​Nature 综述: 克拉通岩石圈地幔的起源与演化(Deep continental roots ...

本文来源: 北地科技 公众号

克拉通（craton）是指前寒武纪形成的稳定陆块，在其深部存在巨厚（~150-250 km）的岩石圈地幔（山根）从而可以抵御长期的构造-岩浆活动的破坏。全球大陆地表超过60%的区域被克拉通地壳所覆盖，超过90%的金（Au）、铂（Pt）矿床，和几乎全部的天然金刚石矿床均产自克拉通地区。因此了解克拉通岩石圈地幔的起源和演化对于理解早期地球的壳幔物质循环、地貌形态、圈层耦合以及稀贵金属、金刚石矿床的勘察具有重要意义。

克拉通的定义、起源和演化一直是地幔岩石学研究的热点。针对该科学问题，加拿大阿尔伯塔大学Graham Pearson教授团队及其国际合作者（其中就包括本推送的作者——中国地质大学（北京）刘金高教授），系统搜集了近年来文献报道的克拉通地幔橄榄岩地球化学数据，总结了克拉通岩石圈地幔的成分、结构、物理性质、形成时代及其和地壳的耦合关系，更新了克拉通的定义，并结合地球动力学数值模拟，总结并揭示了克拉通的起源及其演化过程。

克拉通在传统意义上被认为是具有太古代（>2.5 Ga）结晶基底并长期保持稳定的古老陆块。而近年来的研究表明克拉通岩石圈地幔在形成后并非一直保持稳定，它也会经历大规模的改造，形成复合/超级克拉通。因而，本文重新定义克拉通是形成于前寒武纪（>1 Ga）拥有着巨厚岩石圈地幔（150-250 km）的陆块。它们在地震波速图谱中表现出明显的正异常，占据了大陆地表约63%的面积（图1）。

岩石圈地幔的主要组成物质是地幔橄榄岩。地幔橄榄岩经过熔体抽取后会亏损玄武质组分（比如，Al₂O₃、FeO、CaO等），由二辉橄榄岩逐渐转化为方辉橄榄岩乃至纯橄岩。该过程中，橄榄岩的密度逐渐减小而粘度逐渐增加，这两个物理性质的改变也是岩石圈地幔能长期保持稳定的关键因素。学界对于岩石圈地幔的成因机制存在较大争议。目前有两种主要的观点：(1) 地幔柱纵向增生模型(Griffin et al., 2009)，即地幔柱上涌致使地幔发生高压高程度部分熔融，熔融的残余体堆积加厚形成巨厚的岩石圈地幔。（2）俯冲侧向增生模型 (Pearson & Wittig, 2008; Wang et al., 2018; Scott et al., 2019)。在洋中脊/裂谷环境中，地幔先发生低压部分熔融后又经历俯冲背景下的侧向挤压，导致岩石圈地幔的加厚。

图1 全球主要克拉通位置及其地震波相对波速等值线图

本文作者支持克拉通俯冲侧向增生模型，并总结了以下四条主要原因：（1）全球大部分克拉通地幔橄榄岩全岩重稀土和过渡金属成分符合低压部分熔融的模拟曲线（<5 GPa）（图2）；（2）克拉通地幔橄榄岩中常发育高Cr石榴子石和P-型金刚石，这些矿物的形成指示橄榄岩在经历低压亏损后又经历了高压变质作用；（3）地幔橄榄岩熔融亏损程度（可用橄榄石的Mg#表征）从太古代至今逐渐降低，这与地幔潜热温度的变化一致，表明克拉通岩石圈地幔的形成并不需要地幔柱提供额外的热量；（4）地球动力学数值模拟结果表明地幔柱底侵熔融后的残余体在形成后会快速分散到岩石圈底部，无法堆积形成巨厚的岩石圈地幔。相反，只有侧向的挤压作用才可以导致熔融残余体的堆叠和加厚（图3）。

图2 地幔橄榄岩全岩Yb vs. 全岩Al/Mg摩尔比值，用于判断地幔部分熔融的压力与深度

俯冲侧向增生模型也得到了大量地质证据的支持, 比如，在岩石圈地幔形成/稳定的同时期，地表常发育大规模造山带（逆冲断层、榴辉岩相变质岩石）和后碰撞的花岗岩。尽管在部分地区（例如北美Slave克拉通）的岩石圈地幔存在地幔柱的减薄和再克拉通化过程（Liu et al., 2021），这一过程也许是克拉通山根修复过程非常重要的机制，但是地幔柱模型仍然无法解释全球所观察到的大规模巨厚克拉通岩石圈的形成。

图3 地球动力学模拟岩石圈地幔加厚过程。（a, b）侧向挤压增生模型（c, d）地幔柱纵向增生模型

克拉通岩石圈地幔形成与稳定之后也会经历大洋俯冲的改造，这一过程也表现在改造后的克拉通岩石圈地幔与现今大洋岩石圈地幔具有相同的Re亏损Os同位素模式（T_RD）峰期年龄（图4）。并且，由于俯冲作用相关的熔/流体改造，克拉通岩石圈地幔会发生软化、失稳，为后续的克拉通破坏（比如著名的华北克拉通破坏）甚至修复提供了前提。

再者，克拉通岩石圈地幔和地壳在形成和演化过程中普遍具有关联性。例如南非Kaapvaal克拉通的地壳和岩石圈地幔都主要形成在太古代。而在Kaapvaal克拉通的中部Premier地区发现了古元古代（T_RD ~2.0 Ga）的岩石圈地幔，同时期（~2.05 Ga）的地壳也形成了世界上最大的层状侵入杂岩体—布什维尔徳杂岩体（Bushveld Complex），这表明克拉通岩石圈地幔和地壳长期保持圈层耦合。但近年来的研究发现岩石圈壳幔演化也存在不耦合性的例子。例如，地球上最古老的地壳形成于冥古宙，但岩石圈地幔的形成与保存时间明显滞后于地壳，集中形成于古-新太古代和古元古代，且它的生长速率和地壳的生长速率不同（图4），表明克拉通壳幔在成因上存在差异，甚至联系可能并不紧密。尽管克拉通岩石圈壳幔的耦合性尚存争议，但是巨厚岩石圈的形成/稳定对于克拉通大陆地壳的保存至关重要（例如天然金刚石矿床的保存），同时也解释了为何大型金属矿床常常出现在克拉通边缘或经历过岩石圈破坏和置换的区域。

图4 a 太古代地幔、元古代地幔、改造克拉通地幔和现代大洋地幔橄榄岩T_RD概率密度图；b 地幔橄榄岩中橄榄石Mg值与克拉通岩石圈地幔T_RD的关系

基于上述认识，作者指出未来针对克拉通岩石圈地幔的研究可能有以下几个方向：（1）现代俯冲带（岛弧）背景下，也有亏损难熔的岩石圈地幔的形成（例如地球上最年轻的大陆Zealandia）。了解它们的形成过程对于理解古老岩石圈地幔的形成具有启发意义；（2）岩石圈地幔在地幔柱的影响下可以发生减薄和愈合，但判断地幔柱究竟是破坏还是愈合岩石圈的控制因素尚不明确；（3）克拉通岩石圈地幔在成熟稳定的同期也剧烈地改变了地表的地貌形态。岩石圈地幔的何种特殊属性导致了早期地球地貌形态的变化需要进一步的探究和挖掘。

本文不仅仅是一篇综述，而是综合地球化学、地球物理和数值模拟等证据，在克拉通的定义、性质和形成机制以及壳幔耦合关系等方面，对前人的工作提出了挑战，并给出了原创性的见解与思考。该研究对于从事地幔研究的学者乃至非地质工作者了解并认识克拉通提供了重要参考。

上述综述成果发表在《Nature》正刊：D. Graham Pearson*, James M. Scott, Jingao Liu (刘金高), Andrew Schaeffer, Lawrence Hongliang Wang, Jeroen van Hunen, Kristoffer Szilas, Thomas Chacko1 & Peter B. Kelemen. Deep continental roots and cratons. Nature 596, 199- 210 (2021); https://doi.org/10.1038/s41586-021-03600-5

参考文献：

Griffin, W. L., O’Reilly, S. Y., Afonso, J. C. & Begg, G. C. The composition and evolution of lithospheric mantle: a re-evaluation and its tectonic implications. J. Petrol. 50, 1185–1204 (2009).

Liu, J., Pearson, D.G., Wang, L.H., Mather, K.A., Kjarsgaard, B.A., Schaeffer, A.J., Irvine, G.J., Kopylova, M.G. and Armstrong, J.P. (2021) Plume-driven recratonization of deep continental lithospheric mantle. Nature 592, 732-736.

Scott, J.M., Liu, J., Pearson, D.G., Harris, G.A., Czertowicz, T.A., Woodland, S.J., Riches, A.J.V. and Luth, R.W. (2019) Continent stabilisation by lateral accretion of subduction zone-processed depleted mantle residues; insights from Zealandia. Earth and Planetary Science Letters 507, 175-186.

Wang, H., van Hunen, J. & Pearson, D. G. (2018) Making Archean cratonic roots by lateral compression: a two-stage thickening and stabilization model. Tectonophysics 746, 562–571.