稳定的大陆克拉通为什么会被破坏?
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稳定的大陆克拉通为什么会被破坏?
Why Stable Continental Craton can be Destroyed?
撰文丨吴福元
作者介绍
吴福元，中国科学院地质与地球物理研究所研究员，博士生导师，中国科学院院士 。主要研究领域花岗岩成因与地壳演化，地幔岩浆作用与克拉通破坏，Rb-Sr、Sm-Nd、U-Pb同位素地质年代学，Sr-Nd-Hf-Os同位素示踪与地球动力学。
克拉通 （Craton） 是地球表层的重要组成单元[1]，大多形成于18亿年以前的地球早期。这些古老的克拉通多具有>200 km的巨厚岩石圈根，且由于其密度和热流值较低、刚性较大，能够避免遭受后期地质作用的改造而保持稳定。
其形成后基本无明显的构造—岩浆—成矿活动，现今也无明显的地震活动，成为地球上最稳定的地区。如俄罗斯的西伯利亚 （Siberia）克拉通、美国和加拿大的怀俄明（Wyoming）克拉通、南非的卡普瓦尔（Kaapvaal）克拉通等。
全球前寒武纪克拉通分布图（引自吴福元，2014）
华北克拉通岩石圈厚度等值线图（据朱日祥等，2011）
例外的是，我国北方的华北克拉通却表现出与世界上主要克拉通截然不同的特征。
华北克拉通示意图（据朱日祥等，2014）
该克拉通自18亿年左右形成后，基本保持相对稳定，并形成华北广布的碳酸盐沉积建造；但自 2 亿年左右的中生代以来，华北克拉通发生了大规模强烈的构造变形、岩浆活动和盆地形成，并伴生了大量的金属和能源矿产。
华北克拉通流动地震台阵分布
NCISP，华北内部结构计划；DNCC，华北克拉通破坏计划。紫色三角表示观测尚未结束的流动地震台站（据朱日祥等，2011）
另外，强烈的地震活动也是该克拉通的重要地质特色，如 1976 年发生的唐山大地震。因此，华北克拉通原有的稳定性质在后来发生了改变。在目前人类的知识当中，稳定的大陆克拉通其性质发生变化是目前还认识相当有限的一种特殊地质现象，是什么机制导致了原本稳定的克拉通而不稳定呢? 稳定的大陆克拉通为什么会被破坏?
华北克拉通金伯利岩和玄武岩中地幔包体分布图（据朱日祥等，2014）
20世纪50年代，我国科学家就已发现了华北克拉通这一与众不同的地质特征，并提出了“地台活化”的概念[2]。但对这一现象的起因或地球动力学本质，一直缺乏明确的认识。
80~90年代进行的地幔来源金伯利岩和玄武岩的研究使得对这一问题的认识出现了质的飞跃。山东蒙阴和辽宁复县金伯利岩中的金刚石及其中的矿物包裹体资料显示，该金伯利岩在形成时（约4.7亿~4.8亿年）具有大约200 km厚的岩石圈[3]；然而由新生代玄武岩中的幔源包体研究获得的岩石圈厚度约为80~120 km[4,5]。
地震波各向异性和层析成像系统研究与分析
地球物理探测资料也基本与上述结果一致[6]，这就表明华北东部自早古生代以来发生了百余公里的岩石圈减薄[3]。
克拉通破坏过程卡通图解
UC，上地壳；LC，下地壳；LM，岩石圈地幔；A，软流圈；Ec，榴辉岩；SL，海平面（只具参考意义，未按比例标示海平面上、下垂向涉及的实际范围。据张长厚等，2011)
自从学术界提出“华北岩石圈减薄”这一科学命题以后，大量的研究集中在上述岩石圈减薄的时间、空间范围、垂向幅度、减薄机制及其地球动力学控制因素等方面[7,8]。且研究进一步揭示，华北在中新生代期间发生的一系列地壳层次上的构造变形、岩浆—成矿活动和盆地形成都可能与岩石圈减薄有关。即华北克拉通中新生代的地质演化不仅表现为深部岩石圈的减薄，而且其浅部的地壳也发生了强烈的改造与活动。或者说，华北克拉通从整体上已不再具有克拉通所具有的稳定特性。
我们把这种克拉通本应具有的稳定特征而不再存在的过程称为克拉通破坏（craton destruction）[8]，或去克拉通化（decratonization）[9]。
华北克拉通地幔过渡带结构
(a) 地幔过渡带厚度分布图；其中黄色圆圈代表地幔过渡带厚度和660 km间断面结构都发生明显变化的位置；(b) 沿 37°N 的 E-W 向 P 波速度扰动剖面；(c) 沿 A-A′和 B-B′剖面地幔过渡带厚度与岩石圈厚度的横向变化对比（据朱日祥等，2011）
尽管克拉通破坏这一现象在北美、南美、西伯利亚、印度等世界上的其他克拉通中也有不同程度的反映，但学术界一致认为，华北是世界上克拉通破坏发生的最典型地区[10]，因为其他克拉通尽管发生了减薄，但其稳定的克拉通性质仍然存在。
但究竟为何稳定的克拉通会发生破坏，现在仍然是一个科学之谜。从 2007 年开始，我国国家自然科学基金委员会设立“华北克拉通破坏”重大研究计划，以期对这一重要而特色的地质现象进行深入而系统地研究。
华北克拉通破坏与改造的地幔对流机制（据朱日祥等，2011）
从目前的研究结果看，导致克拉通破坏的主要机制有拆沉（delamination）、热侵蚀（thermal erosion）和拉张（extension）三种方式。
拆沉是指由于早期的加厚作用导致深部地壳密度加大，这种重力上的不稳定性使高密度的地壳连同下部的岩石圈地幔一同沉入软流圈，从而使岩石圈减薄。拆沉物质原来所占有的空间被软流圈取代，而软流圈由于其高的温度实现对上部地壳的加热，进而使克拉通发生破坏。
热侵蚀模型认为，克拉通之下软流圈的“烘烤”使上部物质发生软化和熔融，这样在水平流动产生的切向剪切应力作用下，这一部分物质转变成软流圈的一部分，从而实现岩石圈的减薄与克拉通破坏。
所谓的拉张作用是指纯粹由于机械伸展使岩石圈减薄的过程。由于华北岩石圈减薄前后的岩石圈地幔在性质上发生过重大变化，单纯的机械拉张显然不能用来解释华北的克拉通破坏，但要明确地区分拆沉和热侵蚀作用，目前并不简单。
“我国华北属于比邻太平洋的东亚大陆，中生代以来太平洋板块的俯冲作用不可忽视，因为大洋板块的俯冲会带入大量的水进入地幔，而这些水进入地球深部后将不断向上运移而软化上覆的刚性岩石圈地幔。因此，要解决华北克拉通破坏问题，还必须从更广的视野来认识我国东部，甚至东亚大陆的地球动力过程。
”本文文章内容引自科学出版社《10000个科学难题-地球科学篇》
图片为编者后期添加
编辑：张志越
美术编辑：赵亚楠
校对：吴建国
转载：中科院地质地球所
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