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拆沉作用

拆沉作用原意指岩石圈地幔因软流圈侵入而与上覆地壳剥离的过程。经后来的研究,目前一般理解为在板块汇聚地区岩石圈因挤压而缩短、增厚,使等温面下移。深部岩石圈根因变冷而重于周围地幔,导致在重力上失稳、拆离并沉陷到下伏热地幔中并被后者置换的一种过程。

拆沉作用(delamination)由伯德(P.Bird)于1979年提出,其原意指岩石圈地幔因软流圈侵入而与上覆地壳剥离的过程。经后来的研究,目前一般理解为在板块汇聚地区岩石圈因挤压而缩短、增厚,使等温面下移。深部岩石圈根因变冷而重于周围地幔,导致在重力上失稳、拆离并沉陷到下伏热地幔中并被后者置换。因此它发生在后造山阶段,有拆离和沉陷的双重含意。岩石圈地幔被热软流圈所取代将引发快速的均衡回跳,并使地表的构造体制从挤压状态变为伸展状态,导致造山带坍塌和造山侵蚀作用的发生。

拆沉作用应泛指由于重力的不稳定性导致岩石圈地幔、大陆下地壳或大洋地壳沉入下伏软流圈或地幔的过程。其中,重力不稳定性是拆沉作用的驱动力,其直接结果是造成岩石圈地幔和下地壳沉入软流圈,热的软流圈物质相应上涌至地壳下部置换冷的上地幔。岩石圈加厚是大陆岩石圈和下地壳拆沉的前奏曲。由于岩石圈的加厚,导致基性下地壳发生变质作用形成密度更高的榴辉岩从而导致重力失稳沉入软流圈,软流圈高温低密度物质上涌,引起大量的岩浆活动、变质作用和山脉隆升等,由于上部低温高密度物质的快速下沉引起回撤作用可将深部的柯石英以及金刚石等超高压变质产物带到地表并使得山脉隆升,重力势能增大进而发生流动,坍塌最后形成盆地,这是最为普遍的观点。现代的安第斯山、青藏高原、阿尔卑斯山等正在发生拆沉作用。

由于拆沉作用发生在20~25 km以下的下地壳和岩石圈地幔,并涉及与软流圈的相互作用,人们对这一过程难以直接观察。因此,地球物理测深、地球化学示踪和岩石学研究,辅之以计算机模拟,是获取拆沉作用信息的主要途径。

拆沉作用所引发的一系列反应,如岩石圈地幔或岩石圈地幔与下地壳沉入软流圈、软流圈物质上涌等都会引发一系列的现象,而这些现象有的可以被地球物理测深所发现。现今,公认的对拆沉作用提供最有说服力的地球物理证据的是Seber等在1996年对地中海Alboran海盆及其周围摩洛哥北部Rif造山带和西班牙南部Betic造山带(两者均属阿尔卑斯造山期产物)地震震源分布以及重力异常特征的研究,他们认为该区岩石圈地幔现今正在发生拆沉作用。

软流圈上升至上地幔顶部和壳幔过渡带将造成大规模的岩浆作用,岩浆可直接来自软流圈或由软流圈对下地壳的加热,使下地壳产生部分熔融。Kay 等认为岩浆作用产物是记录拆沉作用的最佳证据,这种证据不仅可保存在年轻造山带中,而且在古老造山带中亦可保存下来,同时保存在地壳不同深度水平上。例如,England 等以及Bird 认为在区域挤压的背景下,青藏高原近期的抬升和东西向的伸展可用拆沉作用解释,由此带来的温度升高足以使地壳和地幔熔融,从而形成该区火山活动和花岗岩浆作用。地震波的衰减和波速的研究表明软流圈地幔在青藏高原北部已上升至浅部,也支持了青藏高原拆沉作用的假说。科罗拉多高原晚第三纪经历的隆升、伸展和岩浆作用过程是Bird最初提出拆沉作用的主要依据之一,并用来解释远离俯冲带的大陆内部隆升和大规模的岩浆作用,并用该区金伯利岩和有关玄武岩的喷发时代来确定拆沉作用的时间。

被拆沉的下地壳物质无论是榴辉岩或底侵作用或部分熔融产生的残余体,它们成分上都是基性的,并且均以富集Eu、Sr和过渡金属元素(Cr、Ni、Co、Sc、V、Ti)为特征。因此,拆沉作用的直接地球化学结果就是使地壳整体成分向长英质方向演化,同时使大陆地壳中的上述元素相对贫化 [1]

大陆地壳物质的再循环

以往认为陆缘洋壳沉积物俯冲作用是地壳再循环的唯一机制,但在拆沉模式提出之后,发现拆沉作用所造成的地壳再循环量也是巨大的,虽然目前主要发生在安第斯山脉、青藏高原和阿尔卑斯山脉。然而每次拆沉事件涉及的物质量却是很大的。拆沉过程在地质历史某一时期,如超大陆聚合期,可能比现今作用更重要。人们已在某些地幔包体中发现下地壳而不是俯冲沉积物的元素和同位素特征,这些都是构成下地壳古老亏损麻粒岩的特征。因此,下地壳的拆沉作用应是与沉积物俯冲作用同等重要的地壳再循环过程。

山脉的隆升、岩浆作用、岩石圈的伸展减薄与盆地的形成

当下部地壳以及岩石圈拆离,向下沉入软流圈地幔中,引发大规模的软流圈的上涌,软流圈上涌会产生减压熔融产生玄武质岩浆,同时加热下地壳,使其部分熔融,产生花岗质岩浆。岩浆上涌,一方面引发火山作用,另一方面会使地壳隆升,形成高原和山脉。结果是造成山脉的重力势能急剧增加,发生流动,最终岩石圈伸展减薄、造山带垮塌和盆地形成,从而构成一个完整的由山脉至盆地的发展链。

造山带山根的消失和莫霍面的再造

全球大陆地震测深剖面研究的一项重要成果,是发现现今古老造山带无山根,如我国东秦岭大别苏鲁造山带、美国的阿巴拉契亚造山带、科迪勒拉造山带和北欧的华里西造山带,在这些造山带下莫霍面通常是平坦的、强烈反射的。由于切穿了莫霍面上覆地壳倾斜的反射面,因此从构造上讲,古老造山带莫霍面是后期的。而活动造山带(如阿尔卑斯山脉、比利牛斯山脉和喜马拉雅山脉)都具有山根,莫霍面呈大的叠瓦状,垂直高差达10 km,且莫霍面反射性差。应用拆沉作用的理论可以很好的解释这一现象:拆沉作用使古老造山带的山根向下沉入软流圈中,软流圈上升至壳幔边界,随后热向上传导、散失,软流圈迅速冷却,最终将导致莫霍面由先前叠瓦状改造为后期平坦状。

超高压变质体的折返

此前,对于碰撞造山带中的超高压变质体,如大别山的含金刚石变质体等,传统的板块理论无法解释150km 或者更深处的物质是如何快速折返回地表的,而拆沉模式可以很好的解释这一现象。俯冲板片发生拆沉之后,拆沉残余的上部板片突然释重,应力状态迅速改变,处于深部的高压超高压变质岩极可能在很短的时间内折返回岩石圈浅部,甚至是上地壳,加之后期伸展、剥蚀等作用,最终出露地表。


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