試論穿越層圈構造
——三論板塊俯沖與地幔熱柱的相互制約

真允慶,牛樹銀,孫愛群,陳 超,宋 濤,刁 謙,孫 璐3，,張福祥

1.中國冶金地質總局三局，山西 太原 30002；2.河北地質大學，河北 石家莊 050031；3.江蘇省有色金屬華東地質勘查局814隊，江蘇 鎮(zhèn)江 212005；4.江蘇省有色金屬華東地質勘查局，江蘇 南京 210093

近年筆者等(2015，2019)在找礦和科研實踐中，對板塊構造和幔柱構造的關系問題先、后進行了討論，并提出“相輔相承”的概念和成因模式[1-2]。論文在綜合最新的全球俯沖帶地震層析圖像的基礎上，從地球層圈結構、礦物組成特征入手，剖析海洋和大陸俯沖碰撞類型、探討俯沖板片隧道流體運移機制、板塊俯沖動能和地幔柱上隆內在熱能的初步構想，重點是對俯沖板片自上而下、與幔柱自下而上穿越層圈構造[3]，即板塊構造與地幔柱構造深層成因聯(lián)系，并對我國勘查礦產、地熱資源和預防地震、火山噴發(fā)等天然災害提出建議。撰寫此文試圖起到拋磚引玉作用，對文中不妥之處，誠摯歡迎批評指正。

1 全球層圈結構的形成及其華北東部巖石圈深部過程

眾所周知，地球是由地殼、上地幔(軟流圈)、過渡層(轉換帶)、下地幔和地核組成(圖1-a)。地球的內核可分為內核表層(<100～150 km，各向同性)、外內核(150～600 km，各向異性快軸為南北向)和內內核(>600 km，各向異性快軸近赤道面)三層[4]。下地幔、過渡層和上地幔的礦物組成如(圖1-b)所示。其中，下地幔礦物成分主要由硅酸鐵鎂((Mg,Fe)SiO3)、鈣鈦礦、鎂方鐵礦和后鈣鈦礦組成，還有少量硅酸鈣(CaSiO3),鈣鈦礦和剛玉(Al2O3)。在接近核幔邊界上部的數百公里內溫壓條件下，由布里基曼石[5]，轉變?yōu)楦又旅艿暮筲}鈦礦(Post-perovskite)。1950年Bullen發(fā)現(xiàn)在下地幔底部、約2 900 km核幔邊界以上，存在一個低波速異常區(qū)，命名為D″層，也有稱古登堡面(Gutenberg discoontinuity)或者(Oldham—Gutenberg)不連續(xù)面，具強烈的橫向不均一性。布里奇曼石→后鈣鈦礦的相變是D″層核幔邊界的重要標志，也可能是俯沖板塊的殘留位置[6]。

圖1 地球層圈結構[7]及上地幔、過渡層及下地幔(自左向右)礦物組成[8]示意圖

大量地震資料已經證實，全球范圍內上地幔內普遍存在低速區(qū)，將其命名為軟流圈。在軟流圈上部的上地幔頂部和地殼之間為巖石圈，它與軟流圈邊界簡稱LAB，是板塊與下伏地幔發(fā)生相對運動的一級構造不連續(xù)面，而MOHO面是巖石圈內的一級成分不連續(xù)面。由于巖石的黏度受成分、溫度、圍壓、應力、流體等因素的制約，根據地球物理觀測獲得的各種物性參數(波速、地震波各向異性、電導率、溫度等)并不對應于巖石圈和軟流圈在流變學上的差異，就導致不同地球物理方法定義的LAB深度有所不同[3]。

中國大陸東部是處于太平洋板塊、印度—澳大利亞板塊及西伯利亞板塊的夾持地帶，又因中生代燕山期巨大翹變作用影響，塑造了現(xiàn)代巖石圈基本格架極其復雜特點。經李廷棟(2010)研究認為[9]：(1)我國大陸地殼和巖石圈總的變化是西厚東薄、南厚北薄。地殼平均厚47.6 km，遠大于全球平均厚度39.2 km；巖石圈厚度變化在50～240 km，西部青藏高原厚度為170～200 km，最厚240 km，而東部濱太平洋地區(qū)僅有25～85 km。在青藏高原、大興安嶺—太行山—武陵山、浙閩沿海及琉球—臺灣—南沙等地存在4條重力異常梯度帶，構成4條地殼厚度陡變帶；(2)地殼物質組成存在縱橫向的不均一性，其酸度(SiO2質量分數為65%)，巖石化學成分相當于花崗閃長質。地殼酸度變化:東高(65.12%)，西低(63%); 南高(65.98%)、華北中等(64.88%)、東低(63.18%)，反映這些地區(qū)巖石組合不同或花崗巖類型差異；(3)西部巖石圈、軟流圈呈明顯的層狀結構，巖石圈厚，軟流圈薄;東部巖石圈、軟流圈呈“塊體鑲嵌結構”，巖石圈薄，軟流圈厚，兩者之間普遍為過渡帶，呈現(xiàn)高速高阻體與低速低阻體相間并列的圖像，巖石圈呈“上老下新”的年齡結構；(4)在東亞及西太平洋地區(qū)地下85～250 km深處存在一巨型地震低速異常體(圖2)，南北長12 000 km，東西寬2 500～4 000 km，包括太平洋帶邊緣海、西太平洋、印支半島、婆羅洲等廣大地區(qū)，其成因有待進一步研究[9]。但據蔡學林等(2002)在華南地區(qū)東段及東南亞地區(qū)的軟流圈內，存在規(guī)模不等的高速塊體υ5=4.40～4.50 km/s，可能是巖石圈底部發(fā)生拆沉作用所致，亦可能為中生代中晚期發(fā)育的巨型裂谷體系的重要特征[11]。

圖2 沿緯向橫穿中國的3條υ2 速度剖面圖[10]

關于我國東部的深部構造過程，真允慶等(2012—2019)曾發(fā)表有關華北克拉通東部控制成礦成藏作用的系列論文[1-2，12-16]，主要依據巖石圈破壞及減薄和地幔呈“蘑菇云”狀大規(guī)模上涌的結果[19-20]，以及中生代長英質火成巖省，所建立太平洋俯沖構造模型(圖3-e)，進一步闡明了地幔熱柱上隆是極重要的關鍵地質因素。

圖3 中國東部中生代長英質大火成巖省分布(a-d)[17]及構造成因模型(e)[18]

2 俯沖帶和地幔熱柱均可垂向穿越層圈結構運行

2.1 板塊俯沖帶：以俯沖形式自上而下的穿越殼幔帶

地殼俯沖和大陸碰撞是板塊構造理論的核心內容，而認識大陸碰撞造山帶的形成和演化，是發(fā)展板塊構造理論的關鍵(鄭永飛，2015)。由于板塊是剛性的，通常變形將集中在板塊邊界。通過俯沖板片的拉力、洋脊擴張導致的推力、地幔對流在巖石圈—軟流圈邊界的剪切力來驅動大陸漂移。

地震層析是研究地球構造和深部過程最有效的手段之一，素有地質研究的“千里眼”或透視地球的“CT”之稱。其地震波速異常體是識別地幔內板片俯沖的基本依據。運用地震波速與地球內的溫度變化關系，根據層析成像P波和S波技術，可以獲取地球深部結構圖像，特別是S波傳播速度對溫度變化尤其敏感，快速區(qū)對應溫度較低物質，相反慢速區(qū)對應于溫度較高的物質。由于俯沖板片比周圍巖石溫度要低，可以清晰識別出上地幔內的高速帶，由此可以探測大洋板片運移的全過程。

大量研究表明：板塊俯沖的主要動力來自其本身與周圍地幔密度差產生的負浮力。在負浮力的驅動下，大洋板塊進入軟流圈地幔并與地幔相互作用，特別是在地幔轉換帶的相互作用下，致使俯沖板塊在上地幔呈現(xiàn)不同的幾何形態(tài)，并進一步影響海溝的運動模式。全球主要俯沖帶中，部分板塊停滯在660 km不連續(xù)界面，而其余俯沖板塊卻穿過該界面到達下地幔。造成這一差異的原因目前仍存在很大爭議。大量的數據和構造物理模擬，均表明俯沖板塊與地幔的密度差、俯沖板塊的厚度、以及軟流圈地幔的黏度比，都能顯著影響俯沖板塊的動力學作用。

近年來在特提斯構造域、環(huán)太平洋(東北亞、中美洲)地幔過渡帶的下地幔內，均發(fā)現(xiàn)俯沖板片可以直接插入下地幔，或者停滯在地幔過渡帶內(圖4)[21，22]?？偟膩砜?，板片俯沖的幾何形態(tài)、底界深度及其運動方式均有所不同。

圖4 全球俯沖帶波速結構剖面(數據根據GAP-P1模型)，紅線代表剖面位置[21,22]

根據圖4的不同俯沖板片形態(tài)、幾何圖形及其分布特征，可將板片俯沖概括為以下幾種幾何形式[23]：板片俯沖—停滯模式、下插式板片模式、多重板片俯沖模式、回卷式板片俯沖模式等。從上述不同地區(qū)的板片層析成像研究表明，太平洋板片在阿拉斯加、白令海、歐亞大陸東部的地幔過渡帶中停滯；而在鄂霍茨克海、馬里亞納海溝、印尼和中南美洲，板塊俯沖進入下地幔。年輕板片如菲律賓海、胡安德富卡的板片，仍在上地幔和地幔過渡帶內，而古老板片則在地幔過渡帶內停滯，或者俯沖進入下地幔。在深層“S波高速物質帶”見于太平洋周緣的東亞、南亞及中美洲。板片俯沖在下地幔淺層停滯加寬[24]，如東亞和中美洲之下的法拉龍板塊的一些板片，甚至可以俯沖到核—幔邊界(2 900 km深處)，堆積形成“俯沖板片墓地”[25]，它們以地震波正異常和大地水準面負異常為特征。

目前，國際地學界是按照俯沖作用所處的不同構造環(huán)境，將俯沖作用分為A型和B型。A型俯沖是指大陸巖石圈板塊俯沖到另一個大陸板塊的過程，如落基山；B型俯沖是指大洋巖石圈板塊俯沖到另一個大洋板塊或大陸板塊的過程，多見于匯聚板塊邊緣的畢尼奧夫帶，如太平洋的東、西兩岸。A型俯沖往往伴隨著B型俯沖。羅志立(1984)增添了C型俯沖，是指大陸盆嶺構造的俯沖作用[26]。另外還有Uyede和Kanamori(1979)根據大陸島弧或大洋島弧的上、下盤耦合程度，提出的智利型和馬里亞納型。還有根據俯沖的角度分為平坦俯沖(俯沖角度<10°)和陡俯沖(正常俯沖)，據Abbott等的研究，在地質歷史早期為平坦俯沖，晚期可能轉變?yōu)槎父_[27]。通過對俯沖帶幾何學與流變學研究，分為單向俯沖和雙向俯沖。前者是指上覆板塊只是伸展也可壓縮，只有下覆板塊俯沖；雙向俯沖是指上覆板塊與下插板塊同時進行俯沖，但兩板塊速率總是不相等的。還有依據的形態(tài)劃分為平板俯沖和弧形板俯沖[28]，以及依據溫度劃分為熱俯沖和冷俯沖等[29]。

鄭永飛等(2016)根據俯沖板片的性質不同，將俯沖帶分為兩大類：即大洋俯沖帶和大陸俯沖帶。大洋俯沖帶可以進一步分為兩種：一種是洋—洋俯沖帶(圖5-a)，為一個大洋板片俯沖到另一個大洋板片之下，產生大洋弧火山作用，例如西太平洋邊緣的馬里亞納群島；另一種是洋—陸俯沖帶(圖5-b)，為大洋板片俯沖到大陸之下，產生大陸弧火山巖，例如東太平洋邊緣的安第斯山脈。大陸俯沖帶也可以分成兩種：一種是大陸巖石圈俯沖到另一個大陸巖石圈之下，例如三疊紀華南陸塊俯沖到華北陸塊之下，形成的大別—蘇魯造山帶(圖5c)；另一種是大陸巖石圈俯沖到大陸邊緣弧地體，例如新生代印度陸塊俯沖到亞洲大陸邊緣弧之下，在南亞所形成的喜馬拉雅造山帶(圖5-d)。大洋俯沖帶廣泛發(fā)育弧火山作用，大陸俯沖帶則不太發(fā)育。另一方面，大陸俯沖帶發(fā)育有超高壓變質巖帶，但是在大洋俯沖帶相對缺乏高壓變質巖在大陸和大洋俯沖帶都很常見。一旦板塊俯沖到地幔深度，在俯沖板片和上覆地殼之間就形成了地幔楔。地幔楔的上部由巖石圈地幔組成，下部由軟流圈地幔組成，總體呈三角形產狀，在成分上有所變化，具體取決于上覆巖石圈的性質[30]。

圖5 環(huán)太平洋和亞洲地區(qū)大洋和大陸俯沖帶分類示意圖[30]

所謂俯沖隧道是指俯沖板片與上覆板塊相互作用的邊界，也是深部超高壓流體活動循環(huán)和變質巖折返的通道。由于表殼巖相對地幔巖密度低，浮力可導致超高壓變質巖以構造巖片的形式迅速折返上升；而且隧道的上邊界為拆離斷層，下邊界為逆沖斷層，隧道內的隧道流，俯沖到一定深度的陸殼物質快速折返；以及俯沖板片后撤原因，無疑會提供了超高壓變質巖折返的空間[3]。由于大陸俯沖隧道的溫度，顯著低于大洋俯沖隧道，所以大陸俯沖帶超高壓變質巖在地幔深度形成后得以保存，沒有完全被熔融。它們在地表有明顯差異：大洋俯沖隧道在地表一般表現(xiàn)為構造增生楔，隨著俯沖深度增加，在冷俯沖帶之上發(fā)育有火山弧，為俯沖板片析出流體交代地幔楔橄欖巖，引發(fā)部分熔融形成低溫高壓藍片巖—榴輝巖相變質巖,在熱俯沖帶之上則少見火山弧，形成高溫低壓角閃巖—麻粒巖相變質巖，在增生楔中會出現(xiàn)高角閃巖相變質乃至混合巖化，總體溫度是由冷變熱的趨勢；而大陸俯沖隧道在地表一般表現(xiàn)為構造增生楔,隨著俯沖深度增加，形成低溫、高壓藍片巖相至榴輝巖相巖石組合到中溫超高壓榴輝巖相變質巖，指示大陸俯沖帶具有低的溫度結構。因此，大陸俯沖帶之上缺乏火山弧，屬于冷俯沖帶，但是在大陸板片俯沖進入地幔的過程中，陸殼表層巖石同樣受到逐漸增加的溫度—壓力—應力的作用，發(fā)生變質、變形和脫水熔融，結果對上覆地幔楔巖石發(fā)生不同程度的交代蝕變[30]。

2.2 地幔熱柱：以上涌形式自下而上穿越幔殼

自從Morgan(1971)提出熱點假說以來，多數專家認為地幔熱柱起源于核—幔邊界[31]。Hofman(1982)提出俯沖到核—幔邊界的大洋巖石圈，經過長時間的演化后，其中一小部分會以地幔熱柱的形式折返到地表，形成洋島玄武巖，并與俯沖帶一起構成了全地幔對流的完整回路[32]。

對于地幔熱柱的成因還存在爭議，主要包括：高溫異常、富易熔物質的地幔源區(qū)、富揮發(fā)分的地幔源區(qū)、以及大規(guī)模快速減壓，由于高溫導致礦物密度降低等不同見解，地震層析成像資料表明，熱點對應于上地幔連續(xù)的低速異常，而來自核—幔邊界的低速異常代表了地幔柱。因此，在浮力的作用下，相對低密度的地幔熱柱，可自下而上的穿越層圈結構[3]。

20世紀末Maruyama(1994)就提出板塊俯沖消減和重力拆沉形成冷地幔柱(cold plume)，而核—幔邊界物質上涌形成熱地幔柱(hot plume)。冷、熱地幔柱的運動是地幔中物質運動的主要形式，構成地球深部物質大循環(huán)[33]。顯然地幔柱的運移即可上升亦可沉降，除了宇宙其它星球運移也有一定影響(包括沖擊作用)，主要是熱能和動能的內因起著決定性因素，如地球的內核溫度高達6 000℃，幔核邊界D″層溫度約達3 000℃，素有“熱庫”之稱(圖6-a)：約前中生代，在太平洋洋中脊形成上升的“超級地(熱)幔柱”，按開合旋回原理，相應在歐亞板塊的中國東部大陸形成“冷幔柱”(冷盆)(圖6-b)；從固體內核6 371～4 703 km為內能釋放帶，大約2 900 km為內能轉換帶，亦稱其為D″層，該區(qū)間即外核，其磁流體動力湍流(不對稱流動)流速約20 km/yt，可視為“發(fā)電機”供給運移能量，大約1 000 km(984 km)為熔融下地幔，可視為“發(fā)動機”[34-35](大多文獻將410～660 km為上下地幔的過渡帶或轉換帶)，推動來自核—幔邊界的熔(巖)漿，向淺部構造破裂帶—低密度的地殼方位運移，形成基性(玄武巖)或酸性(花崗巖)的大火成巖省(LIP)。

在核幔邊界條件下，由于高溫熔融作用，密度差異會導致礦物分離，密度小的鈣鈦礦和斯石英上浮。因此，在地表返回的斯石英可以解釋地幔熱柱頭巨大的熔融能力，鈣鈦礦則是地幔中微量元素的主要載體，可以解釋地幔柱的成分特征[36]。

3 D″層：地幔熱柱構造的“發(fā)源地”，板塊俯沖帶的“墓地”

D″層為地核外核與下地幔間的熱化學邊界，出現(xiàn)于核—幔界面之上200～300 km范圍內，主要由一種新的高密度礦物——后鈣鈦礦(Post-Perovskite，以下簡稱為PPv)組成。而下地幔的礦物成分主要由硅酸鐵鎂((Mg，F(xiàn)e)SiO3)、鈣鈦礦(Pv)、鎂方鐵礦和PPv組成，還有少量硅酸鈣(CaSiO3)pv和剛玉(Al2O3)。該相態(tài)下的巖石，亦被稱為布里基曼石。D″層的化學組成與上方的下地幔相同，但礦物晶體結構與成分不同，高溫高圧環(huán)境中，布里基曼石逐漸由Pv結構相變?yōu)镻Pv結構。這一相變被認為與D″層組成成分相關[37]。D″層相變轉換邊界的克拉伯龍斜率為6 MPa/K或8～9.6 MPa/K。熱邊界層的形成導致下地幔地溫梯度較陡，在其底部地溫梯度較陡的地方，PPv可以再相變回Pv，近于絕熱的低地溫曲線穿過Pv-PPv相邊界。高壓實驗和理論計算相結合發(fā)現(xiàn)，硅酸鎂布里基曼石在約120 GPa和2 400 K(約2 650 km深度)發(fā)生由Pv結構向PPv結構的相變。理論和實驗結果均表明，在硅酸鎂—硅酸鐵體系中，Pv和PPv可在較寬的壓力范圍共存，在可能的鐵含量條件下(10 mol%的硅酸鐵)相當于>300 km厚的區(qū)域。因此有人認為D″層是一個混相區(qū)，而D″層不連續(xù)面處剪切波的突變則是化學成因[38]。

由于地震層析分辨率的提升，揭示了D″層發(fā)育快速和慢速異常區(qū)，而且局部存在孤立的超低速帶(Ultra Low Velocity Zones，以下簡稱ULVZs)[39]，其厚度一般在 5～60 km之間，橫向尺度約200 km，非均勻演化，向周圍側向蠕動，可能與核—幔之間的化學反應或者部分熔融有關[40]，?？纱淼厍蜃钌畈康膸r漿房[41]。

D″為地幔深部(～2 900 km)的熱化學異常區(qū)，形成的大剪切波低速省(Large Low Shear Wave Velocity Provinces，以下簡稱 LLSVPs)。地震層析成像表明，全球核—幔邊界之間主要分布兩個LLSVPs，分別位于非洲和太平洋的下方。

在太平洋洋中脊下方LLSVPs的核—幔邊界上，普遍發(fā)現(xiàn)地震波速顯著降低的斑塊[39]即ULVZs，其Vp異常比Vs弱很多，橫向延伸約250～800 km，發(fā)育在LLSVPs的孔洞內，可以解釋為不同化學成分的巖堆(邊緣包含ULVZs)正在匯聚，可能是引發(fā)罕見的大型地幔熱柱形成。

而在環(huán)太平洋板塊的邊緣下方，發(fā)育核幔邊界的不連續(xù)界面D″層起伏，普遍分布與俯沖板塊相關的高速異常體，這些冷板塊，因受到Pv-PPv相變過程影響，LLSVPs、ULVZs與夏威夷等地相對應。在中太平洋熱點火山下方，D″層顯示各向異性 ULVZs 可能是地幔柱成因標志。而在非洲南部—南大西洋下方，地幔深部發(fā)育大尺度的低速異常體，并向上進入下地幔內[39]。研究認為非洲超級地幔熱柱分布范圍約2 000 km寬,從南半球的Shona(肖娜)和Bouvet(布維)火山巖區(qū)向北延伸到阿法爾地區(qū)，長約7 000 km[43]，呈連續(xù)的高溫異常體穿過整個地幔，垂向上向南傾斜分布。再如，在中美洲地幔底部出現(xiàn)高速異常體、局部分布的ULVZs可能與地幔熱柱形成和強烈的各向異性相關。中美洲下方D″層的頂部不連續(xù)面，在橫向很小尺度上形成～100 km的起伏，這種起伏與化學成分變化或者俯沖板塊彎曲引起的強烈溫度變化相關[38]。

D″層熱能主要來源于該層的核裂變熱、PPv向Pv相變所釋放熱以及地核傳導熱。核—幔邊界向下地幔低溫區(qū)非均勻熱傳導，主要集中于熱化學邊界層，并向整個俯沖板片巖堆內傳遞，LLSVPs和ULVZs可能成為富集不相容元素的地球化學儲庫。

很顯然，D″層熱化學堆邊緣區(qū)，有利于產生間歇性活動的大型地幔熱柱，應視為地幔柱的發(fā)源地。另一方面，核—幔邊界附近的俯沖板片，逐漸堆積形成板片墓地[44]，在該過程中，低溫再循環(huán)大洋巖石圈(包括變形變質的玄武質巖片)橫向流動，并經歷加熱升溫。核—幔邊界與熱邊界層交匯的凹面，以及熱化學堆陡立的熱邊界層，均是致密玄武質巖片從橄欖巖之間物理分離的最有利場所。在低溫地幔流中，與橄欖質組合相比，當褶皺或被肢解的玄武質巖片處于PPv相區(qū)時，在給定的溫度和壓力下，發(fā)生PPv-Pv轉變和硅相轉變(CaCl2-結構向αPbO2-結構轉變)。另外，相變后玄武質仍保持較高的密度,有利于加劇玄武質和橄欖質成分之間密度分異[45](圖7)。

圖7 熱化學堆邊緣幔柱生成帶示意圖[45]

圖7表示對地震—地層柱狀圖的不同解釋方案，核—幔界面之上為ULVZs，中部和右側為低溫再循環(huán)大洋板片，虛線表示橄欖質和玄武質內部Pv-PPv 間分界線。圖a頂部S波減速界面代表熱化學堆頂界，其他的兩個界面分別為兩次穿越玄武質內的Pv反應生成PPv反應界線。圖b中熱化學堆較厚，并假設玄武巖/橄欖巖的體積比低于圖a。頂部不連續(xù)界面解釋為玄武質中Pv+CaCl2反應生成PPv+αPbO2[23]。

簡言之，D″層的存在及其活動，驅動了全球地幔對流，其空間亦和俯沖板片的墓地有密切聯(lián)系。從全球空間上兩個最大的對峙分布LLSVPs闡明，是地球扭動主控因素，亦和上、下雙層地幔對流作用密切相關，是形成地幔上升流的主要原因，它又與俯沖板片有著成生聯(lián)系，兩者共同造成大洋巖石圈的物質循環(huán)過程。在地幔底部高密度、高溫、高壓的異常區(qū)，形成部分熔融成因的低速帶。由于地球物理、高溫高壓實驗等方面的制約，目前對ULVZs的化學成分尚有待進一步研究，但冰島等地下方的探測表明，地幔熱柱根植于ULVZs之中[38]。

4 板塊俯沖帶與地幔熱柱構造相互驅動作用

全球地震層析結果顯示，下地幔從淺層到底層，展示出了板塊俯沖—碰撞邊界(特提斯造山帶、東太平洋、西南太平洋)，向超級地幔熱柱格局轉換。在亞洲大陸之下，從高速層分布可識別出太平洋、鄂霍茨克、特提斯等俯沖板片[46]，在地幔過渡帶停滯和堆積，形成巨型冷幔柱，驅動亞洲不同陸塊和地體聚合。一般認為：因礦物相變和溫度變化所引起的低速層，為上、下地幔的分層(地幔過渡帶410～660 km)，其頂部是由部分熔融物質形成，造成黏度變化分層，這一界面成為巖石圈板片插入下地幔的重要屏障[47]，不僅造成俯沖板片運動停滯和形態(tài)彎曲，還可能阻擋來自D″層的地幔柱上涌[23]。

在垂向上。深俯沖板片分隔地幔對流，使上地幔對流速度變緩，相對增強了巖石圈板片的俯沖強度，制約巖石圈板塊運動，促使板片具有拋錨狀的停滯效應[48]。再者，因板塊運動是以動能形式，消耗地球內核放射熱，不僅影響軟流圈對流，還可以促進板片持續(xù)穿透下地幔，乃至直達核—幔邊界(2 900 km深處)D″層，無疑會使熱力學和流變過程更加復雜，同時也補給和激發(fā)了超級地幔熱柱物源的聚集，所以可認為板片深部俯沖與地幔熱柱上隆，存在著千絲萬縷的聯(lián)系。

顯而易見，在低溫的大洋巖石圈板片俯沖過程中，持續(xù)累積富集了不相容元素巖石圈物質。由于地幔層狀對流是地球內部物質和能量傳輸的重要因素，它能驅動巖石圈板塊運動，以及超深俯沖板片穿越地球圈層、經殼幔過渡(轉換)帶至D″層，形成板塊墓地(大洋巖石圈)或“隱蔽陸地”。因后鈣鈦礦(PPv)相變造成核—幔邊界上的地球化學不均一性[49]。首當其沖的是對地核表面的物質激發(fā)熱流循環(huán)，并引起熱擾動和熱物質上涌，故而觸發(fā)產生地幔熱柱[50]。一般認為地幔熱柱“源地”形成于板塊“墓地”內側，受高溫熱異常(3 000℃超低速帶)影響，通過部分熔融下沉鐵氧化物，補充地幔物質形成金伯利熔體[51]。

圖8的左圖為地幔熱柱構造與板塊構造的(a和b)對比，主要闡明兩者皆和D＂層供給熱能和動能密切相關。右圖是沿赤道方向構造斷面(c)，在非洲(Tuzo)和太平洋(Jason)下方，下地幔出現(xiàn)兩個對跖的LLSVPs，分別對應殘余大地水準面升高的區(qū)域(紅色虛線)。660 km深處界面和PPv穩(wěn)定區(qū)范圍以細線表示，Tuzo和Jason上方細箭頭表示殘余大地水準面的形成主要與這些高溫致密地幔構造的上浮和涌動相關(圖中的 ULVZs進行了夸大處理)[38]。

圖8 地幔熱柱上涌與板塊俯沖帶對比(a和b)[36]及沿構造赤道建立構造斷面圖[52]

概括地講，如圖9[38]所示：當相對低溫的板片(藍色)，呈高速異常體，俯沖至巖石圈地幔之中，將受到地幔轉換帶(410～660 km)的“屏障”或“阻擋”過程，使板片外形發(fā)生彎曲，受控于混合層狀地幔對流高溫及動力的制約，構成俯沖板片自上而下的穿越，直達核—幔邊界D″層(橙色)；而地幔柱是產于D″層(紅色)，攜帶相對富集不相容物質，常沿構造脆弱地帶(如洋中脊、畢鳥奧夫帶或深大斷裂帶)，自下而上的穿越地球層圈構造，在其邊緣和頂部形成“大型剪切波低速區(qū)LLSVPS(亦可視為超級地幔柱)”和超依速帶ULVZS，如淤積在地幔轉換帶內，經演化成為亞熱幔柱或幔枝構造(圖9)。

板片外形發(fā)生彎曲，受控于混合層狀地幔對流高溫及動力的制約，構成俯沖板片自上而下的穿越，直達核—幔邊界D″層(橙色)；而地幔柱是產于D″層(紅色)，攜帶相對富集不相容物質，常沿構造脆弱地帶(如洋中脊、畢鳥奧夫帶或深大斷裂帶)，自下而上的穿越地球層圈構造，在其邊緣和頂部形成“大型剪切波低速區(qū)LLSVPS(亦可視為超級地幔柱)”和超依速帶ULVZS，如淤積在地幔轉換帶內，經演化成為亞熱幔柱或幔枝構造(圖9)。

圖9 地幔熱柱上涌與板塊構造俯沖成因模式圖([38]修改)

5 穿越層圈構造是研究成礦(藏)作用的重要途徑

從國內外大型或超大型金屬礦床與油氣田的穩(wěn)定同位素和包裹體研究成果業(yè)己證實：金屬礦床礦質的來源，除部分萃取自含礦圍巖成分之外，主要來自外地核；而石油和天然氣所謂的“二元論”，亦已科學論證其中主要為甲烷，既有來自有機質干酪根(即地殼的烴源巖)，又有來自地球深部的無機質。所以在石油和天然氣中，含有鈹、鋯、鈮、鎘、銦、錫、銻、碲、鉿、鎢、錸、金、鉈、鉍、釷等17個元素，一般在沉積的烴源巖(泥巖或頁巖)中不含這些成分，其中特別是錸(Re)，只有在地核中賦存[53-55]。再如地熱資源的成因問題，由于國外所謂“干熱巖”論點盛行，自21世紀以來，國內地學界經勘查實踐和研究，越來越多主張熱源是與地幔楔具有成生聯(lián)系，究其根源也就是與板塊俯沖和地幔熱柱上隆有關。

從地球動力學來分析：地球從地核至地表之間存在著高達6 000℃的溫度差，還有壓力差、粘度差等因素，再加上核—幔邊界外地核的液態(tài)，與下地幔底部塑性態(tài)的接觸，及其核—幔間轉速的不同，導致往往從D＂形成地幔熱柱。從地球層圈結構來分析，地幔熱柱起源于核—幔界面，以多級演化的形式通過亞熱柱—幔枝構造直達地表，并轉變?yōu)榻较蛲獠痣x的離散構造巖片，直達板塊俯沖帶，并在此轉變?yōu)檠匕鍓K俯沖帶，以一定的俯沖角度向深部俯沖，并一直堆疊到核—幔界面，也可能再次被加溫熔融，加入新一輪地幔熱柱的循環(huán)。

從地幔熱柱形成與演化的構造環(huán)境來看，地幔熱柱多起源于核—幔界面，以多級演化的形式向上涌動，并可直達地表，它可以形成在大洋地殼上，也可形成在大陸地殼上，亦可以形成在洋殼—陸殼接觸帶上。然后在熱動力推動和俯沖帶的牽引作用下，轉變?yōu)樗竭\動，向外圍不斷拆離。而當拆離板片被卷入到板塊構造俯沖帶時，又一次轉入板塊構造俯沖地塊，進入新的運動旋回。很顯然，地幔熱柱多級演化是熱物質流上涌作用，板塊俯沖帶則是冷地塊垂向下沉作用，將其與地表水平運動板塊和沉入地幔底部的物質呈水平拆離聯(lián)系起來，就構成了地球冷—熱物質以地幔熱柱形式上涌和以板片俯沖形式下插的形式表現(xiàn)出來，形成典型的地球物質四維運動狀態(tài)(圖10)。

1-第四系; 2-白堊系火山巖；3-基底變質巖系；4-花崗巖；5-二長花崗巖；6-花崗閃長巖；7-輝石閃長巖；8-地幔亞熱柱侵入體；9-下地殼拆沉巖塊；10-地幔巖；11-酸性巖脈；12-中基性巖脈；13-基性巖脈；14-拆離帶或鏟狀斷裂；15-殼間拆離帶；16-剪切帶；17-大氣降水；18-深源上升流體；19-焦家式金礦；20-玲瓏式金礦

地球在其演化歷史中，一是受重力分異作用控制，重元素下沉，輕元素上浮，并逐漸分化出核、幔、殼結構；二是由于地球存在著巨大的內、外溫度差、壓力差、粘度差等，導致垂向熱、冷地幔柱的產生。核—幔中某些金屬元素就可以氣態(tài)的形式，通過地幔熱柱多級演化呈反重力向上遷移，在幔枝構造有利的構造擴容帶中聚集成礦。理論上指明了新的找礦方向。

研究板塊構造是以水平運動為主，地幔熱柱構造是以垂向運動為主，它們各有：自上而下和自下而上的穿越層圈構造動能。確切地講，深部礦質來源是與核—幔界限的D＂層存在密不可分的聯(lián)系。所以在找礦和科研實踐中，如同時運用板塊構造與地幔熱柱研究相結合的科學思維，無疑會起到事半功倍和迎刃而解的作用，不僅豐富了區(qū)域成礦學新的內涵，而且有助于查明對固體礦床、油氣田及地熱資源的賦存規(guī)律，起到“攻深找盲＂有效捷徑。

通常在匯聚板塊的邊界，大洋巖石圈板片俯沖至地幔過渡帶，經下地幔乃至核幔邊界，同樣在大陸內部板片碰撞俯沖至深部150～300 km，常形成超高壓變質巖(帶)，再經地幔熱柱上隆將深部高溫高壓物質快速折返到地表淺部促進成礦(藏)作用。正如Das等(2017)在印度河—雅魯藏布江的縫合帶Nidar蛇綠巖中，發(fā)現(xiàn)了金剛石、石墨、C-H和H2流體包裹體，證明是來自殼—幔過渡帶的上升地幔流[56]。再如，楊經綏等(2015)在西藏、俄羅斯烏拉爾、阿巴尼亞、土耳其和緬甸等地蛇綠巖套的地幔巖和鉻鐵礦中，發(fā)現(xiàn)大量微粒金剛石、柯石英(斯石英假象)、氮化硼等超高壓礦物和碳化硅等強還原礦物組合[57]，以及來自大陸地殼的礦物[58]，證明俯沖板片曾攜帶殼源物質至過渡帶(>410 km)，然后通過地幔柱活動再循環(huán)后返攜至淺部地表，均是典型的實例。

6 結論

20世紀末期，自提出板塊超深俯沖和超地幔熱柱的全球新構造模型，與傳統(tǒng)板塊構造提出的地幔對流觀念大相徑庭。這一研究地球動力學的新思路，體現(xiàn)了地球內部物質的重新分異、調整、運移、組合與能量的交換，對全球深部過程和大陸構造的成山、成盆、成巖、成礦、成藏和成災等極其復雜的地質現(xiàn)象，將起到迎刃而解的作用。

研究板塊俯沖帶和地幔熱柱的活動軌跡，不僅提供了穿越層圈的物質和能量交換的通道，也驅動了對地球宜居性至關重要的水循環(huán)和碳循環(huán)，是研究地球深部物質組成和動力學演化的重要窗口[3]，對當今新時代實施地質“攻深找盲”的深部找礦方針和區(qū)域預測遠景成礦，提供堅實的理論基礎。亦是華北克拉通中、新生代巖石圈減薄與破壞的主要控制因素。

誠然，核幔邊界(即D″層)既是高速深俯沖異常板片的“墓地”，又是低速異常體(超地幔柱)的發(fā)源地，這一新論點揭示了板塊下的地幔運動是研究巖石圈板塊運動之根本[60]。研究板塊下的構造必將從巖石圈動力學拓展到地幔動力學，無疑對發(fā)展板塊構造理論、區(qū)域成礦學、流變學、大陸構造學和高溫高壓試驗等新型地球科學將賦予新的內涵，使其逐漸成為地球系統(tǒng)科學。