克拉通岩石圈地幔的形成与破坏:大洋板块俯冲的贡献

汤 艳 杰

(1. 中国科学院地质与地球物理研究所 岩石圈演化国家重点实验室，北京 100029；2. 中国科学院大学 地球与行星科学学院，北京 100049)

0 引 言

克拉通是地球上古老而又稳定的大陆地块，由上部地壳和下部岩石圈地幔两部分构成(图1)。典型的克拉通具有3个显著特点：①形成时代老，通常具有大于2.5 Ga的年龄；②岩石圈厚度大于200 km，构造稳定，没有大规模的火山活动和大地震；③保存有地球上最完整的地质记录(最老可达4.4 Ga)[1]。因此，传统理论认为克拉通是稳定的。克拉通之所以能够长期稳定存在(大于2.0 Ga)，主要是因为它有巨厚(可达300 km)[2]、刚性的“岩石圈根”[3]，即克拉通岩石圈地幔(图1)。

图1 克拉通示意图Fig.1 Schematic View of Craton

越来越多的研究表明，古老的克拉通并非是一成不变的，其岩石圈地幔的组成和性质会由于外部物质与能量的改造和破坏而发生改变，从而导致克拉通失去稳定性[4]。古老克拉通巨厚、刚性的岩石圈地幔是如何形成的？又是如何被改造和破坏的？这些都是长期以来困扰地学学者的难题。时至今日，这些关乎大陆形成与演化的根本问题仍然没有得到很好解决。基于此，本文就目前国际上关于克拉通岩石圈地幔研究进展的个别要点略作评述，以期达到管中窥豹、抛砖引玉之目的。

1 克拉通岩石圈地幔的形成

古老克拉通岩石圈地幔形成于2.5 Ga前的太古宙和2.5～1.6 Ga的古元古代[5-8]。与其他大陆和大洋岩石圈地幔相比，古老克拉通岩石圈地幔有许多不同之处，如高度难熔、厚度巨大、密度较小且地温梯度低[7]。岩石圈地幔的年龄越古老，其密度越小[9-10]，这是因为其特定的化学组成[9]。古老克拉通岩石圈地幔是在地球演化的早期阶段经过壳幔分异事件之后形成的，由原始地幔(以易熔的二辉橄榄岩为主)经过高度部分熔融，大量玄武质熔体被抽取之后残余的难熔组分(以难熔的方辉橄榄岩为主)组成，因此，古老克拉通岩石圈地幔具有明显富Mg、贫Fe且高度难熔的组成特征[11-12]。玄武质熔体被大量抽取之后，古老克拉通岩石圈地幔的密度(约3.31 g·cm-3)小于下伏的软流圈密度(约3.39 g·cm-3)[13]，因此，它能够长期“漂浮”在软流圈之上。克拉通岩石圈地幔具有机械抵抗力[5]，能够防止地幔对流造成的破坏，因而能够长久存在。

目前，学者对克拉通岩石圈地幔的成因认识仍然存在明显分歧。分歧的焦点主要集中在两种学术观点，分别可以用两种概念模型来代表，即熔融模型和堆积模型。

第一种学术观点(熔融模型)认为，克拉通岩石圈地幔是地幔物质底辟上升、地幔翻转或地幔柱携带地幔过渡带的物质上升并发生高度部分熔融产生的[2,11,14-17]，因此，它们代表高度亏损玄武质熔体相对干燥、低密度的熔融残余[14-16]。熔融模型容易被大家接受，因为它能够合理地解释很多观测到的现象，比如岩石圈地幔的低密度(高度部分熔融的结果)、存在浮力[14-15]、岩石圈厚度与年龄具有正相关性[9-10]等。无水地幔橄榄岩捕虏体的发现能够表明岩石圈地幔具有足够的黏度而不受下伏软流圈的影响[6]。根据该模型可以预测，由于减压熔融过程中熔体先从岩石圈地幔的上表面和上部抽取，所以地幔熔融柱顶部的密度应相对较低，而底部的密度应相对较高。然而，熔融模型所预测的岩石圈地幔化学分层与其他学者的观测资料和工作模型所预测的结果[7,18]有很大出入。

第二种学术观点(堆积模型)认为，古老克拉通岩石圈地幔最初是通过俯冲的大洋地壳和亏损地幔叠置堆积而成，亏损地幔包含最初形成于大洋中脊的岩石圈地幔[19-20]。堆积模型也成功地解释了一些地质现象，比如克拉通岩石圈地幔巨大的厚度[7,17]，岩石圈地幔相对于大洋岩石圈亏损玄武质熔体[5]，以及克拉通地区金伯利岩中产出的榴辉岩捕虏体具有大洋地壳的地球化学特征[17]。然而，该模型也存在一些问题，比如难以解释大洋岩石圈中相对大量的古大洋地壳物质与金伯利岩地幔捕虏体中相对稀少的榴辉岩捕虏体之间的不一致性[5,7,18]。此外，由于古老的俯冲板片中含有相当厚度的大洋地壳，它可能会受到板块断裂和/或板块后撤的影响而不能发生多重叠置堆积[21]。

为了解决上述长期存在争议的科学问题，一种新的动力学成因模型——热机械模型被提出[21-22]，并在最近得到了进一步的发展[2]。最新的研究结果表明，在太古宙板块构造开始之后，位于俯冲大洋板块之下具有韧性、浮力、亏损玄武质熔体、热的岩石圈地幔不能伴随大洋板块一起俯冲(图2)。在大洋板块俯冲的过程中，不能同步俯冲的黏性岩石圈地幔被迫滞留在相邻大陆板块的下面，成为具有克拉通规模的黏性原始陆核[2]。之后，随着地温梯度的下降，侵位于大陆之下具有高黏性的亏损地幔也随之降温，与大陆地块合为一体，成为古老克拉通岩石圈地幔。因此，携带亏损地幔的大洋板块在前寒武纪发生的俯冲作用，是形成克拉通之下巨厚岩石圈地幔的先决条件，正是由于巨厚、刚性的岩石圈地幔的存在，才使得克拉通在长期的板块构造运动中能够持续稳定存在[2]。这项研究为上述第二种学术观点提供了新的证据，古老克拉通岩石圈地幔是早期大洋板块俯冲引起的亏损地幔堆积形成的。也就是说，在地幔高温的情况下，大洋板块俯冲触发热的且具有黏性的亏损地幔进行大规模流动，侵位并叠置堆积于大陆板块之下，进而形成古老克拉通岩石圈地幔。

图件引自文献[2]图2 克拉通岩石圈地幔形成的动力学模型示意图Fig.2 Schematic Views of a Dynamic Model for Formation of Lithosphere Mantle Beneath the Craton

2 华北克拉通岩石圈地幔的破坏

华北克拉通是中国大陆的主要构造单元(图3)，因其地质记录较为完整而成为大陆形成和演化研究的天然实验室。华北克拉通经历了非常复杂的演化过程，自1.8 Ga形成[23]之后至早中生代，华北克拉通一直处于相对稳定的状态，与世界上其他克拉通相似，保存有巨厚的太古宙岩石圈地幔[24]。但是，自200 Ma以来，华北克拉通不但发生了强烈的地壳变形和大规模的岩浆活动，而且发生了多次破坏力巨大的强烈地震，如1966年邢台地震、1975年海城地震、1976年唐山地震。这表明华北克拉通失去了它原有的稳定性，这一现象被国际学术界誉为全球重大地质事件之一。

图3 华北克拉通位置示意图Fig.3 Schematic Map of Location of North China Craton

关于华北克拉通破坏这一科学问题的提出，要追溯到20世纪初。早在1927年，著名地质学家翁文灏先生根据中国东部晚中生代的构造-岩浆活动，提出了“燕山运动”的概念，这一术语得到了国内外学者的广泛认可，并沿用至今；1956～1960年，陈国达先生提出了“地台活化”的观点，并进一步论述了华北克拉通的演化特征[25]；20世纪90年代，中外学者基于对中国科学家长期积累的研究资料分析发现，华北克拉通古生代岩石圈的厚度达200 km，而新生代华北克拉通东部岩石圈厚度为60～80 km，即中生代以来，华北克拉通岩石圈的厚度减薄了约120 km，因此，提出了“岩石圈减薄”的概念[26-28]。后来的研究逐渐认识到, 华北克拉通不仅经历了岩石圈减薄，同时伴随着岩石圈性质和热状态的转变。原本具有克拉通属性的华北地壳发生了大规模的韧性变形和强烈的岩浆活动-成矿作用, 说明华北克拉通自显生宙以来遭受了破坏，克拉通原有的属性已不复存在，这种地质现象被称为克拉通破坏[29]。

从2007年国家自然科学基金委员会启动“华北克拉通破坏”重大研究计划以来，华北克拉通破坏研究取得了突破性进展，并逐步认识到地表大规模的构造-岩浆活动、频繁发生的强烈地震和岩石圈巨厚减薄现象是华北克拉通破坏的表现形式[29]，其实质是岩石圈地幔的物质组成和属性发生了根本性变化。华北地区古生代高度难熔、Sr-Nd同位素富集的克拉通型岩石圈地幔逐渐转变为新生代相对易熔、同位素亏损的大洋型岩石圈地幔[30-32]。

大量岩石学和地球化学研究进一步发现，岩石圈地幔组成的转变主要是通过橄榄岩-熔体反应的方式实现的[33]。外来熔体进入岩石圈地幔，并与地幔岩石发生反应，改变了岩石圈地幔的组成，导致华北克拉通岩石圈地幔的属性发生了根本性转变，即由古生代大陆克拉通型转变为新生代大洋型。通过全球对比研究发现，橄榄岩-熔体之间的相互作用导致岩石圈组成和性质发生改变，这种现象具有全球普适性[34]。正是岩石圈地幔属性的巨大变化，才导致华北克拉通的破坏。

通过系统的地质学、地球物理学、地球化学等综合研究发现，导致华北克拉通破坏的俯冲板片来自古太平洋。古太平洋板块的西向俯冲作用引起了华北克拉通地幔不稳定流动与减压熔融，俯冲板块释放的熔/流体改变了上覆岩石圈的组成和性质，俯冲板块回转与俯冲带后撤导致岩石圈强烈伸展。在上述因素的联合作用下，华北克拉通丧失了原有的稳定性(图4)。这些认识对华北克拉通岩石圈地幔破坏的原因和机制做出了合理解释，并提出洋-陆相互作用是克拉通岩石圈地幔破坏的动力学机制[4]。

3 思考与展望

在板块构造的早期，大洋板块俯冲触发俯冲板片与具有高黏性的亏损地幔叠置，最终堆积于大陆之下成为古老克拉通岩石圈地幔。古老克拉通因为具有巨厚、刚性的岩石圈地幔而能够保持长期的稳定。然而，事物的发展总是相对的。当稳定的古老克拉通岩石圈地幔受到周边大洋板块的俯冲作用影响时，克拉通会被改造，甚至发生破坏。在全球范围内，目前已发现被明显破坏的克拉通有两个，分别为中国的华北克拉通和北美的怀俄明克拉通[35]。怀俄明克拉通位于北美大陆的西部，由于受到东太平洋板块向东的俯冲作用而发生了局部破坏。因此有理由相信，大洋板块的俯冲作用是导致克拉通破坏的普遍机制[4,36]。综上所述，早期大洋板块的俯冲作用使古老克拉通巨厚的岩石圈地幔得以形成；后期由于大洋板块的俯冲作用，克拉通岩石圈地幔又遭到破坏。“成也萧何，败也萧何”，对于克拉通岩石圈地幔来说，大洋板块俯冲扮演了萧何的角色。

中生代古太平洋板块俯冲，引起华北克拉通之下软流圈地幔的不稳定流动。大洋板块在俯冲过程中，随着温度和压力的增加，俯冲板块脱水并发生熔融，释放出来的熔/流体上升进入岩石圈地幔，造成岩石圈地幔弱化、熔点降低，并引发大规模熔融。然后，随着板块俯冲角度的增加，俯冲带发生后撤，导致华北克拉通岩石圈被强烈拉伸减薄。在上述因素的共同作用下，克拉通深部的岩石圈地幔被破坏，从而导致克拉通破坏。晚古生代以来，古亚洲洋的闭合和三叠纪以来扬子板块与华北板块的碰撞分别对华北克拉通的北缘和南缘造成了一定影响，为晚中生代克拉通岩石圈地幔的破坏创造了有利条件。图件引自文献[38]，有所修改图4 华北克拉通岩石圈地幔演化与古太平洋板块俯冲作用示意图Fig.4 Schematic View of Lithospheric Mantle Evolution of North China Craton and the Subduction of Paleo-Pacific Plate

在地球漫长的演化进程中，地球上的大陆分分合合，周而复始。例如，在古元古代晚期(约1.8 Ga)，大陆聚合形成了哥伦比亚超大陆；之后超大陆裂解，在新元古代(约800 Ma)又通过聚合形成了罗迪尼亚超大陆；之后超大陆再次裂解，并于晚古生代(约300 Ma)再次聚合，形成潘基亚超大陆[37]。克拉通的形成与破坏也必然遵循同样的规律，由于克拉通保存有最完整的地质记录，所以克拉通是大陆演化研究的核心。

尽管目前对克拉通形成与破坏的研究取得了突破性的进展，然而仍有许多基本的科学问题等待解决。比如，关于克拉通的形成机制、板块运动的起始时间与驱动力、地幔柱存在的真实性、地幔对流的规模与速度、板块俯冲的角度与板块之间的作用机制等基础科学问题仍处于探索和争论中。此外，克拉通形成和破坏过程所造成的地质灾害，以及资源、能源与环境效应和生命演化等与人类生存发展密切相关的科学问题也亟待开展深入研究。

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