从地壳上地幔构造看大陆岩石圈伸展与裂解

杨文采

“大地构造与动力学” 国家重点实验室、中国地质科学院地质研究所， 北京， 100037

内容提要: 本篇讨论大陆岩石圈拆沉、伸展与裂解作用过程。由于大陆岩石圈厚度大而且很不均匀，产生裂谷的机制比较复杂。大陆碰撞远程效应的触发，岩石圈拆沉，以及板块运动的不规则性和地球应力场方向转折，都可能产生岩石圈断裂和大陆裂谷。岩石圈拆沉为在重力作用下“去陆根”的作用过程，演化过程可分为大陆根拆离、地壳伸展和岩石圈地幔整体破裂三个阶段。大陆碰撞带、俯冲的大陆和大洋板块、克拉通区域岩石圈，都可能产生岩石圈拆沉。大陆岩石圈调查表明，拉张区可见地壳伸展、岩石圈拆离、软流圈上拱和热沉降；它们是大陆岩石圈伸展与裂解早期的主要表现。从初始拉张的盆岭省到成熟的张裂省，拆离后地壳伸展成复式地堑，下地壳幔源玄武岩浆侵位，断裂带贯通并切穿整个岩石圈，表明地壳伸展进入成熟阶段。中国东北松辽盆地和西欧北海盆地曾处于成熟的张裂省。岩石圈破裂为岩浆侵位提供了阻力很小的通道网。岩浆侵位作用伴随岩石圈破裂和热流体上涌，成熟的张裂省可发展成大陆裂谷。多数的大陆裂谷带并没有发展成威尔逊裂谷带和洋中脊，普通的大陆裂谷要演化为威尔逊裂谷带，必须有来自软流圈的长期和持续的热流和玄武质岩浆的供应。威尔逊裂谷带岩石圈地幔和软流圈为地震低速带，其根源可能与来自地幔底部的地幔热羽流有关。

1 导言

前四篇评述已经讨论了从地壳上地幔探测看大陆岩石圈增生之地质作用(杨文采等, 2014a—d)，包括洋陆转换、大陆碰撞和克拉通化等；本篇讨论和大陆岩石圈增生反对称的地质作用过程：大陆岩石圈的伸展与裂解。在洋陆转换和大陆碰撞地质作用中, 板块之间的挤压力起主要作用；而在大陆裂解作用中, 大陆板块内部受到的拉伸应力起主要作用。本篇主要评述张裂区(省)和大陆裂谷发生的大陆伸展与裂解地质作用过程，作用的后果是产生大型沉积盆地、张裂省及大陆裂谷。

大地构造单元可按属性划分为稳定大地构造单元、过渡构造单元和活动构造单元三大类(图1)，而后二者又可分为挤压型和拉张型两亚类。大陆构造单元还可按形成年代来划分。如年龄>1800Ma的太古宙和古元古代构造单元，年龄在1800～800Ma之间反映罗迪尼亚超级大陆汇聚和裂解的构造单元，年龄在800～250Ma之间反映潘吉亚超级大陆汇聚和裂解的构造单元，和年龄<250Ma的中—新生代构造单元等。表1 列出这种大陆大地构造单元划分的名称，它们可用作大陆板块的二级构造单元。表中用名词“张裂省”代替过去常用字“盆岭省”，以便于区分大地构造学与地理学的名称。

图1 全球一级大地构造单元分区:稳定区、活动区和转型区Fig. 1 Global distribution of tectonic basic units: stable, transfer and active regions

上篇讨论了长期的底垫作用和克拉通化使岩石圈底部不断加厚、加密，也使它从重力均衡状态逐渐走向不均衡与失稳，最后可能诱发岩石圈底部的垮塌和拆沉，以及软流圈物质的不可避免的上涌，导致大陆拉伸和张裂，这种岩石圈地质作用和克拉通化正好相反，因为可称为去克拉通化。重力拆沉作用就是一种典型的去克拉通化，大陆裂谷作用也是。本篇将讨论去克拉通化作用，即促进大陆岩石圈减薄、伸展和破裂的大地构造作用及相关的动力学模型。同时，我们将尽量少用地幔热羽流假说作为论据，因为地幔热羽流假说尚未有直接证据的验证。

板块构造学对拉张型板块边界有详细的描述(James, 1989; Durrheim, 1991; Klemperer and Mooney, 1998; Jolivet and Hataf ，2001; Wardle and Hall , 2002; Rogers, 2004; Fowler, 2005; Leeder and Perez-Arlucea, 2006; 杨文采, 1998, 2009)。

表1 大陆大地构造单元Table 1 Continental tectonic units divided by age and stability

对全球而言，拉张型板块边界主要以大洋中脊为代表，它是大洋岩石圈板块的生长源区，也是海底扩张的中心地带，其主要特征是岩石圈张裂，玄武质岩浆从岩石圈地幔底部涌出。在大陆上，大多数裂谷表现为复式地堑构造，火山活动比较频繁，浅源地震比较活跃，有高地热流异常。板块构造学中的威尔逊旋回，解释了从大陆裂谷开始的大洋打开到形成大洋中脊的过程。但是，威尔逊并没有解释大陆裂谷形成过程的细节。因此，在板块构造学建立之后，许多学者试图对大陆裂谷的形成进行解释，引起了拆沉说和地幔柱说之间的争论。从动力学观点看，这场争论的焦点在于：大陆裂谷的形成是重力主导还是热力主导？本篇不打算详细讨论这场争论，只想通过全球对比典型地壳上地幔调查成果看大陆板块内岩石圈减薄、伸展和破裂的作用过程细节。

大陆岩石圈裂解作用过程属于大陆从稳定相态向活动相态转型的大地构造作用。图1展示了全球岩石圈的稳定区、活动区和转型区，大陆裂谷属于转型区，在图中显示为桔黄色区域。由图1可见，大陆裂谷区主要包括东非、格陵兰西南、英吉利海峡及莱因盆地、美国西部盆岭省、贝加尔、松辽和华北东部。按照这些大陆裂谷区发生时序对比其地壳构造，便可以概略地恢复大陆裂谷发育演化的阶段，揭示大陆岩石圈裂解作用过程的规律性。下面首先以贝加尔裂谷入手，看大陆岩石圈断裂带的发生。

2 大陆岩石圈断裂和地壳拆离

大陆岩石圈裂解作用表现在岩石圈断裂带的发育，而地壳上地幔地球物理探测揭示了三大类岩石圈断裂的存在。岩石圈断裂指从地表向下穿过莫霍面到达上地幔的断裂，也可分为正断层、逆断层和走滑断层三大类。岩石圈逆断层与洋陆俯冲和陆陆俯冲有关，如印度板块向亚欧板块的俯冲，在上篇己经讨论过 (杨文采等, 2014b—d)。走滑断层产状很陡，贝加尔裂谷和郯庐断裂带都是它们的典型。岩石圈拆离正断层产状较缓，详见后述之讨论。

板块构造学认为，大陆裂谷是地球岩石圈从陆到洋转换与大陆裂解的先兆。如本评述上篇所述(杨文采等, 2014d)，长期的底侵作用和克拉通化最终可使它逐渐走向重力不均衡与失稳，导致大陆岩石圈底部的垮塌和拆沉，软流圈物质的上涌以及地壳拉伸。但是，由于大陆岩石圈不仅比大洋厚得多，而且内部物质很不均匀，强度也有较大变化，因此产生裂谷的机制也要复杂得多。

根据岩石物理学研究可知(Yang Wencai, 2014)，岩石的抗张极限强度远小于抗压极限强度。换句话说，地壳和地幔岩石在受挤压时不易破裂，在受拉张时容易破裂。在表2中，给出了岩石的抗张极限强度和抗压极限强度实验数据。由表可见，未风化的结晶岩石的压缩极限强度一般很高，与金属同一数量级；但拉伸极限强度一般很低，比金属小1～2个数量级。地壳中与拉伸有关的正断层出现频数远大于逆断层，原因就在这里。大陆岩石圈裂解作用过程开始于岩石圈断裂的发生。由于地壳和地幔岩石在受拉张时容易破裂，可以使拉张区拆离作用穿过下地壳和岩石圈地幔。岩石圈断裂指切穿整个岩石圈的破裂带，在大陆内部，岩石圈断裂的发生还有多种原因。贝加尔裂谷是现今大陆内部最年轻的大陆裂谷之一，我们先以贝加尔裂谷入手，看大陆岩石圈断裂带的构造。正如本评述前几篇讨论过的，大陆岩石圈活动带内部存在许多强度较弱的地带，在外力作用下，这些强度弱的地带将首先发生形变。贝加尔位于中生代蒙古—鄂霍次克碰撞带北侧(见图2)，正属于强度较弱的中生代大陆碰撞带边缘(杨文采和于常青, 2014)。作为印度—亚欧板块碰撞远程效应的一个发生处，贝加尔地区发生了岩石圈断裂，并形成地堑和贝加尔湖。

表2 常见材料抗张和抗压极限强度Table 2 Limit tensile strength and compression strength of some solid materials

图2 (a) 过贝加尔湖表层剖面图；(b) 地震P波速度剖面图；(c) 推测岩石圈断裂模型类型，三层分别 为中—上地壳、下地壳和岩石圈地幔；(d)地壳剖面图，黑圈为板内地震源Fig. 2 (a) Geologic section across Lake Baykal; (b) seismic P-wave velocity profile; (c) fault model and the lithosphere type; and (d) inferred crustal section from geophysical investigation

图3 大陆拉张区的三种岩石圈拆离作用模型Fig. 3 Three continental extension and detachment models (a)麦肯瑟模型; (b) 沃尼卡单纯剪切模型; (c) 大陆拆离伸展模型。红线代表拆离面，黄色代表中下地壳韧性层 (a) McKenzie model; (b) Wernicke model; and (c) Lister model. red indicates lithosphere faulting, yellow shows ductile lower crust.

图2为通过贝加尔湖表层地质剖面图和地震P波速度剖面图,并由此得出岩石圈断裂模型和推测地壳剖面(Jahn B-M, 2004；Warren, 2009；任纪舜、牛宝贵、王军等，2012)。图中标明了岩石圈断裂的位置(见图2d)及其陡倾穿过地壳并在北东侧形成地堑的形态(见图2c)。由图可见，岩石圈断裂位于贝加尔地堑北侧，穿过莫霍面，地堑宽度只有30km左右。图中黑圈表示板内地震源深度在10km上下，与断裂活动密切相关；上地壳下面有韧性剪切带，由地壳拉伸造成的拆离作用形成。贝加尔地堑下方莫霍面隆起约6 km，指示玄武质岩墙的底侵，这种情况也出现在大兴安岭深反射地震剖面上(杨文采和于长青，2014c)。贝加尔地壳剖面说明，大陆内岩石圈断裂不一定源于区域应力场的不均衡，也可能为大陆碰撞等其它因素触发。但是，发生在贝加尔湖一带的岩石圈断裂并没有马上造成大陆的裂解，它能否打开为像东非大裂谷那样的大洋萌芽(称为威尔逊裂谷)还取决于区域应力场的今后发展(Lechie et al., 1997)。

除了大陆碰撞触发之外，岩石圈断裂的发生还可源于地壳伸展。地质学家早已指出，大陆上多数沉积盆地的形成与地壳伸展作用有关。1978年麦肯瑟提出 (McKenzie, 1978)，这种地壳拉张区的作用可用图3的纯剪切模型来解释。由于地壳拉张使粘滞系数较小的中—下地壳岩石发生蠕动，中—下地壳岩层顶面发生沿近水平剪切面的解耦，形成拆离面，见图3(a)。拆离面的两端即地壳拆离终结点地应力集中，易发生地震，并产生活动断层。拆离面上方岩层拉伸的结果发生正断层和地堑等伸展构造。

大陆碰撞带的地壳拆离构造主要发生在中地壳顶部(杨文采，1998, 2009)，而拉张区的地壳拆离构造与大陆碰撞带不大一样。为说明这一区别，先来说明相关的构造，以前叫铲式断层、犁式断层，笔者认为称为正凹断层(listric fault)更为准确，它指断裂面倾角由陡向下逐渐变缓变平的正断层。称为正凹断层因为它的属性为正断层，而倾角变化特征为向下凹。在图3a的麦肯瑟地壳拉伸模型中，标示了正凹断层发育位置。McKenzie(1978)指出，当大陆岩石圈在拉张力作用下，韧性下地壳受剪切应力作用而减薄，而脆性上地壳底部受此剪切力作用而破裂，导致正凹断层成组发育，和地表地堑式沉积盆地的出现，这种作用称为构造伸展。构造伸展之后，变薄的下地壳和岩石圈地幔自然会被下方较热的软流圈上拱所填充，当填充物逐渐变冷后，由于下方岩石密度加大而体积缩小，其上方的沉积盆地会同步沉降加深，体积扩大，引起的沉降作用称为热沉降，作用期远比构造伸展作用长。大型沉积盆地起源于构造伸展，起因于热沉降，这是麦肯瑟模型的要点。

图4 (a) 美国盆岭省反射地震剖面图; (b) 美国盆岭省地面断裂分布平面图; (c) 拉张区地堑平面分布的三种类型示意图Fig. 4 (a) The seismic reflection section across Basin and Range Province; (b) fault distribution in the province; and (c) three types of grabens in the province (source: Klemperer and Mooney , 1998)

麦肯瑟模型是一个轴对称模型，其中地壳拆离只发生在中—下地壳。然而，在许多拉张伸展地区，更为多见的是不对称的倾斜拆离面的情况，典型例子如美国的盆岭省。为解释倾斜拆离面的构造伸展作用，在麦肯瑟模型的基础上又提出了沃尼卡(Wernicke)单纯剪切模型(Klemperer, 1989; Jolivet and Hataf, 2001; Rogers, 2004; Cloetingh and Negendank, 2009)，此模型认为岩石圈拉伸时整个岩石圈发生低角度正断层运动形式的拆离，见图3b。纯剪切模型的特点是由剪切导致的地壳拆离倾斜穿过下地壳和莫霍面, 整体上的构造体制完全不对称，软流圈上拱和热沉降会偏离于上地壳构造拉伸盆地。但是，这个模型回避了位于韧性下地壳和软流圈之间的刚性岩石圈地幔是否被拆离，在结构上不能令人信服。于是，又有人提出了大陆拆离伸展模型(Lister et al., 1986), 它相当于上述两种模型的结合，见图3c。此模型保留了麦肯瑟模型的上地壳拆离、软流圈上拱和热沉降；应用了纯剪切模型穿过下地壳的拆离，并把拆离伸展到岩石圈地幔, 更符合拉张区多见的岩石圈调查成果。

那么，为什么在拉张岩石圈中拆离作用可以穿过下地壳和岩石圈地幔呢？这是因为岩石的力学性质决定的，即岩石的抗张极限强度远小于抗压极限强度所致(见表2)。换句话说，地壳和地幔岩石在受挤压时不易破裂，在受拉张时容易破裂，便使拉张区拆离作用容易穿过下地壳和岩石圈地幔。由图3b、c可见，受拉张时岩石圈拆离作用还会诱发幔源岩浆侵位等一系列作用。

成熟的大陆岩石圈张裂省必然有切穿整个岩石圈的破裂带，而不只是有地表常见的正凹断层, 岩石圈拉张伸展发生岩石圈断裂的模型图3c就属于这种情形。在地壳应变率高的情况下，沿主断裂岩石圈垂向断距较大，但下地壳不再产生新的断裂，拉伸主要发生在上地壳。在岩石圈拉张作用持续时，地壳应变率虽然不一定高，但沿主断裂侧面还会断开，可在下地壳产生一组平行断裂，因此地堑宽度越来越大并不断叠合，可形成大型的复式盆地。

图5 过东北松辽盆地反射地震剖面图(a)和地面断裂分布图(b) (杨文采和陈志德, 2005)Fig. 5 A seismic reflection section across Songliao sedimentary basin in Northeast China(a), and fault distribution of the area (b) (杨文采和陈志德, 2005)

3 大陆岩石圈张裂的发展

美国盆岭省属于岩石圈张裂的早期阶段。盆岭省地面构造图上近南北走向的正断层多如牛毛(图4b)，说明研究区地壳已伸展成宽阔的复式地堑，但是下地壳没有明显的反射体，断裂带尚未连接成穿越全区的岩石圈断裂。根据图3所示的构造伸展和热沉降模型可以推测，如果盆岭省进一步伸展成为成熟的张裂省，上地壳将发育成大型沉积盆地，断裂带将发育成穿越全区的岩石圈断裂，下地壳将充斥幔源岩浆侵位的玄武岩枝，这就是中国松辽盆地的情况(杨文采和陈志德, 2005; Yang Wencai and Chen Zhide, 2006)。图5为过东北松辽盆地的反射地震剖面图(图5a)和地面断裂分布图(图5b)，这个地区是宽阔的复式地堑，剖面图中显示多条穿越岩石圈的断裂，并在下地壳充满了幔源玄武岩浆侵位的反射体，这种反射组构称为拱弧反射。从地面断裂分布(图5b)可见，松辽盆地的断裂带已相互贯通，发育成穿越全盆地的岩石圈断裂。从很少玄武岩浆侵位到充满幔源玄武岩浆侵位的下地壳，从牛毛状散布的断裂到相互贯通断裂带，说明地壳伸展和地堑扩张进入了一个孕育裂谷的新的阶段。幔源玄武岩浆侵位在许多发育初期的裂谷带都有发现。图6为过英吉利海峡和北海的三条反射地震剖面图(Klemperer and Mooney, 1998 a,b)，下地壳都有幔源玄武岩浆侵位的强反射。侏罗纪初北海原是亚欧板块西缘的陆缘裂谷带，后因为大西洋的打开挤压，未能继续扩张成为洋中脊。从地堑深度和海水涌入情况看来，北海裂谷的发育程度比松辽盆地又进了一步。

图6 过英吉利海峡和北海的三条反射地震剖面图，下地壳都有反映幔源玄武岩浆侵位的强反射Fig. 6 Three seismic reflection sections across North Sea sedimentary basins, showing strong reflectors in the lower crust(source: Klemperer and Mooney, 1998)

图7 (a)、 (b)碰撞造山带岩石圈拆沉原理示意图;(c)、 (d)俯冲带岩石圈拆沉原理示意图(据Bird, 1979)Fig. 7 Illustration of delamination processes: (a) Geologic section of a collision belt before delamination; (b) the section of the collision belt after delamination; (c) geologic section of a subduction zone before delamination; and (d) the section after delamination (source: Bird, 1979)

4 大陆岩石圈拆沉作用

接下来讨论大陆岩石圈拆沉造成大陆岩石圈减薄和地壳伸展。1979年伯德(Bird)最早提出用岩石圈拆沉(delamination)作用解释陆根消失和大陆岩石圈减薄。他指出在板块汇聚地区岩石圈因挤压而缩短增厚，使等温面下移，形成大陆岩石圈下凸的根。下凸的根因变冷缩容而密度增大，导致陆根在重力上失稳、拆离并沉陷到下方软流圈地幔中。图7为伯德碰撞带岩石圈拆沉示意图;图7a为原先很厚的碰撞带岩石圈，由于重力失衡后来拆沉了，见图7b。陆根被热软流圈所取代将引发快速的重力均衡回跳，并使构造体制从挤压状态变为伸展状态，导致岩石圈伸展作用的发生, 见图7c。伯德认为因洋壳俯冲产生过厚的俯冲带岩石圈，后来由于重力失衡拆沉，见图7d。当大陆岩石圈克拉通化到一定程度之后，由于下方软流圈的热能供应逐渐减缓，使岩石圈地温梯度缓慢下降。岩石圈底部温度下降的最终结果会使下方紧邻的部分软流圈变为刚性的岩石圈地幔，这就是所谓的“大陆根”。克拉通地区大陆根也易于因重力失衡而被拆沉, 岩石圈拆沉作用的后果也产生大陆岩石圈减薄、上方地壳伸展并产生岩石圈断裂。

那么，岩石圈拆沉作用有什么证据？图4为美国盆岭省的地壳探测结果，为岩石圈拆沉作用提供了佐证。图4a 为美国盆岭省反射地震剖面图,地壳较薄，厚度30km左右。莫霍面非常平，如刀切的一样，下面岩石圈地幔很均匀，没有反射体，反映地壳底部有岩石圈拆沉。地壳中可见到倾斜的拆离断裂带，穿越整个地壳，形状与图3c的模型相似，反映了上地壳相对于中、下地壳的大规模拆离。沿拆离断裂上盘产生一系列由倾向相反的高角度正断层组成的断块，反映了盆岭区大规模的伸展活动。图4b 为美国盆岭省地面断裂分布平面图,地面近南北走向的正断层多如牛毛，说明研究区开始伸展成宽阔的复式地堑，宽度达200km以上。图4c 示意拉张区复式地堑的样式有三种类型：即连接的反向半地堑、不连接的反向半地堑、和连接的同向半地堑。目前，不少人用岩石圈拆沉作用对这种地壳构造的形成作解释。

图8 Walcott(1993)提出的盆岭省伸展作用成因 的模型 (据Jolivet et al., 2001)Fig. 8 Extension origins of Basin and Range Province suggested by Walcott (source: Jolivet et al., 2001)

不过，盆岭省的伸展不仅可以用拆沉作用来解释，也可以板块运动的不规则性和地球应力场方向转折来解释。图8为Walcott(1993)提出的盆岭省伸展作用成因的模型(Kay R W and Kay S M, 1993; Jolivet and Hataf, 2001 )。由图可见，盆岭省位于大平洋板块和洛基山造山带之间，西边以俯冲带和圣安德列斯右旋走滑断裂为边界，东边也是一组右旋断裂边界。于是，夹在其中的盆岭省便处于大地应力场的拉张区，产生伸展作用在所难免。图8中背向的双向箭头代表了拉张的方向，正交于应力场方向的交错。对于中—新生代发生的岩石圈拆沉，最直接的证据应该是拆沉到软流圈的大陆根残存，它在地震层析图中反映为高速异常体。笔者在苏鲁地区的研究就曾发现过拆沉到软流圈的高速异常体(杨文采,张学明等, 2007；Yang Wencai, 2003, 2009 )。

岩石圈拆沉作用属于岩石圈—软流圈相互作用的一种，同时发生岩石圈的部分熔融(Kay R W and Kay S M, 1993; Richards et al., 2000)。图9a说明，由于克拉通化使岩石圈增厚(上)，较冷的陆根吸引热流(见图中箭头)，使陆根底部的两侧被软流圈热流所融蚀，最后导致陆根两侧熔融连接而断底(中)；最后克拉通岩石圈拆沉部分沉入软流圈中，逐渐去水和流变(下)。岩石圈拆沉时熔融发生位置在软流圈顶部，顶部的熔融是干岩石的熔融，位置见图9(b)。软流圈下部的熔融是湿岩石的熔融，与去水作用析出水有关。图10为说明岩石圈拆沉前后岩石熔融发生的相图。岩石圈拆沉前为厚岩石圈，橄榄岩的固相绝热曲线在地温曲线之上，因此陆根得以保持稳定 (图10a)。如果岩石圈拆沉后的岩石圈厚度减薄一半，岩石圈底部温度仍为1300℃，地温曲线局部升到橄榄岩的固相绝热曲线在之上(图10b)，因此软流圈顶部和岩石圈底部出现熔融区。

拆沉作用不仅发生在大陆，还可发生在俯冲大洋板块和俯冲大陆板块。在讨论苏鲁地区陆—陆俯冲时，笔者曾提到过碰撞造山后期的俯冲大陆板块也发生拆沉作用(杨文采等，2007，杨文采，2009)。总体上看，发生在克拉通区域的拆沉作用尺度较大，从盆岭省的反射地震剖面(图4a)看来，不仅岩石圈地幔可能全部拆沉，而且还可能涉及部分下地壳。

图9 (a)克拉通岩石圈拆沉原理示意图； (b) 岩石圈拆沉时熔融发生位置示意图Fig. 9 (a) Illustration of a delamination model of continental lithosphere; and (b) melting positions after delamination

图10 (a) 克拉通岩石圈拆沉前地壳上地幔温度的变化示意图； (b) 岩石圈拆沉后熔融发生原因示意图Fig. 10 Illustration of temperature variation before lithosphere delamination (a) ; and melting after the delamination (b)

图11 通过菜茵地堑的两条反射地震剖面及其解释，摘自ECORP和DEKORP报告Fig. 11 Two seismic reflection sections across Rhine graben with interpretation notes (source: ECORP and DEKORP reports)。

5 岩石圈断裂和幔源玄武岩浆侵位

地球物理学家关心伸展构造和裂谷带发育过程中岩石圈地幔的变化。从地球物理学看来，从岩石圈地幔的破裂到裂谷最终打开应该是一个长期和复杂的过程，而且随时可能中断。比松辽盆地裂谷发育更进一步的地区为莱茵地堑。图11为通过莱茵地堑的两条反射地震剖面及其解释。由图可见，裂谷带下地壳的强反射体在岩石圈断裂附近断开了，意味着这里的岩石与下方岩石圈地幔的岩石没有明显的差别，下地壳有可能发生大规模幔源玄武岩浆侵位。大规模幔源玄武岩浆侵位是大陆裂谷发展的主要特征之一，因此可以推测，莱茵地堑岩浆侵位大陆裂谷的发育比松辽盆地又进了一步。

大陆裂谷的进一步发育可以使幔源岩浆上涌分异，并在下地壳汇集成岩浆房。一般来说，岩浆底垫(magma underplating)与裂谷区岩浆侵位(magma intrusion)虽然都属于幔源岩浆活动，但却是两个不同的地质作用。岩浆底垫幔源岩浆发育于岩石圈底部的局部区段，部分熔融的熔体缓慢地向上渗透和顶蚀；长期的底垫作用使地壳岩石密度和强度不断加大，最终形成克拉通化地壳。拉张区的岩浆侵位属于幔源部分熔融的熔体在浮力作用下快速地沿岩石圈断裂向上渗透，或形成脉状熔岩流向四周岩石缝隙中穿插，在中—下地壳形成密布的玄武质岩脉群。粗略地看，大陆裂谷作用是岩石圈拉张断裂和岩浆侵位作用的组合和叠加，岩石圈断裂不仅使幔源岩浆上涌加速，而且为岩浆上涌提供了阻力很小的通道。岩浆侵位作用伴随岩石圈破裂和热流体上涌，促成大陆裂谷的发育。

图12 通过美国新墨西哥洲梭可罗附近的里约格兰德裂谷的反射地震剖面(a)及其解释(b)， 摘自de Voogt et al, 1988 及COCORP报告Fig. 12 A seismic reflection sections across Rio Grande rift (a) with interpreted geologic section (b) (source: de Voogt et al, 1988 and COCORP reports) (a) F—H—地壳主要断裂，GI—岩浆房。 (b) SMB为下地壳岩浆房的反射，水平点划线表示前裂谷作用的沉积地层 (a) F—H—main fault in crust; GI—magma chamber. (b) SMB— reflection of the magma chamber in crust; horizontal dash and dot lines ara sedimentary strata before rift

图13 玄武岩(实线)和橄榄岩(虚线)地震波波速随温度的变化;玄武岩相变发生在1000～1100℃，橄榄岩相变发生在1200～1300℃(James, 1989; Jolivet and Hataf, 2001)Fig. 13 P-wave velocity variation with temperature of basaltic and peridotitic samples (source: James, 1989; Jolivet and Hataf, 2001)

熔体在浮力作用下快速地沿岩石圈断裂向上渗透，熔化了地壳熔点低的矿物之后，便可在下地壳上方形成岩浆房。图12为通过美国新墨西哥州梭可罗附近的里约格兰德裂谷的反射地震剖面及其解释 (Pakiser and Mooney, 1989; Richards et al., 2000)。从反射地震剖面上可见，深度22 km处有一组强反射体，推测为岩浆房的反映。岩浆流变性质特殊，这种性质用粘度来描述，与矿物结晶的浓度密切相关。岩石从固相变为液相的过程中，粘度可降低1015级次，在地球物质中极其罕见。图13 为玄武岩(实线)和橄榄岩(虚线)地震波波速随温度的变化的测定结果。玄武岩由固相向液相的相变发生在1000～1100℃，橄榄岩由固相向液相的相变发生在1200～1300℃，随相变发生地震波速急剧下降，说明岩石的弹性和刚性急剧下降，因此岩浆房的顶底面会产生强反射。

岩浆侵位作用上升到中—下地壳产生岩浆房之后，熔体还会继续上升到离地表5～20km深的上地壳形成基性岩墙、岩株或其它岩脉。图14 为通过美国新墨西哥州里约格兰德裂谷的地表地质剖面(图14a)及岩石圈示意剖面(图14b)。由图可见，裂谷下方岩石圈地幔有部分熔融区，中地壳底部有岩浆房，岩浆呈脉状穿刺到达地表。要特别注意的是，底垫作用的基性岩浆活动主要发生在下地壳，基性岩墙岩枝与下地壳岩石共生；而岩浆侵位作用伴随岩石圈破裂和热流体快速上涌，最终形成的基性岩墙岩枝可以与上地壳岩石共生。

目前，产生大陆裂谷的机制还有争议。除部分岩石圈拆沉或小块岩石圈拆沉(即滴水构造)和地壳拉伸热沉降外，另有人认为大陆裂谷只是地幔热羽流上涌的副产品(Condie, 2001)，地球内部热能为其主要动力，而地幔岩石中羟基的去水和交代乃是岩石圈减薄和基性岩浆沿裂谷上涌的主要原因。这些争议尚有待今后进一步探讨。

6 普通大陆裂谷与威尔逊裂谷

图14 通过美国新墨西哥州里约格兰德裂谷的地表地质剖面(a)及岩石圈示意剖面(b) (据 Pakiser and Mooney, 1989)Fig. 14 Cross section of the (a) geological ; and (b) thermal structure beneath the Rio Grande rift (source: Pakiser and Mooney, 1989)

多数的大陆裂谷带并没有发展成红海式的洋中脊，它们是普通的大陆裂谷带。能演化为红海式的洋中脊的裂谷带称为威尔逊裂谷带，典型者为现代的东非大裂谷(Molnar, 1988; Lechie et al., 1997) 。那么，威尔逊裂谷带的岩石圈构造又有什么特点呢？图15为过东非大裂谷肯尼亚段重力异常剖面与岩石圈地震P波波速剖面(Lechie et al., 1997; Jolivet and Hataf，2001; Rogers, 2004)。由图15 a可见，裂谷上方布格重力异常剖面为明显的负异常，幅度达100 mgal。由图15 b知，由重力异常剖面反演取得的密度剖面，反映了裂谷上中地壳密度降低0.1g/cm3。由图15 c可见， 裂谷带岩石圈地幔和软流圈为地震P波低速带，可能反映地幔热羽流。图16 为过东非大裂谷的岩石圈剖面和地幔地震S波波速扰动截面。由图16 a可见，过马加第盆地的大陆裂谷即将开始打开成洋；下地壳有岩浆房，发展阶段与图12的里约格兰德裂谷相似。由图16b知，穿过开始打开成洋的Asal裂谷剖面和图15相似，裂谷下方岩石圈地幔全部成为低速区。同一剖面也过埃塞俄比亚的大陆裂谷，这里莫霍面下波速仍为8.0km/s，说明岩石圈地幔很正常，不属于威尔逊裂谷。

由图16c可见(Richards et al., 2000; Charles and Barbara, 2000; Marone et al., 2004)，过东非大裂谷肯尼亚下方的整个地幔地震S波波速都下降了1%，岩石圈S波波速下降了1.5%。由此可以推测，东非大裂谷的打开与一般大陆裂谷不同，其根源可能与来自地幔底部的地幔热羽流有关(杨文采，1998; Condie , 2001)。

图15过东非大裂谷肯尼亚段重力异常剖面与岩石圈地震P波波速剖面; (a) 重力异常剖面, 实线为实测，虚线为模型计算；(b)由重力异常剖面反演取得的密度剖面；(c) 岩石圈地震P波波速剖面; LVZ为低速区(据Lechie et al., 1997)Fig. 15 Cross sections of the (a) gravity anomaly; (b) inversed density structure; and (c) seismic P-wave velocity beneath the East Africa rift in Kenya， LVZ—lower velocity zone(source: Lechie et al., 1997)

对比裂谷区的地壳上地幔调查结果表明，普通的大陆裂谷要演化为威尔逊裂谷带，必须有来自软流圈的长期和持续的热流侵位和玄武质岩浆侵位，使岩石圈地幔的波速降低，地壳拉伸减薄(White et al., 1987)。单纯的拆沉作用可以形成普通的大陆裂谷，但是如果其作用期不够长，热源供应也不充足，要发育成威尔逊裂谷也是困难的。如果普通的大陆裂谷带下方邻近地幔热羽流，有了长期和持续的热流和物质供应，演化为威尔逊裂谷带的可能性便大大提高了。由地震层析成像的图16c可见， 东非裂谷带的地幔有地震波低速带，从地幔底部升起，范围很大，可能反映超级地幔热羽流及威尔逊裂谷的“根”。这种低速的“根”可以作为识别威尔逊裂谷的一个标志。

7 结论

本篇评述讨论了岩石圈的拉张伸展和裂谷作用过程的不同阶段：从初始拉张的盆岭省，到大型沉积盆地，再到大陆裂谷的发育，最后发展成为威尔逊裂谷。不同阶段的作用时期和拉张的力量各不相同，岩石圈构造和伴随的岩浆活动形式也大不一样。通过地壳上地幔调查结果可以判识岩石圈的拉张伸展作用过程所处的阶段。

(1) 由于大陆岩石圈厚度大而且很不均匀，产生裂谷的机制比较复杂。大陆碰撞远程效应的触发，岩石圈拆沉，以及板块运动的不规则性和地球应力场方向转折，都可能产生岩石圈断裂和大陆裂谷。

(2) 岩石圈拆沉为在重力作用下“去陆根”的作用过程，演化过程可分为大陆根拆离、地壳伸展和局部岩石圈地幔整体破裂三个阶段。大陆碰撞带、俯冲的大陆和大洋板块、克拉通区域岩石圈，都可能产生岩石圈拆沉。

(3) 大陆岩石圈调查表明，拉张区可见地壳伸展、岩石圈拆离、软流圈上拱和热沉降；它们是大陆岩石圈伸展与裂解早期的主要表现。

图16 过东非大裂谷的岩石圈剖面和地幔地震S波波速扰动截面; (a)过马加第盆地的大陆裂谷剖面；(b)过开始打开成洋的Asal裂谷剖面和埃塞俄比亚的大陆裂谷(据Seager and Morgan, 1979)；(c) 过东非大裂谷肯尼亚的地幔地震S波波速扰动截面(据Marone et al., 2004)Fig. 16 Cross sections of the (a) crustal structures in Kenya; (b) in Ethiopia beneath the East Africa rift (source: Seager and Morgan , 1979); and (c) Seismic s-wave velocity tomographic image across the rift (source: Marone et al., 2004)

(4) 从初始拉张的盆岭省到成熟的张裂省，拆离后地壳伸展成复式地堑，下地壳幔源玄武岩浆侵位，断裂带贯通并切穿整个岩石圈，表明地壳伸展进入成熟阶段。中国东北松辽盆地和西欧北海盆地曾处于成熟的张裂省。岩石圈破裂为岩浆侵位提供了阻力很小的通道网。岩浆侵位作用伴随岩石圈破裂和热流体上涌，成熟的张裂省可发展成成熟的大陆裂谷。

(5) 多数的大陆裂谷带并没有发展成威尔逊裂谷带和洋中脊，普通的大陆裂谷要演化为威尔逊裂谷带，必须有来自软流圈的长期和持续的热流和玄武质岩浆的供应。威尔逊裂谷带岩石圈地幔和软流圈为地震低速带，其根源可能与来自地幔底部的地幔热羽流有关。