蒙古-贝加尔地区地处亚洲大陆构造域北缘，受印度-欧亚大陆碰撞、挤压、太平洋板块俯冲、消减等过程的共同作用，是地球上现今构造运动最为活跃的地区之一，在亚洲大陆构造格局中占据非常重要的地位^[1]（图 1）.同时，由于蒙古-贝加尔地区与喜马拉雅缝合带及太平洋板块俯冲带均相距上千公里，因此它也成为研究大陆内部动力学的理想地区，被认为是解决大陆动力学问题的一把钥匙^[2].然而，蒙古-贝加尔地区可能是地球上目前我们认识最为贫乏的地区之一^[3].

图 1

Fig. 1

图 1 蒙古-贝加尔地区构造图 黑线表示断层; 震源机制取自Havard CMT; 黑色的震源机制解表示1905年以来发生的8级以上强震. Fig. 1 Sketch map of tectonics in Mongolia-Baikal Rift Zone Black lines represent faults.Focal solutions come from Harvard CMT.Black solutions represent earthquakes with magnitude greater than 8 since 1905.

一般认为，蒙古-贝加尔地区的构造动力学过程受印度板块与欧亚大陆碰撞的远场效应所控制^[4~6]，蒙古高原显著的NNE-SSW地壳缩短表征了这种碰撞、挤压作用的远场效应^{[1, 7, 8]}.一些作者利用数值模拟方法研究了蒙古^[9]及贝加尔地区^[10~12]岩石层动力学过程，成功地解释了该区构造动力学的一些主要特征，如贝加尔裂谷的开裂、蒙古高原的应力状态等.这些工作主要强调的是印度-欧亚大陆碰撞、挤压的远场作用，从岩石层自身的动力学过程出发来研究该区的构造演化问题.

但是，我们注意到，蒙古-贝加尔地区的许多构造特征却难以简单地归因于印度-欧亚大陆间南西-北东向的挤压，如贝加尔裂谷的拉张构造、Hangay高原的形成、以及蒙古地区强烈的地震活动.

尽管贝加尔裂谷的开裂发生于渐新世^{[13, 14]}，但有证据显示，至少在白垩纪晚期，贝加尔裂谷已经经历了显著的北西-南东向拉张构造^[15].显然，这一远早于碰撞开始的拉张构造不太可能由印度-欧亚大陆的碰撞及挤压造成.Hangay高原是蒙古高原内部一个非常特殊的构造单元-板内高原，其形成难以归因于板缘的动力过程^[16].Hangay高原新生代以来构造运动强烈，经历了显著的隆升运动.如果不考虑软流圈及地幔的作用，单纯的印度-欧亚大陆的碰撞挤压难以解释这种隆升运动^[17].蒙古高原强烈的地震活动性给我们带来更大的困惑和更深的思考.蒙古高原是20世纪全球地震最为活跃的大陆地区之一.1905年以来，蒙古西部发生了4次8级以上的强震^[18]（图 1），这4次地震所释放的能量足以解释20世纪以来因印度-欧亚大陆碰撞挤压导致的亚洲大陆所有的地壳汇聚量^[3].由此带来一个问题：由于很大一部分汇聚能量在蒙古以外的构造区（如喜马拉雅、西藏、天山等）就已经被吸收，蒙古地区地震所释放的如此巨大的地震能量从何而来？

蒙古-贝加尔地区这些独特的区域构造运动使我们做出这样的推断：必然有其他的动力学过程附加于印度-欧亚大陆的碰撞挤压之上，控制着蒙古高原及邻区的区域构造动力学过程，而该区的深部结构特征将我们的视线引入到地幔介质中.中亚地区的地震层析成像模型^[19]显示地幔中地震波速度异常呈对流环状分布，在贝加尔、Hövsgöl湖及大湖峡谷等区域下为低速异常，在Hangay高原下表现为大面积的低速异常.贝加尔地区强烈低速异常体可追踪至700 km深度.这一结果得到了远震和近震走时反演^{[20, 21]}、P-PP波成像^[22]、面波成像^{[23, 24]}、三维S波速度成像^[25]、P波成像^[26]、震重联合反演^[27]、布格重力异常模拟^[28]和地震波各向异性^{[29, 30]}等结果的支持，而这种强烈的低速异常体通常解释为地幔的上升流^{[22, 23, 29, 30]}.西伯利亚地台下，地震波呈高速分布，显示该区下降的地幔流^[25].蒙古中部中新世到第四纪碱性玄武岩中地壳和地幔捕虏岩的热压和岩石学分析^{[31, 32]}表明，该区上地幔温度较周边地区高，可能与地幔热柱相联系^[18].所有这些证据一致地刻画了蒙古-贝加尔地区下上地幔小尺度对流的动力学图像：贝加尔裂谷区、Hangay高原及蒙古西部大湖峡谷地区下存在地幔的上升流或热柱，尽管其规模和尺度还存在一定的争议.而西伯利亚地台显示出稳定的地盾型地幔结构，地幔呈下降流趋势.

尽管有很多观测证据支持蒙古-贝加尔地区下存在上地幔对流系统，但是，对于地幔对流对该区区域构造动力学过程的影响和作用尚缺乏初步的研究和认识^[10~12].本文目的在于利用重力异常资料研究蒙古-贝加尔地区下的上地幔对流结构及其作用于岩石层底部的应力场，并在此基础上，就该区相关的地球动力学问题进行初步探讨.

基于重力源于地幔对流所动力维持的地幔介质的侧向密度差异以及各边界面形变的思想，Runcorn^[33]提出了利用重力位球谐函数计算地幔对流状态的力学方程，并根据五颗卫星重力资料确定的8阶球谐函数计算了全球10°×10°的地幔流模式^[34].Liu则利用13~25阶卫星重力位系数研究了青藏高原^[35]及其他地区岩石层底部由地幔对流诱发的应力场.

针对上述模型忽视岩石层的动力响应^[36]以及结果分辨率不高的缺陷^[37]，傅容珊等建立了上地幔-岩石层耦合系统，发展了一套区域重力异常与上地幔小尺度对流的相关方程^{[38, 39]}，直接利用重力异常研究上地幔小尺度对流的形态和岩石层底部的对流拖曳力场，并成功用于研究华北^[40]及青藏高原造山带^[41]的动力学问题.本文研究采用傅容珊等^{[38, 39]}发展的区域均衡重力异常与地幔对流相关方程：

(1)

式中W为对流场速度垂直分量，z′为源点的深度，a=kd（k为波数、d为对流层厚度），H为岩石层-地幔边界到670 km间断面厚度，g为重力加速度，μ为上地幔平均黏滞系数，G为万有引力常数，Δg为均衡重力异常.

考虑上地幔流体被限制于岩石层底部和670 km间断面之间，在流体层上下边界运动速度垂向分量为零，即W=0；同时，假设上下边界为刚性边界，因此，切向速度为零，即dW/dz=0.同时，假设上下边界为等温边界，则有

引入上述边界条件，并利用区域均衡重力异常与地幔对流相关方程（1），我们即可求解对流方程组，并得到对流场水平速度u、v

(2)

和切向应力

(3)

图 2为研究区（87°E~120°E，40°N~60°N）的均衡重力异常.由图可见，西伯利亚地台和蒙古高原东部重力异常值在0左右，变化幅度较小.而贝加尔裂谷区、Hangay高原、蒙古高原西部重力值变化较大，正负异常相间，形态复杂.

图 2

Fig. 2

图 2 蒙古-贝加尔地区均衡重力异常 Fig. 2 Isostatic gravity anomalies in the Mongolia-Baikal Rift Zone

我们将研究区沿经度、纬度和深度方向分成了68×40×21的网格（相当于平面上30′×30′的网格，深度上每层的厚度为28.5 km）.计算中，重力加速度常数g取为9.8 m·s^-2，岩石层平均厚度D为100 km，对流层厚度d为570 km，上地幔平均黏滞系数μ取为10²¹ Pa·s.

图 3a为对流层顶部地幔流动水平速度场，图 3b为穿过贝加尔裂谷的流场剖面，图 4为三条剖面（47°N，56°N，100°E）上的流场速度.

图 3a

Fig. 3a

图 3a 蒙古-贝加尔地区地幔顶部对流速度场 PP'为穿过贝加尔裂谷的剖面, 其速度图像见图 3b. Fig. 3a Velocity field of mantle convection at the top of the mantle beneath the Mongolia-Baikal Rift Zone PP' is the profile crossing the Baikal Rift, whose velocity field is shown in Fig. 3b.

图 3b

Fig. 3b

图 3b PP'面的地幔对流速度场 阴影部分为层析成像确定的地幔上升流[21]. Fig. 3b Velocity field of mantle convection along PP' The shaded area indicated the mantle upwelling imaged by seismic tomography model[21].

图 4a

Fig. 4a

图 4a 47°N剖面流场速度场 Fig. 4a Velocity field of mantle convection along the profile of 47°N

由图 3可见，整个研究区地幔流场呈非常复杂的图像.西伯利亚地台下地幔流场较弱，表明西伯利亚地台现今缺乏活跃的深部构造背景，为稳定的构造单元.蒙古褶皱带为另一地幔对流较弱的地区，这与该区现今较弱的构造活动性是一致的.体现在重力异常分布上，这两个地区重力异常值比较稳定，变化幅度较小.

地幔流场在贝加尔湖下呈汇聚下降流态势，但在紧临贝加尔湖的西北邻区则为发散流，体现在深度剖面上（图 3b）即为上升流.从地震层析成像结果^{[19, 21, 22]}来看，贝加尔湖下实际上为高速地震波异常，而其西北邻区，即西伯利亚地台南缘下为低速异常体，这一异常体可追踪至670 km间断面^[21].可见，地震层析成像图像与我们计算的地幔流场结果是一致的（图 3b）.

沿贝加尔裂谷北端向东的斯塔洛夫山脉，地幔流场呈现出几个区域小尺度发散区构成的条状发散流（图 3a和图 4b）.而沿贝加尔裂谷南端向西Sayan山脉下为较强的地幔上升流（图 3a），此上升流沿近乎垂直于西伯利亚南缘的方向流向西伯利亚地台下.Hövsgöl湖和Hangay高原下为地幔发散流（图 3a和图 4c），表明Hangay-Hövsgöl高原中心位置下对应强烈的地幔上升流，整个高原均属于上升流区域，这与该区地震层析成像显示的低速地震波异常体是吻合的.从Hangay高原到Hövsgöl湖，直至Sayan山脉下有较强的地幔上升流，其跨度近1000 km，表明沿此构造带有强烈的地幔作用.

图 4b

Fig. 4b

图 4b 56°N剖面流场速度场 Fig. 4b Velocity field of mantle convection along the profile of 56°N

图 4c

Fig. 4c

图 4c 100°E剖面流场速度场 Fig. 4c Velocity field of mantle convection along the profile of 100°E

沿阿尔泰和戈壁-阿尔泰，地幔流场呈较大规模的条带发散流，但是邻区地幔流场比较复杂（图 3a）.此外，沿天山山脉，地幔流场呈发散态势.整体而言，在阿尔泰、戈壁-阿尔泰、天山、Hangay高原等单元构成的蒙古西部地区下，地幔流动呈现非常复杂的态势.

图 5为蒙古-贝加尔地区上地幔对流作用于岩石层底部的应力场，应力场分布与速度场图像有很好的相关性.地幔对流活跃、流场速度变化显著的地区应力作用也比较明显.而对流较弱、流场速度平稳的地区，应力值也较小，表明地幔对流的力学作用较弱.

图 5

Fig. 5

图 5 蒙古-贝加尔地区岩石层底部地幔对流应力场 白色箭头为GPS确定的地壳运动速度场; 粉红色线条为Amurian板块西边界. Fig. 5 Mantle convection-generated stress field at the lithosphere base beneath the Mongolia-Baikal Rift Zone White arrows are velocity vectors of crustal movement determined by GPS.Pinks line outlines the western boundary of the Amurian Plate.

总体上，应力场可分为几个构造区.在西伯利亚地台、蒙古褶皱带，应力值很小（1 MPa），变化幅度也很小（0.01~1 MPa），表明这些地区地幔的力学作用很小.在蒙古褶皱带，地幔对流应力场呈现非常稳定的状态，表明古蒙古-鄂克霍茨缝合带下地幔的活动已经完全减弱，不再活跃.

贝加尔裂谷区拉张应力场比较强（最大拉张应力幅度约为8 MPa），此外，阿尔泰、戈壁-阿尔泰和Hangay高原下拉张应力较大.

基于计算的蒙古-贝加尔地区地幔对流流场及对流应力场，我们就贝加尔裂谷形成机制、地幔对流与东北亚大陆块体划分、以及地幔对流与Hangay高原隆升等地球动力学问题进行初步分析和讨论.

贝加尔裂谷区位于西伯利亚地台南部与蒙古接壤地区（图 1），由一系列新生代地堑组成，从蒙古北部向东北方向延伸，跨度约1500 km^[2]，是地球上主要的新生代裂谷系统之一，也是欧亚大陆最大的活动裂谷^{[20, 42]}.由于裂谷的形成机理涉及大陆开裂等一系列大陆动力学的基本问题，因此，贝加尔裂谷的形成机理广受关注，也存在巨大的争议，其中最具代表性的即为“主动裂谷说”和“被动裂谷说”两种完全不同的观点.

“主动裂谷说”认为深部热地幔上涌，作用于岩石层底部，导致拉张环境，形成局部地幔隆穹并逐渐过渡为裂陷盆地，进而导致裂谷的发育和形成^{[42, 43]}.主动裂谷说得到了火山活动^[44]、以及地震层析成像揭示的热异常地幔^[26]和高热流（约120 mW/m²）等观测证据的支持.

“被动裂谷说”强调印度-欧亚大陆碰撞、挤压过程的远场作用^{[4, 5]}，认为远场作用导致了贝加尔地区近东西向的拉张构造，同时，北美板块相对欧亚大陆的逆时针旋转也加剧了这种南北向挤压、东西向拉张的构造，并最终导致大陆裂解和贝加尔裂谷的形成.一些研究^{[10, 11, 21, 31, 45]}尽管承认热地幔的证据，但认为贝加尔裂谷的形成并不需要引入强烈地幔柱作用的假设，地幔对流的规模和作用可能并没有想象的那么大.相反，他们认为地幔隆升很小，对贝加尔裂谷现今拉张贡献不大.

目前，两种观点对地幔对流作用的推论尚停留在定性意义上，缺乏定量研究证据的支持.这也是导致不同认识和争议存在的主要原因之一.

从本文研究结果来看，贝加尔地区的拉张应力的最大幅值约为7~8 MPa（图 5），比导致岩石破裂所需应力（约100 MPa）小至少一个量级^[46].显然，仅靠力学作用，地幔对流无法在岩石层底部产生并维持破裂，因而不是裂谷产生的最主要因素.尽管本文所得到的地幔对流应力场只是目前这一时刻的瞬态解，并不能由此反推在贝加尔裂谷整个演化过程中地幔的状态和作用.不过，地震层析结果显示，贝加尔裂谷下的地幔上升流具有很深的源，这暗示该对流系统的形成历史比较久，对流格局也比较稳定^{[21, 26]}.

地幔对流还有一个重要的作用-热作用.由于地幔上升流温度较高，作用于岩石层底面，加热岩石层，使岩石层等温线上抬，强度降低，拉张应力会较容易地使岩石层发生破裂，进而导致裂谷产生.同时，尽管兆帕级的对流场应力不足以使岩石层破裂，但会产生可观的应力积累，间接地促进岩石层破裂和裂谷形成.

综合地球物理学和地质学证据，我们试图对贝加尔裂谷下地幔对流演化过程及对裂谷的作用进行推断.地幔对流与贝加尔裂谷的形成关系非常密切.在新生代以前，该对流系统可能已经存在于贝加尔裂谷之下，晚渐新世-第四纪火山岩的分布可以认为是该对流系统的直接产物.该对流系统显然与印度-欧亚大陆碰撞无关，而很可能源自蒙古-鄂克霍茨海关闭期间海洋岩石圈的俯冲，或者是新生代亚洲大陆下热柱系统的一部分^[47].尽管该对流系统造成了局部的火山岩浆活动，但是强度不大的对流应力场不足以使岩石层发生大规模开裂.不过，地幔对流的热作用和裂谷区的应力积累却使岩石层强度降低.随着印度板块和欧亚大陆在新生代的碰撞，远场效应波及中亚.在印度板块持续北漂的挤压下，处于印度与西伯利亚地盾之间的亚洲大陆各构造块体向东被挤出.贝加尔地区在印度板块北进和北美板块相对欧亚大陆逆时针旋转的双重挤压下逐渐开始向东西向扩展拉张.当构造应力达到岩石破裂临界应力时，岩石层的软弱区首先开始破裂，并逐渐向两侧拉张.印度板块的持续北进和地幔对流的拉张应力作用维持并加大这种破裂趋势，并最终发展为裂谷.

20世纪80年代初，Zonenshain和Savostin^[2]提出在东北亚地区存在一个亚板块-Amurian板块（图 5）.一般认为，Amurian板块的西北边界为贝加尔裂谷，北边界是斯塔洛夫山脉，东边界则由日本岛以西一系列的正断层组成^[48].比较而言，Amurian板块的西边界和南边界确定比较模糊，这也是关于Amurian板块一个长期存在争议的问题.

GPS观测^[3]显示，从Hangay高原自西向东地壳运动速度场由东及北东向转为南东向，存在显著的变化（图 5），所以一些作者将Hövsgöl湖向南沿Hangay-Hövsgöl高原中线作为Amurian板块的西边界^[48]，如此，则该边界必然沿近乎中部部位错断高原，或导致高原发生类似贝加尔裂谷或Hövsgöl湖的裂解.那么，该区深部是否存在动力背景来维持这一构造？

从地幔对流应力场来看，Hangay-Hövsgöl高原区域（93°E~102°E，47°N~52°N）地幔应力场呈拉张状态，最大幅值约为8.5 MPa.这一应力场以高原为中心，向四周扩散.高原地壳、岩石层受到印度-欧亚大陆的碰撞挤压的远场作用，南北向上为挤压应力，而在东西方向则为拉张应力.地幔对流应力场与远场构造作用应力场叠加，必然导致对流应力场在南北向抵消一部分构造挤压应力，而在东西向上则导致更大的拉张应力.同时，如同贝加尔裂谷一样，地幔对流应力场在高原中部的积累，以及地幔上升流对高原中部岩石层的热输入，使Hangay高原岩石层强度弱化，在张应力的作用下，更有利于裂解.因此，地幔对流的作用使沿Hangay高原中部错断或裂解具备了力学上的背景.

还有一种观点^[9]认为Amurian板块的西边界应该沿阿尔泰和戈壁-阿尔泰.从地幔对流图像来看，蒙古西部地幔活动性很强，尤其在阿尔泰和戈壁-阿尔泰下，地幔流动以及地幔对流拉张应力场十分强烈，因此，块体沿阿尔泰至戈壁-阿尔泰分裂有很大的可能性.同时，整个蒙古西部地幔活动强烈且复杂，地壳运动呈现非常复杂的弥散的形变图像.因此，我们倾向于将从Hangay高原到阿尔泰和戈壁-阿尔泰之间整个区域作为Amurian板块的边界-一条新生代晚期开始活跃的弥散块体边界.

作为板内高原，Hangay高原的形成机制问题一直是大家广为争论的问题之一.McGetchin等^[16]提出了高原隆升的14个可能机制，其中9个与热过程相关，至少5个直接涉及地幔过程.Zorin和Florensov^[49]通过对中亚隆起的研究，认为如果没有热地幔的向上隆起，南西-北东向的挤压不可能形成该区所有的构造.

重力模拟^[28]、地震层析成像^[30]和本文研究均表明Hangay高原下存在活跃的地幔对流.从物理上考虑，地幔对流至少从两个方面影响着高原的形成及演化过程.一方面，地幔上升流对岩石层底部的热冲击会影响到高原隆升的幅度和进程.地幔热效应和其他热作用因素在物质分异、调整与运移过程中作为高原隆升重要的“触媒”因素，在一定程度上改变岩石层的物理（如密度）和力学（如流变性）性质，对高原隆升产生间接的作用.另一方面，地幔对流在岩石层底部产生的对流应力场也是高原岩石层形变和高原隆升的重要力学作用之一.垂向应力使岩石层直接产生挠曲变形，而水平应力尽管不产生可观的岩石层挠曲形变，但它却会在岩石层内导致显著的应力积累，在垂向应力作用下，使高原岩石层更易发生变形^[46].Hangay高原下地幔对流的地球物理学观测证据和本文结果使我们有理由认为，地幔对流可能从力学和热学两个方面影响Hangay高原的隆升过程.当然，确切的结论还有待于进一步的定量地球动力学模拟研究.

本文基于均衡重力异常和上地幔小尺度对流相关方程，利用区域均衡重力异常资料研究了蒙古-贝加尔地区上地幔小尺度对流流场及作用于岩石层底部的应力场，在此基础上，对上地幔小尺度对流与区域构造动力学的关系进行了初步的地球动力学分析.基于以上工作，本文得到以下主要结论：

（1） 蒙古高原-贝加尔地区存在上地幔小尺度对流系统，流场呈现非常复杂的图像.西伯利亚地台下地幔流场较弱，对流应力场幅度较小；蒙古褶皱带为另一地幔对流较弱的地区，这与该区现今较弱的构造活动性是一致的；贝加尔裂谷区岩石圈下存在地幔上升流；Hangay-Hövsgöl高原、Sayan山脉、阿尔泰和戈壁-阿尔泰下的强烈地幔上升流构成了这些地区构造活跃的深部动力背景.

（2） 地幔对流应力场与地表构造存在很好的对应关系.贝加尔裂谷区、阿尔泰和戈壁-阿尔泰下对流应力场呈拉张态势，强度较大（约8 MPa），这些地区同时也是现今构造活动比较剧烈的地区，地幔对流对区域构造动力学过程至少有一定的控制作用.与此相反，西伯利亚地台、蒙古褶皱带地幔对流应力场很弱，这与这些地区现今不活跃的构造运动是一致的.

（3） 地幔对流不是贝加尔裂谷开裂的主要因素，贝加尔裂谷属于被动裂谷.但是地幔对流有利于岩石层破裂和裂谷形成，对贝加尔裂谷开裂和形成具有重要的促进作用.

（4） Hangay高原下的地幔对流作用使该区很可能发展为陆内断裂，并构成Amurian板块的西部边界.但是，阿尔泰和戈壁-阿尔泰下强烈的地幔对流作用和复杂活跃的构造运动使整个蒙古西部可能成为Amurian板块的西部边界-一条新生代晚期开始活跃的弥散块体边界.

需要指出的是，本文工作及结果还存在明显的局限性，比如，本文所采用的是一种简化的上地幔准稳态对流模型.事实上，上地幔物质的热运动远比本文模型复杂，因此，探索利用多种地球科学观测资料来约束地幔对流模型是必要的.同时，本文选取岩石层厚度为100 km，但研究区岩石层厚度存在显著的侧向变化，这一因素对地幔对流过程的作用，以及对地幔流场及应力场的影响尚需定量研究.此外，本文计算的地幔对流应力场与由震源机制得到的应力场^[50~52]以及由地表GPS观测获得的地表应力场^[53]比较一致，说明深部地幔对流的作用与浅部应力场耦合程度较高，这或许为解释蒙古-贝加尔地区地震活动性和地震能量来源提供了一种可能的机制和解释.但是，总体而言，关于地幔对流对蒙古-贝加尔地区区域构造动力学过程作用的深入认识还有待于将地幔对流作为一个下边界作用，开展岩石层动力学过程的数值模拟研究，这是我们今后拟开展的研究内容.

本文图件采用GMT^[54]绘制，感谢审稿人的建设性建议和编辑细致、耐心的编审工作.