對比地幔物質在研究華北克拉通破壞機理的應用

鄒巖

摘 要：華北克拉通破壞或巖石圈變薄使得華北成為了研究大陸形成和演化的最理想區域，在該地區可以直接研究不同時代由深部巖漿捕獲的地幔物質（捕虜巖或捕獲晶）。特別是將它們與周圍造山帶的橄欖巖地塊對比，可獲得次大陸巖石圈地幔特性和地質歷史過程中各段相互作用的重要信息。在華北克拉通之下的巖石圈地幔被破壞，使它成為了研究大陸形成和演化的理想區域。然而，破壞的機制、時間、范圍和動力原因仍舊充滿爭議。在對比了與橄欖巖直接相關的巖石圈地幔特點的基礎上，重點分析了克拉通復雜的破壞機理和巖石圈變薄的情況。

關鍵詞：華北克拉通破壞；地幔物質；橄欖巖；巖石圈

中圖分類號：P542 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.118

隨著地球物理、地球化學、實驗巖石學和計算機科學的不斷發展，不同的領域交叉、相互作用后，使人們對地質作用、合成、反應和動力學等有了更深的理解。此外，隨著統一板塊的挑戰和全球巖石圈計劃的推進，大量的科學事實再一次把地球科學家吸引到了大陸板塊，特別是大陸深部。雖然采用三維地震技術繪制了現代地球結構，但是，它不能改變巖石圈曾經的狀態。通過比較火成巖中不同時間（古生代、中生代、新生代）和地點（內陸或它的邊緣、巖石圈郯廬斷裂帶或南北重力線）的地幔捕虜體發現，地幔捕虜是理解克拉通破壞的關鍵。

1 直接地幔物質的比較

火成巖、根深蒂固的捕虜巖或捕獲晶和超高壓橄欖巖（比如造山帶橄欖巖）的構造侵入是了解巖石圈過程最重要、最直接的例子，而克拉通地幔遭遇了歷史上復雜的巖漿噴發和地幔交代變質。因此，重建地殼—地幔關系是理解深部地質過程的前沿課題之一。巖石圈地幔主要由橄欖巖組成，可以將它理解為是主要地幔部分熔化過程的殘留物。因為地幔經歷了玄武巖巖漿的主要噴發物和隨后地幔交代變質或熔融巖石交互作用的多個階段，所以，橄欖巖和它的礦物的地球化學特性將會記錄地幔特性和深度過程。低密度難熔橄欖巖在玄武巖的形成過程中耗盡，而且具有低斜輝石態，高橄欖—鎂，而富集的橄欖巖具有高斜輝石態，低橄欖—鎂。此外，經歷過巖漿噴發而沒有經歷交代變質的地幔將耗盡不相容的元素。因此，地幔交代變質會耗盡橄欖巖地球化學特性，諸如太古代的克拉通地幔橄欖巖在大部分元素中難溶，但是，它在不相容元素中卻很富集。相反，海洋巖石圈的地幔交代變質現象因為形成時間較早，所以，其發展很有限。

與火成巖地球化學的多解特性相比，由于它很容易被地殼物質污染，所以，橄欖巖的構成和年齡以及3—D結構地幔模型的精確重建是4—D巖石圈地圖和地質動力學演化模型最有效的基礎。捕虜體（包括上地幔和低部地殼）的巖石學、地球化學和物理學是解釋3D結構（速度和深度）的關鍵。如此深度下的壓力和年代與地幔橄欖巖的特性相結合表明，克拉通改變的物理化學過程是深部地質過程研究的關鍵。華北克拉通的石榴石捕虜體的持續發現和積累（比如橄欖巖等）逐漸使壓力研究變得更加必要和有效，即使仍然存在巖石圈構成和年代間的爭議，太古代克拉通地幔難熔的事實和古生代地幔的富饒也已經是公認的了。然而，最著名的西伯利亞克拉通沒有垂直年齡的單一特性，不同時代次大陸巖石圈地幔特性的復雜合成結構可能與它們復雜多交代變質作用有關。相反，海洋巖石圈地幔的結構卻簡單、清晰。

2 古生代華北克拉通巖石圈的多樣性（非均質性）

橄欖巖在古生代是最豐富的捕虜巖，含量超過了已發現根深蒂固的捕虜體的85%.除了新鮮的石榴石殘余和尖晶石，大多數橄欖石和輝石被蛇紋石、綠泥石和碳酸鹽巖所取代，這使得對重組、命名和深度的研究變得更加困難。然而，根據蛇紋石聚集的特性，包括粒度、解理殘余和碳酸鹽的分布，橄欖石（OL）和輝石（Py）可以區分，斜輝石（Cpx）和斜方輝石類（Opx）在某些情況下也可以區分。研究表明，古生代捕虜體橄欖巖主要是由石榴石橄欖巖、方輝橄欖巖、二輝橄欖巖、鉻鐵礦純橄欖巖、復合橄欖巖和輝石巖脈組成的。二輝橄欖巖和方輝橄欖巖的比率分別為54%和34%，純橄欖巖和方輝橄欖巖的比率略高于在撫仙中的。基于石榴石在人工手動中重度集中，G9（二輝橄欖巖類型）和G10（方輝橄欖巖類型）的比率表明，華北克拉通之下的SCLM含有比Kaapvaal克拉通SCLM更高的二輝橄欖巖，從而華北克拉通顯示出了更加復雜的深度地質過程。這種結果表明，華北克拉通次大陸巖石圈地幔（SCLM）在古生代具有克拉通地幔特性，但是，其具多樣性。

對比世界范圍內其他有代表性的克拉通，由于華北克拉通面積小，所以，它很容易受到周圍板塊俯沖和碰撞的影響。華北克拉通東部的破壞和巖石圈變薄的過程較為復雜，比如巖石圈擴大；熔融巖石相互作用；非均勻軟流圈地幔侵蝕，使得巨大的巖石圈變薄；巖石圈地幔沖積，使得小部分巖石圈變厚（地幔代替）。在早中生代，揚子大陸向北俯沖和碰撞，會導致華北克拉通發生以下變化：①完整性被破壞。②大陸俯沖釋放熔融流體，導致克拉通邊緣被調整。③由于蘇魯—大別造山帶根基分離，導致巖石圈地幔擴張，而分離還會進一步影響軟流圈物質和侵蝕，進而調整了巖石圈。在早石炭-二疊紀，由于太平洋板塊俯沖產生熱干擾，導致軟流圈強烈侵蝕巖石圈地幔，使得巨大的巖石圈變薄。自晚三疊紀以來，上涌的軟流圈冷卻，使巖石圈略微變厚，最終實現了地幔置換和巖石圈整體變薄。關于地幔置換的開始時間，在古老的巖石圈，因為地幔薄弱區作為通道是不規律的，所以，軟流圈物質通過地幔薄弱區侵蝕巖石圈和巖漿噴發的時間也明顯不一致。1億年前，被玄武巖噴發捕獲的橄欖巖捕虜體大體是豐富的，這表明，華北克拉通東部部分在1.25億至1億年之前進行地幔替代。上涌軟流圈物質冷卻不僅會導致巖石圈加積，在一定程度上變厚，也會使得上覆地殼形成廣闊的沉積盆地。

3 結論

華北克拉通南緣蘇魯—大別山超高壓力變質帶的橄欖巖體特征表明：①從構造上講，克拉通巖石圈是由不同成分形成的，包括地幔軟弱帶。②中生—新生代巖石圈變薄的過程是非常復雜的，它包括巖石圈橫向傳播、熔化物和橄欖巖的交互作用、不連序軟流圈侵蝕（巨大巖石圈變?。┖陀邢迬r石圈增厚，導致難熔的克拉通巖石圈最終被年青富饒的地幔更換。在早中生代，揚子江板塊的俯沖破壞了華北克拉通的完整性，俯沖的揚子江板塊所釋放出的熔化流體也混入了華北克拉通地幔。巖石圈地幔擴張與華北克拉通構造侵放同時發生，并伴隨因揚子江板塊（造山運動）獨立而造成的軟流圈上涌。在早白堊紀-早三疊紀期間，太平洋板塊俯沖導致軟流圈上涌，使得巖石圈厚度變薄。至晚三疊紀，軟流圈上涌物冷卻，導致上地幔被新生成的巖石圈取代。隨著巖石圈厚度的遞增，最終形成了厚度完整的巖石圈。

〔編輯：白潔〕