华北地块东部晚中生代至新生代岩石圈不均一减薄与改造模式

本文综合运用不同时代幔源包体平衡温压对比、玄武岩地球化学性质对岩石圈厚度的反演以及不同时代岩石圈地幔地球化学性质的对比的方法，把华北地块东部岩石圈的减薄时间限定在晚中生代至新生代之间。减薄的机制可能是华北东部地区晚白垩世以来大陆岩石圈的拉张作用。由于机械性拉薄和热、机械和化学侵蚀作用，岩石圈厚度最终减薄到70km以下。但古老的岩石圈地幔并没有完全因减薄而消失，残留部分受到了来自软流圈物质的强烈改造，使其Sr、Nd同位素组成类似于软流圈，但Os同位素没有受到明显的改变。改造后的岩石圈地幔成为华北地块东部新生代岩石圈地幔的主体。在时空上，岩石圈的减薄具有不均一的性质。     

现今塔里木克拉通岩石圈厚度分析及机制探讨

塔里木盆地是青藏高原周边稳定的克拉通陆块,在印度板块与欧亚板块碰撞过程中一直保持稳定,盆地内部没有发生强烈的变形,其地壳热状态也同样保持稳定,地温梯度没有明显的变化,以热力学为基础的岩石圈热学厚度约为250km左右,该厚度是热稳态岩石圈的厚度。而最新的地震热学方法的研究成果表明塔里木盆地的岩石圈厚度仅为150km左右,这表明塔里木盆地岩石圈的热结构可能并不是处于稳态状态,其底部正在或已经发生了减薄。本文利用构造热演化方法对塔里木岩石圈减薄的热演化过程进行了定量分析,探讨了塔里木盆地岩石圈减薄可能的三种机制：印度板块与欧亚板块碰撞后青藏高原岩石圈底部的软流圈较塔里木盆地岩石圈底部的软流圈的温度要高,青藏高原的软流圈地幔向塔里木盆地岩石圈底部侵入形成的热扰动使得塔里木盆地岩石圈底部的温度升高;塔里木岩石圈与其下流动的软流圈的摩擦剪切生热导致其岩石圈地幔底部温度升高,使得岩石圈底部发生热侵蚀,从而使得与软流圈接触的岩石圈地幔不断地加入到软流圈地幔;在塔里木盆地岩石圈的下部,青藏高原的岩石圈在该处发生了拆沉,从而诱发的软流圈地幔对流,上升的软流圈地幔流使得岩石圈地幔的温度升高而熔融,成为软流圈地幔。     

热与克拉通破坏

大陆克拉通是地球表面上相对稳定的构造单元。从地热学的角度考虑,克拉通岩石圈的稳定意味着地表热流等于对流地幔岩石圈底部提供的热流加上岩石圈内部由放射性衰变产生的热量。太古代稳定克拉通一般具有冷的地热特征,且处于热平衡状态。打破克拉通热平衡的因素有多种,如岩石圈地幔的放射性生热、来自深部的地幔柱、板块俯冲等。华北是全球古老克拉通遭受破坏最明显和最典型的地区,其破坏与中生代太平洋板块向东亚的深俯冲密切相关。古太平洋板块快速俯冲并停滞在地幔转换带脱水、形成宽约1 000 km的低粘大地幔楔,导致地幔对流增强。在活跃地幔对流的热侵蚀与橄榄岩-熔体相互作用共同作用下,华北克拉通在中生代期间迅速减薄。经过中生代加热减薄的华北克拉通岩石圈强度显著变弱,在俯冲板块后撤作用下,岩石圈拉张并进一步减薄,地表热流升高。华北克拉通破坏是一个漫长的历程,期间大地热流的演化特征呈现出由中生代以前的低值演化至新生代的高值再过渡到现今的中等状态（接近全球大陆平均值）。     

鄂尔多斯盆地早白垩世构造热事件形成动力学背景及其对油气等多种矿产成藏（矿）期的控制作用

华北克拉通中西部中生代晚期早白垩世是否存在岩石圈减薄是地学界普遍关注的重大地质问题。本文在作者多年来对鄂尔多斯盆地构造热演化史研究的基础上,充分收集了近年来前人研究的成果及进展,对鄂尔多斯盆地现今地温场、地壳结构、构造热事件、深部热岩石圈厚度、早白垩世火成岩活动期次、构造热事件形成机理及构造热事件与多种矿产成藏成矿关系方面进行探讨。鄂尔多斯盆地现今地温梯度及大地热流中等,属中温型盆地,现今地温场受现今地壳、岩石圈厚度较厚控制。通过对构造背景、古地温恢复、火成岩活动及热岩石圈厚度恢复等资料分析发现早白垩世太行山以西的山西地块及鄂尔多斯盆地处于拉张背景,早白垩世地温梯度高,存在古地温异常及热事件。早白垩世鄂尔多斯盆地热岩石圈厚度明显较现今岩石圈厚度薄,表明华北克拉通中生代晚期以来岩石圈减薄的西界可推到鄂尔多斯盆地。华北克拉通中西部鄂尔多斯盆地周缘、华北克拉通中部山西地块、华北克拉通中西部南缘早白垩世火成岩形成时间相同,岩浆侵入和喷出的时代主要集中在138～108Ma,反映在燕山晚期早白垩世华北克拉通中西部存在一期较为强烈的热事件。火成岩地球化学分析表明火成岩来源为地幔,反映岩石圈处于拉张背景。早白垩世热事件发生的时间与华北克拉通岩石圈减薄的峰期年龄相一致,表明华北克拉通岩石圈减薄作用在华北克拉通中西部广泛存在。早白垩世构造热事件发生的根本原因在于鄂尔多斯盆地岩石圈深部热活动增强,深部软流圈物质上涌,岩石圈厚度减薄。通过对油气、煤、铀等金属矿产成矿(藏)时代与热事件的对应关系分析发现鄂尔多斯盆地油气、煤、铀矿产及华北克拉通中西部金属矿产的形成受控于早白垩世构造热事件及岩石圈拉张减薄的深部热背景,主要成藏(矿)期均为早白垩世,成藏、成矿具有爆发式及同时性特点。     

华北克拉通破坏与岩石圈减薄

古太古代（约4.0 Ga）时地球上可能只有一个超级大陆, 它的岩石圈厚度高达400 km。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（150~350km）。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180~200 km 减少到现今的80~100 km。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     

华北地区晚中生代镁铁质岩浆作用及其地球动力学背景

华北陆块及周缘地区晚中生代镁铁质岩浆岩的元素-同位素地球化学特征显示岩石圈地幔的区域不均一性。华北内部为古老而富集的EM1型岩石圈地幔,主要岩性为弥散状金云母相橄榄岩;华北北缘的岩石圈地幔相对华北内部在化学成分上饱满,在微量元素特征上高度富集LILE、LREE和亏损Nb-Ta和U-Th,在同位素组成上相对高87Sr/86Sr(i)和εNd(t),为受到再循环古老陆壳组分改造的富集型地幔;华北陆块南缘的岩石圈地幔以高87Sr/86Sr(i)和低εNd(t)为特征,与深俯冲大陆地壳改造作用 (残留陆壳板片和熔体 -地幔反应等多种形式 )密切相关。发育在华北陆块及周缘地区的晚中生代镁铁质岩浆作用形成于岩石圈伸展 -减薄的统一动力学背景。考虑到晚中生代华北陆块受到了来自周缘陆块相互作用,如西南特提斯域构造演化、印支陆块和西伯利亚板块的侧向挤压作用和古太平洋板块迅速向北运动引起的走滑拉分作用的共同影响, 我们倾向认为这些板块边界作用引起的板内效应可能是导致华北岩石圈地幔晚中生代广泛熔融和岩石圈减薄的重要动力来源.     

华北克拉通晚中生代壳-幔拆离作用: 岩石流变学约束

大陆岩石圈的流变学结构对于岩石圈深部过程(壳/幔过程)有着深刻的影响,直接表现在岩石圈壳-幔结构与浅部构造上.本文注意到华北克拉通晚中生代岩石圈减薄期间地壳的伸展、拆离与减薄在不同地区的宏观、微观构造及地壳岩石流变学等方面的差异表现与区域变化,以及现今和晚中生代时期岩石圈厚度的不均匀性.讨论了以水为主体的地质流体的存在对于岩石圈流变性的影响.综合克拉通东部与西部地壳/地幔厚度变化特点以及下地壳和上地幔含水性特点,阐述了晚中生代时期华北克拉通岩石圈内部壳幔耦合与解耦的规律,提出了华北岩石圈壳-幔拆离作用模型以解释华北克拉通晚中生代岩石圈减薄的基本现象与深部过程.提出区域性伸展作用是岩石圈减薄的主要动力学因素,东部地区在晚中生代伸展作用过程中壳-幔具有典型的解耦性,上部地壳、下部地壳和岩石圈地幔的变形具有显著差异性.而西部区壳幔总体具有耦合性,下地壳与岩石圈地幔共同构成流变学强度很高且难以变形的岩石圈根.     

华北岩石圈减薄的时空不均一特征

总结了华北中生代基性岩浆活动的年代学资料和中一新生代岩浆的地球化学特征,认为岩浆随时问的演化趋势与岩石圈减薄过程密切相关。根据富集岩石圈地幔来源的岩浆作用持续时间(180～90Ma)认为该区岩石圈减薄时限约为100Ma。这暗示热机械侵蚀可能是华北岩石圈减薄的主要机制。华北东、西部新生代玄武岩岩浆具有相反的演化趋势,显示了该地区岩石圈减薄作用的时空不均一性。     

活化构造的动力学机制研究进展

活化构造理论的核心是构造活化, 他强调的是陆内活化区造山。活化构造动力学机制是活化构造理论的研究重点。在活化构造理论提出的初期, 就提出了热能聚散交替, 地幔蠕动假说。随着大陆动力学研究的深入,活化构造动力学机制的研究也获得了较快的发展。运用“岩石探针”和数值模拟实验, 对中国东部典型构造活化区进行了探讨。华北陆块中新生代构造活化( /岩石圈减薄)的动力学过程, 是源自地幔的热流与伸展应力共同作用的结果,其构造活化( /减薄)过程可以描述为:早期以热侵蚀作用为主,晚期则以机械伸展占主导地位。华南陆块的活化构造动力学机制研究表明,华南陆块的形成与发展,与岩石圈下地幔热能聚集, 导致软流圈上涌的热侵蚀、置换动力机制密切有关。活化构造动力学机制的研究发展, 是对大陆动力学研究的促进。     

燕山地区中生代中基性火山岩地球化学对岩石圈性质的约束

燕山地区中牛代中基性火山岩包括钙碱性-高钾钙碱性-钾玄岩系列,岩石类型包括粗叫玄武岩、玄武质安山岩、玄武质粗面安山岩、粗安岩,具有LREE富集的右倾平滑稀土配分模式,富集LILE（如Ba,K）,亏损Nb-Ta和Th—U的微址元素特征,Sr-Nd同位素组成中等富集,与华北内部和兴蒙带中生代基性火山岩具有不同的特征,其Nd同位素组成和（Nb／La）s,（Hf／Sm）s比值都介于华北陆块内部和兴蒙造山带之间,反映了其熔融地幔源区继承了华北陆块内部的EMI型地幔特征外,还很可能受到俯冲板片交代作用的影响,暗示了古亚洲洋板块消减过程对华北陆缘岩石圈地幔的改造作用。类似于华北陆块南缘岩石圈减薄和置换机制,古亚洲洋俯冲板块对燕山地区古老岩石圈的交代作用在岩石圈减薄和置换过程中起了很重要的作用,而不同于华北板块内部以软流圈沿地幔薄弱带或剪切带上升熔蚀和置换岩石圈的机制     

华北克拉通中生代破坏前的岩石圈地幔与下地壳

华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一,有 38亿年的古老陆壳存在,它经历了复杂的地质变迁,在太古宙末(约2500Ma)基本完成克拉通化,在古元古代(约1900~1850Ma)整体受到了高级变质作用,最终完成了克拉通化。它的东部在中生代发生了重大的构造机制的转变,克拉通基底发生了破坏、置换和再造。在太行山重力梯度带以西的华北克拉通受中生代构造转折的改造程度较低,它们的下地壳和岩石圈地幔结构,大致保持了华北克拉通破坏前的状态。前寒武纪麻粒岩地体代表了掀翻抬升到地表的古元古代下地壳,出露地表的时间大致在1850~1800Ma。中、新生代火山岩中的地幔和麻粒岩捕虏体代表了现代的岩石圈地幔和下地壳的岩石。岩石学、地球化学和地球物理的研究,推测华北克拉通西部的岩石圈厚约200km,地壳厚度约45km~50km,是在古元古代(约1.9Ga)时期终极克拉通化作用形成的,其厚度和结构与全球典型的元古宙克拉通岩石圈相同。而太行山重力梯度带以东的克拉通岩石圈地幔受到程度不等的交代、改造、置换和减薄,下地壳大规模重熔,地壳厚度也发生减薄,指示了强烈的壳幔解耦、物质交换和重新耦合的过程。     

用玄武岩组成反演中—新生代华北岩石圈的演化

玄武岩的化学组成与地幔源区特征、部分熔融程度、地幔温度和岩石圈厚度等多个因素有关,因此可以用来反演深部地幔的演化。文中简要地阐述了用玄武岩组成获得岩石圈厚度及其变化的方法,并总结了有关华北中—新生代岩浆演化的两个最主要特征:(a)晚中生代岩浆活动经历了由早期的源自富集地幔的岩浆向后期亏损地幔起源岩浆的转变,而两个阶段为一岩浆间隙期(~10Ma)所分隔;(b)华北东、西部新生代玄武岩具有相反的碱性强度随时间的变化趋势。这些岩浆演化特征可以用岩石圈减薄过程中地幔地温梯度的逐渐升高、岩石圈地幔中富集组分在短时间内的不可再生以及岩石圈盖效应来解释。该认识为华北岩石圈减薄的时间尺度和机制以及减薄作用的时空不均一性提供了新的制约。     

Meso–Cenozoic thermal regime in the Bohai Bay Basin,eastern North China Craton

This article discusses the Meso–Cenozoic thermal history, thermal lithospheric thinning, and thermal structure of the lithosphere of the Bohai Bay Basin, North China. The present-day thermal regime of the basin features an average heat flow of 64.5 ± 8.1 mW m^–2, a lithospheric thickness of 76–102 km, and a ‘hot mantle but cold crust’-type lithospheric thermal structure. The Meso–Cenozoic thermal history experienced two heat flow peaks in the late Early Cretaceous and in the middle to late Palaeogene, with heat flow values of 82–86 mW m^?2 and 81–88 mW m^?2, respectively. Corresponding to these peaks, the thermal lithosphere experienced two thinning stages during the Cretaceous and Palaeogene, reaching a minimum thickness of 43–61 km. The lithospheric thermal structure transformed from the ‘hot crust but cold mantle’ type in the Triassic–Jurassic to the ‘cold crust but hot mantle’ type in the Cretaceous–Cenozoic, according to the ratio of mantle to surface heat flow (q_m/q_s). The research on the thermal history and lithospheric thermal structure of sedimentary basins can effectively reveal the thermal regime at depth in the sedimentary basins and provide significance for the study of the basin dynamics during the Meso–Cenozoic.     

华北东部大陆地幔橄榄岩组成、年龄与岩石圈减薄

对比分析了华北东部地块陆下岩石圈地幔橄榄石Mg#值和单斜辉石的REE配分形式。报道了汉诺坝和鹤壁橄榄岩中不同产状硫化物的激光MC-ICPMS原位Re-Os年龄和信阳橄榄岩中锆石的U-Pb年龄和信阳橄榄岩锆石的U-Pb年龄。在这些资料基础上,进一步讨论了华北东部岩石圈中、新生代时的减薄机制。原位分析在揭示岩石圈深部过程的细节上,有比全岩分析更大的优越性,并揭示出了在华北深部有中元古代(14亿年)和新元古代(7～8亿年)热活动的记录。岩石圈拆沉作用不能很好地解释古老难熔地幔、过渡型地幔和新生饱满地幔并存的事实;同时,单纯的熔体-橄榄岩相互作用也难以解释中、新生代岩石圈的减薄过程和新生地幔单斜辉石中出现强烈LREE亏损现象,即历史复杂的克拉通岩石圈向历史明显简单的“大洋型”地幔的转换。因此,华北东部岩石圈减薄包括地幔伸展、熔-岩作用、侵蚀置换等复杂过程。这些过程可能包括:(1)早中生代时,扬子地块向北俯冲碰撞所引起华北岩石圈的熔/流体交代富集作用、地幔伸展和受扰动软流圈物质上涌并侵蚀被改造了的岩石圈;(2)晚中生代—古近纪,因太平洋俯冲的热扰动致使软流圈物质进一步的强烈侵蚀作用引起岩石圈的巨大减薄;(3)晚第三纪以来的软流圈热沉降作用所带来的小幅度岩石圈增厚过程。岩石圈先大幅减薄、后小幅增厚实现了最终的地幔置换和岩石圈整体的减薄过程。喷发时代为100Ma的阜新玄武岩所捕获的橄榄岩主体是饱满的,说明华北东部部分地区在此之前曾有过地幔置换作用。     

中国东部岩石圈热状态与流变学强度特征

根据均衡原理制约的地热计算得到中国东部岩石圈的温度分布状态,以40、70、100km和莫霍面深度等温线图以及600°C、1100°C等温面深度的形式表示.同时计算了以1350°C等温面深度表示的中国东部的热岩石圈厚度.结果显示:在扬子克拉通西部四川盆地之下存在160～200km厚的岩石圈根,但在整个华北克拉通之下缺失岩...     

华北地区东部岩石圈导电性结构研究——减薄的华北岩石圈特点

华北古大陆克拉通解体、岩石圈减薄的深部过程,对于建立中国大陆中新生代演化动力学模型是亟待深入研究的重要科学问题,因而"华北克拉通破坏"也就成了当前学术界的热门话题。为了研究"华北克拉通破坏"首先需要给出较准确的华北岩石圈结构,这必须依靠包括超宽频带高精度大地电磁深探测在内的现代深部地球物理探测技术。2001和2005年在华北地区东部布置了应县—商河(HB-MT01)、文水—日照(HB-MT02)大地电磁测深剖面进行研究。研究结果表明,在华北地区东部沿地壳-上地幔探测剖面可划分为4个电性区,区内发现有下地壳高导带和上地幔高导层存在。文中依据研究区壳-幔电性结构特征,推断华北地区东部地壳和上地幔之间发生过大规模构造运动,导致壳-幔之间存在解耦现象。研究结果还发现,华北东部确实存在岩石圈减薄区,其岩石圈厚度约50~80km厚。岩石圈明显减薄的区域包括北太行山隆起、华北裂谷带北部和鲁西断隆,其范围比原先认识到的要复杂,并非以太行山重力梯度带为界划分东、西两区,简单地认为东区即是减薄区。此外,在华北地区东部的现代高精度大地电磁探测结果也进一步证明了地球物理观测对于大陆动力学研究的重要性,这使人们更加认识到在今后的研究中必须强调地球物理-地质-地球化学之间的有机结合。     

Mesozoic lithospheric deformation in the North China block: Numerical simulation of evolution from orogenic belt to extensional basin system

Horizontal extension of a previously thickened crust could be the principal mechanism that caused the development of widespread extensional basins throughout the North China block (Hua-Bei region) during the Mesozoic. We develop here a regional tectonic model for the evolution of the lithosphere in the North China block, based on thin sheet models of lithospheric deformation, with numerical solutions obtained using the finite element method. The tectonic evolution of this region is defined conceptually by two stages in our simplified tectonic model: the first stage is dominated by N–S shortening, and the second by E–W extension. We associate the N–S shortening with the Triassic continental collision between the North and South China blocks, assuming that the Tan-Lu Fault system defines the eastern boundary of the North China block. The late Mesozoic E–W extension that created the Mesozoic basin systems requires a change in the regional stress state that could have been triggered by either or both of the following factors: First, gravitational instability of the lithosphere triggered by crustal convergence might have removed the lower layers of the thickened mantle lithosphere and thus caused a rapid increase in the local gravitational potential energy of the lithosphere. Secondly, a change to the constraining stress on the eastern boundary of the North China block, that might have been caused by roll-back of the subducting Pacific slab, could have reduced the E–W horizontal stress enough to activate extension. Our simulations show that widespread thickening of the North China block by as much as 50% can be explained by the collision with South China in the Triassic and Jurassic. If convergence then ceases, E–W extension can occur in the model if the eastern boundary of the region can move outwards. We find that such extension may occur, restoring crustal thickness of order 30 km within a period of 50 Myr or less, if the depth-averaged constitutive relation of the lithosphere is Newtonian, and if the Argand number (the ratio of buoyancy-derived stress to viscous stress) is greater than about 4. Widespread convective thinning of the lithosphere is not required in order to drive the extension with these parameters. If, however, the lithospheric viscosity is non-Newtonian (with strain-rate proportional to the third power of stress) the extensional phase would not occur in a geologically plausible time unless the Argand number were significantly increased by a lithospheric thinning event that was triggered by crustal thickening ratios as low as 1.5.     

东海陆架盆地西湖凹陷岩石圈热流变性质

为了探讨东海陆架盆地西湖凹陷岩石圈热流变性质,本文以实测地温数据为依据,模拟西湖凹陷岩石圈热结构,在此基础上,应用流变学原理模拟确定西湖凹陷岩石圈流变性质。结果表明,西湖凹陷岩石圈为一个冷地壳-热地幔、强地壳-弱地幔的"奶油蛋糕"型岩石圈。西湖凹陷平均地表热流密度为71 m W/m~2,地幔热流密度为40~65 m W/m~2,对地表热流密度的贡献度达73%~79%,地表热流受地幔热流控制,莫霍面温度在700℃左右,热岩石圈平均厚度为66 km。西湖凹陷岩石圈流变分层明显,上、中地壳基本为脆性层,下地壳和岩石圈上地幔为韧性层,岩石圈总流变强度平均约为2.65′10~(12) N/m,其中地壳流变强度为2.12′10~(12) N/m,地幔流变强度为5.29′10~(11) N/m,有效弹性厚度为11.7~14.5 km,地壳的流变性质控制了岩石圈的流变行为。此外,西湖凹陷岩石圈总强度较低,在构造应力作用下易于变形,且存在壳幔解耦现象。西湖凹陷岩石圈热状态及流变性质决定了西湖凹陷东部地区主要以浅部地壳的断层滑动和地层破裂来调节深部的构造应力。