華北克拉通巖石圈地幔結(jié)構(gòu)與變形特征

華北克拉通巖石圈地幔結(jié)構(gòu)與變形特征

克拉通是地球上最重要的構(gòu)造單元。關(guān)于克拉通的形成、形成、發(fā)展和破壞，是認識進化中地球及其動力系統(tǒng)的有效路徑。關(guān)于克拉通的形成，有許多假設和討論，如垂直生長和水平重疊。近年來的研究表明，（1）熔渣密度小，難溶、含量低（流變性弱），厚度大（約200km）是克拉通底部巖石圈地幔的基本特征。（2）世界上最古老的材料大約有44億度。克拉通的形成與這一相當。（3）有關(guān)于克拉通破壞的觀測證據(jù)，包括克拉通邊緣的地幔侵蝕（例如南非裂谷）以及克拉通邊緣的火山板內(nèi)火山（非洲和美國）。特別值得注意的是，克拉通和北卡羅亞和北美懷俄明克拉通受到了嚴重破壞。從地球整體行為來研究克拉通,有可能提供窺測地球內(nèi)部動力學過程的新途徑.古老、穩(wěn)定的克拉通能保存地球早期動力學過程的信息,這為我們研究殼-幔分異后圈層結(jié)構(gòu)和板塊構(gòu)造體制的形成提供了條件.而被破壞(或者說活化)的克拉通,則向人們提出了新的研究命題:是地球動力系統(tǒng)的局部平衡失穩(wěn)還是全局性破壞(如大陸裂解)的前兆?華北克拉通既有被破壞的東部塊體,也有基本保持穩(wěn)定的西部塊體,可以說是研究大陸形成與演化的最佳場所.巖石學和地球化學研究獲得了華北克拉通巖石圈減薄的證據(jù),探討了巖石圈地幔性質(zhì)發(fā)生變化的物理化學可能方式.本文側(cè)重從地球物理的角度來認識華北克拉通破壞的動力學機制以及古元古代地球是否進入板塊構(gòu)造體制.1中國北方克拉通破壞下的巖石地球化學研究1.1巖石圈地潭的巖石圈地潭早在20世紀50年代,我國地質(zhì)學界在對華北克拉通構(gòu)造演化的研究中就提出了“地臺活化”的見解.近20年來,國內(nèi)外學者通過巖石學和地球化學研究,獲得了巖石圈減薄的多種實驗和觀測證據(jù)加深了對華北克拉通破壞/活化的認識.金伯利巖巖漿來自深達200km的地幔.地幔內(nèi)部在高溫、高壓及低氧逸度的環(huán)境下可以結(jié)晶出金剛石.當巖漿快速上升時攜帶了地幔捕虜體及其礦物金剛石也是被攜帶的礦物之一.對華北克拉通東部出露的早奧陶世含金剛石金伯利巖(山東蒙陰和遼寧復縣)中地幔捕虜體的研究,證明了早古生代華北東部巖石圈地幔具有典型克拉通的性質(zhì).同時,這些金伯利巖中地幔橄欖巖的高Fo(地幔橄欖巖中橄欖石的百分含量Fo越高,其組成越難熔,或者形成年齡可能越古老,或者是高程度熔體提取后的殘留體)以及Re-Os同位素定年結(jié)果,證明這些捕虜體巖石所代表的巖石圈地幔形成于太古代.然而,對中國東部新生代玄武巖及其橄欖巖包體的研究發(fā)現(xiàn),新生代巖石圈地幔的性質(zhì)不同于古生代.在巖石類型上,新生代玄武巖中的地幔橄欖巖以尖晶石二輝橄欖巖為主,與古生代金伯利巖中的橄欖巖包體表現(xiàn)為出現(xiàn)大量的石榴石和方輝橄欖巖明顯不同.在主要元素成分上,古生代橄欖巖主要表現(xiàn)為難熔的特點,表明是經(jīng)歷過較高程度熔體提取后的地幔殘留體;而新生代地幔橄欖巖則具有相對飽滿的特點,反映只經(jīng)歷過較低程度的熔體提取.從Sr-Nd-Hf同位素看,古生代華北巖石圈地幔主要表現(xiàn)為富集的特點,而新生代巖石圈地幔主要表現(xiàn)為虧損特點.對橄欖巖包體及產(chǎn)于金伯利巖的金剛石中礦物包裹體的溫壓條件研究顯示,古生代時的地熱狀況與世界上典型的克拉通相似,約為40mW/m2;而新生代時的地熱梯度上升達到80mW/m2,與裂谷構(gòu)造帶等現(xiàn)代大陸活動區(qū)類似.這些證據(jù)揭示,華北克拉通東部自古生代以來,巖石圈地幔的物理和化學性質(zhì)發(fā)生了根本改變,華北克拉通東部已經(jīng)被改造甚至發(fā)生了破壞.1.2巖石圈地表巖石學研究從地球圈層結(jié)構(gòu)形成機制來看,巖石圈地幔是在特定溫度、壓力條件下(對應大陸區(qū)域特定深度范圍)穩(wěn)定存在的特定物質(zhì)組分的集合體.如上所述,對來源于巖石圈地幔的物質(zhì)形成年齡、組分和性質(zhì)的測定,是了解不同時代克拉通巖石圈地幔性質(zhì)最基本的途徑.為了從地球深部的樣品中提取定時、定位(深度)的信息,需要不斷發(fā)展測試技術(shù),減少不確定性.在不斷獲得新測試數(shù)據(jù)的基礎上,通過研究巖石圈地幔形成條件(溫度、壓力、組分差異等)、巖漿作用、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造事件等,人們試圖認識究竟是何種地球動力學過程使華北克拉通巖石圈地幔性質(zhì)發(fā)生了變化?這是發(fā)現(xiàn)巖石圈減薄以來人們思考的主要問題.為了回答這個科學命題,不同研究者展開了對華北克拉通破壞發(fā)生的時間、巖石圈減薄的垂直幅度、克拉通破壞的空間分布、克拉通破壞方式和動力學機制等多方位的研究.Gao等人在燕山地區(qū)(遼西興隆溝)的研究獲得了下地殼和巖石圈地幔物質(zhì)進入軟流圈地幔的巖石學證據(jù),認為“拆沉作用”是巖石圈減薄的方式他們最近對華北克拉通東部帶早白堊世原始巖漿的魯西費縣堿性苦橄巖和遼西四合屯高鎂玄武巖的研究,為拆沉作用提供了進一步證據(jù).郯廬斷裂帶及其附近地區(qū)的新生代(山旺、女山)捕虜體橄欖巖是研究克拉通東部新生巖石圈地幔性質(zhì)的主要樣品郯廬斷裂被認為是巖石圈地幔內(nèi)薄弱帶.國內(nèi)外學者的相關(guān)研究,提出了軟流圈熱物質(zhì)上涌主導的熱侵蝕作用是巖石圈破壞的熱-化學/機械侵蝕方式Zhang通過分析玄武巖攜帶的橄欖石捕虜晶和輝石捕虜晶中的環(huán)帶結(jié)構(gòu),論證了地幔橄欖巖-熔體反應對巖石圈地幔改造與破壞的影響,提出多來源熔體與橄欖巖相互作用是造成巖石圈地幔性質(zhì)改變的有效途徑.巖石學和地球化學研究,獲得了許多來自地球深部樣品的直接數(shù)據(jù),探討了可能改變巖石圈地幔性質(zhì)的物理和化學過程,提出了拆沉作用、熱-化學/機械侵蝕作用、橄欖巖-熔體相互作用和機械拉張,以及進入巖石圈的水弱化模型等有關(guān)破壞方式的多種見解.2美國克拉通巖石圈的地震探測聯(lián)合研究,為區(qū)域地震勘探奠定基礎,對世界雖然上述巖石學和地球化學研究為華北克拉通破壞提供了直接證據(jù),也是目前華北克拉通破壞研究的重要領域.然而,巖石學和地球化學研究所依據(jù)的深部樣品分布存在局限和不均勻性,大大制約了從整體上對華北克拉通破壞方式和機制的認識.要尋找其動力學作用,就需要對整個華北克拉通巖石圈及其周圍的地幔流動狀態(tài)作整體和較全面的認識.地震波在地球內(nèi)部傳播的性質(zhì),確定了地震學探測地球深部結(jié)構(gòu)的獨特優(yōu)勢.從全球數(shù)字化地震臺網(wǎng)的建立到全球數(shù)據(jù)共享,進而推進到密集流動地震臺陣探測;使地震學家從對全球性大尺度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的研究,進一步深入到對許許多多復雜多樣的典型構(gòu)造域深部細結(jié)構(gòu)的探測研究.本文基于近年來獲得的華北克拉通高質(zhì)量、高分辨的地震波記錄資料,對探測剖面及相關(guān)區(qū)域下的地殼-上地幔結(jié)構(gòu)作了綜合分析研究,力圖為華北克拉通破壞研究的深化提出一些新的思考.2.1巖石圈厚度分布通過分析地震流動臺陣觀測資料給出的巖石圈-軟流圈分界面的地震成像結(jié)果,將對華北克拉通巖石圈結(jié)構(gòu)的認識,擴展到一維和二維.從山東高密到濟南巖石圈的厚度約為60～80km,太行山及其以東地區(qū)的巖石圈厚度分布為60～130km(圖1),說明現(xiàn)今華北克拉通東部沉積盆地下部巖石圈厚度發(fā)生了明顯減薄.圖1說明華北克拉通東部整體都被破壞,但巖石圈減薄存在顯著的空間差異性;這樣的深部結(jié)構(gòu)特征,暗示了華北克拉通破壞過程在整體上存在由東向西逐漸減弱的變化趨勢.2.2moho面的ppps多次波震相當?shù)卣鸩ㄍㄟ^不同速度介質(zhì)的分界面時產(chǎn)生反射和折射;其中上行入射P波在Moho面折射后的S波部分,稱為Moho面P-S轉(zhuǎn)換波.圖2和3為華北克拉通不同區(qū)域觀測的徑向接收函數(shù)疊加剖面和殼-幔界面P-S轉(zhuǎn)換波波形分析結(jié)果.在接收函數(shù)剖面(圖2),除了出現(xiàn)在4～5s處的Moho面P-S轉(zhuǎn)換波震相外,在燕山剖面(B和C)、鄂爾多斯剖面(A)和鶴壁-慶陽剖面(F)的小部分(沁水盆地東部),在約14～16s處可清晰追蹤到另一個較強震相,它們是Moho面的PpPs多次波震相.比較可以看到,在太行山剖面(D和E),郯廬-魯西剖面(G)和鶴壁-慶陽剖面(F)的大部分,Moho面的PpPs多次波震相分布不集中,振幅較小.Zheng等人通過分析研究燕山地區(qū)和太行山地區(qū)Moho面PpPs多次波波形的差異(圖3),論證了這兩個地區(qū)Moho面的PpPs多次波震相波形特征的差異是二者殼-幔過渡層結(jié)構(gòu)不同所引起的.通過比較這多條剖面的觀測資料判斷,在燕山地區(qū)和沁水盆地東部有清晰的Moho界面,與克拉通東部其他地區(qū)的殼-幔界面速度逐漸增加的結(jié)構(gòu)不同.遭受破壞的華北克拉通東部帶和中部帶,不同區(qū)域有著截然不同的地殼厚度與殼-幔邊界結(jié)構(gòu),它標志著被破壞的華北克拉通曾經(jīng)歷了不同的殼-幔相互作用過程.殼-幔邊界強烈的速度反差對應于較低速的長英質(zhì)-鎂鐵質(zhì)地殼物質(zhì)與較高速的超鎂鐵質(zhì)上地幔物質(zhì)的化學界面.由于部分下地殼和巖石圈地幔拆沉,軟流圈地幔物質(zhì)上升充填,可以形成清晰的殼-幔界面.對厚的殼-幔過渡層的成因可以有多種解釋,例如地殼巖石和地幔巖石由于底侵作用而發(fā)生混存,地幔巖的剪切變形,鎂鐵質(zhì)巖石的相變等等有清晰殼-幔界面的燕山地區(qū),地殼明顯較薄,巖石圈破壞應該以拆沉方式為主,這與Gao等人對興隆溝(燕山地區(qū))火山巖的巖石地球化學研究結(jié)果一致.而在相鄰的太行山地區(qū)有厚的地殼與殼-幔過渡層,這意味著巖漿的底侵或熱侵蝕作用是該地區(qū)巖石圈破壞的主導因素,抑或該區(qū)發(fā)生破壞的程度較為有限.在地殼和巖石圈最薄的郯廬斷裂帶,殼-幔過渡層具有與太行山地區(qū)相同的特征,也就是說沿郯廬斷裂巖石圈的破壞可能也是以底侵或熱侵蝕為主導.但考慮該區(qū)中新生代巖漿活動極為強烈,目前也不排除該區(qū)發(fā)生拆沉后,地殼底部發(fā)生大規(guī)模巖漿底侵的可能性.因此,即使在華北克拉通的東部不同部位曾經(jīng)歷的破壞方式也是不同的.2.3地潭上涌變形特征從地幔物質(zhì)的晶格排列或變形造成地震各向異性的機理,可以分析地幔現(xiàn)今的流動方向,或者早期構(gòu)造演化、地幔變形留下的記憶.華北克拉通內(nèi)部各向異性參數(shù)表現(xiàn)為劇烈的空間變化,在魯西隆起和渤海灣盆地的快軸極化方向一致趨向NW-SE方向,平行于中、新生代構(gòu)造拉張方向.在克拉通中部的太行山地區(qū),快軸方向較一致地趨向NE或NNE向,平行于本地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造走向.在兩個構(gòu)造區(qū)北部的分界處,在小于100km尺度的范圍內(nèi),快軸方向相互垂直.在華北克拉通北緣燕山地區(qū),存在一個代表垂直的各向異性對稱軸或者是各向異性礦物雜亂無章疊置的測量結(jié)果.在華北克拉通西部,快軸方向又變成NW-SE方向,快慢分量時間延遲(表示各向異性強度)達到1.8s,到西側(cè)迅速下降.對華北克拉通區(qū)域性的地震各向異性測量,暗示了地幔變形的不均勻性.地幔上涌是能夠?qū)е驴死ㄆ茐牡膭恿W因素.如果地震各向異性主要是由地幔柱作用造成,那么各向異性殘留痕跡有兩種分布圖像:一是大尺度地幔物質(zhì)垂直上涌造成橄欖巖晶體對稱軸垂直排列從而觀測不到SKS的分裂;二是快速上升的地幔柱侵蝕巖石圈底部,這種柱狀物質(zhì)從中心向外流動,于是產(chǎn)生圍繞弱各向異性的地幔柱中心的徑向分布的快波方向.郯廬斷裂帶曾是前人推測地幔柱作用的影響區(qū)域.在進行了密集地震探測的郯廬斷裂帶中段區(qū)域,橫波分裂呈現(xiàn)規(guī)律性的明顯變化,一個約40km寬的過渡帶把該區(qū)域劃分為截然不同的兩部分:東部方向為NE-SW或ENE-WSW向,而西部方向為NW-SN向(圖4).這種橫向變化明顯的橫波分裂結(jié)果說明,沿郯廬斷裂帶不存在大尺度地幔柱作用的痕跡.流動地震臺陣探測在華北克拉通東部的多條剖面下觀測到,地殼內(nèi)廣泛發(fā)育了低速夾層,標志了構(gòu)造熱事件留下的記憶.高密到濟南剖面下方巖石圈S波速度結(jié)構(gòu)成像還揭示了郯廬斷裂兩側(cè)的巖石圈結(jié)構(gòu)和性質(zhì)顯著不同,證實了郯廬斷裂是深達巖石圈地幔的構(gòu)造薄弱帶.但值得注意的是,低速夾層不存在似對稱分布或集中分布的圖像,也沒有發(fā)現(xiàn)大尺度地幔柱作用的歷史記錄.2.4華北克拉通中部上地潭過渡帶隨著地震記錄資料的積累和分析方法的改進提高了層析成像的分辨率.新的層析成像結(jié)果提供了華北克拉通及相關(guān)區(qū)域上地幔結(jié)構(gòu)的一些基本特征:(1)華北克拉通東部上下地幔過渡帶為高速體,在高速體上、下存在一些低速異常體(圖5)(2)華北克拉通西部地殼下的高速體延伸到約200km深處(圖6).接收函數(shù)疊加成像是構(gòu)建地幔過渡帶結(jié)構(gòu)的有效手段,密集臺站探測提供的精細結(jié)構(gòu)成像結(jié)果顯示,華北克拉通東部地幔過渡帶厚,中間略薄(與全球平均厚度比較),西部又稍變厚.根據(jù)410和666km間斷面形態(tài)的反相關(guān)性質(zhì),通過反演410km間斷面結(jié)構(gòu),推測華北克拉通中部(太行山和汾謂地塹)下方,是上地幔低速區(qū).華北克拉通東部下方的地幔過渡帶結(jié)構(gòu)保存了太平洋板塊俯沖物質(zhì)在過渡帶停滯的特性.華北克拉通中部上地幔的低速結(jié)構(gòu)以及橫波分裂觀測結(jié)果表明,存在局部不均勻的地幔對流狀態(tài).華北克拉通西部的高速體表明,厚的古老巖石圈根沒有被破壞.這些地震成像結(jié)果展示了華北克拉通上地幔結(jié)構(gòu)的概貌,提供了窺視深部構(gòu)造特征的圖像.綜合不同資料和分析方法得出的華北克拉通不同深度的地震成像結(jié)果,可以探討華北克拉通巖石圈周圍的地幔流動,以及克拉通巖石圈與周圍地幔相互作用的信息.我們推測,華北克拉通東部上地幔在晚中生代的流動主要是受太平洋板塊俯沖導致的大地幔楔的影響.俯沖板塊脫水、俯沖海洋巖石圈進入上地幔,并對上覆地幔造成局部擾動,使華北克拉通下方的上地幔呈現(xiàn)快速和不穩(wěn)定的流動特征不穩(wěn)定的上地幔流與華北克拉通內(nèi)部的薄弱帶(如太行山地區(qū)和郯廬斷裂帶)相互作用的結(jié)果激化了熱/化學侵蝕、與沒有被破壞的西部鄂爾多斯克拉通根相互作用的結(jié)果導致了地幔湍流的形成;鄂爾多斯盆地下方地幔則處在自西向東相對穩(wěn)定的流動狀態(tài)(圖7)巖石圈厚度劇烈變化過渡區(qū)的低速上地幔,以及一些零散分布的低速體,是地幔流動中的局部不穩(wěn)定區(qū)域.3關(guān)于其他構(gòu)造機制的研究華北克拉通破壞方式是爭論最激烈的問題,拆沉和熱侵蝕是目前最主要的兩種模型.拆沉模型的本質(zhì)是指由于重力失穩(wěn)導致的垮塌.在拆沉過程中加厚的下地殼轉(zhuǎn)變成榴輝巖,此榴輝巖與下伏的巖石圈地幔一起被拆沉進入軟流圈地幔.顯然,該模型預測的現(xiàn)今巖石圈地幔幾乎都是新生的,且?guī)r石圈減薄已涉及到地殼.熱侵蝕作用模型的基本涵義是垂直上涌軟流圈物質(zhì)的熱傳導“烘烤”會使巖石圈最底部物質(zhì)發(fā)生軟化.在軟流圈水平流動產(chǎn)生的切向剪切應力作用下,這一部分物質(zhì)就會轉(zhuǎn)變成軟流圈的一部分.這樣的剝蝕會加劇軟流圈向上伏巖石圈傳導熱的程度,從而進一步軟化巖石圈底層,導致新一輪的剝蝕,這種相互關(guān)聯(lián)的熱軟化和機械剝蝕被稱為熱-機械侵蝕;與此相伴隨還會發(fā)生巖石圈的化學侵蝕.除這兩種討論較多的模型外,還有橄欖巖-熔體相互作用、機械拉張作用、巖漿提取作用等模型.自古生代以來,發(fā)生在華北克拉通及周邊的構(gòu)造事件,諸如晚石炭世古亞洲洋向南的俯沖、三疊紀揚子與華北板塊的碰撞、中生代-新生代太平洋板塊俯沖.此外,岡瓦那超大陸裂解,地幔柱作用,甚至印度板塊同歐亞大陸的碰撞,均被列入可能導致華北克拉通破壞的動力學原因.隨著觀測和實驗數(shù)據(jù)的不斷積累,多種解釋各自的依據(jù)似乎越來越充分,矛盾也越來越尖銳.因此,需要從地質(zhì)、地球物理和地球化學綜合研究的角度,對華北克拉通破壞的方式和機制進行更深入的探討.華北克拉通破壞的特點是:(1)大范圍(整個克拉通東部);(2)巖漿活動持續(xù)時間長;(3)巖漿性質(zhì)和時空分布以及構(gòu)造特征都表現(xiàn)了多樣性和區(qū)域差異性;(4)缺乏源于核幔界面大地幔柱引起的軟流圈上涌證據(jù).因此,我們推斷華北克拉通的破壞是源于非地幔柱的地球深部動力過程.不管這種動力學過程是單一因素的還是多因素的,都會與巖石圈地幔和周圍軟流圈地幔的相互作用密切相關(guān).盡管早期周緣塊體對華北克拉通的擠壓造山作用,使地殼增厚和下地殼向榴輝巖轉(zhuǎn)化,導致局部重力失穩(wěn).但從地震學研究的角度來看,我們看到華北克拉通下部地幔流動體系的獨特之處是局部快速運動和不穩(wěn)定性以及太平洋俯沖板塊和停滯物質(zhì)與巖石圈地幔相互作用,產(chǎn)生了如圖7示意的地幔流動體系.在這一地幔流動體系中,俯沖板塊脫水使地幔弱化;俯沖板塊脫水、物質(zhì)拆離進入上地幔使地幔中的熔流體增加;對流地幔的增溫、減壓作用等,導致巖石圈部分熔融,或者誘導軟流圈來源的熔體與巖石圈地幔不斷相互作用,形成飽滿的地幔橄欖巖.巖石圈地幔破壞的方式可以是多樣性的,既可能是拆沉方式,也可能是熱侵蝕方式.譬如,郯廬斷裂帶兩側(cè)巖石圈結(jié)構(gòu)差異提供了華北克拉通活化中存在軟流圈地幔物質(zhì)上升通道的深部探測證據(jù),加之厚的殼-幔過渡帶特征,說明郯廬斷裂帶及其周邊克拉通的破壞方式是以熱侵蝕為主導的;地震探測揭示的太行山及其周邊深部結(jié)構(gòu)特征說明,該地區(qū)克拉通的破壞也是以熱侵蝕為主導的;而燕山及其周邊地區(qū)克拉通的破壞則是以拆沉方式完成的.概括來說,華北克拉通的破壞是以多種方式完成的,不同的先存構(gòu)造背景會產(chǎn)生破壞方式的相應差異.晚石炭世古亞洲洋的南向俯沖以及后續(xù)的碰撞和晚二疊世開始的揚子與華北板塊碰撞拼合,都對華北克拉通周邊巖石圈的物理化學性質(zhì)和穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定的影響,但其基本屬性并未被改變.從俯沖引起的地幔運動與巖石圈地幔相互作用的角度來說,我們認為,俯沖的太平洋板塊引起的地幔楔造就了作用于華北克拉通巖石圈的一個活躍的地幔流動體系(圖7).在太平洋板塊俯沖和華北克拉通巖石圈根被破壞過程中,俯沖板塊及其停滯于地幔轉(zhuǎn)換帶中的俯沖物質(zhì)和地幔楔的規(guī)模和位置不斷變化,使東亞大陸下方地幔對流加速和不穩(wěn)定性增強.這種流動體系不僅改變了軟流圈物性,而且促進了軟流圈沿克拉通巖石圈薄弱帶上涌(諸如郯廬斷裂和太行山區(qū))和熱侵蝕作用.因此,太平洋板塊俯沖是改變?nèi)A北克拉通巖石圈地幔性質(zhì)的重要動力學因素,華北克拉通破壞時間的峰期在130～120Ma之間的認識也進一步佐證本文結(jié)論的正確性.4關(guān)于地球早期構(gòu)造演化的地質(zhì)研究板塊構(gòu)造啟動的時間和機制是地球科學研究中懸而未決的重大問題之一.在認識板塊構(gòu)造動力學體系和研究板塊構(gòu)造地質(zhì)判別標志的同時,一個重要的研究途徑是在地質(zhì)記錄中發(fā)現(xiàn)和識別這些標志.例如古地磁極漂移,蛇綠巖、藍片巖和超高壓變質(zhì)帶,巖漿巖序列中代表消減環(huán)境的地球化學和同位素特征,俯沖作用殘留在深部的構(gòu)造痕跡等.在前寒武紀,地球的構(gòu)造運動是否也如同現(xiàn)今的板塊構(gòu)造體系?要探究這一問題,古老的克拉通是最理想的研究對象.巖石地球化學研究,特別是Nd和Hf同位素模式年齡提供的證據(jù)表明,華北地區(qū)最古老的地殼形成信息可追溯到40億年左右,25～30億年是華北地殼形成的重要時代,其峰值在28～29億年.地震學研究也揭示,在西部的鄂爾多斯盆地下,地殼結(jié)構(gòu)具有典型穩(wěn)定大陸的特點,由均勻、平行成層的上、中、下地殼組成.因此,根據(jù)這些結(jié)果,在沒有被破壞的華北克拉通西部,有可能追尋地球早期構(gòu)造和演化的信息.過去20年中,對華北不同變質(zhì)巖區(qū)(如五臺山、太行山、恒山、呂梁山、內(nèi)蒙古南部等地)開展了豐富的巖石學、地球化學、同位素地質(zhì)定年等研究.對區(qū)域構(gòu)造格局和碰撞造山過程的研究提出,在新太古代或古元古代期間,華北的東、西陸塊之間被古大洋分割;古大洋向陸塊下俯沖,導致大陸邊緣巖漿弧、島弧和弧后盆地的形成;古大洋全部俯沖消失后,陸塊碰撞拼合,最后形成了華北克拉通.對于華北克拉通拼合的時間和方式,提出了古大洋向西部陸塊下俯沖,古大洋向東部陸塊下俯沖,兩個古大洋先后俯沖等多種構(gòu)造演化模式.通過對華北克拉通北部和南部、自東向西橫跨克拉通的兩條剖面的流動地震臺陣探測,我們構(gòu)建了觀測剖面下方地殼的細結(jié)構(gòu)(圖8).北剖面探測揭示了華北克拉通北部的中部碰撞帶和西部塊體下有兩條延伸二、三百公里的低速帶(圖8(a)中的L1和L2);考慮到華北克拉通拼合的地質(zhì)學和地球化學研究結(jié)果,我們認為從近地表向西傾斜到Moho面的低速帶L1是被西部古洋殼俯沖帶入的古陸殼殘留體,平躺在下地殼的低速帶L2則是被東部古洋殼帶入到巖石圈頂部的古陸殼折返到下地殼的殘留體.華北克拉通東西塊體是在18.5億年左右碰撞拼合而成,這說明在古元古代地球就已經(jīng)具有與現(xiàn)今相類似的板塊構(gòu)造運動體制.如果我們的解釋是正確的話,應該在橫跨華北克拉通東西部的不同位置都能從深部探測中發(fā)現(xiàn)古板塊俯沖的殘留體.為此,我們在華北克拉通南部沿鶴壁-慶陽布設了另一條與北部的利津-鄂托克剖面近平行的東-西向流動地震臺陣觀測剖面(圖8(c)).雖然受觀測場地條件限制,南剖面的東、西兩端都延伸得不夠,我們依然探測到了與北部剖面相似的、從近地表向西傾斜到Moho面的低速帶(圖8(b)中的L1)在相距400多公里的兩條地震探測剖面下發(fā)現(xiàn)同樣的特征構(gòu)