地幔柱是源于核幔边界或上下地幔边界的热异常物质，其隐含的巨大能量导致地幔的大规模熔融和大范围火成岩的形成(Ringwood，1989).地幔柱理论源于Wilson 对夏威夷-皇帝洋岛火山链的研究，洋岛火山链是由大量岩浆组成的固定的热地幔区在活动的地球表层上形成的.在1971年Morgan 正式提出地幔柱这一概念，20 世纪80 年代末，Griffiths等提出了热浮力驱动实验(Griffiths，1986；Griffiths and Campbll，1990)，模拟了地幔柱的本质特征即热驱动和大黏度对比，由此提出的动态地幔柱模式理论，将地幔柱的研究推向了一个新的台阶.20 世纪90 年代以来，一些新的大地构造理论不断提出，热点假说又重新受到重视，并与地幔柱研究相结合而演化为地幔柱热点理论.1994年，以Maruyama等发表了诸多跨学科综合性的研究成果，从而提出了一种全新的构造观，即地幔柱构造.地幔柱构造理论经历了早期侧重于寻找和识别向当前动态演变模式发展，融合了地幔柱与板块活动之间存在的深层次的联系，与研究地球表层物质水平运动为主的板块构造理论相比，地幔柱构造理论更加重视地球的深部构造与物质的垂向运动，通过两者的结合有助于更好地理解地球的演化及地质作用与成矿作用的规律.通过对地震转换波、层析成像等的研究也证实了有些地幔柱的确是从核幔边界上涌而抵达岩石圈的.

中亚是研究陆内形变的一个关键的地区(图 1)，它表现出高突和年轻的地形和与之相关的主要活动构造特征.阿尔泰和Gobi-Altai山脉狭长并带有许多的活动逆冲断层和走滑断层，是中亚最年轻的山带之一.(Calais et al.，2003；Vassallo et al.，2007).蒙古高原主导蒙古西部的大部分地区(平均海拔2000 m)(Windley and Allen，1993)，但是没有明显的证据表明隆起的圆顶与最近的断层活动有关(Cunningham 2001; Petit等. 2002).稀疏的新生代和第四纪火山活动(Kiselev，1987)，相对较高的热流(Khutorskoy and Yarmoluk，1989)和下地壳低速区(Yanovskaya & Kozhevnikov 2003)的存在使一些研究者推断可能存在软流层或孤立的地幔柱与岩石圈之间相互作用(Logatchev and Zorin，1987； Windley and Allen，1993； Cunnigham，1998).一些研究人员提出了这种活动的挤入构造可能向北扩展至最南端贝加尔湖断裂带和西伯利亚克拉通和Sayan-Baikal活动带主要缝合带之间(Logatchev and Zorin，1987；Villaseor et al.，2001)甚至扩展至西伯利亚克拉通下部(Zhao et al.，2006年).然而对蒙古岩石圈和软流层结构的细节知之甚少，让许多不确定性表现在这个主要的陆内裂谷的起源及与新生代裂谷的关系上.最近一些科学家，在蒙古-贝加尔一带开展了一系列的科学试验，其中利用蒙古-贝加尔岩石圈地震观测(Mobal)试验和中蒙国际科技合作专项项目，对地幔柱在贝加尔裂谷的起源中的作用做了进一步的研究，本文作一概述.

图 1

Fig. 1

图 1 蒙古-贝加尔构造分布和中蒙合作台站分布图 Fig. 1 The overview of Mongolia-Baikal tectonic and distribution of stations The triangle denote the volcanoes，the pentagons denotes the cities，the grey lines represent the tectonic dividing line，the grey dot denote the stations of China-Mongolia cooperation.

为了深入研究蒙古-贝加尔地区地幔柱等深部构造问题，科学家们开展了数次地震观测.威斯康星大学和加利福尼亚大学的科研小组分别从1991年7月至10月和1992年7月至9月完成了两期PASSCAL(Program for Array Seismic Studies of the Continental Lithosphere)实验，PASSCAL台阵是由76套地震台组成的，地震台地震计为短周期、三分量，布设在贝加尔裂谷两侧(Gao et al.，1994；1997，2003).2001年，法国的CNRS、蒙古的Mongolian Academia of Sciences和俄罗斯的Siberian Branch of Russian Academy of Sciences等研究机构开展了一项长达3年的国际合作研究.这项合作是基于一个联合地质地球物理方法，旨在更好地了解蒙古和贝加尔湖地区地球动力学和岩石圈结构.地球物理观测涵盖了GPS测量、地震活动性、古地磁学和古地震学等(Calais et al.，2003，2006； Friederich，2003； Mordvinova et al.，2007；Vassallo et al.，2007; Vergnolle等. 2007; Barruol et al.，2008; Petit等. 2008; Kulakov，2008).尽管做了大量的研究，人们对蒙古下面的岩石圈和软流圈的细节还是知之甚少，在陆内凸起起源和与新生代裂谷关系方面还留有很多不确定性.基于此，2003年科学家们开展了Mongolian-Baikal Lithospheric(MOBAL)地震观测实验来研究蒙古岩石圈结构和西伯利亚克拉通细节.MOBAL地震观测实验是上述三国合作研究中的一部分，这个临时台网是由18个宽频带地震台(法国TITAN地震台)组成，宽频带地震计为CMG40，CMG3 and STS2，记录持续时间6个月(2003.04-2003.10).它们沿南北向布设，开始于北部的西伯利亚地台结束于南部的Gobi-Altai山脉，测线长达1000多公里，跨越东部边缘的Hangay高原即岩石圈异常和软流层可疑的地区.中国地震局地球物理研究所与蒙方合作于2011年在该区域架设了60套宽频带地震仪(图 1)，进行了一年的观测记录后，于第二年度内，调整了其中9台仪器的位置，总计有69个台站的观测记录，配备CMG-3ESPC地震计和REFTEK-130B数据采集器，地震计的频带范围是0.02~60 s，数据采集器采取GPS授时和定位(张风雪等，2014；何静等，2014).利用这些台网数据，科学家们对该区域的岩石圈和地幔柱进行了探索研究. 2 蒙古-贝加尔地幔柱的研究

Gao等(1994，2003)用PASSCAL台阵的1991年的数据来确定岩石圈软流层边界(LAB)的几何参数，后来又利用1992年的28套台站的数据，应用ACH方法(Aki，1977)来反演贝加尔裂谷下的岩石圈软流层边界问题.研究发现LAB在裂谷下上翘，并且上翘形状不对称，更深入的研究发现在裂谷的两侧均存在LAB下翘.这一特征与莫霍面下至岩石圈180 km处存在高速区的假设相一致.Achauer和Masson(Achauer等，2002)将PASSCAL台阵的1991年和1992年的数据应用ACH方法(Aki，1977)得到深度到337 km的层析成像的图像；Petit.(1998)利用大量近震和远震事件来确定贝加尔裂谷区的三维P波速度结构.这些反演中一项很重要的研究成果是在西伯利亚克拉通西南部分，深度660 km处显示存在一个薄的柱状低速区，该地幔柱倾向西北.(Mathilde Vergnolle等，2003)利用GPS测量和震后形变模型来评估下地壳和上地幔的粘度，结果发现在本地区存在异常的热上地幔.蒙古的下地壳岩石成分和温度梯度显示弱下地壳模型比理论粘度显著减小，这可能是一个由非牛顿或双粘性流变学导致的下地壳的瞬态粘度结果.另外一些学者研究则认为，基于深部孕震区在贝加尔裂谷下方存在强冷岩石圈(Deverchere等，2001)，通过计算重力场得到大量的有效弹性厚度，(Diament等，1990; Ruppel等，1993; Petit等，1997)发现了一条大约30~50 km的弹性厚度，并推断地幔深度可达85 km，研究发现在裂谷下方较浅的位置存在最低的地幔速度(Gao et al.，1994).

Dapeng Zhao利用Mobal试验中Gao等人收集的710条P波初至和79个远震事件，同时Dapeng Zhao还收集了1992年的1072条P波初至和63个远震事件，利用改进的层析成像方法，反演三维速度结构.为解决远震层析成像不能很好定义三维地壳结构的问题，其采用了两个三维速度模型来修正地壳模型：一个是CRUST2.0模型，另一个则是由接收函数发展而来的三维地壳模型(Gao等，2004).结果显示上地幔显著的低速异常发生在贝加尔湖断裂带上，而高速异常则在西伯利亚克拉通岩石圈.低速异常解释为地幔流上升在贝加尔裂谷形成和演化中发挥了重要作用.C. Tiberi(Tiberi et al.，2003，2008)利用重力资料和远震记录联合反演结果来看，在Hangay Dome 下面有明显的高温低粘度的地幔正在活动，这与升高的热流值，新生代玄武岩，弥散扩展和高的地面形貌是相一致的.这些观测结果推测在本地区存在年轻的地幔柱.2007年，V. V. Mordvinova利用Mobal试验数据计算S波波速分布来研究岩石圈、上地幔(Mordvinova et al.，2007)，并分析了地幔柱在岩石圈抬升中的作用.2008年，C. Tiberi利用远震数据和重力数据联合反演认为整个蒙古高原和相关联的裂谷晚新生代隆升、岩浆作用、高热流和岩石圈变薄并不是外部驱动的而是地幔柱与岩石圈相互交互作用形成的.Guilhem Barruol则在2008年利用远震S波如SKS来研究蒙古中部地幔结构，并提出SKS在蒙古分裂源于岩石圈和软流层变形的观测模型，从而研究蒙古中部的地壳和地漫各向异性(Barruol et al.，2008). 3 中蒙合作研究深部构造成果

利用中国和蒙古国国际科技合作专项项目远震波形数据(2011年8月-2013年7月)，张风雪等采用波形相关方法在0.02~0.1 Hz的频段内拾取了18551个有效的P波震相相对走时残差数据，采用有限频走时层析成像的方法，反演获取了蒙古中南部下方深达800 km的P波速度结构(图 2)，结果显示低速异常极有可能是推测中的地幔柱的反映或与地幔对流有关联(张风雪等，2014).Josh Stachinic等采用接受函数和远震P波和S波成像等方法研究发现在Hangay高原下部和其北部和东南部均发现低速异常(Stachnic et al.，2014).汪素云等拾取78364条Pn射线的走时资料，利用地震层析成像方法反演得到上地幔顶部Pn速度结构，发现区域Pn平均速度为8.08 km/s，横向速度变化量速度高异常区(从-0.39 km/s至＋0.30 km/s，)主要分布在蒙古-贝加尔地区西部(如阿尔泰山地区、准噶尔盆地、塔里木盆地等地)，在阿尔泰山地区Pn速度最大异常达＋0.30 km/s.速度偏低的地区主要在蒙古-贝加尔北部地区，如贝加尔裂谷等地，在贝加尔裂谷西南呈现出强烈的低速度异常(达-0.39 km/s)，可能与该区新生代的火山活动有关.何静等利用台阵记录的远震地震事件，采用P波接收函数的叠加分析和CCP叠加方法获得了台站下方的地壳厚度及平均波速比.结果显示区域的地壳厚度介于39~45 km 之间.整体上Moho面埋深从东南往西北方向逐渐变深.在蒙古主线性构造两侧地壳的平均波速比值(1.70~1.79之间)均值为1.75，低于全球大陆的平均值1.78，这可能表明该区其地壳是缺少铁镁质的(何静等，2014)，推测有可能是岩石圈受到熔融，致使部分物质流失.

图 2

Fig. 2

图 2 地幔柱的P波成像结果(据张风雪等，2014) Fig. 2 The tomography results of mantle plume(Zhang et al.，2014)

蒙古-贝加尔地区位于欧亚板块内，处于太平洋和印度洋两大板块构造边界的动力作用之下(熊熊等，2010)，该区域东部为剪张型动力环境，地震以走滑断层活动为主；受近东西向作用的太平洋板块俯冲带动力作用，而区域西部则为挤压型动力环境，地震以逆断层活动为主，受近南北向作用的印度板块动力影响；蒙古-贝加尔裂谷位于西伯利亚板块东南缘，地震以正断层活动为主，形成拉张型动力环境(汪素云等，2013).Ulaanbaatar(乌兰巴托)的低速异常结构埋深较浅，约为100~200 km.表明在Henity山下有低速的异常结构，可能是Henity地幔柱低速异常的反映(Gao et al.，2003; Zorin et al.，2003;张风雪等，2014).戈壁滩的低速异常带可能和达里甘嘎火山具有相同的热来源，可能是该区火成岩存在的深部原因，层析成像结果显示，该低速异常有向东南方向延展的趋势，此低速异常结构延伸到下地幔中，有可能是戈壁滩及其周边地区地幔柱或下地幔热物质上涌的表现(张风雪等，2014).地壳的平均波速比值低于全球大陆的平均值可能暗示地壳熔融，使部分物质流失.

层析成像结果显示低速异常延伸至贝加尔裂谷下的地幔转换地带(Zhao et al.，2006)，假设低速带代表的是热物质上涌即地幔柱，确定这些上涌物质是否来源于660 km处的不连续面或是下地幔甚至更深的核幔边界将十分有意义.为了澄清这些问题Dapeng Zhao应用接收函数方法来研究410~660 km不连续处面的参数，获得上涌物质起源深度的信息.如果上涌物质来源于下地幔，那么将导致660 km处不连续面升高和410 km处不连续面下降，结果是存在一个更薄的地幔转换带.接受函数结果分析表明410 km和660 km不连续面从贝加尔裂谷一直到西伯利亚克拉通是更深的.这显示在贝加尔裂谷区上涌物质来源于410 km不连续面之下和660 km不连续面之上，而不是下地幔.这与层析成像结果低速带延伸到600 km的深度而不是更深相一致.速度异常还可能与应力环境有关，挤压环境呈现速度高异常，如处于近南北向的挤压状态中的区域西部，主要受到India-Asia板块的碰撞挤压作用，而呈现总体高速度异常；拉张环境呈现速度低异常，如北部的贝加尔湖地区(汪素云等，2013).

重力资料和远震记录联合反演结果来看整个蒙古高原的晚新生代隆升和断裂作用、岩浆作用、高热流和岩石圈变薄有关，通过反演速度和密度的关系显示地壳异构性与地表主要构造特征相一致(Tiberi et al.，2003，2008)，速度和密度模型的研究结果支持了贝加尔裂谷带起源受岩石圈扩张和岩石圈不均匀性的综合影响的观点.蒙古-贝加尔裂谷下的低速区并不是一个简单的垂直力柱而是一个复杂带有偏转的形状，如果低速区代表了热物质上涌的地幔柱这并不奇怪，因为带有偏转的地幔柱同样存在于冰岛、夏威夷和南太平洋(Bijwaard et al.，1999;Zhao，2001，2004).同样计算机模拟也表明在地幔中存在偏转的地幔柱(B. Steinberger等，2000)，这表明地幔柱是与地幔热流相关的.岩石圈结构如西伯利亚克拉通边缘的可能也影响热涌地幔柱的路线，从而导致它偏转.从西伯利亚的地台到Gobi-Altai山脉1000多公里的二维地壳和上地幔的剪切波波速剖面发现不同构造区域有显著差异的地壳结构，低速区显示西伯利亚和蒙古南部地壳是不均匀的(Mordvinova et al.，2007).上地幔最小地震波速度与地壳低速区、晚新生代火山和全新世火山活动有关.地球物理速度在该地区的分布和地质数据显示它们是相互一致的.这表明蒙古-西伯利亚高地演化过程中与软流层底辟作用密切相关.软流圈向地壳基底隆起可能是由地幔柱陷入该地区早期发展阶段保存的相对较薄的岩石圈地盾引起的(Logachev et al，1992; Zhao，2004).岩石圈各向异性可能是长期地质演化并伴有构造边缘活动的结果，也可能是蒙古岩石圈在当今形变并伴有大规模走滑断层在下部产生NNE-SSW压应力的原因(Barruol et al.，2008).

图 3

Fig. 3

图 3 地幔柱形成的模型 Fig. 3 Proposed model of the formation of upper mantle plumes

本文从重力异常、层析成像和接受函数等方面梳理了蒙古贝加尔地幔柱的研究成果，对中蒙合作研究得到的结果作了重点介绍，并分析贝加尔地区上地幔的各向异性特性，探究地幔柱在蒙古-贝加尔裂谷形成中的作用.接受函数结果分析在贝加尔裂谷区上涌物质来源于410 km不连续面之下和660 km不连续面之上，而不是下地幔.层析成像结果显示低速异常延伸至贝加尔裂谷下的地幔转换地带，可能是地幔柱低速异常的反映.速度异常还可能与应力环境有关，贝加尔裂谷带的地震以正断层活动为主，形成拉张型动力环境，拉张环境呈现速度低异常，东部 Pn速度低值异常与太平洋板块俯冲动力作用下地壳的伸展减薄和伴生的岩浆活动有关，西部 Pn 速度高值异常则是India板块强烈碰撞挤压动力作用所形成.蒙古-贝加尔裂谷带起源受岩石圈扩张和岩石圈不均匀性的综合影响，裂谷下的低速区存在偏转的地幔柱，地幔柱是与地幔热流相关的.岩石圈结构影响热涌地幔柱的路线，从而导致它偏转.偏转的地幔柱在India-Asia板块碰撞引起形变的远场力的帮助下，成为贝加尔裂谷演化和发展的主要成因之一.