Why Stable Continental Craton can be Destroyed?
撰文丨吳福元
作者介紹
吳福元，中國科學院地質與地球物理研究所研究員，博士生導師，中國科學院院士 。主要研究領域花崗巖成因與地殼演化，地幔巖漿作用與克拉通破壞，Rb-Sr、Sm-Nd、U-Pb同位素地質年代學，Sr-Nd-Hf-Os同位素示蹤與地球動力學。
克拉通 （Craton） 是地球表層的重要組成單元[1]，大多形成于18億年以前的地球早期。這些古老的克拉通多具有>200 km的巨厚巖石圈根，且由于其密度和熱流值較低、剛性較大，能夠避免遭受后期地質作用的改造而保持穩(wěn)定。
其形成后基本無明顯的構造—巖漿—成礦活動，現今也無明顯的地震活動，成為地球上最穩(wěn)定的地區(qū)。如俄羅斯的西伯利亞 （Siberia）克拉通、美國和加拿大的懷俄明（Wyoming）克拉通、南非的卡普瓦爾（Kaapvaal）克拉通等。
全球前寒武紀克拉通分布圖（引自吳福元，2014）
華北克拉通巖石圈厚度等值線圖（據朱日祥等，2011）
例外的是，我國北方的華北克拉通卻表現出與世界上主要克拉通截然不同的特征。
華北克拉通示意圖（據朱日祥等，2014）
該克拉通自18億年左右形成后，基本保持相對穩(wěn)定，并形成華北廣布的碳酸鹽沉積建造；但自 2 億年左右的中生代以來，華北克拉通發(fā)生了大規(guī)模強烈的構造變形、巖漿活動和盆地形成，并伴生了大量的金屬和能源礦產。
華北克拉通流動地震臺陣分布
NCISP，華北內部結構計劃；DNCC，華北克拉通破壞計劃。紫色三角表示觀測尚未結束的流動地震臺站（據朱日祥等，2011）
另外，強烈的地震活動也是該克拉通的重要地質特色，如 1976 年發(fā)生的唐山大地震。因此，華北克拉通原有的穩(wěn)定性質在后來發(fā)生了改變。在目前人類的知識當中，穩(wěn)定的大陸克拉通其性質發(fā)生變化是目前還認識相當有限的一種特殊地質現象，是什么機制導致了原本穩(wěn)定的克拉通而不穩(wěn)定呢? 穩(wěn)定的大陸克拉通為什么會被破壞?
華北克拉通金伯利巖和玄武巖中地幔包體分布圖（據朱日祥等，2014）
20世紀50年代，我國科學家就已發(fā)現了華北克拉通這一與眾不同的地質特征，并提出了“地臺活化”的概念[2]。但對這一現象的起因或地球動力學本質，一直缺乏明確的認識。
80~90年代進行的地幔來源金伯利巖和玄武巖的研究使得對這一問題的認識出現了質的飛躍。山東蒙陰和遼寧復縣金伯利巖中的金剛石及其中的礦物包裹體資料顯示，該金伯利巖在形成時（約4.7億~4.8億年）具有大約200 km厚的巖石圈[3]；然而由新生代玄武巖中的幔源包體研究獲得的巖石圈厚度約為80~120 km[4,5]。
地震波各向異性和層析成像系統(tǒng)研究與分析
地球物理探測資料也基本與上述結果一致[6]，這就表明華北東部自早古生代以來發(fā)生了百余公里的巖石圈減薄[3]。
克拉通破壞過程卡通圖解
UC，上地殼；LC，下地殼；LM，巖石圈地幔；A，軟流圈；Ec，榴輝巖；SL，海平面（只具參考意義，未按比例標示海平面上、下垂向涉及的實際范圍。據張長厚等，2011)
自從學術界提出“華北巖石圈減薄”這一科學命題以后，大量的研究集中在上述巖石圈減薄的時間、空間范圍、垂向幅度、減薄機制及其地球動力學控制因素等方面[7,8]。且研究進一步揭示，華北在中新生代期間發(fā)生的一系列地殼層次上的構造變形、巖漿—成礦活動和盆地形成都可能與巖石圈減薄有關。即華北克拉通中新生代的地質演化不僅表現為深部巖石圈的減薄，而且其淺部的地殼也發(fā)生了強烈的改造與活動?；蛘哒f，華北克拉通從整體上已不再具有克拉通所具有的穩(wěn)定特性。
我們把這種克拉通本應具有的穩(wěn)定特征而不再存在的過程稱為克拉通破壞（craton destruction）[8]，或去克拉通化（decratonization）[9]。
華北克拉通地幔過渡帶結構
(a) 地幔過渡帶厚度分布圖；其中黃色圓圈代表地幔過渡帶厚度和660 km間斷面結構都發(fā)生明顯變化的位置；(b) 沿 37°N 的 E-W 向 P 波速度擾動剖面；(c) 沿 A-A′和 B-B′剖面地幔過渡帶厚度與巖石圈厚度的橫向變化對比（據朱日祥等，2011）
盡管克拉通破壞這一現象在北美、南美、西伯利亞、印度等世界上的其他克拉通中也有不同程度的反映，但學術界一致認為，華北是世界上克拉通破壞發(fā)生的最典型地區(qū)[10]，因為其他克拉通盡管發(fā)生了減薄，但其穩(wěn)定的克拉通性質仍然存在。
但究竟為何穩(wěn)定的克拉通會發(fā)生破壞，現在仍然是一個科學之謎。從 2007 年開始，我國國家自然科學基金委員會設立“華北克拉通破壞”重大研究計劃，以期對這一重要而特色的地質現象進行深入而系統(tǒng)地研究。
華北克拉通破壞與改造的地幔對流機制（據朱日祥等，2011）
從目前的研究結果看，導致克拉通破壞的主要機制有拆沉（delamination）、熱侵蝕（thermal erosion）和拉張（extension）三種方式。
拆沉是指由于早期的加厚作用導致深部地殼密度加大，這種重力上的不穩(wěn)定性使高密度的地殼連同下部的巖石圈地幔一同沉入軟流圈，從而使巖石圈減薄。拆沉物質原來所占有的空間被軟流圈取代，而軟流圈由于其高的溫度實現對上部地殼的加熱，進而使克拉通發(fā)生破壞。
熱侵蝕模型認為，克拉通之下軟流圈的“烘烤”使上部物質發(fā)生軟化和熔融，這樣在水平流動產生的切向剪切應力作用下，這一部分物質轉變成軟流圈的一部分，從而實現巖石圈的減薄與克拉通破壞。
所謂的拉張作用是指純粹由于機械伸展使巖石圈減薄的過程。由于華北巖石圈減薄前后的巖石圈地幔在性質上發(fā)生過重大變化，單純的機械拉張顯然不能用來解釋華北的克拉通破壞，但要明確地區(qū)分拆沉和熱侵蝕作用，目前并不簡單。
我國華北屬于比鄰太平洋的東亞大陸，中生代以來太平洋板塊的俯沖作用不可忽視，因為大洋板塊的俯沖會帶入大量的水進入地幔，而這些水進入地球深部后將不斷向上運移而軟化上覆的剛性巖石圈地幔。因此，要解決華北克拉通破壞問題，還必須從更廣的視野來認識我國東部，甚至東亞大陸的地球動力過程。
本文文章內容引自科學出版社《10000個科學難題-地球科學篇》
圖片為編者后期添加
參 考 文 獻
[1] Sengor A M C. Continental interiors and craton: any relation? Tectonophysics, 1999, 305:1?42.
[2] 陳國達. 中國地臺“活化區(qū)”的實例并著重討論“華夏古陸”問題. 地質學報, 1956, 3:239?271.
[3] Menzies M A, Fan W M, Zhang M. Palaeozoic and Cenozoic lithoprobe and the loss of >120km of Archean lithosphere, Sino-Korean craton, China. In: Prichard H M, Alabaster T, Harris N B W, Neary C R. eds. Magmatic Processes and Plate Tectonic. Geol. Soc. Special Publ., 1993, 76: 71?81.
[4] 鄂莫嵐, 趙大升. 中國東部新生代玄武巖及深源巖石包體. 北京: 科學出版社, 1987.
[5] 池際尚. 中國東部新生代玄武巖及上地幔研究. 武漢: 中國地質大學出版社, 1988.
[6] 馬杏垣. 中國巖石圈動力學綱要. 北京: 地質出版社, 1987.
[7] 鄧晉福, 莫宣學, 趙海玲, 羅照華, 杜楊松. 中國東部巖石圈根/去根作用與大陸“活化”. 現代地質, 1994, 8: 349?356.
[8] 吳福元, 徐義剛, 高山, 鄭建平. 華北巖石圈減薄與克拉通破壞研究的主要學術爭論. 巖石學報, 2008, 24: 1145?1174.
[9] Yang J H, Wu F Y, Wilde S A, Belousova E, Griffin W L. Mesozoic decratonization of the North China block. Geology, 2008, 36: 467?470.
[10] Carlson R W, Pearson D G, James D E. Physical, chemical, and chronological characteristics of continental mantle. Rev. Geophys., 2005, 43: 2004RG000156.
編輯：張志越
美術編輯：趙亞楠
校對：吳建國
公眾號：中科院地質地球所
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