壳幔物质与深部过程

壳幔物质与深部过程的研究崔海峰壳幔物质与深部过程是大陆动力学研究的关键科学问题之一。壳幔物质的组成与性质、化学与物理学控制深部过程及其动力学。壳幔内物质的密度差异驱动物质对流，温度差异驱动热对流，两者常常相互伴生。密度的大小既依赖于温度，又与物质组成、挥发份含量密切相关。对流或流动尚需一定的粘度条件。因此，壳幔物质在化学和物理学上的不均一性是对流的驱动力，又是壳幔内多种作用过程留下的记录。化学与物理学的某些参数之间还有复杂的相互依赖关系。地球化学研究主要揭示化学不均一性；岩石学手段除了主要揭示化学不均一性，还可反演某些物理学不均一性；地球物理方法则主要揭示物理学的不均一性；流体的种类与含量既影响化学不均一性，又对物理学不均一性产生重要制约。下面从岩石学、地球化学和地球物理以及对流体的研究几个方面来介绍有关壳幔物质相互作用与岩石圈演化方面的研究热点（大陆岩石圈地幔结构组成特征与演化、地幔不均一性及其成因机制、地幔柱理论及应用、深部地质流体、动态条件下熔融和物性实验、Re-Os体系在地幔研究中应用等）的现状与进展。深部过程的研究途径与方法研究深部过程的新技术研究深部作用过程的新技术包括以下几个方面：（1）岩石学、地球化学与地球物理学的结合：①火山喷发可比喻为深达壳幔的巨型超深钻：上地幔与下地壳深源捕虏体或捕虏晶为天然样品；火成岩记录了源区物质的组成与温压等物理学信息，壳幔混合型岩浆的侵入或喷发记录了壳幔相互作用的各种信息。②前寒武纪变质岩系常常是抬升地表的深部陆壳剖面，变质岩PTt轨迹记录了岩石圈形成与构造隆升的历史信息。③痕量元素与同位素地球化学示踪深部物质与深部过程。④各种地球物理场获得深部结构与物理过程：地学大断面与多种地球物理成果的再开发，热结构与壳幔地震层析成像。⑤岩石学、地球化学与地球物理学的结合关键与纽带是深部岩石高温高压相平衡实验、岩石物理性质实验与热力学研究。（2）岩石圈运动的主要要素的反演：岩石圈运动是深部过程的响应，主要包括岩浆作用、沉积与盆地形成、造山作用、构造变形、区域隆升、地震活动和成矿作用等。（3）实验、理论与计算机数值模拟：①深部过程与动力学；②驱动力系统与岩石圈运动各要素之间的耦合关系。岩石学途径的主要理论与实验依据（1）岩石物理化学与热力学理论，以及岩石高温高压实验提供地球物质相平衡、相转变与岩石物理性质的深度温度网格，以及岩浆源区物质的组成和性质。（2）在上述深度温度网格中，矿物组成的变化确定地质温压计，它是岩石学途径推导壳幔热结构的主要基础。（3）熔融反应研究提供理解火山作用与地球化学分异的基础，为软流圈的埋深与性质提供重要约束。（4）低于固相线（subsolidus）的相平衡、相转变与物理性质提供理解壳幔岩石学结构（Petrologicalstructure）的基础，它与地震学方法确定的壳-幔结构有好的可对比性。（5）基于流体力学的原理发展起来的岩浆与流体动力学实验为理解深部过程提供了重要基础。（6）深部过程诱发的壳幔物质在组成和性质上的转变，必然会导致壳幔物质在化学上的不平衡与物--#-高星.地震层析成像研究的回顾与展望.地球物理学进展.2000，15(4)：41－45王椿镛，吴宁远，刘启元，等译.地震层析成像.北京：学术书刊出版社，1989冯锐.全球地震层析成像.见：现今地球动力学问题讨论会论文集.北京：地震出版社，1994：19－25刘国栋.大地电磁测深法在岩石圈研究中的应用及中国大陆地壳上地幔电性结构的基本特征.见：岩石圈研究基本问题和方法.北京：冶金工业出版社，1990：243－257吴功建.关于“区域磁异常的起源和意义”的成就和展望.海洋地质研究动态，1984，(2)：1－9朱茂旭，谢鸿森.地球深部物质电学性质实验研究.地球科学进展，1998，13(5)：438－446马宗晋，供现今.地球动力学研究的8组全球的构造现象与问题.见：现今地球动力学问题讨论会论文集.北京：地震出版社，1994：5－12BlundellD,RFreemanandSMueller,1992.AContinentrevealed,TheEuropeanGeotraverse.CambridgeUniversityPress,1992,275NSF.Anationalprogramforresearchincontinentaldynamics.TheIRISconsortium.Virginia,1993,70MengelKandHKern.EvolutionofthepetrologicalandseismicMoho-implicationsforthecontinentalcrust-mantleboundary.TerraNova,1992,4:109-116宋晓东.地壳内核与地球深部动力学.地学前缘，1998，5(增刊)：1-10SongXDandRichardsPG.ObservationalevidencefordifferentialrotationoftheEarth’sinnercore.Nature,1996,383:221-224[16]张国伟，郭安林，刘福田，等秦岭造山带三围结构及其动力学分析.中国科学(D辑)，1996,26(增刊)：1—6GrandPS,RDvanderHilst,SWidiyantoro.Globalseismictonography:AsnapshopofconvectionintheEarth.1997,GSAToday,7:1-7邓晋福，莫宣学，赵海玲，等.壳幔物质与深部过程.地学前缘(中国地质大学，北京)，1998，5(3)：67—74JarchewCM,ThompsonGA.ThenatureoftheMohorovicicdiscontinuity.AunRevEarthplanetSci，1989，17：475—506吴福元，张世红.深反射地震调查对现代大地构造学的贡献.世界地质，1994，13(1)：117—128黄怀曾.全球地学断面研究现状及存在问题.见：张炳熹主编，岩石圈研究的现代方法.北京：原子能出版社，1997：8—19邓万明，钟大赉.壳-幔过渡带及其在岩石圈构造演化中的地质意义。科学通报，1997，42(23)：2474—2482HaleLD,ThompsonSA.TheseismicreflectioncharacterofthecontinentalMohorovicicdiscontinuity.JGR，1982，87:4625—4635欧新功，金淑燕.壳幔混合层的物质过程及其动力学意义.世界地质，1999，18(3)：1—6肖庆辉.大陆岩石圈的结构与动力学.见：肖庆辉主编.当代地质科学前沿.武汉：中国地质大学出版社，1993，7—16[26]金振民，高山.底侵作用(underplating)及其壳-幔演化动力学意义.地质科技情报，1996,15(2)：1—7HartSR.Alarge-scaleisotopeanomalyinthesouthernhemispheremantle.Nature,1984,(309):753-757ZhuBQ,LiXH,LiuBL.ThreecomponentmixinganddoursystemrecyclingmodelsforexplainingNd-Sr-Pbisotopiccorrelationofsuboceanicandsubcontinentalmantles.ScienceChina(B),1991,33:757-768ZartmanRE,DoeBR.Plumbotectonics-themodel.Tectonophysics,1981,75:135-162TuXL,ZhuBQ,FanSK,etal.ThefeaturesofPbisotopiccompositionsofgranulitesinNorthChinaandincomparisonwithglobe.Sciendeinchina(B),1993,23:537-544ZhuBQ.GeochemicalevidenceforthesouthernchinablockbeingapartofGondwana.JSAsinaEarthSci,1994,9:319-324ZhuBQ.ThemappingofgeochemicalprovincesinChinabasedonPbisotopes,JGeochemExploration,1995,55:171-181朱炳泉.壳幔化学不均一性与块体地球化学边界研究.地学前缘(中国地质大学,北京).1998,5(1-2)：72—82whiteR,McKenzieD.Magmatismatriftzones:thegenerationofvolcaniccontinentalmarginsandfloodbasalts.JourGeophysRes,1989,94(B6):7685-7729AndersonDL.Lithosphere,asthenosphere,andperisphere.RevGeophys,1995,33:125-149RingwoodAE.Constitutionandevolutionofthemantle.GeolSocAustraliaSpPub,1989,14:457-485MaruyamaS.Plumetectonics.JourGeolSocJapan,1994,100(1):24-49SuzanvanderL,NoletG.Seismicimageofthesubductedtrailingfragmentsofthefaralloplate.Nature,1997,386:266-269GriffithsRW.Thermalsinextremeviscousfluids,includingtheeffectsoftemperaturedependentviscosity.JFluidMech,1986,166:115-138[40]金振民，高山.底侵作用(underplating)及其壳-幔演化动力学意义.地质科技情报，1996,15(2):1-7VanderHilstRD,WidyantoroS,EngdahlER.Evidencefordeepmeantlecirculationfromglobaltomography.Nature,1997,386:578-584LayT.thefateofdescendingslab.ResEarthPlanetSci,1994,22:33-61陆现彩，胡文，王宣，等.地幔对流及其对地壳表层拉张盆地的影响.地学前缘(中国地质大学，北京)，1998，5(增刊)：184-190MachetelP,WsberP.Intermittentlayeredconvectioninamodelmantlewithanendothernicphasechangeat670Km.Nature,1991,350:55-57邓晋福，