大陆下地壳流变性质与华北克拉通破坏机制_许丽丽

大陆下地壳流变性质与华北克拉通破坏机制①

许丽丽a,章军锋b,c

(中国地质大学a.研究生院;b.地球科学学院;c.地质过程与矿产资源国家重点实验室,武汉430074)

摘　要:综述了中国东部地壳结构与组成的基本特征,介绍了华北克拉通岩石圈减薄作用这一近年来备受国内外地球动力学界关注的重大科学问题,归纳和总结了目前关于华北克拉通减薄机制的各种模型,并结合大陆岩石圈流变学结构模型,强调从流变学角度探讨华北克拉通下地壳的流变性质对研究和解决华北克拉通破坏机制的意义,提出进行更精细的、结合定量结构水研究的高温高压流变学实验模拟研究可能是解决华北克拉通破坏机制问题的关键手段之一。

关键词:大陆下地壳;流变性质;华北克拉通;克拉通破坏;拆沉作用

中图分类号:P541 文献标识码:A 文章编号:100027849(2009)0620016209

大陆下地壳是地球深部地壳生长和变形、壳-幔物质与能量交换及壳内物质分异的重要场所。对大陆下地壳结构、成分与性质的认识,是我们更好地探索地壳形成、演化等地球动力学过程的基本前提。在过去几十年中,围绕大陆下地壳结构和成分这一世界性的科学问题,前人已经在地质、地球物理和地球化学方面开展了大量卓有成效的研究工作[127]。虽然目前对大陆下地壳的成分还存在一些争议[8],但通过对比全球大陆地壳模型,结合区域实际地球物理和地质资料进行区域下地壳结构与成分研究,加深了我们对区域性大陆地壳演化动力学过程的认识和了解[3,9]。另一方面,下地壳作为大陆岩石圈的主要层圈结构组成之一,其物理性质,特别是流变性质决定着地壳整体的变形方式以及壳—幔的长期演化。现有的少量研究成果表明,由于大陆下地壳结构和成分非均一性及其含流体(包括水或熔体)的影响,下地壳是整个大陆岩石圈中流变性质最复杂的圈层[10212],直接制约我们对下地壳许多地球物理现象(地震深反射层、地震波速各向异性等)和地球动力学过程(岩石圈地幔和下地壳拆沉作用、壳-幔是否耦合变形等)的深入认识。

华北克拉通是中国最大的陆内地块。自Fan 等[13]和Griffin等[14]明确提出华北古生代以来岩石圈减薄的思想和概念之后,以华北克拉通为典型代表的中国东部中、新生代大陆岩石圈巨厚减薄不仅构成了中国显生宙时期岩石圈演化的重大事件,而且一直是国际上固体地球物理学研究领域中的一个热点,国内外学者围绕其做了大量科学研究,并取得了很多新的认识,但同时也存在很多争议[15220]。华北克拉通的岩石圈减薄机制是其争议的关键问题之一,直接涉及大陆下地壳与地幔的相对力学强度和耦合程度。因此,对大陆下地壳流变学性质的认识和探讨,将为我们更好地了解和把握华北克拉通自中生代以来的一些深部动力学过程提供有益的参考。

笔者拟在综述华北克拉通大陆下地壳结构与组成特征的基础上,结合华北克拉通岩石圈减薄(破坏、去根或置换作用)这一备受国际地球动力学界关注的重大科学问题,综合目前对下地壳流变性质的认识和研究进展,以探讨下地壳流变性质对华北克拉通岩石圈减薄机制的约束。

1　中国东部下地壳结构与组成特征

下地壳的结构和成分是探讨下地壳流变性质的基础和前提条件。从全球尺度来看,大陆地壳通常由上、中、下地壳3层组成,而部分地区的下地壳可进一步划分为波速相对较低的下地壳上部和波速相对较高的下地壳下部[123]。大陆地壳的厚度和地震波速结构随构造单元的不同而变化,元古宙构造区的大陆地壳整体厚度和高地震波速(v p>7.0km/s)下地壳厚度均比太古宙构造区的厚度大[21]。许多地区的下地壳中存在大量近水平的反射面,这些反射面大多始于下地壳顶部,止于莫霍面,部分仅被限定在上、下地壳接触界线处[3,22]。大陆地壳平均成分一般认为是中性的,对于下地壳,地震测深、岩石学、地热及地球化学等综合研究揭示,其主要由不同

第28卷　第6期2009年　11月

地质科技情报

Geological Science and Technology Information

Vol.28　No.6

Nov.　2009

①收稿日期:2009205225 编辑:杨　勇

基金项目:国家自然科学基金重大研究计划重点项目“华北克拉通破坏深部过程的高温高压实验研究”(90714005)

作者简介:许丽丽(1985—　),女,现正攻读构造地质学硕士学位,主要从事华北克拉通怀安地区麻粒岩显微组构特征及含水量方面的研究。

的麻粒岩相岩石组成,在部分高含水量地区,角闪岩相岩石也可能是下地壳下部的组成岩石;而下地壳的总体成分为镁铁质,局部可能以长英质或中性为主[223,7]。

对比全球大陆地壳的结构和成分模型,中国东部大陆地壳(尤其是下地壳)结构与组成(图1)具以下显著特征[23]:①由于下地壳中地震波速v p 值所对应的岩石组成类型明显不同,中国东部地壳在结构上划分为上地壳、中地壳、下地壳上部和下地壳下部4层[4]。其中,下地壳上部由长英质麻粒岩组成,下地壳下部主要为镁铁质麻粒岩,与欧洲的双层下地壳组成模型具相似性[24]。②中国东部平均地壳厚度为37～39km ,与Rudnick 等[3]给出的全球大陆地壳平均厚度(37～40km )接近,但略低于Chris 2

tensen 等[2]

获得的全球大陆地壳加权平均厚度(41.1km )。③

中国东部下地壳整体平均v p 值为6.8

km/s [23],相对于Rudnick 等[3]给出的全球下地壳平

均v p 值(6.9～7.2km/s )略低0.2～0.3km/s 。④中国东部下地壳整体成分为中性,w (SiO 2)为58%[425],明显不同于目前普遍认为的镁铁质下地壳模型[w (SiO 2)<52%][223,7]。

相对于全球大陆地壳模型,中国东部大陆地壳

平均厚度较薄、下地壳平均v p 较低、下地壳整体成分更偏中性。这些特征表明,中国东部大陆地壳演化程度较高[5,23]。然而,目前,对这一厚度较薄、演化程度较高的太古宙大陆地壳成因模式究竟是由于该区大陆下地壳初始成分明显不同于较厚镁铁质下地壳所致、还是由于原始大陆地壳底部镁铁质层的缺失而引起[5,25]、抑或是其他原因造成的还存在很大的争议。

我国华北克拉通与中国东部其他构造单元类似,该区大陆下地壳也可分为下地壳上部及下地壳

图1　中国主要构造单元(除塔里木外)平均地壳结构[23]

Fig.1　Structure of average continental crust of major tectonic units (except Tarim )in China

中国中东部包括华北克拉通、扬子克拉通、秦岭造山带和桐柏-大别-苏鲁造山带;中国东部包括华南造山带和内蒙古-兴蒙造山带;中国西部包括天山-北山造山带、祁连造山带和青藏高原;柱状图中数值为v p 值,底部数值为地壳平均v p 值(单位:km/s )

下部两层:下地壳上部(深度24～32km ,v p 约为6.7km/s ),主要由长英质麻粒岩和变沉积岩组成;下地壳下部(深度32～36km ,v p 约为7.0km/s )主要由中性、镁铁质麻粒岩、辉石岩及橄榄岩组成,其中下地壳上部约占该区整个下地壳总厚度的2/3,整体成分为中性[4,6]。该区下地壳的组成特征及锆石定年等年代学资料表明,华北克拉通作为一个整体可能在白垩纪时期经历了一次活化过程[6],也就是目前非常关注的华北克拉通岩石圈减薄这一重大科学问题。

2　华北克拉通岩石圈减薄机制问题

华北克拉通是目前世界上最古老的太古宙古陆

核之一(3.8～2.5Ga )[26227],它以明显具有全球意义的克拉通破坏现象而备受国内外科学家的关注[28]。研究资料表明,华北克拉通自距今1.8Ga 前形成至古生代,一直保持相对稳定,并存在一个相对冷的、约200km 厚的太古宙岩石圈根[29230]。而自中生代以来,其遭受了强烈的活化改造,产生了大规模构造变形、岩浆作用、地震活动和成矿作用[16,29235],岩石圈厚度被减薄至60～80km [15,27,36237]。上述作用通

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1第6期 许丽丽等:大陆下地壳流变性质与华北克拉通破坏机制