從地殼上地幔構(gòu)造看大陸巖石圈伸展與裂解

楊文采

“大地構(gòu)造與動(dòng)力學(xué)” 國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所， 北京， 100037

內(nèi)容提要: 本篇討論大陸巖石圈拆沉、伸展與裂解作用過(guò)程。由于大陸巖石圈厚度大而且很不均勻，產(chǎn)生裂谷的機(jī)制比較復(fù)雜。大陸碰撞遠(yuǎn)程效應(yīng)的觸發(fā)，巖石圈拆沉，以及板塊運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則性和地球應(yīng)力場(chǎng)方向轉(zhuǎn)折，都可能產(chǎn)生巖石圈斷裂和大陸裂谷。巖石圈拆沉為在重力作用下“去陸根”的作用過(guò)程，演化過(guò)程可分為大陸根拆離、地殼伸展和巖石圈地幔整體破裂三個(gè)階段。大陸碰撞帶、俯沖的大陸和大洋板塊、克拉通區(qū)域巖石圈，都可能產(chǎn)生巖石圈拆沉。大陸巖石圈調(diào)查表明，拉張區(qū)可見地殼伸展、巖石圈拆離、軟流圈上拱和熱沉降；它們是大陸巖石圈伸展與裂解早期的主要表現(xiàn)。從初始拉張的盆嶺省到成熟的張裂省，拆離后地殼伸展成復(fù)式地塹，下地殼幔源玄武巖漿侵位，斷裂帶貫通并切穿整個(gè)巖石圈，表明地殼伸展進(jìn)入成熟階段。中國(guó)東北松遼盆地和西歐北海盆地曾處于成熟的張裂省。巖石圈破裂為巖漿侵位提供了阻力很小的通道網(wǎng)。巖漿侵位作用伴隨巖石圈破裂和熱流體上涌，成熟的張裂省可發(fā)展成大陸裂谷。多數(shù)的大陸裂谷帶并沒有發(fā)展成威爾遜裂谷帶和洋中脊，普通的大陸裂谷要演化為威爾遜裂谷帶，必須有來(lái)自軟流圈的長(zhǎng)期和持續(xù)的熱流和玄武質(zhì)巖漿的供應(yīng)。威爾遜裂谷帶巖石圈地幔和軟流圈為地震低速帶，其根源可能與來(lái)自地幔底部的地幔熱羽流有關(guān)。

1 導(dǎo)言

前四篇評(píng)述已經(jīng)討論了從地殼上地幔探測(cè)看大陸巖石圈增生之地質(zhì)作用(楊文采等, 2014a—d)，包括洋陸轉(zhuǎn)換、大陸碰撞和克拉通化等；本篇討論和大陸巖石圈增生反對(duì)稱的地質(zhì)作用過(guò)程：大陸巖石圈的伸展與裂解。在洋陸轉(zhuǎn)換和大陸碰撞地質(zhì)作用中, 板塊之間的擠壓力起主要作用；而在大陸裂解作用中, 大陸板塊內(nèi)部受到的拉伸應(yīng)力起主要作用。本篇主要評(píng)述張裂區(qū)(省)和大陸裂谷發(fā)生的大陸伸展與裂解地質(zhì)作用過(guò)程，作用的后果是產(chǎn)生大型沉積盆地、張裂省及大陸裂谷。

大地構(gòu)造單元可按屬性劃分為穩(wěn)定大地構(gòu)造單元、過(guò)渡構(gòu)造單元和活動(dòng)構(gòu)造單元三大類(圖1)，而后二者又可分為擠壓型和拉張型兩亞類。大陸構(gòu)造單元還可按形成年代來(lái)劃分。如年齡>1800Ma的太古宙和古元古代構(gòu)造單元，年齡在1800～800Ma之間反映羅迪尼亞超級(jí)大陸匯聚和裂解的構(gòu)造單元，年齡在800～250Ma之間反映潘吉亞超級(jí)大陸匯聚和裂解的構(gòu)造單元，和年齡<250Ma的中—新生代構(gòu)造單元等。表1 列出這種大陸大地構(gòu)造單元?jiǎng)澐值拿Q，它們可用作大陸板塊的二級(jí)構(gòu)造單元。表中用名詞“張裂省”代替過(guò)去常用字“盆嶺省”，以便于區(qū)分大地構(gòu)造學(xué)與地理學(xué)的名稱。

圖1 全球一級(jí)大地構(gòu)造單元分區(qū):穩(wěn)定區(qū)、活動(dòng)區(qū)和轉(zhuǎn)型區(qū)Fig. 1 Global distribution of tectonic basic units: stable, transfer and active regions

上篇討論了長(zhǎng)期的底墊作用和克拉通化使巖石圈底部不斷加厚、加密，也使它從重力均衡狀態(tài)逐漸走向不均衡與失穩(wěn)，最后可能誘發(fā)巖石圈底部的垮塌和拆沉，以及軟流圈物質(zhì)的不可避免的上涌，導(dǎo)致大陸拉伸和張裂，這種巖石圈地質(zhì)作用和克拉通化正好相反，因?yàn)榭煞Q為去克拉通化。重力拆沉作用就是一種典型的去克拉通化，大陸裂谷作用也是。本篇將討論去克拉通化作用，即促進(jìn)大陸巖石圈減薄、伸展和破裂的大地構(gòu)造作用及相關(guān)的動(dòng)力學(xué)模型。同時(shí)，我們將盡量少用地幔熱羽流假說(shuō)作為論據(jù)，因?yàn)榈蒯嵊鹆骷僬f(shuō)尚未有直接證據(jù)的驗(yàn)證。

板塊構(gòu)造學(xué)對(duì)拉張型板塊邊界有詳細(xì)的描述(James, 1989; Durrheim, 1991; Klemperer and Mooney, 1998; Jolivet and Hataf ，2001; Wardle and Hall , 2002; Rogers, 2004; Fowler, 2005; Leeder and Perez-Arlucea, 2006; 楊文采, 1998, 2009)。

表1 大陸大地構(gòu)造單元Table 1 Continental tectonic units divided by age and stability

對(duì)全球而言，拉張型板塊邊界主要以大洋中脊為代表，它是大洋巖石圈板塊的生長(zhǎng)源區(qū)，也是海底擴(kuò)張的中心地帶，其主要特征是巖石圈張裂，玄武質(zhì)巖漿從巖石圈地幔底部涌出。在大陸上，大多數(shù)裂谷表現(xiàn)為復(fù)式地塹構(gòu)造，火山活動(dòng)比較頻繁，淺源地震比較活躍，有高地?zé)崃鳟惓?。板塊構(gòu)造學(xué)中的威爾遜旋回，解釋了從大陸裂谷開始的大洋打開到形成大洋中脊的過(guò)程。但是，威爾遜并沒有解釋大陸裂谷形成過(guò)程的細(xì)節(jié)。因此，在板塊構(gòu)造學(xué)建立之后，許多學(xué)者試圖對(duì)大陸裂谷的形成進(jìn)行解釋，引起了拆沉說(shuō)和地幔柱說(shuō)之間的爭(zhēng)論。從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)看，這場(chǎng)爭(zhēng)論的焦點(diǎn)在于：大陸裂谷的形成是重力主導(dǎo)還是熱力主導(dǎo)？本篇不打算詳細(xì)討論這場(chǎng)爭(zhēng)論，只想通過(guò)全球?qū)Ρ鹊湫偷貧ど系蒯Ｕ{(diào)查成果看大陸板塊內(nèi)巖石圈減薄、伸展和破裂的作用過(guò)程細(xì)節(jié)。

大陸巖石圈裂解作用過(guò)程屬于大陸從穩(wěn)定相態(tài)向活動(dòng)相態(tài)轉(zhuǎn)型的大地構(gòu)造作用。圖1展示了全球巖石圈的穩(wěn)定區(qū)、活動(dòng)區(qū)和轉(zhuǎn)型區(qū)，大陸裂谷屬于轉(zhuǎn)型區(qū)，在圖中顯示為桔黃色區(qū)域。由圖1可見，大陸裂谷區(qū)主要包括東非、格陵蘭西南、英吉利海峽及萊因盆地、美國(guó)西部盆嶺省、貝加爾、松遼和華北東部。按照這些大陸裂谷區(qū)發(fā)生時(shí)序?qū)Ρ绕涞貧?gòu)造，便可以概略地恢復(fù)大陸裂谷發(fā)育演化的階段，揭示大陸巖石圈裂解作用過(guò)程的規(guī)律性。下面首先以貝加爾裂谷入手，看大陸巖石圈斷裂帶的發(fā)生。

2 大陸巖石圈斷裂和地殼拆離

大陸巖石圈裂解作用表現(xiàn)在巖石圈斷裂帶的發(fā)育，而地殼上地幔地球物理探測(cè)揭示了三大類巖石圈斷裂的存在。巖石圈斷裂指從地表向下穿過(guò)莫霍面到達(dá)上地幔的斷裂，也可分為正斷層、逆斷層和走滑斷層三大類。巖石圈逆斷層與洋陸俯沖和陸陸俯沖有關(guān)，如印度板塊向亞歐板塊的俯沖，在上篇己經(jīng)討論過(guò) (楊文采等, 2014b—d)。走滑斷層產(chǎn)狀很陡，貝加爾裂谷和郯廬斷裂帶都是它們的典型。巖石圈拆離正斷層產(chǎn)狀較緩，詳見后述之討論。

板塊構(gòu)造學(xué)認(rèn)為，大陸裂谷是地球巖石圈從陸到洋轉(zhuǎn)換與大陸裂解的先兆。如本評(píng)述上篇所述(楊文采等, 2014d)，長(zhǎng)期的底侵作用和克拉通化最終可使它逐漸走向重力不均衡與失穩(wěn)，導(dǎo)致大陸巖石圈底部的垮塌和拆沉，軟流圈物質(zhì)的上涌以及地殼拉伸。但是，由于大陸巖石圈不僅比大洋厚得多，而且內(nèi)部物質(zhì)很不均勻，強(qiáng)度也有較大變化，因此產(chǎn)生裂谷的機(jī)制也要復(fù)雜得多。

根據(jù)巖石物理學(xué)研究可知(Yang Wencai, 2014)，巖石的抗張極限強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓極限強(qiáng)度。換句話說(shuō)，地殼和地幔巖石在受擠壓時(shí)不易破裂，在受拉張時(shí)容易破裂。在表2中，給出了巖石的抗張極限強(qiáng)度和抗壓極限強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由表可見，未風(fēng)化的結(jié)晶巖石的壓縮極限強(qiáng)度一般很高，與金屬同一數(shù)量級(jí)；但拉伸極限強(qiáng)度一般很低，比金屬小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。地殼中與拉伸有關(guān)的正斷層出現(xiàn)頻數(shù)遠(yuǎn)大于逆斷層，原因就在這里。大陸巖石圈裂解作用過(guò)程開始于巖石圈斷裂的發(fā)生。由于地殼和地幔巖石在受拉張時(shí)容易破裂，可以使拉張區(qū)拆離作用穿過(guò)下地殼和巖石圈地幔。巖石圈斷裂指切穿整個(gè)巖石圈的破裂帶，在大陸內(nèi)部，巖石圈斷裂的發(fā)生還有多種原因。貝加爾裂谷是現(xiàn)今大陸內(nèi)部最年輕的大陸裂谷之一，我們先以貝加爾裂谷入手，看大陸巖石圈斷裂帶的構(gòu)造。正如本評(píng)述前幾篇討論過(guò)的，大陸巖石圈活動(dòng)帶內(nèi)部存在許多強(qiáng)度較弱的地帶，在外力作用下，這些強(qiáng)度弱的地帶將首先發(fā)生形變。貝加爾位于中生代蒙古—鄂霍次克碰撞帶北側(cè)(見圖2)，正屬于強(qiáng)度較弱的中生代大陸碰撞帶邊緣(楊文采和于常青, 2014)。作為印度—亞歐板塊碰撞遠(yuǎn)程效應(yīng)的一個(gè)發(fā)生處，貝加爾地區(qū)發(fā)生了巖石圈斷裂，并形成地塹和貝加爾湖。

表2 常見材料抗張和抗壓極限強(qiáng)度Table 2 Limit tensile strength and compression strength of some solid materials

圖2 (a) 過(guò)貝加爾湖表層剖面圖；(b) 地震P波速度剖面圖；(c) 推測(cè)巖石圈斷裂模型類型，三層分別 為中—上地殼、下地殼和巖石圈地幔；(d)地殼剖面圖，黑圈為板內(nèi)地震源Fig. 2 (a) Geologic section across Lake Baykal; (b) seismic P-wave velocity profile; (c) fault model and the lithosphere type; and (d) inferred crustal section from geophysical investigation

圖3 大陸拉張區(qū)的三種巖石圈拆離作用模型Fig. 3 Three continental extension and detachment models (a)麥肯瑟模型; (b) 沃尼卡單純剪切模型; (c) 大陸拆離伸展模型。紅線代表拆離面，黃色代表中下地殼韌性層 (a) McKenzie model; (b) Wernicke model; and (c) Lister model. red indicates lithosphere faulting, yellow shows ductile lower crust.

圖2為通過(guò)貝加爾湖表層地質(zhì)剖面圖和地震P波速度剖面圖,并由此得出巖石圈斷裂模型和推測(cè)地殼剖面(Jahn B-M, 2004；Warren, 2009；任紀(jì)舜、牛寶貴、王軍等，2012)。圖中標(biāo)明了巖石圈斷裂的位置(見圖2d)及其陡傾穿過(guò)地殼并在北東側(cè)形成地塹的形態(tài)(見圖2c)。由圖可見，巖石圈斷裂位于貝加爾地塹北側(cè)，穿過(guò)莫霍面，地塹寬度只有30km左右。圖中黑圈表示板內(nèi)地震源深度在10km上下，與斷裂活動(dòng)密切相關(guān)；上地殼下面有韌性剪切帶，由地殼拉伸造成的拆離作用形成。貝加爾地塹下方莫霍面隆起約6 km，指示玄武質(zhì)巖墻的底侵，這種情況也出現(xiàn)在大興安嶺深反射地震剖面上(楊文采和于長(zhǎng)青，2014c)。貝加爾地殼剖面說(shuō)明，大陸內(nèi)巖石圈斷裂不一定源于區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的不均衡，也可能為大陸碰撞等其它因素觸發(fā)。但是，發(fā)生在貝加爾湖一帶的巖石圈斷裂并沒有馬上造成大陸的裂解，它能否打開為像東非大裂谷那樣的大洋萌芽(稱為威爾遜裂谷)還取決于區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的今后發(fā)展(Lechie et al., 1997)。

除了大陸碰撞觸發(fā)之外，巖石圈斷裂的發(fā)生還可源于地殼伸展。地質(zhì)學(xué)家早已指出，大陸上多數(shù)沉積盆地的形成與地殼伸展作用有關(guān)。1978年麥肯瑟提出 (McKenzie, 1978)，這種地殼拉張區(qū)的作用可用圖3的純剪切模型來(lái)解釋。由于地殼拉張使粘滯系數(shù)較小的中—下地殼巖石發(fā)生蠕動(dòng)，中—下地殼巖層頂面發(fā)生沿近水平剪切面的解耦，形成拆離面，見圖3(a)。拆離面的兩端即地殼拆離終結(jié)點(diǎn)地應(yīng)力集中，易發(fā)生地震，并產(chǎn)生活動(dòng)斷層。拆離面上方巖層拉伸的結(jié)果發(fā)生正斷層和地塹等伸展構(gòu)造。

大陸碰撞帶的地殼拆離構(gòu)造主要發(fā)生在中地殼頂部(楊文采，1998, 2009)，而拉張區(qū)的地殼拆離構(gòu)造與大陸碰撞帶不大一樣。為說(shuō)明這一區(qū)別，先來(lái)說(shuō)明相關(guān)的構(gòu)造，以前叫鏟式斷層、犁式斷層，筆者認(rèn)為稱為正凹斷層(listric fault)更為準(zhǔn)確，它指斷裂面傾角由陡向下逐漸變緩變平的正斷層。稱為正凹斷層因?yàn)樗膶傩詾檎龜鄬?，而傾角變化特征為向下凹。在圖3a的麥肯瑟地殼拉伸模型中，標(biāo)示了正凹斷層發(fā)育位置。McKenzie(1978)指出，當(dāng)大陸巖石圈在拉張力作用下，韌性下地殼受剪切應(yīng)力作用而減薄，而脆性上地殼底部受此剪切力作用而破裂，導(dǎo)致正凹斷層成組發(fā)育，和地表地塹式沉積盆地的出現(xiàn)，這種作用稱為構(gòu)造伸展。構(gòu)造伸展之后，變薄的下地殼和巖石圈地幔自然會(huì)被下方較熱的軟流圈上拱所填充，當(dāng)填充物逐漸變冷后，由于下方巖石密度加大而體積縮小，其上方的沉積盆地會(huì)同步沉降加深，體積擴(kuò)大，引起的沉降作用稱為熱沉降，作用期遠(yuǎn)比構(gòu)造伸展作用長(zhǎng)。大型沉積盆地起源于構(gòu)造伸展，起因于熱沉降，這是麥肯瑟模型的要點(diǎn)。

圖4 (a) 美國(guó)盆嶺省反射地震剖面圖; (b) 美國(guó)盆嶺省地面斷裂分布平面圖; (c) 拉張區(qū)地塹平面分布的三種類型示意圖Fig. 4 (a) The seismic reflection section across Basin and Range Province; (b) fault distribution in the province; and (c) three types of grabens in the province (source: Klemperer and Mooney , 1998)

麥肯瑟模型是一個(gè)軸對(duì)稱模型，其中地殼拆離只發(fā)生在中—下地殼。然而，在許多拉張伸展地區(qū)，更為多見的是不對(duì)稱的傾斜拆離面的情況，典型例子如美國(guó)的盆嶺省。為解釋傾斜拆離面的構(gòu)造伸展作用，在麥肯瑟模型的基礎(chǔ)上又提出了沃尼卡(Wernicke)單純剪切模型(Klemperer, 1989; Jolivet and Hataf, 2001; Rogers, 2004; Cloetingh and Negendank, 2009)，此模型認(rèn)為巖石圈拉伸時(shí)整個(gè)巖石圈發(fā)生低角度正斷層運(yùn)動(dòng)形式的拆離，見圖3b。純剪切模型的特點(diǎn)是由剪切導(dǎo)致的地殼拆離傾斜穿過(guò)下地殼和莫霍面, 整體上的構(gòu)造體制完全不對(duì)稱，軟流圈上拱和熱沉降會(huì)偏離于上地殼構(gòu)造拉伸盆地。但是，這個(gè)模型回避了位于韌性下地殼和軟流圈之間的剛性巖石圈地幔是否被拆離，在結(jié)構(gòu)上不能令人信服。于是，又有人提出了大陸拆離伸展模型(Lister et al., 1986), 它相當(dāng)于上述兩種模型的結(jié)合，見圖3c。此模型保留了麥肯瑟模型的上地殼拆離、軟流圈上拱和熱沉降；應(yīng)用了純剪切模型穿過(guò)下地殼的拆離，并把拆離伸展到巖石圈地幔, 更符合拉張區(qū)多見的巖石圈調(diào)查成果。

那么，為什么在拉張巖石圈中拆離作用可以穿過(guò)下地殼和巖石圈地幔呢？這是因?yàn)閹r石的力學(xué)性質(zhì)決定的，即巖石的抗張極限強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓極限強(qiáng)度所致(見表2)。換句話說(shuō)，地殼和地幔巖石在受擠壓時(shí)不易破裂，在受拉張時(shí)容易破裂，便使拉張區(qū)拆離作用容易穿過(guò)下地殼和巖石圈地幔。由圖3b、c可見，受拉張時(shí)巖石圈拆離作用還會(huì)誘發(fā)幔源巖漿侵位等一系列作用。

成熟的大陸巖石圈張裂省必然有切穿整個(gè)巖石圈的破裂帶，而不只是有地表常見的正凹斷層, 巖石圈拉張伸展發(fā)生巖石圈斷裂的模型圖3c就屬于這種情形。在地殼應(yīng)變率高的情況下，沿主斷裂巖石圈垂向斷距較大，但下地殼不再產(chǎn)生新的斷裂，拉伸主要發(fā)生在上地殼。在巖石圈拉張作用持續(xù)時(shí)，地殼應(yīng)變率雖然不一定高，但沿主斷裂側(cè)面還會(huì)斷開，可在下地殼產(chǎn)生一組平行斷裂，因此地塹寬度越來(lái)越大并不斷疊合，可形成大型的復(fù)式盆地。

圖5 過(guò)東北松遼盆地反射地震剖面圖(a)和地面斷裂分布圖(b) (楊文采和陳志德, 2005)Fig. 5 A seismic reflection section across Songliao sedimentary basin in Northeast China(a), and fault distribution of the area (b) (楊文采和陳志德, 2005)

3 大陸巖石圈張裂的發(fā)展

美國(guó)盆嶺省屬于巖石圈張裂的早期階段。盆嶺省地面構(gòu)造圖上近南北走向的正斷層多如牛毛(圖4b)，說(shuō)明研究區(qū)地殼已伸展成寬闊的復(fù)式地塹，但是下地殼沒有明顯的反射體，斷裂帶尚未連接成穿越全區(qū)的巖石圈斷裂。根據(jù)圖3所示的構(gòu)造伸展和熱沉降模型可以推測(cè)，如果盆嶺省進(jìn)一步伸展成為成熟的張裂省，上地殼將發(fā)育成大型沉積盆地，斷裂帶將發(fā)育成穿越全區(qū)的巖石圈斷裂，下地殼將充斥幔源巖漿侵位的玄武巖枝，這就是中國(guó)松遼盆地的情況(楊文采和陳志德, 2005; Yang Wencai and Chen Zhide, 2006)。圖5為過(guò)東北松遼盆地的反射地震剖面圖(圖5a)和地面斷裂分布圖(圖5b)，這個(gè)地區(qū)是寬闊的復(fù)式地塹，剖面圖中顯示多條穿越巖石圈的斷裂，并在下地殼充滿了幔源玄武巖漿侵位的反射體，這種反射組構(gòu)稱為拱弧反射。從地面斷裂分布(圖5b)可見，松遼盆地的斷裂帶已相互貫通，發(fā)育成穿越全盆地的巖石圈斷裂。從很少玄武巖漿侵位到充滿幔源玄武巖漿侵位的下地殼，從牛毛狀散布的斷裂到相互貫通斷裂帶，說(shuō)明地殼伸展和地塹擴(kuò)張進(jìn)入了一個(gè)孕育裂谷的新的階段。幔源玄武巖漿侵位在許多發(fā)育初期的裂谷帶都有發(fā)現(xiàn)。圖6為過(guò)英吉利海峽和北海的三條反射地震剖面圖(Klemperer and Mooney, 1998 a,b)，下地殼都有幔源玄武巖漿侵位的強(qiáng)反射。侏羅紀(jì)初北海原是亞歐板塊西緣的陸緣裂谷帶，后因?yàn)榇笪餮蟮拇蜷_擠壓，未能繼續(xù)擴(kuò)張成為洋中脊。從地塹深度和海水涌入情況看來(lái)，北海裂谷的發(fā)育程度比松遼盆地又進(jìn)了一步。

圖6 過(guò)英吉利海峽和北海的三條反射地震剖面圖，下地殼都有反映幔源玄武巖漿侵位的強(qiáng)反射Fig. 6 Three seismic reflection sections across North Sea sedimentary basins, showing strong reflectors in the lower crust(source: Klemperer and Mooney, 1998)

圖7 (a)、 (b)碰撞造山帶巖石圈拆沉原理示意圖;(c)、 (d)俯沖帶巖石圈拆沉原理示意圖(據(jù)Bird, 1979)Fig. 7 Illustration of delamination processes: (a) Geologic section of a collision belt before delamination; (b) the section of the collision belt after delamination; (c) geologic section of a subduction zone before delamination; and (d) the section after delamination (source: Bird, 1979)

4 大陸巖石圈拆沉作用

接下來(lái)討論大陸巖石圈拆沉造成大陸巖石圈減薄和地殼伸展。1979年伯德(Bird)最早提出用巖石圈拆沉(delamination)作用解釋陸根消失和大陸巖石圈減薄。他指出在板塊匯聚地區(qū)巖石圈因擠壓而縮短增厚，使等溫面下移，形成大陸巖石圈下凸的根。下凸的根因變冷縮容而密度增大，導(dǎo)致陸根在重力上失穩(wěn)、拆離并沉陷到下方軟流圈地幔中。圖7為伯德碰撞帶巖石圈拆沉示意圖;圖7a為原先很厚的碰撞帶巖石圈，由于重力失衡后來(lái)拆沉了，見圖7b。陸根被熱軟流圈所取代將引發(fā)快速的重力均衡回跳，并使構(gòu)造體制從擠壓狀態(tài)變?yōu)樯煺範(fàn)顟B(tài)，導(dǎo)致巖石圈伸展作用的發(fā)生, 見圖7c。伯德認(rèn)為因洋殼俯沖產(chǎn)生過(guò)厚的俯沖帶巖石圈，后來(lái)由于重力失衡拆沉，見圖7d。當(dāng)大陸巖石圈克拉通化到一定程度之后，由于下方軟流圈的熱能供應(yīng)逐漸減緩，使巖石圈地溫梯度緩慢下降。巖石圈底部溫度下降的最終結(jié)果會(huì)使下方緊鄰的部分軟流圈變?yōu)閯傂缘膸r石圈地幔，這就是所謂的“大陸根”?？死ǖ貐^(qū)大陸根也易于因重力失衡而被拆沉, 巖石圈拆沉作用的后果也產(chǎn)生大陸巖石圈減薄、上方地殼伸展并產(chǎn)生巖石圈斷裂。

那么，巖石圈拆沉作用有什么證據(jù)？圖4為美國(guó)盆嶺省的地殼探測(cè)結(jié)果，為巖石圈拆沉作用提供了佐證。圖4a 為美國(guó)盆嶺省反射地震剖面圖,地殼較薄，厚度30km左右。莫霍面非常平，如刀切的一樣，下面巖石圈地幔很均勻，沒有反射體，反映地殼底部有巖石圈拆沉。地殼中可見到傾斜的拆離斷裂帶，穿越整個(gè)地殼，形狀與圖3c的模型相似，反映了上地殼相對(duì)于中、下地殼的大規(guī)模拆離。沿拆離斷裂上盤產(chǎn)生一系列由傾向相反的高角度正斷層組成的斷塊，反映了盆嶺區(qū)大規(guī)模的伸展活動(dòng)。圖4b 為美國(guó)盆嶺省地面斷裂分布平面圖,地面近南北走向的正斷層多如牛毛，說(shuō)明研究區(qū)開始伸展成寬闊的復(fù)式地塹，寬度達(dá)200km以上。圖4c 示意拉張區(qū)復(fù)式地塹的樣式有三種類型：即連接的反向半地塹、不連接的反向半地塹、和連接的同向半地塹。目前，不少人用巖石圈拆沉作用對(duì)這種地殼構(gòu)造的形成作解釋。

圖8 Walcott(1993)提出的盆嶺省伸展作用成因 的模型 (據(jù)Jolivet et al., 2001)Fig. 8 Extension origins of Basin and Range Province suggested by Walcott (source: Jolivet et al., 2001)

不過(guò)，盆嶺省的伸展不僅可以用拆沉作用來(lái)解釋，也可以板塊運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則性和地球應(yīng)力場(chǎng)方向轉(zhuǎn)折來(lái)解釋。圖8為Walcott(1993)提出的盆嶺省伸展作用成因的模型(Kay R W and Kay S M, 1993; Jolivet and Hataf, 2001 )。由圖可見，盆嶺省位于大平洋板塊和洛基山造山帶之間，西邊以俯沖帶和圣安德列斯右旋走滑斷裂為邊界，東邊也是一組右旋斷裂邊界。于是，夾在其中的盆嶺省便處于大地應(yīng)力場(chǎng)的拉張區(qū)，產(chǎn)生伸展作用在所難免。圖8中背向的雙向箭頭代表了拉張的方向，正交于應(yīng)力場(chǎng)方向的交錯(cuò)。對(duì)于中—新生代發(fā)生的巖石圈拆沉，最直接的證據(jù)應(yīng)該是拆沉到軟流圈的大陸根殘存，它在地震層析圖中反映為高速異常體。筆者在蘇魯?shù)貐^(qū)的研究就曾發(fā)現(xiàn)過(guò)拆沉到軟流圈的高速異常體(楊文采,張學(xué)明等, 2007；Yang Wencai, 2003, 2009 )。

巖石圈拆沉作用屬于巖石圈—軟流圈相互作用的一種，同時(shí)發(fā)生巖石圈的部分熔融(Kay R W and Kay S M, 1993; Richards et al., 2000)。圖9a說(shuō)明，由于克拉通化使巖石圈增厚(上)，較冷的陸根吸引熱流(見圖中箭頭)，使陸根底部的兩側(cè)被軟流圈熱流所融蝕，最后導(dǎo)致陸根兩側(cè)熔融連接而斷底(中)；最后克拉通巖石圈拆沉部分沉入軟流圈中，逐漸去水和流變(下)。巖石圈拆沉?xí)r熔融發(fā)生位置在軟流圈頂部，頂部的熔融是干巖石的熔融，位置見圖9(b)。軟流圈下部的熔融是濕巖石的熔融，與去水作用析出水有關(guān)。圖10為說(shuō)明巖石圈拆沉前后巖石熔融發(fā)生的相圖。巖石圈拆沉前為厚巖石圈，橄欖巖的固相絕熱曲線在地溫曲線之上，因此陸根得以保持穩(wěn)定 (圖10a)。如果巖石圈拆沉后的巖石圈厚度減薄一半，巖石圈底部溫度仍為1300℃，地溫曲線局部升到橄欖巖的固相絕熱曲線在之上(圖10b)，因此軟流圈頂部和巖石圈底部出現(xiàn)熔融區(qū)。

拆沉作用不僅發(fā)生在大陸，還可發(fā)生在俯沖大洋板塊和俯沖大陸板塊。在討論蘇魯?shù)貐^(qū)陸—陸俯沖時(shí)，筆者曾提到過(guò)碰撞造山后期的俯沖大陸板塊也發(fā)生拆沉作用(楊文采等，2007，楊文采，2009)?？傮w上看，發(fā)生在克拉通區(qū)域的拆沉作用尺度較大，從盆嶺省的反射地震剖面(圖4a)看來(lái)，不僅巖石圈地?？赡苋坎鸪?，而且還可能涉及部分下地殼。

圖9 (a)克拉通巖石圈拆沉原理示意圖； (b) 巖石圈拆沉?xí)r熔融發(fā)生位置示意圖Fig. 9 (a) Illustration of a delamination model of continental lithosphere; and (b) melting positions after delamination

圖10 (a) 克拉通巖石圈拆沉前地殼上地幔溫度的變化示意圖； (b) 巖石圈拆沉后熔融發(fā)生原因示意圖Fig. 10 Illustration of temperature variation before lithosphere delamination (a) ; and melting after the delamination (b)

圖11 通過(guò)菜茵地塹的兩條反射地震剖面及其解釋，摘自ECORP和DEKORP報(bào)告Fig. 11 Two seismic reflection sections across Rhine graben with interpretation notes (source: ECORP and DEKORP reports)。

5 巖石圈斷裂和幔源玄武巖漿侵位

地球物理學(xué)家關(guān)心伸展構(gòu)造和裂谷帶發(fā)育過(guò)程中巖石圈地幔的變化。從地球物理學(xué)看來(lái)，從巖石圈地幔的破裂到裂谷最終打開應(yīng)該是一個(gè)長(zhǎng)期和復(fù)雜的過(guò)程，而且隨時(shí)可能中斷。比松遼盆地裂谷發(fā)育更進(jìn)一步的地區(qū)為萊茵地塹。圖11為通過(guò)萊茵地塹的兩條反射地震剖面及其解釋。由圖可見，裂谷帶下地殼的強(qiáng)反射體在巖石圈斷裂附近斷開了，意味著這里的巖石與下方巖石圈地幔的巖石沒有明顯的差別，下地殼有可能發(fā)生大規(guī)模幔源玄武巖漿侵位。大規(guī)模幔源玄武巖漿侵位是大陸裂谷發(fā)展的主要特征之一，因此可以推測(cè)，萊茵地塹巖漿侵位大陸裂谷的發(fā)育比松遼盆地又進(jìn)了一步。

大陸裂谷的進(jìn)一步發(fā)育可以使幔源巖漿上涌分異，并在下地殼匯集成巖漿房。一般來(lái)說(shuō)，巖漿底墊(magma underplating)與裂谷區(qū)巖漿侵位(magma intrusion)雖然都屬于幔源巖漿活動(dòng)，但卻是兩個(gè)不同的地質(zhì)作用。巖漿底墊幔源巖漿發(fā)育于巖石圈底部的局部區(qū)段，部分熔融的熔體緩慢地向上滲透和頂蝕；長(zhǎng)期的底墊作用使地殼巖石密度和強(qiáng)度不斷加大，最終形成克拉通化地殼。拉張區(qū)的巖漿侵位屬于幔源部分熔融的熔體在浮力作用下快速地沿巖石圈斷裂向上滲透，或形成脈狀熔巖流向四周巖石縫隙中穿插，在中—下地殼形成密布的玄武質(zhì)巖脈群。粗略地看，大陸裂谷作用是巖石圈拉張斷裂和巖漿侵位作用的組合和疊加，巖石圈斷裂不僅使幔源巖漿上涌加速，而且為巖漿上涌提供了阻力很小的通道。巖漿侵位作用伴隨巖石圈破裂和熱流體上涌，促成大陸裂谷的發(fā)育。

圖12 通過(guò)美國(guó)新墨西哥洲梭可羅附近的里約格蘭德裂谷的反射地震剖面(a)及其解釋(b)， 摘自de Voogt et al, 1988 及COCORP報(bào)告Fig. 12 A seismic reflection sections across Rio Grande rift (a) with interpreted geologic section (b) (source: de Voogt et al, 1988 and COCORP reports) (a) F—H—地殼主要斷裂，GI—巖漿房。 (b) SMB為下地殼巖漿房的反射，水平點(diǎn)劃線表示前裂谷作用的沉積地層 (a) F—H—main fault in crust; GI—magma chamber. (b) SMB— reflection of the magma chamber in crust; horizontal dash and dot lines ara sedimentary strata before rift

圖13 玄武巖(實(shí)線)和橄欖巖(虛線)地震波波速隨溫度的變化;玄武巖相變發(fā)生在1000～1100℃，橄欖巖相變發(fā)生在1200～1300℃(James, 1989; Jolivet and Hataf, 2001)Fig. 13 P-wave velocity variation with temperature of basaltic and peridotitic samples (source: James, 1989; Jolivet and Hataf, 2001)

熔體在浮力作用下快速地沿巖石圈斷裂向上滲透，熔化了地殼熔點(diǎn)低的礦物之后，便可在下地殼上方形成巖漿房。圖12為通過(guò)美國(guó)新墨西哥州梭可羅附近的里約格蘭德裂谷的反射地震剖面及其解釋 (Pakiser and Mooney, 1989; Richards et al., 2000)。從反射地震剖面上可見，深度22 km處有一組強(qiáng)反射體，推測(cè)為巖漿房的反映。巖漿流變性質(zhì)特殊，這種性質(zhì)用粘度來(lái)描述，與礦物結(jié)晶的濃度密切相關(guān)。巖石從固相變?yōu)橐合嗟倪^(guò)程中，粘度可降低1015級(jí)次，在地球物質(zhì)中極其罕見。圖13 為玄武巖(實(shí)線)和橄欖巖(虛線)地震波波速隨溫度的變化的測(cè)定結(jié)果。玄武巖由固相向液相的相變發(fā)生在1000～1100℃，橄欖巖由固相向液相的相變發(fā)生在1200～1300℃，隨相變發(fā)生地震波速急劇下降，說(shuō)明巖石的彈性和剛性急劇下降，因此巖漿房的頂?shù)酌鏁?huì)產(chǎn)生強(qiáng)反射。

巖漿侵位作用上升到中—下地殼產(chǎn)生巖漿房之后，熔體還會(huì)繼續(xù)上升到離地表5～20km深的上地殼形成基性巖墻、巖株或其它巖脈。圖14 為通過(guò)美國(guó)新墨西哥州里約格蘭德裂谷的地表地質(zhì)剖面(圖14a)及巖石圈示意剖面(圖14b)。由圖可見，裂谷下方巖石圈地幔有部分熔融區(qū)，中地殼底部有巖漿房，巖漿呈脈狀穿刺到達(dá)地表。要特別注意的是，底墊作用的基性巖漿活動(dòng)主要發(fā)生在下地殼，基性巖墻巖枝與下地殼巖石共生；而巖漿侵位作用伴隨巖石圈破裂和熱流體快速上涌，最終形成的基性巖墻巖枝可以與上地殼巖石共生。

目前，產(chǎn)生大陸裂谷的機(jī)制還有爭(zhēng)議。除部分巖石圈拆沉或小塊巖石圈拆沉(即滴水構(gòu)造)和地殼拉伸熱沉降外，另有人認(rèn)為大陸裂谷只是地幔熱羽流上涌的副產(chǎn)品(Condie, 2001)，地球內(nèi)部熱能為其主要?jiǎng)恿?，而地幔巖石中羥基的去水和交代乃是巖石圈減薄和基性巖漿沿裂谷上涌的主要原因。這些爭(zhēng)議尚有待今后進(jìn)一步探討。

6 普通大陸裂谷與威爾遜裂谷

圖14 通過(guò)美國(guó)新墨西哥州里約格蘭德裂谷的地表地質(zhì)剖面(a)及巖石圈示意剖面(b) (據(jù) Pakiser and Mooney, 1989)Fig. 14 Cross section of the (a) geological ; and (b) thermal structure beneath the Rio Grande rift (source: Pakiser and Mooney, 1989)

多數(shù)的大陸裂谷帶并沒有發(fā)展成紅海式的洋中脊，它們是普通的大陸裂谷帶。能演化為紅海式的洋中脊的裂谷帶稱為威爾遜裂谷帶，典型者為現(xiàn)代的東非大裂谷(Molnar, 1988; Lechie et al., 1997) 。那么，威爾遜裂谷帶的巖石圈構(gòu)造又有什么特點(diǎn)呢？圖15為過(guò)東非大裂谷肯尼亞段重力異常剖面與巖石圈地震P波波速剖面(Lechie et al., 1997; Jolivet and Hataf，2001; Rogers, 2004)。由圖15 a可見，裂谷上方布格重力異常剖面為明顯的負(fù)異常，幅度達(dá)100 mgal。由圖15 b知，由重力異常剖面反演取得的密度剖面，反映了裂谷上中地殼密度降低0.1g/cm3。由圖15 c可見， 裂谷帶巖石圈地幔和軟流圈為地震P波低速帶，可能反映地幔熱羽流。圖16 為過(guò)東非大裂谷的巖石圈剖面和地幔地震S波波速擾動(dòng)截面。由圖16 a可見，過(guò)馬加第盆地的大陸裂谷即將開始打開成洋；下地殼有巖漿房，發(fā)展階段與圖12的里約格蘭德裂谷相似。由圖16b知，穿過(guò)開始打開成洋的Asal裂谷剖面和圖15相似，裂谷下方巖石圈地幔全部成為低速區(qū)。同一剖面也過(guò)埃塞俄比亞的大陸裂谷，這里莫霍面下波速仍為8.0km/s，說(shuō)明巖石圈地幔很正常，不屬于威爾遜裂谷。

由圖16c可見(Richards et al., 2000; Charles and Barbara, 2000; Marone et al., 2004)，過(guò)東非大裂谷肯尼亞下方的整個(gè)地幔地震S波波速都下降了1%，巖石圈S波波速下降了1.5%。由此可以推測(cè)，東非大裂谷的打開與一般大陸裂谷不同，其根源可能與來(lái)自地幔底部的地幔熱羽流有關(guān)(楊文采，1998; Condie , 2001)。

圖15過(guò)東非大裂谷肯尼亞段重力異常剖面與巖石圈地震P波波速剖面; (a) 重力異常剖面, 實(shí)線為實(shí)測(cè)，虛線為模型計(jì)算；(b)由重力異常剖面反演取得的密度剖面；(c) 巖石圈地震P波波速剖面; LVZ為低速區(qū)(據(jù)Lechie et al., 1997)Fig. 15 Cross sections of the (a) gravity anomaly; (b) inversed density structure; and (c) seismic P-wave velocity beneath the East Africa rift in Kenya， LVZ—lower velocity zone(source: Lechie et al., 1997)

對(duì)比裂谷區(qū)的地殼上地幔調(diào)查結(jié)果表明，普通的大陸裂谷要演化為威爾遜裂谷帶，必須有來(lái)自軟流圈的長(zhǎng)期和持續(xù)的熱流侵位和玄武質(zhì)巖漿侵位，使巖石圈地幔的波速降低，地殼拉伸減薄(White et al., 1987)。單純的拆沉作用可以形成普通的大陸裂谷，但是如果其作用期不夠長(zhǎng)，熱源供應(yīng)也不充足，要發(fā)育成威爾遜裂谷也是困難的。如果普通的大陸裂谷帶下方鄰近地幔熱羽流，有了長(zhǎng)期和持續(xù)的熱流和物質(zhì)供應(yīng)，演化為威爾遜裂谷帶的可能性便大大提高了。由地震層析成像的圖16c可見， 東非裂谷帶的地幔有地震波低速帶，從地幔底部升起，范圍很大，可能反映超級(jí)地幔熱羽流及威爾遜裂谷的“根”。這種低速的“根”可以作為識(shí)別威爾遜裂谷的一個(gè)標(biāo)志。

7 結(jié)論

本篇評(píng)述討論了巖石圈的拉張伸展和裂谷作用過(guò)程的不同階段：從初始拉張的盆嶺省，到大型沉積盆地，再到大陸裂谷的發(fā)育，最后發(fā)展成為威爾遜裂谷。不同階段的作用時(shí)期和拉張的力量各不相同，巖石圈構(gòu)造和伴隨的巖漿活動(dòng)形式也大不一樣。通過(guò)地殼上地幔調(diào)查結(jié)果可以判識(shí)巖石圈的拉張伸展作用過(guò)程所處的階段。

(1) 由于大陸巖石圈厚度大而且很不均勻，產(chǎn)生裂谷的機(jī)制比較復(fù)雜。大陸碰撞遠(yuǎn)程效應(yīng)的觸發(fā)，巖石圈拆沉，以及板塊運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則性和地球應(yīng)力場(chǎng)方向轉(zhuǎn)折，都可能產(chǎn)生巖石圈斷裂和大陸裂谷。

(2) 巖石圈拆沉為在重力作用下“去陸根”的作用過(guò)程，演化過(guò)程可分為大陸根拆離、地殼伸展和局部巖石圈地幔整體破裂三個(gè)階段。大陸碰撞帶、俯沖的大陸和大洋板塊、克拉通區(qū)域巖石圈，都可能產(chǎn)生巖石圈拆沉。

(3) 大陸巖石圈調(diào)查表明，拉張區(qū)可見地殼伸展、巖石圈拆離、軟流圈上拱和熱沉降；它們是大陸巖石圈伸展與裂解早期的主要表現(xiàn)。

圖16 過(guò)東非大裂谷的巖石圈剖面和地幔地震S波波速擾動(dòng)截面; (a)過(guò)馬加第盆地的大陸裂谷剖面；(b)過(guò)開始打開成洋的Asal裂谷剖面和埃塞俄比亞的大陸裂谷(據(jù)Seager and Morgan, 1979)；(c) 過(guò)東非大裂谷肯尼亞的地幔地震S波波速擾動(dòng)截面(據(jù)Marone et al., 2004)Fig. 16 Cross sections of the (a) crustal structures in Kenya; (b) in Ethiopia beneath the East Africa rift (source: Seager and Morgan , 1979); and (c) Seismic s-wave velocity tomographic image across the rift (source: Marone et al., 2004)

(4) 從初始拉張的盆嶺省到成熟的張裂省，拆離后地殼伸展成復(fù)式地塹，下地殼幔源玄武巖漿侵位，斷裂帶貫通并切穿整個(gè)巖石圈，表明地殼伸展進(jìn)入成熟階段。中國(guó)東北松遼盆地和西歐北海盆地曾處于成熟的張裂省。巖石圈破裂為巖漿侵位提供了阻力很小的通道網(wǎng)。巖漿侵位作用伴隨巖石圈破裂和熱流體上涌，成熟的張裂省可發(fā)展成成熟的大陸裂谷。

(5) 多數(shù)的大陸裂谷帶并沒有發(fā)展成威爾遜裂谷帶和洋中脊，普通的大陸裂谷要演化為威爾遜裂谷帶，必須有來(lái)自軟流圈的長(zhǎng)期和持續(xù)的熱流和玄武質(zhì)巖漿的供應(yīng)。威爾遜裂谷帶巖石圈地幔和軟流圈為地震低速帶，其根源可能與來(lái)自地幔底部的地幔熱羽流有關(guān)。