解讀國家自然科學獎——“華北克拉通破壞”

　　華北克拉通早白堊世主要金礦集區分布。

　　（圖片來源：《中國科學：地球科學》）

　　新聞背景

　　近日，國家自然科學獎名單公布，中國科學院地質與地球物理研究所朱日祥院士團隊完成的“華北克拉通破壞”研究榮獲二等獎。這一獎項，不僅是對該團隊科學貢獻的獎勵，也是對我國諸多科學家在過去二十多年關於華北克拉通研究成果的肯定。

　　對於身處華北的讀者，不妨了解所謂“華北克拉通破壞”，是怎麼一回事兒。

　　相對穩固的克拉通是與造山帶相對而言

　　在太極圖上，黑白兩塊截然分明，陰陽相生，幻化出世界萬物。而在地球上，也有著兩個截然不同的地質單元，相互作用，才有了我們現在看到的多彩世界，這就是克拉通與造山帶。

　　造山帶，顧名思義，就是山脈形成的地方，一般出現在板塊碰撞的邊緣地帶。比如雄偉的阿爾卑斯-喜馬拉雅造山帶，就是非洲板塊、阿拉伯板塊和印度板塊與亞歐板塊碰撞形成的。造山帶內山峰林立，地震火山頻發，構造活動活躍，形成了很多地球上難得一見的奇觀，但也給人類造成了巨大的損失。

　　而克拉通的特征與造山帶相反，它相當穩定，表面相對平坦，地貌上多為平原或高原，地震火山稀少，比如穩固的成都平原。

　　不僅如此，克拉通的年代還十分古老。克拉通形成的年代大多是在30多億年前，一般在27億年前進入穩定期。在隨后的漫長歲月裡，不管地球怎麼變化，克拉通內部基本保持穩定，只是在邊緣因板塊的碰撞或離散，發生少許的變形。

　　克拉通因其形成時間早，構造活動少，為早期鐵礦的沉積提供了一個相當理想的場所，成為世界上最主要的鐵礦產區。比如加拿大和澳大利亞的克拉通，就大量出產鐵礦石。而中國主要的鐵礦也是這一時期形成的，並主要集中於今天的主角——華北克拉通之上。但是，華北克拉通相較於世界上其他典型的克拉通，形成時間（25億年）和穩定時間（18億年）稍晚，就導致鐵礦床的儲量和品位相比世界同種類型的鐵礦差了很多。

　　華北克拉通東部經歷上億年破壞

　　克拉通是地球表面上相對穩定的構造單元，它包括了地球最外層的地殼地幔頂部的一部分，總厚度大約為150公裡至200公裡，作為一個整體，“漂浮”在下伏的軟流圈之上。就是這樣厚厚的一層，溫度低，密度小，浮力大，強度高，保証了克拉通在漫長的地質演化中保持穩定。而且，這樣的環境非常適合金剛石的形成。世界上主要的金剛石礦都產自克拉通，比如南非、西伯利亞的克拉通。我國的金剛石礦主要分布在華北克拉通上，比如山東蒙陰、遼寧復縣（現瓦房店市）等。金剛石的出現，指示克拉通的厚度達到了150公裡至200公裡，是克拉通存在的重要証據。

　　地質上，華北克拉通的范圍比地理上華北的范圍要大不少，南部基本以秦嶺-大別山為界﹔北部基本沿著內蒙古的南部邊界﹔東部包括了遼寧和吉林南部、朝鮮﹔而西部，則到達了寧夏以西、內蒙古的阿拉善地區。華北克拉通相較於世界上其他克拉通，個頭要小很多，甚至有人認為這不是一個典型的克拉通。以太行山為界，可分為東西兩部分，華北克拉通的破壞范圍主要集中在克拉通的東部。在這一地區，克拉通的厚度大大減小，從200公裡減小到不到100公裡。

　　地球沒有史書，我們是怎麼發現克拉通被破壞掉了呢？這個還得從上面的金剛石說起。前面提到，金剛石一般出現在穩定的克拉通地區，指示克拉通的厚度可以達到150公裡至200公裡。在四五億年前，華北克拉通零星地出現了幾次火山噴發，比如山東蒙陰、遼寧瓦房店等地，噴出的岩漿就是含有金剛石的金伯利岩，這是華北克拉通曾經很厚的直接証據。而大約在1.5億年之后，華北再沒有出現過這種岩石。不僅如此，華北開始變得很不穩定：火山頻繁，斷裂發育，構造活動十分活躍。這之后，華北克拉通的東部大量噴出玄武岩，其性質與古老的克拉通已經完全不同，在克拉通破壞最嚴重的時候，其厚度可能隻有60公裡。進入新生代（6500萬年）以來，克拉通又有了少許的生長，到現今厚度僅有60公裡至80公裡。

　　克拉通破壞的后果也很嚴重。在破壞之前，華北克拉通地質活動很微弱，十幾億年的時間內，火山、斷裂活動都很稀少。破壞以后，情況就發生了很大的變化。早在2億年前的侏羅紀，華北克拉通主體上是高原，當時青藏高原還是一片汪洋，地勢上是東高西低，大河向西流。而破壞之后，華北克拉通東部就開始下沉，形成太行山橫亙中央，克拉通截然變為東西兩部分。而且，火山活動十分頻繁，山東、遼寧、山西等地都曾有大規模火山活動，隻不過至現今，火山已大都不再活動了。深部的地質活動也會在地表有響應，主要就是活動斷層發育，地震多發。僅在近幾十年，唐山地震、邢台地震、海城地震等，就給中國帶來了沉重的災難。而更早一些，比如康熙年間，郯城地震、三河—平谷地震，也都是造成了幾十萬人死亡的大災難。這些，在華北克拉通的東部已經上演了上億年，而且仍舊會繼續下去。

　　另一方面，克拉通破壞使得地殼下降，形成了多個凹陷盆地。這些盆地中形成的沉積地層，是非常好的儲油層，儲存了大量的石油，是中國最重要的產油區之一。

　　什麼原因導致了華北克拉通破壞

　　到底是什麼原因導致了華北克拉通的破壞？它是以什麼樣的方式被破壞掉的？這些問題在今天仍舊沒有得到十分完美的答案。

　　華北克拉通的破壞，首先是強烈的減薄，厚度由原來的200公裡變成后來的60公裡至80公裡，一下子少了100多公裡。一種解釋是，這麼一大塊東西直接掉下去了，掉到了更深的地幔裡面去了。另外一種解釋是，從地幔更深層涌上來的富含流體的物質把原來的克拉通給改造了，一部分給侵蝕掉了。不管哪種解釋，都和華北克拉通所處的地質構造背景直接相關。

　　曾經的華北克拉通，是四面臨海：北部是古亞洲洋，南部是古秦嶺洋，西部是古祁連洋，而東部就是太平洋。隨著時間的推移，古亞洲洋、秦嶺洋和祁連洋都消失了。這些大洋板塊都俯沖到了華北克拉通的下面及周圍，這些消失的板塊與華北克拉通的碰撞，會對它造成很大的震動。而太平洋板塊的俯沖，可能影響更大。

　　大約在2億年前左右，古太平洋開始向亞歐板塊俯沖，這是對東亞地區構造環境持續影響至今的一個地質事件。那個時候，太平洋俯沖的位置比現在要靠近亞洲大陸，日本列島尚未從亞歐板塊分離出去，中國的東部直接暴露在俯沖活動影響的最前緣。當時整個中國東部，火山頻發，地震眾多，一如今天的日本。后來，日本海形成，俯沖前緣后撤，中國東部的地質活動才有所緩和。

　　華北克拉通周邊的俯沖活動帶下去了許多的流體，這些流體就像潤滑劑一樣，使得克拉通比較容易遭受破壞，逐漸變薄，繼而被破壞。但是，變薄的范圍基本局限在克拉通的東部，即太行山以東，而以西地區變化則不明顯。

　　延伸閱讀

　　拼圖中國

　　我國的陸地面積有960萬平方公裡，平原、高原，丘陵、山地，各種地貌景觀十分齊備，這得益於我國復雜的地質構造演化史。

　　我國大陸主要由三塊克拉通組成，分別是華北克拉通、揚子克拉通和塔裡木克拉通。其中，揚子克拉通主要包括四川、湖北、貴州以及雲南東部、江蘇和安徽南部地區，而塔裡木克拉通主體就是塔裡木盆地。在歷史上，這幾塊區域曾經相距甚遠，隔著大洋，甚至分屬南北半球。大約從4億年前開始，這幾塊陸地逐漸匯聚，拼合成中國的主體，這一過程大約持續了一億年。在華北和塔裡木的北邊，存在著廣闊的古亞洲洋，也是大約在這一時間閉合的。

　　在更早些時候，大約10億年前，廣大的華南地區，即浙江、湖南及其以南的地區，被稱為華夏古陸，拼合到了揚子克拉通之上，一起組成了今天中國版圖上的南方和西南地區。而青藏高原就更為復雜一些，其實可以看作是由好幾個大島組成的，最后一塊就是南來的印度板塊。（賈斌）