林 舸,范蔚茗

(1.中國科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所,廣東 廣州 510640;2.中國科學(xué)院 青藏高原研究所,北京 100101)

0 引 言

陳國達(dá)(1956)以“地臺活化區(qū)”來代表如中國東部大部分地區(qū)于中生代以來所出現(xiàn)的大地構(gòu)造新體制,指出這種大地構(gòu)造體制是由地臺區(qū)經(jīng)過活化作用轉(zhuǎn)變而成的一種新活動區(qū),并提出了熱能聚散交替、地幔蠕動的活化構(gòu)造動力學(xué)機制(陳國達(dá),1965)。研究表明,地球自誕生以來,巖石圈塊體的構(gòu)造演化歷史,便是由穩(wěn)定到活動、再由活動到穩(wěn)定的交替轉(zhuǎn)化。而導(dǎo)致這一動“定”遞進(jìn)轉(zhuǎn)化的根本原因,在于地幔蠕動活動期與相對寧靜期的變替。各種地質(zhì)信息顯示,在地幔熱能大規(guī)模聚集驅(qū)動下,軟流圈上涌引起的熱侵蝕、物質(zhì)傳輸和殼–幔相互作用,是大陸巖石圈活化動力學(xué)及其構(gòu)造應(yīng)力場的基本特性(楊心宜,2003)。陳國達(dá)(1965)把中國東部中新生代出現(xiàn)的活化現(xiàn)象歸結(jié)為地球內(nèi)部積聚的熱能向外發(fā)散的結(jié)果。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和深部地質(zhì)研究的深入,拓展了構(gòu)造–巖漿活化動力學(xué)研究的深度。許多地球化學(xué)家和地球物理學(xué)家對中國中新生代構(gòu)造演化的研究,給熱能聚散交替、地幔蠕動假說提供了科學(xué)證據(jù),揭示了中國大陸,尤其是東部地區(qū)的大地構(gòu)造演化和構(gòu)造活動強度與中國區(qū)域深部地質(zhì)作用過程密切相關(guān)。特別是近20年來華北克拉通破壞的研究成果,進(jìn)一步論證了地幔蠕動、熱能聚散交替過程是大地構(gòu)造演化和轉(zhuǎn)化的主要因素。

1 地臺區(qū)構(gòu)造–巖漿活化與克拉通破壞過程概述

1.1 華北地臺構(gòu)造–巖漿活化與克拉通破壞的演化

陳國達(dá)(1956)提出了活化區(qū)的概念,又因這種活化區(qū)以地洼盆地發(fā)育為特征,之后定名為“地洼區(qū)”(陳國達(dá),1959)。從地臺區(qū)轉(zhuǎn)化為“地臺活化區(qū)”,有一個漸變、量變的過渡階段。這表現(xiàn)在地臺發(fā)展的余定期內(nèi),地殼活動性逐漸增強,有時可出現(xiàn)一些明顯的前奏活動,然后到以強烈不整合(偶為假整合)為標(biāo)志的突變、質(zhì)變階段。華北地臺活化區(qū)是活化構(gòu)造研究得較為詳細(xì)的地區(qū)之一,同時也是近 20年來克拉通巖石圈減薄、破壞研究的熱點區(qū)域。

華北巖石圈發(fā)展演化經(jīng)歷了以太古宇–下元古界的地槽及前地槽構(gòu)造層為代表的地槽及前地槽演化階段;以中元古界–古生界的地臺構(gòu)造層為代表的地臺演化階段;及以中生界–新生界的陸相碎屑巖所組成的地洼構(gòu)造層為代表的地洼(地臺活化)演化階段(陳國達(dá),1992)。

已有研究表明,華北克拉通在太古宙末(～2500 Ma)基本完成克拉通化,在古元古代(～1900 Ma)整體受到了高級變質(zhì)作用,最終形成穩(wěn)定的克拉通,并保持了長達(dá)10多億年的穩(wěn)定。早古生代華北克拉通整體處于陸表海的穩(wěn)定環(huán)境,最終形成了統(tǒng)一的穩(wěn)定蓋層(翟明國,2010,2011)。到晚奧陶世,除賀蘭山發(fā)現(xiàn)有上奧陶統(tǒng)的沉積外,整個克拉通不見上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系和下石炭統(tǒng)。早奧陶世末馬家溝組與中石炭世本溪組之間的平行不整合在華北克拉通區(qū)域廣泛存在。這種地層接觸關(guān)系顯示華北“造陸運動”已開始啟動(張宏福,2009)。晚古生代–三疊世華北克拉通的盆地演化由克拉通邊緣逐步轉(zhuǎn)向克拉通內(nèi)部,沉積由海陸交互相向陸相轉(zhuǎn)化。在古生代，克拉通巖漿活動微弱，僅在內(nèi)部出現(xiàn)零星的金伯利巖,和在克拉通邊緣出現(xiàn)少量的超鎂鐵質(zhì)煌斑巖和富碳酸鹽的堿性巖石(徐義剛等,2009)。晚石炭世–三疊紀(jì)沿克拉通邊緣由北而南和內(nèi)部的構(gòu)造薄弱帶出現(xiàn)中–基性巖漿活動,并發(fā)現(xiàn)層數(shù)不等的火山巖地層(鳳永剛等,2009;Zhang et al.,2013),表明華北克拉通古生代以廣泛的整體隆升“造陸”為標(biāo)志,晚古生代局部地區(qū)的巖漿活動，可以看成是“去克拉通化”(Yang et al.,2008)已經(jīng)開始,但整體上仍保持了穩(wěn)定克拉通的大地構(gòu)造屬性。這與陳國達(dá)提出的華北地殼演化階段的時間劃分基本一致。

印支運動結(jié)束了華北地臺穩(wěn)定的演化歷史,開始了地臺活化區(qū)的演化。早、中侏羅世華北地臺活化區(qū)在區(qū)域性隆起的背景下,拱裂作用加強,構(gòu)造開始分異。原有的地層發(fā)生拱曲、褶斷,構(gòu)造–地貌反差加大。華北地臺活化區(qū)初動期在南北之間,在強度、性質(zhì)、時間等方面都有較大的區(qū)別:大體是北部強烈,南部稍弱;北部發(fā)生時間較早,南部稍晚;北部構(gòu)造清楚,南部則較模糊;其規(guī)律是由北向南發(fā)展演化。在鄂爾多斯盆地東緣和南緣尚未發(fā)現(xiàn)三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)的邊緣相,而各時期的沉積中心均偏于殘留盆地東南,表明原始盆地沉積范圍遭受了較強烈的改造破壞。晉西地區(qū)的三疊系、侏羅系與鄂爾多斯地區(qū)屬同一大型盆地沉積,之間不存在隆起分隔(劉池洋等,2006)。換言之,呂梁山地區(qū)在三疊紀(jì)–中侏羅世末鄂爾多斯盆地發(fā)育期并未相對后者發(fā)生差異性抬升,而是作為大型盆地的一部分在接受沉積(趙俊峰等,2009)。

晚侏羅世–白堊紀(jì)區(qū)域性隆起達(dá)到最大幅度;地貌反差加大并復(fù)雜化,構(gòu)造–巖漿活動加強,是地臺活化的劇烈期。構(gòu)造線方向由近東西向轉(zhuǎn)變?yōu)楸北睎|向為主。包括早期沉積層的強烈褶皺、沖斷–推覆(Davis et al.,2001;Zhu et al.,2010,2012),同期殼源、殼–幔源和幔源巖漿作用呈大范圍、高強度網(wǎng)絡(luò)狀的侵入和噴出外,并伴有準(zhǔn)線狀的半地塹式的陸相斷陷或裂谷沉積盆地的廣泛發(fā)育和裂谷盆地小規(guī)模玄武巖噴出。

華北地臺活化區(qū)余動期大致從古近紀(jì)開始,繼承了劇烈期的基本構(gòu)造格局。在經(jīng)歷了晚白堊世–早古新世的剝蝕夷平后,已具有準(zhǔn)平原的地貌特征。此時的構(gòu)造運動主要表現(xiàn)為強烈的差異升降與水平擴(kuò)張,古近紀(jì)發(fā)生了輕微的平緩褶皺及強烈斷裂,掀斜并伴有基性火山巖噴發(fā),形成了地臺活化余動期早期的塹壘構(gòu)造。中國東部活化區(qū)大范圍的地殼/巖石圈的拉張減薄出現(xiàn)在古近紀(jì)。此時東部陸緣大型拉張盆地和其后東亞離散式陸緣海的形成是活化區(qū)晚期階段的構(gòu)造–動力環(huán)境的主要特征(陳國達(dá),1997a)。華北活化區(qū)新近紀(jì)大型沉積盆地具有典型的沉積和構(gòu)造的雙層結(jié)構(gòu)特點:盆地的形成與演化經(jīng)歷了 2個階段:古近紀(jì)為眾多同生正斷層垂直差異升降和拉張形成的箕狀凹陷和凸起相間的塹–壘斷塊組合;新近紀(jì)至第四紀(jì)則為披蓋式沉積,沉降范圍擴(kuò)大,缺乏斷層邊界限制。新近系–第四系呈水平產(chǎn)狀,未變形,常超覆于古近系之上。這清楚地表明新近紀(jì)盆地發(fā)生了被動沉降。華北活化區(qū)新近紀(jì)以來,塊斷差異升降漸趨緩和,裂谷型盆地停止發(fā)育,轉(zhuǎn)而向區(qū)域性整體下沉坳陷,形成統(tǒng)一的區(qū)域性的坳陷盆地,使新近系披覆了很多地塹與地壘,沉積以砂泥巖為主,成為現(xiàn)今的華北地臺活化區(qū)的構(gòu)造格局。

1.2 華北地臺活化與克拉通破壞的巖漿活動

華北地臺余“定”期的巖漿活動與一般地臺演化基本一致,以基性巖墻巖脈為先導(dǎo)?？死▋?nèi)部出現(xiàn)的金伯利巖,外緣出現(xiàn)的超鎂鐵質(zhì)煌斑巖和富碳酸鹽的堿性巖石,華北北緣內(nèi)蒙古隆起的太古宙–古元古代基底中存在大量的早石炭世末–二疊紀(jì)片麻狀閃長巖–花崗閃長巖侵入體,侵位時代主要開始于～320 Ma,結(jié)束于270～260 Ma (張拴宏等,2004;Zhang et al.,2007,2009)。華北克拉通內(nèi)部山東榮城形成于晚三疊世的甲子山正長巖(Yang et al.,2005),以及遼東半島和吉林南部地區(qū)的堿性侵入巖(Lu et al.,2003;Yang et al.,2007),華北克拉通南部發(fā)育少量的晚三疊世I型閃長巖–花崗閃長巖,淺成侵位的輝綠巖和正長巖等(吳福元等,2008),這些都是華北地臺余“定”期典型的巖漿活動。

地臺活化早期(早–中侏羅世)巖漿活動呈NE-ENE向展布,也主要集中在華北地臺的邊緣,如燕山一帶,遼東大部,以及膠東的玲瓏。在華北腹地侏羅紀(jì)的巖漿活動只有零星出現(xiàn),如魯西的早侏羅世銅石正長巖。同時代的基性巖漿極少,目前只在遼東半島鏵子裕報道有基性煌斑巖,以及華北東南緣早侏羅世(190～180 Ma)出現(xiàn)的銅石正長巖(張宏福等,2005)。侏羅紀(jì)花崗巖漿活動主要以花崗巖為主,多數(shù)花崗巖顯示埃達(dá)克質(zhì)巖石的特點,同位素組成顯示古老地殼來源,在巖石化學(xué)上屬于間于 I型–S型花崗巖的過渡類型(徐義剛等,2009)。中侏羅世巖漿活動加強,表現(xiàn)為中性、酸性巖漿的侵入和噴發(fā)。

晚侏羅世–白堊紀(jì)則為地臺活化劇烈期,華北克拉通達(dá)到破壞高峰(Xu et al.,2006;Yang et al.,2008;徐義剛等,2009)。白堊紀(jì)巖漿活動呈彌散型展布,巖漿作用除分布在燕山帶、太行山和蘇魯大別帶外,也出現(xiàn)在華北地臺腹地以及郯廬斷裂兩側(cè)。巖漿活動呈現(xiàn)出由克拉通邊緣向克拉通腹地遷移的趨勢,巖漿作用的范圍和強度都達(dá)到了頂峰。以基性巖漿和酸性巖漿共生為特征,集中在130～115 Ma。地幔物質(zhì)參與巖漿作用的程度較侏羅紀(jì)明顯增強,在巖石化學(xué)上屬于間于I 型–A 型花崗巖。此外,早白堊世大規(guī)模巖漿作用還與盆地、變質(zhì)核雜巖、拉分盆地的形成時代及華北地區(qū)顯生宙金礦床的成礦時代相一致,這些均說明早白堊世華北進(jìn)入了巖石圈拉張狀態(tài),標(biāo)志著華北克拉通進(jìn)入了巖石圈拉張和破壞的峰期(徐義剛等,2009)。晚白堊世(95～75 Ma)堿性玄武質(zhì)巖漿作用代表了巖石圈地幔減薄的結(jié)束(Zhai et al.,2007)。

華北地臺活化余動期巖漿活動較弱。巖漿活動中心由老到新,有隨沉積中心自西向東遷移,或自南向北遷移的趨勢。晚白堊世末期和古近紀(jì),巖漿作用多為拉斑和弱堿質(zhì)玄武巖,分布在拉張盆地內(nèi)部(徐義剛等,2009)。而到新近紀(jì)和第四紀(jì),火山作用強度相對減弱,玄武巖巖性變成以堿性和強堿性為主,而且主要出現(xiàn)在裂谷兩側(cè),巖漿活動呈現(xiàn)彌散性分布的特點,多數(shù)受深大斷裂和火山盆地的控制。從區(qū)域范圍看,中生代不同時期構(gòu)造的形態(tài)和性質(zhì)說明它們不是陸緣水平擠壓的產(chǎn)物,而可能是由軟流層上涌誘發(fā)的斷陷和斷塊垂直作用控制的(肖慶輝等,2006)。

1.3 華北地臺活化與克拉通破壞的深部地質(zhì)作用

地洼型構(gòu)造的影響深度在不少情況下可以深達(dá)莫霍面,尤其是介于差異升降強烈,構(gòu)造–地貌反差極大的相鄰地段(如地穹系與地洼系)之間的深大斷裂帶,大多數(shù)斷續(xù)地往下延伸至上地幔。研究表明地洼區(qū)的發(fā)展顯然與上地幔發(fā)生的深部過程有關(guān),其證據(jù)在于:(1)它與負(fù)重力異常相重合,而異常是與上地幔巖層狀態(tài)的特點有關(guān);(2)地洼型巖漿活動順序從酸性、堿性發(fā)展到基性,表明在其發(fā)展中有深處地幔成分的參與;(3)地洼基性巖漿中堿質(zhì)增高,表明其來源比地槽巖漿及地臺巖漿都深(陳國達(dá),1991)。

從巖漿作用來看,華北克拉通自從元古宙約 16億年之后,基本處于靜寂狀態(tài)。但從中生代開始,大規(guī)模的以中酸性為主的侵入巖和火山巖活動,在燕山期形成高峰,反映出強烈的殼幔相互作用。大量的殼熔花崗巖和殼?；旌系幕◢弾r是由巖石圈減薄引起的強烈的殼慢相互作用的結(jié)果。中生代巖石圈大規(guī)模減薄及其強烈的地幔改造和殼幔作用,致使巖石圈地幔和下地殼大部分或全部被改造和置換,成為無古老“底”的克拉通(翟明國和樊祺誠,2002;Kusky,2011)。下地殼置換作用主要是指在隆升地幔的影響下,巖漿和流體對下地殼的破壞、交代和改造,導(dǎo)致原有下地殼的成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生了部分甚至全部改變和替代。

對國內(nèi)外某些典型地洼區(qū)幔源巖石的微量元素和Sr、Nd、Pb同位素資料分析,發(fā)現(xiàn)地洼區(qū)在地臺階段向地洼階段轉(zhuǎn)化過程中,上地?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)由虧損狀態(tài)向富集狀態(tài)轉(zhuǎn)化。上地幔的化學(xué)結(jié)構(gòu)的這種轉(zhuǎn)化主要通過地幔交代作用完成。地幔交代作用不僅改變了上地幔的化學(xué)結(jié)構(gòu),而且導(dǎo)致交代地幔熱流升高、密度減小、體積膨大、固相線下降,所有這些綜合效應(yīng),正是導(dǎo)致地臺活化的合適和必要的深部熱–動力條件。根據(jù)對地洼區(qū)上地幔演化過程的認(rèn)識,建立了地洼區(qū)形成機制的初始模式(圖1)(范蔚茗,1989)。這也是熱能聚散交替、地幔蠕動假說提出來后,第一個通過“巖石探針”研究,從巖漿演化來描述地洼區(qū)形成機制的模式,該模式也成為華北克拉通破壞研究最早的模式。

圖1 地洼區(qū)形成機制的試驗?zāi)Ｊ绞疽鈭D(據(jù)范蔚茗,1989)Fig.1 Cartoons depicting a possible model for formation mechanism of the diwa regions

顯生宙以來華北克拉通不僅經(jīng)歷了巖石圈減薄,同時伴隨著巖石圈結(jié)構(gòu)、組成和熱狀態(tài)的轉(zhuǎn)變?？死▽傩缘膸r石圈地幔的組成和性質(zhì)也發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變(張宏福,2009;Zhang,2012)。周新華(2006)提出巖石圈轉(zhuǎn)型的概念,從古生代–中生代–新生代華北巖石圈發(fā)生兩次轉(zhuǎn)型,華北巖石圈地幔首先由古生代典型的大陸克拉通巖石圈地幔轉(zhuǎn)型為中生代“大陸過渡型”或“大陸交代型”巖石圈地幔,而后再由這一過渡型巖石圈地幔轉(zhuǎn)型為新生代大洋型地幔,并提出了南北重力梯度帶的重要性。徐義剛(2004)則強調(diào)巖石圈的熱–機械侵蝕和化學(xué)侵蝕是巖石圈減薄的主要機制,新生代虧損巖石圈地幔增生取代了古生代的富集地幔;鄭建平(2009)同樣強調(diào)了侵蝕改造的機制,并提出了地幔置換的觀點。這些研究成果從不同的方面揭示了華北克拉通破壞,即地臺活化的深部地質(zhì)作用過程。

2 從數(shù)值模擬實驗看華北地臺活化與克拉通破壞

2.1 殼幔過渡帶——熱能聚散交換的空間

中國大陸東部巖石圈減薄的事實證明,巖石圈減薄過程可能是復(fù)雜的、多階段的。但控制巖石圈減薄過程中物質(zhì)交換與能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部位發(fā)生在殼幔過渡帶。伴隨著巖石圈減薄,巨厚的巖石圈物質(zhì)被軟流圈物質(zhì)取代,必定導(dǎo)致巖石圈的巨大不穩(wěn)定性與不平衡,致使軟流圈物質(zhì)與能量注入巖石圈,引發(fā)巖石圈地幔的部分融熔和殘留地幔物質(zhì)的同時存在,并導(dǎo)致下地殼物質(zhì)的部分融熔,使得殼–幔界面不清晰而形成殼幔過渡帶,并導(dǎo)致中國東部大陸地殼淺部多次構(gòu)造與巖漿活動。根據(jù)孔隙變形介質(zhì)中非線性孔隙波的概念,結(jié)合對地殼運動一般規(guī)律的認(rèn)識,一種孔隙波在大陸巖石圈內(nèi)傳質(zhì)傳熱模型(Zhao et a1.,2005;Lin and Wang,2005;林舸等,2008a),被用來描述殼幔過渡帶的形成與演化過程(圖2):假設(shè)組成巖石圈的材料在微觀上是具有孔隙的,這些孔隙在地殼中是由流體充填的,而在莫霍面之下是由巖漿充填的。在初始階段由于地幔對流或殼幔交互作用,大陸巖石圈底部溫度或壓力的任何擾動都可能導(dǎo)致巖漿從軟流圈上升到巖石圈地幔(圖2a)。上升的巖漿通過孔隙波的產(chǎn)生和傳播流向莫霍面。因為莫霍面被假定為相對不滲透薄層,上升的巖漿在莫霍面下面聚集,直到由巖漿聚集引起逐漸增加的巖漿壓力超過薄層材料的流變強度為止。一旦巖漿壓力超過了不滲透薄層材料的流變強度,積聚的巖漿就會穿透不滲透薄層而噴出,這是莫霍面附近孔隙波產(chǎn)生的第一個階段(圖2b)。噴出的巖漿在由于熱量損失而固化前會穿過一段距離,這是由初始階段巖漿聚集而引起的局部附加壓力梯度造成的,向上噴出的巖漿的固化就在初始莫霍面的上部產(chǎn)生了一個新的弱(或不)滲透薄層。這一結(jié)果與初始莫霍面向上運動一致。同樣,巖漿固化過程中釋放出來的揮發(fā)物可以向上傳播穿過地殼,表明地幔的揮發(fā)性物質(zhì)也能夠通過孔隙波輸送到上地殼中去。同時,位于弱(或不)滲透薄層物質(zhì)下面的膨脹孔隙會在局部壓力減小的情況下合并關(guān)閉,其結(jié)果是初始莫霍面下面也會產(chǎn)生一個新的弱(或不)滲透薄層,這一結(jié)果與初始地殼物質(zhì)的向下運動一致。新的上部和下部弱(或不)滲透薄層的產(chǎn)生,標(biāo)志著孔隙波的傳播,這是莫霍面附近孔隙波產(chǎn)生和傳播的第二階段(圖2c)。不斷重復(fù)這種變化過程,這意味著隨著孔隙波的向上傳播,地幔物質(zhì)以巖漿或揮發(fā)性流體的形式在大陸巖石圈中向上運動,而地殼物質(zhì)在巖石圈中向下運動。

圖2 大陸巖石圈地幔和地殼物質(zhì)與能量交換過程的孔隙波概念模型簡圖(據(jù)Zhao et al.,2005)Fig.2 Model of the porosity wave concept of material and energy exchange between the continental lithospheric mantle and the continental crust

大陸巖石圈內(nèi)傳質(zhì)傳熱模型與熱能聚集、地幔蠕動是一致的(陳國達(dá),1997b):由于地幔物質(zhì)分布的不均勻性,發(fā)生溫度、比重在不同部分的差異,導(dǎo)致地幔發(fā)生蠕動。上地幔的蠕動方向有兩個:垂向和平向,前者是主因,后者是由于前者所引起的。垂向蠕動可以表現(xiàn)為兩種形式和起因,并導(dǎo)致不同方式的平向蠕動:一種形式是在上地幔中,溫度增高物質(zhì)比重減小,便朝上蠕動,當(dāng)其遇到巖石圈底面時,就轉(zhuǎn)變?yōu)樗綌U(kuò)散式的橫向蠕動;另一種形式是上地幔中溫度相對降低,物質(zhì)比重增大,便朝下蠕動,從而導(dǎo)致鄰側(cè)巖石圈底下的地幔發(fā)生水平匯聚式的平向蠕動。

當(dāng)某一地區(qū)上地幔蠕動活躍時期,便促使該處地殼或其中某些地段相應(yīng)地隨之發(fā)生熱能積聚、大地?zé)崃髟龈?、?gòu)造–巖漿–變質(zhì)作用激烈,并以大部分時期水平運動特別明顯為特征,形成了活動區(qū)(例如地槽區(qū))。反之,當(dāng)該地區(qū)的上地幔蠕動轉(zhuǎn)入相對寧靜時期,其處的地殼或其中的某些地段的熱能相應(yīng)地補給減少,大地?zé)崃鹘档?構(gòu)造–巖漿–變質(zhì)作用輕微甚至缺乏,并且由于水平運動轉(zhuǎn)弱而顯出垂直運動占據(jù)相對優(yōu)勢,這就轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定區(qū)(例如地臺區(qū))。正是由于上地幔物質(zhì)蠕動活躍與相對寧靜交替,以及新舊條件的差異,促成了在巖石圈發(fā)展史中活動區(qū)與穩(wěn)定區(qū)交替出現(xiàn),互相轉(zhuǎn)化,并且呈遞疊前進(jìn)的演化過程。該模型表明,通過大陸巖石圈中孔隙波的產(chǎn)生和傳播,地幔物質(zhì)和熱量通過殼–幔過渡帶傳輸?shù)降貧ぶ腥?導(dǎo)致中國東部大陸地殼淺部的構(gòu)造–巖漿活化活動。

2.2 地幔上涌熱流對巖石圈熱結(jié)構(gòu)與厚度的影響

巖石圈的熱狀態(tài)決定著巖石圈的流變和物理性質(zhì),從而影響著構(gòu)造變形的特征和地質(zhì)演化過程。近年來對大陸巖石圈三維結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn),陸殼垂向生長的物質(zhì)和熱源可能與來自更深部的上地幔巖石圈和軟流圈的相互作用,以及與軟流圈物質(zhì)上涌有關(guān)(肖慶輝等,2006)。中生代以來中國東部構(gòu)造–巖漿活動十分活躍,曾先后發(fā)生過軟流圈的大規(guī)模上涌,形成強大的上涌熱流,劇烈熔融并改造著巖石圈,促使巖石圈熱結(jié)構(gòu)和厚度發(fā)生了明顯變化(吳福元等,2003;Lin et al.,2005;Wang et al.,2007;Zhai et al.,2007;Zhai and Santosh,2013)。

由于孔隙波造成的向上運動的物質(zhì)和熱流,引發(fā)大陸巖石圈中的熱結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整,這是大陸巖石圈減薄的一個重要機制。為了探討這一機制所導(dǎo)致的上涌流對大陸巖石圈中熱結(jié)構(gòu)模式的可能影響,在巖石圈尺度范圍內(nèi)通過數(shù)學(xué)運算推導(dǎo)出了與上涌流有關(guān)的傳熱問題的理論解(Zhao et al.,2005)。由理論和數(shù)值分析獲得在不同上涌流條件下的大陸巖石圈的熱結(jié)構(gòu)模式與依據(jù)地球物理、地質(zhì)資料獲得的大陸巖石圈熱結(jié)構(gòu)模式十分吻合(林舸等,2008b;Zhang et al.,2011)。

圖3 不同類型巖石圈相關(guān)的溫度分布(據(jù)Zhang et al.,2011)Fig.3 Temperature distribution of different lithospheres

由于大陸巖石圈多為變孔隙流體密度(如隨溫度變化)的熱傳導(dǎo)–平流巖石圈,由理論和數(shù)值分析獲得的不同上涌流條件下的大陸巖石圈厚度(圖3a)與依據(jù)地球物理、地質(zhì)資料獲得的大陸巖石圈厚度(圖3b)十分吻合:當(dāng)上涌流速率為ν=0,地幔傳導(dǎo)熱流Q=13 mW/m2時,僅有熱傳導(dǎo)的巖石圈熱結(jié)構(gòu)模式與加拿大地盾的熱結(jié)構(gòu)模式非常吻合。在變孔隙流體密度(如隨溫度變化)的熱傳導(dǎo)–平流巖石圈中,當(dāng)上涌流速率為ν=6e-12 m/s,地幔傳導(dǎo)熱流Q=13 mW/m2時,可滿足一般的大陸穩(wěn)定區(qū)巖石圈厚度(200 km)的要求。而ν=2e-11 m/s,Q=13 mW/m2的熱結(jié)構(gòu)模式對應(yīng)青藏高原;ν=6e-12 m/s,Q=30 mW/m2和 ν=2e-11 m/s,Q=25 mW/m2且分別對應(yīng)華南和華北的巖石圈熱結(jié)構(gòu)模式。西太平洋邊緣海的巖石圈熱結(jié)構(gòu)模式仍具有大陸巖石圈的特征,ν=4e-11 m/s,Q=40 mW/m2的熱結(jié)構(gòu)模式與西太平洋邊緣海的巖石圈熱結(jié)構(gòu)模式相似。由模擬實驗可知,影響青藏高原、華北和華南的巖石圈熱結(jié)構(gòu)模式的主要因素是上涌流的差異。這也與實際地質(zhì)資料相吻合:青藏高原主要是由印度板塊與歐亞板塊碰撞匯聚引起的巖石圈增厚,地殼溫度較高,但地幔溫度并不很高,在 70 km 深度處(上地幔頂部)僅為900～1050 ℃(朱介壽等,2002),與模擬結(jié)果吻合很好,表明該區(qū)上涌流速率雖然較快,但地幔傳導(dǎo)熱并不高。華北和華南則主要是由于軟流圈上涌(地幔熱物質(zhì)上升)引起巖石圈的拉張減薄,在 100～120 km 深度的上地幔溫度可以達(dá)到1300～1400 ℃(朱介壽等,2002),也與模擬結(jié)果吻合很好。華南受太平洋巖石圈的影響,上涌流速率雖然不快,但地幔傳導(dǎo)熱比較高。而華北則相反,上涌流速率較華南要快,但地幔傳導(dǎo)熱比華南要低一點。巖石圈的熱結(jié)構(gòu)數(shù)值分析與模擬也表明:不同構(gòu)造背景下巖石圈的熱結(jié)構(gòu)模式是可以用理論和數(shù)值分析來表達(dá)的。影響中國青藏高原、華北、華南和邊緣海的巖石圈穩(wěn)定厚度的主要因素是上涌熱流的差異。上涌流速率與傳導(dǎo)熱流都對大陸巖石圈厚度有明顯的影響:在傳導(dǎo)熱流比較小的時候,上涌流速率對大陸巖石圈的厚度影響大;而傳導(dǎo)熱流較大時,上涌流速率的影響較小。反之,當(dāng)上涌流速度較小時,傳導(dǎo)熱流的變化對大陸巖石圈厚度影響較大;而上涌流速度較大時,傳導(dǎo)熱流的變化對巖石圈厚度的影響較小。近年來,有學(xué)者利用數(shù)值模擬的方法,從地幔熱流的參考等效黏滯系數(shù)和底邊界溫度對華北克拉通破壞活化機制進(jìn)行了有益的探討(喬彥超等,2012,2013;何麗娟,2014),進(jìn)一步證明了巖石圈中的上涌流對大陸巖石圈地幔熱結(jié)構(gòu)模式有著重要影響。

3 地臺活化及其活化機制的啟迪與展望

3.1 華北克拉通巖石圈破壞的初始階段(地臺余“定”期)

活化構(gòu)造強調(diào)了從地殼穩(wěn)定的地臺區(qū)轉(zhuǎn)化為構(gòu)造活動強烈的地洼區(qū),即克拉通破壞,有一個漸變、量變的過渡階段。由地臺階段向活化區(qū)動力體制轉(zhuǎn)化時,存在活動性趨于增大的“前奏”活動(陳國達(dá),1965)。與克拉通破壞一樣有一個復(fù)雜的地質(zhì)過程:其動力體制的轉(zhuǎn)化既具有漸變到突變的特點;又是呈階段性發(fā)展的;既有時間上的階段性,又有空間上的遷移性。在表現(xiàn)形式上,首先從穩(wěn)定期過渡到余“定”期,這是一個漸變過程。正如華北克拉通破壞的初始階段一樣,自中奧陶世后,經(jīng)歷了晚奧陶世、志留紀(jì)、泥盆紀(jì)和早石炭世長期的隆起抬升。在克拉通演化的后期,巖石圈熱結(jié)構(gòu)開始變化,厚度在緩慢減薄;地殼活動性已逐漸增強,出現(xiàn)了一些明顯的克拉通破壞前的構(gòu)造–巖漿活動:晚石炭世–三疊紀(jì)沿克拉通邊緣由北而南和內(nèi)部的構(gòu)造薄弱帶出現(xiàn)中–基性巖漿活動。這一時期的演化和地臺余“定”期的演化是一致的。但仍保持了穩(wěn)定克拉通的大地構(gòu)造屬性(陳國達(dá),1991;趙越等,2010)。從地臺活化的地殼動“定”遞進(jìn)演化理論分析,華北克拉通的破壞應(yīng)該是從早侏羅世開始的。

3.2 華北克拉通巖石圈破壞的熱能聚散地幔蠕動動力學(xué)機制

華北克拉通的破壞過程,源自深部地幔熱能的聚集,導(dǎo)致熱異常軟流圈的上涌和對巖石圈熱侵蝕、置換作用的活化改造和再造所致(陳國達(dá),1996)。華北克拉通破壞的地質(zhì)資料表明深部地幔熱流上涌引發(fā)了克拉通的破壞和構(gòu)造–巖漿活化:

(1)華北克拉通整個陸塊不見上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系和下石炭統(tǒng),整體一直處于隆起抬升環(huán)境。晚三疊世盆地主要呈線狀分布于承德地區(qū)和遼西局部,盆地范圍非常小(翟明國,2010),也應(yīng)是處于隆起抬升環(huán)境。晚古生代華北克拉通以基性巖墻巖脈為先導(dǎo),首先出現(xiàn)在華北克拉通邊緣,說明當(dāng)時克拉通邊緣的巖石圈結(jié)構(gòu)和熱狀態(tài)發(fā)生了改變。侏羅紀(jì)花崗巖漿活動呈 NNE 向展布,主要以花崗巖為主,缺少基性巖漿,多數(shù)花崗巖顯示埃達(dá)克質(zhì)巖石的特點,同位素組成顯示其為古老地殼來源,在巖石化學(xué)上屬于 I 型–S 型花崗巖的過渡類型(徐義剛等,2009),表明這種隆升作用具有地幔熱作用的參與。

(2)中國東部巖石圈總體上呈現(xiàn)向東減薄的特征,并沿興安、太行–武陵和雪峰(縱貫演化歷史各異的東北、華北和華南陸塊)形成一條 NNE向連貫的布格重力異常帶,同時也是東、西兩側(cè)地殼/巖石圈厚度發(fā)生明顯變化的分界帶。地質(zhì)記錄表明,隨著地殼/巖石圈總體上呈現(xiàn)向東減薄,動力作用中心帶也向東遷移。不僅深部動力作用對地殼/巖石圈的活化改造和再造處于鼎盛時期;而且,由于熱–構(gòu)造事件的東移及其作用范圍向大洋巖石圈非限制性動力邊界的擴(kuò)展,地殼/巖石圈拉張減薄的趨勢增大。雙峰態(tài)火山巖和 A型花崗巖的出現(xiàn),已標(biāo)志克拉通破壞的構(gòu)造–動力環(huán)境在時、空上開始向拉張型的過渡轉(zhuǎn)變。

(3)眾多燕山早–中期花崗巖和燕山晚期巖脈,與基底–蓋層巖系構(gòu)成的復(fù)式巖漿–構(gòu)造穹窿,及其被剝蝕出露,是持續(xù)性垂向抬升的標(biāo)志,多被認(rèn)為與軟流層上涌作用有關(guān)。

(4)由于巖石圈地幔熱流上涌,導(dǎo)致地殼及上地幔物質(zhì)密度的側(cè)向變化,巖石圈伸展減薄,使得地殼產(chǎn)生極大的拉張量,形成裂陷盆地。古近紀(jì)東部陸緣大型拉張盆地和其后東亞離散式陸緣海的形成是克拉通破壞晚期階段的構(gòu)造–動力環(huán)境的主要特征?？死ㄆ茐氖菬岬能浟魅ι嫌拷淮?、置換、化學(xué)侵蝕了先存的、厚的老巖石圈地幔的結(jié)果,與此同時伴隨了大范圍的巖石圈拉伸、玄武巖大面積的噴發(fā),后者是發(fā)生破壞的直接標(biāo)志。

上述事實表明,巖石圈整體的熱隆升在先,而前述的一系列巖漿事件卻在后,這種時間上的先后關(guān)系和巖石圈持續(xù)長久的隆升狀態(tài),以及淺部地殼中典型拉張構(gòu)造的地質(zhì)記錄,是其深部熱動力機制具有主動性的最具說服力的證據(jù)。克拉通巖石圈的形成和破壞雖與板塊運動過程具有密切的時空關(guān)系(鄭永飛和吳福元,2009)。但華北克拉通邊緣的板塊活動僅僅是克拉通破壞的直接導(dǎo)火線。

3.3 展 望

關(guān)于活化區(qū)地幔熱能聚散和熱異常軟流圈主動上涌的更深層次的成因,以及中國東部活化區(qū)動力作用時、空上向東遷移的原因等問題,仍然是今后活化區(qū)動力學(xué)研究中有待深入研究的兩大基本問題。

本文以陳國達(dá)先生的一段話做為結(jié)尾:科學(xué)是最富于進(jìn)取性的,它從不留戀過去。同時,科學(xué)又是最富于繼承性,它從不忘記過去。因為科學(xué)的進(jìn)步,有賴于不斷地在繼承積累的基礎(chǔ)上加深和提高認(rèn)識。認(rèn)識是沒有止境的,這是科學(xué)發(fā)展的動力和源泉。因而積累與深化提高也是沒有止境的。所以,自主創(chuàng)新研究宜遵循這樣一條原則:對于前人的科學(xué)理論,無論是中國的還是外國的,也不分中外古今,都應(yīng)一分為二,客觀地經(jīng)過野外實踐,以及結(jié)合前人積累的可靠資料,對它們加以檢驗,分清其精華糟粕,批判地繼承。對于經(jīng)得起實踐檢驗的部分予以吸取;對不足之處加以修改、補充,或者逆向思考;通過揚棄,在學(xué)百家之長的基礎(chǔ)上,聯(lián)系實際,結(jié)合我國地質(zhì)特點,自主創(chuàng)新。對現(xiàn)有資料未足認(rèn)識的問題,則留待今后作進(jìn)一步研究。

致謝:謹(jǐn)以本文悼念我們的恩師陳國達(dá)先生誕辰102周年。

陳國達(dá).1956.中國地臺“活化區(qū)”的實例并著重討論“華夏古陸”問題.地質(zhì)學(xué)報,36(8):239–272.

陳國達(dá).1959.地殼第三構(gòu)造單元——地洼區(qū).科學(xué)通報,4(3):94–95.

陳國達(dá).1965.地洼區(qū)——后地臺階段的一種新型活動區(qū)//中國大地構(gòu)造問題.北京:科學(xué)出版社:1–52.

陳國達(dá).1991.活化(地洼)構(gòu)造理論的歷史回顧與發(fā)展現(xiàn)狀(二).中南礦冶學(xué)院學(xué)報,22(5):480–486.

陳國達(dá).1992.“燕山運動”的歷史意義.大地構(gòu)造與成礦學(xué),16(2):111–112.

陳國達(dá).1996.地洼學(xué)說——活化構(gòu)造及成礦理論體系概論.長沙:中南工業(yè)大學(xué)出版社:1–320.

陳國達(dá).1997a.東亞陸緣擴(kuò)張帶——一條離散式大陸邊緣成因的探討.大地構(gòu)造與成礦學(xué),21(4):285–293．

陳國達(dá).1997b.青藏高原隆升的歷史背景和機因.大地構(gòu)造與成礦學(xué),21(2):95–108.

范蔚茗.1989.大陸地幔交代作用:地臺活化的先驅(qū)事件?大地構(gòu)造與成礦學(xué),13(3):202–212.

鳳永剛,劉樹文,呂勇軍,田偉,柳小明.2009.冀北鳳山晚古生代閃長巖–花崗質(zhì)巖石的成因:巖石地球化學(xué)、鋯石U-Pb年代學(xué)及Hf同位素制約.北京大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,45(1):59–70.

何麗娟.2014.流變邊界層及其對華北克拉通熱/地震巖石圈底界差異的意義.地球物理學(xué)報,57(1):53–61.

林舸,趙崇斌,Hobbs B E,張露,周葉.2008b.上涌流對大陸巖石圈地幔–地殼熱結(jié)構(gòu)模式的潛在影響.地球物理學(xué)報,51(2):393–401.

林舸,趙崇斌,肖喚欽,陳廣浩,閆義,張德圣,劉士林,陳運平.2008a.華北克拉通構(gòu)造活化的動學(xué)機制與模型.大地構(gòu)造與成礦學(xué),32(2):133–142.

劉池洋,趙紅格,桂小軍,岳樂平,趙俊峰,王建強.2006.鄂爾多斯盆地演化–改造的時空坐標(biāo)及其成藏(礦)響應(yīng).地質(zhì)學(xué)報,80(5):617–638.

喬彥超,郭子祺,石耀霖.2013.數(shù)值模擬華北克拉通巖石圈熱對流侵蝕減薄機制.中國科學(xué)(D輯),43(4):642–652.

喬彥超,郭子祺,石耀霖.2012.數(shù)值模擬華北克拉通巖石圈減薄的一種可能機制——下地殼榴輝巖重力失穩(wěn)引起的拆沉.地球物理學(xué)報,55(12):4249–4256.

吳福元,葛文春,孫德有,郭春麗.2003.中國東部巖石圈減薄研究中的幾個問題.地學(xué)前緣,10(3):51–60.

吳福元,徐義剛,高山,鄭建平.2008.華北巖石圈減薄與克拉通破壞研究的主要學(xué)術(shù)爭論.巖石學(xué)報,24(6):1145–1174.

肖慶輝,邱瑞照,伍光英,邢作云,張昱,童勁松.2006.中國東部中生代軟流層上涌造山作用.中國地質(zhì),33(4):730–751.

徐義剛.2004.華北巖石圈減薄的時空不均一特征.高校地質(zhì)學(xué)報,10(3):324–331.

徐義剛,李洪顏,龐崇進(jìn),何斌.2009.論華北克拉通破壞的時限.科學(xué)通報,54(14):1974–1989.

楊心宜.2003.與地洼學(xué)說相關(guān)的幾個問題.大地構(gòu)造與成礦學(xué),27(3):206–211.

翟明國.2010.華北克拉通的形成演化與成礦作用.礦產(chǎn)地質(zhì),29:24–36.

翟明國.2011.克拉通化與華北陸塊的形成.中國科學(xué)(D輯),41(8):1037–1046.

翟明國,樊祺誠.2002.華北克拉通中生代下地殼置換非造山過程的殼幔交換.巖石學(xué)報,18(1):1–8.

張宏福.2009.橄欖巖–熔體相互作用:克拉通型巖石圈地幔能夠被破壞之關(guān)鍵.科學(xué)通報,54(14):2008–2026.

張宏福,周新華,范蔚茗,孫敏,郭鋒,英基豐,湯艷杰,張瑾,牛利鋒.2005.華北東南部中生代巖石圈地幔性質(zhì)、組成、富集過程及其形成機理.巖石學(xué)報,21(4):1271–1280.

張拴宏,趙越,宋彪,吳海.2004.冀北隆化早前寒武紀(jì)高級變質(zhì)區(qū)內(nèi)的晚古生代片麻狀閃長巖——鋯石SHRIMP U-Pb 年齡及其構(gòu)造意義.巖石學(xué)報,20(3):621–626.

趙俊峰,劉池洋,王曉梅,馬艷萍,黃雷.2009.呂梁山地區(qū)中–新生代隆升演化探討.地質(zhì)論評,5(5):663–672.

趙越,陳斌,張拴宏,劉建民,胡健民,劉健,裴軍令.2010.華北克拉通北緣及鄰區(qū)前燕山期主要地質(zhì)事件.中國地質(zhì),37(4):900–915.

鄭建平.2009.不同時空背景幔源物質(zhì)對比與華北深部巖石圈破壞和增生置換過程.科學(xué)通報,54(14):1990–2007.

鄭永飛,吳福元.2009.克拉通巖石圈的生長和再造.科學(xué)通報,54(14):1945–1949.

周新華.2006.中國東部中新生代巖石圈轉(zhuǎn)型與減薄研究若干問題.地學(xué)前緣,13(2):50–64.

朱介壽,曹家敏,蔡學(xué)林,嚴(yán)忠瓊,曹小林.2002.東亞及西太平洋邊緣海高分辨率面波層析成像.地球物理學(xué)報,45(5):646–664.

Davis G S,Zhan Y D,Wang C,Darby J,Zhang C H and Gehrels G.2001.Mesozoic tectonic evolution of the Yanshan fold and thrust belt,with emphasis on Hebei and Liaoning provinces northern China.GSA Memoir,194:171–197.

Kusky T M.2011.Geophysical and geological tests of tectonic models of the North China Craton.Gondwana Research,20:26–35.

Lin G and Wang Y H.2005.The P-wave velocity structure of the crust-mantle transition zone in the continent of China.Journal of Geophysics and Engineering,2(3):268–276.

Lin G,Zhang Y H,Guo F,Wang Y J and Fan W M.2005.Numerical modelling of lithosphere evolution in the North China Block:Thermal thinning versus tectonic extension thinning.Journal of Geodynamics,40:92–103.

Lu X P,Wu F Y,Zhao C B and Zhang Y B.2003.Triassic V-Pb age for zircon from granites in the Tonghua area and its response to the Dabie-Sulu ultrahigh-pressure collisional orogenesis.Chinese Science Bulletin,48(15):1616–1623.

Wang Z,Zhao Y,Zou H,Li W,Liu X,Wu H,Xu G and Zhang S.2007.Petrogenesis of the Early Jurassic Nandaling flood basalts in the Yanshan belt,North China Craton:A correlation between magmatic underplating and lithospheric thinning.Lithos,96:543–566.

Xu W L,Gao S,Wang Q,Wang D Y and Liu Y S.2006.Mesozoic crustal thickening of the eastern North China Craton:Evidence from eclogite xenoliths and petrologic implications.Geology,34(9):721–724.

Yang J H,Chung S L,Wilde S A ,Wu F Y,Chu M F,Lo C H and Fan H R.2005.Petrogenesis of post-orogenic syenites in the Sulu Orogenic Belt,East China:Geochronology,geochemical and Nd-Sr isotopic evidence.Chemical Geology,214:99–125.

Yang J H,Sun J F,Chen F K,Wilde S A and Wu F Y.2007.Sources and petrogenesis of late Triassic dolerite dikes in the Liaodong Peninsula:Implications for post-collisional lithosphere thinning of eastern North China Craton.Journal of Petrology,48:1973–1997.

Yang J H,Wu F Y,Wilde S A,Belousova E and Griffin W L.2008.Mesozoic decratonization of the North China block.Geology,36:467–470.

Zhai M G,Fan Q C,Zhang H F,Sui J L and Shao J A.2007.Lower crustal processes leading to Mesozoic lithospheric thinning beneath eastern North China:Underplating replacement and delamination.Lithos,96:36–54.

Zhai M G and Santosh M.2013.Metallogeny of the North China craton:Link with secular changes in the evolving earth.Gondwana Research,24:275–297.

Zhang H F.2012.Destruction of ancient lower crust through magma underplating beneath Jiaodong Peninsula,North China Craton:U-Pb and Hf isotopic evidence from granulite xenoliths.Gondwana Research,21:281–292.

Zhang H F,Zhu R X,Santosh M,Ying J F,Su B X and Hu Y.2013.Episodic widespread magma underplating beneath the North China Craton in the Phanerozoic:Implications for craton destruction.Gondwana Research,23:95–107.

Zhang L,Li Z A,Zhao C B,Lin G and Guo H D.2011.Numerical simulation of the effects of upward through-flow on the thermal structure and the thickness of the continental lithosphere.Journal of Geophysics and Engineering,8:322–329.

Zhang S H,Zhao Y,Song B,Hu J M,Liu S W,Yang Y H,Chen F K,Liu X M and Liu J.2009.Contrasting Late Carboniferous and Late Permian-Middle Triassic intrusive suites from the northern margin of the North China craton:Geochronology,petrogenesis and tectonic implications.Geological Society of America Bulletin,121:181–200.

Zhang S H,Zhao Y,Song B,Yang Z Y,Hu J M and Wu H.2007.Carboniferous granitic plutons from the northern margin of the North China block:Implications for a Late Paleozoic active continental margin.Journal of the Geological Society,164:451–463.

Zhao C B,Hobbs B E,Ord A,Lin G and Mühlhaus H B.2005.Theoretical and numerical analysis of large-scale heat transfer problems with temperature-dependent porefluid densities.Engineering Computations,22:232–252.

Zhu G,Jiang D Z,Zhang B L and Chen Y.2012.Destruction of the eastern North China Craton in a backarc setting:Evidence from crustal deformation kinematics.Gondwana Research,22:86–103.

Zhu G,Niu M L,Xie C L and Wang Y S.2010.Sinistral to normal faulting along the Tan-Lu Fault Zone:Evidence for geodynamic switching of the East China continental margin.Journal of Geology,118:277–293.