重力梯度帶是全球重力異常圖中非常引人注目的顯著特征，大型或超大型線性異常在全球多達(dá)幾十處。對(duì)于位于板塊邊緣和大洋板塊內(nèi)部的線性重力異常，一般可通過(guò)板塊的邊緣效應(yīng)或軟流層小尺度對(duì)流、巖石圈伸展/熱收縮、軟流層流動(dòng)的“指縫”效應(yīng)等基本模式得到合理解釋。但發(fā)育在大陸板塊內(nèi)部的大型重力梯度帶非常少見(jiàn)，中國(guó)東部的南北重力梯度帶（NSGL）長(zhǎng)~4000km，從俄羅斯西伯利亞延伸到華南，該區(qū)重力異常在較窄范圍內(nèi)由 -100 mGal 陡增到 -40 mGal （圖1），且在其東西兩側(cè)，地形地貌、構(gòu)造形跡、巖漿活動(dòng)，以及地殼、巖石圈厚度等均存在差異性，其形成機(jī)制有待進(jìn)一步揭示。
為了理解南北重力梯度帶的形成，深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心鄧陽(yáng)凡特任研究員、徐義剛院士、陳赟副研究員針對(duì)該問(wèn)題，系統(tǒng)總結(jié)了南北重力梯度帶的地球物理特征，并基于橫跨華北克拉通的一條人工源深地震測(cè)深剖面開(kāi)展重力模擬，以揭示重力梯度帶形成的影響因素和主導(dǎo)機(jī)制。通過(guò)模擬莫霍面起伏，地殼內(nèi)部，巖石圈整體和地幔過(guò)渡帶中停滯板片的重力異常特征，并考慮地幔組分差異對(duì)于重力異常的影響，發(fā)現(xiàn)除地殼厚度突變是南北重力梯度帶的主控因素外，巖石圈地幔的成分差異對(duì)其形成也有貢獻(xiàn)。地殼和巖石圈厚度和地幔組分差異可以用巖石圈減薄和物質(zhì)置換來(lái)解釋?zhuān)磶r石圈破壞。
盡管華北克拉通破壞可以很好地解釋重力梯度帶華北段的形成，但要解釋整個(gè)中國(guó)東部重力梯度帶的形成，還需要更大范圍的深部物理-化學(xué)過(guò)程。華北巖石圈破壞與西太平洋板塊俯沖密切相關(guān)，前人已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。西太平洋板塊俯沖導(dǎo)致地幔過(guò)渡帶的停滯板片，并形成了全球板塊俯沖系統(tǒng)中獨(dú)特的東亞大地幔楔，而地幔楔內(nèi)部的物質(zhì)流動(dòng)和來(lái)自地幔過(guò)渡帶的揮發(fā)性物質(zhì)在重塑和改造上覆巖石圈中起了重要作用，最終導(dǎo)致了中國(guó)東部南北重力梯度帶的形成（圖2）。關(guān)于中國(guó)東部地幔過(guò)渡帶停滯板片的存在時(shí)間問(wèn)題，盡管有觀點(diǎn)認(rèn)為板片滯留發(fā)生于新生代，但本研究認(rèn)為可能發(fā)生于白堊紀(jì)，主要依據(jù)為：1）較慢的Si–Al 擴(kuò)散暗示停滯板片存在時(shí)間可能>100Ma；2）華北存在兩期主要巖漿事件（185–145 Ma 的擠壓事件；145–140 Ma的拉張事件），其構(gòu)造轉(zhuǎn)換與太平洋板片后撤時(shí)間相一致，而板片的后撤才導(dǎo)致俯沖板片的滯留。
該項(xiàng)研究吸收了前人眾多的地球物理、巖石學(xué)、地球化學(xué)研究成果，顯示了綜合地球物理探測(cè)-地球化學(xué)分析，對(duì)于深入認(rèn)識(shí)地球深部過(guò)程及淺表響應(yīng)的重要性。
圖1. 中國(guó)東部布格重力異常和地形圖。黑色虛線所示為-100, -80, -40mGal重力等值線；白線為遠(yuǎn)震體波成像給出的地幔過(guò)渡帶停滯板片的西界
圖2. 南北重力梯度帶的形成機(jī)制示意圖。 早白堊世西太平洋板塊的后撤導(dǎo)致俯沖板片在地幔過(guò)渡帶大范圍滯留并形成大地幔楔系統(tǒng)，地幔楔內(nèi)部的物質(zhì)對(duì)流和地幔過(guò)渡帶的揮發(fā)物（包括水和二氧化碳）弱化并改造上覆巖石圈，從而導(dǎo)致南北重力梯度帶的形成
相關(guān)成果近期發(fā)表于國(guó)際知名地學(xué)期刊Tectonophysics。該研究受中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)B專(zhuān)項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)聯(lián)合資助。
論文信息：Deng, Y., Xu, Y.-G., Chen, Y. (2021), Formation mechanism of the North–South Gravity Lineament in eastern China, Tectonophysics, 818, 229074, https://doi.org/10.1016/j.tecto.2021.229074.
