热点 | 克拉通破坏本质与机理
20世纪60年代建立的板块构造理论，成功地解释了大洋板块的形成、发展和消亡过程，为了解全球构造格局做出了重大贡献，是地球科学的一场革命。然而，板块构造理论无法解释大陆的演化，比如大陆改造或破坏、大陆增生和陆内成矿等基本问题。由于大陆是人类生存和资源能源供给的主要场所，因此，认识大陆演化成为地学最基本的科学问题，更是解决资源能源国家重大需求的根本所在。立足于认识地球整体的演化历史，克拉通成为地球科学研究新的热点。
大陆主要由克拉通和造山带组成。克拉通是地球上重要的地质单元，占地球陆地面积的50%左右（Rudnick and Fountain, 1995）。它主要形成于前寒武纪（>5.4亿年），特别是早前寒武纪（>18亿年）。典型的克拉通具有约200 km厚的岩石圈，而且密度和热流值较低，刚性度较高，从而具有抵抗后期地质作用改造的能力（Pearson, 1999），表现在其形成后无明显的壳内韧性变形和岩浆活动，其上覆沉积盖层呈近水平状产出，现今也无明显大地震活动，成为地球上最稳定的地区。正是由于这种稳定性，克拉通保留了目前地球上最古老的岩石（44亿年）和最完整的地质历史记录（Wilde et al., 2001），成为研究大陆形成与演化最重要的地质体。
但是，华北克拉通却在晚中生代发生了岩石圈地幔属性的转变，导致克拉通整体稳定性的丧失。克拉通岩石圈地幔属性的这种转变被定义为“克拉通破坏”。
华北克拉通自18.5亿年克拉通化之后至整个古生代，一直保持相对稳定，并保存有巨厚的太古宙岩石圈根（池际尚、路凤香，1996；Xu, 2001；Gao et al., 2002）。
但自中生代以来，华北克拉通发生了大规模的构造变形和岩浆活动，形成多种类型的盆地，并伴随产生了大量的金属矿产和油气资源（Yang et al., 2003）。
20 世纪初，翁文灏（1927）根据我国东部晚中生代构造-岩浆（火山）活动情况，提出了“燕山运动”的概念；随后，陈国达（1956, 1960）提出了“地台活化”的观点。
20 世纪90 年代，中外科学家根据对华北克拉通的研究，提出了“岩石圈减薄”（Menzies et al., 1993）或“去根”的概念（邓晋福等，1994）。
随着研究的深入，人们逐步认识到华北克拉通不仅发生了一百多千米厚的岩石圈丢失（Menzies et al., 1993；Griffin et al., 1998），而且岩石圈地幔物理化学性质发生了根本性的改变（Zhu R X et al., 2012a）。
更为重要的是，华北克拉通原有的稳定性遭到破坏，原本稳定的地壳发生了大规模韧性变形和岩浆-成矿活动。我们将这种克拉通稳定性整体丧失的地质现象称为克拉通破坏或去克拉通化（吴福元等，2008b；Yang J H et al., 2008a；Zhu R X et al., 2012a）。
▲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
华北克拉通破坏的动力学过程
大量的地质、地球物理与地球化学研究成果支持古太平洋俯冲是华北克拉通破坏的一级动力学控制因素。这一认识的主要证据可以归纳为如下四个方面。
深部地球物理资料分析揭示，华北克拉通破坏主要发生在重力梯度带以东地区，而以西地区，特别是鄂尔多斯盆地，依然保存着典型克拉通的特征。华北克拉通破坏的空间、东部伸展盆地、主要构造线方位以及变质核杂岩主要沿着北东—北北东向展布，也与古太平洋板块俯冲方向相协调。
在大兴安岭-太行山重力梯度带东、西两侧的新生代玄武岩显示不同的演化趋势，而且两地的地幔组成也有差异。Xu Y G等（2004b）认为这与两地不一致的地壳拉张历史相关。东部的拉张早于西部，并与太平洋板块的俯冲有关；西部则可能与印度-欧亚大陆的碰撞有关。
在中国东部晚中生代发生的侏罗纪和白垩纪两期岩浆作用，分别对应于古太平洋板块向欧亚大陆下的初始俯冲和强烈后撤（Wu et al., 2005a, 2005b；Zhu R X et al., 2017）。
深部地球物理探测资料揭示，早白垩世古太平洋俯冲板片滞留在地幔过渡带（Zhu R X et al., 2015, 2017），表明向西俯冲的古太平洋板块下插在太行山以东的华北克拉通东部之下，使后者位于俯冲大洋板片之上。
地质、地球物理和地球化学综合研究表明，华北克拉通东部（太行山以东）、中部（太行山-吕梁山地区）和西部（鄂尔多斯地块）分别为破坏区、改造区和未破坏区（稳定区）。东部和中部发生破坏和改造的峰期约为125 Ma（Zhu R X et al., 2011, 2012a）。古太平洋板块俯冲引发的地幔非稳态流动是导致华北克拉通东部发生破坏的主要深部过程（Zhu and Zheng, 2009）。
晚中生代古太平洋板块的俯冲效应主要表现为：
俯冲作用导致东亚大陆之下的地幔呈快速流动和不稳定状态，造成华北克拉通上地幔中熔/流体含量的明显增加和岩石圈黏度的大幅降低（Zheng T Y et al., 2008b）；
大洋俯冲板片后撤或不稳定地幔流动使华北克拉通东部岩石圈发生强烈伸展；
在岩石圈地幔熔/流体含量增加、黏度降低以及强烈伸展的共同作用下，华北克拉通东部古老岩石圈地幔发生了根本性的变化，其属性趋于类似年轻（<200 Ma）大洋岩石圈地幔的组成和性质（Zhang H F et al., 2009；Tang Y J et al., 2013c），从而完全丧失了克拉通岩石圈的属性（Zhu et al., 2011）。
值得指出的是，Huang和Zhao（2006）利用地震层析成像揭示的东亚大陆之下的滞留板块，是新生代太平洋板块俯冲的产物，它从日本海沟到东亚大陆地幔过渡带滞留体的最西端总长约2000 km。根据洋壳磁异常观测、全球板块重建模型、数值模拟和海洋盆地动力学研究结果（Funiciello et al., 2003；Bird, 2003；Müller et al., 2008a, 2008b；Seton et al., 2012），认为现今在日本海沟处西太平洋板块的年龄约为130 Ma，俯冲速率约为10 cm/a。依此数据计算，西太平洋板块从日本海沟俯冲到东亚大陆下滞留体最西段大约需要20 Ma。尽管现今滞留在东亚大陆之下太平洋板块的年龄为130 ~ 110 Ma，但滞留板块是在最近20 Ma才俯冲到地幔过渡带的，所以它不可能对早白垩世华北克拉通破坏产生影响。
▲ 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）
真正导致华北克拉通破坏的主要原因是早白垩世古太平洋板块（Izanagi板块）的俯冲与滞留过程（图a）。现今西太平洋俯冲板片滞留体的西部还存在次高速体，并断续延伸到东经100°，在该次高速体的下面还存在另一个次高速体（图b）。这些次高速体可能就是图a所示的早白垩世古太平洋俯冲板片在东亚大陆地幔过渡带的残留和沉陷。
克拉通破坏的本质
华北克拉通东部中生代以来大规模的岩浆活动（玄武岩与花岗岩）、强烈的地壳构造变形（变质核杂岩与伸展和走滑构造）、频繁的地震活动等被认为是华北克拉通破坏的具体标志。它们是华北克拉通破坏的表象，其本质是华北克拉通岩石圈地幔和下地壳组成、结构、性质和热状态发生了根本性的转变，从古老克拉通型岩石圈地幔转变为年轻大洋型岩石圈地幔，从而使华北克拉通东部从稳定状态转化为不稳定状态，这就是克拉通破坏的本质与定义。
▲汉诺坝玄武岩中环带状橄榄岩+石榴辉石岩
复合捕虏体(照片来自樊祺诚)
尖晶石二辉橄榄岩与富钙和铝的硅酸盐熔体相互作用，首先形成富单斜辉石的二辉橄榄岩，随着反应持续增强逐步形成含石榴二辉橄榄岩，最终生成石榴辉石岩，橄榄岩-熔体相互作用造成岩石圈地幔组成的变化。箭头指示反应程度逐渐增加趋势
克拉通岩石圈地幔的具体转化过程为橄榄岩-熔体相互作用。正如图环带状橄榄岩+石榴辉石岩复合捕虏体所示，尖晶石二辉橄榄岩与富钙和铝的硅酸盐熔体相互作用，首先形成富单斜辉石的二辉橄榄岩，随着反应持续增强而逐步形成含石榴二辉橄榄岩，最终形成石榴辉石岩。因此，古老岩石圈地幔与不同时期多来源的熔体的持续反应，是现今整个华北克拉通东部具有主量元素、微量元素和同位素不均匀且相对年轻的岩石圈地幔的关键原因。古生代以来的岩浆底侵作用，是造成华北克拉通东部下地壳组成和结构转变的重要机制。
作为大洋俯冲带及滞留板片上方的大地幔楔，华北克拉通东部的岩石圈地幔受到了来自软流圈和俯冲大洋板片熔体的强烈交代与改造，从而转变为具有大洋型特征的岩石圈地幔。这导致华北克拉通东部岩石圈地幔属性由古老、难熔的克拉通型转变为年轻、易熔的大洋型。我们将这一转化过程称为“地幔转型”。因此，克拉通破坏的本质是古老克拉通型岩石圈地幔被转换为年轻大洋型岩石圈地幔，从而导致了克拉通稳定性的整体丧失——“克拉通破坏”。
克拉通破坏机理
从上述可见，古太平洋板块俯冲导致了华北克拉通的破坏。然而，克拉通破坏仅是华北独特的地质事件，还是全球克拉通演化的普遍现象，值得进一步研究。探究这一问题对认识大陆演化是非常有意义的（Kusky et al., 2014a, 2014b；吴福元等，2014）。
华北克拉通破坏的本质是岩石圈地幔的属性发生了转型，并伴随岩石圈厚度的大规模减薄。那么，地球上其他的克拉通是否也发生过破坏或岩石圈减薄呢？
本文给出并剖析了岩石圈减薄但没有发生克拉通破坏的两个案例：印度克拉通和西伯利亚克拉通。克拉通岩石圈减薄并非华北独有，它是克拉通演化过程中经常出现的一种地质现象。与华北克拉通不同的是，尽管印度和西伯利亚克拉通都发生了岩石圈的减薄，但两者岩石圈地幔属性都未发生显著变化，即克拉通岩石圈减薄但未被破坏。由此表明，岩石圈减薄并不是克拉通破坏的充分条件。
▲ 西伯利亚克拉通金伯利岩分布(a)、时代(b)
及不同时期地温曲线(c)
两个发生克拉通破坏实例：北美克拉通和南美巴西克拉通。古太平洋板块俯冲对美洲克拉通的影响与对华北克拉通的影响非常相似，前者造成了北美怀俄明（Wyoming）克拉通（Lee et al., 2001；Carlson et al., 2005）和南美巴西克拉通（Beck and Zandt, 2002）的局部破坏或改造。
▲ 东太平洋俯冲对南北美洲克拉通的破坏
a. 北美克拉通分布及西缘中生代花岗岩分布图；b. 巴西克拉通西部破坏(Beck and Zandt, 2002)
西非克拉通由太古宙—古元古代变质基底及其上广泛的沉积盖层组成，古元古代的Eburnea造山运动（2.2 ~ 2.0 Ga）使西非克拉通最终稳定和克拉通化。由于四周板块俯冲的影响，西非克拉通边缘地区于新元古代发生了构造活化与岩浆活动——克拉通破坏，由此形成了大规模的金银-多金属矿床。相比之下，北大西洋克拉通虽然发生了岩石圈减薄、伸展和裂解，并导致拉布拉多海的打开，但由于其裂解的主要动力来源是地幔柱，而非大洋板块俯冲，因此没有发生克拉通的破坏，迄今为止，在北大西洋克拉通化之后没有发现具有工业意义的矿床。
从上述讨论可见，克拉通岩石圈减薄是克拉通演化过程中经常见及的一种现象，但减薄并不一定伴随克拉通破坏。地幔柱或地幔上涌是岩石圈减薄的重要途径之一，但目前还没有地幔柱或地幔上涌使克拉通发生破坏的实例。
对已发生破坏的华北克拉通和南、北美克拉通的研究发现，全球克拉通破坏过程与机制可以概括为：
大洋板块俯冲；
俯冲大洋板片后撤；
俯冲板片在地幔过渡带滞留与脱水（Niu, 2005, 2014）；
滞留板片脱水导致所在过渡带上覆地幔（大地幔楔）发生熔融；
熔融过程导致上地幔发生非稳态流动；
非稳态地幔流动导致岩石圈地幔属性转型（转变为大洋型特征），导致克拉通稳定性整体丧失，即“克拉通破坏”。
显然，仅仅有大洋板块俯冲不一定能造成克拉通破坏，全球的许多实例说明了这一点。俯冲大洋板块的脱水与熔体广泛而强烈地交代上覆地幔是克拉通破坏的必要条件。这一过程不仅可使大地幔楔内发生部分熔融而产生广泛的岩浆作用（吴福元等，2014），更重要的是使岩石圈地幔失去原有的刚性与稳定性特质，从而导致稳定性整体丧失（Zhu R X et al., 2012a），并可形成独具特色的以金为代表的克拉通破坏型矿床（Zhu R X et al., 2015）。俯冲大洋板块的脱水不仅可使上覆地幔楔发生部分熔融而出现强烈的岩浆作用，而且可使克拉通岩石圈地幔失去原有刚性特征而发生变形，从而不再稳定（Zhu G et al., 2012）。因此，大规模壳源岩浆活动和壳内韧性伸展变形的发生可视为克拉通破坏的岩石学与构造学的标志。
克拉通破坏作为地球上发生的一种重要地球动力学过程，对大陆的形成和演化有着重要的指示意义。早期大陆地质研究把大陆如何保存作为重要科学问题，而克拉通破坏和大陆深俯冲研究使人们开始重视大陆地壳或岩石圈在演化过程中是如何破坏和消失的。华北东部，南、北美洲西部目前被确认为克拉通破坏的典型地区。我们相信，这一地球动力学过程曾经在地球的演变历史上多次发生过。大陆在初始形成后发生聚合及克拉通化，进而趋于稳定，但这并不是大陆演化的终结。在受到周边大洋板块俯冲作用的影响时，克拉通会发生破坏；待深部地幔恢复到正常状态时，上部的大陆又趋于稳定，完成一次新的克拉通化的过程。大洋板块的俯冲可破坏相邻克拉通的稳定性，导致去克拉通化地质事件的发生，新一轮热构造过程重新开始。因此，克拉通破坏在全球大陆演化过程应普遍存在。
总之，通过多学科对华北克拉通开展的深入与系统的研究，表明岩石圈减薄、大规模的岩浆活动和构造变形只是克拉通破坏的表现形式，其实质是岩石圈地幔转型，其物质组成与物理化学性质发生了根本性的转变，由古老的克拉通型岩石圈地幔转变为年轻的大洋型岩石圈地幔，从而导致克拉通固有稳定性遭到破坏。
对于克拉通破坏的全新认识，核心是阐明了洋-陆相互作用是克拉通破坏的动力学机制，岩石圈地幔转型是克拉通破坏的本质，整体稳定性丧失是克拉破坏的关键，并且克拉破坏代表了全球大陆演化的重要环节。这些新认识提升了人们对大陆演化的深入理解，发展了板块构造理论（Zhu R X et al., 2017）。
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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“第六章 克拉通破坏机制”，有删减修改，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
本书总结和提炼了“华北克拉通破坏”重大研究计划成果中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了华北克拉通的形成与稳定阶段的演化历史。第二章、第三章和第四章分别叙述了华北克拉通破坏的浅部地质特征和过程、克拉通破坏的岩石地球化学证据以及地壳-上地幔结构与克拉通破坏空间范围。第五章讨论了克拉通破坏的成矿效应。第六章总结和概括了克拉通破坏的地质、地球物理和地球化学证据，分析了华北克拉通破坏与古太平洋板块俯冲的关联，讨论了克拉通破坏机制，简要说明了“克拉通破坏”的动力学背景与本质。
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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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