中国东部碱性玄武岩

论中国东部中新生代碱性玄武岩与太平洋俯冲的关系

摘要本读书报告主要着眼于中新生代以来中国东部演化进程。从火山形成机制和中新代岩浆作用演化以及弧后扩张机制，来分析太平洋板块在向欧亚板块俯冲的过程中对中国东部的影响。

关键词：中新生代;中国东部;岩浆;弧后扩张;太平洋板块;

前言

目前，国内外有不少地质学家对中国东部地区中新生代以来的演化问题分歧很大，在众多的争议里我们组对中国东部碱性玄武岩和太平洋俯冲的关系产生了浓厚的兴趣。在大量阅读了前人关于中国东部地区与太平洋俯冲的关系的资料的基础上，提出了我们自己的见解。

在太平洋板块向欧亚板块俯冲的影响作用下，中、新生代以来我国东部从科迪勒拉型活动大陆边缘逐渐转变为西太平洋型的沟—弧—盆地体系，尤其是在新生代弧后扩张的影响下，在我国东部地区形成了一系列的弧后盆地。在这一系列的过程中，我们有理由相信现今中国东部广泛出现新生代的碱性玄武岩正是在太平洋板块向西俯冲的影响下形成的。

1火山形成的机制

目前，对于火山形成的机制以及火山系统的演化，Edgardo 等人在2004年给出了一个相对来说较好的模式(图1)。

Fig.1Schematic evolution of a volcanic

Edgardo 认为，火山系统的几个基本的组成部分：岩浆房、岩浆通道、火山口。在岩浆房里熔融的岩浆在由于自身的密度对周围岩石的密度小，在浮力的作用下通过岩浆通道，而喷发出地表。当岩浆通道没有延伸到地表或者浮力不够大时，岩浆便不会到达地表，而在地下冷凝，形成侵入式的岩墙。在这个系统中，地幔或地壳岩石的熔融过程和岩浆通道的形成过程，对于整个火山的位置和喷发具有很重要的控制作用。岩浆通道的形成过程中主要受到两个因素的控制：（1）熔岩和周围固体岩石的密度差（2）上覆岩石的强度。这两个条件不仅控制着岩浆通道的形成，也控制着火山喷出熔岩的体积。熔岩一般具有很好的内部连通性，在火山发展的过程中，岩浆便会发生侧向渗透运移，随着岩浆的累积，当有足够的压力能使上覆岩石发生水力压裂形成岩浆通道时，岩浆将会向上运移，喷发出地表，在这种情况下就会在同一个地区，看见许多不同的火山，并且喷发的岩浆都是同源岩浆。与此同时，若当地的构造应力场为水平时，垂直上升的岩浆则会在水平应力的作用下发生侧向堆积，从而形成次一级的岩浆房，压力会随着岩浆房里的岩浆的增多而增加，当压力足够使上覆岩石发生水力压裂形成岩浆通道时，熔岩便会重新向上运移。

地幔中岩石发生熔融的原因，这样的原因主要有以下几个：其一，在拉张的环境下，比如洋中脊和大陆裂谷等等，由于压力减小，体岩石的熔点降低而发生熔融。其二，在构造运动作用下发生摩擦，强烈的摩擦必然伴随着温度的升高，这样也容易使局部岩石发生熔融。比如我们知道的深大断裂就综合了这两方面的原因，深大断裂在拆离的过程，

就会在局部位Conduits

Magma Chamber(s)

置形成一个低压高温带，使得断裂附近的岩石很容易就发生熔融。其三，在大洋俯冲带上，随着绿片岩相向角闪岩相，最终向榴辉岩相的过渡，俯冲板片上的含水矿物逐渐发生脱水，这部分水会使得上覆地幔楔发生部分熔融，最终形成岛弧和弧后盆地的岩浆作用。

但是我有一个疑问：岩浆的上升有时候并不一定会伴随着上覆岩石发生水力压裂形成岩浆通道，比如有时候往往会发现，岩浆沿着深大断裂造成的岩石破裂带向上运移。那么按照作者的观点能解释这个现象吗？

2中国东部中新生代岩浆及弧后扩张机制中国东部由科迪勒拉型转变为西太平洋型活动大陆边缘的整个过程中，随着构造环境的演变和变迁，中国东部主要的岩浆岩类型和岩浆作用也在随之发生变化。

资料显示：从太平洋板块和欧亚板块俯冲碰撞的初期一直到白垩纪都没有玄武岩的形成，更多的是一些比如花岗岩类型的岩石的形成。因此，我们不对其进行过多的分析，（实际上，太平洋板块在中生代早期时基本是向北扩张的,至早白垩世中期才转向西，而东部大规模的火山作用在侏罗—早白垩，因此中生代火山作用与太平洋的俯冲没有关系）。

在新生代早期，中国东部进入了一个全新的时期—弧后拉张期，尽管中国东部此时依旧处于科迪勒拉型活动大陆边缘的构造环境中，但是在东部大陆的广大地区形成了很多与拉张裂谷体系有关的玄武岩。虽然地质学家关于弧后扩张的原因仍有争议，但是我还是比较倾向于海沟后退是造成弧后扩张的主要因素。

在太平洋板块向欧亚板块俯冲的过程中，太平洋板块由于密度大，温度低，在负浮力的作用下俯冲，但是这种俯冲的机制到底是怎么样的？板块俯冲前缘是持续下行，还是被阻挡在相变界面上（图2）？根据我国东北地震层析成像图（图3），俯冲洋壳并没有穿透上下地幔670km界面,而是平卧堆积在界面之上。

对其一个合理的解释为，地球内部的结构极其复杂，在地幔中存在一个上、下地幔的过渡带，该过渡带的密度变化相对更大，当洋壳板块俯冲到这410km时，被过渡带内的岩石阻挡，俯冲受到较大的阻力，但是随着海沟处洋壳的持续俯冲，俯冲板片的最前缘在这种推力和阻力的双重作用下，逐渐改变方向，朝着阻力相对较弱的地方继续滑行前进，在660km 的相变界面以下的下地幔密度更大，以至于板片不能再继续前进，而平卧在660km的相变界面处。

Michio Tagawa2006年用二维的动力模型成功的模拟了这一过程，在一系列的模拟中选取了一个典型的实验，结果显示（图4）板片在下行的过程中温度逐渐增加，板片最前缘温度最高，因此容易发生变形。应力场的分布显示，在地壳的浅部，由于俯冲板片的负浮力，俯冲片上主要受到的力为张应力（down-dip tension），在地壳深处，在其自身的负浮力和相变界面的正浮力的双重作用下，俯冲板片上同时受到张应力和压应力(down-dip

图4俯冲带内的温度、应力以及主应力轴方向

图5

板块运动速度和海沟后退距离演化图

Fig.2Schematic illustration of the model Fig.3我国东北及临区层析成像结果zhang et

al,1997

compression)，这两种力在靠近660km的界面上都比较大，反映出板片的弯曲。该过程还伴随这一个很重要的现象：海沟后退。从图5可以看出，海沟的后退发生在410km之前，并随着板块在进入过渡带后退速度陡然增加，然后基本保持一个不变的速度后退，在15Ma后后退约500kn。图5还说明了，在俯冲板块和转换带相互作用的过程中，上覆的刚性板块突然向着相反的方向运动，随着俯冲穿过转换带后，上覆刚性板块速度突然减小，然后保持这个速度几乎匀速运动。在上覆板块的相对运动中，会带动海沟的后侧，而此时转换带里的正浮力赋予了板片一个的逆时针的力矩，然而进一步促进了海沟的后侧和俯冲角度的减小。

在海沟后退的过程中，远离海沟的上覆板块则不动,这样介于海沟与上覆板块远离海沟段之间的部位就会发生弧后引张，在拉张环境下，岩石圈发生减薄，地幔物质熔融，在压力梯度的作用下地幔热物质沿着岩浆通道或深大断裂带上涌，就会形成一系列与张拉裂谷有关的玄武岩，而实际上根据资料可以发现，在海南岛、华北、华南、内蒙等地发现有大量的与拉张裂谷体系有关的，由上地幔直接分熔而成的各种玄武岩，其中以碱性玄武岩为主，高铝和大陆拉斑玄武岩次之，其分布主要呈NE—NNE走向。

3结论

在中国东部由科迪勒拉型转变为西太平洋型活动大陆边缘的过程中，随着太平洋板块俯冲和俯冲板片与上下地幔的过渡带（410km~660km）的相互作用过程中，引起海沟后退，造成弧后拉张，地幔岩石发生减压熔融，喷出地表，形成各种玄武岩。

备注：在我们查阅文献的同时，发现不管是火山的系统模型还是海沟后撤引发的弧后扩张模型，在很大的程度上解释了我们所观测到的实际现象，可是随着认识和科学技术的发展，有些新的现象不能用原有的模型来解释，因此由必须要提出更正后的模型或全新的模型来适应认识的发展。

参考文献：

[1]Edgardo Canon-Tapia，George P.L.Walker.2004.Global aspects of volcanism:the perspectives of“plate tectonics”and“volcanic systems”.Earth-Science Reviews,163~182.

[2]Michio Tagawa,Tomoeki Nakakuki.2007.Dynamical modeling of trench retreat driven by the interaction with the mantle transition zone.Earth Planets Space,65~74.

[3]石耀霖，张健等.2004.中国东北远离海沟陆内弧后扩张形成新生代火山的深部地球动力学背景.地震学报,(26):1~8.