岩石圈地幔、软流圈地幔和地壳之间的相互作用

在讨论壳-幔和岩石圈-软流圈相互作用这个问题之前，不妨先对20世纪90年代以来的现代地球科学研究在有关领域取得的认识进行一下简单的回顾。

研究发现，地壳岩石圈除了可以进行水平侧向增生和裂解外，还可以通过岩浆底侵作用(underplating)和拆沉作用(delamination)发生纵向增生和减薄(Bird，1979；Nelson，1992；金振民等，1996；高山等，1997)。

大陆莫霍面无论在时间上和空间上都具有动态性质。它是一种随着构造作用过程而变化的动态构造形迹，而且是一种地质上年轻的构造形迹，往往是一个厚度为数公里的过渡带。莫霍面的深度在造山作用中增加，随着造山期后的拉伸作用而变浅(肖庆辉，1993)。

表5.14 大陆裂谷带与克拉通地区壳幔岩石学结构模型

注：M为莫霍面，L/A为岩石圈/软流圈界面。

(据邓晋福等，1999)

大陆岩石圈具有多层结构和流变性质，不同构造区的壳幔结构不同(表5.14、表5.15)。就岩石圈地幔而言，大陆裂谷或张裂带主要由尖晶石二辉橄榄岩构成，并含有圈闭在上地幔顶部的玄武岩浆结晶的产物(辉石岩)；古老克拉通则主要由亏损型的方辉橄榄岩构成；造山带上地幔则可能有一个基性榴辉岩的顶盖，其下是石榴子石相橄榄岩(邓晋福等，1996)。在地壳组成方面，大陆张裂带、造山带、克拉通这3种构造单元的差异主要表现在下地壳。大陆裂谷或张裂带的下地壳岩石组成为闪长质岩石，底部为玄武质的基性麻粒岩和堆晶岩——代表岩浆底侵的产物；克拉通地区的下地壳组成为花岗闪长质岩石；而造山带的下地壳和山根组成为花岗质或花岗-闪长质麻粒岩和榴辉岩(邓晋福等，1999)。

表5.15 青藏-喜马拉雅陆内造山带壳幔岩石学结构模型

注：M为莫霍面，L/A为软流圈/岩石圈界面。 (据邓晋福等，1999)

上述表明，壳-幔之间和岩石圈-软流圈之间的相互作用在岩石圈构造演化中具有十分重要的意义。

南海北缘中、新生代火成岩、深源捕虏体资料和区域地质研究成果揭示出以下特点。

(1)根据高精度的Rb-Sr和⁴⁰Ar/³⁹Ar年代学数据，230～190Ma和165～150Ma是华南大陆边缘的两期重要的陆内造山、岩石圈增厚和地壳重熔型花岗质岩石形成的时期(李文达等，1998)。145Ma之后出现了晚造山型的花岗岩和基性岩脉，但区域性的地壳整体进入后造山拉伸阶段是从晚白垩世开始的，其重要标志是沿海A型晶洞碱长花岗岩(92～97Ma)、大量基性岩脉的侵位和一系列拉伸盆地的出现。

(2)白垩纪以来的火成岩岩石地球化学和同位素特征显示，区域上在张裂早期(晚白垩世—古新世)以形成亚碱性系列的钙碱性岩石和拉斑玄武岩类为主，岩浆主要来自下地壳或幔壳混合源；随后(始新世—渐新世)，以形成双峰式火山岩为主，岩浆主要来源于富集型岩石圈地幔；中新世以来，普遍形成拉斑玄武岩和碱性玄武岩系列，碱性玄武岩中往往含幔源和下地壳来源的捕虏体，岩浆主要来源于类似OIB型的亏损型软流圈地幔，反映地壳岩石圈伸展减薄、软流圈上涌的构造环境。

(3)深源捕虏体研究资料反映，南海北缘岩石圈在纵向上存在成分分带。岩石圈地幔的主体为大洋型地幔，由相对饱满的、高温型的、同位素组成类似MORB-OIB型的二辉橄榄岩所组成；但在其顶部残留有古老的岩石圈地幔，由相对贫瘠的、相对低温的、同位素组成类似EM型的方辉橄榄岩组成。在下地壳底部，分布着由晚中生代(约112Ma)幔源岩浆分离结晶和堆晶的基性麻粒岩。南海北部岩石圈在纵向上的成分分带，与大陆裂谷或张裂带的岩石圈结构相同。

(4)南海及其周缘的岩石圈地幔组成不均匀，侧向上有明显变化，并与大地构造分区有密切联系。南海北部及沿岸区在新生代属于拉伸构造带或陆缘扩张带，其主体在大地构造上属于南海地洼区；而菲律宾吕宋地区属于岛弧构造带，大地构造性质上属于地槽区。陆缘扩张带(地洼区)的岩石圈上地幔温度高，岩石类型复杂，以主量元素易熔组分相对饱满-弱亏损型的二辉橄榄岩为主，Sr-Nd同位素组成类似于MORB-OIB地幔域，此外还有少数明显已遭受高程度部分熔融的、同位素组成趋向EM1型的方辉橄榄岩；而岛弧构造带(地槽区)的岩石圈上地幔岩石主要为主量元素贫瘠型的、同位素组成趋向EM1型的方辉橄榄岩。由同位素资料确定的EM1组分主要与经历过较高程度部分熔融的方辉橄榄岩有密切联系，而EM1组分与贫瘠型方辉橄榄岩往往被认为与古老大陆岩石圈具亲缘性(Menzies，1989)。在菲律宾岛弧区的岩石圈上地幔岩石中所具有的这种特点，看来有两种可能的解释：①EM1组分实际上与岩石圈演化的初级阶段有关，即菲律宾岛弧区仍处于大陆型岩石圈演化的初期阶段(岛弧型地槽褶皱带)；②菲律宾巴坦岛之下存在古老的陆壳岩石圈基底(例如，是否为太平洋古陆的一部分?)。这个问题值得进一步研究。

至此，我们可以用图5.15来表示南海北缘壳-幔和岩石圈-软流圈之间相互作用与演化的简略模式。

在印支运动和燕山运动早期，区域上为造山带环境，地壳岩石圈厚度增大，壳内重熔型花岗岩发育，下地壳底部可能为榴辉岩，岩石圈地幔主要由石榴子石相方辉橄榄岩组成。

晚白垩世，岩石圈快速减薄(如拆沉作用)，软流圈上涌并发生变压熔融形成玄武岩浆。玄武岩浆沿裂隙上升，当其升达莫霍面底部时，因密度大于地壳岩石而滞留在地壳底部，发生广泛的底侵作用，形成壳幔混合层或壳幔过渡带，并发生岩浆堆晶和分离结晶作用。同时有壳幔混合源的岩浆向上侵位或喷出(部分延续至古新世)。

始新世—渐新世，软流圈再次上涌(可能为地幔柱的影响)，进一步对岩石圈地幔发生底蚀，地壳也因为下部层塑性流展和上部层张裂拉伸而减薄。同时有来源于上地幔部分熔融、并含有较多岩石圈地幔富集组分的岩浆喷出地表。

中新世以来，由于地幔热源在拉伸环境中快速释放，壳幔发生冷却收缩，“新生的”岩石圈地幔形成。所以该区既在岩石圈地幔顶部残留有主量元素易熔组分贫瘠的、相对低温的、同位素组成类似EM型的、主要由方辉橄榄岩组成的古老地幔，又通过软流圈物质的交代、置换作用形成了相对饱满型的、高温的、同位素组成类似于MORB OIB的、主要由二辉橄榄岩组成的新生地幔。晚新生代的地幔熔融程度变小，岩浆源区主要为软流圈地幔。因陆缘区地壳的基性组分、平均密度和断裂的穿透性、张性均增大，幔源岩浆在新近纪—第四纪期间继续喷出，部分并携带着深源捕虏体，但喷发范围和规模则逐渐减小，直至停息。

图5.15 南海北部陆缘壳-幔和岩石圈-软流圈相互作用与演化模式