处的软弱带解释为由拆

7、沉作用造成的软流圈物质上涌至上地幔顶部造成，而60150 km 以下的震源分布密集带代表了正在被拆沉的岩石圈地幔。其中，地幔顶部的软流圈物质在Alboran 海盆下厚度最大，为4550 km，向两侧逐渐变薄。由于软流圈热的、低密度物质向上涌入，造成该区明显负的布格重力异常和高的热流值。而对于古拆沉作用，现在已无法观察到当时的震源分布情况。Bird（1979 年）的计算表明，拆沉作用带来的热和重力异常经过6080Ma 后逐渐消失，对于3040 km 厚的地壳地表热流可升高达25mW.m-2，布格重力负异常可达-220×10-5m. s-2。科罗拉多高原的拆沉作用使地表热流从54mW.m

8、-2 升至71mW.m-2，使重力异常降至-209×10-5m. s-2。然而，下地壳高密度(通常对应于高地震波速)物质被拆沉后造成下地壳波速降低的特征应能较长期地保存下来。Meissner 等根据阿尔卑斯造山带下地壳地震波速异常低(gp 为6. 26. 5 km. s-1)的特征提出了该造山带曾发生过下地壳的拆沉作用。高山等根据秦岭造山带下地壳低的波速(gp 为6. 56. 8 km. s-1)，结合地球化学证据亦提出了秦岭造山带曾发生过下地壳的拆沉作用。科罗拉多高原上地幔属异常地幔，gp 为7. 67. 8 km. s-1，gs= 4. 25km. s-1;而正常地幔gp8. 0

9、 km. s-1，gs= 4. 25 km. s-1。这种异常地幔特征与拆沉作用预期结果相符。总之，低的下地壳和上地幔地震波速、负的重力异常和高的热流值是拆沉作用的地球物理标志。二、岩石学标志软流圈上升至上地幔顶部和壳幔过渡带将造成大规模的岩浆作用，岩浆可直接来自软流圈或由软流圈对下地壳的加热，使下地壳产生部分熔融。Kay 等认为岩浆作用产物是记录拆沉作用的最佳证据，这种证据不仅可保存在年轻造山带中，而且在古老造山带中亦可保存下来，同时保存在地壳不同深度水平上。例如，England 等以及Bird 认为在区域挤压的背景下，青藏高原近期的抬升和东西向的伸展可用拆沉作用解释，由此带来的温度升高足以

10、使地壳和地幔熔融，从而形成该区火山活动和花岗岩浆作用。地震波的衰减和波速的研究表明软流圈地幔在青藏高原北部已上升至浅部，也支持了青藏高原拆沉作用的假说。科罗拉多高原晚第三纪经历的隆升、伸展和岩浆作用过程是Bird最初提出拆沉作用的主要依据之一，并用来解释远离俯冲带的大陆内部隆升和大规模的岩浆作用，并用该区金伯利岩和有关玄武岩的喷发时代来确定拆沉作用的时间。Kay 等详细研究了属安第斯中部火山带的阿根廷Puna 高原更新世现代的玄武安山质弧后火山作用。这些火山熔岩分为3类:橄榄粗玄岩;洋岛玄武岩;高钾钙碱性火山岩。元素和同位素地球化学特征的空间变化表明，它们亦由拆沉作用造成。三、地球化学标志被拆

11、沉的下地壳物质无论是榴辉岩或底侵作用或部分熔融产生的残余体，它们成分上都是基性的，并且均以富集Eu、Sr 和过渡金属元素（Cr、Ni、Co、Sc、V、Ti）为特征。因此，拆沉作用的直接地球化学结果就是使地壳整体成分向长英质方向演化，同时使大陆地壳中的上述元素相对贫化。Eu异常(Eu /Eu*)表示了按照球粒陨石标准化值，Eu 相对于Sm、Gd 或Tb的分异程度，它是示踪地壳演化和壳-幔交换作用的重要探针。由图7 可见，幔源岩石通常无Eu 异常，表明由地幔形成的新生地壳同样不具Eu 异常。花岗岩浆活动引起的壳内分异作用，使上地壳和由上地壳风化、剥蚀而成的碎屑沉积岩具明显负Eu 异常，而部分熔融残

12、余的下地壳具正Eu 异常。底侵作用产生的下地壳亦具明显的正Eu 异常，如一般认为产于玄武质火山岩中的镁铁质麻粒岩包体是底侵作用的产物，全球镁铁质麻粒岩包体的平均Eu /Eu*为1. 23。大陆上地壳Eu/Eu*为0. 650. 75。根据已完成的大别-苏鲁榴辉岩96 件样品稀土元素含量分析结果获得的平均Eu /Eu*为1. 17。因此，由榴辉岩或镁铁质麻粒岩构成的下地壳拆沉后，不仅造成大陆地壳总体成分向长英质方向演化，同时亦向Eu 负异常方向演化。3. 拆沉作用的分布基于拆沉作用的上述识别标志以及对野外地质事实的详细观察，许多学者认为在许多造山带都发生过或正在发生拆沉作用，如北美的科罗拉多高原

13、、地中海的Alboran 海盆、及青藏高原等，发生拆沉作用的地点详见图1。图1 当前拆沉作用发生地的分布图（据Meissner， Rolf，1998）4.拆沉作用的模式目前，学术界关于拆沉作用的模式主要有两种。一种观点认为：下地壳连同其下的岩石圈地幔一道拆沉进入软流圈 ，这也是大多数学者所支持的（邓晋福等，1994，2003；高山和金振民，1997；吴福元和孙德有，1999；Jull and Kelemen，Lustrino，2005）；另一种观点认为：下地壳不会连同岩石圈地幔一道拆沉，而是穿过岩石圈地幔单独拆沉，坚持这一观点的人以张旗（2006）为代表。下面就这两种模式分别进行简单介绍。2.

14、1 下地壳+岩石圈地幔拆沉模式Lustrino（2005）提出的下地壳+岩石圈地幔拆沉的模式（图2）具有一定代表性，其模式如下：（1）在陆-陆碰撞阶段，下地壳由于地壳的增厚而深度增加(图2，A-5D)，其主要组成为在俯冲过程中产生的底侵的玄武岩或者是增生的板片。（2）下地壳原始的玄武岩或者类似的矿物在1GPa的压力条件下转变为角闪岩相的矿物，在1.5-2Gpa的压力下，转变为榴辉岩相的矿物，这使得密度大大增加。（3）在板块俯冲或者是构造堆叠的过程中，下地壳发生部分熔融（图2，D）。（4）玄武岩-角闪岩相-榴辉岩相/石榴石-单斜辉石岩相的转变，大部分取决于下地壳角闪石和斜长石的脱水部分熔融熔体结

15、晶可生成石榴石、单斜辉石和富铝的角闪石。如果单斜辉石富Na，残留体则变成榴辉岩；如果单斜辉石贫Na，残留体则转变成石榴石-单斜辉石岩，这取决于原岩初始的成分（eg，拉斑质的或钙碱性玄武岩）及变质反应的P-T 条件（Wolf and Wyllite，1994）。值得注意的是，如果，石榴石（密度为3）含量增加超过40%将引起下地壳密度（不超过3.5 g/cm3）的变大，因而，下地壳密度的增大使得下地壳能够从上覆贫石榴石的地壳中脱离并沉入地幔中（Wolf and Wyllite，1993，图2，E-F）。（5）岩石圈和周围的地幔在密度和粘度上的差异使得拆沉得以进行（图2E），并且岩石圈根的周围能使地

16、幔对流加强（eg，King and Anderson，1998）。（6）拆沉与拆离的只能发生在下地壳和岩石圈地幔的层次上，因为韧性的下地壳是一个相对薄弱带（与脆性的上地壳相比）。（7）岩石圈地幔和下地壳将一起沉入热的软流圈中（eg，Kay and Mahlburg ，1993，图2，F）。图2 下地壳+岩石圈地幔拆沉模式图（据Lustrino（2005）2.2 下地壳拆沉模式张旗等（2006）提出了大陆下地壳拆沉的模式（图3），他指出下地壳拆沉需要满足三个条件：(1)地壳加厚使其下部达到榴辉岩相是拆沉的前提。(2)大规模岩浆活动使大量低密度的中酸性物质移出下地壳，使下地壳密度增加直至超过下伏地

17、幔由于下地壳榴辉岩相岩石部分熔融所形成的岩浆具有埃达克岩的地球化学特征，因此，大规模埃达克岩的熔出是下地壳拆沉的先决和必要条件。(3)岩石圈地幔转化为软流圈地幔，使下地壳能够进入地幔，陆壳下的岩石圈地幔原先是冷的、刚性的和不易流动的，如果有热和水的加入 ，可以被软化，使其变成热的、塑性的和易流动的软流圈地幔。因此，岩石圈地幔转化为软流圈地幔是下地壳拆沉的必要和充分条件。且他指出，下地壳不大可能整体拆沉，而很可能是一块一块如飘雪花似地拆沉、如果下地壳的密度降低(低于下伏地幔)，如果地幔停止热的供给，如果陆壳底部的软流圈地幔又恢复为岩石圈地幔，拆沉即终止。图3 大陆下地壳拆沉模式图（据张旗，200

18、6）A-地壳加厚，地表形成高原，下地壳变为榴辉岩相(华北)，地壳向下弯曲，挤压岩圈地幔，使岩石圈地幔厚度减薄，华南和东北为地壳正常厚度，下地壳为角闪岩相或麻粒岩相；B-来自深部的地幔(热)流上升，侵蚀岩石圈地幔，使之进一步减薄；C-地幔(热)流持续活动，岩石圈地幔已经全部消失，软流圈地幔与下地壳直接接触，使下地壳发生部分熔融，在地壳加厚处形成与榴辉岩相平衡的高Sr低Yb型花岗岩(埃达克岩)，在正常地壳厚度下，形成与角闪石平衡的低Sr；高Yb型花岗岩；D-榴辉岩相部分熔融形成的埃达克岩上升，留下的残留相榴辉岩密度加大，超过下伏地幔，发生拆沉，拆沉不是整体进行的，而是一块一块拆沉的，榴辉岩拆沉，地

19、壳厚度减薄，高原随之垮塌；E-地幔(热)流停止活动，地幔顶部温度降低，形成新的岩石圈地幔，拆沉终止，地壳恢复为正常厚度，高原消失。5.拆沉作用的动力学意义一、大陆地壳物质的再循环。以往认为陆缘洋壳沉积物俯冲作用是地壳再循环的唯一机制，但在拆沉模式提出之后，发现拆沉作用所造成的地壳再循环量也是巨大的，虽然目前主要发生在安第斯山脉、青藏高原和阿尔卑斯山脉。然而每次拆沉事件涉及的物质量却是很大的。例如，全球每百万年如果在25000 km2 区域范围内有20 km 下地壳被拆沉，则造成的地壳再循环量与按现今全球沉积物俯冲量(0. 7 km3/a)计算出的相同时间内地壳再循环量相当。拆沉过程在地质历史某

20、一时期，如超大陆聚合期，可能比现今作用更重要。人们已在某些地幔包体中发现下地壳而不是俯冲沉积物的元素和同位素特征，如显示出低的XNd 和低的87Sr/86Sr 比值。某些洋岛玄武岩显示出类似特征，并具有高的207Pb /206Pb 和低的206Pb /204Pb 比值。这些都是构成下地壳古老亏损麻粒岩的特征。因此，下地壳的拆沉作用应是与沉积物俯冲作用同等重要的地壳再循环过程。二、山脉的隆升、岩浆作用、岩石圈的伸展减薄与盆地的形成。当下部地壳以及岩石圈拆离，向下沉入软流圈地幔中，引发大规模的软流圈的上涌，软流圈上涌会产生减压熔融产生玄武质岩浆，同时加热下地壳，使其部分熔融，产生花岗质岩浆。岩浆上

21、涌，一方面引发火山作用，另一方面会使地壳隆升，形成高原和山脉。结果是造成山脉的重力势能急剧增加，发生流动，最终岩石圈伸展减薄、造山带垮塌和盆地形成，从而构成一个完整的由山脉至盆地的发展链。如果整个地幔根被拆沉，则会导致地壳隆升数公里，并使下地壳几乎全部熔融。Dewey 总结了全球若干碰撞造山带的地质证据，表明这些造山带发展的最后阶段都经历了12 km 的最终抬升、侵入作用和随后的伸展垮塌，与拆沉作用的预期结果相符，说明这种作用在地质历史上应是常见的。三、造山带山根的消失和莫霍面的再造。全球大陆地震测深剖面研究的一项重要成果，是发现现今古老造山带无山根，如我国东秦岭大别苏鲁造山带、美国的阿巴拉契

22、亚造山带、科迪勒拉造山带和北欧的华里西造山带，在这些造山带下莫霍面通常是平坦的、强烈反射的。由于切穿了莫霍面上覆地壳倾斜的反射面，因此从构造上讲，古老造山带莫霍面是后期的。而活动造山带(如阿尔卑斯山脉、比利牛斯山脉和喜马拉雅山脉)都具有山根，莫霍面呈大的叠瓦状，垂直高差达10 km，且莫霍面反射性差。应用拆沉作用的理论可以很好的解释这一现象：拆沉作用使古老造山带的山根向下沉入软流圈中，软流圈上升至壳幔边界，随后热向上传导、散失，软流圈迅速冷却，最终将导致莫霍面由先前叠瓦状改造为后期平坦状。四、超高压变质体的折返。此前，对于碰撞造山带中的超高压变质体，如大别山的含金刚石变质体等，传统的板块理论无

23、法解释150km 或者更深处的物质是如何快速折返回地表的，而拆沉模式可以很好的解释这一现象。俯冲板片发生拆沉之后，拆沉残余的上部板片突然释重，应力状态迅速改变，处于深部的高压超高压变质岩极可能在很短的时间内折返回岩石圈浅部，甚至是上地壳，加之后期伸展、剥蚀等作用，最终出露地表。6.华北克拉通破坏拆沉作用模型及其存在问题热-化学侵蚀和拆沉作用是华北克拉通破坏的两种主要模型。两种模型均不同程度解释了有关华北克拉通破坏或岩石圈减薄所观察到的现象。其中，拆沉作用较好解释了：(1)华北克拉通广泛存在高镁埃达克质岩浆岩及在徐淮-鲁西地区其中还含有榴辉岩和石榴辉石岩以及地幔橄榄岩包体。其中寄主的高镁埃达克质

24、岩浆岩中存在大量华北克拉通前寒武纪基底特征的以2.5Ga 为主的继承锆石。这些高镁埃达克质侵入岩被解释为拆沉榴辉岩部分熔融产生的熔体穿过地幔时与地幔反应的产物。埃达克质岩浆岩的广泛存在，特别是榴辉岩的出现无疑证明了华北克拉通中生代存在加厚的高原，这是拆沉作用的前提。(2)华北克拉通中新生代玄武岩及橄榄石和辉石中存在明显的大陆下地壳榴辉岩组分特征。矿物学、地球化学和高温高压实验均表明，鲁西产于高镁闪长岩中的纯橄榄岩包体是来自榴辉岩的埃达克质熔体与地幔橄榄岩反应的产物。(3)华北克拉通存在的幕式岩浆活动。由于拆沉作用将导致软流圈上涌，使地壳加热，从而产生大规模岩浆活动，因此拆沉作用应预期岩浆的集中

25、活动。(4)华北克拉通及整个中国东部地壳整体和下地壳相对低的地震波速度和泊松比值，下地壳包体中具有较多的中性和长英质麻粒岩以及中国东部地壳成分研究均证明了华北克拉通及整个中国东部具有较全球大陆更演化的地壳组成，下地壳含有更多的长英质物质。(5)地幔包体的Os 同位素研究表明，华北克拉通东部带古生代岩石圈地幔是太古宙的，而新生代的岩石圈地幔是年轻的，与现在对流地幔一致，尚未发现太古宙地幔残余，两时期岩石圈地幔性质截然不同，早先存在的古老岩石圈地幔在新生代时已不复存在。然而，现有的拆沉作用模型仍难以解释以下现象：(1)如果在早白垩世之前有拆沉作用发生，为何未见到同时的玄武岩喷发?(2)华北克拉通中

26、生代岩浆活动持续了约100Ma，如此长的时间与一般认为的拆沉作用应导致的短期内强烈岩浆活动不符。(3)古生代华北克拉通岩石圈地幔是亏损的，应具有低的密度，即使有榴辉岩下地壳存在也难以抵消岩石圈地幔的浮力。结论与讨论普遍认为地壳加厚使得下地壳密度达到达到榴辉岩相，下地壳发生部分熔融使得下地壳的密度进一步增加直至超过下伏岩石圈地幔，岩石圈地幔变为塑性的软流圈地幔，拆沉作用才可能发生。即大规模的岩浆活动引发了拆沉作用。大洋岩石圈拆沉和大陆下地壳拆沉是完全不同的两种机制：前者为大洋岩石圈幔整体的主动的拆沉，拆沉的速度快；后者为大陆下地壳一块一块的被动的拆沉，拆沉的阻力大、速度慢。主动拆沉，精彩的地质效

27、应出现在拆沉之后，如热的软流圈地幔上涌、大规模岩浆活动、地壳上隆以及随后的地壳伸展和高原垮塌；被动拆沉，精彩的现象大多出现在拆沉之前，如地壳加厚、地表上隆、软流圈地幔上涌、大规模岩浆活动等。许多下地壳拆沉模式倾向于下地壳和岩石圈地幔一道拆沉，很多学者认为下地壳单独拆沉，不赞同下地壳+岩石圈地幔拆沉的模式。拆沉作用模式的最大成功在于解释了大陆壳最终向长英质方向演化这一基本问题，经典的板块构造理论难于圆满地解释这一事实，拆沉模式的建立对回答这一问题提供了有力的证据，从而丰富和完善了板块构造理论。过去人们把陆源洋壳沉积物俯冲作用看成是地壳物质再循环的唯一机制。随着底侵作用、拆沉作用模型的相继建立和发展，地质学家们对壳慢物质交换和地壳物质再循环有了进一步的认识，拆沉作用在地壳物质再循环过程中扮演的重要角色已经得到重视。参考文献：1. 高山，金振民. 拆沉