由于自然条件和地质体出露条件的限制，地球物理探测和地球化学研究往往不能在同一地区实现，加之出露的地质体通常也不能记录足够的深部信息，因此，对岩石圈垂向结构的研究只能从大的尺度上作宏观性的探索与分析。
3.1.2.1地壳的形成时间与增生时代
大陆地壳的形成时间及其增生机制是现代地球科学研究中最为重要的科学问题之一，也是近几年来兴起的大陆动力学研究的重要内容(吴福元，1999)。根据地球化学的基本原理，大陆地壳的形成时间主要依靠Sm－Nd同位素方法来确定(Jacobsen，1988;DePa-olo et al.，1991)，即陆壳岩石的Sm-Nd模式年龄(TDM)大体反映了它与地幔分离的时代(地壳形成年龄)。因此，作为一种近似，地表沉积岩的模式年龄(TDM)应代表它沉积时表层地壳的平均年龄，而深部地壳来源的岩石，如花岗岩的模式年龄(TDM)应大体代表其来源区地壳的年代。据此，我们可以确定地壳不同深度层次的形成年龄，即地壳的年龄结构。兴蒙－吉黑地区广泛出露的晚古生代地层和大面积的中生代花岗岩无疑为开展这方面的研究提供了可能。
为了解该区古生代期间的表层地壳年龄和表层年龄与深部年龄的关系，我们侧重分析了各单元内的古生代沉积岩和长英质变质岩，以及中生代花岗岩的Nd同位素组成(图3.3)。结果显示，古生代沉积岩和长英质变质岩的Nd同位素模式年龄集中在1200～2200Ma，反映古生代时该区各地块的表层地壳年龄以中－古元古代为主，而大量形成年龄为220～180Ma的中生代花岗岩的Nd同位素模式年龄集中于600～1200Ma之间，反映深部源区的地壳年代以新元古代为主。上述Nd同位素模式年龄证据反映了一个重要信息，即该区由花岗岩所反映的深部地壳年龄较表层地壳年轻，揭示了该区具有下新上老的地壳年龄结构。这种年龄结构特点不仅在本区表现明显，在欧洲的海西造山带和我国其它地区的造山带中也有类似的特点(表3.1)。
图3.3兴蒙－吉黑地区花岗岩与古生代地表岩石的Nd同位素模式年龄
表3.1中国大陆地壳的形成年龄
为进一步明确兴蒙－吉黑地区岩石圈块体的地壳年龄特点，我们把该区花岗岩的Nd同位素模式年龄近似地作为地壳的平均年龄，由此得出本区的地壳平均年龄为900Ma左右(图3.4)。尽管这一年龄可能存在一定的偏差，但与华北岩石圈块体相比，兴蒙－吉黑岩石圈块体的地壳年龄明显具有年轻的特征。上述证据显示的另一重要信息是，该区中生代花岗岩所反映的当时的地壳年龄要比沉积岩所反映的古生代时的地壳年龄明显偏新。这说明，在这些花岗岩形成的同时或之前，该区有大量新生地壳的形成，主要表现为大量幔源物质进入地壳，并构成后续花岗岩的岩浆源区，该区中生代花岗岩以Ⅰ型为主也进一步证实了这一认识。虽然这些信息足以说明显生宙也是地壳生长的重要时期，而且这种地壳的生长并非都发生在汇聚型的板块边缘，但这种解释与通常的碰撞造山带理论模式存在明显的矛盾。按造山带演化模式，兴蒙－吉黑岩石圈块体在中生代花岗岩形成之前，应基本完成造山作用的演化历史，大面积的花岗岩应为造山后伸展作用的产物，但该区的事实是区域性分布的上古生界并未遭受区域变质作用，中生代花岗岩也并不具有造山带花岗岩的线状或带状产出特点，也就是说，兴蒙－吉黑岩石圈块体的主体在晚古生代－早中生代期间并未有明显的造山事件发生。因此，该区显生宙期间的地壳生长机制有可能成为大陆动力学研究中的一个重大科学问题，值得我们去探索和研究。
图3.4兴蒙－吉黑地区地壳年龄及与华北地块的对比
3.1.2.2岩石圈地幔的厚度与年代
兴蒙－吉黑地区新生代玄武岩极为发育，主要分布在大、小兴安岭和长白山地区(图3.5)，这些玄武岩多数都含有幔源的橄榄岩包体(岩石圈地幔碎块)，为我们研究岩石圈地幔的形成演化提供了重要信息。根据目前掌握的资料，这些橄榄岩包体均为尖晶石相橄榄岩，尚未发现过石榴子石相橄榄岩包体。根据实验岩石学资料，橄榄岩中尖晶石向石榴石转变的深度大约在70～80km，由此推测该区新生代玄武岩分布区的岩石圈厚度应为70～80km。但根据地球物理证据，这样的区域主要出现在大型中－新生代盆地和区域性断裂带分布区，并不是整个中国东部。因此，沿断裂带附近分布的新生代玄武岩包体所反映的岩石圈厚度可能并不具有区域性的意义(图3.5)。地球化学分析结果显示，这些新生代玄武岩的εNd均大于零，如伊通－大屯地区的新生代玄武岩为3.0～4.9(张辉煌，2006);延边地区的新生代玄武岩为3.8～6.3(郭锋，2007)。这充分说明，该区以断裂构造为标志的新生代岩石圈减薄作用与软流圈地幔的作用有直接关系。
岩石圈地幔研究中的另一个问题是其形成的时间问题。近年来，国际上已开始采用Re－Os同位素技术对岩石圈地幔的年代进行约束。为此，本项目在执行过程中，与美国马里兰大学同位素地球化学实验室的R.J.Walker教授合作，对本区双辽和汪清地区新近纪玄武岩中的橄榄岩包体进行了Os同位素测试。为进行对比，同时还测定了与本区毗连的华北板块龙岗地区新近纪玄武岩中的包体，获得了非常有意义的结果。
图3.5东北地区显生宙花岗岩和玄武岩分布图
分析结果显示，汪清地区的橄榄岩包体明显具有显生宙成因的特点(图3.6)，而双辽和龙岗地区的部分样品显示具有元古宙的年龄。由于这些包体均为尖晶石相，形成深度应基本相同，因此我们有可能通过温度与年龄关系的对比了解研究区的地幔年龄与深度的变化关系。图3.7显示，汪清、双辽和龙岗三个地区的地幔岩年龄并不随温度的升高(即深度加大)而变化，这说明不同年龄的地幔在空间分布上不具有成层性。地幔岩所记录的年龄表明，虽然该区具有较老的地幔残余，但主要是在古生代－中生代期间形成的。结合区域构造演化分析，这些新生的地幔可能主要是在该区晚古生代南北陆－陆汇聚和中生代地体增生期间岩石圈增厚作用的产物。Os同位素测试结果的对比分析还显示，造山带和陆块拼合区的岩石圈地幔年龄明显新于克拉通地区(图3.8)。
上述证据揭示出该区岩石圈地幔的两个基本特点:
1)岩石圈地幔的年代以显生宙为主，不同年龄的地幔与深度不存在相关性，即岩石圈地幔在整体上表现为新生特点，但内部存在较老(元古宙)的地幔碎块或夹层。
2)岩石圈地幔的年代与上覆地壳的年龄并不一致。按照目前地球演化的基本理论模式，岩石圈地幔是由于地壳物质的移去而残留下的物质，其年代应老于或与上覆地壳的年龄一致。但本区表现的情况并非如此。位于华北地块上的龙岗地区，其地壳形成于太古宙，但橄榄岩包体未显示有任何太古宙的痕迹。兴蒙－吉黑地区的情况也与其类似，尽管地壳以元古宙为主，但地幔却是显生宙的，表现为新生性质。对上述现象最理想的解释是，更早期形成的岩石圈地幔已被新生的岩石圈所取代。
图3.6兴蒙－吉黑地区新生代玄武岩中地幔橄榄岩Os同位素特征