华北克拉通破坏与岩石圈减薄.pdf

华北克拉通破坏与岩石圈减薄.pdf

《华北克拉通破坏与岩石圈减薄.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《华北克拉通破坏与岩石圈减薄.pdf（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第82卷第2期2008年2月地质学报ACTAGEOLOGICASINICAVol.82No.2Feb.2008注:

本文为中国国家自然科学基金海外青年合作基金,中国科学院杰出海外青年学者基金和加拿大自然科学和工程研究基金联合资助的成果。

收稿日期:

2007-08-28;改回日期:

2007-11-02;责任编辑:

郝梓国。

作者简介:

嵇少丞,男。

留法博士（1987）,加拿大蒙特利尔综合工学院教授,中国科学院广州地球化学研究所和国土资源部大陆动力学实验室客座教授。

主要从事地球材料流变学、岩石物理和深部构造方面的研究。

Email:

sjipolymtl.ca。

华北克拉通破坏与岩石圈减薄嵇少丞1,2）,王茜1）,许志琴3）1）加拿大蒙特利尔综合工学院民用、地质与采矿工程系,蒙特利尔,H3C3A7;2）中国科学院广州地球化学研究所,广州,510640;3）中国地质科学院地质研究所国土资源部大陆动力学重点实验室,北京,100037内容提要:

古太古代（约4.0Ga）时地球上可能只有一个超级大陆,它的岩石圈厚度高达400km。

在早元古代,这个超级大陆减薄、裂解成十几块,每块中心是太古宙岩石,边缘是元古宙岩石,且各块厚度不等（150350km）。

从元古宙之后这些被称之为稳定克拉通的大陆岩石圈就一直漂游在地幔软流圈之上。

中国华北地块就是这些克拉通之一,与众不同的是它在中生代时遭受了第二次破坏,岩石圈厚度从古生代时的180200km减少到现今的80100km。

本文作者从流变学的视角出发,围绕华北克拉通破坏和岩石圈减薄这一核心问题,从岩石圈厚度的定义、应变弱化及其机理、岩石圈减薄的时空不均一性、岩石圈减薄的构造模型、郯庐深大断裂的作用以及地幔热转流的效应等6个方面分别阐明一些自己的观点,希望能与华北克拉通研究的同行们讨论。

关键词:

华北克拉通;岩石圈减薄;流变学;应变弱化;郯庐断裂;地幔热转流大陆岩石圈与大洋岩石圈不同。

大洋岩石圈具有高波速、高密度,随着年龄的增加逐渐增厚,且越来越深地向软流圈沉降（Turcotteetal.,1982;Anderson,1989）,地球上年龄200Ma的大洋岩石圈几乎全都已经俯冲到软流圈中去了（这是板块构造理论最精彩的内容之一）。

大陆岩石圈波速高、密度低。

太古代（2.5Ga）大陆岩石圈厚达200400km（这样巨厚的岩石圈也被称之为构造圈,即Tectosphere,Jordan,1979,1988）,却能始终漂遊在软流圈之上。

这是困惑地球科学家许多年的一个问题。

近30年的研究得知,造成上述差异的主要原因是地幔熔融程度的不同:

大洋岩石圈地幔的熔融程度低,排出玄武岩浆后其残余为二辉橄榄岩;大陆岩石圈地幔的熔融程度高,排出熔浆（科马提岩、玻安岩）之后的残余是方辉橄榄岩（Boyd,1989;Rudnicketal.,1999）。

由于在部分熔融过程中,Al、Ca、Fe和水（H+,OH-）优先进入熔体（即地壳岩石）,方辉橄榄岩较二辉橄榄岩亏损更多的Al、Ca、Fe和水,因而密度小（浮力大）、强度大（难变形,故稳定性大）（Jordan,1979,1988;Pollack,1986;Shapiroetal.,1999）。

大陆克拉通的稳定性并不是一成不变的。

稳定的克拉通在适当的条件下会变得不稳定,即发生活化（Reactivation）,岩石圈会减薄（Thinning）,其成分也会发生改造（Alteration）甚至置换（Replacement）。

中国华北克拉通被国内外一些学者视为世界上研究古老岩石圈减薄、改造、置换的最佳场所。

近50年来中国三代地球科学工作者对华北克拉通做了许多工作,取得一系列世界瞩目的成果。

第一代老科学家以陈国达（1956,1958）和池际尚（1988）等为代表,提出华北稳定地台活化和大陆裂谷岩浆作用与演化的观点。

第二代科学家以周新华、邓晋福、路凤香、鄂莫岚、赵大升等为代表,相继阐述了华北岩石圈减薄、裂谷形成与沉积盆地发育的学术思想,认识到华北岩石圈减薄是中国东部地质演化的重大事件。

20世纪90年代以后,在华北克拉通研究舞台上国内涌现了一大批中青年岩石地球化学学家,如范蔚茗、徐义刚、高山、郑建平、吴福元、翟明国、张宏福、樊祺诚等,称为第三代。

他们独立或和国外科学家合作,把华北克拉通岩石圈减薄推向国际地球科学研究的前沿。

2007年开始,中国国家自然科学基金委员会推出的为期8年的/华北第2期嵇少丞等:

华北克拉通破坏与岩石圈减薄克拉通破坏0重大研究计划进一步将这一研究推向新的高潮。

目前,我国华北岩石圈减薄的研究绝大部分是基于岩石地球化学的研究资料,构造地质学者却在该研究中基本上集体失声（RenJishun,1996;ZhangYueqiaoetal.,2003）。

构造地质学家在羡慕岩石地球化学丰硕成果的同时,既怀念/昔日的辉煌0又为当今构造地质学被/边缘化0而深感忧虑。

事实上,对华北克拉通破坏和岩石圈减薄的研究离不开对岩石圈自身的定义和岩石在各种不同物理-化学条件下流变学性质的认识,单一的岩石地球化学工作很难将这方面的研究更进一步地深入下去。

本文将从流变学的视角出发,对华北克拉通破坏和岩石圈减薄这一问题简要地阐明一些自己的观点,欢迎读者批评指正。

1岩石圈的厚度华北克拉通是古老岩石圈减薄的典型实例。

然而,岩石圈减薄并非华北克拉通所特有的地质现象。

加拿大西北Slave克拉通在约523Ma时岩石圈厚度约为300km（Pokhilenkoetal.,2001）,可是现在的岩石圈厚度仅有180240km（Griffinetal.,1999;Kopylovaetal.,1997）。

ArtemievaandMooney（2002）研究了全球太古代克拉通的热流岩石圈厚度（Hh,图1）和其地表出露面积呈正消长的关系,发现所有Hh300km的克拉通其面积都（68）106km2。

如果这些克拉通地块原先统属于一个古太古代（约4.0Ga）超级大陆的话,原先的Hh应有约450km厚（Atemievaetal.,2002）,后经减薄裂解分成十几个地块。

世界上许多元古宙的克拉通（Hh只有100180km）也是由原先太古宙的克拉通改造而来（Goodwin,1996）。

所以,克拉通破坏和岩石圈减薄是一非常普遍的地质过程,并非中国东部所特有。

不同的人对岩石圈的厚度有不同定义（Anderson,1989）,目前有地热岩石圈厚度（Hh）、地震波速岩石圈厚度（Hs）、幔源捕虏体岩石圈厚度（Hx）、弹性岩石圈厚度（He）、流变学岩石圈厚度（Hr）、水含量岩石圈厚度（Hw）和电导率岩石圈厚度（Hel）等等（图1）。

岩石地球化学家从金伯利岩和玄武岩中幔源捕虏体的资料推认,岩石圈地幔以难熔的方辉橄榄岩为主、较原始地幔更富集MgO而贫Al2O3,FeO和Na2O,橄榄石的Mg#（多92）高。

软流圈地幔则以二辉橄榄岩为主、其成分更图1岩石圈的弹性厚度（He）,流变厚度（Hr）和地热厚度（Hh）的定义Fig.1Definitionsforthethicknessesofelastic（Hr）,rheological（Hr）,andgeothermal（Hh）lithospheres接近原始地幔（Boyd,1989;Rudnicketal.,1999）。

地震学家把上地幔内地震波低速高衰减带（LVZ:

lowvelocityzone）作为软流圈出现的标志。

低速带在大洋和中新生代构造伸展地区下面的比较明显,但在一些古老克拉通下面不明显甚至完全缺失。

长期以来地学界一直把部分熔融作为软流圈低波速高衰减的唯一成因（McKenzie,1967;Yoshiietal.,1976）。

自耶鲁大学Stocker等（1975）发现部分熔融系统的物理性质主要取决于熔体几何分布以来,越来越多地人怀疑上述解释的唯一性。

研究表明,作为点缺陷存在于矿物晶格中的水（H+和OH-）,那怕含量很少（万分之几）,也能有效地增加橄榄岩的塑性变形,并通过滞弹性（Anelasticity）效应（例如,位错松驰）降低橄榄岩的地震波速和提高波的衰减（Karatoetal.,1990;Karato,1995;Karatoetal.,1998）。

近20年来,地震层析成像技术突飞猛进,该技术根据波速异常确定岩石圈的底界,岩石圈地幔出现+0.5%（全球地震层析成像）或+1.0%（区域地震层析成像）的S波速异常（Friederich,2003;Lebedevetal.,2003;Priestleyetal.,2006）。

波速高主要是因为岩石圈地幔中温度低、水含量低、主量元素亏损。

目前地震层析成像在水平方向上的解析度还很低,尺度1021Pa#s）而软流圈的粘度小（1020Pa#s）,由此确定的岩石圈厚度称之为岩石圈的流变学厚度（Hr）。

如果把地质应变率定为10-14/s,则岩石圈和软流圈的流变强度分别10MPa和1.0MPa。

影响地幔岩流变学性质的因素很多,包括温度、围压、应变和应变率、水含量、熔体含量、颗粒径、变形机制（位错蠕变、晶内扩散蠕变、超塑性等）造岩矿物含量、氧逸度等。

若改变上列条件造成岩石圈底部弱化、使其粘度1020Pa#s,则岩石圈减薄。

大地电磁学家用电导率或电阻率来划分岩石圈-软流圈的边界（Heinson,1999;Jones,1999;Jonesetal.,2003）。

典型的大洋岩石圈地幔和软流圈的电阻率分别约为1058m（Coxetal.,1986）和约208m（Vanyan,1984）。

大陆岩石圈地幔的电阻率一般为802008m,而大陆软流圈地幔的电阻率SV,即水平S波速大于垂直S波速）,测算的Hs值会有所减小。

根据地幔岩中水含量也可划分岩石圈/软流圈的界面（图3）。

岩石圈地幔相对于软流圈地幔经过了更高程度的部分熔融,岩石圈地幔是较高程度部分熔融的残余,由于在部分熔融过程中水优先进入熔体,难熔的残余组分就/干0了（Karato,1986;Hirthetal.,1996）。

以/干0、/湿0确定的岩石圈厚度称之为Hw（图3）。

/干0的方辉橄榄岩的熔点很高,只有当H2O或其它挥发份加入并受到热扰动时才能发生部分熔融。

一旦水和其它挥发份消耗完毕,岩石圈地幔又重新回到/干0的状态。

在中国东部存在于9075Ma之间的岩浆活动间隙期（徐义刚,2006b;XuYigang,2007）,仅此并不能説明当时华北岩石圈拉张减薄停止了,可能是水和其它挥发份消耗尽了。

如图3所示,软流圈地幔（含100010-6300010-6水）相对于克拉通大陆岩石圈（含10010-6水）含有更多的水（Hirthetal.,2000）,所以跨过岩石圈的底面进入/湿0的软流圈,地幔岩的粘度与波速陡降,而电导率却骤升。

因此,岩石的部分熔融可能不是上地幔低速层的唯一成因,水和高温条件下位错的松驰（Dislocationrelaxation）也是可能的成因。

华北岩石圈减薄的论断主要基于前后Hx的对比,缺乏Hs、Hh、Hr、He和Hel的时空分布数据。

通过对山东蒙阴和辽宁复县（中奥陶纪:

457462Ma）金伯利岩及其中金刚石结晶条件与金刚石晶内矿物包裹体的研究,估算出在早古生代金伯利岩形成时（约460Ma）华北地块东部曾有厚180200km（约1100bC,46GPa）的稳定克拉通岩石圈（Fanetal.,1992;Menziesetal.,1993;Griffinetal.,1998;Menziesetal.,1998;郑建平,1999;图2利用不同的技术测量到岩石圈的不同部分,因此得到不同的岩石圈