中国大陆及其邻区岩石圈地幔速度结构和岩石圈地幔单元划分 地壳、上地幔地震波速度层状结构和岩石学解释
本节将给出中国大陆及其邻近海域岩石圈厚度和岩石圈地幔厚度及速度结构。随着新研究资料的不断增加和解释水平的不断提高，本项研究在以前的研究工作基础上（彭聪等，2000）有了很大的创新，地球物理与大地构造及成矿作用研究更密切地结合，使地球物理解释结果更趋合理。因本研究工作是地球物理和成矿系列研究的首次合作，为了便于对比，故以中国大陆主要成矿域为单元简述，给出成矿系列的深部地球物理背景。
（一）中国大陆及其邻近海域岩石圈厚度
中国大陆岩石圈大致可以分为数个主要单元，包括东北、华北、秦岭、扬子、华南、阿尔泰、准噶尔、天山、塔里木、青藏高原。它们彼此相互运动，其相互作用和变形作用主要发生在各板块的周边。根据对地震面波的分析，给出中国大陆及其邻近海域岩石圈等厚度图（图2-42）。该图显示出中国大陆及其邻近海域岩石圈厚度变化相当大。
以南北带为界，中国大陆岩石圈大致可划分为东西两个基本单元。中国西部具有厚的岩石圈，达到90～125 km。中国东部岩石圈又可以分为3个区域，包括东北、华北和华南，其岩石圈厚度分别为80～90，70和80～110 km。南北带为岩石圈厚度减薄带，仅为70 km。中国东部邻近海域岩石圈厚度比大陆薄，为50～60 km。
图2-36 中国大陆及邻近海域150 km 深度初剪切波速度分布图
S波单位：km/s
（二）中国大陆及其邻近海域岩石圈地幔厚度及速度结构
地壳下方的岩石圈地幔（图2-43）是岩石圈中最坚硬的部分，是地幔上方的地震高速带，平均密度为3.30 g/cm3，强度大黏度也大，因而也是岩石圈板块的主要应力导向带。岩石圈地幔厚度的变化可反映出构造的活动性及发展过程。在碰撞阶段，岩石圈汇聚加厚。加厚的岩石圈地幔（岩石圈根）呈向下的拉力，在地壳上层形成挤压应力。岩石圈根的特征是具有相对高的地震波速度、高密度和低的温度。年轻的火山岩区与岩石圈地幔减薄有关。但增厚的岩石圈根并不稳定，在碰撞后期会与上覆岩石圈分离，沉入地幔，使岩石圈减薄，并诱发壳/幔、岩石圈/软流圈物质相互作用。
岩石圈地幔具有较高的剪切波速度，在中国大陆及其邻近海域，一般在4.20～4.70 km/s之间变化。岩石圈地幔比下面的软流圈更为刚性，并且随着所涉及的应力大小以及随我们考虑的时间尺度和空间范围而改变。地震剪切波速度给我们提供了关于中国大陆岩石圈地幔的弹性，特别是它的厚度和刚性方面的特征。岩石圈地幔的厚度越薄或刚性越小因而越柔软，它经历的变形作用将会越强。
中国大陆岩石圈地幔和邻近海域岩石圈地幔具有明显的差别。邻近海域岩石圈地幔厚度20～30 km，波速为4.20～4.40 km/s。中国大陆内部岩石圈地幔厚度20～70 km，波速为4.20～4.70 km/s。两者之间的界线大致在琉球群岛一线。
图2-37 中国大陆及邻近海域200 km 深度剪切波速度分布图
S波单位：km/s
根据岩石圈地幔剪切波三维速度结构的整体性和速度差异，以南北带为界，中国大陆岩石圈地幔大致可划分为东西两个区域。中国西部包括特提斯成矿域和前寒武纪塔里木盆地叠加其上的古亚洲成矿域西部成矿省，属于高速厚幔区，波速为4.40～4.70 km/s，岩石圈地幔厚度为50～70 km。中国东部为滨西太平洋成矿域，古亚洲、前寒武纪和秦祁昆等成矿域的东部成矿省叠加其上。岩石圈地幔更为复杂，吉黑成矿省和兴安成矿省岩石圈地幔厚度为40～50 km；兴安成矿省波速较高，为4.30～4.70 km/s；吉黑成矿省波较速低，为4.20～4.40 km/s。华北地台北缘和华北准地台成矿省岩石圈地幔厚度较薄，为30～40 km，波速为4.20～4.50 km/s。秦祁昆等成矿域的东部成矿省岩石圈地幔厚度40～50 km，波速为4.30～4.40 km/s。上、下扬子成矿省岩石圈地幔厚度较大，为40～70 km；波速为4.30～4.60 km/s。华南和东南沿海成矿省岩石圈地幔厚度30～60 km，波速较高为4.30～4.70 km/s。南北带（东经102°附近）为低速薄幔带，厚度为20～40 km，波速为4.30～4.50 km/s。
（三）岩石圈研究不同资料的对比
人们常常利用天然地震（剪切波）研究岩石圈，用Sn确定上地幔低速层顶界面，认为是岩石圈的厚度；用人工地震P波研究岩石圈，用Pn确定上地幔低速层顶界面，确定岩石圈的厚度；用大地电磁测深研究岩石圈，认为上地幔高导层埋深是岩石圈的厚度。
表2-3 岩石圈研究不同资料对比表
续表
续表
中国地球物理场特征及深部地质与成矿
图2-38 中国大陆及邻近海域20 km 深度处纵波速度分布图
P波单位：km/s
我们将这3种资料进行对比列于表2-5。表中地壳厚度是地震P 波解释结果，岩石圈地幔厚度、天然地震解释的岩石圈厚度是彭聪于1996年根据剪切波编制的、地震P波解释的上地幔低速层顶界面根据袁学诚1996年的资料；大地电磁测深发现的上地幔高导层埋深出自李立1996年的论文。
在岩石圈减薄区，大地电磁得出的上地幔高导层埋深和地震P 波解释的上地幔低速层顶界面比较接近、一致性较好；在岩石圈增厚区，这两种资料得出的岩石圈厚度值有差异。大地电磁测深发现的上地幔高导层埋深和地震P波解释的上地幔低速层顶界面均大于天然地震（剪切波）解释的岩石圈厚度，它们相互之间的差异原因尚待探讨，也许它们反映的不是同一构造界面。天然地震解释的岩石圈厚度精度相对差一些。虽然这3种资料得出的岩石圈厚度结果不尽相同，但是岩石圈的相对厚度变化几乎是一致的，可以明显划分出岩石圈增厚区和岩石圈减薄区等不同构造单元型式。岩石圈缩短增厚、拉伸减薄变形在地壳和岩石圈下部并不是同步进行的，一般有4种型式：岩石圈增厚型式：①地壳和岩石圈下部两者都缩短增厚，属于厚地壳厚岩石圈地幔变形型式；②地壳不变形，而岩石圈下部缩短增厚，属于薄地壳厚岩石圈地幔变形型式。
岩石圈减薄型式有两种：①地壳和岩石圈下部两者都拉伸减薄，属于薄地壳薄岩石圈地幔变形型式；②地壳缩短增厚、岩石圈下部拉伸减薄，属于厚地壳薄岩石圈地幔变形型式。
图2-39 中国大陆及邻近海域50 km 深度处纵波速度分布图
P波单位：km/s
造山带中的岩石圈减薄区：造山带中的岩石圈减薄区是预测各种矿产的有利深部构造背景。贯穿中国南北的南北构造带（东经102°）和贯穿中国东西的祁连秦岭大别构造带，是岩石圈减薄带。南北构造带和秦岭大别构造带岩石圈变形特征为薄地壳薄岩石圈地幔型式，是深部地幔物质流通的通道，为形成幔源矿产的有利深部构造背景。
鲁西地区是岩石圈减薄区，薄地壳薄岩石圈地幔特征是山东金伯利岩上升到地壳浅部提供了有利深部构造条件，这种岩石是金刚石矿的母岩，据说是来自地幔深处的岩浆形成的。胶辽（山东）是岩石圈减薄区，薄地壳薄岩石圈地幔特征是山东的焦家金矿带的有利深部构造背景。山西是岩石圈减薄区，厚地壳薄岩石圈地幔特征为山西生产铜矿提供了地质条件。
造山带中的岩石圈增厚区：造山带中的岩石圈增厚区分为两种型式：一种是厚地壳厚岩石圈地幔特征，如大兴安岭、阿拉善、上扬子、江南地轴、天山、青藏高原、喜马拉雅、西昆仑和三江地区。另一种是薄地壳厚岩石圈地幔特征，如张广才岭、华南。
盆地岩石圈特征：中国东部区域松辽盆地和华北盆地是岩石圈减薄区，具有薄地壳薄岩石圈地幔特征。中国中部盆地和西部盆地都为岩石圈增厚区，又可以分为两种型式，一种为厚地壳厚岩石圈地幔型式，如鄂尔多斯和柴达木盆地；另一种为薄地壳厚岩石圈地幔型式，如四川盆地，准噶尔盆地和塔里木盆地。
图2-40 中国大陆及邻近海域100 km 深度处纵波速度分布图
P波单位：km/s
岩石圈包括地幔的一部分吗~
岩石圈是地壳和上地幔顶部，上地幔顶部是地幔的一小部分，所以不能说包括地幔
大陆地壳可大体概括为3层：被花岗岩侵入于沉积物中的上部地壳，以混合岩化为主的角闪岩相的中部地壳，及由高变质级火成岩和变质岩组成的麻粒岩下部陆壳。
过去十余年地震研究的成果对大陆地壳的认识起了关键性的作用。常用的地震纵波速度（Vp）数据及其反演是确定陆壳结构组成的重要依据。地震剪切波层析成像提供了深部构造几何形态的形象信息。影响大陆岩石地震波P波速度的主要因素是矿物成分及其化学成分，因而被用以判断地壳的岩石和化学组成。长英质岩石具有较低的P波速度，许多地震剖面地震波显示出中地壳具有中等的 P波速度（6.4～6.6 km/s），各类花岗质岩石到英云闪长质片麻杂岩组成的中部地壳，由于速度变化不大，没有明显的反射而呈现“透明状”。而下部地壳常常增大到6.8～7.0 km/s以上。P波速度对镁铁质组分的含量比较敏感，随镁铁质的增加而显著增大，P波速度对斜长石、辉石和石榴子石组分的相对比例也很敏感，从辉长质岩石转变到高级变质的石榴子石麻粒岩和榴辉岩时P波速度亦显著增加。在下陆壳，P波速度值达到6.8～7.0 km/s以上，表明含有相当数量的石榴子石、角闪石、辉石或橄榄石。当P波速度大于7.3 km/s时则应有相当高的榴辉岩和超镁铁岩的高速组分。反射性下地壳常与无反射的“透明”性上地幔相伴生。主要发育于伸展构造和（或）造山后伸展崩落区，反映它是新生事件的产物，与晚期伸展事件有关。它不仅表明下地壳往往比中、上地壳年轻，而且下地壳呈塑性状态存在，完全可以充当岩石圈内的拆离面，从而产生了层滑构造，同时反射性下地壳发育区的高热流多与深部岩浆作用有关，反映深部岩浆的垂向加入是地壳生长的一种重要机制。
大陆岩石圈和大洋岩石圈相比有很多特点。大陆壳密度低，主要由英安质岩石组成，上部岩石密度为2.7 g/cm3，下部为2.85～3.0 g/cm3，而大洋壳则以玄武岩和角闪岩相变玄武岩为主，密度较大（2.85～3.0 g/cm3）；大陆的岩石，在一些地区年龄达3000～4000 Ma，而大洋最古老的岩石仅仅是200 Ma。
在地壳下面的岩石圈地幔主要由橄榄岩质岩石（超镁铁岩）组成，密度大约为3.3 g/cm3，地震波纵波速度达到8.0 km/s以上，而地壳的纵波速度均小于8.0 km/s。
地震波速度的地层和岩石学解释：无论从地壳分层角度或岩石学角度看，它们和地震波速度都有很好的对应关系。一般来说，上地壳速度低于6.30 km/s；中地壳速度在6.30～6.70 km/s之间；下地壳速度在6.70～8.00 km/s之间。
利用地震波速度和地层的关系进行地壳分层和用岩石学获得地震波速度的统计关系进行岩性划分，可以参考欧洲地学断面资料（Mengel和Kern，1990；图2-2至图2-7）。将图2-2至图2-7地壳岩石学地震波速度和密度概括列于表2-1。
表2-1 地壳上地幔地震波速度参数
（整理自欧洲地学断面，Henkel 等，1990）
图2-2 根据岩石学解释在北黑森凹陷下面的地震速度结构
（据Aichroth等，1990）
根据地壳岩石学解释在NHD下面的地震波速度结构（Aichroth等，1990）；基于捕虏体组分、试验和计算地震数据建立的模型（K.Mengel等，1990）；地壳上部10 km的信息来自地表出露体；虚线表示65 mW/m2 的地表热流密度温度-深度分布曲线
在正常地壳内部Moho和岩石学壳/幔边界一致（从铁镁质转变到超铁镁质）。然而，在造山增厚地壳内部，由于麻粒岩高的密度和榴辉岩相的组合，一个主要的间断面（Mo-ho）是在长英质和铁镁质麻粒岩之间。注意，形成地壳的物质已经混入到地震定义的地壳底部之下，铁镁质转变到超铁镁质尖晶石也没有地震速度的跳跃间断（图2-3）。
含水岩石矿物云母，其速度为5.08～5.92 km/s，密度为2.72～3.08 g/cm3。火成岩地壳的矿物包括长石、角闪石、辉石和石榴子石。长石速度5.46～6.86 km/s，密度2.46～2.74 g/cm3。角闪石速度6.70～7.24 km/s，密度3.05～3.22 g/cm3。辉石速度6.82～7.94 km/s，密度3.20～3.52 g/cm3。石榴子石速度8.02～8.96 km/s，密度3.52～4.34 g/cm3。石榴子石是地壳下部地幔顶部矿物，所以速度和密度都很高。地幔矿物有橄榄石和尖晶石。橄榄石速度8.26～8.84 km/s，密度3.14～3.29 g/cm3。尖晶石速度9.08～10.10 km/s，密度3.56～3.90 g/cm3（图2-4）。
深成岩包括花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩、辉长岩、斜长岩、橄榄岩、辉石岩和纯橄榄岩。花岗岩速度5.34～6.12 km/s。花岗闪长岩速度5.64～6.48 km/s。闪长岩速度5.90～6.71 km/s。辉长岩速度6.18～7.14 km/s。斜长岩速度6.60～7.06 km/s。橄榄岩速度6.60～7.58 km/s。辉石岩速度7.44～8.12 km/s。纯橄榄岩速度7.75～8.36 km/s（图2-5）。
图2-3 正常大陆地壳（左图）和造山增厚形成的地壳（右图）岩石学剖面和地震波速度结构
正常大陆地壳（左图）和造山增厚形成的地壳（右图），两者的岩石学剖面和地震速度结构。在正常地壳内部Moho和岩石学壳幔边界一致（从铁镁质转变到超铁镁质）。然而，在造山增厚地壳内部，由于麻粒岩高的密度和榴辉岩组的组合，一个主要的间断面期望是在长英质和铁镁质麻粒岩之间，注意形成地壳的物质不是在地震定义的地壳基层之下，转换到尖晶石也没有证明是由于地震速度的跳跃间断
火成岩包括长英质岩石、铁镁质岩石和榴辉岩。长英质岩石速度5.36～6.69 km/s。铁镁质岩石速度6.16～7.56 km/s。榴辉岩速度7.34～8.25 km/s（图2-6）。
变质岩包括石英岩、片岩和片麻岩、麻粒岩。石英岩速度5.43～6.74 km/s。片岩和片麻岩速度5.76～6.12 km/s。麻粒岩速度6.20～7.12 km/s（图2-7）。
上地幔结构
答：因此，根据上地幔层结构纵波速度、密度、厚度、导电性等差异，在凤凰—茶陵剖面内可以划分出两种地幔类型：以西的扬子板块上地幔属相对稳定的刚性块体、以东属华南板块的上地幔是相对活动的塑性块体（图3-3）。图3-3 湖南省岩石圈上地幔熔融层推断图 1—大地热流等值线（mW/m2）；2—岩石圈底板等深线...
地幔运动、地幔羽与地幔对流
答：Wilson还发现夏威夷火山链上火山岩的同位素年龄,存在着从西向东逐渐变新的趋势,他解释为这是由于地表附近的板块不断地在向西运移,而代表地幔热活动中心的热点作为其参照系,则基本不动(图11-10)。山链就是岩石圈板块相对于热点运动的轨迹。他的解释比较合理,得到公认;许多热点的资料也证明地幔运动速度很小,远不及...
中国及邻区前寒武纪陆块形成与成矿关系
答：伴随华北地区岩石圈演化过程形成的三类岩石圈,其成分、结构均发生显著变化:鄂尔多斯为经历了中新生代陆块“活化”和“改造”后残存的克拉通型岩石圈,陆壳主体成分由TTG构成,岩石圈地幔主要由强亏损的方辉橄榄岩构成,它于新太古宙-古元古代最终形成以后,一直保持至今,其壳幔岩石学结构可以作为华北乃至中朝陆块克拉通型...
水平切面速度结构
答：为从三维角度揭示兴蒙-吉黑地区不同深度速度结构与区域构造单元之间的关系,我们根据剖面速度结构特征,并基于地壳、岩石圈地幔、软流圈及下地幔的概念选择了代表不同圈层的Vp速度水平切面对兴蒙-吉黑地区岩石圈块体的三维结构进行了分析,并据此对二维剖面速度结构特点进行约束。水平切面选择的基本思路和依据是,重点解析地...
中国下扬子及邻区岩石圈结构构造特征及油气资源评价
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东西向剖面Vp速度结构特征
答：总体上，该剖面显示额尔古纳地块及其以西地区的岩石圈厚度和地壳厚度与西伯利亚板块是基本连续而一致的，岩石圈厚度为150～160km，地壳厚度大于40km，之间虽然穿越了蒙古－鄂霍次克缝合带，但在岩石圈尺度上没有出现明显的速度不连续现象;布列亚地块到中生代增生杂岩区的地壳厚度和岩石圈地幔速度结构一致，地...
地球内部结构
答：2.地幔 地幔（mantle）是指莫霍面之下到核幔边界2900km的深度范围，也分为上、下地幔。上地幔深度大约从莫霍面之下35km开始，包括大约35～70km的岩石圈地幔、70～220km的软流圈地幔（低速层），以及220～660km的高地震波速的上地幔。岩石圈地幔的顶部（35～70km）的矿物组合从上向下分别是斜长石相...
岩石圈地幔、软流圈地幔和地壳之间的相互作用
答：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，...
岩石圈不连续——以华北地区为例
答：岩石圈地幔由方辉橄榄岩-二辉橄榄岩构成，该区属于新生代裂谷活动没有波及的地区，所以保留的是中生代造山带特征。华北东部平原区的地壳速度结构较复杂（图6-3c），通常出现高、低速互薄层结构，陆壳厚度最薄（30～34 km），岩石圈厚度为60～80 km（邓晋福等，1996）；陆壳成分为花岗闪长质（陆壳...
中国大陆地壳上地幔地电特征研究
答：由于深大地电磁测深的测点分布不均匀,尚有不少空白区,有些空白区的壳内与上地幔内低阻层的深度是用大地热流值估算的[25],因此只能粗略地给出中国大陆深部的地电结构与格架。 2 不同深度上的地电特征 根据30km、90km以及150km深度的电阻率研究了地壳、上地幔的地电结构,它们基本上反映了地壳内、岩石圈底部...
