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“华北克拉通破坏”重大研究计划有力提升我国固体地球科学国际地位

彻底搞清地球内部构造和运动学、动力学机制,将地球变成一个“水晶球”,是地质学家们心中的目标。2007年,国家自然科学基金委员会实施的两个重大研究计划之一——“华北克拉通破坏”,旨在认识和揭示克拉通破坏对大陆形成演化和地球圈层相互作用的意义,为资源战略预测和地震灾害预防提供新思路和科学依据。
今年,中国地质大学地球科学学院教授郑建平也得到了“华北克拉通破坏”重大研究计划中的一个子课题。而在此之前,在国家自然科学基金面上和杰出青年科学基金项目几个项目资助下,郑建平课题组在2000年就开始对中国东部华北和扬子深部岩石圈特征及它们相互的动力学过程进行了持续研究。
“在几个基金课题的支持下,我们主要取得了3个方面的成果:一是搞清了华北太古代克拉通的南北关系;二是发现华北克拉通南缘地壳形成之后,又经历过一个再造过程,将原来地表的岩层再造形成新的岩层;三是深入研究了扬子大陆俯冲对华北克拉通破坏的影响。”郑建平说:“以前我们得到一些地球演化的信息都来自地表岩石,华北克拉通北部有老于36亿年的岩石出露,但其南部最古老的基底出露岩石年龄只有28亿~29亿年,国外也有学者认为华北不是一个克拉通。后来我们在华北南缘,也发现了古老的岩石,明确了它是一个克拉通。”
2001年,在科学基金支持下,郑建平课题组在华北克拉通南缘发现中生代火山岩,通过同位素分析和长英质麻粒岩捕虏体57颗锆石的U-Pb确定年代,他们发现在元古代地体之下存在比36亿年更早的早太古代下地壳。Hf同位素模式年龄表明,它们40亿年前从地幔中分异出来,并在36亿~37亿年间经历了再熔融作用。
据介绍,地壳的年龄分布是模拟地球历史上大陆演化和地壳增长速率的一个基本参数,但其年龄通常是由地表露头来推测的。“我们从地下向地表作研究,最近发现华北克拉通南缘地下老的有36亿年,地表只有28亿年,和大陆地壳形成机制相反。这对我们是个新的启示。这里,在地壳早期形成之后,又经历过一个再造过程,将原来地表的岩层再造形成新的岩层。”郑建平说:“这些长英质麻粒岩包体不仅揭示了克拉通南缘下地壳所经历的长久而又复杂的演化历史,同时证实了位于克拉通内部造山带以东的华北东部块体在36亿年前可能已经聚结。”这一发现对大陆地壳随时间的生长速率和大陆演化机制有重要意义。
中国东部扬子克拉通基底所出露的岩石主要是元古代的,很少有太古代的。过去学者普遍认为扬子是比华北更年轻的克拉通,也很少有人将二者联系起来研究。郑建平说,课题组通过对华北克拉通不同时代背景橄榄岩包体全岩的主量、微量元素和铂族元素,以及橄榄岩组成矿物透辉石的主量、微量元素进行分析,发现扬子大陆俯冲过程中,一些地幔物质进入了造山带,破坏了华北克拉通。
“研究证明,扬子克拉通最老的地方也像华北克拉通一样老,扬子克拉通有些年轻的岩石,也有太古代的物质存在,具有太古代岩石的性质,只是它经历的过程更复杂一些,而且俯冲岩石圈大陆地壳物质的影响范围仅限于接近碰撞带地区而不是整个克拉通。”郑建平说。
据郑建平介绍,通过对扬子克拉通内元古代岩石出露区3个钾镁煌斑岩火山岩所捕虏锆石的U-Pb年龄和Hf同位素综合研究表明:扬子克拉通存在广泛的未出露的太古代基底,其锆石年龄总体在28亿~29亿年和25亿~26亿年间,Hf同位素模式年龄在26亿~35亿年间。同时,这些锆石还记录着20亿年前和8亿~10亿年前的热事件,其中前者与古老地壳的再熔融作用有关,后者则显示有新生地幔物质的加入过程。
“任何一次地质变化都会发生物质和能量交换,其过程都会留下一些有用的记录。我们通过一些技术手段对岩石样品进行分析研究,了解它的来源、了解它有多古老,分析它在地下经历了什么过程,从而了解造山带地幔岩石属性及动力学意义、了解深部地壳的形成演化机制,更深入地了解地球的地质变化。”郑建平说。
与中国东部大陆的丰富研究成果相比,人们对西部岩石圈的认识还很有限。目前郑建平已把目光放在了西部天山中生代火山岩中的橄榄岩和麻粒岩捕虏体的研究,《科学时报》记者电话联系到郑建平时,他正在新疆考察,正在为搞清地球内部构造和运动学、动力学机制,将地球变成一个“水晶球”而继续努力。

华北克拉通早白垩世主要金矿集区分布。图片来自《中国科学:地球科学》杂志

克拉通(源于希腊语Kratons,意为“强度”)是地球上最古老的大陆地块,缺乏明显的火山活动和大地震,传统上被认为是稳定的。然而,位于我国境内的华北克拉通却并非如此,其形成于18亿年前,此后进入长期稳定的演化阶段,直到2亿年前,华北克拉通东部发生了大规模的火山活动和大地震,丧失了原有的稳定性。克拉通为什么会失去稳定性?这是经典板块构造理论无法解释的地质现象。针对这一难题,国家自然科学基金委员会2007年启动了“华北克拉通破坏”重大研究计划。

新闻背景

该重大研究计划以“克拉通”为核心科学问题,以观测和实验获取原始资料为先导,以地质构造、地球物理、岩石地化、实验模拟、资源环境灾害、学科集成和战略研究为布局,对华北克拉通开展了地质、地球物理和地球化学多学科综合研究。中国科学家认识到大规模的岩浆活动和构造变形只是华北克拉通演化过程中的表现形式,其实质是深部岩石圈的物质组成与物理化学性质发生了根本性转变,导致克拉通固有的稳定性遭到破坏,由此提出了“克拉通破坏”新概念。同时,他们在揭示华北克拉通破坏的时空范围和动力学机制的基础上,建立了“克拉通破坏”理论体系,使华北克拉通破坏成为全球研究热点,提升了我国固体地球科学研究的国际地位。

近日,国家自然科学奖名单公布,中国科学院地质与地球物理研究所朱日祥院士团队完成的“华北克拉通破坏”研究荣获二等奖。这一奖项,不仅是对该团队科学贡献的奖励,也是对我国诸多科学家在过去二十多年关于华北克拉通研究成果的肯定。

本期基金版将总结该重大研究计划取得的经验和突破性进展。

对于身处华北的读者,不妨了解所谓“华北克拉通破坏”,是怎么一回事儿。

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相对稳固的克拉通是与造山带相对而言

该重大研究计划项目负责人孟庆任、专家组副组长张国伟与专家组组长朱日祥在华北克拉通考察。

在太极图上,黑白两块截然分明,阴阳相生,幻化出世界万物。而在地球上,也有着两个截然不同的地质单元,相互作用,才有了我们现在看到的多彩世界,这就是克拉通与造山带。

大陆是人类生存和资源能源供给的主要场所,认识大陆演化不仅是地学最基本的科学问题,更是解决人类生存与发展的根本所在。

造山带,顾名思义,就是山脉形成的地方,一般出现在板块碰撞的边缘地带。比如雄伟的阿尔卑斯-喜马拉雅造山带,就是非洲板块、阿拉伯板块和印度板块与亚欧板块碰撞形成的。造山带内山峰林立,地震火山频发,构造活动活跃,形成了很多地球上难得一见的奇观,但也给人类造成了巨大的损失。

几十年来,人们对大陆的认识逐渐深入。上世纪60年代发展起来的板块构造理论是当今地球科学的基石,它是在“大陆漂移说”和“海底扩张说”的基础上提出来的,将人类的视野从局部拓展到全球。

而克拉通的特征与造山带相反,它相当稳定,表面相对平坦,地貌上多为平原或高原,地震火山稀少,比如稳固的成都平原。

板块构造理论成功地解释了大洋板块的形成与消亡、大陆漂移以及板块边缘为何会发生地震、岩浆活动和地壳变形等相关问题,却无法解释大陆内部发生的一系列地质现象。大陆由造山带与克拉通组成,其中克拉通占大陆表面积的50%以上,保存了地球上最完整的地质记录。因此,要充分了解大陆内部的地质现象,则必须从克拉通入手。

不仅如此,克拉通的年代还十分古老。克拉通形成的年代大多是在30多亿年前,一般在27亿年前进入稳定期。在随后的漫长岁月里,不管地球怎么变化,克拉通内部基本保持稳定,只是在边缘因板块的碰撞或离散,发生少许的变形。

与全球其他克拉通相比,位于我国境内的华北克拉通有独特的性质,吸引了全球地质学家的关注——它失去了稳定性,这被视为全球重大地质事件之一。

克拉通因其形成时间早,构造活动少,为早期铁矿的沉积提供了一个相当理想的场所,成为世界上最主要的铁矿产区。比如加拿大和澳大利亚的克拉通,就大量出产铁矿石。而中国主要的铁矿也是这一时期形成的,并主要集中于今天的主角——华北克拉通之上。但是,华北克拉通相较于世界上其他典型的克拉通,形成时间和稳定时间稍晚,就导致铁矿床的储量和品位相比世界同种类型的铁矿差了很多。

中科院院士、中科院地质与地球物理研究所研究员朱日祥向《中国科学报》记者介绍,除了少数来自地球深部的岩浆活动外,克拉通基本不发生岩石圈或地壳内部的构造变形、大规模岩浆活动和大地震。

华北克拉通东部经历上亿年破坏

然而,华北克拉通中生代以来不仅发生了大规模的构造变形和岩浆活动,还发生了一系列大地震,如1966年邢台地震、1975年海城地震、1976年唐山地震等。

克拉通是地球表面上相对稳定的构造单元,它包括了地球最外层的地壳地幔顶部的一部分,总厚度大约为150公里至200公里,作为一个整体,“漂浮”在下伏的软流圈之上。就是这样厚厚的一层,温度低,密度小,浮力大,强度高,保证了克拉通在漫长的地质演化中保持稳定。而且,这样的环境非常适合金刚石的形成。世界上主要的金刚石矿都产自克拉通,比如南非、西伯利亚的克拉通。我国的金刚石矿主要分布在华北克拉通上,比如山东蒙阴、辽宁复县等。金刚石的出现,指示克拉通的厚度达到了150公里至200公里,是克拉通存在的重要证据。

早在20世纪初,地质学家翁文灏根据我国东部晚中生代构造—岩浆活动情况,提出了“燕山运动”的概念。随后,地质学家陈国达提出了“地台活化”的观点。到上世纪90年代,中外学者基于对前人资料的研究发现,华北克拉通东部岩石圈厚度减薄了100多公里,从而提出“岩石圈减薄”或“去根”的概念。

地质上,华北克拉通的范围比地理上华北的范围要大不少,南部基本以秦岭-大别山为界;北部基本沿着内蒙古的南部边界;东部包括了辽宁和吉林南部、朝鲜;而西部,则到达了宁夏以西、内蒙古的阿拉善地区。华北克拉通相较于世界上其他克拉通,个头要小很多,甚至有人认为这不是一个典型的克拉通。以太行山为界,可分为东西两部分,华北克拉通的破坏范围主要集中在克拉通的东部。在这一地区,克拉通的厚度大大减小,从200公里减小到不到100公里。

多年来,尽管众多地球科学家围绕华北克拉通开展了多项研究,但华北克拉通稳定性丧失的时空范围和动力学机制一直是困扰地球科学家的难题。

地球没有史书,我们是怎么发现克拉通被破坏掉了呢?这个还得从上面的金刚石说起。前面提到,金刚石一般出现在稳定的克拉通地区,指示克拉通的厚度可以达到150公里至200公里。在四五亿年前,华北克拉通零星地出现了几次火山喷发,比如山东蒙阴、辽宁瓦房店等地,喷出的岩浆就是含有金刚石的金伯利岩,这是华北克拉通曾经很厚的直接证据。而大约在1.5亿年之后,华北再没有出现过这种岩石。不仅如此,华北开始变得很不稳定:火山频繁,断裂发育,构造活动十分活跃。这之后,华北克拉通的东部大量喷出玄武岩,其性质与古老的克拉通已经完全不同,在克拉通破坏最严重的时候,其厚度可能只有60公里。进入新生代以来,克拉通又有了少许的生长,到现今厚度仅有60公里至80公里。

为了解决这一难题,国家自然科学基金委员会(以下简称自然科学基金委)于2007年启动了“华北克拉通破坏”重大研究计划。历时十年,2018年1月2日,在项目结题验收会上,作为该重大研究计划指导专家组组长的朱日祥报告了项目取得的主要进展:西太平洋板块俯冲引起华北克拉通地幔不稳定流动与减压熔融,俯冲板块回转与俯冲带后撤导致岩石圈强烈伸展,从而使华北克拉通丧失了原有的稳定性,于1.25亿年前集中爆发了标志性的岩浆活动。

克拉通破坏的后果也很严重。在破坏之前,华北克拉通地质活动很微弱,十几亿年的时间内,火山、断裂活动都很稀少。破坏以后,情况就发生了很大的变化。早在2亿年前的侏罗纪,华北克拉通主体上是高原,当时青藏高原还是一片汪洋,地势上是东高西低,大河向西流。而破坏之后,华北克拉通东部就开始下沉,形成太行山横亘中央,克拉通截然变为东西两部分。而且,火山活动十分频繁,山东、辽宁、山西等地都曾有大规模火山活动,只不过至现今,火山已大都不再活动了。深部的地质活动也会在地表有响应,主要就是活动断层发育,地震多发。仅在近几十年,唐山地震、邢台地震、海城地震等,就给中国带来了沉重的灾难。而更早一些,比如康熙年间,郯城地震、三河—平谷地震,也都是造成了几十万人死亡的大灾难。这些,在华北克拉通的东部已经上演了上亿年,而且仍旧会继续下去。

“地球科学家不倦探索近百年的谜题终于解开。”朱日祥表示。

另一方面,克拉通破坏使得地壳下降,形成了多个凹陷盆地。这些盆地中形成的沉积地层,是非常好的储油层,储存了大量的石油,是中国最重要的产油区之一。

产生于中国大地的新理论

什么原因导致了华北克拉通破坏

作为一项科学探索,“华北克拉通破坏”研究计划的核心科学问题是华北克拉通破坏,其最终目标并不局限在华北克拉通本身。据朱日祥介绍,该重大研究计划立项之初就将“提升人类对大陆形成与演化的认知水平”,写进了“总体目标”之列。

到底是什么原因导致了华北克拉通的破坏?它是以什么样的方式被破坏掉的?这些问题在今天仍旧没有得到十分完美的答案。

根据地球科学学科的特点,科学家在细致周密的顶层设计下启动联合攻关。制定实施思路时,专家组提出三个阶段的总体战略部署。

华北克拉通的破坏,首先是强烈的减薄,厚度由原来的200公里变成后来的60公里至80公里,一下子少了100多公里。一种解释是,这么一大块东西直接掉下去了,掉到了更深的地幔里面去了。另外一种解释是,从地幔更深层涌上来的富含流体的物质把原来的克拉通给改造了,一部分给侵蚀掉了。不管哪种解释,都和华北克拉通所处的地质构造背景直接相关。

新京葡娱乐场网址 ,其中,第一阶段的工作为获取观测和实验数据。在观测和实验中,如何保证数据质量成为科学家最关心的问题。“为此,我们专家组进行了全程跟踪,为了促进不同项目共同研究和相互验证,专家组成员定期检查,统一观测、统一实验标准。”朱日祥表示。

曾经的华北克拉通,是四面临海:北部是古亚洲洋,南部是古秦岭洋,西部是古祁连洋,而东部就是太平洋。随着时间的推移,古亚洲洋、秦岭洋和祁连洋都消失了。这些大洋板块都俯冲到了华北克拉通的下面及周围,这些消失的板块与华北克拉通的碰撞,会对它造成很大的震动。而太平洋板块的俯冲,可能影响更大。

完成第一阶段的获取观测和实验数据后,华北克拉通破坏时空范围的问题得以解决。

大约在2亿年前左右,古太平洋开始向亚欧板块俯冲,这是对东亚地区构造环境持续影响至今的一个地质事件。那个时候,太平洋俯冲的位置比现在要靠近亚洲大陆,日本列岛尚未从亚欧板块分离出去,中国的东部直接暴露在俯冲活动影响的最前缘。当时整个中国东部,火山频发,地震众多,一如今天的日本。后来,日本海形成,俯冲前缘后撤,中国东部的地质活动才有所缓和。

此后,科学家在第二阶段完成了华北克拉通破坏历史、破坏方式与机制以及克拉通破坏与资源能源的相关性等问题的探索。

华北克拉通周边的俯冲活动带下去了许多的流体,这些流体就像润滑剂一样,使得克拉通比较容易遭受破坏,逐渐变薄,继而被破坏。但是,变薄的范围基本局限在克拉通的东部,即太行山以东,而以西地区变化则不明显。

第三阶段为集成升华阶段,科学家们在揭开华北克拉通破坏之谜的同时,进一步总结出全球克拉通演化的规律。

延伸阅读

“通过全球对比研究发现,大洋板块俯冲、回转、在地幔过渡带滞留是导致克拉通破坏的普遍机制。”朱日祥在结题会议报告中指出。例如,位于北美洲的怀俄明克拉通受到东太平洋板块俯冲而发生局部破坏,位于非洲的卡普瓦尔克拉通因没有板块俯冲而未被破坏。

拼图中国

基于上述发现,中国科学家提出了“克拉通破坏”的新理论——岩石圈地幔物质组成与物理化学性质发生了根本性的转变。这一认识揭示了华北克拉通稳定性丧失的本质和科学内涵,改变了古老克拉通“一成不变”的传统观念。

我国的陆地面积有960万平方公里,平原、高原,丘陵、山地,各种地貌景观十分齐备,这得益于我国复杂的地质构造演化史。

在该重大研究计划支持下,参与科研人员获国家自然科学奖和科技进步奖二等奖共6项。该重大研究计划的实施,使“华北克拉通破坏”成为全球大陆演化与动力学研究的热点,中国科学家在此领域发挥了引领作用,显著提升了我国固体地球科学研究的国际学术地位。

我国大陆主要由三块克拉通组成,分别是华北克拉通、扬子克拉通和塔里木克拉通。其中,扬子克拉通主要包括四川、湖北、贵州以及云南东部、江苏和安徽南部地区,而塔里木克拉通主体就是塔里木盆地。在历史上,这几块区域曾经相距甚远,隔着大洋,甚至分属南北半球。大约从4亿年前开始,这几块陆地逐渐汇聚,拼合成中国的主体,这一过程大约持续了一亿年。在华北和塔里木的北边,存在着广阔的古亚洲洋,也是大约在这一时间闭合的。

在汤森路透—中科院联合发布的《2014研究前沿》和《2015研究前沿》中,“克拉通破坏”连续两年均为全球地学领域十大热点。国际同行认为,这一由中国科学家提出、在中国大地上产生的新概念、新理论对于发展板块构造理论、完善大陆形成与演化理论体系具有重要意义。

在更早些时候,大约10亿年前,广大的华南地区,即浙江、湖南及其以南的地区,被称为华夏古陆,拼合到了扬子克拉通之上,一起组成了今天中国版图上的南方和西南地区。而青藏高原就更为复杂一些,其实可以看作是由好几个大岛组成的,最后一块就是南来的印度板块。

据统计,该重大研究计划设立了33个地质、地球物理和岩石地化类项目,持续在华北克拉通及邻区全面开展地质考察、岩石采样和地球化学实验及深部结构探测。

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