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【中国科学报】“华北克拉通破坏”提升我国固体地球科学地位
2018-09-26 | 作者:转自:中国科学报 | 【 】【打印】【关闭

作者:甘晓 来源:中国科学报 发布时间:2018/9/25

  编者按 

  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。

  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。

  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。

 

该重大研究计划项目负责人孟庆任(左一)、专家组副组长张国伟(中)与专家组组长朱日祥在华北克拉通考察。

  解决百年难题 

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  “地球科学家不倦探索近百年的谜题终于解开。”朱日祥表示。

  产生于中国大地的新理论 

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  “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。

  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。

  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。

  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。

  引领世界的研究方法 

  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。

  朱日祥表示,鉴于克拉通的演化受控于地球内部状态的变化,因此需要对地球内部结构有整体的了解,而密集流动地震台阵探测是解决这一问题的有效途径。

  为此,科学家们布设了8条流动地震观测剖面,全长6500公里,观测台间距10~15公里。这是一项前所未有的大规模深部探测工程。

  通过这项观测,研究团队首次获得了华北克拉通岩石圈高分辨结构信息,确定了华北克拉通东部岩石圈薄、地壳改造强烈,是克拉通破坏区。华北克拉通西部岩石圈厚、无明显地壳改造,属于稳定区。华北克拉通中部具有过渡性的岩石圈结构,即改造区。

  为了探讨华北克拉通破坏的过程和时空变化规律,科学家采用了原创性的原位微区同位素分析和测年技术。这些新方法帮助中国科学家确定了华北克拉通破坏的峰期时间为1.25亿年前。同时,上述新方法的采用吸引了欧美等发达国家的科学家开展合作研究,开启了西方科学家学习、应用“中国方法”的新时代。

  强调多学科交叉 

  强调学科交叉也是该重大研究计划的特点之一。该重大研究计划的管理工作组由自然科学基金委地球科学部、数理科学部和信息科学部共同组成,同时充分信任指导专家组,保障研究计划的顺利实施。

  同时,在项目布局上,该重大研究计划启动之初,便安排了不同学科的研究项目。其中地球物理类研究项目13项,岩石学与地球化学类研究项目17项,地质类研究项目19项(包括构造地质类8项和资源环境灾害类11项),实验与模拟类项目7项。

  在上述项目布局的引导下,该重大研究计划实现了由多学科科学家共同承担,依靠多学科交叉综合研究与联合攻关解决核心科学问题。

  在工作机制上,该重大研究计划每年召开全国规模的学术交流会议,由在研的项目组报告最新研究结果,项目负责人与来自地质、地球物理、岩石和地球化学等不同专业的研究人员共同探讨,充分发挥多学科综合研究优势。朱日祥表示:“每次会议都有20多位科研人员作学术报告,300多人与会,学术气氛十分活跃。会上的信息和争论被带入后续研究工作,有效推进了学科融合。”

  一支高水平的研究队伍正是在学科交叉中成长起来。科研人员的研究视角不再局限于地质、地球物理、地球化学等单一学科,一批具有国际影响力的杰出科学家和进入国际科学前沿的创新团队在该重大研究计划实施过程中涌现出来。

  据不完全统计,该重大研究计划项目参加者中,目前进入美国科学信息研究所(ISI)ESI地学高引用率(被引用次数超过1000)的科学家共32人,其中20人进入全球前1000名。参加该重大研究计划的自然科学基金委优秀创新研究群体有6个。获得国家杰出青年科学基金项目资助的27人中,有17人是在承担项目期间或之后获得资助。研究计划实施期间,有6位项目负责人当选中国科学院院士。

  总之,该重大研究计划不仅培养了活跃于国际地球科学前沿的科研队伍,而且取得了一批具有重大创新的研究成果。“克拉通破坏”理论体系是中国近年最具国际影响的固体地球科学研究成果,为中国地球科学家走向全球起到引领作用。

 
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