摘要：地幔柱一般认为是来源于核幔边界，它具有更高的温度，当上升至稳定大陆克拉通岩石圈底部时，会形成大量岩浆并和上覆岩石圈相互作用；这些岩浆会侵入到地壳，或大量喷发至地表形成大火成岩省（LIP）。关于地幔柱是加强还是弱化克拉通，至今学术界仍存在很大争议。一种观点认为，
地幔柱一般认为是来源于核幔边界，它具有更高的温度，当上升至稳定大陆克拉通岩石圈底部时，会形成大量岩浆并和上覆岩石圈相互作用；这些岩浆会侵入到地壳，或大量喷发至地表形成大火成岩省（LIP）。关于地幔柱是加强还是弱化克拉通，至今学术界仍存在很大争议。一种观点认为，地幔柱活动会导致克拉通岩石圈沿着薄弱带减薄并触发大陆裂解；而另外一种观点认为，地幔柱导致克拉通岩石圈地幔熔融，形成一个贫水、亏损、增厚的地幔根，使克拉通增强。而克拉通浅部沉积层和基底结构和组分记录了地幔柱岩浆活动及相关变形，研究克拉通浅部地壳岩浆活动空间分布规律，可以帮助认识地幔柱对克拉通演化的影响。
位于青藏高原西北侧的塔里木盆地是研究地幔柱对克拉通改造以及流变性影响的理想场所。主要原因包括：(1)塔里木盆地深部是前寒武纪克拉通岩石圈（图1a）；(2)在早二叠世（距今270 – 290 Ma）, 塔里木盆地内发育大面积溢流玄武岩和流纹岩（面积达约250000 km2），形成塔里木大火成岩省，地质记录和地球化学分析揭示它是地幔柱和塔里木克拉通岩石圈相互作用的结果，同时航磁异常显示，该地幔柱头部位于塔里木西部巴楚隆起附近（图1c）；(3)塔里木内部具有明显的东西向形变差异，盆地东部晚石炭世之后地层基本未发生变形（图2i），而盆地西部地幔柱头部位置基底及以上地层发生明显隆起和错断，表现出印度欧亚大陆碰撞挤压的远程响应（图2d）。因此塔里木地区是研究地幔柱改造克拉通的天然实验室。图1塔里木盆地及其邻区地形和构造简图。（a）研究区构造背景图，显示塔里木大火成岩省位置。蓝色箭头表示相对于稳定欧亚板块的GPS速度。棕色和橙色填充区域分别表示二叠纪玄武岩和流纹岩。（b）研究区在亚洲的位置。（c）研究区构造简图及地震台站分布。倒三角形表示宽频带地震台站，蓝色三角形代表TASTE台阵，青色三角形代表TLM台阵。红色圆圈表示垂直地震剖面的位置。灰色阴影区域是推测的二叠纪地幔柱头部（MPH）位置。红色线条表示活动断层。震源机制数据来自1976年以来的Global-CMT目录。CFS-车臣断裂系；MTFS-麻扎塔格断裂系；NFS-尼雅断裂；TTS-吐木休克逆冲断层
中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化和环境演变全国重点实验室的博士研究生李文涛、王旭副研究员、梁晓峰副研究员、田小波研究员、陈凌研究员和其他单位合作者一起，利用塔里木盆地内部的两期宽频带流动地震台站 （TLM和TASTE，见图 1c），使用多频率接收函数和及其振幅比联合反演方法，准确约束塔里木盆地内部上地壳剪切波速度（Vs）结构。此外，他们将高频率接收函数剖面与地震反射剖面综合分析，获得了沿两个主要剖面的沉积层纵横波速比特征（图2）。
图2两条近南北剖面AA'和BB'的综合结果。图中分别展示了地形 (a, f)、Vs结果 (b, g)、接收函数波形 (c, h)、地震反射剖面 (d, i) 以及纵横波速比(e, j)。每条Vs剖面由剖面沿线台站Vs结果线性插值构成。圆形符号表示每个台站下的两个界面L1（红色）和L2（蓝色）位置，高Vs异常（A1 - A5）范围由Vs最大梯度等值线限定。在图d、图 i中，红色实线表示逆冲断层，与图1c中所示一致。图e、图 j中的带误差棒的圆形表示地表至L1（红色）和L1至L2（蓝色）的纵横波速比值及其估计误差
结果显示塔里木盆地上地壳存在一个显著地震波速不连续面及多个较大尺度的高Vs异常。这一不连续面形态存在明显东西差异：在盆地东部，它整体深度约为3.5公里且比较平坦 （图 2g）；但在盆地西部，它在巴楚隆起附近发生褶皱，被抬升至接近地表，并向西北和西南两侧延伸至超过6公里深度（图2b）。高Vs异常的平均Vs值约为3.4 km/s，集中分布在巴楚隆起周围的上地壳不连续面之下（图2b）。结合钻探数据、实验岩石物理数据以及前人地球物理观测分析表明，该不连续面对应于二叠纪早期地层的顶部，而高Vs异常则为二叠纪早期地幔柱的岩浆侵入体。该异常体空间分布和巴楚隆起下方地壳尺度的高横纵波速（Vp和Vs）和高密度异常相吻合（图3），支持其为地壳内部基性岩浆侵入的遗迹。而巴楚隆起附近强烈的构造变形与二叠纪岩浆侵入体表现出显著的空间相关性。这表明，与东部相比，塔里木克拉通西部存在二叠纪地幔柱岩浆侵入所形成的非均匀特征，在新生代欧亚-印度碰撞挤压应力作用下，强烈的非均匀性使应变集中发生，造成局部化的新生代变形（图4）。该研究结果强调地幔柱岩浆侵入造成克拉通内部成分非均匀性，影响克拉通内部应变分布，不利于克拉通的长期稳定。
图3 剖面AA'沿线的不同地球物理观测。(a) 地形和布格重力异常（BGA）观测（蓝线）；(b) 本研究得到的0-15 km深度范围内的Vs结构；(c) 基于环境噪声层析成像得到的15-60 km深度范围内的Vs结构；(d) 基于深地震反射剖面得到的0-60 km深度范围内的Vp结构。(a) 中的两条垂直红实线表示巴楚隆起的边界。红色实线表示剖面上的MTFS和TTS断层。(c) 和(d) 中40-60 km深度的黑色虚线表示莫霍不连续面。(d) 中的黑色实线表示15 km的深度。(c) 和(d) 中的注释“HV”表示巴楚隆起下地壳的高速度异常。在巴楚隆起处观察到明显的高BGA值，伴随其下地壳中的高Vp和高Vs异常
图4新生代前(a) 和晚新生代 (b) 塔里木盆地西部地壳结构示意图。灰色虚线表示二叠纪地幔柱头部（MPH）。在(b)中，块体两侧的箭头表示来自新生代欧亚-印度碰撞传递的压应力。中下地壳中的岩浆侵入体形状和塔里木盆地西部的莫霍面起伏形态基于前人地球物理观测推断（图3）。在这种情况下，应变逐渐在岩浆侵入体与其围岩的边界附近累积，导致巴楚隆起两侧断层（MTFS和TTS）活动和地层隆起
研究成果发表于国际学术期刊JGR: Solid Earth (李文涛，王旭，梁晓峰*，左思成，李世林，瞿辰，田小波和陈凌. Heterogeneous Tarim cratonic crust induced by a mantle plume and its effect on later tectonic evolution based on multi‐frequency receiver functions imaging. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 129: e2024JB029579. DOI: 10.1029/2024JB029579.) 。
该研究受到中国科学院战略先导专项（B类）(XDB0710000和XDB18000000)、国家自然科学基金（42074067, 92355301, 42374067 和42004041）以及中国科学院地质与地球物理研究所重点部署研究项目（IGGCAS-202204）支持。
美编：陈永焱
校对：刘强
来源：中科院地质地球所