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。

1. 深部过程的研究途径与方法

1.1 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。

1.2 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（Petrological structure）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

理学上的不稳定性，为理解岩石圈运动提供“钥匙”。

1.3 地球化学方面

（1）同位素的研究

一个简单的事实（部分熔融作用形成的岩浆将具有源区的同位素成份特点）引起了同位素地球化学两个方面的重要发展。首先，特定的源区以其特征的同位素组成而能够被识别；其次，同位素组成各异的的源区间的混合作用亦能够被识别。因此，同位素地质学的主要问题之一就是识别地壳和地幔中的不同源区，尽可能地突出其特征。

①放射性成因同位素可以用来识别一个特定岩浆岩套中的不同源区组分的贡献，同时可以限定岩浆岩源区演化的模型。现代同位素地质学的主要成就之一就是建立了地壳和地幔储库相互作用以及它们如何获得其目前组分的岩石学模型，并把储库组成与控制板块构造过程联系起来。例如，基于Pb同位素的模型，主要展示地壳储库的特征，对人们认识大陆地壳的演化起着重要作用。这种模型化过程称为铅大地构造学（Plumbotectonics）（或者为地幔柱大地构造学）。另外，同位素失踪剂之间的相关关系必然导致人们寻找解释这些现象的原因，从而产生了一系列关于地球化学的大地构造模型。这些模型受到同位素资料及我们目前对大地构造过程的理解两个方面的制约。

②稳定同位素是研究轻的元素如H，C，O，N和S的一个强有力的手段。这些元素通常是组成具有重要地质意义的流体的主要组分，因此可用于直接研究流体以及水-岩相互反映效应的一个重要途径。另外，稳定同位素可以用来作为确定元素物质来源的示踪剂，也可以用作古温度计和研究地质过程中扩散和反应机制的手段。稳定同位素研究的主要目的就是要把它作为研究地质过程的一个手段，以同位素的质量而非它们的化学成分为依据，讨论这些过程引起同位素之间的相互分馏。这种作用称为同位素分馏。

（2）微量元素的反演技术

微量元素在现代岩石学中的最重要的用途之一，就是进行地球化学过程的模拟。微量元素的反演技术是利用一套同源火成岩石的元素浓度变化，来确定其源区的成份和矿物学特征、引起元素浓度变化的物理过程（如，分离结晶作用、部分熔融作用或者其它作用过程）及其进行的程度（如，分离结晶程度、部分熔融程度或者其它作用程度）等未知因素。所以，反演方法强调由微量元素数据限定模型，提供解决地球化学问题的最大可能性的答案。

1.4 地球物理方面

（1）地球深部物质电学性质实验研究

全球性地球物理测量能提供地球深部从地幔到地核的物理参数，但对这些参数的解释最终还得依赖于对地球深部各圈层物质组成及其矿物学、地球物理、地球化学性质的了解。然而，目前受取样深度的限制，对地球深部的大部分物质不可能进行直接研究，但浅部的信息又没有足够的理由向地球深部外推，因而开展高压超高压条件下的模拟实验研究以了解地球深部的物质成分、性质和状态显得非常重要。高温高压下测定地球内部物质（岩石、矿物、流体等）的电学性质是其中最重要的内容之一。高温高压下对地球内部物质电导率的实验室测定可以获得独立于地震观测的地球内部物质的许多传导信息，可与地震观测资料相互补充和限制。此外，电导率测量还能提供地球内部相态变化、流体和熔体的形成与分布以及氧化状态等信息。地球内部存在许多高导层（HCL），根据地球内部物质电导率测定结果及有关地球化学和地球物理观测资料解释高导层微观物理和化学性质、及产生的机理也是探讨地球内部结构和组成的重要内容之一。

（2）层析地震技术（CT）

层析地震技术是借鉴医学上的CT技术，但用于地球则出现射线路径非直线性问题。尽管许多理论问题尚待解决，但它仍是80年代地球科学引人注目的重要进展之一。美国首次公布了全球三维速度结构、全球密度的三维分布、热流和大地水准面变化以及地幔对流模式等新信息。最引人注目的是用CT技术对核幔边界起伏情况的了解，若放大比例尺，其起伏之峰，不亚于地表的起伏，其地震波垂直走时，低频峰值高达1s左右。地震ＣＴ技术加深了人们对岩石圈厚度有明显变化、软流圈不具普遍性、大洋中脊下部在200～300Km以下并不一定存在上涌的热物质等岩石圈动力学问题的认识。地震ＣＴ最新研究成果表明，位于2890Km深度的核幔边界地形有±5Km的起伏，在该界面上部的Ｄ"层，其厚度为280～300Km，存在明显的横向不均匀性，这些都已成为当今地球科学新的研究热点，有待于用地震CT技术