以贝加尔湖为中心的伸展构造区发育有典型的大陆裂谷构造——贝加尔裂谷系(Mats，1993；任收麦和黄宝春，2002)，成为世界研究大陆裂谷的中心之一，其形成的动力机制与演化过程一直是地学界争论的焦点，基本划分为两派观点：一派是“主动成因说”(Zorin and Rogozhina，1978; Zorin，1981; Zorin et al.，2003；Gao et al.，1994a，1994b，1997; Logatchev et al.，1983; Zhao et al.，2006)，即认为贝加尔裂谷的拉张形成受软流圈物质大规模上涌的影响；另一派是“被动成因说”(Molnar and Tapponnier，1975; Ruppel，1995; Petit et al.，1996; Petit and Déverchère，2006; Barruol et al.，2008)，即认为块体间应力场而非深部动力在裂谷的形成过程中起主导作用.两种模式都有赖以存在的证据以及难以解释的现象.在这一背景下，近年来关于贝加尔裂谷的研究还在不断深入，有十几个国家的科学家在此开展了地质、地理、地球物理、地球化学、科学钻探等方面的工作，取得了可喜的成果.很多科学家通过活动构造、重力资料反演、层析成像和接受函数等方法来分析贝加尔地区深层介质尤其是上地幔的各向异性特性，探究深部物质尤其是地幔的流动模式和变形方式，对于认识该地区的动力学模式和研究蒙古-贝加尔裂谷形成和演化的条件有着重要作用.综合上述研究成果，本文作一综述.

中亚是研究陆内形变的一个关键的地区，它表现出高突、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.(Calais et al.，2003；Vassallo et al.，2007)；是中亚是最年轻的山带之一.蒙古高原(Windley and Allen，1993)主导蒙古西部的大部分地区，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).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 et al.，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(Anderson，1975; Logatchev and Zorin，1987; Windley and Allen，1993; Cunningham， 一些研究人员提出这种活动挤入构造向北扩展至贝加尔湖断裂带、SayanBaikal活动带及西伯利亚克拉通一带(Logatchev and Zorin，1987;Villasenor et al.，2001)，甚至可以达到西伯利亚克拉通下部(Zhao et al.，2006).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.蒙古-贝加尔裂谷系形成和发展过程中，两组走向平行、倾向相反的高角度正断层形成一系列裂谷盆地，蒙古-贝加尔裂谷形成于渐新世—早上新世，向两侧依次为中新世，晚中新世—早上新世，上新世—第四纪(Yang et al.，1995; Ufimtsev，1999).断层及其控制的盆地在平面上呈透镜状，在剖面上表现为两组高角度正断层相向倾斜构成准对称的复杂结构，在蒙古-贝加尔裂谷发育更明显.根据Ufimt sev在贝加尔湖东侧的地貌构造研究，仍有一系列向NWW 倾斜的高角度正断层.Mats等(2000)根据古河道的分析，蒙古-贝加尔裂谷西侧的边界断层是0.2 Ma 以来才形成的.边界断层至今尚有明显活动，断层三角面异常清楚；断层上盘下降使盆地水体沿断层每年向岸边推进0.6 m；断层切断冰斗地形和第四纪沉积.杨巍然在将贝加尔裂谷与中国东部构造对比后发现，贝加尔裂谷系是在印度—欧亚大陆碰撞和地幔隆起双重作用下形成(杨巍然等，2003).杨森楠等利用GEM10C 地球模型的位系数计算得到中国东部及邻近海域卫星重力异常图(杨森楠和周国藩，1992)，反映出软流圈物质密度异常信息，卫星重力场和地幔应力场则反应出更深层的地幔物质密度变化和地幔流的特征，地幔流应力场的这种特征可能就是贝加尔裂谷系场源基础.这给我们探讨裂谷形成机制提供了新的信息.同时，冯锐等通过分析蒙古-贝加尔地震带的时空分布、分区特点、应力状态和活动周期和计算欧亚大陆布格重力异常、均衡重力异常，反演上地幔的密度分布和剪切波速分布，发现在这个部位的70~250 km的深部有一条北东向的密度和速度陡变带，它是新生代的冷热地幔的交界带，与浅部构造存在立交关系(冯锐等，2007).这个带的地震并非传统意义上的板缘地震和板内地震，是一种因为深浅构造不同而造成的结构性地震，性质上属于大陆内缘地震.在对深浅构造的时间镜像关系和空间立交关系进行研究后指出，天山-蒙古-贝加尔活动构造带是正在发展中的板块边界，是大陆内部的一个典型构造，北侧为稳定的俄罗斯-西伯利亚次板块，南侧为活动的中国-东南亚次板块.

随着对蒙古-贝加尔裂谷研究的不断深入，近年来又有很多科学家通过不同的地球物理观测方法对该地区进行了研究.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，布设在蒙古-贝加尔裂谷两侧(Gao et al.，1994，1997，2003).Dapeng Zhao等在2006年利用该台阵的数据反演P波速度，对该地区进行了研究.MOBAL科学探测(Zorin et al.，2002，2003; Tiberi et al.，2003，2008; Mordvinova et al.，2007)则是2003年俄罗斯、蒙古和法国的研究机构联合开展的，横跨蒙古中部，由北向南布设18套宽频带临时地震台，从2003年4月至10月记录6个月.这些台站是法国 TITAN 台，宽频带地震计是CMG40、 CMG3和STS2，开始于西伯利亚地台向南1000 km结束于Gobi-Altai山脉，组成了一条南北剖面.张建利等使用的地震波形记录则来自两个宽频带固定台站：TLY和ULN(张建利等，2012)，并应用SKS波分裂和PmS波分裂测量.司少坤等所用到的远震地震数据同样来自台站TLY和ULN，选取从1991 年3 月至2010 年3 月，震中距30°~90°，震级>5.0 的具有清晰P 波初至和高信噪比的远震事件.在带宽为0.05~0.2 Hz 内采用频率域反褶积方法计算P 波径向接收函数，从中筛选出信噪比高的接收函数1748 条用来进行研究(司少坤等，2012).为了从整体上更清楚地展现东北亚地域地壳结构特征、从纵横向两方面区分地壳不同表现，进一步分析东北亚诸多地质问题，于平等利用中俄、俄日学者合作所得到的地球物理资料为主，结合其它相关地质地球物理数据重新组构了BS断面，即俄罗斯贝加尔湖—日本仙台断面(为叙述方便简写为BS 断面，B、S 分别取自Baikal Lake和Sendai两地名字头)；以此来研究BS断面地震波速(于平等，2012).中国地震局地球物理研究所与与蒙古科学院天文与地球物理研究中心合作于2011年至2012年在蒙古中南部区域布架设了69套宽频带地震仪，配备CMG-3ESPC地震计和REFTEK-130B数据采集器，地震计的频带范围是0.02~60s，数据采集器采用GPS授时和定位.(张风雪等，2014；何静等，2014)台站的分布位置见图 1中的白色圈点.

图 1

Fig. 1

图 1 中蒙合作布设台站及周边概况(张风雪等，2014) Fig. 1 Map showing geology of the study area and surrounding regions and distribution of seismic stations(Zhang et al，2014)

另外，还有一些科学家在本地区开展了重力观测，卫星观测等其他地球物理观测.正是这些观测，为科学家们在远震和近震走时反演、P-PP波成像、面波成像、三维S波速度成像、P波成像 、震重联合反演、布格重力异常模拟和地震波各向异性等方面(Calais et al.，2003，2006; Barruol et al.，2008; Friederich，2003;Mordvinova et al.，2007; Kulakov，2008; Petit and Déverchère，2006; Petit et al.，2008; Vassallo et al.，2007; Vergnolle et al.，2002，2006; Villasen or et al.，2001)的研究提供了宝贵的数据.

科学家们关于蒙古-贝加尔裂谷的形成机制有不同认识，一种观点认为是主动裂谷作用(active rifting)，即软流物质的上涌使岩石圈破裂.Logalcher编制的地壳厚度图(Logatcher and Zorin，1992)表明蒙古-贝加尔裂谷系的发育主要与软流圈底辟关系密切.于平等根据中俄、俄日的地球物理资料组构BS长断面，研究东北亚洲地壳结构和地质构造问题.研究BS断面地震波速结果显示，西伯利亚板块地壳结构变化较大，分为上、中、下部地壳，欧亚板块东部陆缘带地壳基本两分，结构较简单.贝加尔下部地壳厚度比松辽盆地的薄，而上部地壳则相反，前者比后者厚，两个裂谷带在Moho界面之下的波速分布也有较大差异(于平等，2012).综合分析认为，贝加尔裂谷形成动力主要来自上涌的构造圈层物质所形成的地幔热柱的垂向作用，贝加尔裂谷带属主动式裂谷. 司少坤等利用全球地震台网长期运行台站TLY和ULN的远震资料，分别计算了P波接收函数(1748条)，并在一定角度范围内分区域叠加，获得了研究区下方的410 km和660 km 间断面以及地幔过渡带(MTZ)的厚度. 结果表明在研究区的东南部即蒙古地区地幔过渡带厚度基本正常(250 km)；贝加尔裂谷地区地幔过渡带明显增厚(292 km)； 裂谷下方存在小幅度的减薄现象(230 km). 综合分析推测，大范围的MTZ 增厚，可能原因是中生代的蒙古华北板块(Mongolia-North China Block)与西伯利亚高原碰撞，或者地幔岩浆物质侵入到下地壳，使地壳和岩石圈增厚，致使下地壳产生榴辉岩化，导致重力不稳发生拆沉作用，拆离的部分落入地幔过渡带拆沉作用诱发软流圈上涌，且拆离部分携带的水分加剧了上地幔熔融程度，使地幔对流速率加快，有利于裂谷的发育研究认为拆沉的破坏作用及其引发一系列活动对裂谷的发育具有重要的影响，裂谷下方局部MTZ 减薄所指示的热物质上涌对岩石圈的破坏可能进一步促进了裂谷的发育.贝加尔裂谷系形成机制的另一种观点则认为是被动裂谷作用(passive rifting)，Moinar等的挤出构造模式和Meyerhoff(1992)的张性破裂模式是这种观点的代表(Molnar et al，1975).这两者有着相似，均强调岩石圈的伸展破裂在裂谷发展和演化中起主导作用.Van Der Beek(1997)采用了3种不同的大陆岩石圈运动学伸展模型，对贝加尔裂谷的发展和演化过程进行了全面探讨.张建利等使用全局最小切向能量法，对研究区宽频带固定台站ULN和TLY记录的SKS震相和接收函数PmS震相进行分裂测量，得到了裂谷地区地壳和上地幔的各向异性属性.结合贝加尔裂谷区的构造演化过程，由于地幔流动方向在刚性的西伯利亚克拉通的阻挡下发生了偏转，在深部绕西伯利亚克拉通边缘流动，形成了上地幔结构的横向变化(张建利等，2012)，这间接印证了“被动成因说”的观点.

蒙古-贝加尔裂谷系有着非常复杂的实际情况，新生代玄武岩的地幔捕虏体的岩石学资料表明，该区岩石圈有着成分和热的不均一性.从更大区域范围来看，在Zorin等(1989)编制的该区岩石圈厚度图上，蒙古-贝加尔裂谷系的岩石圈厚度在50 km 以上，向周围很快增厚至150 km 以上(Zorin and Cordell，1991).Kiseler和Popov(1992)等编制的该区域地球动力学和深部构造立体图，形象地揭示了贝加尔裂谷系其复杂的内部结构特征和动力学的重要信息.

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 et al.，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在裂谷下方上翘，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. and Masson将PASSCAL台阵的1991年和1992年的数据应用ACH方法(Aki et al.，1977)得到深度到337 km的层析成像的图像(Achauer et al.，2002)；Petit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(Petit et al，1998).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(Vergnolle et al.，2003).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(Déverchère et al.，2001)，通过计算重力场得到大量的有效弹性厚度(Ruppel et al.，1993; Petit et al.，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.研究还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).

C. Tiberi利用重力资料和远震记录联合反演，其中所用的第一组数据是Gao等人的1792条远震P波记录，为53个台站记录的155个地震事件；第二组是来自TsNIIGAiK数据库的以15′×10′为网格的布格异常数据.通过反演速度和密度的关系，结果显示地壳异构性与地表主要构造特征相一致，同时通过对比西伯利亚地台和古生代造山带，发现存在一速度更快和密度更大的NW向的贝加尔克拉通地幔，三维地形变化显示壳幔边界有向上翘起，岩石圈软流层上升到70 km，并带有北西倾向.在接下来的研究(Tiberi et al.，2003)中发现，西伯利亚地台150 km处为高速岩石圈，证据显示在Hanga隆升和Tunka沉降区下的地壳存在强劲的高速度区，解释为地壳增厚.低速或低密度区存在于Hangay高原不同深度，利用密集的重力数据，定义这个特殊的三维几何低速或密度异常.Hangay高原异常体从60到225 km深度，延伸最大点在不超过40 km处.深低速区(低于150 km)在横截面的东部只有弱负密度.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，并不是外部由India-Asia碰撞，与两个上覆岩石圈地幔相互作用的结果有关.相反，最近断裂可能是India-Asia碰撞的在这个地区的主要表现，如Bolnai断裂.Dapeng Zhao利用 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(Mooney et al.，1998)，另一个则是由接收函数发展而来的三维地壳模型(Gao et al.，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.裂谷的形成可能还受其他因素如有利于上升的年代较老的线性岩石圈构造和由India-Asia碰撞带来的有利的远场力.蒙古-贝加尔地区的一些区域动力学过程被认为与上地幔小尺度对流相关.熊熊等在利用重力资料研究蒙古贝加尔地区的上地幔小尺度对流，并探讨其与构造动力学的关系(熊熊等，2010).研究认为贝加尔地区地幔流场和对流应力场呈现非常复杂的图像，流场及应力场分布与地表构造具有很好的相关性.贝加尔裂谷区下存在地幔上升流，对流应力场呈拉张状态，但应力场的幅值较小约为8 MPa，表明地幔对流不是贝加尔裂谷开裂的主要控制因素，同时张昌达从整理的卫星地磁资料(张昌达，2001)中发现，贝加尔地区明显的磁正异常佐证了地幔隆起的判断.因此贝加尔裂谷系主要动因是地幔隆起，但印度—欧亚大陆的碰撞远程效应导致的岩石圈伸展也起一定作用.

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.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).2008年，C. Tiberi依据联合反演结果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.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.何静等研究发现在蒙古主线性构造两侧地壳厚度呈现区域性变化特征，东南部地区地壳厚度较薄(约39 km)，而西北部地区地壳较厚(达45 km)，推测蒙古主构造线可能是地壳的一个陡变带，地壳的平均波速比均值为1.75，低于全球大陆的平均值1.78，西北与东南地区地壳波速比值较高，是古生代铁镁质地壳的残留或是新生代岩浆底侵的反映(何静等，2014).张风雪等根据P波速度结构发现呼斯坦瑙鲁和曼达尔戈壁西边的低速异常可能与Hangay高原下的地慢柱或地慢对流有关联(张风雪，2014).这些观测结果推测在本地区存在年轻的地幔柱(Tiberi et al.，2003，2008).

地幔柱看起来是贝加尔裂谷的主要成因，但是地幔柱还不足以使其开裂(Zorin et al.，2003).满足裂谷发展的三个条件：(1)地幔柱，(2)和地幔柱相对位置较好的老线性岩石圈(3)India-Asia碰撞提供的(Petit et al.，1996，Delvaux et al.，1997，Lesne et al.，2000; Zorin et al.，2003)有利的远场的力.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(Tiberi et al.，2003，2008)，结果显示地壳异构性与地表主要构造特征相一致，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.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(周瑶琪和宋晓东，1998; 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.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 and Spakman，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(Steinberger，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(Logatchev and Zorin，1992; Zhao，2004).Guilhem Barruol认为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.更深层次的各向异性与当代欧亚板块和深层地幔循环相对运动引起的软流层流动有关(Barruol et al.，2008).研究还证实控制西伯利亚克拉通的基底各向异性模式还有另外两个互补的方式：一是在早期岩石圈断块累积作为严格整体而活动或由India-Asia碰撞而近期引起形变；另一个是使蒙古下部软流层发生弯曲倾斜.

本文综合介绍了近年来蒙古-贝加尔断裂谷的构造特征、重力异常、层析成像、接收函数及其他地球物理方法的研究成果.分析表明，蒙古-贝加尔裂谷系的形成的动力机制与演化过程一直是地学界争论的焦点，这种争论一直持续到现今.综合研究成果发现，蒙古-贝加尔裂谷系的实际情况非常复杂成为共识，蒙古-贝加尔裂谷系的形成不是单纯的构造伸展或壳下岩石圈被热的软流圈物质机械代替的过分简单的模式，而是裂谷系的岩石圈强烈地构造热活化，即有软流圈上隆，熔体侵入，地幔流上升在蒙古-贝加尔裂谷形成和演化中发挥了重要作用.裂谷的形成可能还受岩石岩石圈构造和由India-Asia碰撞带来的远场力的影响.蒙古-贝加尔裂谷系主要动因是地幔隆起，但印度—欧亚大陆的碰撞远程效应导致的岩石圈伸展也起一定作用.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.由India-Asia碰撞而引起形变在蒙古-贝加尔裂谷带起源和演化过程中提供了远场力.这表明在蒙古-贝加尔裂谷形成和演化中地幔柱发挥了重要作用，同时与线性岩石圈年代及其相对于地幔柱位置有关，也与 India-Asia碰撞提供的有利的远场力相关，这三者构成了蒙古-贝加尔裂谷形成和演化的三个条件.