中—新生代东北和华北的洋陆转换作用

杨文采

浙江大学地球科学学院，杭州，310058

内容提要:本文对西太平洋的洋—陆转换作用进行探讨。西太平洋洋—陆转换带在中国东部可分为华南、华北—黄海和东北3个区段。东北地区中—新生代洋—陆转换作用涉及古今太平洋板块和蒙古—鄂霍茨克洋板块两方面俯冲作用的影响，产生大面积中基性岩浆和火山活动，从侏罗纪一直延伸到现在。不同于东北和华南地区，华北—黄海有克拉通型的岩石圈，在晚侏罗世—新近纪因为太平洋板块的大角度旋转造成软流圈低黏度物质上涌，和地壳拉张与幔源岩浆的底侵，造成上地壳裂谷型沉积盆地。燕山地区在侏罗纪与东北地区类似，有强烈的软流圈上涌和岩石圈岩石部分熔融，产生强烈岩浆活动。在白垩纪到新生代，因为蒙古—鄂霍茨克洋闭合和太平洋板块大角度旋转，发生沿蒙古—鄂霍茨克洋的转换断层的拉张，产生从南蒙古过锡林浩特的NW向玄武质岩浆和火山带。洋—陆转换带不同区段有不同的动力学作用演化过程，与先期岩石圈的性质、大洋板块俯冲带的分布、方向变化和俯冲持续时间、以及后期俯冲带后撤作用都有密切关系。洋—陆转换作用的统一后果是大陆的增生，但是不同区段大陆增生和物质运动的模式是不一样的。

洋—陆转换作用涉及整个上地幔的物质运动，要根据来自地幔调查的地球物理资料了解东亚沿太平洋地区的演化作用过程。上文讨论了闽浙火山岩带的形成演化过程和动力学作用(杨文采，2022)，本文继续对中—新生代东北和华北的洋—陆转换作用进行探讨。由于北方地区地壳上地幔的组成结构不同，东北、华北和闽浙火山岩带的洋—陆转换作用有较大的区别，在现今地壳上地幔的属性上留下有明显区别的刻痕，为洋—陆转换作用不同模式的研究提供了可靠的依据。

1 西太平洋洋—陆转换带地壳—上地幔概况

东亚北部东邻西太平洋洋—陆转换带(池际尚，1988；李四光，1999；万天丰，2004；Warren,2009)，其构造简图(Parfenov et al.,2009)见图1a。由此可见，东亚北部包括西伯利亚和华北两个克拉通，以及佳木斯、阿穆尔(Warren称为额尔古纳)、锡林浩特等几个小克拉通地体。图1b为这些地体的年龄测定结果，佳木斯地体的年龄为2000 Ma以上、阿穆尔和锡林浩特地体的年龄都在1600 Ma以上。阿穆尔地体西北边为蒙古—鄂霍茨克洋封闭形成的缝合带，封闭的时间大约是白垩纪初。在阿穆尔地体的东南边为南蒙岛弧带，连通大兴安岭地区，大面积出露火山岩。南蒙岛弧带的东边为佳木斯克拉通地体，南边为锡林浩特地体。锡林浩特地体南边为索伦—西拉木伦河缝合带，它是290～260 Ma前古亚洲洋闭合时形成的。

图1 西太平洋洋—陆转换带北段构造简图(a)、东北地区的老地体年龄测定数据(b)以及西太平洋的洋岛链及其两次方向旋转变化示意图(c)Fig.1 Simplified tectonic map of the ocean—continent transition zone on the western Pacific (a);age dating of the craton blocks (b);and the twice plate rotations of the Pacific Ocean indicated by island chains (c)

洋—陆转换带是同时具有大洋和大陆岩石圈的上地幔的空间。东北地区大陆的东边是日本海、鄂霍茨克海和日本列岛，中—新生代影响洋—陆转换带演化的主要地质作用包括古今太平洋板块的俯冲和蒙古—鄂霍茨克洋板块的俯冲。根据古地磁测定和西太平洋岛链的年龄数据 (Dott and Batten,1989;King,2001;Jolivet and Hataf,2001;Stern,2002;万天丰，2004) 可知，在中—新生代古今太平洋板块的运动方向发生两次大角度的方向变化(图1c)。在125 Ma前向东亚大陆俯冲的是伊佐奈崎大洋板块，伊佐奈崎大洋板块板块向东南方向运动。在125～120 Ma伊佐奈崎板块全部俯冲进入地下，而太平洋板块扩展到东亚大陆边缘，这时太平洋板块运动方向顺时针旋转了80°，对大陆造成NW30°的俯冲，称为主旋转前期作用。此后太平洋板块继续顺时针旋转了45°，在～100 Ma时转为向北运动(图1c)。此时，太平洋板块已经放松了对东亚大陆的挤压，不再向东亚大陆俯冲，东亚大陆边缘的动力学运动转换为走滑。从125～100 Ma大平洋板块的顺时针旋转统称为主旋转作用。直到大约50 Ma时,太平洋板块的运动方向又发生一次逆时针旋转，旋转角度大约为45°。这次动力学作用重现了大洋板块对东亚大陆的俯冲和挤压，称为逆时针后反转。大洋板块的运动发生两次大角度的旋转，对东亚大陆东部地壳和上地幔的演化产生了重要影响。由于大洋板块的运动发生的两次大角度旋转，都发生在直角坐标系的北西象限，旋转的力矩北方大于南方。因此，主旋转作用产生的地壳拉张在华北发生大陆裂谷带，而在南方(例如浙江东部；杨文采，2022)仅仅发育地壳裂隙带。从郯庐断裂带南窄北宽的形态，就可以看出地壳拉张强度从南向北的变化。

由于西太平洋俯冲的多期动力学作用，洋—陆转换带的上地幔出现以下结构特征：① 伊佐奈崎大洋岩石圈俯冲到上地幔底部形成高速层；② 太平洋板块向东亚大陆的俯冲，在软流圈发生高温流体大面积上涌；③ 高温流体大面积上涌使岩石圈和地壳明显减薄，但是减薄程度很不均匀；④ 中—新生代在局部出现有俯冲带后撤，形成一组NNE向岩石圈构造带。

2 东北地区的洋—陆转换作用

在本文中东北地区包含内蒙古东部，有新生代玄武岩的广泛分布 (图2a；李四光等，1999；杨文采等，2022)。由图可见，新生代玄武岩分布在4个带：长白山带、佳木斯地体西缘带、大兴安岭带和锡林浩特—燕山带。通常，新生代玄武岩分布带的岩石圈温度高和流体含量高，可能还有岩浆房分布。图2b为锡林浩特及相邻地区地质简图(Zhang Shihong et al.,2014)，可见新生代玄武岩从南蒙古到赤峰呈NW—SE向大面积展布。在图3a的地质简图还可见，中生代花岗岩在东北地区也广泛分布，尤其是在长白山带和大兴安岭。火山岩和花岗岩的广泛分布表明，中—新生代太平洋和蒙古—鄂霍茨克洋的俯冲给东北地区的地壳地幔造成大体积的岩浆活动。

图2 东北地区新生代玄武岩分布图(a)、锡林浩特地区及邻区地质简图(b，位置见图a内带锯齿的方框,新生代玄武岩以蓝色图标标记)和纬度43°～37°N的地震P波速度东西向剖面图(c)Fig.2 Distribution of Cenozoic basalt rocks (a);simplified geologic map of Hilinhot block and surronding areas (b);and seismic P-wave velocity profiles along latitude 43°～37°N(c)

图3 东北地区地质图和深反射剖面位置图(a)、深反射剖面西半段剖面图(b)以及东北地区地震S波速度扰动平面图(c ：c1深度10 km;c2:深度25 km;c3:深度50 km)Fig.3 Geologic map of Northeast China and position of the deep seismic reflection profile (a);the west part of the seismic profile (b);and S-wave velocity disturbance maps at depth of 10 km (c1),25 km (c2) and 50 km (c3) respectively

图2c、d 为纬度43°N～37°N的地震P波速度东西向剖面图，深度达到下地幔(Huang Jinli and Zhao Dapeng,2006；Li Chang et al.,2006；杨文采等，2007；杨文采，2009)。由此可见，所有剖面上，伊佐奈崎板块大洋岩石圈都俯冲到上地幔底部形成高速层。在东北它俯冲到双辽盆地下方，没有达到大兴安岭。说明大兴安岭和锡林浩特的岩石圈玄武质火山链与古今太平洋俯冲没有直接关系，应该与蒙古—鄂霍茨克洋板块的俯冲有关(Jahn，2004)。在东亚大陆的软流圈对应有3个低波速度异常带，在剖面上用I～III标记，东面的I～II带指示古今太平洋板块俯冲造成的软流圈流体上涌，地面上有长白山火山带。位于大兴安岭和锡林浩特下面的低波速度异常III带的深度大，表明软流圈上涌不激烈；与东面的II带分离，也说明大兴安岭和锡林浩特的岩石圈玄武质火山链与古今太平洋俯冲没有关系。低地震波速异常III带与对应的地面玄武质火山链，其形成的动力学作用要用更精细的调查数据来分析。

过东北有一条深度反射剖面,即满洲里—绥芬河地学断面，位置图标在图3a的东北地区地质图上。此深反射剖面西半段剖面图表示在图3b，穿过大兴安岭和双辽盆地。由图中的箭头所示，在大兴安岭下方的岩石圈地幔中，有明显的反映融体上涌的拱弧形地震构造(杨文采等，2005；Yang Wencai et al.，2006)。由于岩石圈地幔上拱，造成地壳变薄，这是大兴安岭地壳构造与一般碰撞造山带的不同之处。图3c为东北地区地震S波速度扰动平面图(Liu Yaning et al.,2017)；最上的深度为6～10 km，即上地壳下部，重要的低速度异常位于双辽沉积盆地。中间图深度为25 km，反映下地壳属性；下图的深度为50 km，反映岩石圈地幔的波速变化。地震S波速度对流体成分和温度很敏感，在大兴安岭的下地壳有大面积的低速度异常，可能反映有残留的岩浆房。

洋—陆转换带的地幔，同时包含大陆和大洋岩石圈。由于大洋岩石圈的俯冲把大量海水注入上地幔，使软流圈物质上涌、渗透、分异等物质运动加剧，岩浆与火山活动发育(James，1989；杨文采等,2011，2014)。在图3c 的东北地区波速扰动图上，还可以看出大兴安岭和长白山火山带岩石圈的明显不同。大兴安岭火山带的低速度异常主要存在于中下地壳，而长白山火山带的低速度异常主要存在于岩石圈地幔，在地壳内很不明显。因此，地震波速度的层析成像进一步证明，长白山火山带和大兴安岭火山带属于不同的来源。长白山火山带的物质源于太平洋板块的俯冲，而大兴安岭火山带的物质源于西北方向的蒙古—鄂霍茨克洋的俯冲(Jahn，2004)。当然，新生代西太平洋大陆边缘的洋—陆转换带不包括大兴安岭火山带，大兴安岭火山带属于中生代蒙古—鄂霍茨克洋的洋—陆转换带，这在华北和华南都是没有的。

再看东北地区布格重力场的数据是不是支持上述结论(杨文采等,2015,2017)。图4a 为布格重力场，1阶加2阶小波细节平面图示于图4b，对应深度约1.8 km，主要反映双辽和三江沉积盆地，对应有岩浆池的活火山层，也有小尺度的低密度异常反映。图4c为重力场5阶小波细节平面图，对应深度约7.6 km，为上地壳的下层。由此可见，大兴安岭火山带在上—中地壳有低密度异常，而双辽地块与大兴安岭的过渡带为高密度异常带。图4d为重力场6阶小波细节平面图，对应深度约12.2 km，位于中地壳。在中地壳长白山火山带的低密度异常明显增强了。总之，区域布格重力场的数据支持由地震和地质构造分析得出的结论。

总结东北地区中生代的动力学演化历史有以下几点认识：

(1)侏罗纪东北地区岩石圈属于洋—陆转换带，受伊佐奈崎洋和蒙古—鄂霍茨克洋的双向俯冲，有强烈的软流圈上涌和岩石圈岩石部分熔融，地壳产生强烈岩浆活动。在中—新生代俯冲带发生多次的后撤(许文良等，2022)，蒙古—鄂霍茨克洋的闭合和日本海的打开，都与俯冲带后撤事件密切关联。

(2) 在白垩纪因为蒙古—鄂霍茨克洋闭合和太平洋板块顺时针大旋转，两边的大洋俯冲作用都趋向停息，东北地区岩石圈处于拉张状态，双辽盆地沉降，大兴安岭等地岩浆火山活动更加强烈。

(3)到了新生代，太平洋板块逆时针旋转45°，大平洋俯冲作用重新开启。古近纪大兴安岭等地玄武质火山活动继续，表明地壳的岩浆房在降温中分异结晶。伴随日本海的打开，新近纪长白山带软流圈上涌，开始了东部的火山爆发。

3 造成燕山地壳特殊性的作用机制

在地质界燕山运动对中国东部地壳构造的影响无人不知，但是现今对燕山地区的动力学演化原因并不清楚。从上面西太平洋洋—陆转换带演化的讨论可知，造成侏罗纪—白垩纪燕山构造运动的主要地质作用不仅包括古今太平洋板块的俯冲、太平洋板块的旋转，还与蒙古—鄂霍茨克洋的闭合有关。首先来看看研究区岩石圈的情况。

图5a为晚侏罗世蒙古和中国东北地区岩相古地理与构造示意图(Jahn,2006;万天丰,2004;Warren,2009)。由图可见，由于蒙古—鄂霍茨克洋处在闭合过程中，从东部的深海沉积(蓝色标记)向西过渡为浅海沉积和陆缘沉积(淡蓝色标记)。大兴安岭火山岩带位于蒙古—鄂霍茨克洋向东南俯冲带外缘的位置，类似于安第斯类型，形成大规模的火山—岩浆活动带，向南一直延伸到燕山山脉(棕色标记)。另外，在大兴安岭火山岩带的西边，还有一条走向北西的玄武质的火山岩带，年龄晚于侏罗纪，从南蒙古过锡林浩特，南端到大同活火山群(红线和棕色标记)。在图2c的43°～41°N波速剖面上可见，反映这条北西向的火山岩带的低波速异常与太平洋板块俯冲无关，分布在一条与蒙古—鄂霍茨克洋中轴线正交的直线(图5a中的红色直线)两侧。在图2b蓝色区标明了这条玄武质的火山岩带的位置和地质环境。与蒙古—鄂霍茨克洋中轴线正交的构造线很可能反映切过蒙古—鄂霍茨克洋岩石圈的转换断层。由于此转换断层是后来热流体和岩浆上涌的良好通道，可以在幔源岩浆上涌和地壳拉张后，形成从南蒙古过锡林浩特的玄武质的火山岩带。地幔的地震调查取得的数据支持这一推测。图5b为蒙古—中国东北地区软流圈底部地震P波速度异常平面图(潘佳铁等，2015)；图5c为软流圈底部地震S波速度异常图。此两图都在这条玄武质的火山岩带的下方出现明显的低波速异常，位置对应非常吻合，说明这里软流圈物质黏度小，热流体运动活跃。

燕山山脉现今中地壳地震P波速度平面图(图5d、e;Wang Chunyong et al.,2008)。由图可见，在此区上—中地壳整体是高波速的，而南部的华北裂谷盆地是低波速的。但是在燕山山脉的下地壳波速转变为低波速异常，而华北裂谷盆地转变为高波速(图5e)。其实，燕山山脉的中地壳局部也有低波速的异常，图6a的数据来自国家地震局《深部物探成果编写组》1988年的中国地壳上地幔地球物理探测成果汇集。在此精细的广角地震剖面上，燕山山脉下15～22 km深度为低速度异常层，波速只有5.6～5.9 km/s。现今下地壳低波速异常反映热流体活动，中地壳的低波速异常可能反映有古岩浆房的残留物质。

总结燕山地区中—新生代的动力学演化历史有以下几点认识：

(1) 在侏罗纪与东北地区类似，燕山地区受伊佐奈崎洋和蒙古—鄂霍茨克洋的双向俯冲，有强烈的软流圈上涌和岩石圈岩石部分熔融，地壳产生强烈岩浆活动。

(2) 在白垩纪因为蒙古—鄂霍茨克洋闭合和太平洋板块顺时针旋转80°，燕山地区岩石圈处于拉张状态，从南蒙古过锡林浩特的NW转换断裂展宽，软流圈上涌和岩石圈岩浆活动仍然强烈。

(3) 在50 Ma前后太平洋板块逆转俯冲作用重新开启，岩石圈拉张状态结束，大兴安岭和锡林浩特的NW断裂带受太平洋俯冲影响小，但是玄武质火山依然活动继续，延伸到燕山地区西部。燕山地区中—新生代是双向俯冲的会集地区，叠复的动力学演化作用使地壳发生了特殊的变形。

4 华北—黄海地区的洋—陆转换作用

现在来研究华北—黄海地区的地壳上地幔，自白垩纪以后，华北和下扬子克拉通就已经合二为一了。从图6a的华北平原与燕山地区地壳地震波速剖面图可见，华北地壳整体属于“地台型”，即上覆显生宙沉积的克拉通地壳。不过，地壳厚度不到34 km，底部有厚度2～4 km左右的7.5 km/s高速层，说明它在古近纪—新近纪经历了地壳拉张，还伴随有幔源岩浆的底侵。图6b为华北北部新近纪裂谷盆地沉积层厚度平面图(金之钧等，2004)，新生代沉积层厚度可达7 km。图6c为华北与东北地区燕山期花岗岩分布图，可见除了燕山和胶东地区以外，华北燕山期花岗岩分布面积比东北与华南地区明显减少。从整体看，华北在古近纪—新近纪经历了强烈的地壳拉张和幔源岩浆的底侵，但是燕山晚期岩浆活动不十分强烈，这是不同于东北与华南地区的特点。

从图2c、d纬度39°N～37°N的地震P波速度剖面图可见，在华北,伊佐奈崎板块大洋岩石圈俯冲到上地幔底部的高速层，到太行山东侧停止。它上方华北平原下面的低速度异常II带从软流圈向上达到上地壳，说明了整个岩石圈都受裂谷型伸展作用影响，而与蒙古—鄂霍茨克洋板块俯冲有关的低速度异常III带体积已经大为缩小。在120～50 Ma太平洋板块发生的大幅度旋转，转动矩在北方比华南大；发生旋转后华北克拉通东部形成的岩石圈伸展作用十分强烈，而且以后受俯冲带后撤的影响比较小。由于没有蒙古—鄂霍茨克洋板块俯冲的影响，燕山期岩浆活动就不会象东北和华南地区那么强烈(杨文采等,2022)。

为什么华北地区没有象闽浙火山岩带那样发育流纹质火山岩带？从图2c、d纬度39°N～37°N的地震波速度东西向剖面图可见，华北平原下的低速度异常从软流圈向上达到上地壳，说明了岩石圈为裂谷型伸展类型，幔源岩浆上涌速度快，因此混融地壳岩石的时间短。根据矿物演化的鲍温反应系列(Dott and Batten,1989)，流纹质岩浆由英安质岩浆进一步演化而来，混融地壳岩石的时间太短不能完成这种大体积混融地壳岩石的演化。此外，闽浙火山岩带古近纪—新近纪发育了多期俯冲带后撤的影响(杨文采，2022)，而华北—黄海地区没有。浙闽火山岩带以东在新生代经历了多次太平洋俯冲带的后撤。根据地质钻探和位于图7b的东海反射地震剖面资料(张建培等，2014)，推测东海俯冲带后撤模式见图7c。在始新世，浙闽火山岩带东侧的太平洋俯冲带后撤到东海中部，它又在上新世后撤到现在的冲绳。由于俯冲带后撤而缩短俯冲作用影响，闽浙地区才不会象华北那样发育出穿透地壳的裂谷型盆地。

根据对东北、华北—黄海和浙闽火山岩带的资料分析，可以对中国东部大陆边缘中—新生代的洋—陆转换区域进行划定(图7a的灰色区)。西太平洋洋—陆转换带在中国东部可分为华南、华北—黄海和东北3个区段，在表1比较了华南、华北—黄海和东北地区中—新生代的动力学作用和上地幔的环境。此洋—陆转换带东界为太平洋岩石圈向西俯冲的海沟，西界为大兴安岭—太行山东侧，以及东南沿海的余姚—政和—大埔断裂带。由此表可见，洋—陆转换带不同区段有不同的动力学作用演化过程，与先期岩石圈的性质、大洋板块俯冲带的分布、方向变化和俯冲持续时间、以及后期俯冲带后撤作用都有密切关系。洋—陆转换作用的统一后果是大陆的增生(Taylor and Mclennan，1995)，但是不同区段大陆增生的方式和和物质运动的模式是不一样的(杨文采,2020a，b)。

表1 中国东部大陆边缘中—新生代动力学分区特征Table 1 Geodynamic characteristics of tectonic divisions in continental margin of East China

5 结论

(1)西太平洋洋—陆转换带在中国东部可分为华南、华北—黄海和东北3个区段。东北地区中—新生代洋—陆转换作用涉及古今太平洋板块和蒙古—鄂霍茨克洋板块两方面俯冲作用的影响，产生大面积中基性岩浆和火山活动，从侏罗纪一直延伸到现在。

(2)不同于东北和华南地区，华北—黄海有克拉通型的岩石圈，在晚侏罗世—新近纪因为太平洋板块的大角度旋转造成软流圈低黏度物质上涌，和地壳拉张与幔源岩浆的底侵，造成上地壳裂谷型沉积盆地。

(3)燕山地区在侏罗纪与东北地区类似，有强烈的软流圈上涌和岩石圈岩石部分熔融，产生强烈岩浆活动。在白垩纪到新生代，因为蒙古—鄂霍茨克洋闭合和太平洋板块大角度旋转，发生沿蒙古—鄂霍茨克洋转换断层的拉张，产生从南蒙古过锡林浩特的NW向玄武质岩浆和火山带。

(4)洋—陆转换带不同区段有不同的动力学作用演化过程，与先期岩石圈的性质、大洋板块俯冲带的分布、方向变化和俯冲持续时间、以及后期俯冲带后撤作用都有密切关系。洋—陆转换作用的统一后果是大陆的增生，但是不同区段大陆增生和物质运动的模式是不一样的。

谢语：笔者感谢章雨旭研究员和刘志强高级工程师为提高论文质量，对本文稿和图解的中肯的修改意见。