华北克拉通破坏-经典论文-朱日祥院士

中国科学:地球科学2012年第42卷第8期:1135~1159英文引用格式:ZhuRX,XuYG,ZhuG,etal.DestructionoftheNorthChinaCraton.SciChinaEarthSci,2012,doi:10.1007/s11430-012-4516-ySCIENCECHINAPRESS评述自然科学基金项目进展专栏华北克拉通破坏朱日祥①*,徐义刚②,朱光③,张宏福①,夏群科④,郑天愉①①中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室,北京100029;②中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室,广州510640;③合肥工业大学资源与环境工程学院,合肥230009;④中国科学技术大学地球和空间科学学院,合肥230026*E-mail:[e-mail]收稿日期:2012-03-27;接受日期:2012-06-18国家自然科学基金委《华北克拉通破坏》重大研究计划(批准号:90714001,90714004,90714008,90714009,91014006,91114206)资助摘要《华北克拉通破坏》重大研究计划,围绕克拉通破坏的时空范围、克拉通破坏的浅部效应和深部结构响应、克拉通破坏的动力学机制等核心科学问题,开展了系统与深入的探测、测试与研究.计划执行四年来的重要研究进展包括:(1)发现华北克拉通岩石圈厚度以及地壳-上地幔结构存在显著的空间差异,确定了华北克拉通破坏的时空范围;(2)厘定了华北克拉通古生代、中生代、新生代岩石圈的属性,发现了晚中生代华北克拉通岩石圈地幔富水而新生代岩石圈地幔贫水的特征;(3)根据岩浆作用和浅部地质响应的相关性,证实了地表地质构造受控于克拉通破坏的深部过程;(4)发现太平洋板块俯冲是华北克拉通破坏的主要动力因素的证据,揭示了华北克拉通破坏在板块构造体系中的科学意义.关键词重大研究计划研究进展克拉通破坏华北地球是太阳系中充满活力的子系统,在持续的变动中生存了46亿年.地球科学家们从物质、运动、化学变化、物理场、地质构造各种角度探测人类赖以生存的地球,不断寻找她的行为规律.20世纪60年代提出的板块构造理论,从全球尺度看到了地球各部分发生的动力构造作用的关联.自此,以动力学体系为思考点,地球科学开启了新的篇章.大陆漂移假说和海底扩张模型启蒙了板块构造理论,海底磁异常条带为板块构造理论提供了最有力的观测证据.然而,从海底扩张到海洋板块俯冲的几亿年海底循环,只是地球漫长演化历史中的一个片段.有几十亿年寿命的大陆,如何在全球动力学体系中生长、消亡?是被地幔对流、海底扩张掌控的周而复始的变动?还是有被大陆演化掌控的过去与未来?地球科学研究没有止步于板块构造理论,在对大陆动力学的研究中不断提出了诸如地壳增生、壳幔循环、大陆俯冲/折返、大陆再造等等新的命题.无论是关注人类生存环境,还是被自然的奥秘所吸引,华北地区一直备受地球科学家的亲睐.从1927年翁文灏教授[1]提出“燕山运动”来表述中国东部地区中生代中后期发生的强烈构造运动,到1956~1960年陈国达教授[2]创立的“地台活化”理论;近百年来,我国的地质学家运用不同的学术观点,对华北大地构造的发展规律,作了认真的探索.20世纪80年代以来,基于地质观测和实验研究,“大陆深俯冲”[3](华北南缘,秦岭-大别)和“岩石圈减薄”[4](华北克拉通东部)等重要设想脱颖而出.比如,朱日祥等:华北克拉通破坏1136通过对华北克拉通东部出露的早奥陶世含金刚石金伯利岩(山东蒙阴和辽宁复县)中地幔捕虏体的研究,提出了早古生代华北东部岩石圈地幔具有典型克拉通性质的推论.在该金伯利岩形成时(约470Ma),华北克拉通具有大约200km厚的岩石圈.然而,由新生代玄武岩中的幔源包体研究获得的岩石圈厚度约为80~120km,表明华北克拉通东部自早古生代以来发生了百余公里的岩石圈减薄.岩石学和地球化学研究,获得了许多来自地球深部样品的直接数据,探讨了可能改变岩石圈地幔性质的物理和化学过程,提出了拆沉作用、热-化学/机械侵蚀作用、橄榄岩-熔体相互作用和机械拉张,以及进入岩石圈的水弱化模型等有关破坏方式的多种见解[5~11].在追寻导致岩石圈减薄的动力构造作用的研究中,我们逐渐认识到,华北克拉通不仅仅是经历了岩石圈减薄,同时伴随着岩石圈性质和热状态的转变.原本具有克拉通地壳属性的华北地壳发生了大规模韧性变形和岩浆-成矿活动,这说明华北克拉通显生宙以来遭受了破坏,克拉通原有的属性已不复存在.我们将这种克拉通属性整体丧失的地质现象称之为克拉通破坏.显然,“岩石圈减薄”只是华北克拉通演化的表象之一,而“克拉通破坏”才是其演化的本质所在[12].克拉通破坏的方式可以是多样性的,既可能是拆沉方式,也可能是热侵蚀方式;熔体-橄榄岩反应既可能是板片-地幔相互作用的体现,也可能是不同地幔岩石之间相互作用的体现.不同的先存构造背景会产生破坏方式的相应差异.在地球动力学机制上,华北克拉通破坏主要受控于太平洋板块的西向俯冲[11].过去几年,中国科学家以全球的视野,采用“天然实验室研究”的科学模式,全面推开了对华北克拉通的地质、地球物理、地球化学综合研究.特别是国家自然科学基金委员会从2007年起设立的重大研究计划《华北克拉通破坏》主要围绕以下5个核心科学问题开展研究:(1)华北克拉通破坏的时空分布;(2)华北克拉通破坏的深部结构和热-构造-流体过程;(3)华北克拉通破坏与地表环境、资源聚集和地震活动之间的关系;(4)华北克拉通破坏的机制、过程和动力学;(5)克拉通破坏在全球地质和大陆演化中的意义.以流动地震台阵观测和微区微量原位同位素示踪技术等为支撑,获取高精度、高分辨、规模性、多属性的观测测试数据,进行海量信息(数据)的分析研究.以观测和实验证据为基础,通过多学科综合研究,获得了有关华北克拉通破坏的时空分布范围、过程与机理,克拉通破坏的深部结构响应和动力构造体制,克拉通破坏的浅部效应及对矿产资源、能源、灾害控制机理的新证据和新认识,提升了对大陆形成与演化的认知水平.本文概要评述迄今为止已经获得的对于华北克拉通破坏的新认识.1深部结构探测研究“克拉通破坏”在全球克拉通演化中担当什么角色?能为大陆动力学研究提供什么新认识?探讨这个问题,不仅仅要研究岩石圈形态和性质变化及其过程,也必定要研究造成华北克拉通破坏的动力构造体制.从伸展构造和岩浆作用考虑,地幔柱、岩石圈拆沉诱发软流圈上升,或者是与板块俯冲相关联的独特地幔物质流动系统,这些动力构造作用都有可能提供改变岩石圈性质的能量和物质.地壳-上地幔的结构和性质是识别这些动力构造作用的不可缺少的依据.针对这一科学目标,《华北克拉通破坏》研究计划在华北克拉通及周缘部署了密集的流动台阵(975个台站)的地震观测;并结合主动源地震探测的互补性,完成了3条长观测距人工地震宽角反射/折射剖面(总长度3400km)和2条气枪源OBS深地震海陆联合观测剖面(总长度900km).观测剖面覆盖华北克拉通及周缘主要构造边界(图1).新的高质量、密集采样的地震记录数据,为我们进行全区域的深部结构探测提供了可靠的观测依据.1.1华北克拉通破坏的空间范围冷的、难熔、亏损、古老岩石圈根的丢失是人们提出华北克拉通活化(被改造/破坏)的基本依据.Chen等[13]发展了基于波动方程叠后深度偏移的接收函数成像方法;采用覆盖华北克拉通的地震观测,用S波和P波接收函数对岩石圈底界面转换波进行偏移成像,获得了华北克拉通岩石圈的厚度分布(图2)[14~17].结果表明,华北克拉通东部普遍分布着薄的岩石圈,从东南边缘郯庐断裂带的60~70km向西北内部逐渐增加至90~100km.中-西部岩石圈厚度显示出强烈的横向非均匀性;即在鄂尔多斯盆地之下保留着约200km厚的岩石圈,在环鄂尔多斯的新生代银川-河中国科学:地球科学2012年第42卷第8期1137图1华北及周缘地区地震观测台站和观测剖面分布红色三角表示流动台,紫色三角是在水下的海底地震台,蓝线是人工地震宽角反射/折射剖面;绿色三角是研究采用了数据的中国国家数字台网的固定台站.文中以及图2和图4中用到的剖面名称标注在图中套和汾渭裂陷区岩石圈厚度薄,且横向变化大.岩石圈厚度在华北克拉通东部与中部边界附近的显著变化,与南北重力梯度带和地形的突然改变密切相关.根据华北克拉通东部和西部岩石圈厚度[14~17]以及地壳结构[18~22]存在的显著差异,可以确定华北克拉通破坏主要发生在太行山以东地区.1.2地壳结构纪录了克拉通自形成以来的构造演化信息华北克拉通最古老的地壳形成信息可追溯到40亿年左右,25~30亿年是华北克拉通地壳形成的主要时代.处在相对低的温度、压力条件下,地壳结构中能够最大程度保留长期构造演化的记录.Zheng等[18~22]采用接收函数综合成像方法,完成了沿地震观测剖面的地壳精细结构成像.图3展示了东西走向贯通华北克拉通的利津-大同-鄂托克(NCISP-2,NCISP-4)剖面的地壳S波速度结构.对比剖面穿过的东、中、西三部分的结构变化,清楚显示了华北克拉通演化留下的构造痕迹.东部渤海湾盆地下有2~12km厚的沉积盖层,地壳薄(~30km)、速度低,壳内的高低速互层水平延展;充分表现了地壳的伸展、减薄,大规模韧性变形等一系列被改造的构造特征.而在剖面西部,~40km厚的平坦的分层地壳结构具有克拉通地壳的特征.在中部地区,地层起伏,壳内有倾斜的和水平展布的低速层,以及深度达46km的地壳根带,推测是陆块碰撞拼合构造作用的痕迹[20].东部和西部地壳结构存在的显著差异及相应的构造面貌,进一步揭示了华北克拉通破坏主要发生在太行山以东地区.大量的中生代火成岩,特别是花岗岩在华北克拉通东部地区的广泛分布,由变质核杂岩标志的壳内韧性变形,以及伸展、减薄和高低速互层的东部地朱日祥等:华北克拉通破坏1138图2华北克拉通岩石圈厚度等值线图引自文献[12].等值线上的数字表示岩石圈厚度值图3沿东西走向贯通华北克拉通的地震观测剖面(NCISP-2和NCISP-4)的地壳S波速度结构速度结构数据来自文献[18,20].S波速度值由右侧色标标注壳结构,表明岩石圈的破坏不单是岩石圈地幔性质被改变,同时与之相伴的是地壳,特别是下地壳被强烈改造.地震成像研究揭示了在壳幔边界结构中保留了地幔岩浆作用的记录.从燕山地区的接收函数数据的叠加剖面可清晰追踪到振幅强、波形尖锐的Moho面PpPs震相;而在太行山地区Moho面的PpPs震相则是散布的数个小振幅波[22].通过对Moho面的Ps转换波(上行P波在Moho面折射后的S波部分)和PpPs多次波(上行P波在Moho面折射后进入地壳,经表面反射和Moho面反射后的S波部分)波形的正、反演分析,确认这两个相邻地区Moho面震相特征的差异是二者壳幔边界结构不同的结果[22].燕山地区壳幔边界强烈的速度反差可能是下地壳和岩石圈拆沉诱发软流圈上升,形成速度显著不同的物质分界中国科学:地球科学2012年第42卷第8期1139面;岩浆底侵有可能造成太行山地区的厚的壳幔过渡带.对燕山和太行山地区壳幔边界结构的地震观测结果,揭示了华北克拉通破坏过程中不同地区经历了不同的岩浆作用和地壳改造过程.1.3在岩石圈地幔内残留的大陆演化痕迹在对华北克拉通演化的研究中,壳-幔界面和岩石圈-软流圈界面是地震探测的主要目标;较强的速度变化以及可以连续追踪的速度间断面有利于对地震信号的识别.对岩石圈地幔内部,由于地震信号弱,又有地壳多次波的混扰,结构识别变得相当困难.Zheng等[23]采用了对共转换点(CCP)叠加成像的理论图测试方法,来区分地壳多次波与岩石圈地幔间断面转换波;在Moho面到100km的深度范围内,识别出岩石圈地幔内的速度界面.图4是对位于华北克拉通不同区域6条剖面的地壳和岩石圈地幔内界面的CCP成像结果.剖面NCISP-4大部分(111°E以西)和NCISP-7北半部位于华北克拉通西