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

常被称为“华北克拉通岩石圈减薄作用”。

2.1问题的提出

华北克拉通活化问题的提出可追溯至20世纪50年代,当时陈国达[38]从地洼学说(活化构造学说)角度提出了中国华北稳定地台活化的观点。华北岩石圈厚度减薄的思想孕育于20世纪80年代[39241]。其后,Fan等[13]和Griffin等[14]明确提出了华北自古生代以来岩石圈减薄或被破坏的学术思想和概念,Menzies等[15]首先提出了华北有厚度大于120 km的太古宙岩石圈在显生宙被丢失的论断,从而将华北克拉通岩石圈减薄这一新的地球科学问题推向国际学术界。华北克拉通岩石圈减薄(破坏、去根或置换作用)是目前备受国内外地球动力学界关注的研究课题之一。

2.2华北克拉通岩石圈减薄机制的主要争论

经过20多年的深入研究与探索,国内外学者虽然在华北克拉通破坏方面已取得了大量较高水平的研究成果,但有关破坏作用的时间、破坏作用的空间分布、岩石圈减薄的可能机制和破坏作用的构造驱动力等一直存在争论,目前仍是一个悬而未决的科学问题[42]。

目前对于岩石圈减薄机制的认识大体可分为两大类,即自下而上的化学过程和自上而下的物理过程。化学过程减薄机制的主要对应模型为热-机械侵蚀和化学侵蚀[17,29,43244],这一模型是基于地幔热柱效应或者更广义的软流圈抬升(如火山热点、大陆裂解、大型火山岩省、地壳熔融等)的考虑。研究表明,上涌软流圈的热传导“烘烤”软化岩石圈最底部的物质,软流圈水平流动产生的剪切应力使之转变为软流圈的一部分,由此形成的剥蚀反复进行,即热-机械侵蚀;软流圈上升产生的熔体及深部熔体进入岩石圈地幔的过程即为岩石圈的化学侵蚀,熔体-岩石反应最终会引起岩石圈底部的重力不稳定性[43]。从岩石流变学角度考虑,热侵蚀实际上是一种因温度增加而引起的岩石应变软化作用(st rain softening),将导致岩石流变强度降低、岩石易流性和易动性增强[43]。机械侵蚀基本上不涉及化学成分的变化,而是固态流变。物理过程减薄机制主要涉及拆沉作用模型,是指岩石相变引起重力不稳定性而导致垮塌,岩石圈地幔和下地壳沉入软流圈或深部地幔的过程[18,20,45246]。其中,重力不稳定性是拆沉作用的驱动力,在造山带构造作用配合下,岩石圈地幔和下地壳沉入软流圈,热的软流圈物质相应上涌至地壳下部置换冷的上地幔是其直接结果。岩石圈加厚是大陆岩石圈和下地壳拆沉的前奏[45],与拆沉作用相伴生的是山脉隆升、岩浆作用、岩石圈伸展减薄与盆地形成等构造事件。在造山过程中,地壳的加厚将导致造山带地壳下部(深度>40km)发生相变形成榴辉岩,其密度(约3.5g/cm3)明显大于地幔岩石密度(约3.3g/cm3);底侵于下地壳底部的基性岩浆、下地壳部分熔融产生的残余体,经过麻粒岩相变质作用同样也会获得较高的密度(3.3～3.6g/cm3)[47]。因此,由榴辉岩和镁铁质麻粒岩组成的下地壳在重力上是不稳定的,可以沉入下伏地幔中,即大陆下地壳发生拆沉作用[5,47248]。

除上述经典模型外,其他学者也提出了一些成因机制模型来解释华北克拉通的岩石圈减薄。例如,郑建平等[36,49]提出了地幔置换机制(mantle re2 placement),他们认为板块俯冲引起岩石圈被逐步侵蚀改造而强烈减薄,后又由软流圈热沉降作用导致岩石圈小幅度增厚,这一岩石圈先大幅减薄、后小幅增厚的过程实现了新老地幔混合的地幔置换和岩石圈整体减薄。周新华[50]提出了岩石圈转型(t ransformation)机制,包括两次转型过程,即古生代典型克拉通岩石圈地幔→中生代岩石圈地幔→新生代大洋型地幔,强调华北岩石圈是全面转型,而不仅仅是厚度的变化。此外,目前还有学者提出了岩石圈减薄的橄榄岩-熔体相互作用模型[51252]、岩石圈拉张和俯冲脱水模型[53]、板块俯冲碰撞[15216,54255]以及冈瓦纳大陆裂解[56]等机制。随着对克拉通岩石圈破坏问题的深入探讨,以上模型仍将作为华北乃至全球克拉通岩石圈构造演化的热点问题,进一步得以验证。

2.3拆沉作用减薄机制的争议

与拆沉作用有关的岩石圈减薄作用机制是目前比较引人关注的问题。前期的研究成果大多表明,拆沉作用模型不仅可以导致岩石圈厚度的减薄,而且能够合理解释现今大陆地壳总体成分呈中性的主要特征[5,7,45257]。被拆沉的下地壳物质无论是榴辉岩、底侵作用产物还是部分熔融产生的残余体,它们在成分上都是基性的,因此拆沉作用将导致下地壳和地壳整体成分向长英质方向演化。拆沉作用模型又可进一步分为两种[28]:①岩石圈地幔单独或和下地壳一起作为一个整体拆沉[45,58260],岩石圈拆沉作用的数值模拟结果大多支持该模式;②下地壳单独拆沉,即榴辉岩质下地壳与其上部地壳拆离后,穿过刚性的岩石圈地幔沉入软流圈[61263]。无论以上哪一种拆沉作用模式的发生,除取决于拆沉物质与其下伏岩石圈地幔或软流圈之间的密度差大小外,还取决于其黏度差的大小。对整体拆沉模式而言,只有当下地壳在流变学上是软弱的,才能使得较致密的岩石圈地幔和较轻的中上地壳之间发生力学解耦[64],从而发生岩石圈地幔单独或和下地壳一起拆沉;而对下地壳单独拆沉模式,单从流变学角度考

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虑,即使下地壳全部转变为高密度的榴辉岩,但如果下地壳在流变强度上低于岩石圈地幔,则其不太可能冲破流变强度甚高、厚度甚大的岩石圈地幔而沉

入软流圈[65]

。因此,后一模式要求下地壳具有较岩石圈地幔更高的流变强度,只有这样,它才可能穿过通常认为的刚性岩石圈地幔。

要探讨和解决上述科学问题和争议,就必须深入而细致地研究华北克拉通下地壳的流变行为与性质。初步的研究[11]表明,由于下地壳成分和结构的非均一性,下地壳流变特性可能是整个大陆岩石圈流变中最复杂的层次,这制约了我们对克拉通破坏等一些深部动力学过程的深入认识。因此,华北克拉通下地壳流变性质的研究对探讨该区岩石圈减薄机制具有重要意义。

3　华北克拉通下地壳流变性质的研究

现状及其研究意义

3.1大陆岩石圈流变学结构模型

岩石圈的流变性质是控制岩石圈构造变形的主导因素之一,大陆岩石圈流变学的研究是探索地球各层圈流变结构、了解岩石圈构造变形过程的基础[66267]。自20世纪60年代以来,大陆岩石圈流变学取得了较大进展,理论和应用研究不断深入,大陆深部地壳流变学的研究得到了广泛重视。根据地震资料和初步的高温高压流变实验结果,人们逐步认识到大陆岩石圈在流变学上可能不是单一模式,流变结构具有复杂的分层性,而下地壳流变特性是其中最复杂的层次[11,68]。根据大陆岩石圈各层圈力学强度和黏度的相对强弱,目前提出的大陆岩石圈流变学结构模型主要有3种[69](图2):①“J elly

Sandwich ”(果酱三明治)模型(图22A ),以“弱下地

壳和强地幔”为主要特征,力学强度相对软弱的中-下地壳韧性层夹在相对强的上地壳和岩石圈地幔之间[70271],岩石圈地幔承载地壳板块构造大部分的长期负荷强度。该模型得到了地震震源深度分布方面

的佐证[72273]。②“Cr ème Br^u l ée ”模型(图22B )。根据变形区的地震活动主要集中于地壳中这一观测结果,Maggi 等[74]、J ackson [75276]和Thatcher 等[77]提出大陆下地壳的力学强度可以高于上地幔,大陆岩石圈的强度几乎全部集中于地壳中。Burov 等[78]把这种“强下地壳和弱上地幔”模型称为“Cr ème Br^u l ée ”模型,并且根据推断出的地震层厚度与大陆岩石圈弹性厚度估计值之间的密切关系,认为“Cr ème Br^u l ée ”模型仅在某些特殊地区可能适用,而“J elly Sandwich ”模型更具普遍适用性。③“Ba 2nana Split ”模型(图22C )。B ürgmann 等[69]认为由于不同的应变软化和恢复作用(feedback process )可导致贯穿整个岩石圈的主要地壳断裂带力学强度的降低。因剪切带中矿物颗粒较小,下地壳和上地幔的变形将以扩散蠕变为主,力学强度较低。该模型主要针对板块边界处岩石圈力学强度可能由于各种弱化作用(包括热、流体和应变速率效应)而显著降低的特殊情况。

上述大陆岩石圈流变学结构模型表明,大陆下地壳和上地幔的流变强度存在多样性和不确定性[11]。“J elly Sandwich ”模型尽管是目前较普遍认同的大陆岩石圈流变学结构模型,但大陆岩石圈整体流变性质随其组成、构造演化及区域地质背景的不同而发生明显变化,对于不同时代、不同组成和不同温度条件的大陆岩石圈,其流变强度在横向和垂向上将出现显著差别[10,69,79]。因此,每一种模型的适用性应根据具体的岩石圈结构、组成和温度等条件而定。从目前研究资料来看,大陆岩石圈流变学的横向非均一性和垂向分层性已是不争的事实[67],而对大陆下地壳与岩石圈地幔流变强度的相对强弱仍存在争议,这除了跟大陆地壳成分的非均一性和结构的复杂多样性相关外,水、熔体等流体因素可能是导致流变强度差异的主要原因[11,80]。因此,要结合实际区域进行大陆岩石圈流变强度的研究,这对

探索研究区大陆岩石圈构造变形及揭示其大陆动力

图2　大陆岩石圈流变学结构模型[69]

Fig.2　Rheology structure models through continental lithosphere

A.“J elly Sandwich ”模型;

B.“Cr ème Br^u l ée ”模型;

C.“Banana Split ”模型。A 、B 为位错蠕变,C 为扩散蠕变,应变速率均为10-14s -1

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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

学过程具有重要意义。

3.2华北克拉通下地壳流变性质研究现状和存在

问题

对于下地壳流变性质的研究,下地壳物质组成和岩石流变参数及变形机制选取的合理性是关键影响因素之一[81]。前人已经通过地球物理、岩石物理及壳—幔包体等方面的研究,建立了中国东部地壳结构和物质组成模型[23],这为研究该区大陆岩石圈流变结构与性质打下了坚实基础。根据中国东部地区下地壳成分模型,结合高温高压流变学实验数据和地震震源深度分布的综合研究表明:华北地区以中性麻粒岩为主的下地壳上部流变强度相对较弱,而由干基性麻粒岩组成的下地壳下部则具有很高的流变强度[11,81]。前人获得的干的下地壳代表性岩石———辉绿岩和辉长岩流变学实验结果[82284]也表明,干的下地壳流变强度高于中上地壳。而根据地震波速数据和大地热流资料,臧绍先等[66]初步建立了华北地区岩石圈三维流变结构模型,从三维空间上勾画出华北岩石圈流变性质的主要特征为:上地壳上部、中地壳上部、上地幔顶部为高强度层,而上地壳底部、下地壳及岩石圈底部为强度相对较弱的韧性层。按照这一模型,该区下地壳流变强度是整个岩石圈中最低的。Chen等[85]对汉诺坝地区下地壳麻粒岩包体进行的流变学实验研究表明,该区下地壳的流变强度相对较弱。华北克拉通怀安地区瓦窑口下地壳镁铁质麻粒岩地体的高温高压流变学实验结果也指示,该区下地壳的流变强度远低于中上地壳和岩石圈地幔[86],同样支持传统的“J elly Sand2 wich”模型。近年来,杨晓志等[87289]对华北克拉通女山地区和汉诺坝地区地壳深部岩石样品主要组成矿物的结构水含量进行了系统测定及对比研究,并结合两地区的地温分布情况,建立了两地区目前的深部岩石圈流变结构剖面。其结果表明,尽管两地区岩石圈地幔的黏度很接近,但下地壳的黏度却明显不同:女山地区下地壳黏度比岩石圈地幔的黏度低,该区大陆岩石圈结构与“J elly Sandwich”模型很类似;而汉诺坝地区的则相反,大陆岩石圈结构与“Crème Br^u lée”模型很接近[89]。

对华北克拉通下地壳流变强度的研究目前还存在很大的不确定性和争议。大陆下地壳流变性质研究的复杂性是造成对其流变性质认识的不确定性与多样性的主要原因,这主要归因于以下3点:①下地壳成分和结构本身的非均一性[9]。在计算下地壳流变强度时,通常根据不同的物质组成,选择可代替下地壳流变特性或变形机制的矿物和岩石流变参数。对物质组成认识的分歧给下地壳流变研究带来了不确定性。②近30多年来,高温高压实验取得了很多

进展,获得了地壳各层大量矿物和岩石流变学资料,为研究地壳流变性质提供了直接的实验依据。但是,上述研究大部分是围绕天然岩石样品进行的。下地壳的主要组成岩石———麻粒岩是典型的多相矿物集合体岩石,其本身成分复杂,这也直接导致了天然下地壳岩石样品流变学实验结果具有很大的不确定性。在流变学实验中,实验样品的成分、熔体和流体成分及含量等是引起实验结果变化的主要因素[11,81,90]。③实验研究结果表明,微量的熔体和流体就可以导致岩石变形强度和变形机制的巨大变化[91292],而早期针对下地壳岩石的实验研究大多仅简单地考虑不添加水的“干”条件下和添加过量水的“湿”条件下的流变强度[74275,93295],没有考虑实验样品中的结构水对实验结果的影响,实验结果在应用到天然条件下具有很大的局限性,况且我们目前对华北克拉通大陆下地壳部分熔融的条件和产物、流体赋存状态和含量的了解还非常初步[89,96],这也直接导致了我们对华北克拉通大陆下地壳流变性质估计的不确定性。

如前所述,岩石圈流变强度与其物质组成、结构和温度及流体等密切相关,除下地壳物质组成外,目前对华北克拉通大陆下地壳流变性质影响较大的是地壳中的含水量及含水状态,特别是华北克拉通破坏前后下地壳的含水量,这直接影响到对华北克拉通下地壳流变性质和克拉通破坏机制的研究与认识。为更好地把握下地壳的流变性质,必须以华北克拉通下地壳岩石的成分和结构水研究为基础,开展定量的中酸性和基性麻粒岩等下地壳代表性岩石高温高压流变学实验研究。

3.3华北克拉通下地壳流变性质的研究意义

板块构造学说发展至今,其在解释海洋板块的变形和运动等方面显示出优越性,但在大陆板内构造变形和动力学等应用方面仍存在许多问题。大陆岩石圈流变结构的非均一性对于控制大陆岩石圈构造变形的运动学和动力学具有重要意义。大陆动力学作为当前研究的热点之一,深入而细致地开展大陆地壳和岩石圈地幔流变方面的研究,是重新认识大陆岩石圈构造变形的最重要手段和方法,也是研究大陆动力学不可缺少的一个环节,对探讨“造山”、“拆沉”、“滑脱”等构造运动具有重要的约束意义[11,81]。因此,当前必须进一步深入开展岩石圈流变性质的研究工作。

对岩石圈流变性质的描述,主要有流变强度和等效黏度两个参量。流变强度是指在一定应变速率下,岩石圈介质发生流变所需要的最小差异应力;等效黏度是将岩石圈介质比拟为牛顿流体黏度获得的,其主要反映岩石圈介质的流动性质。大陆岩石

02　地质科技情报　2009年

圈流变性质的研究即是探讨岩石圈流变强度和等效黏度的空间分布情况。因此,下地壳流变强度的研究,不仅对认识整个大陆岩石圈流变性质有重要贡献,而且对探明岩石圈改造与破坏机制具有深刻的约束意义。

地壳流变与地壳分层、地温梯度、物质组成及其流变参数和变形机制等具有密切关系,因此,不同构造环境下地壳的流变性质具有明显差别[97]。中国大陆岩石圈流变性质研究已经取得了一定的进展,但不同区域的研究程度却存在很大差异,其中华北地区的研究程度最高。目前关于华北克拉通下地壳和岩石圈地幔具有怎样的流变性质,下地壳与岩石圈地幔是耦合(coupling)还是解耦的(decoupling),这些问题一直困扰人们对华北岩石圈破坏机制的深入认识。莫霍不连续面是岩石圈中最显著的岩石学和力学界面,其附近的榴辉岩质下地壳被认为直接控制着拆沉作用的发生[98],而下地壳的流变性质则对拆沉作用具重要影响[99],壳—幔流变强度和黏度的耦合程度直接决定了“拆”的过程发生的难易程度[58]。目前高温高压实验研究结果揭示,一旦麻粒岩相岩石变为榴辉岩相岩石,则其流变强度和黏度几乎与上地幔干的方辉橄榄岩相当,而明显高于典型的地壳岩石(如镁铁质麻粒岩、长英质麻粒岩和长英质侵入岩等)[1002102]。

如果华北克拉通下地壳的相对流变强度在岩石圈中最低(即“J elly Sandwich”模型),那么大陆下地壳和相变后的榴辉岩质下地壳及岩石圈地幔之间是较容易发生“拆离”作用的,这是拆沉作用发生的前提,而榴辉岩与橄榄岩相比的高密度则决定了拆沉作用中“下沉”的驱动力。榴辉岩要比相同条件下橄榄岩的密度大0.2～0.4g/cm3[3]。来自岩石学、地球化学等方面的资料已证实,古生代华北克拉通岩石圈地幔是亏损的,其应该具有相对软流圈地幔较低的密度,榴辉岩质下地壳(最多厚达几十公里)与岩石圈地幔(华北克拉通古生代岩石圈地幔厚达200km左右)[16]之间较大的厚度差异,决定了榴辉岩质下地壳很难带动大量以贫化橄榄岩为主的低密度岩石圈地幔一起下沉。即使有榴辉岩质下地壳的存在也难以抵消岩石圈地幔的浮力。因此,若华北克拉通下地壳流变性质支持“J elly Sandwich”模型,那么将拆沉作用作为该区岩石圈减薄的主导机制则存在一定的局限性。相反,如果华北克拉通岩石圈地幔流变强度明显弱化,下地壳的流变强度偏高(即“Crème Br^u lée”模型),那么坚硬的榴辉岩质下地壳会相对较容易带动部分岩石圈地幔一起甚至单独穿过软弱的岩石圈地幔而发生拆沉。

综上所述,关于华北克拉通大陆下地壳流变性质的认识对进一步深入研究该区岩石圈破坏机制具有重要的约束意义。

4　展望与思考

稳定的克拉通为何会变得不稳定并遭受破坏?壳—幔耦合与否及其在构造变形中的作用如何?大陆岩石圈流变学作为大陆动力学的理论基础,要回答以上地球动力学的重要问题,需要对地壳和地幔的流变学行为与性质有深刻而详尽的认识[103]。大陆下地壳深埋于地下,华北克拉通破坏作用发生在地球深部,且破坏过程现已完成,人们对二者都难以直接进行观察和研究。地球物理深部探测资料(深地震反射和地震层析成像技术等)可以获得目前深部物质组成和结构等有意义的图像,但这种由间接方法获得的成果往往具有多解性和不确定性。相对而言,现代高温高压实验技术可以在相对真实的温度和压力条件下直接模拟地球深部的温压条件和物质环境,相当于深入地球内部的“放大镜”和“显微镜”。在有效结合岩石学、地球化学和地球物理学研究的基础上,高温高压实验技术是当前我们了解地球深部动力学过程的重要手段之一。为解决华北克拉通破坏机制这一科学问题,我们认为从流变学角度今后主要的研究方向应该是:①加强高温高压流变学实验和物理模拟的研究,目前对华北克拉通岩石圈减薄机制的认识绝大部分是基于岩石学、地球化学、同位素年代学和地球物理观测方法获得的成果,而对于与减薄作用相关的深部物理过程,尤其是深部物质存在状态和流变性质的研究则十分薄弱;

②定量探讨结构水对下地壳流变性质的影响,对下地壳代表性岩石开展傅立叶变换红外光谱的系统测定与分析工作,为有针对性地进行含水条件下岩石高温高压流变学实验研究奠定基础;③研究下地壳强反射的成因及上下两层成分差异的原因,为下地壳乃至大陆地壳的形成与演化提供直接约束。

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Rheological Properties of the Continental Low er Crust and Destruction Mechanism of the North China Craton

XU Li2li a,ZHAN G J un2feng b,c

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Processes and M i neral Resources,Chi na Universit y of Geosciences,W uhan430074,Chi na)

Abstract:This paper gives an overview of t he basic feat ures of t he st ruct ure and composition of t he conti2 nental crust in East China.It summarizes t he dest ructio n of t he Nort h China Craton and it s mechanisms, t he hot topic for geodynamic community in t he literat ure.By comparing different rheological st ruct ures of continental lit ho sp here,t he significance of rheological p roperties of continental lower crust is emp hasized for understanding t he dest ructio n mechanism of t he Nort h China Craton.It is suggested t hat fine rheologi2 cal experiment s at high pressure and temperat ure and quantitative hydroxyl analyses are important for sol2 ving t he dest ruction mechanism p uzzle.

K ey w ords:continental lower crust;rheological p roperty;Nort h China Craton;craton dest ruction;delamina2 tion

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