克拉通地幔形成與演化及對大陸命運制約因素的思考*

鄭建平 戴宏坤 熊慶 陳明 周翔 李一鶴 劉為先

傳統(tǒng)上，人們對大陸形成和演化的認識主要來自于地表出露的巖石。但是，隨著問題的深入，以及地表礦產(chǎn)資源日漸枯竭、環(huán)境問題日益凸顯，尋求答案的目光逐漸轉(zhuǎn)向地球的深部。在長期穩(wěn)定的克拉通地區(qū)，初始的巖石圈地幔與其上覆的大陸地殼形成于地球的早期殼幔分異過程，它們主體上具有相似的年齡和互補的成分，殼幔結(jié)構(gòu)是耦合的(O’Reillyetal., 2008)，例如南非、西伯利亞等。這些地區(qū)深部一般保存著古老難熔、低地溫的巨厚巖石圈地幔(Griffinetal., 2004)，因而具有密度低、粘度高的特征(Poudjom Djomanietal., 2001)，在復(fù)雜地質(zhì)過程中仍然能夠保持其相對完整性(Simonetal., 2008)。然而，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，有些大陸克拉通(如華北)出現(xiàn)廣泛的巖漿活動和構(gòu)造變形等，表現(xiàn)出活動帶的特征(Dave and Li, 2016; Liuetal., 2019; Wuetal., 2019)。這些地區(qū)地殼與地幔出現(xiàn)解耦現(xiàn)象，巖石圈地幔往往具有年輕飽滿、偏高的地溫和厚度薄的特點，與活動大陸之下的地幔屬性類似(Fanetal., 2000; Xu, 2001; Zhengetal., 2007, 2015; 張宏福, 2009)，這種飽滿地幔通常密度高、粘度低，容易被消減(吳福元等, 2008; Zhuetal., 2021)。可見，巖石圈地幔的屬性可能與大陸起源和穩(wěn)定性(Carlsonetal., 2005)密切相關(guān)，但古老大陸出現(xiàn)“同人不同命”現(xiàn)象的具體控制因素尚不清楚。本文擬在總結(jié)地幔屬性影響因素的基礎(chǔ)上，并以長期穩(wěn)定的南非克拉通和遭受破壞的華北克拉通為代表，嘗試提出值得深入研究的、可能影響大陸命運的先天過程和后天因素，以期起到拋磚引玉的作用。

1 大陸地幔屬性及控制因素

大陸地幔屬性由熔體抽取和交代作用程度共同決定(Griffinetal., 2009)。難熔地幔一般是高程度熔融的殘余體(Bernsteinetal., 2007)，而飽滿地幔經(jīng)歷了低程度熔體抽取，或是難熔地幔經(jīng)歷強烈熔體再富集過程的產(chǎn)物(Le Rouxetal., 2007)。地幔中熔體抽取程度主要受控于橄欖巖固相線、地幔潛熱溫度和終止熔融深度等因素(圖1)。

圖1 壓力(P)-溫度(T)空間中地幔熔融機制示意圖克拉通地區(qū)巖石圈厚度大，地溫梯度(黑色實線)與正常絕熱線(黑色實線)的交點位于橄欖巖固相線(黑色實線)之下，不發(fā)生熔融；在地幔柱環(huán)境中，高溫絕熱線(藍色實線)與固相線的交點位于巨厚巖石圈之下，會發(fā)生低程度高壓熔融；在巖石圈厚度小的裂谷/活動帶，地溫梯度(黃色實線)與正常絕熱線(黃色虛線)的交點位于橄欖巖固相線之上，會發(fā)生減壓熔融；在島弧環(huán)境下，揮發(fā)分的加入會大幅降低橄欖巖的固相線(綠色實線)，與地幔絕熱線的交點位于巖石圈之下，從而誘發(fā)熔融Fig.1 Schematic diagram of mantle melting mechanism in pressure (P)-temperature (T) spaceThe lithosphere in the craton area is thick, and the intersection point of geothermal gradient (black solid line) and normal adiabatic line (black solid line) is under the solidus of peridotite (black solid line) without melting occurred. In the environment of mantle plume, the intersection point of high-temperature adiabatic line (blue solid line) and solidus is under the thick lithosphere, and low degree high-pressure melting will occur. In the rift/active zone with small lithospheric thickness, the intersection point of geothermal gradient (yellow solid line) and normal adiabatic line (yellow dashed line) is above the solidus of peridotite, and decompression melting will occur. In the island arc environment, the addition of volatile will greatly reduce the solidus (green solid line) of peridotite, and the intersection point with the mantle adiabatic line is located below the lithosphere, thus causing melting

(1)橄欖巖固相線 降低固相線的機制(Foley and Pintér, 2018)包括加入揮發(fā)份(H2O和CO2等)和升高氧逸度(如金剛石、甲烷等被氧化)。前者最有效的方式是俯沖板片脫出的熔/流體交代地幔楔橄欖巖(Luth and Stachel, 2014; Xuetal., 2021a)；后者既可以與俯沖相關(guān)(Kelley and Cottrell, 2009)，也可能是深部地幔上涌時的自氧化作用(Foley, 2011)。值得注意的是，地幔平均氧逸度自地球形成以來逐漸升高，原因可能是歧化反應(yīng)生成的單質(zhì)鐵或合金進入了地核，殘余在地幔中的三價鐵比例逐漸升高，出現(xiàn)的結(jié)果是發(fā)生氧化熔融(redox melting)的可能性越來越大(Frost and McCammon, 2008)。

圖2 形成克拉通難熔地幔的幾種常見機制(據(jù)Lee et al., 2011修改)Fig.2 Several common mechanisms of craton refractory mantle formation(modified after Lee et al., 2011)

(2)地幔潛熱溫度 地幔潛熱溫度決定了初始熔融深度，從而對地幔熔融程度具有明顯的控制作用。與氧逸度相似，地幔潛熱溫度與深部地幔上涌和演化歷史有關(guān)(Servali and Korenaga, 2018)：小規(guī)模的地幔上涌一般沒有明顯溫度異常(如洋中脊和板內(nèi)小體積火山巖)，減壓熔融區(qū)間較小、熔融程度一般較低(Daviesetal., 2015)；大規(guī)模的地幔上涌(如地幔柱)則可能由地幔熱異常驅(qū)動，減壓熔融區(qū)間大、熔融程度高。地幔平均潛熱溫度隨時間演化是拋物線式的(Palinetal., 2020)，在中太古代(～3.2Ga)達到峰值(Tp=1700°C)，隨后持續(xù)冷卻至現(xiàn)今值(Tp=1350°C，Herzbergetal., 2010)。不難看出，太古宙時期地幔潛熱溫度高，有利于地幔發(fā)生大尺度的垂向運動和高程度的部分熔融作用(Griffinetal., 2009)。

(3)終止熔融深度 地幔淺部是以熱傳導(dǎo)為主的機械邊界層(可視為巖石圈)，難以發(fā)生明顯的地幔熔融，因此巖石圈厚度決定了對流地幔減壓熔融的終止深度。在大洋地區(qū)，巖石圈厚度變化主要取決于大洋巖石圈年齡，即年齡越老、厚度越大(Niu, 2021)；在大陸地區(qū)，巖石圈厚度既與早期陸核形成機制有關(guān)，也與后期構(gòu)造歷史有關(guān)(Pearson and Witting, 2008; Pearsonetal., 2021)?？傊〉膸r石圈厚度有利于發(fā)生高程度的地幔熔融，形成難熔地幔。

與部分熔融作用相反，交代作用主要是在橄欖巖中加入富含不相容組分的熔體或流體，使地幔屬性變得飽滿(或再富集作用)。隨著交代作用強度增加，可以分為隱性交代、顯性交代和隱匿交代三個類型(O’Reilly and Griffin, 2013)：隱性交代一般是在低熔/巖比的條件下，橄欖巖的不相容微量元素發(fā)生富集，不改變礦物組合；顯性交代會使地幔橄欖巖微量元素富集的同時，出現(xiàn)新的交代礦物，包括角閃石、金云母、磷灰石、鋯石等；隱匿交代作用一般是在高熔/巖比的情況下，橄欖巖發(fā)生強烈富集，造巖礦物比例發(fā)生改變。

當(dāng)交代介質(zhì)為拉斑玄武質(zhì)熔體時，交代作用會消耗橄欖石形成斜方輝石，最終出現(xiàn)富斜方輝石的方輝橄欖巖或斜方輝石巖(Kelemenetal., 1992)；當(dāng)交代介質(zhì)為堿性玄武質(zhì)熔體時，交代產(chǎn)物一般是單斜輝石和石榴石，最終可能形成輝石巖/榴輝巖(Griffinetal., 2009)；當(dāng)交代介質(zhì)為富鈣熔體時(如金伯利質(zhì)熔體、碳酸巖熔體等)，交代作用會消耗斜方輝石生成單斜輝石，最終導(dǎo)致形成異剝橄欖巖(Yaxley and Green, 1996)。交代作用的介質(zhì)性質(zhì)一般與構(gòu)造環(huán)境相關(guān)，例如在俯沖環(huán)境下，俯沖的玄武質(zhì)板片熔融或者受板片流體交代的地幔楔發(fā)生高程度熔融，都容易產(chǎn)生拉斑質(zhì)(高硅)熔體，這種熔體會交代更淺部的巖石圈地幔出現(xiàn)富含斜方輝石的地幔交代巖(Kelemenetal., 1992)；相反，在巨厚的克拉通巖石圈底部，軟流圈通常只能發(fā)生低程度熔融，產(chǎn)生金伯利質(zhì)或者碳酸巖熔體，這樣的熔體容易引起克拉通地幔的異剝橄欖巖化(Aulbachetal., 2020)。

2 克拉通巖石圈地幔形成的可能機制

大陸巖石圈地幔屬性具有明顯的橫向和垂向空間變化。在橫向上，陸塊內(nèi)部至邊緣，殼幔物質(zhì)逐漸變年輕，巖石圈地幔厚度減小、組成變飽滿(Griffinetal., 2003)；在垂向上，大陸巖石圈地幔顯示上部多為虧損玄武質(zhì)組分的難熔方輝橄欖巖和貧單斜輝石的二輝橄欖巖、下部為富含玄武質(zhì)組分的飽滿二輝橄欖巖和輝石巖等(O’Reillyetal., 2001)。造成地幔上述空間變化的原因有不同的認識(圖2)：橫向的變化可解釋為大陸巖石圈的向外側(cè)向生長(Whitmeyer and Karlstrom, 2007)，也可能是古老地幔被侵蝕改造的結(jié)果(Griffinetal., 2003; Bédard, 2018)；垂向結(jié)構(gòu)可視作大陸巖石圈地幔起源于地幔柱的證據(jù)(Ishikawaetal., 2011)，也可能與古老難熔地幔被熔體自下而上再富集有關(guān)(Aulbachetal., 2017)?？梢?，這些爭議的核心是：不同屬性地幔(難熔的或飽滿的)起源的問題(Leeetal., 2011)，即難熔地幔是由地幔柱活動形成的高度熔融的殘余(Boyd, 1989; Canil, 2004; Griffinetal., 2009; Aulbach, 2012)，顯示地幔柱對大陸地幔的再生作用(Liuetal., 2021; Xuetal., 2021b; Zhangetal., 2022)，或是飽滿大洋地幔俯沖疊置后再熔融的結(jié)果(Pearson and Witting, 2008; Servali and Korenaga, 2018; Pearsonetal., 2021)；飽滿地幔是直接由軟流圈冷卻轉(zhuǎn)換形成(Araietal., 2007; Griffinetal., 2009)，或是難熔地幔交代富集的結(jié)果(Griffinetal., 1999; O’Reillyetal., 2001; Zhangetal., 2001; Ionovetal., 2005)。不難看出，大陸巖石圈地幔的屬性和結(jié)構(gòu)，與大陸起源的動力學(xué)背景息息相關(guān)?？刂拼箨懨\的關(guān)鍵因素可能與：(1)穩(wěn)定與不穩(wěn)定大陸根的地幔屬性異同；(2)不同大陸根形成的熔融條件和交代過程有關(guān)。因此，為了解開大陸命運之謎，需要開展不同穩(wěn)定程度的克拉通區(qū)(如長期穩(wěn)定的南非克拉通和顯生宙時期破壞的華北克拉通)與地幔性質(zhì)和形成過程相關(guān)的早期地幔熔融和交代演化歷史的對比研究。

圖3 南非克拉通結(jié)構(gòu)及含地幔捕虜體金伯利巖分布圖南非主要由Kaapvaal和Zimbabwe兩個太古代克拉通及其之間太古代Limpopo變質(zhì)帶組成，西側(cè)與古元古代Rehoboth和Kheis活動帶相接，南側(cè)被中元古代Namaqua-Natal活動帶包繞(de Kock et al., 2021)，更南側(cè)為具有顯著地震波速負異常(黑色至深藍色區(qū)域)的顯生宙增生帶. 地質(zhì)界線及金伯利巖分布地名參見Smart et al. (2021)，地震波速引自James et al. (2001)Fig.3 Structure of the South African Craton and distribution of kimberlites containing mantle xenolithsSouth Africa is mainly composed of two Archean cratons, Kaapvaal and Zimbabwe, and the Archean Limpopo metamorphic belt between them. On the west side, it is bounded by the Paleoproterozoic Rehoboth and Kheis active belts. The south is surrounded by the Mesoproterozoic Namaqua-Natal active zone (de Kock et al., 2021), and further south is a Phanerozoic accretion zone with significant negative seismic velocity anomalies (black to dark blue areas). See Smart et al. (2021) for geographical names of geological boundaries and kimberlite distribution, and the seismic wave velocity is cited from James et al. (2001)

3 南非克拉通地幔：板塊離散背景下主體保持難熔屬性、局部發(fā)生富集

南非克拉通位于廣袤的非洲大陸最南端，是世界上典型的長期穩(wěn)定古老克拉通之一，最老巖石的年齡達3.6Ga，最老鋯石的年齡達3.9Ga (de Kocketal., 2021)。南非主要由古老陸核(Kalahari)和環(huán)陸核的增生/變質(zhì)帶組成(圖3)，經(jīng)歷了漫長復(fù)雜的太古宙陸核增生、拼貼和后太古宙陸殼增生/變質(zhì)等演化歷史。在太古宙，Zimbabwe 克拉通和Kaapvaal 克拉通的地殼增生時間主要集中在3.5～3.1Ga間，并于2.7Ga左右發(fā)生強烈的再造作用(Oriolo and Becker, 2018)，標志著二者沿著Limpopo變質(zhì)帶拼合形成統(tǒng)一的Kalahari陸核(Xieetal., 2017)。當(dāng)然也有研究者根據(jù)地層或巖漿巖分布，認為二者的拼合時間是在古元古代。Kaapvaal克拉通在此之前經(jīng)歷更為復(fù)雜的古老陸核拼貼歷史，包括2.85Ga之前由三個古老陸核(Swaziland 、Witwatersrand、Pietersburg)拼貼形成東部陸塊，隨后在2.75Ga之前與Kimberley陸塊拼貼成統(tǒng)一的Kaapvaal 克拉通(de Kocketal., 2021)。

在元古宙，Kalahari克拉通先后經(jīng)歷了多期與超大陸聚合有關(guān)的增生作用(Oriolo and Becker, 2018)，包括：(1)與Columbia超大陸聚合有關(guān)的多個古元古代島弧地體(含微陸塊)增生(Djeutchouetal., 2021)；(2)與Rodinia超大陸聚合有關(guān)的環(huán)繞陸核的復(fù)雜地體增生和變質(zhì)作用(Collistonetal., 2017)；(3)泛非造山運動時期(新元古代-古生代早期)形成了與Gondwana陸塊群聚合有關(guān)的環(huán)陸核造山帶(Grayetal., 2008)。至此，南非克拉通與非洲其他主要地塊(如Western Africa、Congo、Saharan Metacraton、Arabian-Nubian Shield)拼合形成了具有現(xiàn)今特征的統(tǒng)一非洲大陸(Zhaoetal., 2018)。在顯生宙，多期地幔柱作用(Courtillotetal., 1999)導(dǎo)致Pangea超大陸的裂解，大西洋、西南印度洋、西北印度洋先后打開(Merdithetal., 2021)以及東非裂谷的形成(Cellietal., 2020)，南非克拉通的東、南、西側(cè)長期保持被動大陸邊緣的特征，北側(cè)遠離特提斯構(gòu)造域的影響(Mülleretal., 2019)?？梢姡戏枪爬详懞嗽谔胖嫱瓿善春虾?，長期處于超大陸內(nèi)部或被動大陸邊緣環(huán)境(Merdithetal., 2021)，太古宙之后的超大陸聚散過程的影響主要集中在陸核邊部。

南非的巖石圈地幔結(jié)構(gòu)與地殼年齡結(jié)構(gòu)具有很好的對應(yīng)關(guān)系，殼幔結(jié)構(gòu)是耦合的(Beggetal., 2009)。地震波速顯示，南非太古宙陸核(Kalahari)地區(qū)有明顯高速異常，高速體可延伸至300km深度，表明陸核之下至今保留有巨厚難熔的巖石圈根(Jamesetal., 2001)；陸核周邊的元古宙增生/變質(zhì)帶區(qū)域的波速正異常較弱，高速體零星分布，厚度局限在100km以內(nèi)，顯示巖石圈整體較為飽滿，局部存在難熔地幔殘余(Fouchetal., 2004)。由地震波速擘畫的地幔組成結(jié)構(gòu)特征得到了大量地幔捕虜體/捕虜晶的證實(Kobussenetal., 2009; Pearsonetal., 2021)：高速異常區(qū)域內(nèi)部的捕虜體，顯示巖石圈地幔厚度>250km，主體由高度難熔的方輝橄欖巖組成，僅有少量相對飽滿的二輝橄欖巖和地幔交代巖(Simonetal., 2007)，且存在深度越淺、難熔方輝橄欖巖的占比越高的規(guī)律(Griffinetal., 2003)；波速正異常較弱區(qū)域的地幔捕虜體，顯示巖石圈厚度<150km，飽滿的二輝橄欖巖和榴輝巖占比明顯高(Janneyetal., 2010; Le Roexetal., 2020)，局部存在高度難熔地幔(Smithetal., 2009)，但地幔屬性向下逐漸變飽滿的趨勢依然存在(Griffinetal., 2003; Beggetal., 2009)。地幔捕虜體/捕虜晶的年代學(xué)研究顯示，太古宙陸核地區(qū)的難熔地幔年齡主體為3.6～3.2Ga(Griffinetal., 2004)，環(huán)陸核增生/變質(zhì)帶地區(qū)的地幔年齡為主體晚于太古宙(Janneyetal., 2010; Le Roexetal., 2020)，二者都與各自的上覆地殼主要熱事件時代一致(Shuetal., 2013)，指示經(jīng)歷了統(tǒng)一的殼幔分異過程(Brey and Shu, 2018)。

盡管南非克拉通主體保留了完整一致的殼幔結(jié)構(gòu)，但飽滿橄欖巖和榴輝巖等捕虜體的普遍出現(xiàn)也表明巖石圈地幔經(jīng)歷復(fù)雜的改造歷史。位于巖石圈地幔深部組成相對飽滿的橄欖巖，礦物通常具有核部難熔、邊部飽滿的結(jié)構(gòu)特點并記錄古老年齡往年輕變化，體現(xiàn)深部熔體對巖石圈地幔自下而上的再富集作用(Griffinetal., 1999; Zhangetal., 2001)。位于元古宙陸殼區(qū)域的橄欖巖捕虜體，雖然年齡主體上是元古宙，但也常見太古宙年齡(Janneyetal., 2010; Le Roexetal., 2020)，且零星存在波速正異常(Jamesetal., 2001)。地殼中也常出現(xiàn)太古宙的古老物質(zhì)(de Kocketal., 2021)。這些殼幔特征表明古老陸核周邊不只存在巖石圈向外增生，可能也體現(xiàn)了現(xiàn)存的古老巖石圈曾被侵蝕和改造。此外，南非捕虜體常出現(xiàn)輝石巖、榴輝巖等(Burnessetal., 2020)，金剛石中的包裹體甚至主體為榴輝巖組分(Gurneyetal., 2010)。盡管有些榴輝巖可能是由俯沖洋殼轉(zhuǎn)變而來(Jacob, 2004)，但那些具有高Mg#榴輝巖通常同時富集相容元素和不相容元素，一般認為是熔體灌入深部巖石圈的產(chǎn)物(Gréauetal., 2011; Smartetal., 2021)。

引起地幔發(fā)生再富集的地幔熔體主要包括從富硅熔體至金伯利質(zhì)-碳酸巖熔體和富水流體等不同類型(Kobussenetal., 2009)，且與地表記錄的巖漿作用有較好的對應(yīng)關(guān)系(Janneyetal., 2010; Burnessetal., 2020)。例如，南非方輝橄欖巖捕虜體明顯富集斜方輝石，顯著區(qū)別于高程度熔融殘余體，顯示富硅熔體的交代作用特點(Kelemenetal., 1992)，一般認為與板片俯沖有關(guān)(Zhangetal., 2001)。出現(xiàn)在陸核區(qū)的元古宙Bushveld巨型侵入體之下，地震波速比周邊明顯低，顯示地幔組成相對飽滿(Shireyetal., 2002)，巖石捕虜體(Korolevetal., 2018)和金剛石礦物包裹體(Richardsonetal., 1993)表明該區(qū)域的巖石圈地幔富含二輝橄欖巖和榴輝巖，明顯不同于周邊高波速區(qū)域的巖石圈地幔組成(Shireyetal., 2002)，這些地幔捕虜體常出現(xiàn)古元古代的形成年齡，可能指示古老巖石圈地幔受古元古代(約為2.0Ga)Bushveld地幔柱活動的影響(Beggetal., 2009; Zhangetal., 2022)。富集玄武質(zhì)組分的交代橄欖巖的鋯石年齡(Giulianietal., 2014)與南非廣泛分布的顯生宙(約為180Ma)Karoo大火成巖省時代一致(Jourdanetal., 2004)，且具有明顯的元素/同位素組成上的相似性，顯示深部Karoo地幔柱對深部巖石圈的改造作用(Burnessetal., 2020)。類似的，造成南非深部巖石圈發(fā)生普遍交代作用的金伯利質(zhì)-碳酸巖質(zhì)熔體，與南非廣泛分布的含捕虜體金伯利巖(Tappeetal., 2020)具有相似的年齡和組成(Smartetal., 2021)，包括高度富集Sr-Nd同位素(Group II，120～110Ma)和弱虧損Sr-Nd同位素(Group I，～90Ma)的兩個類型(Smith, 1983)。前者一般被認為來自受俯沖沉積物交代的巖石圈地幔(Becker and Le Roex, 2006)；后者一般來自位于核幔邊界的低速區(qū)之上、且可能含有地幔過渡帶或核幔邊界的捕獲物質(zhì)(Nestolaetal., 2018)，推測來自深部未擾動的地幔源區(qū)(Woodheadetal., 2019)。

不難看出，南非克拉通經(jīng)歷了復(fù)雜的太古宙陸核增生、拼合歷史和后太古宙超大陸聚散相關(guān)的環(huán)陸核增生、再造過程，可能長期處于被動大陸邊緣或與深部地幔上涌有關(guān)的拉張背景下。巖石圈地幔主體上保留了太古宙難熔地幔特點，局部(巖石圈地幔底部、克拉通邊緣)可能受到了由深部地幔上涌引起的再富集作用。這些地幔屬性和早期形成過程是否為其長期穩(wěn)定奠定了基礎(chǔ)，值得研究。

4 華北巖石圈地幔：板塊匯聚背景下發(fā)生強烈減薄、改造和置換，局部保持難熔特點

圖4 華北古生代蒙陰和復(fù)縣含地幔捕虜體金伯利巖的位置圖太古宙活動帶據(jù)翟明國等(2005)，藍色虛線代表太平洋滯留板片西邊界所對應(yīng)的位置(Huang and Zhao, 2006)Fig.4 Locations of Paleozoic mantle xenoliths-bearing kimberlites in Mengyin and Fuxian, North ChinaArchaean active zone is after Zhai et al. (2005); The blue dashed line represents the position of the western boundary of the Pacific retained plate corresponding to position on the surface(after Huang and Zhao, 2006)

華北克拉通位于歐亞大陸東部，被不同的顯生宙構(gòu)造活動帶環(huán)繞(圖4，Windleyetal., 2010)。在北側(cè)，古亞洲洋于500～470Ma開始俯沖至華北之下(Zhaoetal., 2018)，并于晚二疊世-早三疊世(260～230Ma)沿著Solonker縫合帶閉合(Xiaoetal., 2015)，長期的俯沖過程引起了華北北緣廣泛的古生代構(gòu)造變形和巖漿活動(Cope, 2017)。在南側(cè)，秦嶺-大別-蘇魯造山帶記錄了東岡瓦納大陸邊緣的陸塊群向華北匯聚的復(fù)雜歷史(Lietal., 1993; Zhengetal., 2003)，包括：(1)秦嶺地體于500～450Ma沿商丹縫合帶拼貼至華北西南緣；(2)古特提斯洋于430～400Ma打開，在320～300Ma期間向北俯沖至華北之下并發(fā)生自西向東的 “剪刀口式”閉合；(3)古特提斯洋閉合后，揚子陸塊于240～200Ma深俯沖至華北之下(Wuetal., 2009)。在東側(cè)，古太平洋自170Ma開始俯沖(Xuetal., 2013)，在140Ma時俯沖方向指向歐亞大陸內(nèi)部(Sunetal., 2007)，華北進入長期弧后伸展階段，廣泛發(fā)育巖漿作用和伸展變形(Zhangetal., 2014)。地球物理探測顯示，俯沖的(古)太平洋板片目前滯留在地幔過渡帶中(Huang and Zhao, 2006)，其西邊界已到達華北重力梯度附近(Xu, 2007)。由古太平洋滯留板片構(gòu)成的大地幔楔結(jié)構(gòu)自早白堊世開始形成(鄭建平和戴宏坤，2018)，華北東部晚中生代-新生代的構(gòu)造-巖漿變質(zhì)過程一般被認為發(fā)生在由古太平洋滯留板片構(gòu)成的大地幔楔框架內(nèi)(徐義剛等，2018; 鄭永飛等, 2018; Wuetal., 2019; Liuetal., 2021)。

作為世界上典型古老克拉通之一，華北廣泛出露太古宙基底(Wuetal., 2005; Wanetal., 2012)，已發(fā)現(xiàn)最古老的巖石老于3.6Ga(Liuetal., 1992)，深部地殼也主體增生于太古宙時期(Jiangetal., 2013)。綜合現(xiàn)有的構(gòu)造-巖石-變質(zhì)-地球物理等學(xué)科證據(jù)，華北克拉通的演化可以劃分為兩大階段，即前寒武陸塊增生、拼合(Zhaoetal., 2005; Zhai and Santosh, 2011)和顯生宙板塊匯聚背景下的克拉通破壞(吳福元等，2008; 朱日祥等，2012)。目前普遍認為華北地殼增生于晚太古代，并于太古宙-元古宙之交發(fā)生強烈地殼再造(翟明國，2008)，但有關(guān)當(dāng)時存在的微陸塊數(shù)量和拼合時間還有爭議(Zhaoetal., 2005; 翟明國，2011)。一種觀點認為，華北由5～8個太古宙陸核和陸核之間的綠巖帶組成，拼合時間發(fā)生在晚太古代(白瑾等，1993; Wanetal., 2012)；另一種觀點認為華北包括為東、西兩個古老陸塊，二者在古元古代時(～1.85Ga)沿著中部造山帶拼合成統(tǒng)一陸塊(Zhaoetal., 2005)，其中東部陸塊在2.1Ga沿著膠遼吉帶發(fā)生了裂解-拼合作用(Li and Zhao, 2007)，西部陸塊由鄂爾多斯陸核和陰山地塊在1.95Ga時沿著孔茲巖帶拼合形成(Zhaoetal., 2005)。完成拼合后，華北克拉通整體被古/中元古代至古生代的巨厚、未變形地層覆蓋，顯示克拉通主體保持了長期穩(wěn)定特征，在此期間，構(gòu)造-巖漿活動較弱，僅有元古宙時期沿著古老陸塊拼合帶發(fā)生裂谷-巖漿事件(Peng, 2015)、早古生代陸核內(nèi)部的金伯利巖活動(張宏福和楊岳衡，2007; Lietal., 2011)以及晚古生代-三疊世時期華北南、北緣分別發(fā)育與古特提斯洋和古亞洲洋俯沖有關(guān)的構(gòu)造-巖漿活動(Zhangetal., 2014)。在侏羅紀和早白堊世早期，華北板塊發(fā)生了以燕山運動為代表的構(gòu)造-巖漿活動(Wong, 1927)，包括～160Ma和～140Ma時期的兩幕擠壓構(gòu)造變形以及幕間伸展和巖漿作用(鄭建平和戴宏坤，2018)。晚白堊世至新生代，華北主體處于(古)太平洋板片俯沖和后撤背景下的弧后拉張環(huán)境，發(fā)生強烈地殼伸展和地幔巖漿作用，明顯失去穩(wěn)定克拉通的特征，即克拉通發(fā)生了破壞(朱日祥等，2012; Wuetal., 2019)。

與地殼演化歷史對應(yīng)，華北巖石圈地幔也經(jīng)歷漫長復(fù)雜的演化過程，表現(xiàn)為出高度時空不均一性。在時間上，古生代金伯利巖一般富含金剛石，所攜帶的地幔捕虜體多見石榴石方輝橄欖巖(Menziesetal., 1993; 鄭建平，1999)，它們具有太古宙的Re-Os同位素年齡且強烈富集不相容元素和放射性同位素組成(如143Nd/144Nd較低、87Sr/86Sr較高，Gaoetal., 2002; Chuetal., 2009)，指示當(dāng)時巖石圈地幔具有巨厚、難熔、復(fù)雜交代的特征(Wuetal., 2006; Zhangetal., 2008)。相比之下，晚中生代-新生代玄武巖中的地幔捕虜體一般為尖晶石二輝橄欖巖(Xuetal., 1998; Zhengetal., 1998)，它們普遍記錄顯生宙的Re-Os年齡且具有虧損不相容元素和放射性同位素的特征(Rudnicketal., 2004; Zhengetal., 2007; Xuetal., 2008)，顯示先存的克拉通巖石圈地幔在中生代已被新生的、弱交代的飽滿地幔改造和最終置換(Menziesetal., 1993; 鄭建平，1999, 2009; Xu, 2001；Zhangetal., 2008; Liuetal., 2019)。

在空間上，郯廬巖石圈深大斷裂帶內(nèi)部新生代玄武巖中的地幔橄欖巖捕虜體(山旺，Zhengetal., 1998; 女山，Xuetal., 1998)主要是飽滿的二輝橄欖巖，華北邊緣(棲霞，Zhengetal., 1998; 四子王旗，陳燕等, 2004; 信陽，Zhengetal., 2005; 莒南，Yingetal., 2006; 韓國南部，Yangetal., 2010;狼山，Daietal., 2019)和內(nèi)部古陸塊拼貼帶(漢諾壩，Rudnicketal., 2004; 陽原和繁峙，Liuetal., 2011)的地幔捕虜體也具有類似的情況，暗示古老難熔地幔已被強烈改造和置換(Wuetal., 2019)；遠離陸塊邊緣和薄弱帶的橄欖巖捕虜體(輝南，Xuetal., 2003; 寬甸，Wuetal., 2006; 阜新，Zhengetal., 2007)主要是過渡型的二輝橄欖巖，克拉通核部(如鶴壁)的地幔捕虜體主要是太古宙強烈交代型方輝橄欖巖(Zhengetal., 2001; Tangetal., 2006)。地幔組成的空間變化說明板內(nèi)薄弱帶和邊緣是地幔改造的優(yōu)先發(fā)生區(qū)。

捕虜體所揭示的巖石圈地幔減薄、改造和置換，也得到了基性火山巖組成演變的印證(Liuetal., 2008)，即>110Ma的玄武巖普遍具有島弧型的微量元素組成和高度富集放射性同位素的特點，顯示存在古老的、強烈交代富集的巖石圈地幔(Zhangetal., 2002; Gaoetal., 2008)；相反，<110Ma的玄武巖常表現(xiàn)出洋島型的微量元素組成和虧損放射性同位素(Zhangetal., 2014; 徐義剛等，2018)，指示先存的交代巖石圈地幔已發(fā)生強烈減薄、改造并被弱交代地幔置換，巖漿源區(qū)主要是軟流圈地幔(Maetal., 2014)。

綜上所述，華北克拉通經(jīng)歷了太古宙和古元古代陸核增生和拼合過程，其東部在顯生宙多板塊匯聚背景下發(fā)生了強烈的克拉通破壞和巖石圈地幔減薄、改造與最終置換，特別是在內(nèi)部薄弱帶，克拉通西部主體保留有古老地幔。就其形成過程而言，眾多小塊體的拼合及其內(nèi)部存在的薄弱帶，有可能是其容易被破壞的一個關(guān)鍵隱患，多期次的環(huán)克拉通的周緣性俯沖則是導(dǎo)致華北克拉通最終走向破壞的關(guān)鍵驅(qū)動因素。

5 利用不同命運克拉通的地幔捕虜體對比研究，對揭示大陸命運制約因素可能有重要啟示

不難看出，南非和華北都是典型的古老克拉通，都經(jīng)歷了太古宙和古元古代陸塊增生和拼合過程，并形成了難熔的克拉通地幔；在后期的演化過程中，南非主體可能處于地幔柱或被動大陸邊緣的環(huán)境，華北則受到來自不同方向的俯沖作用影響。在現(xiàn)今，南非和華北出現(xiàn)迥異的命運，前者保持了穩(wěn)定克拉通特點，巖石圈地幔主體保持了難熔屬性，在陸核邊緣和克拉通底部存在飽滿地幔，來自地球深部(甚至核幔邊界)的地幔上升流仍在引起巖石圈的持續(xù)伸展(Heron, 2018; Cellietal., 2020)；后者已明顯發(fā)生去克拉通化作用，特別是在其東部，先存的古老難熔地幔已被飽滿地幔強烈改造和置換，只在西部有難熔地幔殘留(Zhengetal., 2001)，大地幔楔背景下的軟流圈上涌和巖石圈伸展還在繼續(xù)(Zhuetal., 2021)。那么，造成南非和華北克拉通命運不同的關(guān)鍵因素是構(gòu)造演化歷史的差異？還是克拉通形成時地幔初始屬性和形成條件不同？(1)如果是構(gòu)造歷史控制的，板塊俯沖和地幔柱上涌哪種環(huán)境更利于克拉通保持完整穩(wěn)定？亦即，不同的構(gòu)造環(huán)境中產(chǎn)生的熔流體性質(zhì)可能不同，地幔柱條件下通常產(chǎn)生富Mg、Fe的基性-超基性熔體，俯沖環(huán)境中則常見富Ca、Al、Si的熔流體，它們對克拉通地幔的交代改造能力是否有差異？這種差異是否最終會導(dǎo)致克拉通命運差異？(2)如果是地幔的初始條件有差異，究竟是由地幔屬性差異、還是初始厚度不同所決定？對地球宜居性早期演化有何影響(Foleyetal., 2003; Miyazaki and Korenaga, 2022)？具體來講，不同機制形成的地?？赡芫哂胁煌男再|(zhì)和結(jié)構(gòu)，地幔柱頭冷卻轉(zhuǎn)換形成的巖石圈地幔理論上具有自下而上逐漸虧損、組成連續(xù)變化的特點，俯沖疊置形成的克拉通地幔則可能有更明顯的內(nèi)部薄弱帶以及巖性不均一特征，這種初始組成結(jié)構(gòu)的差異對大陸命運是否有影響？等等這些，都還不清楚！可見，對比研究不同命運克拉通的地幔捕虜體，如南非的和華北的金伯利巖攜帶的難熔的和交代程度不同的地幔捕虜體，特別是大陸地幔熔早期融條件和后期構(gòu)造演化方面的對比，可能是揭示制約大陸命運因素的關(guān)鍵，可以提升對宜居星球演化的認知。值得指出的是，金伯利巖中的捕虜體大多經(jīng)歷了多期次的熔流體交代改造作用，有關(guān)早期演化的信息可能被不同程度掩蓋或抹去，但在現(xiàn)有深地探測技術(shù)條件下，對比研究這些深部來源的直接物質(zhì)仍可能是重要的努力方向。

謹以此文祝賀周新華研究員八十華誕。

致謝感謝張宏福院士的邀約以及劉金高教授和匿名專家的修改意見。