一、问题的提出和岩石圈概念的含义
有人认为，华北地区西部的鄂尔多斯和扬子克拉通的主体(川鄂湘黔)属于中国大陆中部克拉通块体群，具有200km左右的克拉通岩石圈根(邓晋福等，1996)。但是，对于四川盆地、湘中地区和鄂尔多斯地区，根据现有的大地电磁测深(MT)得到的上地幔高导层埋深，地震学反演得到的上地幔地震波低速层埋深和地热学计算得到的岩石圈深度之间往往存在很大的差异。例如：湘中地区根据地热学和MT得出的岩石圈厚度为200km左右(徐常芳和曲国胜，1999；Li Li，1996)，而Zhu等(1996)根据面波资料的反演结果在120～140km。四川盆地按MT得到的上地幔高导层深度，岩石圈厚度为110km左右(徐常芳和曲国胜，1999；Li Li，1996)，而地震学给出的深度最深处达160～180km(Zhu等，1996)，地热学给出的热岩石圈厚度为182km。鄂尔多斯地区据MT资料推断的岩石圈厚度与地热学给出的厚度均为120km左右，而Zhu等(1996)的反演结果为200km，但是安昌强等(1993)根据三维面波反演得到的鄂尔多斯岩石圈厚度仅83km。显然，不同方法得到的结果差异明显。因此我们在下面就此问题展开初步的讨论，以利于我们能够较为客观地判断华北和华南地区稳定陆块区的岩石圈厚度，深化对岩石圈概念的理解。
在通常意义上，在大地电磁研究中一般将MT资料反演确定的上地幔高导层的埋深作为岩石圈的底界；而在地震学研究中，则将上地幔低速层的埋深作为岩石圈的底界。之所以如此，主要是基于以下的认识：软流圈相对于岩石圈而言，由于其整体温度较高，其所含有的少量部分熔融物质将导致其岩石物理性质与其上覆岩石圈有明显差异，即高电导率和低地震波速。因此，在假设上地幔岩石的电性或弹性性质主要受温度的影响的前提下，认为上地幔高导层或低速层的埋深为岩石圈的底界深度。所以我们认为，MT或地震反演所定义的岩石圈深度就其实质而言，是基于深部岩石的电性或弹性的岩石物理解释(主要是暗示对温度的推断)的意义上所定义的岩石圈。也就是说，根据高导层或低速层推断的电学或地震学岩石圈厚度，在严格意义上应称之为MT资料推断的热岩石圈或地震波速推断的热岩石圈厚度。
必须注意，地震波速反映的是深部岩石的弹性性质，而大地电磁资料可以反映深部岩石的电学性质。但仅仅研究深部物质的物理性质、推断其组成是不够的。地球物理探测的另一个关键目的是要了解深部物质存在的物理状态。正如地热学研究需要通过了解岩石热导率和生热率等具体的岩石热物理性质，以最终了解深部温度这一重要的物理状态参量。同时值得注意的是，通过岩石物理性质研究其成分是反演问题，在一般意义上也可以称之为对岩石物理性质的岩性解释。因此我们认为，笼统地说存在地震岩石圈、电性岩石圈等之类的名词或术语，其科学意义不大。这是因为当称呼某一层圈为“某某圈”时，我们实际上是指该圈层在岩石成分组成(矿物和/或化学成分)或其所处的物理状态(或两者)方面与其他层圈之间存在着明显差别，而此差别是依照某种客观标准所定义的。实际上，地球内部许多地震波速界面的重要性恰恰在于其反映的是地球内部物质成分或物理状态的变化界面。没有物质成分或物理状态含义的岩石物理性质参数以及由此派生而来的概念或术语，其科学意义是极其有限的。
如果高温高压下岩石的电性或弹性性质仅仅与温度相关，那么采用MT、地震波速和地热学方法确定的岩石圈厚度应该是一致的。但是，岩石的物理性质与其成分的关系也很大。因此，在进行深部地球物理资料结果的解释时必须同时考虑岩石成分因素。
二、华北和华南地区是否存在克拉通型岩石圈根
四川盆地MT高导层埋深明显比地震波推断的岩石圈厚度和热岩石圈厚度浅。我们认为其原因是当地岩石圈地幔挥发分含量高(“湿”)。在此情况下，上地幔高导层的埋深已不仅受温度的控制，还受岩石中挥发分含量的制约。由于岩石电导率高低与其H2O等挥发分的含量呈正相关(Schwarz，1990)，所以观测到的上地幔高导层的埋深比热岩石圈的深度浅。四川盆地岩石圈地幔中的挥发分很可能来自青藏高原的地幔物质流。Yu等(2000)对甘肃礼县新第三纪玄武岩所含地幔包体的研究表明，地幔包体来自约100km深处受到碱性流体和碳酸岩岩浆交代的软流圈地幔。同时，在川滇西部地区出露有大量第三纪与地幔成分有成因联系的碱性侵入岩(邓万明等，1998)，这也是地幔富含挥发分的标志。这些现象表明，在青藏高原东部地区岩石圈地幔确实存在地幔流体的活动。另一方面，二叠纪峨眉地幔柱的活动(Chung et al.，1998)使得来自下地幔的大量物质随地幔柱侵位于四川盆地及其周边地区岩石圈地幔中(侯增谦等，1999)。由于该地幔柱活动产生的岩浆的MgO含量很高(侯增谦等，1999)，这就使得四川盆地及其周边地区岩石圈地幔富含MgO组分，从而导致当地地幔在地震波速特性上表现为高波速值特征。因此，四川盆地MT资料显示的地幔高导层埋深可能不代表当地真实的岩石圈厚度，而地震资料确定的岩石圈活动与热岩石圈基本一致，当地岩石圈厚度为180km左右。
湘中地区地震波速推断的岩石圈厚度与MT高导层埋深和热岩石圈厚度不匹配的原因，我们认为是由于当地岩石圈温度低(“冷”)而且缺乏挥发分(“干”)。在此情况下，上地幔高导层的埋深主要受温度的控制，所以其与热岩石圈厚度相当。同时，由于湘中地区位于扬子克拉通和华南褶皱带的过渡地带(“江南地块”的中段)，地质演化历史过程中经历了华夏块体与扬子克拉通之间的古海洋板块向扬子板块的俯冲拼合，以及后期华夏陆块与扬子克拉通的碰撞拼合的过程(程裕淇，1994)。这导致俯冲岩石圈地幔板片在深部的堆积，由于这些板片在俯冲过程中经历了脱水熔融，故而缺乏挥发分。同时，海洋板块岩石圈地幔橄榄岩的Fe含量高于克拉通岩石圈地幔。岩石物理研究表明，Fe橄榄石组分含量高的橄榄岩的波速在相同温压条件下低于Mg橄榄石组分含量高的橄榄岩(Kumazawa and Anderson，1969；Graham et al.，1988)。Liu等(1996)的P波地震层析研究显示，湘中地区110km处的波速为8.20km/s左右，而四川盆地及其周边地区为8.35km/s，出露有金伯利岩和钾镁煌斑岩的黔东-湘西地区的波速为8.25km/s左右。据表2-2，湘中地区和四川盆地的深部地温特征较为接近；我们的一维地温线近似结果显示，湘中地区110km处地温为887℃，而四川盆地为979℃。因此，应该是岩石成分的差异导致湘中地区岩石圈地幔的波速比稳定的扬子克拉通岩石圈地幔低；一种可能的情况是，地震波反演得到的湘中地区140～200km处的S波波速低于被选取为定义岩石圈底界的特定波速值，故而地震学得到的湘中地区岩石圈厚度小于其热岩石圈厚度。综上所述，如果湘中地区岩石圈地幔的成分与周边地区不同，则该地区岩石圈厚度可能在200km左右，这样的话，Zhu等(1996)和朱介寿等(2002)给出的该地区上地幔低速层的深度可能不代表其岩石圈底界的真实深度。
鄂尔多斯地区岩石圈的厚度究竟是多少?一直有不同意见。Zhu等(1996)给出的结果是200km。但是他们引用的文献中的安昌强等(1993)《中国西北地区剪切波三维速度结构》一文，却指出鄂尔多斯地区的岩石圈厚度为83km。该值与大地电磁测深得到的上地幔高导层的埋深100～130km较为接近(徐常芳和曲国胜，1999；Li Li，1996)。Zhu等(1996)在其图件及简要解释中对如何得到鄂尔多斯地区地幔低速层埋深的介绍不详尽；而安昌强等(1993)文章所附的100km和140km的剪切波速图表明，鄂尔多斯地区100km处S波速为4.20～4.30km/s，140km处为4.20km/s左右；同时，四川盆地的相应的υS分别为4.50km/s和4.36km/s左右。Liu等(1996)的P波层析结果表明，鄂尔多斯地区110km处波速为8.05km/s左右，而四川盆地及其周边地区为8.35km/s，湘中地区为8.20km/s左右。因此鄂尔多斯地区岩石圈地幔深部(100km以下)的波速很可能的确是较低的，这意味着Zhu等(1996)给出的200km深的地幔低速层埋深可能有问题。根据上述波速值我们可以发现，鄂尔多斯与四川盆地在140km处的υS差异是-0.16km/s。根据Yan等(1989)给出的结果，含Fe橄榄石10%(体积分数)的地幔橄榄岩在150km压力条件下的υS对温度的偏导数为-0.4km/s/℃，对成分的偏导数为-0.02km/s(Fe成分百分数)。如果两地υS的差异完全由于温度差异所致，则鄂尔多斯地区140km深处的地温应该较四川盆地高出400℃。我们的地温计算结果显示四川盆地140km处温度为1150℃，这样鄂尔多斯140km处的温度将为1550℃，远远超过岩石圈底界的1300～1350℃的范围。如果鄂尔多斯地区岩石圈的底界为180km左右，则其140km处的地温应当与四川盆地相当；这样S的差异将完全由于成分变化所致，则140km深处橄榄岩中Fe橄榄石要占18%，这意味着该地区岩石圈地幔成分上与典型的克拉通岩石圈地幔橄榄岩富Mg的特征不符。朱介寿等(2002)的面波层析成像结果也表明鄂尔多斯地区岩石圈厚度整体小于150km。因此，我们认为鄂尔多斯地区岩石圈平均厚度很可能小于150km；MT资料得到的上地幔高导层的埋深和热岩石圈厚度大致可以代表当地岩石圈的厚度。鄂尔多斯地区不存在克拉通型的厚岩石圈根。
根据镜质体反射率和K-Ar年龄资料，赵孟为(1996)推断在中侏罗世(170～160Ma)鄂尔多斯地区存在一期热事件，古热流值可达96～109mW·m-2，并认为这是燕山运动引起的岩浆活动的结果。叶加仁等(2000)根据镜质体反射率资料反演的热演化史的结果也显示，在白垩纪及其以前鄂尔多斯盆地的古热流值较高。正是由于燕山运动(早期)构造-热事件的影响，鄂尔多斯地区热岩石圈厚度薄于扬子克拉通。
综上所述，我们认为构成华南地区西部的四川盆地的岩石圈厚度达180～200km，是中国大陆上典型的发育克拉通型岩石圈根的地区。同时，西部的四川盆地岩石圈属于“冷”且富Mg和挥发分(“湿”)的岩石圈，而湘中地区岩石圈则是“冷”且富Fe而贫挥发分(“干”)的岩石圈。华北地区西部的鄂尔多斯地区岩石圈明显较四川盆地和湘中地区薄，总体上其厚度很可能在120km左右，不存在所谓的岩石圈根。
三、岩石圈底界面形态对中国东部地球动力学过程的影响
Flower等(1998)基于“主动岩石圈-主动地幔(Active Lithosphere-ActiveMantle)”的概念，提出东亚－西太平洋地区大尺度地幔挤出构造模型。该模型认为在印度和亚洲的汇聚过程中，亚洲中西部地区的软流圈地幔物质受挤压而向东流动，推挤西太平洋俯冲带后退，导致了亚洲大陆东缘和东南缘的一系列(有洋壳形成的)边缘海盆地的形成。对于中国东部而言，主要是南海、冲绳海槽和日本海，其中南海的形成与印支地块的挤出有关，日本海与东北亚Amuria板块的挤出有关，而冲绳海槽则与中国大陆板块的挤出有关(Flower et al.，1998)。Flower等(1998)指出，南海和日本海形成于渐新世到中新世早期，而冲绳海槽形成于中新世晚期到第四纪，而且这两幕构造活动之间的间隙期大致为15～10Ma时期，这是南海与其周边微板块发生碰撞的时期；同时，东亚地区中新世中期到晚期开始发育一系列玄武质岩浆活动，包括在中南半岛南部、中国大陆东部的东南沿海地区和山西大同等地。据此，他们认为，向东流动的软流圈“地幔舌(mantle lobe)”在中新世早期受到西太平洋地区向西运动的菲律宾等微板块的限制，使得边缘海的扩张停止，从而导致东亚地区板内火山活动的发育。Flower等(1998)的模型可以很好地解释东亚地区新生代中晚期以来的一系列地球动力学现象。但是，在他们的论文中尚没有论述为什么在早中新世时期南海和日本海还有扩张活动。因为根据印度-亚洲碰撞过程的研究，印支地块的构造逃逸发生在老第三纪(50～20Ma)，而在中新世以来(20～0Ma)为中国大陆华南地区发生向东的挤出(Tapponnier et al.，1986)。同时为什么冲绳海槽的扩张幅度远远小于南海和日本海盆地?
我们认为，华南地区很厚的克拉通型岩石圈根对中新世以来的东亚地区软流圈地幔东向流动的空间格局有重大影响。由于华南地区中西部地区存在的180km的岩石圈根，而其北侧的鄂尔多斯地区的岩石圈平均厚度小于150km，在南侧的印支地块的克拉通核心为南部的呵叻地区，印支地块的北部为显生宙造山带。所以华南地区两侧的岩石圈厚度均比华南地区薄。在中新世时期，来自印度-亚洲碰撞带下面向东流动的软流圈地幔物质会受到华南地区岩石圈根的阻碍，大部分转而通过印支地块北部和鄂尔多斯地区向外流动。这很可能导致南海和日本海在早中新世发生扩张的深部动力学因素。同时，少量的软流圈物质通过华南地区岩石圈根下面向东流动，最终在华南地区东侧形成冲绳海槽并导致东海陆架盆地在新第三纪时期发生张裂；但由于其数量少，导致冲绳海槽扩张的程度不大。如果观看东亚-西太平洋地区地图可以注意到，在华南地区东部的台湾岛是西太平洋花彩列岛中距离东亚大陆最近的岛屿，是向东凸出的日本岛弧、琉球岛弧和菲律宾岛弧之间的转折点。同时，虽然对澎湖列岛和闽粤演化的新第三纪玄武岩的研究均表明，其形成于张裂构造背景下，但是台湾海峡并未有洋壳的出露。这表明台湾以西地区与其北侧的冲绳地区和南侧的南海盆地相比，其扩张量很小。因此，华南中西部地区厚岩石圈根的存在影响了亚洲大陆东缘新第三纪以来的大地构造格局。
根据中国大陆新生代板内玄武岩的空间分布及其活动时代的同位素年龄资料(刘若新等，1992；同时参考Flower et al.，1998和Smith，1998)，可以看出中国大陆东部地区中新世以来的玄武岩分布在华南东侧的浙闽粤沿海和海南岛以及澎湖列岛、华北东部的山西地堑北侧和以东地区，均位于岩石圈厚度大的稳定克拉通地区的东侧。由于岩石圈底界与670km地幔相变界面之间是向东流动的软流圈地幔物质的通道(channel)，显然在岩石圈根之下地区其宽度要较薄岩石圈地区狭窄。由于华北地区东部岩石圈减薄发生在老第三纪时期，所以在新第三纪时期华北地区已形成了岩石圈西厚东薄的格局。根据流体力学原理，流体通过狭窄通道而进入宽阔通道后其流动速度会降低，而且会向四周扩散。这一方面可以解释华北与华南东部地区中新世以来玄武岩的出现；另一方面也可以进一步说明，为什么华南以东的台湾地区并未出现由向东快速流动的软流圈“地幔舌(mantle lobe)”诱发形成的大型边缘海盆地。
对中国东部和邻区中新世以来玄武岩的Sr-Nd-Pb同位素地球化学研究表明，其源区可以用DM、EM Ⅰ和EM Ⅱ的三端员混合来解释(Flower et al.，1998)。其中EMⅡ端员组分被认为与板块俯冲导致的洋壳沉积物对地幔源区的混染有关。由于印度-亚洲碰撞过程中的俯冲作用，青藏高原地区新生代火山岩具有很高的EM Ⅱ端员组分特征(Flower et al.，1998)。在印支地块南部和海南岛等地中新世以来的玄武岩同位素体系也显示较强的EM Ⅱ组分信息；而华北和华南地区东部的玄武岩也有相当一部分含较明显的EM Ⅱ端员组分(参见Flower et al.，1998的Fig.7)。虽然对中国东南沿海地区和东北地区的地幔的EM Ⅱ组分可以分别用中生代太平洋板块和蒙古-鄂霍茨克洋盆的俯冲解释，但是华北地区中新世以来玄武岩的EM Ⅱ端员的加入有可能与来自青藏高原下面的软流圈“地幔舌”有关。因此，华南地区厚岩石圈的存在而对软流圈地幔流动格局的扰动，也可能是促使华北地区软流圈地幔同位素成分发生变化的外在因素之一。
综合上述，我们认为华南地区以扬子克拉通为核心的厚岩石圈的存在对青藏高原以东地区中新世以来软流圈地幔东向流动有阻碍，导致华南地区东部没有发育大型边缘海盆地。同时由于扬子克拉通厚的岩石圈和鄂尔多斯地区相对较厚的岩石圈的存在，使得中新世以来的玄武质岩浆活动主要分布于华南和华北地区东侧。华北与华南地区岩石圈厚度的空间分布格局是影响中国大陆东部晚新生代以来深部构造演化的重要因素之一。
