1.地幔的“圈层-板根-沉块-D层结构模式”
表5-13 不同上地幔类型火山岩组合的Sr、Nd、Pb同位素特征
资料来源：吴利仁、李秉伦等，1984,1991；刘若新、周新华、陈道公、解广轰和樊祺诚等1985,1989,1992；李兆鼐等火成岩数据库，1988～1993。
根据近几年美国、日本和中国的一系列地球物理资料，特别是根据天然地震所作的东亚的不同位置、不同深度的地震波三维层析成像资料，我们结合中国东部和海域180Ma以来的地质资料分析，认为中国东部地幔包括上地幔、过渡地幔和下地幔的一种具一定普遍意义的结构形式，我们提出称之为“层圈-沉块-板根”模式（图5-15、图5-16），自左而右，上述地震波速的CT剖面图基本上代表了我国东北—日本本州、华北—日本本州和华南—日本九州以南的海域的地震剖面，其剖面向西延伸已达到并超出我国兴安-太行-武陵重力梯度带，其深度达到2900km的核幔边界，东北、华北和华南及其东部海域的天然地震波速剖面图，表现有以下几个共同特点，我们对这些特点的地质解释是：①从图中可以看出，波速的变化基本上都显示出与地球表面轮廓大体平行的圈层状结构，但是速度相同的波速层朝横向延伸呈不连续状，如果说波速的变化在一定程度上反映了地幔不同部分热状态的变化，甚至还在某种程度上与密度等物理或化学性质有联系的话，则说明了地幔内部三维的不均一性。②在670km以上的地带有一个规模较大的高速带，一般表现为东端较厚、西侧稍薄，西端明显地与日本岛弧之下的俯冲板块的斜插部分相连，在地质上我们把它解释为俯冲大洋板块从有震斜插到无震，斜插过程结束之后，地壳物质运动的另一种形式的继续，即转变成为一种接近高粘滞性的流体物质，由于在670km以上的地幔介质中，这种洋壳物质的密度相对较低，不能继续向下俯冲，只能沿水平方向发生流变性扩展运动，从这个意义上我们认为很像是大洋板块向深地幔延伸扩展的一种“板根”。③相对集中在670～2900km的深地幔波速变化的圈层背景中，普遍出现数量不等和波速较低的物性圈层中，都出现数量不等、大小不一的高速体，高速体的延伸基本上与圈层呈平行关系，这些高速体相对集中在670～2900km之间，其空间分布（位置和高度）相当不均一，从地质的角度，我们认为是俯冲洋壳物质在670km以下发生拆离、拆沉作用（Delamination）的产物，这是地壳和地幔特别是过渡地幔和下地幔发生物质和能量交换的一种重要形式，因为670km是一个相变界面，当“板根”积累量超过临界值时，“板根”要向下沉到670km以下的地幔，同时发生相变成为比周围地幔密度更大的物质，这是发生拆离、拆沉作用的主要驱动机制（在后面要专门讨论）。④相对集中在2600～2900km的核幔边界面以上，存在着厚薄不等的高速层，高速层正是上述“沉块”向下堆积的聚合场所，也可以称为地壳物质在深地幔向下运动的聚合场所，即地质、地球物理常用的“核幔边界层”（“D层”），其下正是低速的外地核，外地核的温度可达5000℃，处于超临界状态，所以有任何外来的较小的扰动，都可以诱发外地核能量的骤然爆发而形成地幔喷流柱（mentle plume）。对太平洋和南非大型地幔喷流柱的研究表明，这种喷流柱在外地核表面有一个汇聚上升过程，可能开始时直径是下面大、中间小，到了670km附近很快扩大，在670km相变面以上可以发生多级分叉，在150～50km左右的深度，进一步分叉扩散，是引起地幔局部融熔的重要驱动机制，在软流圈之上则伴随岩浆一起，进一步沿断裂系统分叉上升，并在地壳的不同深度侵位或喷出地表。考虑到地幔内正常热传导的速度是很慢的，所以热能积聚的过程很长，热的背景场较低，难以诱发上地幔的部分融熔，但是当有“沉块”对外地核“超临界”能量库造成扰动时，可以诱发巨大的热流异常，这种异常热流不仅温度高、能量大，而且上升速度快，是改变上地幔热状态的重要驱动机制。
图5-15 中国东部Cr剖面平面示意图（Fukao等，1992）
A、B…F分别为地震波速剖面
在上述分析的基础上，我们提出了地幔特别是深地幔的结构模式，称之为“圈层-板根-沉块-D″层”模式。
2.中国东部和近海地幔三维热状态分析
中国东部中、新生代火成岩及其深部过程
中国东部中、新生代火成岩及其深部过程
中国东部中、新生代火成岩及其深部过程
中国东部中、新生代火成岩及其深部过程
图5-16 中国东部与日本岛弧之间地区2900km以上的地幔地震CT剖面图（Fukao等，1992；剖面位置见前图）
根据1317～50km区间内，地震波速在地幔不同深度的断面图剖析可以看出每隔30～50km的断面图中，高速区和低速区的位置和范围大小的变化是很大的。与中国东部构造-岩浆动力学关系比较大的是670km以上，特别是150km以上地幔的热状态。从中国东部和附近海域670km以上每隔30～50km间距的地震波速断面图可以看出以下几个问题：①从深度712～629、629～551、551～478和478～410km的4个波速断面图中可以看出，自下而上低速区由小而分散的16个点，逐渐稍许集中，主要的低速区集中于日本本州东侧、菲律宾板块中央和加里曼丹东北侧以及苏门答腊西北端和爪哇东端等9个点。②从深度为410～348、348～290、290～238,238～190km和190～148km的5个波速断面图分析，自下而上，低速区进一步由小而分散的9个点，向上相对集中为7个稍大的区，其中主要的低速区位于鄂霍次克海、日本岛东侧、中-朝边界东侧、台湾海峡、广东东南侧和加里曼丹等。③从深度为148～110、110～78和78～51km的3个地震波速断面图可以看出，在148～110km的断面图中低速区已相对集中为4片，自北而南依次为鄂霍次克海、日本岛、锡霍特阿林、中-朝边区、郯庐区、台湾海峡、粤东南和加里曼丹等区。在110～78km的断面图上，鄂霍次克—锡霍特阿林—中朝边区—长江中下游—浙东—闽北几乎连成了一片，而广东南东的低速区似乎与南海—加里曼丹的低速区几乎连成一片。④在78～51km的断面图上，东北、华北的低速区进一步向南扩展，几乎与南海的大低速区相连。这一现象可能的解释是：中国东部上地幔在110～51km和51km以上的地幔中，可能存在着部分熔融或软流圈层；中国东部的软流圈可能存在着两个大的区，东北、华北、沿郯庐断裂带向南可能延到中、下扬子、浙江和闽北地区，属同一个大低速区，而粤东南可能与南海同属一个低速区，这些较浅的（110～51km）热区可能与部分熔融和软流圈有联系，而且可以较好地说明110～51km深度的上地幔的热状态有利于幔源岩浆特别是基性岩浆的形成。⑤如果在110～51km的上地幔中存在着部分熔融区或软流圈，那么基性岩浆的上升和伴随着深部异常热流的上升，势必导致壳幔边界拆离区、交错叠覆区和地壳内部（下地壳和中地壳）的部分熔融或低熔组分的岩浆的产生，从而产生一系列壳幔边界、下地壳、上地壳和中地壳的不同成分和不同性质的岩浆。⑥如果把地幔喷流柱形成的热点轨迹假设为相对稳定的地球深部坐标轴，那么，就可以根据洋底的磁条带的年代数据，对板块的运动追溯复原到180Ma前（即中侏罗世以前），从670km上、下和2900km核幔边界层的沉块堆积带来看，基本上分布在特提斯地区和环太平洋地区，说明了可能与板块俯冲的环太平洋带和碰撞造山的特提斯带的地质结论基本吻合，但我们根据中国东部特别是滨太平洋地区构造-岩浆作用的动力学阶段、火成岩组合和时空分布规律，倾向于认为这种地幔的结构模式和热状态可能代表了150Ma年（晚侏罗世）以来中、新生代中国大陆内部不同块体以及中国东部大陆与库拉太平洋板块、南海板块和印度板块相互作用的结果。
图5-17 地幔喷流柱多级分叉上升模式图
推测的超级地幔羽形态（丸山茂德等，1991）
3.深地幔内地壳物质的运动形式和重要意义
根据我们提出的中国东部和海域地幔的“圈层-板根-沉块-D″层”模式和上述分析，我们认为库拉太平洋板块与中国东部大陆的相对运动和相互作用，俯冲带向下斜插的深度可以达到相当大的深度（＞400km），但因在70km以下板块物质在超高压下物理性质的改变，即发生塑性流变，所以不显示深源地震的明显标志。从上地幔和地幔过渡带的矿物组成和相变规律（表5-14、图5-18～5-21）可以看出，在5.0GPa（150km）以上，地幔平均密度为3.3g/cm3，主要矿物相组合为橄榄石（62%）、富铝辉石（25%）、绿辉石（12%）和其他（1%）；在5.0～14.0GPa（150～410±10km）条件下，矿物相组合为橄榄石（62%）、贫铝辉石（14%）、镁铝榴石（11%）、绿辉石（12%）、其他（15%），岩石密度从3.36～3.37g/cm3,14.0～18.0 GPa（410～560±10km）条件下，矿物相为β尖晶石（62%）、镁铝榴石（25%）、透辉石-Ⅱ（12%）、其他（1%），岩石密度为3.53～3.62g/cm3；在18.0～22.0GPa（560～670±10km）条件下，β尖晶石转变为γ尖晶石（62%）、镁铝榴石转变为钛铁矿（25%），透辉石-Ⅱ（12%），其他（1%），岩石的密度从3.62g/cm3转变为3.77g/cm3，在22.0GPa（660±10km）条件下，发生较大的相转变，即γ尖晶石（62%）和钛铁矿（25%）都将转变为镁钙钛矿（83%）和镁方铁矿（4%）、透辉石-Ⅱ（12%），此时岩石的密度将从3.77g/cm3快速增加到4.12g/cm3。在上述相转变的过程中，俯冲过程开始时是个吸热过程，下降速度较慢，中间由于矿物相转变，岩石密度从3.3g/cm3增到3.62g/cm3，其下降速度逐渐加快，但到（560～670）±10km之间下降速度逐渐变慢，由于下沉板块密度比周围地幔密度小，所以在670km之上，下沉大洋板块斜向下沉的速度变慢，俯冲作用被相变流变层向水平方向扩展，呈高粘滞性的半流体状态运动。如果说库拉-太平洋板块斜插俯冲的宽度主要局限在日本附近的话，而相变流变层则沿670km附近的圈层方向伸展的宽度已接近兴安-太行-武陵重力梯度带，因而在该相变流变层的前锋，由于拆沉作用，给核幔边界以某种热动力而诱发了不同规模地幔热流柱的形成和上升；同时在深地幔相变流变层到上覆大陆地壳之间形成一个较宽的楔形区。在这个楔形区内，有相变流变层释放的再循环流体和热能；有因为拆沉作用，沉块对外地核的扰动而诱发小规模的热流柱，热流柱不仅是一种温度异常高的热流，而且伴随有一定数量的地幔深源流体，其中不仅包括300～50km条件下，由地幔矿物（超高压条件下尖晶石、橄榄石、辉石都可以含结晶水）释放的水，而且由深地幔或外地核释放的流体，主要为H2O、CO2、P、K等。
图5-18 上地幔和地幔过渡带的组成模型
软流圈内含5%的熔融体，使二辉橄榄岩的波速下降7%～11%，导电率提高1～2个数量级
图5-19 中国东部及邻近海域岩石圈/软流圈构造图（彭聪等，2000）
1—地壳增厚区；2—海洋板舌折沉区（投影至地表位置）；3—大陆岩石圈与海洋岩石圈分界；4—大陆软流圈分区；5—大陆软流圈与海洋软流圈分界
表5-14 地壳岩浆源区与相应火成岩组合的主要特征
资料来源：林景仟、谭东娟、许文良等，1984～1994；刘若新、周新华、陈道公、樊祺诚等，1984～1992；李兆鼐等火成岩数据库，1988～1993；张德全等，1989。
图5-20 中国东部岩浆深部过程模式示意图
①东北地区；②华北地区；③华南地区
图5-21 中国东部大陆中、新生代壳-幔物质-能量多级对流示意图
以上分析的H2O和挥发分的足够补给，是使上地幔和地壳发生局部熔融（降低熔融温度）的重要条件。
由多个不同块体拼合而成的中国东部大陆，其地幔具有“圈层-板根-沉块”的结构模式。岩浆作用可分为T—J2、J3—K和E—Q 3个阶段。火成岩的同位素组成等主要取决于不同块体的地球化学背景，有明显的继承性。岩浆作用的时-空分布不仅取决于不同块体的相互作用，而且还取决于岩石圈与地幔不同圈层之间的物质—能量的交换过程（图5-21）。