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【北京日报】解读“华北克拉通破坏”
2018-01-18 | 作者:转自:北京日报 | 【 】【打印】【关闭

来源:北京日报  发布日期:2018年01月17日 

 
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  贾斌

 新闻背景

  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。
  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。

  相对稳固的克拉通是与造山带相对而言

  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。

  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。

  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。

  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。

  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(25亿年)和稳定时间(18亿年)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。

  华北克拉通东部经历上亿年破坏

  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(现瓦房店市)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。

  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。

  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(6500万年)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。

  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。

  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。

  什么原因导致了华北克拉通破坏

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。


延伸阅读

  拼图中国

  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。

  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。

 
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