板块移动：地球沧桑之源

地球的内部结构大多被比喻为＂煮熟了的鸡蛋＂。中心蛋黄部分称为＂核＂,周围的蛋白称为＂地幔＂,蛋壳则称为＂地壳＂。日本列岛、朝鲜半岛,以及中国东北部地下横卧着一块绵延长1000千米、宽约1000千米、厚100千米的巨大冰冷岩石,如果把地球喻为煮熟的鸡蛋,那么这块巨石只不过是蛋白中的一块小石子而已。     

未来地球将失去“脸皮”?

正地壳是地球固体地表构造的最外圈层,整个地壳平均厚度约17千米,大陆地壳的平均厚度为35千米左右。高山、高原地区地壳更厚,最高厚达70千米以上;平原、盆地地壳相对较薄。大洋地壳则远比大陆地壳薄,厚度只有几千米。而太平洋马里亚纳群岛的海沟,是地球上地壳最薄的地方。英国布里斯托尔大学的一个研究小组在收集     

大洋岩石圈地幔中的古老克拉通碎片

<正>根据板块构造理论,地球的外壳是由一系列大小不一的刚性板块构成.这些刚性板块又称为岩石圈,包括上部的地壳和下部的岩石圈地幔.对于具体的板块而言,其岩石圈地幔的年龄是否与上覆地壳的年龄严格耦合,是固体地球科学领域的一个非常关键的基础问题.这事关对于同一地区的地壳是否与其下方的地幔同时形成、能否用地幔橄榄岩的模式年龄来判断岩石圈地幔属性等一系列问题的回答,     

关于地幔和地核形成的几种假说

根据地震波传播的特征,固体地球可分为地壳、地幔和地核三层.地壳的厚度从几公里到几十公里;地幔从地壳底一直延伸到2900公里左右的深度;地幔的下面是地核.三者的体积分别为地球总体积的1.6%、82.2%、16.2%.地幔和地核占地球的绝大部分.虽然它们不出露地表,但地表的一些大尺度现象,如地壳运动、海陆形成、地磁场和日长的变化等等,都与地幔和地核的形成有关.地幔和地核的形成又是地球起源学说中的一个重要内容.所以,近二十年来,国外对地幔和地核的形成问题做了不少工作,提出了很多假说.     

板块构造启动的时间和机制

板块构造是指位于对流地幔圈层之上的岩石圈的水平运动，主要由岩石圈在俯冲带的下沉作用所致。板块构造是一个典型的、非平衡复杂体系的自组系统(self organizing, far from equilibrium complex system, SOFFECS)，其驱动力主要来自热边界层(岩石圈)的反向浮力(negative buoyancy)，同时又受控于变形岩石圈与下覆粘性软流地幔的耗散作用(dissipation)。在太阳系内侧5个硅酸质行星中，板块构造仅发育于地球，这表明板块构造是硅酸质行星不太常见的一种热散逸方式。目前还不清楚这种构造活动和热散逸方式在地球上是从何时开始的。所有的硅酸质行星在形成初期可能都经历过一次短暂的岩浆海 (magma ocean) 阶段。行星固结后，静止盖层(stagnant lid)模式是行星冷却的共同途径，即行星表面形成了一个不易活动的固化盖层，此时内部的热量只能通过拆沉作用、热点火山作用和岩浆浅部侵位等方式进行逃逸。由于地球早期温度较高，通过减压熔融形成的岩石圈结构不同于现代岩石圈，即地球早期岩石圈由厚的洋壳和薄的岩石圈地幔构成。这种岩石圈要产生反向浮力需要非常长的时间，因此地球早期即便有板块构造存在，其规模也比较零星。只有当地球冷却到一定程度，扩张中脊下部减压熔融形成薄的洋壳且大洋岩石圈只需     

“玻璃地球”,梦想并不遥远

<正>自人类诞生之日起,我们就从未停止过对地球的探索和认知。从古代人认为"天圆地方",到航海家麦哲伦通过环球航行证明地球是圆的;从古希腊科学家埃拉托色尼测量了地球周长,到地球物理学家莫霍洛维奇发现了地幔和地壳的分界层,再到地震学家古登堡发现了地核与地幔的分界层,这一次次的进步都让我们对脚下的     

大别造山带的去山根过程与机制:碰撞后岩浆岩的年代学和地球化学制约

系统的大别山碰撞后岩浆岩年代学和地球化学研究表明,大别山加厚镁铁质下地壳在143-131 Ma时发生部分熔融,生成低镁埃达克质岩;130 Ma左右加厚下地壳拆沉,引起了地幔上涌,产生了130 Ma以后的大规模镁铁质和花岗质岩浆作用.在大别山低镁埃达克岩形成同时,已折返至中地壳的北大别岩片也发生部分熔融,产生北大别混合岩.本文论证了在山根垮塌前,诱发大别山中、下地壳发生部分熔融需要造山带加厚岩石圈地幔根先期发生了减薄.根据克拉通岩石圈地幔的地温梯度(6.6℃/km)和玄武质地壳熔融温度(1000℃),可估计在发生造山带加厚下地壳部分熔融时,其下的岩石圈地幔厚度应减薄到小于45 km.据此,提出大别山两阶段去山根过程模型.岩石圈冷山根诱发的地幔对流导致在-145 Ma时岩石圈地幔突出部位被先减薄.它导致加厚镁铁质下地壳温度和地壳中下部地热增温率升高,并使其发生部分熔融.加厚下地壳的部分熔融导致了造山带下地壳弱化,加大其重力不平衡,从而引发加厚镁铁质下地壳的拆沉和山根垮塌.因此,软流圈对流侵蚀和加厚下地壳拆沉这两种岩石圈减薄机制具有因果关系.     

华北克拉通破坏机制与古元古代板块构造体系

在对华北克拉通岩石圈地幔性质发生变化的物理、化学过程和时空范围深入研究的基础上, 探寻其动力学作用, 需要对华北克拉通岩石圈及其周围的地幔状态和构造有整体的认识. 从地震学研究构建的华北克拉通地壳、上地幔速度结构出发, 分析研究了岩石圈厚度、壳-幔边界性质、上地幔结构和变形的构造特征和变化规律; 结合岩石地球化学研究结果, 提出了华北克拉通上地幔流动模型. 我们认为: 主要是太平洋板块俯冲使东亚大陆下方地幔流动呈现快速和不稳定的特点. 这一独特的区域地幔流动体系促进了华北克拉通上地幔中熔流体含量的增加和岩石圈软化, 导致了华北克拉通不同地区分别以拆沉和热侵蚀为主的不同方式被破坏. 同时, 根据华北克拉通地壳记录的东-西块体碰撞拼合、古洋壳消减以及古陆壳残留的证据, 揭示了地球在古元古代已经进入与现今相似的板块构造体系.     

地幔通道流:青藏高原大规模生长的深部机制

地处喜马拉雅造山带后陆区的青藏高原,其成因与生长一直存在争议.基于前人资料和我们的综合研究发现,西起西昆仑,东经北羌塘和昆仑山口,向南折向芒康-大理,直抵红河-哀牢山,发育一条跨越青藏高原不同构造单元的长达数千公里的巨型高热流带,并显示由高原内部向东北部边缘迁移之势.沿此巨型高热流带,岩石圈地幔部分熔融产生的钾质镁铁质岩-煌斑岩群(42～32 Ma)和钾质碱性岩-碳酸岩(27～7 Ma)、软流圈减压熔融产生的洋岛玄武岩(ocean island basalts, OIB)(16～1 Ma),以及中下地壳熔融产生的钾质长英质岩(40～0.3 Ma)呈群聚式断续展布;以峰期麻粒岩相变质为特征的高温深变质带与大型走滑断裂带(40～17 Ma)相伴发育;下地壳麻粒岩包体具有高达800°C的变质温度,地幔橄榄岩包体显示地幔垂直流动特征;地球物理探测所揭示的6个大型低速异常体呈群聚式、等间距、断续式展布.我们提出:印度大陆岩石圈地幔俯冲触发了亚洲大陆软流圈涌动,后者沿后陆区若干地幔通道垂直上涌,热蚀并吞噬地幔岩石圈,直抵地壳底部.这些"地幔通道流"源于400 km深处,形成于晚(硬)碰撞以来(≤40 Ma),不仅为维持青藏高原隆升提供了深部热能,而且为高原地壳生长输送了新生幔源物质,同时引发中下地壳塑性流变和侧向流动,并驱动青藏高原向北东方向侧向生长.     

与青藏高原东北部地球动力学相关的深部构造问题

青藏高原东北部是探索青藏高原地球动力学的重点地区之一.自20世纪60年代以来实施的一系列深部地球物理探测和相关研究获得了该地区地壳上地幔结构的基本特征.深部地球物理探测揭示高原的地壳增厚,且具有低P波速度、低电阻率和高热流值的特点;体波走时层析成像、面波频散和远震体波接收函数反演共同显示中下地壳的低剪切波速度.回顾青藏高原东北部已有的深部地球物理研究成果,梳理出当前存在一些与地球动力学相关的问题.它们是:(1)中上地壳的低速-高导层;(2)高原地壳的增厚方式;(3)地壳和地幔各向异性;(4)下地壳通道流;(5)向南俯冲的欧亚大陆岩石圈.这些问题尚未达成一致的认识.不同的深部构造模型和观点使得对例如"下地壳通道流"和"俯冲的欧亚大陆岩石圈"有关议题争论持续不断.未能达成共识的重要原因之一可能是现有台网的数据成像分辨率和精度仍不足以识别在地壳和上地幔深处的细节.在国家和区域地震台网的基础上,正在实施的大规模流动地震台阵观测,以及重点地区开展高分辨的深部地球物理探测,将较大幅度地改善目标模型的分辨率和可靠性.这是增进青藏高原东北部深部结构和地球动力学知识的有效途径.     

大别-苏鲁造山带碰撞后的岩石圈拆离

应用地质、各市地球化学及地球物理3个方面已有的研究结果,探讨大别-苏鲁造山带碰撞后岩石圈撤拆离发生的可能性及发生时代,大别山超高压变质（UHPM）岩第1次快速冷却时代（226～219Ma）与秦岭-苏鲁地区同碰撞花岗岩年龄（220～205Ma）的一致性,说明UHPM岩石第1次快速抬升与俯冲板块断离有关,因此它们的第2次快速抬升（180～170Ma）需要碰撞后的岩石圈拆离,同时导致大别山170Ma左右的岩浆事件,此外,早白垩世（130～110Ma）大别山穹隆的迅速隆升及相对应的大规模岩浆事件也需要另外一次岩石圈拆离,碰撞后幔源镁铁-超镁铁岩侵入体的同位素年代学及相互关系的研究表明,大别-苏鲁造山带碰撞后的早白垩世大规模岩浆事件源于深部软流圈地幔上涌,辉石-辉长岩随MgO降低,SiO2也下降的分离结晶演化趋势,及典型的下地壳地球化学特征表明,这一幔源岩浆在侵入地壳之前曾经历过岩浆的板底垫托（underplating）过程及与下地壳相互作用,岩石圈拆离可能是引发造山带碰撞后地幔上涌及岩浆板底垫托事件的原因,大别-苏鲁造山带的地震层析结果显示,大别山南北两侧岩石圈均已显著减薄,除合肥盆地靠近郯庐断裂部分的岩石圈减薄可能与新生代玄武岩事件有关系外,因为大别山缺乏新生代玄武岩事件,大别山区的岩石圈减薄可能主要是岩石圈拆离造成的,此外,在40km处该带普遍存在一薄的低速层,以及该带白垩纪存在盆地 穹隆 盆地的耦合关系,均显示了该造山带两侧曾发生了岩石圈拆离和岩浆板底垫托作用。     

“岩浆引擎”与板块运动驱动力

从能量的角度看,地球内部的热是驱动板块运动的主要能量.热能要转化为动能需要集中有序释放.在地球上,热能最主要的集中有序释放发生在洋中脊岩浆作用过程中.根据"岩浆引擎"模型,在洋中脊不断形成新洋壳,新洋壳轻而薄,老洋壳厚而重,致使整个板片斜置于软流圈上,产生下滑力,导致洋中脊不断扩张,形成新洋壳并推动俯冲带老洋壳的消亡,从而驱动板块运动.地幔柱岩浆活动是"岩浆引擎"的另一种表现形式.大的地幔柱头会引起上覆岩石圈受热,与大量上涌的岩浆共同作用,在其中心部位产生千米级的隆升,从而导致地壳局部大幅度的倾斜,产生向外的下滑力.当下滑力足够大时,岩石圈拉张破裂,向两边推挤扩张,同时远端洋壳在薄弱地带挤压破裂,产生板块俯冲.这是板块运动最初起始和"岩浆引擎"的点火器.在板块构造体制下,板块俯冲起始有两种主要形式,自发俯冲和诱导俯冲.自发俯冲起始往往发生在老洋盆,通常产生双向俯冲;诱导俯冲起始则往往发生于年轻洋盆,通常产生单向俯冲.新特提斯洋的多次单向俯冲闭合是诱导俯冲起始所致."岩浆引擎"主要作用于与洋中脊和地幔柱相关的板块.其他板块构造运动的能量主要来自于板块相互作用.     

千面含铁矿石

闲话钢铁 据科学家推算,地球上的铁有79.52％分布在地核,20.42％分布在地幔,只有0.06％分布在地壳。即便是地壳中0.06％的铁,换算成重量的话,也高达1.5×10~(18)吨,如果将它们覆盖在地球表面,其高度可达350米。     

青藏高原向东挤出与向北扩展——高原隆升深部过程之探讨

青藏高原下方的软弱物质在印度-欧亚大陆的汇聚挤压作用下,从增厚、抬升的高原中部向东部逃逸挤出.本文基于一条宽频地震密集台站剖面观测给出的青藏高原-秦岭构造转换带地壳和上地幔顶部结构断面,结合前人的地质和地球物理学研究成果,探讨了青藏高原物质向东的挤出,揭示秦岭作为一个可能的通道,将如何协调青藏高原物质的挤出,进而探讨上述地球动力学过程如何影响高原东缘的隆升和扩展,并对比了青藏高原东缘和北缘的地壳变形增厚机制以及地幔岩石圈行为模式之差异.研究结果揭示了,受区域大型断裂带控制的中下地壳软弱物质挤出和由软流圈地幔流触发的岩石圈底部拆沉导致的重力均衡,可能同时在青藏高原东缘下方发生,断裂和块体控制的壳内软弱物质挤出可能是青藏高原东缘边界带上大地震发生的一个重要深部孕震机制.上述两个机制的共同作用导致了青藏高原东缘与秦岭以及四川盆地构造转换带区域的高原隆升和扩展.青藏高原东缘物质挤出的深部过程与处于青藏高原北缘的青藏高原-阿拉善构造转换带区域的高原向北扩展之深部机制存在差异,而造成高原北缘与东缘差异隆升模式的根本动力学原因,可能是从青藏高原中东部(青藏高原内部)到高原北缘岩石圈性质的横向变化.     

牛顿流体小尺度地幔对流对海底地形与热流的影响

海底地形与热流观测值和岩石圈年龄的关系在小年龄段可用半无限空间冷却模型精确描述, 但在大年龄段存在显著差异. Parsons和McKenzie在20世纪70年代的研究中首次将该差异归因于岩石圈下小尺度地幔对流. 随后科学家们对小尺度地幔对流问题进行了大量研究, 但结果并不一致. 本文根据建立的垂直于大洋中脊的二维热对流有限元数值模型对小尺度地幔对流对海底地形与热流的影响进行了详细研究. 该模型的主要特点是采用开放边界条件, 从而可以避免原有封闭模型因回流问题而产生的复杂效应. 数据结果显示: 对黏性与温度相关的牛顿流体, 小尺度地幔对流可造成海底表面热流的增加, 但对海底地形影响很小. 这主要是由于小尺度对流会造成两种效应: 将地幔内部热量传到岩石圈底部并加热岩石圈从而使表面热流增加; 这一效应的必然结果就是第二效应——加速地幔冷却. 由于两种效应对海底地形的影响相反, 且效果相当, 所以小尺度地幔对流对地形几乎不产生影响.     

地幔是由什么组成的?

橄榄岩是主要成分已成定论众所周知,地球为地壳、地幔、核这三层构造。那么,橄榄石又是什么呢? 一般认为,地球的大约一半即地壳和地幔是由岩石组成的。因此,地幔是由称为橄榄岩的岩石,或者以橄榄岩为原料的物质构成的,这在目前已成定论。所谓橄榄石就是组成这种橄榄岩的最重要的矿物。所以,根据该定论,可以说橄榄石才是地幔的主要成分。     

地球物理研究与古地球动力学

地质学家们常用的概念,诸如漂移着的岩石圈扳块、洋底扩张与俯冲、地幔对流以及现代地球动力学的其他一些问题,完全是根据地球物理研究,即地震、重力和磁力研究得出的.但是,当涉及我们这颗行星的地质历史时期板块的特性问题,亦即在解决古地球动力学问题时,地球物理学便退居次要地位,而最受欢迎的倒是地质的标志,即与这种或那种地球动力环境相对应的岩石组合.如     

我国深空探测研究深入火星和月球内部

<正>地球、火星、月球等具有显著的圈层结构,这是其形成与演化的结果;圈层结构因而记录了它们的形成和演化中诸多地质过程和环境变迁,如岩浆洋冷却、壳幔分异和核幔分异,以及气候和宜居性环境演变等.地球的圈层结构可分为外部圈层(水圈、生物圈、大气圈)和内部圈层(地壳、地幔、地核),地球各圈层间存在大规模的物质循环和能量交换.地壳物质可以通过俯冲过程到达地幔甚至是核幔边界,而核幔边界的热物质则能以地幔柱形式上涌至地表.本文着重探讨火星与月球的浅表层和深部结构探测及其未来可能的考量.     

地球曾经翻过跟斗

现在的地球,地壳构造板块的漂移速度是比较缓慢的。这些板块携带着上面的大陆以每年几英寸的速度在半熔状态的地幔上缓缓移过。在这一运动过程中,新的地壳不断在中央海脊形成,同时,原有的地壳也缓缓地在潜没区沉入地幔中。地质学家认为,地壳虽然在不断运动中,但是因为运动的速度很缓慢,所以,一般要经过几千万年的时间,     

木卫三存在地下海洋

美国宇航局的哈勃太空望远镜最近获得了木星的最大卫星--木卫三存在地下盐水海洋的最佳证据。这个海洋位于150千米厚的木卫三地壳（主要由冰构成）下面，深度估计达100千米，是地球海洋深度的10倍，比地球表面的总水量还大。这一发现意味着，木卫三可能支持已知的生命形式存在。木卫三是太阳系中最大的卫星，也是唯一自己拥有磁场的卫星。磁场在木卫三两极地区的上空形成极光。因为木卫三靠近木星，所以它也身处木星磁场中。当木星磁场改变时，木卫三的极光也会变化，前后“摇晃”。正是通过观测这种“摇晃”，科学家得以确定木卫三的地壳下存在大量海水，从而影响它的磁场。