国家自然科学基金重大研究计划：华北克拉通破坏

地球表面由大陆和大洋两部分组成。大陆仅占整个地球表面面积的三分之一，却是人类赖以生存的场所，人类所利用的自然资源95%以上来自于大陆。因此，大陆的演化以及人类赖以生存所需资源的形成一直是固体地球科学中最根本和最重要的科学问题。

大陆由造山带与克拉通两种基本地质单元组成。克拉通最基本的特征是形成时代古老且长期保持稳定。克拉通能够保持稳定的原因，是其具有低密度和低水含量的巨厚岩石圈。克拉通岩石圈不仅有很强的刚性，而且能够漂浮在软流圈之上，使其在很大程度上能抵御后期各种地质作用的改造与破坏。因此，全球大多数克拉通在形成之后基本不发生大规模的构造变形、岩浆作用和地震活动，也缺少大规模的内生成矿作用。

华北克拉通有大于38亿年的古老岩石记录，从18.5亿年前最终形成至2亿年前，一直保持其稳定性。然而，自2亿年前以来，特别是晚中生代，华北克拉通频繁发生大规模岩浆活动并经历多期强烈地壳变形，原有的克拉通结构和稳定性被不同程度地改造和破坏。华北克拉通晚中生代构造演化表明，克拉通既可以保持长期稳定，也可以被破坏和改造。克拉通破坏这一地质现象无疑向经典板块构造理论提出了挑战。显然，稳定的克拉通如何被破坏成为一个需要深入探索的重大科学问题。

▲ 中侏罗世—新生代古西太平洋和西太平洋板块俯冲过程以及对华北克拉通构造演化的控制

a. 中侏罗世古西太平洋板块呈低角度俯冲到华北克拉通东部之下，导致华北克拉通发生挤压变形。b. 晚侏罗世高角度俯冲造成华北克拉通发生伸展，引发火山喷发和裂谷盆地。c. 早白垩世早期俯冲角度变浅，再次引发华北克拉通缩短变形。d. 早白垩世西太平洋板块高角度俯冲造成华北克拉通岩石圈大规模伸展减薄，引发强烈岩浆活动并形成裂谷盆地和变质核杂岩。俯冲带后撤、俯冲板块回转和在地幔过渡带滞留脱水，以及深部不稳定地幔流形成这些构造过程的联合作用最终破坏了华北克拉通的稳定性。e. 年轻且富浮力的古西太平洋板块在晚白垩世逐渐进入俯冲带，造成这一时期岩浆活动和构造活动的暂时停滞，华北克拉通处于构造相对平静期。f. 始新世洋中脊俯冲导致华北克拉通东部伸展和发生基性岩浆活动，渤海湾盆地开始形成。g. 老的洋壳俯冲导致海沟后退、板片回转及俯冲板片在地幔过渡带的滞留。华北克拉通东部由于逐渐远离俯冲带，伸展作用明显减弱，总体以大面积拗陷沉降为特征

华北克拉通破坏过程不仅导致一系列重大地质事件的发生，而且使华北成为我国战略矿产资源（黄金、铁、钼等）和能源资源（油气、煤炭）的重要产地。围绕华北克拉通破坏开展综合研究，不仅是探索大陆构造新理论的一个切入点，也是寻找战略矿产资源和能源资源接续基地的国家需求所在。

▲ 克拉通破坏型金矿成矿过程示意图

莫霍面深度和地壳内部结构主要参照 Zheng T Y 等(2008a, 2008b, 2009)和王帅军等(2008, 2014)。

中-新生代时期的华北克拉通大规模地壳变形和岩浆活动早已被中国地质学家所认知。“燕山运动”和“地台活化”等概念提出便是基于对华北克拉通侏罗-白垩纪构造-岩浆活动的研究而提出的。随着研究的不断深入，“岩石圈去根”“岩石圈减薄”以及“岩石圈拆沉”等概念相继被提出，尤其是发现华北克拉通东部岩石圈厚度在晚中生代被减薄了一百多千米。然而，由于早期深部结构探测能力和岩石实验测试能力所限，对华北克拉通破坏发生的时空范围以及克拉通丧失稳定性的深部过程始终缺乏合理的科学解释。克拉通为何被破坏因此成为困扰地球科学家近百年的科学难题。

▲ 克拉通破坏深部过程示意图

显示克拉通破坏与平板俯冲、板片脱水、板片回撤、地幔流动、地幔熔体、熔体-橄榄岩反应等复杂深部过程的成因联系和耦合关系(据 Kusky et al., 2014a)

2007～2017年期间进行的国家自然科学基金重大研究计划“华北克拉通破坏”集中了中国地球科学领域的优势力量，充分发挥地质、地球物理、地球化学等多学科综合优势，通过观测、实验和理论研究，从地球系统科学的角度来探索华北克拉通破坏的时空范围和过程，揭示地球内部不同圈层的相互作用和动力学机制，探索克拉通破坏的资源效应，查明“克拉通破坏”的本质与机制。

• 通过全面开展野外地质考察、深部结构探测和岩石-地球化学测试，目前已获得了系列原始观测信息，为深入研究华北克拉通演化提供了重要的基础资料。

• 先进的探测技术和高精度测试手段揭示了华北克拉通的深部结构与构造，明确了克拉通岩石圈厚度的变化规律，查明了中-新生代岩浆作用的时空差异，厘定了克拉通破坏的时空范围。

• 在探索克拉通破坏深部过程与浅部效应的同时，重点分析了胶东金矿床与克拉通破坏过程中大规模伸展构造和岩浆作用的关系，提出了“克拉通破坏型”金矿床类型。

• 上述综合研究确定了早白垩世古太平洋板块俯冲作用是导致华北克拉通破坏的驱动力和一级控制因素。

• 古太平洋板块俯冲、回撤以及俯冲板片在地幔过渡带的滞留脱水使上覆地幔发生熔融，由此产生的地幔非稳态流动被认为是导致克拉通破坏的重要热-构造过程。

• 岩石圈减薄、大规模岩浆活动和地壳构造变形只是华北克拉通破坏的不同表现形式，而克拉通破坏的实质是岩石圈地幔物质组成和物理化学性质发生了根本性的转变。

▲ 华北克拉通岩石圈厚度(LAB 深度)分布图

等值线上的数字表示岩石圈厚度值，细白实线勾勒出新生代环鄂尔多斯地堑系，虚线示构造边界，灰色半透明条带为南北重力梯度带。数据来源：Chen L et al., 2006a, 2008, 2009, 2014；Chen, 2009；张耀阳，2017

《华北克拉通破坏》专著总结和提炼了对华北克拉通物理化学性质、地壳-上地幔结构、岩浆作用、构造演化、成矿效应、破坏机制等方面的科学认识。

• 第一章从基底构造格局、早期陆壳生长与克拉通化以及稳定阶段的岩浆-沉积作用等方面论述华北克拉通的形成与稳定阶段的演化历史（郭敬辉、彭澎、孟庆任撰写）。

• 第二章、第三章和第四章分别叙述华北克拉通破坏的浅部地质特征和过程（朱光、孟庆任撰写）、克拉通破坏的岩石地球化学证据（张宏福、汤艳杰、夏群科撰写）以及地壳-上地幔结构与克拉通破坏空间范围（郑天愉、陈凌、赵亮、何丽娟撰写）。

• 第五章讨论克拉通破坏的成矿效应（李建威、李占轲、毕诗健、段壮撰写）。

• 第六章总结和概括克拉通破坏的地质、地球物理和地球化学证据，分析华北克拉通破坏与古太平洋板块俯冲的关联，讨论克拉通破坏机制，简要说明“克拉通破坏”的动力学背景与本质（朱日祥撰写）。

朱日祥和朱光对全书进行统稿和修改。

▲ 华北克拉通破坏的深部过程模型

a.早白垩世华北克拉通深部过程以及克拉通破坏与金成矿关系。图中向东亚大陆俯冲的板块是推测的早白垩世古西太平洋（Izanagi）板块。现今观测结果虽无法揭示古西太平洋板块在早白垩世向东亚大陆之下的俯冲状态，但根据全球板块重建模型和海洋盆地动力学研究结果（Bird, 2003；Müller et al., 2008a, 2008b；Seton et al., 2012），我们可将现今西太平洋板块向东亚大陆之下的俯冲（Huang and Zhao, 2006 ）作为早白垩世古西太平洋板块俯冲状态的参照物。据此推论，早白垩世古西太平洋俯冲板块在东亚大陆之下的长度大约为2000 km（图a中板块俯冲部分与在过渡带滞留部分之和）。根据Seton等（2012）全球板块重建模型，当时海沟处俯冲板块的年龄约为160 Ma，俯冲速率大约60 ~ 120 km/Ma。按80 km/Ma的平均俯冲速率来计算，当时东亚大陆之下古俯冲板块的年龄约为160 ~ 135 Ma（从西到东）。b.华北克拉通地幔过渡带速度结构（据Huang and Zhao, 2006, 图12a）

本书的观测资料及所获得的认识来源于“华北克拉通破坏”重大研究计划的各项研究成果，可以说本书是参与这一重大研究计划的广大科技工作者的集体成果。在此对参与该计划的所有科学工作者和国家自然科学基金致谢。感谢“华北克拉通破坏”重大研究计划专家组和工作组在计划实施中高屋建瓴的指导。

本文摘编自《华北克拉通破坏》（朱日祥等著. 北京 : 科学出版社, 2020.6）一书“前言”，标题为编者所加。

国家出版基金项目

ISBN 978-7-03-065069-6

责任编辑：孟美岑 韩 鹏

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华北克拉通破坏图集

ISBN 978-7-03-065341-3

朱光等编. 北京：科学出版社, 2020.6

《华北克拉通破坏图集》是《华北克拉通破坏》专著的配套出版物，为读者提供了华北克拉通的基础地质、地球化学图件，以及地壳、岩石圈和上地幔结构信息。该图集以华北克拉通为主要编图区域，从地质、地球化学和地球物理三个方面展示了华北克拉通破坏的最新研究成果，由地质、地球化学和地球物理三类图件组成，共计83幅。《图集》中的图件都附有详细说明，对制图所采用的数据类型、数据来源、处理方法和主要结论进行了介绍。这些基本图件为深入研究中国大陆演化提供了基础数据，将有助于地学工作者及相关科学家了解华北克拉通演化和破坏过程，获取相关信息。

 （本文编辑：刘四旦）

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