克拉通岩石圈减薄与破坏机制的动力学数值模拟

大陆克拉通岩石圈的减薄是一种常见现象,但是其破坏并不常见.尽管前人针对这两种过程开展了不少研究,但是对其动力学机制尚缺乏统一认识.文章以大陆克拉通岩石圈,尤其是华北克拉通作为研究对象,基于前人的地质地球物理学观测以及动力学数值模拟研究,对克拉通岩石圈减薄与破坏的过程和机制进行了系统的分析和总结.其中,华北克拉通减薄和破坏的动力学机制限定为与大洋板块俯冲相关的两种主要模式,分别是:(1)"自下而上"过程,即俯冲板片扰动富水的地幔转换带,使其中流体上涌,软流圈物质受到扰动而发生对流,对上覆岩石圈底部进行"烘烤",并可能伴随流体/熔体-岩石反应,改变岩石圈地幔的矿物组成和流变学性质,导致岩石圈底部物质混合进入软流圈而发生减薄乃至破坏.(2)"自上而下"过程,强调大洋板片在克拉通岩石圈底部平俯冲并发生脱水,水化蚀变上覆岩石圈地幔,降低岩石圈地幔岩石流变特性;随后平俯冲转变为陡俯冲,伴随软流圈侧向上涌,被弱化的岩石圈地幔由于热侵蚀作用而进入软流圈,从而发生减薄乃至破坏.这两大类过程都是比较复杂的、多过程耦合的模式,都把大洋板块的俯冲及其流体活动作为上覆克拉通岩石圈减薄/破坏的主要驱动机制;不同之处在于俯冲大洋板片的位置,一种是在地幔转换带的平卧与滞留,另一种是沿着克拉通岩石圈底部的平俯冲.对于华北克拉通而言,东部岩石圈在中生代时期受到古太平洋板片的俯冲,板块俯冲带对华北克拉通之下的地幔和转换带物质的扰动及其伴随的流体活动,很大程度上控制着华北克拉通岩石圈的改造.为了更好的探讨和对比这两种模式,其核心关键点在于大洋俯冲带中水的活动.因此,文章重点对含水矿物相变及俯冲带和地幔转换带中水的迁移过程进行了探讨,分析了大洋俯冲带中可能的流体活动模型、各自存在的问题及其可行性.此外,为了全面认识克拉通岩石圈的减薄与破坏机制,还对其他可能的机制进行了总结,包含以下四组模式:拉张减薄模型、挤压增厚拆沉模型、大尺度地幔对流侵蚀模型以及地幔柱侵蚀模型.相对于前面介绍的两种大洋俯冲相关模型,这四种模型主要是由相对简单的单一过程和机制所致(分别是拉张、挤压、对流和地幔柱),可能是华北克拉通减薄与破坏的二级驱动机制.     

克拉通岩石圈对流减薄的数值模拟

采用二维有限元数值模拟的方法研究了岩石圈的对流减薄过程,特别是克拉通岩石圈的对流减薄过程.模型的主要参数包括增厚岩石圈的宽度x、增厚倍数γ、以及与岩石圈组分变化导致的黏性和密度变化密切相关的黏性比(ηc)和浮力数(B)或等效密度变化(Δρtc).数值计算结果显示,地幔对流将逐渐减薄增厚的岩石圈部分,(1)当B=0和ηc=1时,即对一般地幔岩石圈,增厚岩石圈对流减薄的时间可表示为0.0073γ0.70 x0.26.将数值结果应用于地球,意味着增厚到300km的岩石圈,如宽度为300km,对流移除增厚部分回到初始平衡厚度120km大约需要225 Ma;如宽度为1500km,移除增厚部分大约需要342 Ma.(2)当B和ηc较小,克拉通岩石圈对流减薄过程与一般加厚岩石圈的对流减薄过程类似,但减薄时间受克拉通组分浮力和黏性比的影响而显著增长,克拉通岩石圈对流减薄的时间可表示为0.0057ηc0.52Δρ-0.21tcγ0.78ηc-0.36 x0.04.因而,对300km厚的克拉通岩石圈,如克拉通岩石圈的密度比周围地幔的密度低0.4%(即B=0.1),宽度1500km,若克拉通岩石圈黏性因组分影响比普通地幔岩石圈大10倍,其被对流减薄到120km大约需要1.18Ga.(3)当B和ηc增大到一定量时(如B≥0.2且ηc10),克拉通岩石圈被移除的过程将发生变化,由于组分浮力的影响,对流主要不是将克拉通岩石圈带到软流圈地幔中,而主要是将较厚的岩石圈物质向两边推送.在此情况下,克拉通岩石圈能长时间(3Ga)保持稳定.     

华北克拉通及东邻西太平洋活动大陆边缘地区的P波速度结构：对岩石圈减薄动力学过程的探讨

本文通过地震层析成像研究获得了华北克拉通及其东邻地区（30°N-50°N,95°E -145°E）1°×1°的P波速度扰动图像.结果显示,在西太平洋俯冲带地区,上地幔中西倾的板片状高速异常体与其上方的低速异常区构成俯冲带与上覆地幔楔的典型速度结构式样.俯冲板片高速体在约300~400 km深度范围内被低速物质充填,暗示俯冲板片可能发生了断离.在华北克拉通地区的上地幔中发现三个东倾排列的高速异常带.在此基础上,本文构建了华北克拉通及其东邻西太平洋活动大陆边缘地区的上地幔速度结构模式图,并据此探讨克拉通岩石圈减薄与西太平洋活动大陆边缘的深部动力学联系.本文认为,太平洋板片的俯冲（断离）,触发热地幔物质上涌并在上覆地幔楔中形成对流,使克拉通岩石圈受到改造（底侵与弱化）.随着俯冲板片后撤,地幔楔中的对流场以及对岩石圈改造的影响范围均随之东移,最终导致华北克拉通岩石圈自下而上、从西向东分三个阶段依次拆沉减薄.这一模式能很好地解释现今克拉通岩石圈自西向东呈台阶状减薄的深部现象.     

数值模拟华北克拉通岩石圈热对流侵蚀减薄机制

关于华北克拉通岩石圈减薄机制,国内外学者通过各种研究定性地提出了不同的机制.文章根据最近几年国内外发表的有关资料,通过数值模拟方法,主要对华北克拉通岩石圈热对流侵蚀的减薄机制进行了计算.通过我们的计算证实了原来稳定存在的克拉通,如底边界为1673K时的初始情形,在底部温度扰动升高后,由于浮力驱动的小尺度地幔对流加剧能够使岩石圈发生大规模减薄,减薄速率在mm/a的量级,减薄的时间尺度基本都在十几个百万年;计算过程中我们讨论了初始参考等效粘滞系数分别为0=1.0×1022Pas和0=1.0×1023Pas的两种情形,在这两种条件下,我们分别计算了底边界温度为1773,1873,1973和2073K的4种情况.通过不同端员的计算我们知道岩石圈最多从200km减薄到100km,至少减薄到126.25km,这符合现今地球物理观测的结果.并且初始参考等效粘滞系数和底边界温度是影响减薄速率的重要因素.     

中国东部大地幔楔形成时代和华北克拉通岩石圈减薄新机制——深部再循环碳的地球动力学效应

地震P波速度成像显示,西太平洋俯冲板片滞留在地幔过渡带,在中国东部形成"大地幔楔"结构.中国东部大陆玄武岩的Mg同位素调查揭示了该俯冲滞留板片携带大量碳酸盐交代地幔过渡带上覆的对流地幔,形成了碳酸盐化橄榄岩,它是中国东部晚白垩世和新生代大陆强碱性玄武岩的源岩.该玄武岩的Mg-Sr同位素组成与年龄关系显示自106Ma以来,该地幔源区的碳酸盐种属为菱镁矿+少量白云石,发生初熔的深度为300~360km.因此,该地幔源区的碳酸盐化交代作用应发生在大于360km的深度,即在106Ma以前俯冲板片已经开始滞留地幔过渡带,形成了大地幔楔结构.这一时代支持大地幔楔的俯冲板片后撤形成机制.根据高温高压实验结果,碳酸盐化橄榄岩熔融产生的含碳酸盐硅酸盐熔体在到达至华北克拉通初步减薄的岩石圈底部(180~120km)时仍可以有高达25~18wt%的CO_2含量,其SiO_2和含量及类似于强碱性的霞石岩和碧玄岩,并具有较高的εNd值(2~6).该熔体向上渗透并交代底部岩石圈地幔可形成碳酸盐化橄榄岩.由于克拉通地热增温线与碳酸盐化橄榄岩固相线相交于130km深度,则华北克拉通岩石圈底部的碳酸盐橄榄岩将发生部分熔融导致其物理性质类似软流圈且较容易被对流上地幔置换.其新生成的碳酸盐-硅酸盐熔体又可以向上渗透交代上覆的岩石圈地幔.如此重复这一碳酸盐化交代-熔融过程,可以使岩石圈减薄,而碳酸盐-硅酸盐熔体也转变呈较富硅和具有较低εNd值(低至-2)的碱性玄武岩.随着华北克拉通岩石圈的减薄,其地热增温线逐步向大洋岩石圈靠近,岩石圈碳酸盐化橄榄岩的初熔深度可小于130km和逐步接近70km.因此,富碳酸盐熔体与岩石圈相互作用是华北克拉通岩石圈减薄过程在晚白垩世和新生代的一种可能机制.据中国东部低玄武岩的年龄统计,106~25Ma区间岩石圈的碳酸盐化交代-熔融引发的减薄过程仅零星存在,而在25Ma以后才大规模发生.因此,华北克拉通岩石圈的减薄可能存在两个峰期:与克拉通破坏峰期(135~115Ma)同时发生的岩石圈减薄,和25Ma以后由富碳酸盐硅酸盐熔体与岩石圈相互作用引发的岩石圈进一步减薄,它使得华北克拉通东部岩石圈减薄至现今的约70km左右.     

华北克拉通岩石圈地幔特征与演化过程

克拉通能否长期稳定存在,主要取决于岩石圈地幔的特征和属性.中生代以来,华北岩石圈地幔的组成和性质发生了根本性转变,导致了克拉通破坏.尽管目前取得了上述共识,但是对岩石圈地幔转变形式与机制的认识仍然存在分歧.本文以华北克拉通破坏前后岩石圈地幔的特征为视角,对华北不同时代幔源岩石及地幔捕虏体的研究结果进行综述,旨在为上述问题的讨论提供新的思路.华北古生代岩石圈厚达200km,具有高度难熔、SrNd同位素富集的克拉通型岩石圈地幔特征;中生代岩石圈地幔具有易熔、同位素高度富集的特征,在空间上具有明显的不均一性和分布规律;在新生代,华北东部岩石圈厚约60～80km,具有易熔、同位素亏损的大洋型岩石圈地幔特征;中部带岩石圈厚度大于100km,岩石圈地幔具有上老下新的双层结构;西部岩石圈厚达200km,仍然保存有克拉通型古老地幔.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.古生代周边板块的多次俯冲作用使华北克拉通边缘地区岩石圈地幔的组成发生了明显改变.中生代古太平洋板块俯冲作用的叠加,促成华北东部岩石圈地幔组成和性质的根本转变,导致克拉通破坏区域的面积占华北总面积的1/2以上.从克拉通破坏的峰期时间和破坏区域空间展布来看,古太平洋板块俯冲及其驱动的深部动力学过程是华北克拉通破坏的一级控制因素.造成东部岩石圈巨厚减薄的主导因素是俯冲板块回转、海沟后撤引起的大陆岩石圈伸展.俯冲板块机械侵蚀、熔流体交代作用造成的岩石圈弱化、非稳态地幔流动伴随的热-化学侵蚀和岩石圈局部拆沉共同加剧了岩石圈减薄和克拉通破坏的进程.     

华北克拉通破坏的时间、范围与机制

华北是全球古老克拉通遭受破坏最明显和最典型的地区.自国家自然科学基金委员会设立＂华北克拉通破坏＂研究计划以来,通过不同学科间的有效交叉融合,围绕该克拉通破坏的时间、范围和机制等重要科学问题,进行了大量的工作,并取得了诸多新认识太行山东西两侧地壳与岩石圈厚度空间变化以及地球化学属性的异同显示,华北克拉通破坏主要集中在东部,而西部主要表现为克拉通的改造.克拉通化之后的沉积建造、岩浆活动和构造变形等特征表明,克拉通破坏发生在中生代,其峰期为125Ma左右.通过对比发现,岩石圈减薄在全球其他克拉通中也多有发生,但大多并不伴随克拉通的破坏;只有当受到大洋板块俯冲作用的强烈影响时,克拉通破坏才有可能发生.具体到华北地区,在早白垩世全球地幔整体升温背景下,太平洋板块的俯冲使华北克拉通东部地幔对流系统失稳,导致了华北克拉通东部破坏;岩石圈拆沉或热-化学/机械侵蚀是地幔对流失稳所产生的不同表现形式.     

流变边界层及其对华北克拉通热/地震岩石圈底界差异的意义

二维热传导/对流数值模型显示,纯传导的固体岩石圈与纯对流的流体软流圈之间存在一过渡层,即流变边界层,其间传导与对流共同作用来传递热量.流变边界层厚度主要由软流圈黏性系数(η)控制,而受固体岩石圈厚度及热状态影响很小.随着η从1×1021Pa·s降低至1×1019Pa·s,流变边界层也随之减薄,流变边界层的厚度与lg(η)成正比.流变边界层的存在是造成热岩石圈与地震岩石圈厚度差异的重要因素.全球典型克拉通岩石圈的对比结果表明,地震岩石圈厚度普遍大于热岩石圈厚度,二者的差异多数在70~90km,很好地验证了流变边界层的存在.研究发现二者的差异在华北克拉通自西向东逐渐减小:由西部鄂尔多斯的约80km减少至渤海湾盆地的约20km.反映出华北克拉通岩石圈下部流变边界层厚度自西向东减薄,意味着软流圈黏性系数自西向东逐渐降低.这可能与中生代太平洋俯冲脱水形成的低黏大地幔楔有关,从一侧面印证了太平洋俯冲对华北克拉通破坏的影响.     

流变边界层及其对华北克拉通热/地震岩石圈底界差异的意义

二维热传导/对流数值模型显示,纯传导的固体岩石圈与纯对流的流体软流圈之间存在一过渡层,即流变边界层,其间传导与对流共同作用来传递热量.流变边界层厚度主要由软流圈黏性系数（η）控制,而受固体岩石圈厚度及热状态影响很小.随着η从1×10²¹Pa·s降低至1×10¹⁹ Pa·s,流变边界层也随之减薄,流变边界层的厚度与lg（η）成正比. 流变边界层的存在是造成热岩石圈与地震岩石圈厚度差异的重要因素. 全球典型克拉通岩石圈的对比结果表明,地震岩石圈厚度普遍大于热岩石圈厚度,二者的差异多数在70~90 km,很好地验证了流变边界层的存在. 研究发现二者的差异在华北克拉通自西向东逐渐减小：由西部鄂尔多斯的约80 km减少至渤海湾盆地的约20 km. 反映出华北克拉通岩石圈下部流变边界层厚度自西向东减薄,意味着软流圈黏性系数自西向东逐渐降低.这可能与中生代太平洋俯冲脱水形成的低黏大地幔楔有关,从一侧面印证了太平洋俯冲对华北克拉通破坏的影响.     

造山带下岩石圈地幔小尺度减薄的动力学成因

地质与地球物理观测数据表明青藏高原、安第斯山、以及帕米尔等典型造山高原之下均有明显的岩石圈地幔小尺度/分段式减薄现象.这些小尺度岩石圈减薄难以用经典的拆沉或对流减薄理论来解释,一方面,拆沉预示大尺度岩石圈地幔的剥离过程,而对流减薄则在黏度相对低的地幔岩石圈中发生,其主要以小尺度的局部增厚触发并仅减薄地幔岩石圈的底部区域.另一方面,拆沉或对流减薄模型都预测造山带尺度的地幔岩石圈拆离,都假设造山带岩石圈横向均一,然而实际的造山带岩石圈往往由多个不同的地块构成,块体之间岩性、物性、流变结构可能大有差别,即横向不均一性.这些造山带岩石圈地幔的横向不均一性,能否有效解释观测到的局部小尺度减薄现象？为此,我们构建了一系列高精度动力学数值模型,系统模拟了碰撞造山过程中岩石圈地幔的形变和不稳定性.结果表明,在塑性屈服强度很低的情况下,横向不均一的造山带岩石圈有发生分段式/小尺度减薄的可能性;其主要机理是由位错蠕变与强塑性作用所导致的应变集中使得地块间及壳幔间耦合弱化,从而使得较弱地块的岩石圈地幔在增厚时由于重力不稳定性而产生局部剥离,进而诱发小尺度软流圈上涌.模拟结果可以良好地解释发生在青藏高原东北缘、安第斯中部高原、以及帕米尔高原之下岩石圈的局部小尺度/分段式减薄现象.     

华北克拉通东北边界带岩石圈电性结构及其深部流体分布定量研究

正华北克拉通东北边界带由北部的中亚造山带与南部的华北克拉通构成,该区域属于古亚洲洋与太平洋域的叠合部位。显生宙以来,中亚造山带与华北克拉通经历了多阶段的构造演化,尤为显著的是,在晚中生代到新生代时期内,华北克拉通经历了广泛而强烈的岩石圈构造活化,其东部岩石圈发生了大规模的减薄。为了更好地理解华北克拉通与中亚造山带的构造演化过程,在国家自然科学基金的支持下,本文利用大地电磁测深法沿一条起于中亚造山     

华北克拉通地区基于程函方程的面波层析成像

利用布设在华北克拉通地区的流动和固定地震台站记录到的地震波数据,使用基于程函方程的面波成像方法获得了整个华北克拉通地区瑞利波15～150 s周期的相速度,并反演了研究区S波速度结构.中长周期相速度结果显示,在上地幔及岩石圈深度范围内,燕山地区表现为高速特征,华北克拉通中部大同盆地及其以南地区、太行山等区域的低速体与华北盆地的低速体相连,呈现大面积的低速异常,低速体的速度值比青藏高原东北缘的速度值更低;S波速度显示鄂尔多斯岩石圈厚度较厚,克拉通中部和华北盆地岩石圈厚度相差不大,燕山地区岩石圈厚度要厚于华北盆地.本文认为华北克拉通岩石圈破坏存在分区性,克拉通中部和燕山地区均存在一定的克拉通破坏,但破坏程度不同,鄂尔多斯地块北部存在局部克拉通改造,但克拉通稳定性特征依然存在;破坏的主要动力学来源更可能是太平洋板块的西向俯冲.研究发现克拉通中部和东部的强震分布区与克拉通破坏区域重合,大部分强震发生在岩石圈强度边界上,分析认为岩石圈强度的差异是岩石圈强度边界上显示出较高的强震活动性的原因.     

华北地区岩石圈类型: 地质与地球物理证据

根据华北地区的地质和地球物理特征, 区分出华北地区的克拉通型、造山带型和裂谷型3 种岩石圈类型, 依据岩石学方法以及地震波速与成分的关系, 建立了华北地区克拉通型、造山带型和裂谷型岩石圈的壳幔岩石学结构和化学结构. 研究表明, 华北地台具有与全球典型克拉通一致的特征, 鄂尔多斯为经历了中新生代地台“活化”和“改造”后残存的克拉通岩石圈, 陆壳主体成分由TTG构成, 岩石圈地幔主要由强亏损的方辉橄榄岩构成, 它于晚太古宙-早元古宙最终形成以后, 一直保持至今, 其壳幔岩石学结构可以作为华北乃至中朝地台克拉通型岩石圈的一个参照. 中生代时期, 华北地台中东部地区在燕山造山过程中被“活化”, 大量对流地幔物质与热输入使该区原来的TTG陆壳组分被改造成为花岗质陆壳, 岩石圈地幔被燕山期形成的方辉橄榄岩-二辉橄榄岩所代替. 燕山-太行山是华北东部地区新生代发育裂谷作用后残留的造山型岩石圈, 因为经历了新生代的伸展减薄, 现今的厚度不能代表燕山期造山时的地壳和岩石圈地幔厚度, 但岩石圈地幔和陆壳的物质及其结构仍然是燕山运动期间造山时形成的. 新生代时期, 华北东部的大陆裂谷作用形成以华北东部平原为代表的裂谷型岩石圈; 随着裂谷发育, 大量玄武岩喷发, 使燕山期的“酸性化”陆壳又被“基性化”, 燕山期形成的岩石圈地幔被破坏形成以二辉橄榄岩为主体的喜山期岩石圈地幔; 裂谷型地壳和岩石圈地幔经历了岩石圈尺度上伸展减薄和热侵蚀, 现今地球物理探测的岩石圈地幔和陆壳的物质和结构是新生代形成的. 华北地区岩石圈形成和演化表明, 大量对流地幔物质与热输入是不同类型岩石圈形成的关键, 壳幔岩石学结构是岩石圈演化的综合记录, 它们是中新生代中国大陆动力学系统与华北地台东侧的太平洋板块共同作用的结果.     

华北克拉通中西部岩石圈结构研究

本文选择华北中、西部两条宽频带密集流动地震台阵NCISP7和PKU作为研究对象,对南北向A-A"(NCISP7)剖面64个地震台站和东西向B-B"(PKU)剖面50个地震台站记录的远震记录提取P波和S波接收函数,然后通过共转换点叠加(CCP叠加)和偏移成像,得到了华北克拉通中西部岩石圈的精细结构.结果表明,华北克拉通西部地壳较厚,约44 km,莫霍面(Moho)起伏十分平缓,克拉通中部地壳厚度介于36~42 km,表现为西部厚,东部薄,北部厚,南部薄的特点.华北克拉通西部岩石圈厚度100~130 km,克拉通中部岩石圈厚度100~150 km与克拉通东部60~100 km普遍减薄的岩石圈相比,克拉通中西部岩石圈较厚;但与古老稳定克拉通200 km厚度的岩石圈相比,中西部华北克拉通显然也发生了岩石圈减薄现象.无论是在A-A"剖面南北方向上,还是B-B"剖面东西方向上,岩石圈厚度都存在急剧变化,岩石圈结构表现为显著的横向不均匀性.     

利用S波接收函数研究华南块体的岩石圈结构

本文基于跨越华夏块体至四川盆地西部的130个线性流动地震台站及其附近90个固定台网台站的观测资料,采用S波接收函数波动方程叠后偏移方法,开展了华南大陆岩石圈结构研究.成像结果显示,研究区岩石圈结构复杂,不同构造单元之间差异显著,构造边界带附近小尺度变化强烈.150 km以上的厚岩石圈主要位于四川盆地,不足100 km的薄岩石圈主要分布于川东褶皱带和华夏块体.雪峰山下方岩石圈厚度显著增加,且以雪峰山为界岩石圈结构和性质存在着显著的东西差异.结合其它地球物理观测得到的地壳-上地幔结构信息,我们提出：（1）四川盆地还保留着厚而冷的克拉通岩石圈根,且岩石圈地幔具有结构分层特征;（2）雪峰山可能是扬子克拉通与华夏块体在西南部的边界;（3）雪峰山以东区域可能经历了岩石圈的减薄和改造,且华南岩石圈的减薄与华北相似,都主体发生在东部地区,造成现今南北重力梯度带两侧强烈的结构差异.研究结果为认识华南大陆的构造演化及其深部动力学提供了地震学约束.     

辽东半岛大营子拆离断层系及其区域构造意义

华北克拉通晚中生代发生了大规模岩石圈减薄并伴随着地壳层次区域性伸展作用的发生.在此伸展背景下,华北克拉通区发育有一系列的伸展构造,大营子拆离断层系即为一个典型实例、大营子拆离断层系位于华北克拉通东部（辽东半岛东南部）,主要由上盘火山-沉积盆地,大营子-黄花甸拆离断层带以及下盘古元古代变质岩系和侵入岩体三部分组成.依据拆离断层带中构造岩组合、构造岩变形显微构造和石英EBSD组构分析揭示出下盘岩石主要经历了从高绿片岩相到低绿片岩相的变形变质过程.基于火山-沉积盆地中火山岩的SHRIMP和LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果,推断伸展构造开始活动于（135±1.2）Ma之前,结束于（127±1）Ma.通过与辽南变质核杂岩及辽东半岛其他伸展构造的对比,以及这些伸展构造的分布及影响深度,可充分说明辽东半岛岩石圈破坏和减薄的不均一性,从而显示出其破坏程度的差异,并藉此探讨了华北克拉通破坏和伸展减薄的不均匀性.     

地幔柱作用与岩石圈改造:以塔里木克拉通为例

克拉通是稳定的大陆块体,形成于太古代,具有巨厚的岩石圈地幔根,其厚度多大于200 km.地幔热柱作用早期会显著减薄岩石圈地幔、降低岩石圈强度,现有地震和地幔捕虏体数据资料显示,克拉通经历过地幔柱作用后仍有超过150 km厚的稳定岩石圈地幔根,其岩石圈地幔根的主要物质成分是亏损的橄榄岩,岩石圈的强度仍旧保持高强度.这一现象具有全球效应,如北美Slave克拉通和非洲南部Kaapvaal克拉通均经历了这一过程.本文系统地归纳总结了地幔柱作用前后岩石圈典型特征,并结合相应阶段的构造响应发现：稳定的克拉通在地幔柱的作用下岩石圈会发生强烈的改造,伴随地表岩浆活动和克拉通岩石圈的减薄和弱化;而后亏损的地幔柱熔融残余物会重新加厚和增强岩石圈地幔.岩浆岩记录的地球化学资料显示,塔里木岩石圈在二叠纪时期经历了严重的改造过程;而岩石圈深部结构的地震、地热和大地电磁资料显示,现今塔里木岩石圈厚度约为150 km.塔里木岩石圈在新生代印度—欧亚大陆碰撞背景下仍旧表现出刚性的特征,塔里木岩石圈的增厚与增强是塔里木早二叠世地幔柱作用的结果.文章最后讨论了塔里木岩石圈减薄到再增厚的过程,并提出初步的模式．     

鄂尔多斯盆地深部热结构特征及其对华北克拉通破坏的启示

基于二维稳态热传导方程,利用有限元数值模拟方法,选取东西向横穿鄂尔多斯盆地地质与地球物理解释大剖面进行了深部温度场数值模拟研究,得到了华北克拉通西部的鄂尔多斯盆地下伏岩石圈热结构特征.地幔热流变化范围:21.2~24.5mW·m-2,体现为东高西低特征.壳幔热流比(Qc/Qm)介于1.51~1.84之间,为"热壳冷幔".与华北东部地幔热流对比表明,西部的鄂尔多斯盆地相对处于稳定的深部动力学环境.在岩石圈热结构研究基础上,对克拉通地震岩石圈与热岩石圈厚度差异进行了对比,研究表明:鄂尔多斯盆地西部地震岩石圈与热岩石圈厚度差异约达140km,而东部的汾渭地堑,渤海湾盆地二者差异逐渐减小.华北克拉通自西向东,地震岩石圈厚度与热岩石圈厚度差异不断减小,意味着华北克拉通岩石圈下部的软流圈地幔黏性系数自西向东逐渐降低,本文从地热学角度可能印证了太平洋俯冲脱水作用对华北克拉通的影响.     

西太平洋板片俯冲与后撤引起华北东部地幔置换并导致陆内盆-山耦合

华北中生代构造-岩浆活动频繁,深部岩石圈地幔性质发生变化,即克拉通发生活化作用.活化作用大致可分为三个阶段:(1)晚古生代至早侏罗世(至~170Ma),(2)中侏罗世至早白垩世早期(160~140Ma),(3)早白垩世至新生代(~140Ma以来).其中后两个阶段与古太平洋板片俯冲及后撤导致华北东部深部的岩石圈地幔置换并引起陆内浅部的盆山耦合过程是本文讨论的重点.在第一阶段,古亚洲洋俯冲和关闭引起华北北缘经历弧后拉张、碰撞挤压及碰撞后伸展等构造-岩浆活动,而且造成陆块边缘完整性的机械破坏和地幔性质的化学改造,成为后续软流圈物质上涌的通道和岩浆活动的优先发生区;受华南陆块俯冲的影响,华北南缘也发生了类似的过程.在第二阶段,蒙古鄂霍次克洋闭合及古太平洋板片俯冲剪切,引起华北北缘的两次近S-N向的挤压作用(燕山运动的A、B幕),近E-W向分布的陆缘盆地被晚中生代岩体和NE-SW断裂肢解为零星分布的盆岭省,岩浆作用由东北角向西迁移进入地块内部,同时郯庐断裂的性质由左行走滑转换为正断层,华北由早期的近S-N向的压扭性背景进入NW-SE向的弧后拉张阶段.第三阶段是华北克拉通破坏和岩石圈地幔增生的关键时期,深部难熔的克拉通型地幔被饱满的大洋型地幔置换,实现岩石圈大幅度减薄后的小幅增生增厚过程;浅部的表现是岩浆作用持续向东南迁移,陆内岩石圈薄弱带优先发生伸展变形,包括在早白垩世(140~110Ma)中部带侏罗纪逆冲断层反转为正断层、郯庐断裂的持续拉张引起中地壳拆离和大渤海湾盆地的沉降;晚白垩世至今(110Ma~),中部山带发生断陷作用形成汾渭盆地和沁水盆地,大渤海盆地内部断陷形成盆-山相间的地貌特征,苏鲁造山带则发育莱阳盆地等.华北克拉通规模小并发育陆内薄弱带,是克拉通容易破坏的内因.具这种特性的克拉通容易受周边多个俯冲构造域和上涌软流圈物质的共同影响.晚中生代(~160Ma)以来,华北克拉通破坏主要表现为周边块体的俯冲导致软流圈物质上涌、岩石圈减薄和浅部地壳滑脱,岩石圈薄弱带处(如中部山带)出现褶皱和逆冲,实现伸展背景下的局部挤压;俯冲板块后撤(~140Ma)则使上涌的软流圈回落形成岩石圈并实现地幔小幅增生置换(~125Ma)与伸展背景下浅部地壳断陷和成盆过程.因此,西太平洋板片俯冲和后撤是引起华北东部深部岩石圈地幔置换并导致陆内浅部盆-山耦合的外在动力来源,表明华北克拉通破坏是地块内部与地块边缘、深部过程与浅部盆-山耦合响应的综合地质记录,我们认为这也是燕山运动的本质.     

数值模拟华北克拉通岩石圈减薄的一种可能机制 ——下地壳榴辉岩重力失稳引起的拆沉

通过数值模拟研究,论证了中生代华北拉通岩石圈受挤压,下地壳玄武岩相变为密度较大的榴辉岩,榴辉岩重力失稳能够引起下地壳的拆沉,造成岩石圈的大规模减薄的可能性.通过对比不同规模的榴辉岩减薄方式发现,当榴辉岩规模较大时可能发生双管道拆沉,而规模小时发生单管道拆沉.计算结果表明当榴辉岩的水平尺度为100 km, 200 km, 300 km时,岩石圈拆沉减薄后厚度分别可达92 km,105 km,136 km.对比中生代华北克拉通岩石圈热侵蚀减薄和拆沉减薄机制,从力学机制上都能造成岩石圈减薄,但它们的结果对应着不同的地表地质特征.热对流减薄,中心区域变热变薄,中心区域是一个伸展区域,发展一个大的变质核杂岩区,岩浆的发展时序是从中心向两侧对称分布,并且向两侧减弱拆沉减薄结果中,中心区域受到挤压加厚,反而变冷.在中心区域的两侧发生两个减薄伸展区域,可能对应两个变质核杂岩区域,岩浆的发展时序是从两侧向中心减弱发展.