克拉通巖石圈地幔的形成與破壞:大洋板塊俯沖的貢獻(xiàn)

湯 艷 杰

(1. 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 巖石圈演化國家重點實驗室，北京 100029；2. 中國科學(xué)院大學(xué) 地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049)

0 引 言

克拉通是地球上古老而又穩(wěn)定的大陸地塊，由上部地殼和下部巖石圈地幔兩部分構(gòu)成(圖1)。典型的克拉通具有3個顯著特點：①形成時代老，通常具有大于2.5 Ga的年齡；②巖石圈厚度大于200 km，構(gòu)造穩(wěn)定，沒有大規(guī)模的火山活動和大地震；③保存有地球上最完整的地質(zhì)記錄(最老可達(dá)4.4 Ga)[1]。因此，傳統(tǒng)理論認(rèn)為克拉通是穩(wěn)定的?？死ㄖ阅軌蜷L期穩(wěn)定存在(大于2.0 Ga)，主要是因為它有巨厚(可達(dá)300 km)[2]、剛性的“巖石圈根”[3]，即克拉通巖石圈地幔(圖1)。

圖1 克拉通示意圖Fig.1 Schematic View of Craton

越來越多的研究表明，古老的克拉通并非是一成不變的，其巖石圈地幔的組成和性質(zhì)會由于外部物質(zhì)與能量的改造和破壞而發(fā)生改變，從而導(dǎo)致克拉通失去穩(wěn)定性[4]。古老克拉通巨厚、剛性的巖石圈地幔是如何形成的？又是如何被改造和破壞的？這些都是長期以來困擾地學(xué)學(xué)者的難題。時至今日，這些關(guān)乎大陸形成與演化的根本問題仍然沒有得到很好解決?；诖耍疚木湍壳皣H上關(guān)于克拉通巖石圈地幔研究進(jìn)展的個別要點略作評述，以期達(dá)到管中窺豹、拋磚引玉之目的。

1 克拉通巖石圈地幔的形成

古老克拉通巖石圈地幔形成于2.5 Ga前的太古宙和2.5～1.6 Ga的古元古代[5-8]。與其他大陸和大洋巖石圈地幔相比，古老克拉通巖石圈地幔有許多不同之處，如高度難熔、厚度巨大、密度較小且地溫梯度低[7]。巖石圈地幔的年齡越古老，其密度越小[9-10]，這是因為其特定的化學(xué)組成[9]。古老克拉通巖石圈地幔是在地球演化的早期階段經(jīng)過殼幔分異事件之后形成的，由原始地幔(以易熔的二輝橄欖巖為主)經(jīng)過高度部分熔融，大量玄武質(zhì)熔體被抽取之后殘余的難熔組分(以難熔的方輝橄欖巖為主)組成，因此，古老克拉通巖石圈地幔具有明顯富Mg、貧Fe且高度難熔的組成特征[11-12]。玄武質(zhì)熔體被大量抽取之后，古老克拉通巖石圈地幔的密度(約3.31 g·cm-3)小于下伏的軟流圈密度(約3.39 g·cm-3)[13]，因此，它能夠長期“漂浮”在軟流圈之上。克拉通巖石圈地幔具有機(jī)械抵抗力[5]，能夠防止地幔對流造成的破壞，因而能夠長久存在。

目前，學(xué)者對克拉通巖石圈地幔的成因認(rèn)識仍然存在明顯分歧。分歧的焦點主要集中在兩種學(xué)術(shù)觀點，分別可以用兩種概念模型來代表，即熔融模型和堆積模型。

第一種學(xué)術(shù)觀點(熔融模型)認(rèn)為，克拉通巖石圈地幔是地幔物質(zhì)底辟上升、地幔翻轉(zhuǎn)或地幔柱攜帶地幔過渡帶的物質(zhì)上升并發(fā)生高度部分熔融產(chǎn)生的[2,11,14-17]，因此，它們代表高度虧損玄武質(zhì)熔體相對干燥、低密度的熔融殘余[14-16]。熔融模型容易被大家接受，因為它能夠合理地解釋很多觀測到的現(xiàn)象，比如巖石圈地幔的低密度(高度部分熔融的結(jié)果)、存在浮力[14-15]、巖石圈厚度與年齡具有正相關(guān)性[9-10]等。無水地幔橄欖巖捕虜體的發(fā)現(xiàn)能夠表明巖石圈地幔具有足夠的黏度而不受下伏軟流圈的影響[6]。根據(jù)該模型可以預(yù)測，由于減壓熔融過程中熔體先從巖石圈地幔的上表面和上部抽取，所以地幔熔融柱頂部的密度應(yīng)相對較低，而底部的密度應(yīng)相對較高。然而，熔融模型所預(yù)測的巖石圈地?；瘜W(xué)分層與其他學(xué)者的觀測資料和工作模型所預(yù)測的結(jié)果[7,18]有很大出入。

第二種學(xué)術(shù)觀點(堆積模型)認(rèn)為，古老克拉通巖石圈地幔最初是通過俯沖的大洋地殼和虧損地幔疊置堆積而成，虧損地幔包含最初形成于大洋中脊的巖石圈地幔[19-20]。堆積模型也成功地解釋了一些地質(zhì)現(xiàn)象，比如克拉通巖石圈地幔巨大的厚度[7,17]，巖石圈地幔相對于大洋巖石圈虧損玄武質(zhì)熔體[5]，以及克拉通地區(qū)金伯利巖中產(chǎn)出的榴輝巖捕虜體具有大洋地殼的地球化學(xué)特征[17]。然而，該模型也存在一些問題，比如難以解釋大洋巖石圈中相對大量的古大洋地殼物質(zhì)與金伯利巖地幔捕虜體中相對稀少的榴輝巖捕虜體之間的不一致性[5,7,18]。此外，由于古老的俯沖板片中含有相當(dāng)厚度的大洋地殼，它可能會受到板塊斷裂和/或板塊后撤的影響而不能發(fā)生多重疊置堆積[21]。

為了解決上述長期存在爭議的科學(xué)問題，一種新的動力學(xué)成因模型——熱機(jī)械模型被提出[21-22]，并在最近得到了進(jìn)一步的發(fā)展[2]。最新的研究結(jié)果表明，在太古宙板塊構(gòu)造開始之后，位于俯沖大洋板塊之下具有韌性、浮力、虧損玄武質(zhì)熔體、熱的巖石圈地幔不能伴隨大洋板塊一起俯沖(圖2)。在大洋板塊俯沖的過程中，不能同步俯沖的黏性巖石圈地幔被迫滯留在相鄰大陸板塊的下面，成為具有克拉通規(guī)模的黏性原始陸核[2]。之后，隨著地溫梯度的下降，侵位于大陸之下具有高黏性的虧損地幔也隨之降溫，與大陸地塊合為一體，成為古老克拉通巖石圈地幔。因此，攜帶虧損地幔的大洋板塊在前寒武紀(jì)發(fā)生的俯沖作用，是形成克拉通之下巨厚巖石圈地幔的先決條件，正是由于巨厚、剛性的巖石圈地幔的存在，才使得克拉通在長期的板塊構(gòu)造運動中能夠持續(xù)穩(wěn)定存在[2]。這項研究為上述第二種學(xué)術(shù)觀點提供了新的證據(jù)，古老克拉通巖石圈地幔是早期大洋板塊俯沖引起的虧損地幔堆積形成的。也就是說，在地幔高溫的情況下，大洋板塊俯沖觸發(fā)熱的且具有黏性的虧損地幔進(jìn)行大規(guī)模流動，侵位并疊置堆積于大陸板塊之下，進(jìn)而形成古老克拉通巖石圈地幔。

圖件引自文獻(xiàn)[2]圖2 克拉通巖石圈地幔形成的動力學(xué)模型示意圖Fig.2 Schematic Views of a Dynamic Model for Formation of Lithosphere Mantle Beneath the Craton

2 華北克拉通巖石圈地幔的破壞

華北克拉通是中國大陸的主要構(gòu)造單元(圖3)，因其地質(zhì)記錄較為完整而成為大陸形成和演化研究的天然實驗室。華北克拉通經(jīng)歷了非常復(fù)雜的演化過程，自1.8 Ga形成[23]之后至早中生代，華北克拉通一直處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，與世界上其他克拉通相似，保存有巨厚的太古宙巖石圈地幔[24]。但是，自200 Ma以來，華北克拉通不但發(fā)生了強(qiáng)烈的地殼變形和大規(guī)模的巖漿活動，而且發(fā)生了多次破壞力巨大的強(qiáng)烈地震，如1966年邢臺地震、1975年海城地震、1976年唐山地震。這表明華北克拉通失去了它原有的穩(wěn)定性，這一現(xiàn)象被國際學(xué)術(shù)界譽(yù)為全球重大地質(zhì)事件之一。

圖3 華北克拉通位置示意圖Fig.3 Schematic Map of Location of North China Craton

關(guān)于華北克拉通破壞這一科學(xué)問題的提出，要追溯到20世紀(jì)初。早在1927年，著名地質(zhì)學(xué)家翁文灝先生根據(jù)中國東部晚中生代的構(gòu)造-巖漿活動，提出了“燕山運動”的概念，這一術(shù)語得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛認(rèn)可，并沿用至今；1956～1960年，陳國達(dá)先生提出了“地臺活化”的觀點，并進(jìn)一步論述了華北克拉通的演化特征[25]；20世紀(jì)90年代，中外學(xué)者基于對中國科學(xué)家長期積累的研究資料分析發(fā)現(xiàn)，華北克拉通古生代巖石圈的厚度達(dá)200 km，而新生代華北克拉通東部巖石圈厚度為60～80 km，即中生代以來，華北克拉通巖石圈的厚度減薄了約120 km，因此，提出了“巖石圈減薄”的概念[26-28]。后來的研究逐漸認(rèn)識到, 華北克拉通不僅經(jīng)歷了巖石圈減薄，同時伴隨著巖石圈性質(zhì)和熱狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。原本具有克拉通屬性的華北地殼發(fā)生了大規(guī)模的韌性變形和強(qiáng)烈的巖漿活動-成礦作用, 說明華北克拉通自顯生宙以來遭受了破壞，克拉通原有的屬性已不復(fù)存在，這種地質(zhì)現(xiàn)象被稱為克拉通破壞[29]。

從2007年國家自然科學(xué)基金委員會啟動“華北克拉通破壞”重大研究計劃以來，華北克拉通破壞研究取得了突破性進(jìn)展，并逐步認(rèn)識到地表大規(guī)模的構(gòu)造-巖漿活動、頻繁發(fā)生的強(qiáng)烈地震和巖石圈巨厚減薄現(xiàn)象是華北克拉通破壞的表現(xiàn)形式[29]，其實質(zhì)是巖石圈地幔的物質(zhì)組成和屬性發(fā)生了根本性變化。華北地區(qū)古生代高度難熔、Sr-Nd同位素富集的克拉通型巖石圈地幔逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾律鄬σ兹邸⑼凰靥潛p的大洋型巖石圈地幔[30-32]。

大量巖石學(xué)和地球化學(xué)研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，巖石圈地幔組成的轉(zhuǎn)變主要是通過橄欖巖-熔體反應(yīng)的方式實現(xiàn)的[33]。外來熔體進(jìn)入巖石圈地幔，并與地幔巖石發(fā)生反應(yīng)，改變了巖石圈地幔的組成，導(dǎo)致華北克拉通巖石圈地幔的屬性發(fā)生了根本性轉(zhuǎn)變，即由古生代大陸克拉通型轉(zhuǎn)變?yōu)樾律笱笮?。通過全球?qū)Ρ妊芯堪l(fā)現(xiàn)，橄欖巖-熔體之間的相互作用導(dǎo)致巖石圈組成和性質(zhì)發(fā)生改變，這種現(xiàn)象具有全球普適性[34]。正是巖石圈地幔屬性的巨大變化，才導(dǎo)致華北克拉通的破壞。

通過系統(tǒng)的地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、地球化學(xué)等綜合研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致華北克拉通破壞的俯沖板片來自古太平洋。古太平洋板塊的西向俯沖作用引起了華北克拉通地幔不穩(wěn)定流動與減壓熔融，俯沖板塊釋放的熔/流體改變了上覆巖石圈的組成和性質(zhì)，俯沖板塊回轉(zhuǎn)與俯沖帶后撤導(dǎo)致巖石圈強(qiáng)烈伸展。在上述因素的聯(lián)合作用下，華北克拉通喪失了原有的穩(wěn)定性(圖4)。這些認(rèn)識對華北克拉通巖石圈地幔破壞的原因和機(jī)制做出了合理解釋，并提出洋-陸相互作用是克拉通巖石圈地幔破壞的動力學(xué)機(jī)制[4]。

3 思考與展望

在板塊構(gòu)造的早期，大洋板塊俯沖觸發(fā)俯沖板片與具有高黏性的虧損地幔疊置，最終堆積于大陸之下成為古老克拉通巖石圈地幔。古老克拉通因為具有巨厚、剛性的巖石圈地幔而能夠保持長期的穩(wěn)定。然而，事物的發(fā)展總是相對的。當(dāng)穩(wěn)定的古老克拉通巖石圈地幔受到周邊大洋板塊的俯沖作用影響時，克拉通會被改造，甚至發(fā)生破壞。在全球范圍內(nèi)，目前已發(fā)現(xiàn)被明顯破壞的克拉通有兩個，分別為中國的華北克拉通和北美的懷俄明克拉通[35]。懷俄明克拉通位于北美大陸的西部，由于受到東太平洋板塊向東的俯沖作用而發(fā)生了局部破壞。因此有理由相信，大洋板塊的俯沖作用是導(dǎo)致克拉通破壞的普遍機(jī)制[4,36]。綜上所述，早期大洋板塊的俯沖作用使古老克拉通巨厚的巖石圈地幔得以形成；后期由于大洋板塊的俯沖作用，克拉通巖石圈地幔又遭到破壞?！俺梢彩捄?，敗也蕭何”，對于克拉通巖石圈地幔來說，大洋板塊俯沖扮演了蕭何的角色。

中生代古太平洋板塊俯沖，引起華北克拉通之下軟流圈地幔的不穩(wěn)定流動。大洋板塊在俯沖過程中，隨著溫度和壓力的增加，俯沖板塊脫水并發(fā)生熔融，釋放出來的熔/流體上升進(jìn)入巖石圈地幔，造成巖石圈地幔弱化、熔點降低，并引發(fā)大規(guī)模熔融。然后，隨著板塊俯沖角度的增加，俯沖帶發(fā)生后撤，導(dǎo)致華北克拉通巖石圈被強(qiáng)烈拉伸減薄。在上述因素的共同作用下，克拉通深部的巖石圈地幔被破壞，從而導(dǎo)致克拉通破壞。晚古生代以來，古亞洲洋的閉合和三疊紀(jì)以來揚(yáng)子板塊與華北板塊的碰撞分別對華北克拉通的北緣和南緣造成了一定影響，為晚中生代克拉通巖石圈地幔的破壞創(chuàng)造了有利條件。圖件引自文獻(xiàn)[38]，有所修改圖4 華北克拉通巖石圈地幔演化與古太平洋板塊俯沖作用示意圖Fig.4 Schematic View of Lithospheric Mantle Evolution of North China Craton and the Subduction of Paleo-Pacific Plate

在地球漫長的演化進(jìn)程中，地球上的大陸分分合合，周而復(fù)始。例如，在古元古代晚期(約1.8 Ga)，大陸聚合形成了哥倫比亞超大陸；之后超大陸裂解，在新元古代(約800 Ma)又通過聚合形成了羅迪尼亞超大陸；之后超大陸再次裂解，并于晚古生代(約300 Ma)再次聚合，形成潘基亞超大陸[37]?？死ǖ男纬膳c破壞也必然遵循同樣的規(guī)律，由于克拉通保存有最完整的地質(zhì)記錄，所以克拉通是大陸演化研究的核心。

盡管目前對克拉通形成與破壞的研究取得了突破性的進(jìn)展，然而仍有許多基本的科學(xué)問題等待解決。比如，關(guān)于克拉通的形成機(jī)制、板塊運動的起始時間與驅(qū)動力、地幔柱存在的真實性、地幔對流的規(guī)模與速度、板塊俯沖的角度與板塊之間的作用機(jī)制等基礎(chǔ)科學(xué)問題仍處于探索和爭論中。此外，克拉通形成和破壞過程所造成的地質(zhì)災(zāi)害，以及資源、能源與環(huán)境效應(yīng)和生命演化等與人類生存發(fā)展密切相關(guān)的科學(xué)問題也亟待開展深入研究。

謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給長安大學(xué)七十華誕，祝福母校桃李芬芳、蒸蒸日上!回首在母校的七年歲月，我深感幸運！在這里，我汲取到豐富的專業(yè)知識，有幸結(jié)識到優(yōu)秀的老師和同學(xué)，收獲了真摯的情誼！在這里，我更有幸見證母校的蓬勃發(fā)展！1996年本科期間，母校由西安地質(zhì)學(xué)院更名為西安工程學(xué)院；2000年碩士期間，母校又成為長安大學(xué)的一份子。特別讓我深感榮幸的是，我的本科畢業(yè)證和碩士畢業(yè)證分別蓋有西安工程學(xué)院和長安大學(xué)的紅章。時光荏苒，往事歷歷在目！回想大學(xué)野外實習(xí)，同學(xué)們用鋁飯盒裝著饅頭和咸菜，跟隨帶隊老師漫山遍野踏勘；乘坐卡車參觀金堆城鉬礦，認(rèn)識黃土地貌，領(lǐng)略窯洞風(fēng)情。記得曹軍驥學(xué)長曾帶領(lǐng)我們五人小團(tuán)隊風(fēng)餐露宿地在柞水銀洞子礦附近采集化探樣品，雖然辛苦但其樂融融。完成碩士學(xué)位論文期間，我仍然清晰記得98級研究生文麗敏同學(xué)、劉秀花同學(xué)提供的無私幫助，更記得導(dǎo)師劉建朝研究員、賈建業(yè)教授的諄諄教誨。在王旭光同學(xué)的幫助下，我學(xué)會利用地學(xué)必備的CorelDraw軟件作圖，受益至今。在賈建業(yè)教授的推薦下，我來到中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所攻讀博士學(xué)位。在這里，我非常有幸結(jié)識了和藹可親的何宏平老師、許繼峰老師和趙法鎖老師。在導(dǎo)師謝先德院士、周新華老師和張連昌老師的熱心引薦下，我有幸到中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所跟隨張宏福老師做博士后。借此機(jī)會，我要對長期以來關(guān)心和幫助我的所有老師和同學(xué)們表示衷心的感謝！特別感謝朱日祥院士、李獻(xiàn)華院士、樊祺誠老師、郭敬輝老師、楊進(jìn)輝師兄等在我后續(xù)科研工作中給予的鼎力支持！正如翟明國院士所述，在京有眾多優(yōu)秀校友：孟慶任、肖舉樂、張連昌、申萍、薛國強(qiáng)、張曉暉、張艷斌、田小波、祁生文、萬博、常中華、李守定、唐冬梅、周艷艷、孫偉家、蔡書慧、王濤、王曉霞、胡健民、薛春紀(jì)、李厚民、徐柏青、豐成友、閆臻、于福生、張栓宏、童英等，還有新近來京工作的曹軍驥學(xué)長，一路同行，感恩有你！也要感謝李榮西、楊興科等多位老師為我提供結(jié)識更多優(yōu)秀校友的機(jī)會！母校改變了我作為平凡農(nóng)村孩子的命運，飲水思源，感恩母校，拜謝師恩！祝福母校人才輩出、再創(chuàng)輝煌！