克拉通巖石圈地幔的形成與破壞:大洋板塊俯沖的貢獻

湯 艷 杰

(1. 中國科學院地質與地球物理研究所 巖石圈演化國家重點實驗室，北京 100029；2. 中國科學院大學 地球與行星科學學院，北京 100049)

0 引 言

克拉通是地球上古老而又穩定的大陸地塊，由上部地殼和下部巖石圈地幔兩部分構成(圖1)。典型的克拉通具有3個顯著特點：①形成時代老，通常具有大于2.5 Ga的年齡；②巖石圈厚度大于200 km，構造穩定，沒有大規模的火山活動和大地震；③保存有地球上最完整的地質記錄(最老可達4.4 Ga)[1]。因此，傳統理論認為克拉通是穩定的?？死ㄖ阅軌蜷L期穩定存在(大于2.0 Ga)，主要是因為它有巨厚(可達300 km)[2]、剛性的“巖石圈根”[3]，即克拉通巖石圈地幔(圖1)。

圖1 克拉通示意圖Fig.1 Schematic View of Craton

越來越多的研究表明，古老的克拉通并非是一成不變的，其巖石圈地幔的組成和性質會由于外部物質與能量的改造和破壞而發生改變，從而導致克拉通失去穩定性[4]。古老克拉通巨厚、剛性的巖石圈地幔是如何形成的？又是如何被改造和破壞的？這些都是長期以來困擾地學學者的難題。時至今日，這些關乎大陸形成與演化的根本問題仍然沒有得到很好解決?；诖?，本文就目前國際上關于克拉通巖石圈地幔研究進展的個別要點略作評述，以期達到管中窺豹、拋磚引玉之目的。

1 克拉通巖石圈地幔的形成

古老克拉通巖石圈地幔形成于2.5 Ga前的太古宙和2.5～1.6 Ga的古元古代[5-8]。與其他大陸和大洋巖石圈地幔相比，古老克拉通巖石圈地幔有許多不同之處，如高度難熔、厚度巨大、密度較小且地溫梯度低[7]。巖石圈地幔的年齡越古老，其密度越小[9-10]，這是因為其特定的化學組成[9]。古老克拉通巖石圈地幔是在地球演化的早期階段經過殼幔分異事件之后形成的，由原始地幔(以易熔的二輝橄欖巖為主)經過高度部分熔融，大量玄武質熔體被抽取之后殘余的難熔組分(以難熔的方輝橄欖巖為主)組成，因此，古老克拉通巖石圈地幔具有明顯富Mg、貧Fe且高度難熔的組成特征[11-12]。玄武質熔體被大量抽取之后，古老克拉通巖石圈地幔的密度(約3.31 g·cm-3)小于下伏的軟流圈密度(約3.39 g·cm-3)[13]，因此，它能夠長期“漂浮”在軟流圈之上?？死◣r石圈地幔具有機械抵抗力[5]，能夠防止地幔對流造成的破壞，因而能夠長久存在。

目前，學者對克拉通巖石圈地幔的成因認識仍然存在明顯分歧。分歧的焦點主要集中在兩種學術觀點，分別可以用兩種概念模型來代表，即熔融模型和堆積模型。

第一種學術觀點(熔融模型)認為，克拉通巖石圈地幔是地幔物質底辟上升、地幔翻轉或地幔柱攜帶地幔過渡帶的物質上升并發生高度部分熔融產生的[2,11,14-17]，因此，它們代表高度虧損玄武質熔體相對干燥、低密度的熔融殘余[14-16]。熔融模型容易被大家接受，因為它能夠合理地解釋很多觀測到的現象，比如巖石圈地幔的低密度(高度部分熔融的結果)、存在浮力[14-15]、巖石圈厚度與年齡具有正相關性[9-10]等。無水地幔橄欖巖捕虜體的發現能夠表明巖石圈地幔具有足夠的黏度而不受下伏軟流圈的影響[6]。根據該模型可以預測，由于減壓熔融過程中熔體先從巖石圈地幔的上表面和上部抽取，所以地幔熔融柱頂部的密度應相對較低，而底部的密度應相對較高。然而，熔融模型所預測的巖石圈地?；瘜W分層與其他學者的觀測資料和工作模型所預測的結果[7,18]有很大出入。

第二種學術觀點(堆積模型)認為，古老克拉通巖石圈地幔最初是通過俯沖的大洋地殼和虧損地幔疊置堆積而成，虧損地幔包含最初形成于大洋中脊的巖石圈地幔[19-20]。堆積模型也成功地解釋了一些地質現象，比如克拉通巖石圈地幔巨大的厚度[7,17]，巖石圈地幔相對于大洋巖石圈虧損玄武質熔體[5]，以及克拉通地區金伯利巖中產出的榴輝巖捕虜體具有大洋地殼的地球化學特征[17]。然而，該模型也存在一些問題，比如難以解釋大洋巖石圈中相對大量的古大洋地殼物質與金伯利巖地幔捕虜體中相對稀少的榴輝巖捕虜體之間的不一致性[5,7,18]。此外，由于古老的俯沖板片中含有相當厚度的大洋地殼，它可能會受到板塊斷裂和/或板塊后撤的影響而不能發生多重疊置堆積[21]。

為了解決上述長期存在爭議的科學問題，一種新的動力學成因模型——熱機械模型被提出[21-22]，并在最近得到了進一步的發展[2]。最新的研究結果表明，在太古宙板塊構造開始之后，位于俯沖大洋板塊之下具有韌性、浮力、虧損玄武質熔體、熱的巖石圈地幔不能伴隨大洋板塊一起俯沖(圖2)。在大洋板塊俯沖的過程中，不能同步俯沖的黏性巖石圈地幔被迫滯留在相鄰大陸板塊的下面，成為具有克拉通規模的黏性原始陸核[2]。之后，隨著地溫梯度的下降，侵位于大陸之下具有高黏性的虧損地幔也隨之降溫，與大陸地塊合為一體，成為古老克拉通巖石圈地幔。因此，攜帶虧損地幔的大洋板塊在前寒武紀發生的俯沖作用，是形成克拉通之下巨厚巖石圈地幔的先決條件，正是由于巨厚、剛性的巖石圈地幔的存在，才使得克拉通在長期的板塊構造運動中能夠持續穩定存在[2]。這項研究為上述第二種學術觀點提供了新的證據，古老克拉通巖石圈地幔是早期大洋板塊俯沖引起的虧損地幔堆積形成的。也就是說，在地幔高溫的情況下，大洋板塊俯沖觸發熱的且具有黏性的虧損地幔進行大規模流動，侵位并疊置堆積于大陸板塊之下，進而形成古老克拉通巖石圈地幔。

圖件引自文獻[2]圖2 克拉通巖石圈地幔形成的動力學模型示意圖Fig.2 Schematic Views of a Dynamic Model for Formation of Lithosphere Mantle Beneath the Craton

2 華北克拉通巖石圈地幔的破壞

華北克拉通是中國大陸的主要構造單元(圖3)，因其地質記錄較為完整而成為大陸形成和演化研究的天然實驗室。華北克拉通經歷了非常復雜的演化過程，自1.8 Ga形成[23]之后至早中生代，華北克拉通一直處于相對穩定的狀態，與世界上其他克拉通相似，保存有巨厚的太古宙巖石圈地幔[24]。但是，自200 Ma以來，華北克拉通不但發生了強烈的地殼變形和大規模的巖漿活動，而且發生了多次破壞力巨大的強烈地震，如1966年邢臺地震、1975年海城地震、1976年唐山地震。這表明華北克拉通失去了它原有的穩定性，這一現象被國際學術界譽為全球重大地質事件之一。

圖3 華北克拉通位置示意圖Fig.3 Schematic Map of Location of North China Craton

關于華北克拉通破壞這一科學問題的提出，要追溯到20世紀初。早在1927年，著名地質學家翁文灝先生根據中國東部晚中生代的構造-巖漿活動，提出了“燕山運動”的概念，這一術語得到了國內外學者的廣泛認可，并沿用至今；1956～1960年，陳國達先生提出了“地臺活化”的觀點，并進一步論述了華北克拉通的演化特征[25]；20世紀90年代，中外學者基于對中國科學家長期積累的研究資料分析發現，華北克拉通古生代巖石圈的厚度達200 km，而新生代華北克拉通東部巖石圈厚度為60～80 km，即中生代以來，華北克拉通巖石圈的厚度減薄了約120 km，因此，提出了“巖石圈減薄”的概念[26-28]。后來的研究逐漸認識到, 華北克拉通不僅經歷了巖石圈減薄，同時伴隨著巖石圈性質和熱狀態的轉變。原本具有克拉通屬性的華北地殼發生了大規模的韌性變形和強烈的巖漿活動-成礦作用, 說明華北克拉通自顯生宙以來遭受了破壞，克拉通原有的屬性已不復存在，這種地質現象被稱為克拉通破壞[29]。

從2007年國家自然科學基金委員會啟動“華北克拉通破壞”重大研究計劃以來，華北克拉通破壞研究取得了突破性進展，并逐步認識到地表大規模的構造-巖漿活動、頻繁發生的強烈地震和巖石圈巨厚減薄現象是華北克拉通破壞的表現形式[29]，其實質是巖石圈地幔的物質組成和屬性發生了根本性變化。華北地區古生代高度難熔、Sr-Nd同位素富集的克拉通型巖石圈地幔逐漸轉變為新生代相對易熔、同位素虧損的大洋型巖石圈地幔[30-32]。

大量巖石學和地球化學研究進一步發現，巖石圈地幔組成的轉變主要是通過橄欖巖-熔體反應的方式實現的[33]。外來熔體進入巖石圈地幔，并與地幔巖石發生反應，改變了巖石圈地幔的組成，導致華北克拉通巖石圈地幔的屬性發生了根本性轉變，即由古生代大陸克拉通型轉變為新生代大洋型。通過全球對比研究發現，橄欖巖-熔體之間的相互作用導致巖石圈組成和性質發生改變，這種現象具有全球普適性[34]。正是巖石圈地幔屬性的巨大變化，才導致華北克拉通的破壞。

通過系統的地質學、地球物理學、地球化學等綜合研究發現，導致華北克拉通破壞的俯沖板片來自古太平洋。古太平洋板塊的西向俯沖作用引起了華北克拉通地幔不穩定流動與減壓熔融，俯沖板塊釋放的熔/流體改變了上覆巖石圈的組成和性質，俯沖板塊回轉與俯沖帶后撤導致巖石圈強烈伸展。在上述因素的聯合作用下，華北克拉通喪失了原有的穩定性(圖4)。這些認識對華北克拉通巖石圈地幔破壞的原因和機制做出了合理解釋，并提出洋-陸相互作用是克拉通巖石圈地幔破壞的動力學機制[4]。

3 思考與展望

在板塊構造的早期，大洋板塊俯沖觸發俯沖板片與具有高黏性的虧損地幔疊置，最終堆積于大陸之下成為古老克拉通巖石圈地幔。古老克拉通因為具有巨厚、剛性的巖石圈地幔而能夠保持長期的穩定。然而，事物的發展總是相對的。當穩定的古老克拉通巖石圈地幔受到周邊大洋板塊的俯沖作用影響時，克拉通會被改造，甚至發生破壞。在全球范圍內，目前已發現被明顯破壞的克拉通有兩個，分別為中國的華北克拉通和北美的懷俄明克拉通[35]。懷俄明克拉通位于北美大陸的西部，由于受到東太平洋板塊向東的俯沖作用而發生了局部破壞。因此有理由相信，大洋板塊的俯沖作用是導致克拉通破壞的普遍機制[4,36]。綜上所述，早期大洋板塊的俯沖作用使古老克拉通巨厚的巖石圈地幔得以形成；后期由于大洋板塊的俯沖作用，克拉通巖石圈地幔又遭到破壞?！俺梢彩捄?，敗也蕭何”，對于克拉通巖石圈地幔來說，大洋板塊俯沖扮演了蕭何的角色。

中生代古太平洋板塊俯沖，引起華北克拉通之下軟流圈地幔的不穩定流動。大洋板塊在俯沖過程中，隨著溫度和壓力的增加，俯沖板塊脫水并發生熔融，釋放出來的熔/流體上升進入巖石圈地幔，造成巖石圈地幔弱化、熔點降低，并引發大規模熔融。然后，隨著板塊俯沖角度的增加，俯沖帶發生后撤，導致華北克拉通巖石圈被強烈拉伸減薄。在上述因素的共同作用下，克拉通深部的巖石圈地幔被破壞，從而導致克拉通破壞。晚古生代以來，古亞洲洋的閉合和三疊紀以來揚子板塊與華北板塊的碰撞分別對華北克拉通的北緣和南緣造成了一定影響，為晚中生代克拉通巖石圈地幔的破壞創造了有利條件。圖件引自文獻[38]，有所修改圖4 華北克拉通巖石圈地幔演化與古太平洋板塊俯沖作用示意圖Fig.4 Schematic View of Lithospheric Mantle Evolution of North China Craton and the Subduction of Paleo-Pacific Plate

在地球漫長的演化進程中，地球上的大陸分分合合，周而復始。例如，在古元古代晚期(約1.8 Ga)，大陸聚合形成了哥倫比亞超大陸；之后超大陸裂解，在新元古代(約800 Ma)又通過聚合形成了羅迪尼亞超大陸；之后超大陸再次裂解，并于晚古生代(約300 Ma)再次聚合，形成潘基亞超大陸[37]?？死ǖ男纬膳c破壞也必然遵循同樣的規律，由于克拉通保存有最完整的地質記錄，所以克拉通是大陸演化研究的核心。

盡管目前對克拉通形成與破壞的研究取得了突破性的進展，然而仍有許多基本的科學問題等待解決。比如，關于克拉通的形成機制、板塊運動的起始時間與驅動力、地幔柱存在的真實性、地幔對流的規模與速度、板塊俯沖的角度與板塊之間的作用機制等基礎科學問題仍處于探索和爭論中。此外，克拉通形成和破壞過程所造成的地質災害，以及資源、能源與環境效應和生命演化等與人類生存發展密切相關的科學問題也亟待開展深入研究。

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