华北克拉通的故事仅次于青藏高原的隆升,查阅了一些资料,希望了解目前提出了什么样的动力机制,哪些机制更具说服务。
按时间先后,以寻找动力为主线。个别文献后会提点儿疑问或点个赞(彩色字),望高人能解答。
翁文灏:1927年,提出了燕山运动(来自章鸿剑,1936)。在侏罗纪末,白垩纪前,机乃分为甲乙二期,而以其间为火山活动期。甲期在侏罗纪末白垩纪初,谓之绪动。乙期在下白垩纪火山岩系之后,以盛大褶曲及逆掩断层为特征,为燕山运动之主要期。早此时候的科技文献,也显得很文艺,点个赞。
丁文江:1929年,发扬了翁文灏的思想,提出燕山运动分为三期,后雷底格统、侏罗纪终至白垩纪始、上白垩纪。第一个我没听说过,知识有限。
Γ.Φ. 米尔钦克:1940年,提出地台活化;应该是第一个提出的。
陈国达:1960年,在毛泽东思想的指导下,提出了地台可以“活化”的说法(引自赵一阳,1961);原文,发在科学通报上,未做删减。因为,毛主席是我本家,我也是毛粉。
Jordan T H:1978年,大陆稳定性应与水含量密切相关(自夏科群,2013)。第一个提出水有作用。
Bird P: 1978年,首次提出拆沉作用,后面华北克拉通的破坏用得着,信息来自嵇少丞(2008)。
张恺:1980年,首次提出华北克拉通的概念。难道是石油圈里最先提出?
Klimetz:1983年, 提出太平洋板块向西俯冲影响华北块体。试图阐明驱动力。此文由为陶国保翻译,华北称为华北块体(North China Block),而扬子称为扬子克拉通(Yangtze Craton),说明当时还没把华北克拉通当“客”(拉通)看待,足见这一地区不寻常。难不成,之前华北块体就不被认为是克拉通?
Mackwell S J: 1985年,水对于矿物流变强度有显著的影响(自夏科群,2013)。
马杏垣:1991年,通过响水-满都拉地学断面,推测中新生代华北地台东部活化,构造运动与岩浆活动相当频繁,软流圈上涌,顶面抬升至60~80km。似乎首次提出中下地壳减薄。
路凤香:1991年,利用辽宁复县金伯利岩和地幔矿物、深源捕虏体推测岩石圈原来的厚度至少为170km。 认为17亿年前华北地台克拉通化后形成了深达200 km的岩石圈根;我国两个含金刚石的金伯利岩岩区— 辽宁复县和山东蒙阴的金伯利岩侵位时代都为古生代。
Griffin:1992年,在北京召开的一个会议上提出了岩石圈减薄。
Menzies:1993年,首次提出了华北有大于100km岩石圈在显生宙被弄丢了。
邓晋福:1996年,自燕山期以来,岩石圈减薄了120 km以上,这种减薄作用是引起东部大陆种种地质异常现象的根本原因。
袁学诚:1996年,提出华北克拉通破坏的动力,起因于下部软流圈的隆升, 而此隆升可能是地慢柱上升的结果。引入了地幔柱。
郑建平:1996年,地幔流体在岩石圈减薄过程起到了创造条件的作用;
高山:1999年,用拆沉作用可很好的解释秦岭大别造山带,提出中国东部也可以用拆沉来解释。
吴福元:1999年,提出由于拆沉而产生软流圈与地壳直接接触的思想;
路凤香:2000年,侵蚀作用的蘑菇云模型。
Xu Y Q: 2001年,提出中朝克拉通破坏,热力侵蚀作用。
高山:2002年,扬子和华北板块之间的碰撞破坏了华北克拉通的整体性, 从而为后来岩石圈的减薄奠定了基础。即有旧伤疤。第1次改变观点。
洪大卫: 2003年,晚中生代是冈瓦纳大陆由于受地慢柱影响而发生裂解的时期,这种全球地慢柱活动导致了华北克拉通的破坏。
Zhang R Y: 2003年,提出一起来碰。除东部的太平洋板块俯冲外, 华北的北部有古亚洲洋的俯冲, 南部有扬子与华北间大洋的俯冲, 西部有特提斯的俯冲, 上述俯冲作用的联合导致深部地慢上涌, 进而使华北克拉通发生了破坏。华北克拉通面子好大,各大板块都来碰它。
Gao S(高山):2004年,发表于nature的文章,159Ma开始下地壳就发生了沉降而导致克拉通破坏,并说明了密度变小可能是其主要原因,但这个密度的不稳定和下降的机制仍是一个悬而未决的问题。第2次改变观点。
Zhao Z F: 2004年,提出了巨型地慢柱是破坏的动力。在早白垩世, 西南太平洋发育以Ontong Java为代表的巨型地慢柱, 而该地慢柱对我国东部的地质演化可能产生了影响, 并导致了克拉通的破坏。
Wu F Y:2006年,得出华北克拉通的破坏时间,峰期为K1,125Ma.
Lee C T: 2011年,大陆岩石圈稳定与否的关键是岩石圈底部与软流圈之间黏滞度的差异(来自夏科群,2013).
朱日祥:2011年,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。但这个升温背景的重要证据来自于Humler E(1999),里面说的是白垩纪时期比现在高,难道说倒了?因为Humler没有提古生代到侏罗纪是低温和到了白垩纪时是高温。
朱日祥:2012年,早白垩世岩石圈地幔富水会大大降低岩石圈的强度,太平洋板块俯冲是华北克拉通破坏的主要动力。否定了自已2011年的观点-第1次修改观点?
夏科群:2013年,岩石圈水化引起的强度显著降低显然是重要的力学前提. 由于~120Ma是华北克拉通破坏的峰期时段, 因此上述结果就直接将克拉通破坏与其强烈水化导致的强度显著降低联系起来了.
陈宣华:2019年,使用了Huang (2006)的深部地震成像剖面,提出是俯冲的远程效应,认为俯冲能伸到太行山下,使它抬升,抬了后,板块向下掉落,形成滞留板块。可能是将Huang剖面(图1)的经度112-118度之间的深部两坨小异常A、B当成掉下去的碎片了,如图2b中最大一个碎片A与图1中的A异常深度、位置都一样。推测现在分家了,在早白垩世则是一家人,或K之前这两个碎片A,B是和C连接的(图2a)。退一万步讲,就算确定A,B是从板片C掉下来的,怎么肯定A,B是在早白垩世华北克拉通破坏时和C是在摆在一起的?这两个小碎片应该是地球物理中的一种误差。若真有板块后撤和小碎片,俯冲带向左下的力失去后,碎片是自由之身,其密度为洋壳密度,远低于周围的地幔密度,在周围的地幔里它如水里的木头,不往上飘,而向下沉?另外,深地震剖面精度是有限的,石油勘探10公里深度垂向精度为50米,速度误差也达不到大约5%;若是600公里以下,其主频小于0.1Hz,按第一菲涅尔带计算,波速8km/s,t0为单程时间时间75s(因信号来自于天然地震,不是反射地震),垂直分辩率为20km,水平分辩率为109km;速度误差不知跑哪儿了。
图1 深地震剖面原图是酱紫的(Huang,2006)
图2 加上观点后的演化剖面
朱日祥:2019年,提出地幔过渡带产生的滞留体华北克拉通破坏的根本原因。该滞留体在125Ma时,因冲到华北克拉通的俯冲带,在向东后退走的太快,落下的一块没带走,它使岩石圈地幔水分增加,变年轻了,从而华北克拉通破坏了。和2011年、2012年提出的观点完全不同了,这是第2次修正观点了(不应该称“修正”,而是完全不同的观点),这充分说明问题的复杂性。
目前朱日祥和陈宣华教授的观点可算是主流观点认识了,因为毕竟经过了10年的国家重大研发计划的打磨。资料翔实,论据充足,成果就不多提了,这里就有个别疑问:当时向华北地块俯冲时,俯冲后待在地幔的时间也漫长,水分没增加?后撤前地幔水分一定会少吗?俯冲板片向东后退,离开华北克拉通后,留下一小块碎片真能增加水分?俯冲角度历史是如何得到的?因为我以前是折腾地球物理的,这么深,能保证现今的非均质性的刻画精度就不错了,还能管以前?
下面谈谈形成目前主流认识的三个主要证据。
1.滞留体。最重要的直接证据和陈宣华(2019)所列的相同,为Huang(2006)所做的深地震成像,如图2,是不是也将两坨小的误差A,B当成从俯冲板片上掉下来的渣渣了。该图直接引用了朱教授本人Zhu(2017)的图,而Zhu R X(2017)的文献同样来自于Huang(2006)。
2.俯冲带后退。重要依据是证明了中生代时古俯冲带曾在现在日本海沟向西2200公里,即太行山-鄂尔多斯一带,而该依据来自于两个理由:1)东亚边缘海岸山脉历史高度为2000-3000米,现在秦岭等很多山脉仍在升高,并不见得有洋壳在俯冲;2)用洋壳年龄差异计算俯冲位置。这两个证据有待商榷,其可靠性还不如东北地区发现大量中生代增生杂岩来得现实(Isozaki Y,1997; Wu F Y, 2007b)。除此外,还需要说明,这俯冲带一进一出,能证明中国东部当时是活动大陆边缘?为何当时的岩浆活动可以延伸到内陆达1000km,且岩石组合与太平洋东岸相差很大(吴福元,2008)。
这两个证据均源于第1个“滞留体”的认识,如果真是误差,则第2个认识就无从谈起,对物探成果是否错误解读值得思考。事实上,从Huang(2006)的图上看,似乎俯冲带不需要后撤,也能到华北克拉通的底部。个人认为,后撤之说有必要论证吗?
图3 西太平洋板块俯冲演化过程
提出2个根本问题:
1.华北是克拉通吗?至少在1983年前,没人认为它是克拉通。如果真不是呢?
2.岩石圈原先很厚吗?这里有一个重要时间节点,1991年,这一年马杏垣教授根据地学断面,来推断华北下地壳“减薄”,是空间上的对比,由西向东“变薄”不是时间上的对比,不能作为由古至今的“减薄”证据;而路凤香则通过金刚石形成的温压条件来推测原来厚度为170km,这是假设没计算误差时的结果,这就开启了我国近30年的轰轰烈烈的克拉通破坏的序幕。如果金刚石形成的温压、物质环境有偏差呢?一些学者对时间上的对比“减薄”,即中生代之前厚度大新生代薄提出了质疑,准确地说,是质疑其唯一的“原来很厚”的证据(池顺良,2008):用金刚石的温压来反推古岩石圈厚度。合成金刚石工业发展出了在较低压力温度下合成金刚石的技术,加入触媒,能使金刚石合成温度和压力降低,而化学气相沉积则可以在常压下生长出金刚石薄膜(沈亮等,2005)。能限定古生代岩石圈厚度的金伯利岩只在山东蒙阴和辽宁复县两地出现, 并没有在整个华北地块到处出露, 这个问题还难以定论(嵇少丞,2008)。图4为我国两处金刚石矿区地质图,从图中看出,这两处花岗岩出露,根据陈国能(1996)的原地重融-壳内对流学说,在很浅的地方就能达到高温,并产生物质对流分异,而不会到150-200km才处于金刚石的温压状态。因此,用这两处金刚石的发现,来推测岩石圈厚度,存疑。
(a)山东蒙阴金刚石矿 (b)辽宁瓦房店市复县金刚石矿
(c) 金刚石矿的平面位置
图4 山东蒙阴和辽宁瓦房店复县金刚石矿区位置及地质图
总而言之,太深了,问题复杂,说不清。不过,还是综上所述一下:
华北克拉通的破坏因素或动力有:岩石圈减薄(这好象是结果)、太平洋板块俯冲(如何解决“动态”俯冲,目前观察到的是静态)、拆沉作用、里面有水,使其强度降低(但如何解决早白垩世有水,其它时间就是干的)、地幔柱、密度降低(机制呢)、扬子和华北约会时留下的先天缺馅(不太好考证)、早白垩世地幔很热。
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