華北克拉通破壞的時空特征與成因

華北克拉通破壞的時空特征與成因

克拉通是地球表層的一個重要組成部分，占地球總面積的約50%。主要形成于前寒武紀（>5.4億）和早寒武紀（>18億）。典型的克拉通具有厚度約200km的巖石圈，密度和熱流值低、剛性高。因此，克拉通能夠避免后續(xù)地質(zhì)作用的變化，并顯示出其形成后沒有明顯的地殼變形和巖漿活動。沉積層覆蓋的巖石層幾乎是水平的，沒有明顯的地震活動?？死ㄊ堑厍蛏献罘€(wěn)定的地區(qū)，留下了現(xiàn)在最古老的材料（44億ia）和最完整的地質(zhì)歷史記錄，成為地質(zhì)調(diào)查以來研究大陸形成和發(fā)展的最重要領(lǐng)域。華北克拉通自18億年克拉通化之后至早中生代一直保持相對穩(wěn)定,并保存有巨厚的太古宙巖石圈根[4~6].但自中生代以來,華北克拉通,特別是其東部,發(fā)生了大規(guī)模的構(gòu)造變形和巖漿活動,形成多種類型的盆地,伴隨產(chǎn)生了大量的金屬礦產(chǎn)和油氣資源.20世紀初,翁文灝先生根據(jù)我國東部晚中生代構(gòu)造-巖漿(火山)活動情況,提出了“燕山運動”的概念;隨后,陳國達先生提出了“地臺活化”的觀點20世紀90年代,中外科學(xué)家根據(jù)對華北克拉通的研究,提出了“巖石圈減薄”或“去根”的概念.隨著研究的深入,人們逐步認識到華北克拉通東部不僅發(fā)生了100多公里巖石圈地幔的丟失,而且?guī)r石圈地幔物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了根本性的改變[14~18].更為重要的是,華北克拉通應(yīng)該具有的穩(wěn)定性遭到破壞,如原本穩(wěn)定的地殼發(fā)生了大規(guī)模韌性變形和巖漿-成礦活動.我們將這種克拉通穩(wěn)定性整體喪失的地質(zhì)現(xiàn)象稱之為克拉通破壞或去克拉通化.很顯然,“巖石圈減薄”只是華北克拉通演化的表象之一,而“克拉通破壞”才是其演化的本質(zhì)所在.穩(wěn)定的大陸克拉通遭到破壞或改造還是人類認知中認識相當有限的一種地質(zhì)現(xiàn)象,對該現(xiàn)象的探索可望成為打開大陸地質(zhì)之門的鑰匙,為認識大陸的形成演化及其效應(yīng)、構(gòu)筑更完善的地球形成與演化理論體系提供新的突破口.國家自然科學(xué)基金委員會部署實施了“華北克拉通破壞”重大研究計劃,集中我國在地球科學(xué)、數(shù)理科學(xué)和信息科學(xué)等領(lǐng)域的優(yōu)勢研究力量,突破傳統(tǒng)學(xué)科界線的束縛,進行了不同學(xué)科間的有效交叉融合,圍繞“華北克拉通破壞”這一核心科學(xué)問題,在大陸形成演化等基礎(chǔ)性和前瞻性研究領(lǐng)域取得了重要進展,為我國的地球科學(xué)做出了突出貢獻.1晚新生代—華北克拉通破壞的時代華北克拉通在古元古代晚期形成后,直到早中生代保持其基本穩(wěn)定的特征,沉積了巨厚的淺海相碎屑巖與碳酸巖.盡管在此之前曾遭受了多期程度不同的改造作用,但這些并沒有徹底改變其克拉通整體穩(wěn)定性的基本屬性.比如,在中元古代時期,華北陸塊內(nèi)部和邊緣發(fā)育大量狹長的裂陷槽,形成巨厚的海相沉積組合,其中尤以燕遼、白云鄂博-狼山、熊耳-呂梁裂陷槽最為典型.這一時期,華北還發(fā)育典型的非造山型巖漿活動,如大洪峪組富鉀火山巖、密云環(huán)斑花崗巖、大廟斜長巖和下馬嶺期基性巖墻群等.早古生代(~4.8億年),華北克拉通東部含金剛石金伯利巖(山東蒙陰和遼寧復(fù)縣)的噴發(fā)及其捕獲的地幔包體說明當時華北克拉通巖石圈的厚度約為200km.幾乎與金伯利巖巖漿噴發(fā)同時,華北克拉通結(jié)束了早寒武世以來大面積發(fā)育的淺海相碳酸鹽巖沉積,開始了長達1.5億年的剝露歷史,并進而在早-中石炭世開始接受新的海陸交互相沉積,至早三疊世結(jié)束.晚古生代華北克拉通北部古亞洲洋的俯沖以及早中生代華南大陸與華北克拉通的碰撞拼合,都對華北克拉通北南邊緣甚至內(nèi)部的演化產(chǎn)生了影響,但這些事件對華北克拉通的改造只是局部的,并不代表華北克拉通整體破壞的開始.晚中生代古太平洋板塊俯沖作用以及蒙古-鄂霍次海的閉合導(dǎo)致華北克拉通動力學(xué)體制發(fā)生重大轉(zhuǎn)折,即由早中生代的南北向收縮或擠壓轉(zhuǎn)變?yōu)榕c古太平洋板塊俯沖相關(guān)的近東西向(NWW-SEE向)的板內(nèi)變形與伸展;正是這次重大動力學(xué)體制轉(zhuǎn)折導(dǎo)致華北克拉通東部的破壞,并在早白堊世(~125Ma)達到峰期.華北克拉通破壞的重要標志是巖石圈減薄、地幔性質(zhì)轉(zhuǎn)變以及殼內(nèi)大規(guī)模韌性變形與巖漿活動,特別是在早白堊世出現(xiàn)大量伸展構(gòu)造(包括變質(zhì)核雜巖、拆離斷層和斷陷盆地)以及與之相伴的巖漿活動和巖石圈地幔物性的改變.變質(zhì)核雜巖構(gòu)造是地殼強烈伸展并使中下地殼物質(zhì)直接剝露至地表的典型構(gòu)造樣式,它在華北克拉通內(nèi)多處存在,從西北的呼和浩特變質(zhì)核雜巖、到中部的京北云蒙山變質(zhì)核雜巖、再到東部醫(yī)巫閭山(瓦子峪)和遼南變質(zhì)核雜巖以及南緣發(fā)育的小秦嶺變質(zhì)核雜巖等.這些伸展構(gòu)造的最大特點是其發(fā)育的近乎等時性(135~115Ma)和運動方向的一致性(NWW-SEE向)[25~27].與之相伴,華北克拉通還發(fā)育了一系列規(guī)模和尺度各異的斷陷盆地(如承德盆地、阜新盆地、膠萊盆地、合肥盆地等)或盆地群(如遼西盆地群、遼東半島盆地群等);這些盆地或盆地群的共性在于普遍受伸展正斷層控制,盡管控盆斷裂延伸方向不同,但其下盤或上盤的運動方向基本一致.值得注意的是,早白堊世的伸展構(gòu)造不僅僅局限于華北克拉通,在我國東北和華南,甚至蒙古東部和俄羅斯貝加爾湖地區(qū)均發(fā)育具有相同特點的伸展構(gòu)造.早白堊世華北克拉通破壞峰期之后,華北陸塊東部已不再具有典型克拉通的屬性,表現(xiàn)形式之一是板內(nèi)區(qū)域性旋轉(zhuǎn)運動[28~30];變質(zhì)核雜巖構(gòu)造分析也揭示了華北克拉通東部區(qū)域性旋轉(zhuǎn)運動與伸展構(gòu)造存在時空耦合關(guān)系.2華北克拉通的地殼和巖石圈厚度分布華北克拉通破壞的空間分布,是深入研究該破壞作用動力學(xué)過程和機制的重要依據(jù),而認識地殼和巖石圈結(jié)構(gòu)性質(zhì)是理解上述克拉通破壞空間分布的有效途徑.對華北克拉通破壞的早期認識主要來自對古生代金伯利巖和中新生代玄武巖及其地幔包體的巖石-地球化學(xué)研究,由于地幔包體和巖漿巖空間分布的局限性,對于缺乏巖石出露的沉積盆地和植被等覆蓋區(qū),巖石學(xué)和地球化學(xué)方法在判斷克拉通屬性時往往會遇到困難.近年來在華北地區(qū)開展的大規(guī)模寬頻帶流動地震臺陣觀測(圖1)為從大區(qū)域獲得華北克拉通破壞空間分布特征提供了科學(xué)依據(jù).利用密集臺陣資料獲得的最新地震學(xué)成像結(jié)果顯示[31~40],華北克拉通現(xiàn)今地殼和巖石圈厚度存在明顯的區(qū)域差異(圖2).克拉通東部普遍分布著薄的地殼(<35km)和巖石圈(60~100km),其中地殼厚度橫向變化不明顯,而巖石圈厚度則從東南邊緣郯廬斷裂帶的60~70km向西北內(nèi)部逐漸增加至90~100km.與東部相比,華北克拉通中-西部地殼明顯較厚,一般在40~60km范圍變化,且大多與地形起伏成鏡像關(guān)系;中-西部巖石圈厚度顯示出強烈的橫向非均勻性,即在穩(wěn)定的鄂爾多斯盆地之下保留著約200km的“厚巖石圈”,而在環(huán)鄂爾多斯的新生代銀川-河套和汾渭裂陷區(qū)則為約80km厚的“薄巖石圈”,且橫向變化大(圖2).需要特別指出的是,地殼和巖石圈厚度在克拉通東部與中部邊界附近的顯著變化,與南北重力梯度帶和地形的突然改變密切相關(guān)(圖2).這些觀測結(jié)果,結(jié)合華北克拉通東部新生代相對飽滿的巖石圈地幔特征和殼源巖漿巖的廣泛分布,清楚地表明華北克拉通東部曾經(jīng)歷了巖石圈地幔的整體性破壞以及地殼的強烈改造和減薄作用(主要是下地殼).因此,現(xiàn)今華北克拉通巖石圈地幔具有新生巖石圈地幔的性質(zhì),地殼則是前寒武紀與顯生宙地殼的“混合型”(或稱其為古老克拉通地殼的改造型).華北克拉通中-西部主體為“厚巖石圈”與局部“薄巖石圈”的觀測結(jié)果說明,華北克拉通中-西部地區(qū)并沒有被破壞,即還保留著克拉通整體穩(wěn)定的屬性,僅發(fā)生了局部巖石圈改造或減薄.這一深部特征的淺表響應(yīng)是中-西部地區(qū)較低的地表熱流和構(gòu)造穩(wěn)定性,以及局部的中生代-新生代巖漿活動.綜上所述,我們將克拉通整體穩(wěn)定屬性未變、而其地殼或巖石圈地幔結(jié)構(gòu)和/或性質(zhì)只發(fā)生局部變化的現(xiàn)象定義為克拉通改造.3地表巖石圈區(qū)域地震層析成像深部地幔是克拉通破壞的重要動力來源,問題是我們?nèi)绾稳ダ斫膺@一過程.我們知道,地球內(nèi)部間斷面的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)是制約地球動力學(xué)的關(guān)鍵因素.因此,對華北克拉通破壞深部過程的研究需要從認識深部間斷面的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)入手.通過分析研究密集流動地震臺陣資料獲得的華北克拉通地幔過渡帶結(jié)構(gòu)圖像[42~45],揭示了地幔過渡帶的厚度在華北克拉通東部和中部邊界附近發(fā)生顯著變化,與此相伴隨的是地幔過渡帶底部(~660km間斷面)結(jié)構(gòu)與物性的明顯橫向變化(圖3(a)).結(jié)合礦物物理實驗研究[47~49],華北克拉通東部較厚的地幔過渡帶(>250km)和中-西部偏薄的地幔過渡帶(≤250km)與區(qū)域地震層析成像顯示的高速(低溫)太平洋俯沖板塊滯留在中國東部地幔過渡帶、其前緣未超過太行山一線的圖像(圖3(b))相吻合,并分別對應(yīng)于華北克拉通東部的整體破壞和中-西部局部巖石圈改造或減薄(圖2,3(c)).華北克拉通東部和中-西部地幔過渡帶厚度還有兩方面的特征值得注意:其一,在巖石圈被整體破壞的東部和局部被改造或減薄的西部地區(qū),地幔過渡帶厚度變化是不同的(圖3(a),(c));比如,在中-西部巖石圈被減薄到約80km的汾渭裂陷和銀川-河套裂陷區(qū),地幔過渡帶也比較薄,厚度大多在245km以下,尤其是巖石圈相對更薄的銀川-河套裂陷之下,地幔過渡帶甚至不足240km.因此,巖石圈被減薄的環(huán)鄂爾多斯裂陷區(qū)對應(yīng)的是相對“薄的地幔過渡帶”,而巖石圈被整體破壞的華北克拉通東部對應(yīng)的是相對“厚的地幔過渡帶”.其二,克拉通東部巖石圈和地幔過渡帶厚度的橫向變化幅度大致相當(都為30~40km),而中-西部巖石圈厚薄差異非常顯著(>100km,圖2),但地幔過渡帶厚度變化則相對平緩(<15km,圖3(a),(c)).這些差異特征進一步表明,華北克拉通中-西部與東部經(jīng)歷的地幔動力學(xué)過程具有明顯的差異,正是這種差異造成克拉通東部整體被破壞,而中-西部僅僅是巖石圈的局部改造或減薄.4克拉通巖石圈是否減薄對于華北克拉通破壞機制,一直存在很大爭議.我們重申,垂向上的巖石圈減薄不等于破壞,就像水平方向上的大陸裂解一樣,也不是破壞.從動力學(xué)角度來看,造成巖石圈強烈改造、減薄和破壞的原因不外乎兩個,即板塊運動引起的板緣作用和深部地幔動力施加的板下作用.這兩者究竟哪種作用在華北克拉通破壞過程中扮演了更為重要的角色呢?對于這一問題,需要從不斷積累的觀測和實驗數(shù)據(jù)中尋求答案,也需要我們從全球的角度來認識.目前,全球主要的克拉通有南非、西伯利亞、北美、南美、東歐、澳大利亞和南極等.通過分析已有資料,我們發(fā)現(xiàn)除資料較少的南極克拉通情況不明外,上述克拉通中只有南非克拉通沒有巖石圈明顯減薄的證據(jù).巖石圈減薄最具代表性的例子是印度克拉通,它的巖石圈厚度從11億年前約200km變化到現(xiàn)在的不足100km.因此,我們說克拉通巖石圈減薄是較為常見的地質(zhì)事件,并非華北克拉通獨有.對全球克拉通資料更詳盡的總結(jié)發(fā)現(xiàn),上述巖石圈減薄主要與地幔熱柱活動有關(guān).如印度克拉通的減薄就與導(dǎo)致65Ma德干玄武巖噴發(fā)的Reunion地幔柱有關(guān).然而上述克拉通巖石圈盡管普遍發(fā)生了減薄,但大多仍然保留其克拉通整體穩(wěn)定的基本屬性,沒有出現(xiàn)強烈的殼內(nèi)韌性變形與巖漿活動等地質(zhì)事件.例如印度克拉通,其65Ma噴發(fā)的德干玄武巖目前仍呈水平狀產(chǎn)出,現(xiàn)今也無明顯的大地震活動.也就是說,克拉通巖石圈減薄并不一定伴隨克拉通破壞;如果再考慮到南非、西伯利亞、北美、南美等克拉通下方曾有過超級地幔柱活動、而這些克拉通仍保持穩(wěn)定未被破壞的事實,我們認為,地幔柱有可能使克拉通巖石圈減薄,但不能使其破壞.大陸巖石圈穩(wěn)定性模擬研究也表明,典型克拉通巖石圈底部的熱-機械侵蝕作用是較為有限的,即使直接位于超級地幔柱之上并與其發(fā)生相互作用,克拉通巖石圈地幔根也需要大約2億年以上的時間才能被顯著侵蝕減薄,更不用說克拉通的破壞.排除了地幔深部運動施加的板下作用,我們可以推論,克拉通破壞可能更多地與板緣作用有關(guān),這在北美克拉通表現(xiàn)最為明顯.研究發(fā)現(xiàn),由于太平洋板塊的俯沖作用觸發(fā)了地幔的非穩(wěn)態(tài)流動,致使該克拉通西緣巖石圈不僅減薄,而且被破壞了[58~60];同樣,現(xiàn)有的各種觀測資料表明,中生代以來太平洋板塊向東亞大陸的持續(xù)俯沖所引發(fā)的非穩(wěn)態(tài)地幔流動對華北克拉通東部的整體性破壞起了重要作用.這一結(jié)論首先來自太平洋俯沖事件與華北克拉通破壞在時間和空間上的相關(guān)性.從時間上來說,華北東部大規(guī)模巖漿活動、區(qū)域性構(gòu)造伸展和大規(guī)模成礦等均是反映巖石圈減薄和破壞的地質(zhì)現(xiàn)象,與太平洋板塊生長速率顯著增加和俯沖方向突然變化的時間相對應(yīng).從空間上來說,南北重力梯度帶和郯廬斷裂帶兩條中國東部大型構(gòu)造帶的走向(圖1),也都顯示出與太平洋板塊俯沖的相關(guān)性.新的地震學(xué)研究揭示,華北克拉通東部的破壞與這些淺表地質(zhì)特征和太平洋板塊在地幔過渡帶的滯留具有對應(yīng)性(圖2,3).這反映了太平洋板塊俯沖過程對東部地區(qū)從地表到上地幔以及地幔過渡帶的結(jié)構(gòu)與物性都產(chǎn)生了強烈影響,導(dǎo)致華北克拉通下方產(chǎn)生不穩(wěn)定的地幔流動體系,造成過渡帶間斷面形態(tài)的高度不均勻,引起上地幔減壓熔融或地幔物質(zhì)沿著克拉通根向上流動和停滯在過渡帶的俯沖板塊部分沉入下地幔.另一方面,上述不穩(wěn)定的地幔流動體系及太平洋板塊的俯沖還引起弧后拉張作用,導(dǎo)致華北克拉通東部普遍發(fā)育NWW-SEE向伸展構(gòu)造.在這樣的動力背景和非穩(wěn)態(tài)地幔流動體系共同作用下,早白堊世(130~120Ma)華北克拉通東部巖漿活動達到高峰.由此可見,華北克拉通東部整體性的破壞與太平洋板塊俯沖引起的地幔不均一流動密切相關(guān).太平洋板塊俯沖之所以有別于華北克拉通所經(jīng)歷的其他板塊俯沖事件(如晚古生代古亞洲洋向華北的俯沖、早中生代揚子向華北的俯沖等),除了太平洋板塊本身的特征和俯沖歷史之外,還與晚中生代全球構(gòu)造背景有關(guān).在早白堊紀,太平洋超級地幔柱的上升與特提斯洋關(guān)閉相關(guān)的地幔雪崩事件以及岡瓦納大陸的裂解事件等使太平洋板塊俯沖加速,并引起其俯沖方向和速率的顯著改變[24,63,65,66,67,68].大洋板塊的快速俯沖與白堊紀全球地幔的整體明顯升溫,增強了流體交代、熔融作用和巖漿活動,觸發(fā)了俯沖帶及其鄰近區(qū)域地幔流動非穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn),導(dǎo)致上覆巖石圈地幔弱化;同時,非穩(wěn)態(tài)地幔流動進一步促使克拉通內(nèi)力學(xué)薄弱帶發(fā)生構(gòu)造活化,從而更有利于巖石圈的弱化和破壞(圖4).上述作用必然造成巖石圈底部熱-機械-化學(xué)侵蝕效率的顯著提高,并進一步加速重力失穩(wěn)和下地殼與巖石圈地幔拆沉等克拉通不同破壞方式的發(fā)生.以上論證了太平洋板塊俯沖導(dǎo)致的地幔非穩(wěn)態(tài)流動是華北克拉通東部破壞的主因,那么華北克拉通中-西部巖石圈局部改造或減薄的動力又來自何處?如前所述,中-西部地區(qū)以>100km的小尺度巖石圈厚薄差異和<15km的地幔過渡帶厚度平緩變化為特征.如果僅考慮溫度因素,根據(jù)礦物物理實驗結(jié)果,<15km的地幔過渡帶厚度差異對應(yīng)于不到100℃的溫度異常.顯然,中-西部強烈的巖石圈厚度變化不可能完全由這一弱溫度異常及其所對應(yīng)的現(xiàn)今深部地幔過程來解釋.該地區(qū)巖石圈顯著減薄的兩個新生代裂陷區(qū)都對應(yīng)于早先存在于克拉通的古元古代構(gòu)造帶.相對于太古代克拉通的核心部分,這些古老構(gòu)造帶強度相對較弱,更易于受到后期構(gòu)造事件的影響.因此,華北克拉通中-西部巖石圈局部改造或減薄與其早期