華北克拉通及周邊伸展構(gòu)造研究的進(jìn)展與問(wèn)題

華北克拉通及周邊伸展構(gòu)造研究的進(jìn)展與問(wèn)題

華北克拉通是世界上罕見的古巖和中生代巖石圈的聚集，受到強(qiáng)烈破壞，減少了巖石圈的數(shù)量。這些破壞和減薄伴隨著一系列強(qiáng)烈的構(gòu)造作用、巖漿作用、成礦大爆發(fā)及大型盆地的形成,在全球極為少見,多年來(lái)一直是中國(guó)地球科學(xué)研究的熱點(diǎn),并引起國(guó)際地質(zhì)學(xué)界的廣泛關(guān)注。目前,有關(guān)華北克拉通中生代巖石圈及地殼減薄的研究主要基于巖石學(xué)、地球化學(xué)的分析和少量的地球物理模擬。這些研究為巖石圈及地殼減薄提供了諸多證據(jù),但對(duì)一些關(guān)鍵問(wèn)題(如減薄的時(shí)限、機(jī)制及動(dòng)力學(xué)背景)的認(rèn)識(shí)還有差異。另外,巖石地球化學(xué)和地球物理很好地揭示了克拉通破壞和巖石圈減薄的深部地質(zhì)作用,但對(duì)地殼淺部的響應(yīng)論述較少。目前所討論的減薄多是巖石圈尺度(主要是巖石圈地幔)物質(zhì)方面的減薄,而地殼內(nèi)部的構(gòu)造變形減薄(如伸展減薄)的作用和貢獻(xiàn)則未加考慮。這勢(shì)必限制了對(duì)巖石圈及地殼增厚、減薄過(guò)程和機(jī)制的全面認(rèn)識(shí)。實(shí)際上,巖石圈地幔減薄和中—上地殼伸展減薄是巖石圈破壞過(guò)程的2種重要表現(xiàn)方式,地殼減薄是巖石圈深部破壞在淺部的重要響應(yīng),也是克拉通破壞在淺部的直接表現(xiàn)。伸展構(gòu)造變形可能是導(dǎo)致地殼減薄的一個(gè)重要因素。以變質(zhì)核雜巖為窗口,直接研究華北地塊中不同層次的巖石變形特征和構(gòu)造演化過(guò)程是揭開克拉通破壞、巖石圈減薄及地殼響應(yīng)之謎的重要途徑之一。因此,在華北克拉通破壞、巖石圈及地殼減薄,特別是中淺層地殼響應(yīng)的研究中,加強(qiáng)構(gòu)造研究十分必要。只有通過(guò)巖石學(xué)、地球化學(xué)、地球物理學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等多種學(xué)科的聯(lián)合攻關(guān),才能逐步建立真實(shí)的巖石圈減薄的地質(zhì)模型。華北及中國(guó)東部中生代構(gòu)造體制轉(zhuǎn)折的研究就為探討華北克拉通破壞和巖石圈減薄提供了很好的構(gòu)造信息。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)與巖石圈減薄直接相關(guān)的中生代伸展構(gòu)造的系統(tǒng)研究更具有重要意義。本文試圖在分析華北克拉通破壞和巖石圈減薄的研究現(xiàn)狀和存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上,總結(jié)近十幾年來(lái)以華北變質(zhì)核雜巖為代表的伸展構(gòu)造研究的進(jìn)展和存在的問(wèn)題,提出進(jìn)一步研究的幾個(gè)重要方面,探討伸展構(gòu)造在研究華北克拉通破壞和巖石圈減薄中的意義。1巖石圈減薄的機(jī)制探討目前,有關(guān)華北克拉通中生代巖石圈及地殼減薄已經(jīng)從巖石學(xué)、地球化學(xué)和地球物理學(xué)角度進(jìn)行了研究。隨著研究的深入,在揭示巖石圈及地殼增厚與減薄的過(guò)程中,對(duì)很多關(guān)鍵的問(wèn)題還在激烈地爭(zhēng)論。對(duì)巖石圈及地殼減薄的時(shí)限沒有統(tǒng)一意見。多數(shù)學(xué)者依據(jù)中生代火成巖的時(shí)空分布,認(rèn)為減薄的時(shí)間大致在中生代—新生代,減薄峰期傾向于130~110Ma。但對(duì)減薄的開始時(shí)間認(rèn)識(shí)不一致,是188~185Ma、160Ma、159Ma、155Ma、160~140Ma,還是154~140Ma?有的學(xué)者甚至認(rèn)為是晚三疊世,也有人認(rèn)為最早在100Ma,峰期在65Ma之后。對(duì)巖石圈及地殼減薄的機(jī)制爭(zhēng)論很大。巖石圈地幔的拆沉、下地殼的拆沉或去根過(guò)程一直被認(rèn)為是巖石圈減薄的主要機(jī)制,即是一種物理過(guò)程。但是,有人提出質(zhì)疑,認(rèn)為巖石圈減薄是軟流圈熱侵蝕(包括化學(xué)侵蝕和熱機(jī)械侵蝕)或“地幔置換”或轉(zhuǎn)型的結(jié)果,也許是以“蘑菇云”模式熱侵蝕。這些模型主要考慮了深部地質(zhì)(巖漿)作用,而對(duì)淺部的響應(yīng),特別是淺部的構(gòu)造變形作用考慮相對(duì)較少。如何將深部過(guò)程與淺部響應(yīng)有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)探討巖石圈減薄是今后應(yīng)加強(qiáng)研究的內(nèi)容。對(duì)減薄的原因和地球動(dòng)力學(xué)背景更是眾說(shuō)紛紜。已經(jīng)提出的假說(shuō)有:太平洋板塊俯沖遠(yuǎn)程效應(yīng);揚(yáng)子和華北板塊拼合的影響;岡瓦納超大陸裂解與亞洲增生作用;揚(yáng)子、華北地塊和西伯利亞之間碰撞-構(gòu)造底墊作用;華北地塊北部、東部和南部三向俯沖導(dǎo)致的流體作用造成地幔軟化模式。上述模式主要基于伸展減薄區(qū)域邊界的動(dòng)力學(xué)條件,較少考慮伸展減薄區(qū)內(nèi)的深部和淺部的構(gòu)造特征及其動(dòng)力學(xué)特征。另一個(gè)激烈爭(zhēng)論的問(wèn)題是華北地塊的地殼有無(wú)增厚。一些學(xué)者根據(jù)對(duì)埃達(dá)克質(zhì)巖石的研究認(rèn)為地殼有加厚并存在古高原,有些學(xué)者認(rèn)為有多次加厚。但也有學(xué)者指出,埃達(dá)克質(zhì)巖石形成的壓力變化范圍很大,不一定指示地殼加厚,甚至有人從巖漿混合的角度解釋埃達(dá)克質(zhì)巖石的形成,認(rèn)為其不需要很高的壓力和加厚的地殼。沒有增厚,就沒有伸展垮塌。這涉及到華北巖石圈減薄是主動(dòng)還是被動(dòng)機(jī)制的問(wèn)題。2拉伸構(gòu)造的研究進(jìn)展自Artemjeve等(1971)提出的巖石圈伸展模式和McKenzie的修改模式建立以來(lái),特別是北美科迪勒拉大型低角度正斷層的確立,對(duì)伸展構(gòu)造研究得到了重視[46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58],在全球確立了一些典型的地殼伸展區(qū),如北美科迪勒拉山區(qū)[53,59,60,61,62,63]。然而,盡管對(duì)伸展構(gòu)造方面的研究較多,但由此進(jìn)一步探討地殼減薄的研究甚少,尤其是將地殼減薄與巖石圈深部過(guò)程相聯(lián)系更不多見。中國(guó)在以變質(zhì)核雜巖為代表的伸展構(gòu)造研究中也取得了重要成果[66,67,68,69,70,71,72,73,74],華北及周邊(北緣)是中國(guó)最為典型的伸展構(gòu)造發(fā)育地區(qū),發(fā)育一系列變質(zhì)核雜巖,可與北美科迪勒拉媲美。它們可能是中生代華北克拉通破壞(巖石圈減薄)的淺部表現(xiàn)和響應(yīng)。近十幾年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這些伸展構(gòu)造開展了研究,取得了一些成果。①鑒別出一些典型的變質(zhì)核雜巖,如亞干(或亞干-翁奇海爾罕核雜巖)、太行(阜平及贊皇)、房山、云蒙山、小秦嶺、甘珠爾廟、鵲山、呼和浩特、交吉爾、醫(yī)巫閭山、遼南等變質(zhì)核雜巖,也發(fā)現(xiàn)和研究了一些與變質(zhì)核雜巖相似的穹隆等伸展構(gòu)造,如樓子店(或喀喇沁)準(zhǔn)核雜巖和陰山、魯西、大別等穹隆伸展構(gòu)造。當(dāng)然,有些報(bào)道的核雜巖是否是真正的核雜巖還有待于進(jìn)一步研究證實(shí)。②初步查清了各核雜巖的運(yùn)動(dòng)學(xué)方向和伸展指向;多數(shù)核雜巖發(fā)育主拆離帶,具有單向剪切的特點(diǎn)。其中,除了華北東南緣小秦嶺、醫(yī)巫閭山、遼南核雜巖為北西西向外,其他多為南東東—南東向。③通過(guò)糜棱巖中的單礦物Ar-Ar定年,初步確定了一些核雜巖最終形成的時(shí)間大致在130~110Ma[85,86,98,103,104,105,106]之間。④探討了變質(zhì)核雜巖形成的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)背景,如推覆加厚地殼的伸展跨塌、推覆與伸展同時(shí)同向的地殼尺度切向剪切的遞進(jìn)轉(zhuǎn)換或同時(shí)反向發(fā)育、地塊的局部旋轉(zhuǎn)、巖漿侵位。Davis等大致總結(jié)伸展(<130Ma)是在180~130Ma的地殼收縮基礎(chǔ)上發(fā)育的。Meng還認(rèn)為Mongol-Okhotsk帶碰撞后洋殼板片斷離、重力擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)了華北及北側(cè)的中生代伸展構(gòu)造。⑤鑒別出與變質(zhì)核雜巖、伸展拆離帶有關(guān)的伸展盆地。⑥認(rèn)識(shí)到變質(zhì)核雜巖指向揭示的地殼區(qū)域性極性伸展及在巖石圈減薄、拆沉中的研究意義。另外,對(duì)中、新生代正斷層系也進(jìn)行了研究。趙越等主持完成的有關(guān)燕山造山帶的重點(diǎn)基金項(xiàng)目在燕山造山帶板內(nèi)造山作用、華北北緣構(gòu)造演化方面取得了一系列新的重要成果和進(jìn)展。上述研究成果為進(jìn)一步開展華北及鄰區(qū)的伸展構(gòu)造研究奠定了良好的基礎(chǔ)。然而應(yīng)當(dāng)指出,這些研究主要側(cè)重于研究各個(gè)變質(zhì)核雜巖的幾何形態(tài)、構(gòu)造組成、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征和形成的構(gòu)造背景,而對(duì)核雜巖的剪切類型、應(yīng)變特征、發(fā)育過(guò)程和起因的研究較少,特別是對(duì)各個(gè)核雜巖之間的聯(lián)系和可能揭示的更大尺度的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特征,伸展與巖石圈、地殼減薄的關(guān)系缺乏研究和分析。如果對(duì)這些方面新的深層次問(wèn)題進(jìn)一步開展系統(tǒng)、深入的研究,不僅將提升華北伸展構(gòu)造研究的水平,而且將有助于查明巖石圈減薄的淺部響應(yīng)的表征,并對(duì)上述有關(guān)華北克拉通巖石圈及地殼減薄的時(shí)限、機(jī)制和動(dòng)力學(xué)背景等問(wèn)題的解決提供新的構(gòu)造證據(jù)。例如,增厚地殼向伸展減薄轉(zhuǎn)化的起因、地殼伸展減薄的區(qū)域運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律和方式、地殼減薄變形機(jī)制和時(shí)限、巖石圈減薄過(guò)程中的深部和淺部的互動(dòng)響應(yīng),以及伸展發(fā)育的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)背景都是值得深入研究的問(wèn)題。3在華北克拉通的擴(kuò)展中，有必要研究一些問(wèn)題以及地殼薄薄的研究意義(1)地殼拉伸減薄的構(gòu)造環(huán)境華北巖石圈及地殼伸展減薄的起因是什么?伸展機(jī)制以主動(dòng)伸展(如與重力勢(shì)能有關(guān)的增厚地殼的垮塌)還是被動(dòng)伸展(如板塊運(yùn)動(dòng)、地幔柱活動(dòng)、巖漿作用、拆沉等)為主?很多研究強(qiáng)調(diào)了中生代深部地幔巖漿作用在華北克拉通伸展減薄過(guò)程中的作用(邵濟(jì)安等,1999),即強(qiáng)調(diào)了被動(dòng)伸展。而主動(dòng)伸展起到什么作用?這方面的研究還很薄弱。通過(guò)對(duì)推覆與伸展構(gòu)造轉(zhuǎn)換機(jī)制的研究也許可以找到答案。自1993年在法國(guó)召開的“造山帶晚/后造山伸展作用”會(huì)議以來(lái),后造山伸展垮塌作用及其與造山期逆沖推覆的關(guān)系得到了國(guó)際地質(zhì)界的普遍關(guān)注。世界上典型的地殼伸展減薄區(qū)的一個(gè)重要的共同特點(diǎn)就是前期都經(jīng)歷了地殼增厚,如阿爾卑斯、亞平寧、喜馬拉雅、加里東、科迪勒拉區(qū)。之后的伸展一般歸結(jié)于地幔根的拆沉、增厚地殼的熔融(下沉物質(zhì)因升溫或軟流圈上涌)、推擠構(gòu)造力的減弱、重力垮塌、地殼流動(dòng)及地殼流變學(xué)的轉(zhuǎn)化等因素[50,60,61,117,118,119,120]。華北地塊及鄰區(qū)也不例外,中生代經(jīng)歷了早期推覆加厚和晚期伸展減薄,如北京云蒙山、內(nèi)蒙古陰山、大青山和中蒙邊界等地區(qū)。從世界各地的研究情況看,推覆方向與伸展方向有著密切的關(guān)系,或一致(圖1)或相反或兼而有之(圖2)。這種關(guān)系,特別是運(yùn)動(dòng)學(xué)聯(lián)系值得深入系統(tǒng)地研究。在中蒙邊界推覆與伸展的轉(zhuǎn)換過(guò)程中,隨著地殼的增厚,運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度由負(fù)值轉(zhuǎn)化為正值,表明推覆過(guò)程中孕育著伸展的因素,推覆與伸展是同時(shí)同向遞進(jìn)轉(zhuǎn)換的。這較為定量地論證了地殼加厚轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺箿p薄的過(guò)程。這一過(guò)程在整個(gè)華北克拉通及周邊伸展構(gòu)造發(fā)育的過(guò)程中是否具有普遍意義?后造山伸展垮塌是否有可能代表大陸巖石圈伸展減薄甚至裂解的開始?如果在華北各變質(zhì)核雜巖地區(qū)開展這方面的研究,可望獲得關(guān)于推覆與伸展構(gòu)造轉(zhuǎn)換機(jī)制和規(guī)律的認(rèn)識(shí),探討和解決增厚地殼向減薄轉(zhuǎn)化及伸展起因的問(wèn)題。(2)代克拉通北緣和南緣核雜巖的拉伸樣式關(guān)于華北克拉通各變質(zhì)核雜巖的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征已有過(guò)研究。應(yīng)該進(jìn)一步注意分析各個(gè)變質(zhì)核雜巖之間可能的成因聯(lián)系和更大尺度的伸展運(yùn)動(dòng)學(xué)及其揭示的地殼區(qū)域性伸展樣式。實(shí)際上,華北及鄰區(qū)各變質(zhì)核雜巖的伸展時(shí)間相近,而且指向(上盤運(yùn)動(dòng)指向)似乎有一定的規(guī)律,即在一定區(qū)域有一定的伸展極性,在華北及其北緣核雜巖的伸展指向多為南東東,只有在華北克拉通東緣、南緣地區(qū)(遼南及小秦嶺)核雜巖的伸展指向多為北西西,之間似乎存在一個(gè)轉(zhuǎn)換帶,大致在松遼、華北和鄂爾多斯盆地一帶(圖3),其兩側(cè)上地殼伸展指向相向,構(gòu)成了大型不對(duì)稱的“地塹式”的伸展樣式。華北克拉通在晚中生代時(shí)期的破壞和巖石圈減薄是否是在這樣的伸展樣式下進(jìn)行的?值得深入思考和研究。更值得注意的是,這些相似的變質(zhì)核雜巖及相關(guān)的伸展盆地在中國(guó)東部、蒙古東部及俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)即整個(gè)東北亞廣泛發(fā)育,構(gòu)成了全球最大的陸殼伸展地區(qū),而且這些變質(zhì)核雜巖剪切指向主體也是南東。這是否揭示了更大規(guī)模的地殼區(qū)域性極性伸展,是否暗示存在更大規(guī)模的地殼和巖石圈切向剪切或深部物質(zhì)(軟流圈)的極性流動(dòng)?它們對(duì)華北克拉通巖石圈根是否有直接的剪切破壞作用?是促成巖石圈減薄和地殼拆沉減薄的一種因素?這顯然是極具挑戰(zhàn)性的研究課題。因此,在單個(gè)的核雜巖研究的基礎(chǔ)上,從區(qū)域尺度、地殼尺度對(duì)深部與淺部伸展運(yùn)動(dòng)學(xué),特別是指向進(jìn)行系統(tǒng)的研究,有助于深入探討地殼區(qū)域性伸展的方式和機(jī)制,并深入了解華北克拉通破壞過(guò)程中的地殼響應(yīng)和過(guò)程,以及巖石圈減薄的成因。(3)極摩爾圓的計(jì)算方法韌性剪切帶為地殼中深層次巖石變形的一種主要型式。20世紀(jì)80年代大多數(shù)研究者通常用簡(jiǎn)單剪切模式分析天然剪切帶。DePaor注意到天然剪切帶的復(fù)雜情況,定義了2種一般剪切作用:次簡(jiǎn)單剪切和超簡(jiǎn)單剪切,運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度(Wn=sin2ξ,ξ為主壓應(yīng)力軸σ1與剪切帶邊界法線間的交角)可定量地分析純剪切與簡(jiǎn)單剪切組分。純剪切帶Wn=0;簡(jiǎn)單剪切帶Wn=1;一般剪切帶,0<Wn<1,正值代表減薄型剪切帶,負(fù)值代表增厚型剪切帶。DePaor同時(shí)還提出了適于分析共軸和非共軸變形的極摩爾圓。Simpson等進(jìn)一步說(shuō)明極摩爾圓如何應(yīng)用于分析一般的剪切帶。此后,Zhang等提出另外3種編制極摩爾圓的方法,基本解決了極摩爾圓的應(yīng)用問(wèn)題。因此,根據(jù)剪切帶的有限應(yīng)變橢球的取向和軸比,可確定剪切帶的類型(增厚還是減薄)和增厚或減薄的程度,為確定地殼增厚與減薄的機(jī)制提供一條有效的途徑。根據(jù)筆者在中蒙邊界地區(qū)的研究經(jīng)驗(yàn),與推覆相關(guān)的韌性剪切帶內(nèi)發(fā)育的剪切褶皺,如鞘褶皺(從理論上講,鞘褶皺可出現(xiàn)在厚度不變、運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度等于1的簡(jiǎn)單剪切帶中,但簡(jiǎn)單剪切帶的情況特殊,自然界很罕見),剪切類型為增厚型,運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度為負(fù)值。在后期的伸展作用下,剪切帶減薄而抵消了前期的增厚,形成標(biāo)志層褶皺重復(fù)而厚度大致不變的“褶疊層”,同時(shí)出現(xiàn)同向伸展褶劈理C′。根據(jù)最大有效力矩準(zhǔn)則,C′面理不可能出現(xiàn)在厚度不變、運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度等于1的簡(jiǎn)單剪切帶中,而只能出現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度小于0.94的減薄型剪切帶中。這樣,剪切褶皺和C′面理的發(fā)育可以作為判別增厚型還是減薄型剪切帶的野外標(biāo)志,為進(jìn)一步測(cè)定運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度值和地殼的減薄量提供了野外證據(jù)。另外,伸展構(gòu)造受地殼剖面中流變學(xué)不均一性的控制,不同層次間可以發(fā)生旋轉(zhuǎn),深層次的韌性減薄使伸展雜巖從深部向淺部遞進(jìn)剝露,淺層次的脆性伸展引起變質(zhì)核雜巖的最終剝露。伸展韌性剪切帶早期的共軸組構(gòu)通常為非共軸組構(gòu)疊加,表現(xiàn)出非穩(wěn)態(tài)的渦度軌跡。對(duì)這些機(jī)制的詳細(xì)研究也有助于深入認(rèn)識(shí)構(gòu)造減薄機(jī)制。中蒙邊界的亞干變質(zhì)核雜巖和內(nèi)蒙古的樓子店變質(zhì)穹隆伸展拆離帶剪切帶C′面理及運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度研究取得了良好的效果[108,135,136,137,138]。如果對(duì)華北克拉通其他變質(zhì)核雜巖系統(tǒng)開展這方面的研究,將為探討地殼減薄機(jī)制提供直接的構(gòu)造證據(jù)。(4)巖石圈減薄過(guò)程分析變質(zhì)核雜巖是地殼經(jīng)歷強(qiáng)烈伸展和減薄的標(biāo)志。目前的資料顯示,核雜巖似乎主要發(fā)育于華北北緣和南緣的造山帶中,與其他有關(guān)的巖漿巖(如埃達(dá)克巖石)的分布相似,似乎暗示最大的伸展發(fā)育于早期的造山帶中(即地殼增厚地區(qū))。這一地區(qū)是否也是巖石圈破壞和減薄的初始發(fā)育區(qū)和最大減薄區(qū)?變質(zhì)核雜巖的時(shí)空分布與巖石圈減薄的不均勻性是否有一定的耦合關(guān)系?結(jié)合其他學(xué)科的研究成果,有可能給出答案。另外,地球物理研究結(jié)果顯示,地殼和巖石圈厚度的變化幾乎一致。如果這一結(jié)果可以推測(cè)到中生代,那么,根據(jù)地殼的減薄量是否有可能推斷整個(gè)巖石圈的減薄也值得探索。近期,Lin等采用有限元數(shù)值模型模擬華北地塊巖石圈的減薄過(guò)程,結(jié)果顯示,巖石圈底部地幔熱通量的增加可導(dǎo)致大規(guī)模的巖石圈減薄,當(dāng)熱通量達(dá)到35~40mW/m2時(shí),巖石圈可從200km減薄到小于100km。而在純構(gòu)造摸式中,25%的水平伸展能產(chǎn)生小于50km的減薄。然而,該研究是二維模擬,如果考慮三維變形,25%的水平伸展可以產(chǎn)生更大規(guī)模的巖石圈減薄。況且,根據(jù)對(duì)變質(zhì)核雜巖發(fā)育區(qū)伸展量的研究,伸展長(zhǎng)度比可高達(dá)1.5~2.0。可見,伸展應(yīng)變量對(duì)于巖石圈減薄的模擬研究至關(guān)重要。如果深入研究變質(zhì)核雜巖發(fā)育的深度,并估算伸展量,就能為研究整個(gè)巖石圈、地殼伸展減薄的規(guī)模和克拉通的破壞程度提供較為準(zhǔn)確的構(gòu)造參數(shù),無(wú)疑將有利于探討地殼減薄的時(shí)空范圍和減薄的規(guī)模(即減薄量),為估算整個(gè)巖石圈的減薄量提供依據(jù)。(5)變形年齡及拉伸發(fā)育的期如上所述,根據(jù)火成巖的形成時(shí)代推斷的華北克拉通破壞和巖石圈減薄的時(shí)間很不一致。其原因是什么?如果這些火成巖都與巖石圈減薄有關(guān),那么巖石圈減薄是否是穿時(shí)的?這些問(wèn)題還不十分清楚。精確地確定該區(qū)核雜巖的活動(dòng)時(shí)限也許可以為這些問(wèn)題的解決提供新的構(gòu)造證據(jù)。迄今,在華北及周邊地區(qū)確定的變質(zhì)核雜巖有大致相同或相近的單礦物Ar-Ar年齡(130~110Ma)。一般認(rèn)為其形成于約130Ma或稍后。但是,對(duì)一些較深層次(如角閃巖相)的變形巖石而言,常用礦物(如黑云母)的Ar-Ar年齡記錄的是300℃左右的同變形冷卻年齡,并易受主期和后期熱事件的影響。而早期的變形年齡及伸展構(gòu)造是何時(shí)開始發(fā)育的并不很清楚。根據(jù)筆者對(duì)亞干變質(zhì)核雜巖中侵入拆離帶的不變形、弱變形和強(qiáng)變形花崗巖的鋯石定年,盡管130Ma或稍后為核雜巖伸展發(fā)育的峰期,但真正的韌性伸展起動(dòng)的時(shí)間可能更早,至少在150~170Ma期間[113,115,142,143]。這是否說(shuō)明華北克拉通巖石圈破壞和減薄至少在這個(gè)時(shí)期就已經(jīng)開始了?這就提出一個(gè)問(wèn)題:華北克拉通巖石圈破壞和減薄是否為一長(zhǎng)期的演化過(guò)程。如果再考慮到新生代伸展(盆地)的發(fā)育,其歷史可能長(zhǎng)達(dá)140Ma,比秘魯安第斯山長(zhǎng)達(dá)110Ma的巖石圈減薄歷史還長(zhǎng),堪稱世界上少有的長(zhǎng)時(shí)間的伸展減薄作用。如果這樣,有可能對(duì)華北及周邊伸展的歷史和發(fā)育過(guò)程有新的認(rèn)識(shí),為準(zhǔn)確限定巖石圈破壞及地殼減薄的時(shí)限提供新的構(gòu)造制約。另外,巖石圈破壞和減薄的時(shí)限(即突發(fā)短暫還是長(zhǎng)期)的正確限定將為確定破壞和減薄的機(jī)制提供約束條件。(6)巖石圈地表土地圓件的拉伸非耦合研究結(jié)果顯示,巖石圈厚度伸展量和歷史與上部地殼伸展的厚度、伸展量和歷史是可以對(duì)比的,由此可以確立大陸地殼伸展過(guò)程中巖石應(yīng)變的模式。一般而言,巖石圈減薄模式可以分為純剪模式、分布式剪切模式(distributedshearmodel)和單剪模式(圖4)。在純剪模式中,地殼、地幔伸展和減薄在空間上是一致的,在各個(gè)深度上是均勻的;在分布式模式中,巖石圈地幔減薄的分布區(qū)大于上地殼伸展區(qū),故最大的巖石圈減薄量小于純剪模式的減薄量;在單剪模式中,巖石圈減薄的最大區(qū)域偏離上地殼最大伸展區(qū)。例如,在美國(guó)西部盆嶺地區(qū),東、西部為強(qiáng)烈伸展的地區(qū),玄武巖同位素組成隨時(shí)間的變化表明,巖石圈地幔的減薄與上地殼的減薄是同時(shí)的,是一種純剪模式;而在死亡之谷(DeathValley)上地殼的伸展并沒有伴隨下部巖石圈地幔的減薄而發(fā)生,暗示巖石圈減薄與上地殼伸展是非耦合的(offset),即單剪模式(圖4)。巖石圈減薄是深部地幔作用和淺部地殼作用互動(dòng)的過(guò)程。巖石圈深部的減薄必然伴隨淺部地殼的伸展減薄。DePaolo等利用玄武巖的成因、起源限定巖石圈的厚度,利用地球化學(xué)、同位素組成及年齡的變化推斷巖石圈的厚度及其隨時(shí)間的變化,并與地殼的厚度和變化進(jìn)行了系統(tǒng)的對(duì)比,確定了美國(guó)盆嶺地區(qū)不同區(qū)域伸展發(fā)育的過(guò)程。該研究結(jié)果顯示,巖石圈地幔伸展減薄與地殼伸展減薄有對(duì)應(yīng)的規(guī)律,即軟流圈上涌造成巖石圈地幔的減薄,并導(dǎo)致上地殼伸展減薄。整個(gè)伸展過(guò)程是由東向西逐步發(fā)育的:首先(13~14Ma)一股軟流圈物質(zhì)上涌楔入巖石圈地幔,造成地幔減薄,并導(dǎo)致上部地殼向西的伸展;然后(9~11Ma)在其西部又有一股軟流圈物質(zhì)上涌,造成巖石圈地幔區(qū)域性減薄和上地殼減薄;最后(4~6Ma)在西部又有一股軟流圈物質(zhì)上涌楔入,造成同樣的結(jié)果;最終導(dǎo)致巖石圈地幔不均勻地減薄,并一一對(duì)應(yīng)于上地殼的減薄(圖5)。由此可見,深部軟流圈由東向西依次上涌的過(guò)程,最終導(dǎo)致了上地殼向西的極性伸展。這為巖石圈伸展減薄過(guò)程中深部與淺部的互動(dòng)響應(yīng)提供了良好的實(shí)例。從這一研究中可得到如下啟示:(1)巖石圈減薄是不均勻的,軟流圈可以呈楔形體進(jìn)入地幔,造成局部的強(qiáng)烈減薄;(2)巖石圈及巖石圈地幔的伸展減薄與上地殼的伸展減薄在空間上不一定嚴(yán)格對(duì)應(yīng),這取決于減薄的機(jī)制和模式。反之,這種深部和淺部伸展的時(shí)空對(duì)比研究可以為建立巖石圈伸展模式提供依據(jù)。另外,也要注意研究巖石圈地幔伸展減薄與地殼伸展減薄在時(shí)間上的先后關(guān)系,如果前者早或幾乎同時(shí),可能暗示地殼伸展減薄是巖石圈地幔伸展減薄的響應(yīng)或反映。反之,地殼伸展可能與后者無(wú)直接關(guān)系,需要探討其他成因(殼內(nèi)構(gòu)造體制的調(diào)整?)。還有,也需要注意巖石圈地幔伸展減薄與地殼伸展減薄在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面的相互關(guān)系。例如,地殼的大型對(duì)稱的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征,即純剪伸展是否暗示深部地幔也是純剪?如果地殼伸展以極性伸展即單剪(實(shí)際上是一般剪切)為主,是否揭示地幔即巖石圈也是單剪,存在深部物質(zhì)的極性流動(dòng)?可見,加強(qiáng)構(gòu)造地質(zhì)和沉積盆地的研究,確定上地殼伸展構(gòu)造的特征,并與巖石地球化學(xué)和深部地球物理研究所揭示的深部作用相結(jié)合,才能建立完整的符合實(shí)際的巖石圈伸展減薄模型。(7)巖漿作用背景及構(gòu)造背景的研究有關(guān)伸展發(fā)育的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)背景,當(dāng)前構(gòu)造界的主流觀點(diǎn)是與造山后的伸展和加厚地殼的重力失穩(wěn)跨塌有關(guān)。由于難以解釋板內(nèi)非造山環(huán)境的伸展,便出現(xiàn)了將巖漿活動(dòng)、地殼拆沉、巖石圈減薄、地幔柱等深部地質(zhì)作用作為伸展驅(qū)動(dòng)力的假說(shuō)。Ranalli認(rèn)為,巖石圈根帶的拆沉作用可以產(chǎn)生50~100MPa的水平張性差應(yīng)力,導(dǎo)致由擠壓體制向伸展體制的轉(zhuǎn)換,并驅(qū)動(dòng)大規(guī)模伸展構(gòu)造的發(fā)育。一些研究者將巖漿侵位作為變質(zhì)核雜巖發(fā)育的重要原因。在華北克拉通及中國(guó)東部發(fā)育大規(guī)模的強(qiáng)烈的巖漿作用,在地殼伸展中起到了不可忽視的作用。但是,這些巖漿作用的背景又是什么,也是需要從構(gòu)造角度探討的問(wèn)題。Meng等提出的Mongol-Okhotsk帶碰撞后的洋殼板片斷離及重力擴(kuò)展模式似乎較好地解釋了蒙古及華北北緣的伸展構(gòu)造背景。但該模式難以揭示貝加爾湖南側(cè)大量向南的伸展和更南的遼南、大別山、小秦嶺等地區(qū)向北西西的伸展,對(duì)遠(yuǎn)離Okhotsk帶的華北地區(qū)強(qiáng)烈的巖漿作用和巖石圈減薄也難以解釋。亞干、蒙古、貝加爾湖一帶的變質(zhì)核雜巖均發(fā)育于中亞造山帶內(nèi),即華北地塊之外,更遠(yuǎn)離太平洋板塊邊界。對(duì)它們的動(dòng)力學(xué)背景的研究和對(duì)比,將對(duì)華北克拉通伸展構(gòu)造動(dòng)力學(xué)背景的認(rèn)識(shí)有什么啟示?最近,Li等對(duì)華南構(gòu)造提出的平板片(flat-slab)俯沖模式是否適應(yīng)于華北克拉通?這些研究顯然具有重大的科學(xué)意義。系統(tǒng)地對(duì)比研究這些伸展構(gòu)造發(fā)育的動(dòng)力學(xué)背景,無(wú)疑可為探討華北克拉通破壞和巖石圈減薄的地球動(dòng)力學(xué)背景提供構(gòu)造依據(jù)。所有這些都凸現(xiàn)出構(gòu)造在研究華北克拉通巖石圈破壞和減薄中的重要性。查明推覆與伸展的轉(zhuǎn)換關(guān)系和伸展構(gòu)造的規(guī)模、機(jī)制、時(shí)限是解決巖石圈、地殼減薄的起因和過(guò)程的關(guān)鍵。4克拉通殼減薄的全球熱點(diǎn)問(wèn)題華北克拉通中生代巖石圈及地殼減薄已經(jīng)從巖石學(xué)、地球化學(xué)角度做了很多研究,而構(gòu)造方面的研究相對(duì)薄弱。構(gòu)造變形減薄作用是巖石圈及地殼減薄的重要方式之一。華北及鄰區(qū)發(fā)育的典型的伸展構(gòu)造(變質(zhì)核雜巖),其發(fā)育時(shí)間長(zhǎng)、規(guī)模大,為世界之罕見,為研究大陸地殼伸展/減薄提供了難得的天然實(shí)驗(yàn)室。因此,系統(tǒng)地開展以變質(zhì)核雜巖等伸展構(gòu)造為重點(diǎn)的構(gòu)造研究,從構(gòu)造角度深入了解華北克拉通巖石圈即地殼減薄的特征,對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)巖石圈和地殼減薄這一全球熱點(diǎn)問(wèn)題和解決其動(dòng)力學(xué)等關(guān)鍵問(wèn)題具有重大的理論意義,對(duì)深入了解相關(guān)能源、資源的時(shí)空分布規(guī)律和地質(zhì)背景都具有重要的實(shí)際意義。值得注意的是,對(duì)華北克拉通內(nèi)部的伸展構(gòu)造與周邊地區(qū)(如華南)乃至整個(gè)東北亞(如蒙古及貝加爾湖一帶)相同時(shí)代的伸展構(gòu)造的對(duì)比研究,將為確立規(guī)模大、歷時(shí)長(zhǎng)的大陸地殼伸展減薄研究的典型地區(qū)提供依據(jù),一系列地殼伸展減薄的解剖研究也有望提供