对比地幔物质在研究华北克拉通破坏机理的应用

邹岩

摘 要：华北克拉通破坏或岩石圈变薄使得华北成为了研究大陆形成和演化的最理想区域，在该地区可以直接研究不同时代由深部岩浆捕获的地幔物质（捕虏岩或捕获晶）。特别是将它们与周围造山带的橄榄岩地块对比，可获得次大陆岩石圈地幔特性和地质历史过程中各段相互作用的重要信息。在华北克拉通之下的岩石圈地幔被破坏，使它成为了研究大陆形成和演化的理想区域。然而，破坏的机制、时间、范围和动力原因仍旧充满争议。在对比了与橄榄岩直接相关的岩石圈地幔特点的基础上，重点分析了克拉通复杂的破坏机理和岩石圈变薄的情况。

关键词：华北克拉通破坏；地幔物质；橄榄岩；岩石圈

中图分类号：P542 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.118

随着地球物理、地球化学、实验岩石学和计算机科学的不断发展，不同的领域交叉、相互作用后，使人们对地质作用、合成、反应和动力学等有了更深的理解。此外，随着统一板块的挑战和全球岩石圈计划的推进，大量的科学事实再一次把地球科学家吸引到了大陆板块，特别是大陆深部。虽然采用三维地震技术绘制了现代地球结构，但是，它不能改变岩石圈曾经的状态。通过比较火成岩中不同时间（古生代、中生代、新生代）和地点（内陆或它的边缘、岩石圈郯庐断裂带或南北重力线）的地幔捕虏体发现，地幔捕虏是理解克拉通破坏的关键。

1 直接地幔物质的比较

火成岩、根深蒂固的捕虏岩或捕获晶和超高压橄榄岩（比如造山带橄榄岩）的构造侵入是了解岩石圈过程最重要、最直接的例子，而克拉通地幔遭遇了历史上复杂的岩浆喷发和地幔交代变质。因此，重建地壳—地幔关系是理解深部地质过程的前沿课题之一。岩石圈地幔主要由橄榄岩组成，可以将它理解为是主要地幔部分熔化过程的残留物。因为地幔经历了玄武岩岩浆的主要喷发物和随后地幔交代变质或熔融岩石交互作用的多个阶段，所以，橄榄岩和它的矿物的地球化学特性将会记录地幔特性和深度过程。低密度难熔橄榄岩在玄武岩的形成过程中耗尽，而且具有低斜辉石态，高橄榄—镁，而富集的橄榄岩具有高斜辉石态，低橄榄—镁。此外，经历过岩浆喷发而没有经历交代变质的地幔将耗尽不相容的元素。因此，地幔交代变质会耗尽橄榄岩地球化学特性，诸如太古代的克拉通地幔橄榄岩在大部分元素中难溶，但是，它在不相容元素中却很富集。相反，海洋岩石圈的地幔交代变质现象因为形成时间较早，所以，其发展很有限。

与火成岩地球化学的多解特性相比，由于它很容易被地壳物质污染，所以，橄榄岩的构成和年龄以及3—D结构地幔模型的精确重建是4—D岩石圈地图和地质动力学演化模型最有效的基础。捕虏体（包括上地幔和低部地壳）的岩石学、地球化学和物理学是解释3D结构（速度和深度）的关键。如此深度下的压力和年代与地幔橄榄岩的特性相结合表明，克拉通改变的物理化学过程是深部地质过程研究的关键。华北克拉通的石榴石捕虏体的持续发现和积累（比如橄榄岩等）逐渐使压力研究变得更加必要和有效，即使仍然存在岩石圈构成和年代间的争议，太古代克拉通地幔难熔的事实和古生代地幔的富饶也已经是公认的了。然而，最著名的西伯利亚克拉通没有垂直年龄的单一特性，不同时代次大陆岩石圈地幔特性的复杂合成结构可能与它们复杂多交代变质作用有关。相反，海洋岩石圈地幔的结构却简单、清晰。

2 古生代华北克拉通岩石圈的多样性（非均质性）

橄榄岩在古生代是最丰富的捕虏岩，含量超过了已发现根深蒂固的捕虏体的85%.除了新鲜的石榴石残余和尖晶石，大多数橄榄石和辉石被蛇纹石、绿泥石和碳酸盐岩所取代，这使得对重组、命名和深度的研究变得更加困难。然而，根据蛇纹石聚集的特性，包括粒度、解理残余和碳酸盐的分布，橄榄石（OL）和辉石（Py）可以区分，斜辉石（Cpx）和斜方辉石类（Opx）在某些情况下也可以区分。研究表明，古生代捕虏体橄榄岩主要是由石榴石橄榄岩、方辉橄榄岩、二辉橄榄岩、铬铁矿纯橄榄岩、复合橄榄岩和辉石岩脉组成的。二辉橄榄岩和方辉橄榄岩的比率分别为54%和34%，纯橄榄岩和方辉橄榄岩的比率略高于在抚仙中的。基于石榴石在人工手动中重度集中，G9（二辉橄榄岩类型）和G10（方辉橄榄岩类型）的比率表明，华北克拉通之下的SCLM含有比Kaapvaal克拉通SCLM更高的二辉橄榄岩，从而华北克拉通显示出了更加复杂的深度地质过程。这种结果表明，华北克拉通次大陆岩石圈地幔（SCLM）在古生代具有克拉通地幔特性，但是，其具多样性。

对比世界范围内其他有代表性的克拉通，由于华北克拉通面积小，所以，它很容易受到周围板块俯冲和碰撞的影响。华北克拉通东部的破坏和岩石圈变薄的过程较为复杂，比如岩石圈扩大；熔融岩石相互作用；非均匀软流圈地幔侵蚀，使得巨大的岩石圈变薄；岩石圈地幔冲积，使得小部分岩石圈变厚（地幔代替）。在早中生代，扬子大陆向北俯冲和碰撞，会导致华北克拉通发生以下变化：①完整性被破坏。②大陆俯冲释放熔融流体，导致克拉通边缘被调整。③由于苏鲁—大别造山带根基分离，导致岩石圈地幔扩张，而分离还会进一步影响软流圈物质和侵蚀，进而调整了岩石圈。在早石炭-二叠纪，由于太平洋板块俯冲产生热干扰，导致软流圈强烈侵蚀岩石圈地幔，使得巨大的岩石圈变薄。自晚三叠纪以来，上涌的软流圈冷却，使岩石圈略微变厚，最终实现了地幔置换和岩石圈整体变薄。关于地幔置换的开始时间，在古老的岩石圈，因为地幔薄弱区作为通道是不规律的，所以，软流圈物质通过地幔薄弱区侵蚀岩石圈和岩浆喷发的时间也明显不一致。1亿年前，被玄武岩喷发捕获的橄榄岩捕虏体大体是丰富的，这表明，华北克拉通东部部分在1.25亿至1亿年之前进行地幔替代。上涌软流圈物质冷却不仅会导致岩石圈加积，在一定程度上变厚，也会使得上覆地壳形成广阔的沉积盆地。

3 结论

华北克拉通南缘苏鲁—大别山超高压力变质带的橄榄岩体特征表明：①从构造上讲，克拉通岩石圈是由不同成分形成的，包括地幔软弱带。②中生—新生代岩石圈变薄的过程是非常复杂的，它包括岩石圈横向传播、熔化物和橄榄岩的交互作用、不连序软流圈侵蚀（巨大岩石圈变薄）和有限岩石圈增厚，导致难熔的克拉通岩石圈最终被年青富饶的地幔更换。在早中生代，扬子江板块的俯冲破坏了华北克拉通的完整性，俯冲的扬子江板块所释放出的熔化流体也混入了华北克拉通地幔。岩石圈地幔扩张与华北克拉通构造侵放同时发生，并伴随因扬子江板块（造山运动）独立而造成的软流圈上涌。在早白垩纪-早三叠纪期间，太平洋板块俯冲导致软流圈上涌，使得岩石圈厚度变薄。至晚三叠纪，软流圈上涌物冷却，导致上地幔被新生成的岩石圈取代。随着岩石圈厚度的递增，最终形成了厚度完整的岩石圈。

〔编辑：白洁〕