华北克拉通东部岩石圈破坏与幔柱的成因

温常贵，真允庆，刁　谦，陈　中，宋　涛，张艳军，乔　红

(1.中国冶金地质总局第三地质勘查院，太原 030002；2.中国冶金地质总局三局，太原 030002；3.江苏省有色金属华东地质勘查局，南京 210093；4.江苏省有色金属华东地质勘查局814队，江苏 镇江 212005)



华北克拉通东部岩石圈破坏与幔柱的成因

温常贵1，真允庆2，刁谦3，陈中4，宋涛4，张艳军1，乔红1

(1.中国冶金地质总局第三地质勘查院，太原 030002；2.中国冶金地质总局三局，太原 030002；3.江苏省有色金属华东地质勘查局，南京 210093；4.江苏省有色金属华东地质勘查局814队，江苏 镇江 212005)

摘要：华北克拉通东部是指大兴安岭—太行山重力梯度带以东的地区。该地区与东北及华南地区一样，也存在着岩石圈减薄和岩石圈破坏的现象。华北克拉通古生代与新生代的橄榄岩包体地热值分别为40 mW/m2和80 mW/m2，地热增高是岩石圈破坏的重要因素。中国东部—朝鲜半岛的GRACE卫星布格重力异常呈巨型环状展布，可能是地幔亚热柱所致。区内郯庐断裂带呈NNE向纵贯切割，最新的地震反射剖面成果反映，该断裂带以走滑为主，兼有逆冲和正断层，所组成的大型“花状”复杂断裂构造带，切穿地壳、莫霍面，直至岩石圈地幔，起到破坏岩石圈的作用。S波速成像结果证实，在苏鲁造山带下方，分布的碎块状波速扰动带延伸>300 km，应是中生代扬子板块走滑俯冲、断离、折返的产物；而在渤海湾盆地下方，下地幔也存在陡倾的破碎带，延伸>300 km，在岩石圈76 km处及其深部，S波速降低，扰动很剧烈，可能是地幔柱头部呈粗大状的反映，故可认为渤海湾盆地是由蘑菇云状的地幔柱形成。再从华北克拉通的大陆根来看，东部为A型反时针p-T轨迹麻粒岩分布，而中西部则为B型麻粒岩，这是因为东部新太古代绿岩带中赋存有科马提岩，其岩浆温度可高达1 600 ℃，如用幔柱构造模型解释成因最为合适。通过研究近年大量地震反射P波和S波层析资料，华北克拉通的东部在晚侏罗-早白垩世及新生代期间，受太平洋板块俯冲和地幔热柱上隆的相互作用，深部的地幔流体常沿构造破裂带运移，促使岩石圈拆沉，并发生热侵蚀作用，形成酸性大火成岩省(SLIP)、裂谷型盆地的广泛分布和成矿成藏作用的“大爆发”。由此认为，建立区域构造模型将有利于指导深部找矿工作。

关键词：华北克拉通东部；岩石圈破坏；太平洋板块俯冲；地幔热柱上隆；成矿成藏作用

0引言

国家自然科学基金委员会于2007年设立的“华北克拉通破坏”科研成果对华北克拉通既是岩石圈减薄的结果、又是岩石圈破坏所致的问题达成了共识，基本认为华北克拉通是目前世界上岩石圈地幔遭受强烈破坏的地区[1-8]。华北克拉通破坏的过程与机制，已成为当今国际地球科学领域的前沿问题[9]。早在20世纪50年代，陈国达院士创立的“地台活化”理论[10]就提出了克拉通破坏的问题。近年的科学文献证明，华北克拉通破坏的方式是多样的：既可能是地壳拆沉作用，也可能是热侵蚀作用；熔体-橄榄岩反应既可能是板片-地幔相互混熔的体现，也可能是不同地幔岩之间相互作用的结果；不同先存构造背景产生的破坏方式也有差异。据吴福元等研究[1-2]，世界上大多数克拉通的减薄，可能主要为地幔柱或地幔上涌的热侵蚀所致，目前还没有因地幔柱或地幔上涌使克拉通破坏的实例。北美地质情况与我国华北极为相似，认为岩石圈破坏主要因板块俯冲作用所致。然而，真允庆等[11-17]近20年来对我国东北地区、长江中下游、广东三水盆地、南海以及我国东部地区的控制成矿成藏作用的研究，均不同程度地涉及到我国华北及东部基底的不连续现象，亦即岩石圈破坏问题，认为主要是中新生代板块构造与幔柱构造相辅相成的结果。本文通过分析渤海湾盆地—鄂尔多斯盆地地震层析资料、山东沂水紫苏花岗岩的幔柱成因和郯庐断裂带对上地幔破裂的时代、华北克拉通基底不同类型麻粒岩分布等特征，以及区域P波与S波层析图像，认为华北东部地区自新太古代—古元古代就有热幔柱活动的记录，南华纪—古生代地台相对稳定，到中生代(晚侏罗-早白垩世)因板块俯冲和地幔热柱相互作用，导致华北克拉通岩石圈减薄和破坏。这种认识将会对今后深部找矿具有一定的理论指导意义。

1太平洋板块俯冲与地幔上隆破坏

和全球已知克拉通相比，华北克拉通规模要小得多，但其所处的构造位置和演化过程却较复杂。太古宙—元古宙期间，华北克拉通呈SN向的中部碰撞带，将全区分为东部陆块和西部陆块；进入古生代后，华北克拉通先后受古亚洲、特提斯洋-古太平洋、印度洋-太平洋三大动力系统控制，也就是受古亚洲构造域、特提斯构造域和太平洋构造域相互叠合、相互过渡的构造格局控制[18]。秦岭勉略缝合带和商丹缝合带的展布，可能是三叠纪期间扬子板块俯冲至华北板块之下的佐证。

笔者认同国内大部分学者认为西太平洋板块的俯冲是导致华北东部岩石圈破坏的首要构造控制因素的观点，主要依据：①区内的主要构造线方位、中新生代裂谷盆地、变质核杂岩均沿NE-NNE向展布，与西太平洋毕鸟夫带方向一致；②据中国东部晚侏罗-早白垩世岩浆活动规律，与欧亚板块受太平洋板块俯冲而产生的伸展拉张时限近似相同[19-20]；③深部地球物理探测揭示，太平洋板块的倾角由陡变缓并下插至大兴安岭—太行山一带的东部地区[21-24]；④Y.G.Xu等认为，大兴安岭—太行山SN向重力梯度带两侧的新生代玄武岩成因各有不同，东部拉张喷发时间早于西部，前者与太平洋板块俯冲有关，后者可能和印度洋板块俯冲有关[25]。

图1　华北克拉通地壳-上地幔结构揭示的深部过程示意图[3]Fig.1　Sketch showing deep processes revealed by lithosphere-upper mantle structureEW向剖面.俯冲板块与岩石圈相互作用对华北克拉通的改造；SN向剖面.华北克拉通-扬子板块拼合的残留构造痕迹

朱日祥等[3]建立了华北克拉通地壳-上地幔结构的深部过程(图1)。其中，EW向纵剖面揭示：由于太平洋板块俯冲，使岩石圈根和软流圈地幔之间相互作用，大陆边缘岩石圈厚度产生显著变化，相继滞留的板片进入下地幔，诱发了地幔的上升，地幔流体双向流动；同样，SN向剖面也显示了三叠纪扬子板块俯冲碰撞至华北板块之下的情景。

J.Huang等[26]对东亚大陆深达1 300 km的8个P波速度扰动剖面表明，太平洋板块与欧亚板块的俯冲角度自北向南逐渐变陡，西太平洋板片向西插入东亚大陆的上地幔，在上下地幔的过渡带转为近似水平。俯冲带总体呈箕状，为低速的热结构。许志琴等[27]认为，中国东部的海盆地、边缘海、陆相盆地及其火山群的形成均与西太平洋板片的箕状超俯冲有关。李兆鼐等[28]认为，西太平洋板片俯冲可能影响到大兴安岭—太行山—湘西山区一带。

杨文采等[29]研究了亚洲地区地幔S波速结构的总体特征及地幔热流体运动模型(图2)。从图2可见，S波波速负值区指示沿深大断裂常为地幔流体运动的通道，由下向上垂直运移，如遇岩石圈底部或670 km间断面，热流体可转为侧向(即水平)方向。在N20剖面(图2a)，海南省(包括南海)有直达地幔底部的岩石圈主干，为地幔热柱成因；而N50剖面(图2b)，在蒙古高原—松辽盆地的下方，S波波速负值的扰动冲破670 km岩石圈上涌至地壳，形成典型的地幔热柱构造[14]。地幔流体的上涌活动，显然对我国东部岩石圈起到了破坏作用。

2热动力作用是岩石圈破坏的重要因素

图3　华北克拉通地幔包体、地壳S波速结构和古板块构造模型图示[2-3，8]Fig.3　Sketch showing structure of mantle inclusions and crustal S-wave velocity and palaeo-plate modela.华北克拉通早古生代金伯利岩和新生代玄武岩地幔包体产出位置；b.地壳S波速度结构；c.华北克拉通东西块体拼合的碰撞-消减古板块构造模型图；TNCO.中部造山带；EB.东部块体；WB.西部块体

图4　中国东部岩石圈热状态立体示意图[31]Fig.4　Sketch showing stero-thermal state of lithosphere of east China

山东蒙阴和辽宁的复杂金伯利岩(约470 Ma)中的金刚石及其中的矿物包裹体，与新生代玄武岩幔源包体的温压不同：前者多为方辉橄榄岩，地温梯度40 mW/m2，与世界典型克拉通相似；后者常为尖晶石二辉橄榄岩，地温梯度80 mW/m2，与现代大陆裂谷类同[2](图3a)。再从贯通华北克拉通自东而西的S波速度结构(图3b)可知，东部渤海湾盆地下有2～12 km的沉积盖层，地壳薄(约30 km)、速度低，壳内高低速互层水平延展，体现了地壳的伸展、减薄及大规模韧性变形等一系列被改造的构造特征；而在西部鄂尔多斯盆地，约40 km厚平坦的分层地壳结构具有克拉通地壳特征；在中部地区，波速起伏明显，壳内有倾斜(L1)和水平(L2)展布的低速层，以及深达46 km的地壳根带，推测为陆块碰撞-拼合构造作用的痕迹[30]。朱日祥等[8]认为，L1是被西部洋壳俯冲带入的古陆壳残留体；平卧在下地壳的低速带L2，则是被东部古洋壳带入到岩石圈顶部的古陆壳，折返到下地壳的残留体。图3c揭示了华北克拉通东西块体碰撞拼合、古洋壳消减和古陆壳残留的古板块构造模型。华北克拉通自形成以来，由于经历了复杂的后续构造的改造，原始俯冲陆壳的形态发生了变化，导致俯冲残留体形态与现今俯冲板块形态产生差异。

中国东部的松辽盆地及渤海湾盆地的地表热流值为65～70 mW/m2，具有明显的热穹窿柱状体特征，温度随深度的增加而升高(图4)：渤海湾盆地在40 km深度为750～800 ℃，70 km深度为950～1 000 ℃，100 km深度可达1 200～1 300 ℃，这种热递变可能与渤海湾盆地之下(<60 km)的低速层分布有关。渤海湾盆地的热穹窿成因，亦可从北京—冲绳间壳幔结构剖面图(图5)得知：在以渤中和冲绳海槽为中心的2个地幔隆起区，渤中地幔上隆即为华北地幔亚热柱的中心所在[16，32-34]。

3华北岩石圈减薄与岩石圈破坏

华北岩石圈减薄只是华北克拉通演化的表象之一，而克拉通破坏才是其演化的实质[35]。

图5　北京—冲绳间壳幔构造结构剖面模式[35]Fig.5　Beijing-Okinama section model of crust-mantle structure and texture1.上地幔低速层(地幔岩浆)；2.软流圈；3.壳内低速层

纵贯我国东部的大兴安岭—太行山重力梯级带(NSGL)也是华北岩石圈厚度梯度带。该带以西岩石圈厚度大多达到100～120 km，甚至更厚，而在梯度带以东的厚度多为80～100 km以至更薄[36]。张旗等[37-38]按我国东部5个大火成岩省分别绘制了燕山期岩石圈减薄的时空分布图(图6)，揭示了我国东部(东北、华北及华南)地区不同时代、不同地壳、不同岩石圈减薄以及不同软流圈地幔上隆的展布情况。

华北地区的岩石圈在中生代经历了复杂的克拉通破坏演化过程：①160～170 Ma，可能由于相邻板块的挤压，使全区地壳从30～40 km增厚至50 km以上；②130～150 Ma，因软流圈地幔上涌直抵地壳底部，诱发大规模的岩浆活动(图6c)；125～130 Ma，岩石圈发生拆沉作用和热侵蚀作用，高原垮塌，促使地壳及岩石圈减薄至30～40 km；③120 Ma，地壳厚度不变，但因岩浆侵位广泛，岩石圈加厚至80～120 km，华北高原进入萎缩期，胶辽和苏鲁东部一带尚有高原残留，而河淮大范围的沉陷形成目前华北大平原的地貌(图6c)。与此同时，东北地区可能经历了2次岩石圈的减薄事件。早期(160～180 Ma)，在鄂霍茨克山脉和张广才—小兴安岭，估计岩石圈厚度>50 km和30 km左右；晚期(120～150 Ma)，大兴安岭地区地壳30～50 km，在松辽盆地下方，软流圈地幔直接与地壳接触(图6b)。而华南地区有所不同，早期(160 Ma)，华南腹地地壳厚度<30 km；晚期(120～130 Ma)，在浙闽赣地区岩石圈厚度平均35 km。2次岩石圈减薄事件存在约20 Ma的间隔，即150 Ma之前，华南腹地岩石圈减薄，而在130～150 Ma，岩石圈加厚，130 Ma以后东南沿海岩石圈又减薄，位置东移(图6d)。

张旗等[37-38]认为中国东部中生代发育大规模岩浆活动，伴随岩石圈减薄及破坏，是和东亚超级地幔热柱的活动有关。由于软流圈地幔上涌，导致榴辉岩化的下地壳和岩石圈减薄乃至消失，发展成为岩石圈的破坏。

图7　中国东部vp和vs扰动层析图像[40]Fig.7　Tomography of vp and vs of east Chinaa—d.vp波速扰动层析图像；e—h. vs波速扰动层析图像剖面为EW向；ENCC.华北克拉通东部；OR.鄂尔多斯；CaB.华夏陆块；YC.扬子克拉通

4板块俯冲与地幔上隆

L.Zhao等[39-40]采用有限频层析成像方法得到的中国东部深度>700 km地幔P波和S波速度结构(图7)显示，华夏陆块低速高导层分布的广度与深度均比华北克拉通东部大得多，这与各自花岗岩分布范围相吻合，而华夏陆块的岩浆活动要比华北东部更为剧烈。华北东部下方的低速层深度>500 km，可能相当于软流圈地幔。Y.Ai等[41]、L.Chen等[42]测试了华北克拉通地幔过渡带厚度和界面深度的分布，揭示在660 km为界面下沉区和多重界面区，与图5的高速异常吻合，推测为太平洋板块俯冲到深处的物质滞留在地幔过渡带，经地壳和地幔速度校正所致。许卫卫等发现了410 km界面的局部下沉区，其与华北中部地幔低速带关联，可能是滞留的板片物质前端进入地幔，造成局部热异常[22]。据此可认为，板块俯冲和地幔上隆是岩石圈破坏最有力的证据。

图8　华北东部地幔热柱范围、S波速度图像及S波速度成像剖面图[33,43]Fig.8　Map showing extent of mantle plume in the east part of North China and S-wave velocity image and S-wave velocity imaging section a.华北东部地幔热柱范围及地震层析剖面位置，图中黄色圈环为幔热柱范围，绿色圈环为原地幔亚热柱范围；b.S波地震层析成像反演得到的深度160 km的S波速度图像，同时显示区内断裂与活动断裂体系；c—d.高分辨率S波波速成像结果，黄色线为岩石圈底界；玫瑰红线为上地幔破碎带位置；粉红曲折线为可能的热幔柱顶面边界

杨文采等通过研究华北东部高分辨率S波地震层析成像，发现在渤海湾盆地与苏鲁超高压变质带下方有2条上地幔破碎带(据此可了解华北东部岩石圈的破坏状况)(图8b)，且在160 km深处仍有NNE向的网状断裂构造体系。在苏鲁造山带岩石圈厚76 km处有低速异常体，至3 000 km深处存在多个团块状高速体，被低速体分割或包围，总体呈上地幔破裂带，应为早中生代扬子板块俯冲、断离、折返以及晚中生代岩石圈拆沉等一系列强烈而复杂的大地构造运动的最终产物(图8d)。但在SN向剖面图(图8c)上，渤海湾盆地下方的上地幔存在陡倾斜的破碎带，延伸深度>300 km，图8中粉红色线条标示可能的上地幔热柱顶面边界。在北纬39°—42°，岩石圈>76 km的部位S波波速降低且波速扰动剧烈，在岩石圈下方波速也很剧烈，应是反映上地幔破裂及流体聚集的痕迹。波速扰动形状呈上窄(岩石圈底)下宽(300 km深度)趋势，可能是地幔柱头部呈“蘑菇状”形态的反映，这对渤海湾盆地为地幔热柱成因的认识提供了新的标识[43]。

5山东沂水紫苏花岗岩成因分析

在中国东部—朝鲜半岛GRACE卫星重力异常图(图9)中[44]，呈半环状的重力异常陡变带与我国太行山和朝鲜摩天岭隆起的地貌景观相吻合(图8a)，是华北亚幔柱构造在浅部的反映[16，45]。图9中呈NNE向的郯庐断裂纵贯其中，据地震反射剖面(图10)揭示，该断裂带是以走滑为主、兼有逆冲和正断运动分量的复杂构造带，在地壳内呈由多条主干断裂组成的花状构造，由浅至深依次切割了地表沉积层、壳内分界面、莫霍面和岩石圈地幔。其变形方式呈脆性、脆韧性和韧性逐渐过渡的规律，为岩石圈尺度的深大断裂带，亦是上地幔物质上涌的通道，在华北克拉通东部岩石圈减薄和岩石圈破坏过程中扮演了重要角色[46]。

图9　中国东部—朝鲜半岛GRACE卫星布格重力异常图[44]Fig.9　Bouguer gravity anomaly map of GRACE satellite in east China-Korean peninsula

图10　郯庐断裂带深部地震反射剖面解释结果[46]Fig.10　Interpretation map of deep seismic reflection section of Tanlu deep fault belt

真允庆等认为，由于罗迪尼亚(Rodinia)超大陆的裂解，郯庐断裂带在新太古代—古元古代时已具雏形。这可从近年对山东沂水紫苏花岗岩的研究成果得到佐证。山东沂水紫苏花岗岩分布在郯庐断裂带内，在雪山、马山、蔡峪一带形成以麻粒岩相紫苏花岗岩为中心的穹窿构造。岩体内常见麻粒岩相变质表壳岩，呈大小不等的包体[47](图11)。区内紫苏花岗岩主要有3种类型：紫苏花岗闪长岩、紫苏-石榴花岗闪长岩、紫苏奥长岩。蔡峪和火山岩体锆石SHRIMP年龄分别为(2 545±10) Ma和(2 562±14) Ma[48]；马山和雪山岩体分别为(2 532±9) Ma和(2 538±6) Ma[49]，产于岩体内的麻粒岩包体的年龄为2 572～2 585 Ma[50]。由此可见，紫苏花岗岩侵入与麻粒岩变质作用的时代基本一致。

据赵子然等[47]研究，该区产于岩浆杂岩和变质杂岩中的超铁镁质岩石具科马提岩的化学特征，但不具有鬣刺结构，表明该区区域构造背景为太古宙绿岩带。据苏尚国等研究，该区紫苏花岗岩为变质表壳岩深熔作用形成[51-53]，结合麻粒岩相经历的反时针p-T演化轨迹及变质相呈热中心分带(麻粒岩相→高角闪岩相→角闪岩相)，应为地幔热柱的产物，也是华北克拉通的热异区，导致伸展构造裂陷槽的形成，从而产生郯庐断裂带的初期轮廓，并对岩石圈起到了破坏作用。

6华北新太古代—古元古代地幔柱特征

图11　山东沂水杂岩分布地质略图(据文献[47]修编)Fig.11　Geological sketch showing distribution of Yishui complex in Shandong provicce1.条带状贫铁矿；2.北下庄变质岩组；3.林家官庄变质岩组；4.石山官庄变质岩组；5.大山中粒二长花岗岩；6.英灵山中粗粒奥长花岗岩；7.牛心官庄中粗粒奥长花岗岩-二长花岗岩；8.蔡峪中粒紫苏花岗闪长岩；9.雪山中粒紫苏花岗闪长岩；10.马山中粒二辉花岗闪长岩-花岗岩；11.辉绿岩脉；12.石英闪长岩脉；13.辉长岩；14.断层和韧性剪切带；15.样品位置及编号；16.标志岩体山峰；17.行政村镇

华北克拉通是世界上著名的古老陆块，具有3.8 Ga的漫长历史，与其他克拉通相比，构造演化更为复杂，记录了地球早期几乎所有的重大事件[54]。如2.7～2.9 Ga为华北克拉通地壳生长时期；约2.5 Ga和1.8～2.0 Ga是克拉通化和活化再改造时期，产生大量变质岩和岩浆岩，即自太古宙末从微陆块拼合(借助于板块构造)演化至古元古代早期发生裂解(借助于地幔柱构造)，经历了裂谷→俯冲→碰撞过程，可能与哥伦比亚(Columbia)超大陆的形成有关[55]。

赵国春[56]认为，华北中部的SN向造山带是典型的陆-陆碰撞带，以该带为界划分的东部陆块和西部陆块，于1.85 Ga拼合而成。西部陆块中分布有孔兹岩带，东部陆块中赋存古元古代的胶辽吉活动带(图12)。图12展示了华北克拉通基底不同构造单元变质作用的p-T轨迹特征。在华北东部陆块和阴山陆块的新太古代变质岩系，不论是低级花岗-绿岩带还是高级麻粒岩相地体，其变质作用演化均以逆时针p-T轨迹(IBC型)为特征。而古元古代的中部造山带和孔兹岩带的主体变质岩p-T轨迹均具等温降压(ITD型)顺时针演化特征。前者反映西部陆块与东部陆块于1.85 Ga发生碰撞，后者表示阴山陆块与鄂尔多斯陆块于1.95 Ga发生拼合形成西部陆块的演化过程。但在孔兹岩带的东段(大青山东坡和集宁土贵乌拉)，有少量超高温变质岩系变质作用的p-T轨迹为逆时针的演化特征，反映遭受了2次碰撞事件。东部陆块中的古元古代胶辽吉变质作用呈现“双变质带”(paired matamorphic zeme)特征：位于西北侧的北辽河群、老岭群和粉子山群的变质作用以中压顺时针p-T演化为特征；而位于东南侧的南辽河群、吉安群和荆山群的变质作用以逆时针p-T演化为特征。此外，该带的南端出露少量高压泥质麻粒岩和铁镁质麻粒岩，亦具等温减压(ITD)顺时p-T演化特征，表明胶辽吉带的形成和演化涉及俯冲或碰撞的构造过程[57]。

关于华北东部陆块新太古代基底具有IBC型逆时针p-T轨迹变质作用的地幔柱成因模式，可概括为：①在东部陆块的鞍本[58]、冀东迁西[59]、胶东沂水[47]、鲁西蒙阴[60-61]及吉南和龙等地区[62]均发现了科马提岩，后2个地区的科马提岩具典型的鬣刺结构；据太古宙绿岩带中科马提岩与玄武岩的地球化学和实验岩石学研究，I.H.Campbell等[63]提出太古宙科马提岩来源于地幔柱核部热的低黏度物质，而玄武岩来源于冷的地幔柱头部物质的部分熔融；②在绿岩带中常见有超基性的苦橄岩、基性玄武岩和酸性的英安岩、流纹质英安岩或流纹岩构成的“双峰态”火山岩组合；基性岩来源于地幔柱深部，酸性岩是地幔柱热流质对地壳底部熔融的产物；③区内出露大面积2.5～2.6 Ga的TTG深成岩体，与短期地幔柱岩浆活动事件相吻合；④东部陆块出现广泛的穹窿构造，是地幔柱地幔上涌的明显标志。由此看来，华北东部地区不仅在新太古代—古元古代就有地幔柱活动的记录，更重要的是在中生代和新生代均有地幔柱运动、地幔流体上隆的迹象[16-17]，这是华北及我国东部地区岩石圈破坏的重要原因。

图12　华北克拉通基底变质作用演化地质图(据文献[56]修改)Fig.12　Geological map of metamorphic evolution of basement of North China craton

7华北克拉通东部深部构造模型探讨

地震层析成像是利用天然地震和流动台网观测资料研究地球内部的一种反演技术，已成为研究深部构造的重要方法。本文在综合近年华北地区地震层析成像资料的基础上，建立深部构造模型，并作以下探讨。

7.1区域深部构造地球物理学信息

华北克拉通东邻西太平洋毕鸟夫俯冲带，处于东亚西太平洋巨型裂谷带中部。从大陆37°E深部300 km的P波速度EW向垂直剖面图[64-65](图13a)可知，太平洋洋壳的俯冲角度由陡变缓，直达华北东部地区的深部[28]。

图13　东亚—西太平洋地震断面、岩石圈和软流圈结构图[64-66]Fig.13　Map showing structure of east Asia-west Atlantic ocean seismic section, lithosphere and asthenospherea.37°N地震层析图像；b—c.东亚—西太平洋岩石圈和软流圈结构；1.岩石圈地壳；2.岩石圈上地幔；3.印度板块、欧亚板块、伊朗板块及青藏地块岩石圈中、下部高速块体或幔块构造；4.东亚—西太平洋岩石圈中下部高速块体或幔块构造；5.太平洋板块岩石圈中、下部高速块体或幔块构造；6.软流圈内极低速带；7.软流圈内高速块体；8.岩石圈底界面；9.软流圈底界面；10.大型逆冲断裂带或板块俯冲碰撞带；11.大型伸展断裂；12.大型走滑断裂；13.板块/块体运移方向；14.软流圈物质流动方向；M.莫霍面；EF.欧文走滑断裂带；GT.基尔塔尔逆冲断裂带；MBT.主边界逆冲断裂带；YZS.雅鲁藏布江碰撞缝合带；XF.鲜水河走滑断裂带；NQF.北秦岭伸展断裂带；TLF.郯庐走滑断裂带；JPT.日本海沟

蔡学林等利用CDSN、GSM和Geascope资料进行地震波层析成像反演时发现：自俄罗斯向南，直至印度支那半岛沿太平洋西岸的区域内，存在东西宽2 500～4 000 km、南北长12 000 km的巨型vS低速异常带，其特点是：①异常带岩石圈速度vS为4.40～4.70 km/s；②异常带岩石圈厚度小，如华北为70～73 km，华南为75～79 km，均属减薄碎块状岩石圈；③异常带软流圈厚度大，底界埋藏深，一般在300 km左右，为巨型裂谷体系的形成提供了物质及热动力条件；④软流圈vS速度最低，可将vS<4.20 km/s的地区称为软内极低速带，如南海地区的“工”字型极低速异常体；⑤软流圈内见有高速块体(图13c)，可能是岩石圈底部发生拆沉作用所致[66]。综上所述，低速异常带的存在与中、新生代的地幔热柱活动密切相关[15-16]。

7.2华北东部深部构造地球物理学信息

Y.K.Liu等通过分析地球物理层析成像结果，认为在110°—120°E，33°—44°N以及120°E的渤海湾附近为地幔隆起区[67](图14a，图14b)。Liang等利用地震反演图像勾画出一个深部热穹窿(图14c)[68]。翟明国等认为，华北中生代花岗岩-火山岩的岩浆活动区域与华北东部岩石圈减薄和破坏的范围相吻合。

图14　中国东部CT断面图及地震反演图像[68，70]Fig.14　CT section and seismic inversion image of east Chinaa.36°N(EW向)断面；b.115°E(SN向)断面；c.地震反演图像

在36°N(EW向)和115°E(SN向)的层析断面图[69-70](图14a，图14b)可以看出，华北地幔柱为明显的半球状顶冠，地幔呈柱状，已隆升到50～70 km处。在沿36°N剖面上，还可在30～50 km处见到一低速薄层向西插入太行山之下，向东插到胶辽山岭之下；而在115°E剖面上，在亚幔柱顶部(50～70 km)，有一约20 km厚的低速薄层一直插到燕山之下，将岩石圈截断，波速仅为6.1～7.6 km/s，表明具有一定的熔融性；该低速层在大别山抬升到30～50 km的浅处，于60～70 km又出现一间断的低速薄层[71]。

由于地幔具有位势差，地幔流体可穿过壳幔过渡带、中地壳向造山带之下拆离流变，一旦被倾斜剪切带切割，会被减压释荷，由此形成的深熔岩浆常沿断裂带或韧性剪切带上侵，甚至穿过浅部脆性断裂直达地表形成火山喷发。若熔浆沿构造带上侵，常以穹窿构造或变质核杂岩构造出现[32]。

7.3华北东部深部地质构造模型探讨

袁学诚[71]指出，中国东部发生岩石圈巨变，是由于软流圈物质上涌形成的蘑菇云构造对岩石圈地幔的改造而引发的重大地质事件。软流圈上涌使岩石圈地幔中新生地幔与残余地幔并存，岩石圈被激活，稳定的克拉通褶皱变形、地壳减薄、地震频发、岩浆活动活跃、地面沉降，并形成广袤的西太平洋边缘海，但岩石圈厚度并未减薄。岩石圈地幔形成的蘑菇云结构的速度与周围地区的岩石圈有明显的差异。蘑菇云地幔覆盖整个西太平洋地区，包括中国东北的东北部、华北的东部、华南东南缘、马来半岛、印尼、菲律宾等。袁学诚等[72]认为，中国东部属于中年期大陆，较重的岩石圈地幔位于较轻的软流圈之上，形成瑞雷-泰勒不稳定性岩石圈地幔，产生蘑菇云地幔构造，这正是东部岩石圈巨变(破坏)的构造动力。

路凤香等[6]提出中国东部显生宙地幔演化的“蘑菇云”模型，即热软流圈地幔物质呈“蘑菇云”状上涌，蘑菇云之间仍有古老的地幔残留体，二者多呈陡边界接触。伴随岩石圈强烈的伸展和拉张，裂谷盆地同时形成。当然，成为裂谷的软流圈地幔的上涌，并不是“整体上升”；裂谷之下>150 km的古老岩石圈根也不是“整体拆沉”，而仍有残留[73]。古老岩石圈地幔与现今岩石圈地幔的共存，表明岩石圈减薄是软流圈呈“蘑菇云”状大规模上涌的结果，是交代、置换和热侵蚀岩石圈地幔，并伴有拉伸、扩张构造而形成的大面积岩浆活动。因此，岩石圈减薄和破坏是深部的持续过程，不是短暂的突发事件。

华北克拉通在新太古代—古元古代就经历了几次构造事件，特别是该区在1 700～1 800 Ma进入伸展状态，基底抬升，产生裂陷槽(尤其东部广布的基性岩墙群和非造山岩浆岩均与地幔柱构造有关，也相当于哥伦比亚超大陆的裂解全球构造的一部分)，而后进入准地台的发展阶段[74]。

图15　中国东南部地幔流动速度立体示意图[75-76]Fig.15　Stereo-ketch of mantle flowing velocity in southeast China

不论是前寒武纪古老的地幔柱构造，还是中新生代地幔柱构造，均涉及软流圈地幔上隆的地幔动力学轨迹问题。以南海为例，在浅部中央海盆的中轴部位，莫霍面凸起，低速层呈环状展布(图15)。在上地幔350 km至下地幔2 000 km为近椭圆柱体，其直径为800～1 200 km，柱体边缘上升流动速度较慢，为1～1.5 cm/a；在柱体中心的中、下部1 000～2 000 km处，上升流动速度1.5～2.5 cm/a，上部在400～1 000 km上升速度最快，为3.0～5.5 cm/a；2 000 km以下为柱尾，其上部呈喇叭状，在2 400 km处，柱尾有加大趋势，形似箕状，至2 700 km呈缓慢上升流动态势；在2 700 km以下至核幔边界(CMB)的地幔一侧，存在高速异常体积聚成毛毯状或片状岩石圈残留物，显示出全地幔对流模式[75-76]。

华北东部既为岩石圈减薄、又是岩石圈破坏的典型地区，最明显的标志就是由壳幔同熔型花岗岩组成的酸性火成岩省(SKLP)，其成因可概括为：洋壳消减→脱水作用→地幔楔(富集型)湿熔融→玄武岩浆底侵→中下地壳部分熔融产生巨量长英质岩浆[77]，属东亚超级地幔柱地幔上隆活动的产物[37]。高山等[4]对采自辽西四合屯地区义县组底部的高镁玄武岩和鲁西费县地区碱性苦橄岩所含的橄榄石斑晶成分计算出Mg-Fe在橄榄石与岩浆之间的分配系数为0.3～0.33，表明示踪地幔源区原始岩浆形成的压力为3～4 GPa，2类玄武岩均有不同的高Fo92-93和低CaO的橄榄石捕获晶，高的Fo值与华北克拉通太古宙橄榄石相似。玄武岩中岩浆成因的橄榄石(w(CaO)>0.1%)均具高的Ni含量与Fo含量，图16表明，其与典型幔柱构造成因的夏威夷玄武岩橄榄石斑晶极为相似，属地幔柱成因。

图16　华北克拉通玄武岩的橄榄石斑晶Fo—w(NiO)图解[4]Fig.16　Fo-w(NiO) plot of olive porphyritic crystal from basalt in North China craton

陈国能等[78-79]研究地台活化认为，当太平洋板块俯冲时，由于能量转换，导致系统内部温度升高，地壳底部岩石发生部分熔融(图17a)，造成距俯冲带约800 km内岩石圈的热扰动。随着俯冲作用的加速进行，壳内温度继续升高，熔融区不断扩大，地幔流体陆续上升，对流岩浆逐步形成(图17b)。温度的逐渐升高，使固态地壳减薄、破裂、压缩、变形，随之发生活化造山(图17c)。

综上所述，华北克拉通东部的岩石圈减薄和岩石圈破坏，是与相邻板块(陆块)的俯冲碰撞，特别是与燕山期太平洋板块的俯冲促使岩石圈拆沉及热侵蚀有关。但大量地震P波和S波层析资料证实，在深部地幔柱下方2 700 km核幔边界(CMB)见有高速异常残留物，是岩石圈破坏的有力证据[80]。据此建立了华北克拉通东部岩石圈减薄和破坏是因中生代晚侏罗-早白垩世构造翘变的模式(图18)[81]，是板块俯冲和地幔柱活动相互作用的结果。

图17　板块俯冲、陆缘造山和地壳熔融构造模型(据文献[78]修改)Fig.17　Tectonic model of plate subduction, continental margin orogeny and crust meltingM1为重熔界面；玫瑰红色虚线为等温线

图18　华北克拉通东部岩石圈减薄和破坏成因[81]Fig.18　Thinning and destruction of lithosphere in east part of North China craton

8深部找藏找矿的几点建议

燕山运动期间，华北克拉通岩石圈的减薄与破坏也和我国东部一样，导致岩浆活动“大灾变”、成矿成藏作用“大爆发”。牛树银等认为，华北亚幔柱是以渤海湾盆地为中心，四周由胶东、鲁西、赞皇、阜平、张宣、丰承、翼东、辽东及朝鲜半岛的平壤、釜山等一系列的幔枝构造所组成的盆岭省[45，82]，是控制全区成矿成藏的重要因素。现仅对渤海湾盆地以及相邻的胶东和鲁西幔枝构造的深部找矿找藏工作提出建议。

(1)渤海湾盆地是由古生界、中生界及新生界组成的叠合盆地，深部赋存海相及陆相成藏的多层烃源岩层，根据幔柱(幔枝)构造控矿原理，预测将是勘查幔源CO2气藏或海相油气田的最佳场所，也是探明氦气资源的评价靶区。

(2)胜利油田CO2气藏区的火山岩中发现含金量很高(16件样品平均w(Au)=327×10-9，最高w(Au)=2 150×10-9)，而非CO2气藏区火山岩含金量较低(5件样品平均w(Au)=2.5×10-9)，其中以早白垩世辉绿岩和始新世—中新世的玄武岩w(Au)=200×10-9～2 150×10-9，这些信息均表明金的成矿作用是与地幔流体的去气作用密切相关，提供了在胜利油田内外勘查与火成岩成因有关的贵金属矿床的可能性[83]。

(3)显然，胶东金矿床是受胶东幔枝构造控制[82,84-85]，主要金矿床类型有破碎蚀变岩型(焦家型)、石英脉型(玲珑型)和角砾岩型(蓬家夼型)3类。前2类金矿床赋存在幔枝构造的山岭隆起区，成矿时代为115～126 Ma，后者分布在胶莱火山岩盆地的北缘，成矿年龄为117～128 Ma[85]。盆地内青山组火山岩K-Ar法年龄为118.6～127.5 Ma[86]，在盆地东北缘(院格庄附近)见有Sm-Nd等时线年龄120 Ma的花岗岩[87]，由此提出了在胶莱盆地的基底中寻找金矿床的地质依据。另外，据最新报道，在三山岛成矿带北部海域发现了倾向SE的2处大型金矿床，而焦家成矿带的矿床向SW侧伏，两者构成向形构造样式[88]。热液型金矿能否在向形的轴部赋存有厚大的金矿体？建议重视并予以验证。

胶东金矿液相包裹体主要成分为CO2，胜利油田的CO2气藏富含金成分，它们的形成机理均为：地幔流体(富含Au元素)形成的“紫色气体”在上升过程中，遇有不同部位或不同环境而卸载成矿。这为今后深部找矿拓宽了思路[32，83]。

(4)鲁西幔枝构造的形成时代可能为晚侏罗世，应早于胶东幔枝构造。而鲁西成矿以夕卡岩型铁矿(邯邢式)和浅成低温热液金矿为主。今后寻找夕卡岩型铁矿，应对崅峪岩体的EW和NNW向断裂交汇部位重新认识，综合找矿[89]。区域已知的平邑地区隐爆角砾岩型(以归来庄金矿为代表)和碳酸盐岩微细浸染型(以磨坊沟、梨广沟为代表)金矿的成矿年龄为160～170 Ma[90]，沂南地区铜井铜金矿床的成矿年龄为120 Ma[91]，均与胶东幔枝构造的金矿床成矿时代相似。据此，可将区域内基底泰山群、TTG岩系、元古宇变质岩系以及鲁西隆起与济阳坳陷接触部位的断裂带作为深部找金的有利部位。

从区域构造分析，济阳盆地是渤海湾盆地南缘的组成部分[92]，也是鲁西幔枝构造的外围盆地，是由古生代、中生代和新生代组成的叠合盆地，经历了燕山期和喜马拉雅期2期热事件的影响[93]，在盆地内伸展构造部位是探查CO2和海相油气田的首选地域。

9结语

(1)岩石圈尺度三维不连续(discontinuities)的再活化(reactivation)是大陆内大尺度成矿带的有利储藏空间[94]。

(2)2.5 Ga的华北克拉通由若干具有高级地体特点的微陆块组成，被绿岩带围绕焊接，其成因与地幔柱构造有关[95]。

(3)华北克拉通古元古代活动带的形成和演化，与造山运动在时间上大致耦合，证实了岩石圈整体陆块的破裂与焊接[74]。

(4)地震层析资料证实，中、新生代来自深部低速高导层的地幔流体呈“蘑菇云”状上侵，成为幔柱构造，并在2 700 km核幔边界处发现高速残留堆积体，有力地证实了岩石圈破坏。

(5)华北东部岩石圈减薄与破坏的主要动力因素是太平洋板块和幔柱构造相辅相成的结果。

(6)燕山运动的翘变促使研究区和中国东部一样，经受了多期次的构造-岩浆-地幔流体事件，往往形成多因复成矿床[96-99]，这对今后深部找矿工作具有理论指导意义。

华北东部地区在新太古代—古元古代、晚侏罗-早白垩世和新生代均有地幔柱活动的记录，它们之间的构造演化及控矿作用有待今后进一步研究。

致谢：承蒙牛树银教授和唐俊华博士对初稿进行审阅并提出修改意见，在此深表谢意。

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Lithosphere destruction and mantle plume genesis of eastern North China Craton

WEN Changgui1，ZHEN Yunqing2，DIAO Qian3，CHEN Zhong4，SONG Tao4，ZHANG Yanjun1，QIAO Hong1

(1.TheThirdGeologicalExplorationInstituteofChinaMetallurgicalGeo-exploration&EngineeringBureau，Taiyuan030002，China；2.No.3Bureau，ChinaExploration&EngineeringBureau，Taiyuan030002，China；3.EasternChinaGeological&MiningOrganizationforNon-ferrousMetalsinJiangsuProvince,Nanjing210093,China; 4.Team814,EasternChinaGeological&MiningOrganizationforNon-ferrousMetalsinJiangsuProvince，Zhenjiang212005，Jiangsu，China)

Abstract：The eastern North China Craton refers to the east region of Daxin′anling-Taihangshan gravity gradient zone, where in fact there happened lithosphere thinning and destruction as in South China and the northeast of East China. The geothermal features of Paleozoic and Cenozoic peridotite xenoliths in North China craton are 40 mW/m2 and 80 mW/m2 respectively, the increased geotherm is undoubtedly an important factor of lithosphere destruction. The Bouguer gravity anomaly of East China-Korean peninsula from GRACE appears as a giant ring which might be the sign of sub-mantle plume. Tanlu Fault Zone runs along NNE direction across the region. According to the latest deep seismic reflection profile, it is a very large flower-like complex fault zone, mainly strike-slip faults and some thrust faults and normal faults cutting the crust, Moho and subcontinental lithospheric mantle and playing a destructive role to lithosphere. The velocity tomography of S-wave has confirmed that there exists fragmental velocity disturbance zone extending over 300 km beneath the Sulu orogen, which might be caused by the slip, subduction, dispersion and exhumation inversion of Mesozoic Yangtze plate. Under the Bohai Bay, there is a steeply dipping fracture zone over 300km long in lower mantle and at 76km in lithosphere and deeper place the reduction and disturbance of S-wave velocity are both strong, which might be the reflection of thick and big plume head and Bohai bay basin can be regarded as a product formed by mushroom cloud-like plume. In the continental root of North China craton, A-type granulites with anti-clockwise p-T path are distributed in the east while the B-type granulites are in the middle and west which can be explained by mantle plume according to the fact that in the east occurs komatite whose magma is at 1 600 ℃ in Late Archean greenstone belt. The study on a lot of tomographic data of P-wave and S-wave in recent years shows that similar to the East China the eastern North China was formed by interaction of the subduction of Pacific plate and uplift of mantle plume during Late Jurassic-Early Cretaceous period and Cenozoic Era. The deep mantle fluids always migrated along structurally fractured zones and prompted the delamination of lithosphere and the thermal erosion, and caused the silicic large igneous province (SLIP), widespread rift basins and the explosive development of mineral deposits and gas/oil reservoirs. Therefore establishing regional structural model will guide the deep exploration.

Key Words：eastern north China craton；lithosphere destruction；subduction of Pacific plate；uplift of mantle plume；formation of mineral deposits and gas/oil reservoirs

收稿日期：2015-08-26；改回日期：2015-10-23；责任编辑：赵庆

作者简介：温常贵(1963—)，男，硕士，教授级高级工程师，长期从事地质与矿产勘查。

通信地址：山西省太原市三桥街39号；邮政编码：030002；E-mail：645086266@qq.com 通信作者：真允庆(1932—)，男，教授级高级工程师，长期从事地质和矿产研究工作。 江苏省镇江市朱方路，江苏省有色金属华东地勘局814队；邮政编码：212005；E-mail：zhengyunqing.1932@aliyun.com

doi：10. 6053/j. issn.1001-1412. 2016. 01. 001

中图分类号：P542.5

文献标识码：A