论文信息：Xu, Y., Zhang, Y., Yang, B., & Bao, X. (2022). Phanerozoic Evolution of Lithospheric Structures of the North China Craton. Geophysical Research Letters, 49, e2022GL098341. https://doi.org/10.1029/2022GL098341

克拉通岩石圈如何被改造，是固体地球科学长期争论的话题。华北克拉通（NCC）凭借几十年密集的地震学、年代学与岩石学投入，被公认为研究克拉通岩石圈改造机制的最佳天然实验室。本文由浙江大学徐义贤团队完成，本文作者之一张壹（第二作者）参与本文的数据整理。作者提出了一种从现今岩石圈结构反演古生代岩石圈结构的均衡方法，给出了华北克拉通显生宙岩石圈演化的非均匀图景，并揭示了由深部热流驱动的岩石圈"冷却—加厚 / 加热—减薄"自激振荡行为。下面围绕这篇 GRL 论文，梳理其动机、方法与主要结论。

研究背景：克拉通岩石圈减薄机制之争

克拉通是长期构造稳定、自约 25 亿年以来几乎未变形的古老大陆。华北克拉通在约 480 Ma 时仍保持稳定，其基于金伯利岩中深源捕虏体确定的岩石圈厚达约 200 km；然而大量研究表明，其岩石圈已遭受显著改造——尤其是东部陆块（EB）的岩石圈已减薄至仅约 70 km，远薄于典型克拉通岩石圈的厚度。

对克拉通岩石圈改造的驱动机制目前并无共识：一种观点强调周缘板片俯冲（如华北周缘俯冲）与地幔柱上涌引发的热机械侵蚀（thermomechanical erosion）是主因；另一种则认为，仅由地球稳定的传导热流出地即可驱动岩石圈经历冷却/加厚与加热/减薄的周期性演化（Houseman & Houseman, 2010 数值试验）。长期以来缺少在改造发生前重建岩石圈结构的有效方法，导致各机制在"被摧毁"的克拉通中所起的作用难以厘清。本文正是针对这一空缺，首次尝试把评估造山带塌陷历史的均衡方法推广到可被视为古老造山带的克拉通上。

方法：由现今结构反演古生代岩石圈结构

论文的核心是一套基于均衡与稳态热传导的分析方法。研究区选在华北克拉通核心区（108°–118°E，34°–40°N），现今地壳厚度与岩石圈厚度由 1732 个台站的 P、S 波接收函数成像提供，现今莫霍温度取自已有热流—岩石圈结构研究。

作者沿用 Sandiford & Powell（1990）的 fc − f l 参数化：令 fc、f l 分别为变形前后地壳、岩石圈厚度之比，则岩石圈的演化可由地温场与重力场所控制的高程变化、形变后各深度的温度来刻画。在此基础上，作者扩展了 Nelson（1992） 由均衡理论建立的"造山带塌陷前后结构联系"公式（本文还修正了其附录中缺失的一项），从而在重力均衡与稳态热传导同时满足的假设下，把地壳加厚/减薄与岩石圈加厚/减薄关联起来。当岩石圈改造前的壳-岩比 ψ0 已知（本文取 0.267，接近稳定北美克拉通平均值）时，即可解出改造前的古生代地壳厚度与岩石圈厚度，以及恢复后的莫霍温度。

作者还依据热力学与力学反馈的自激振荡理论（Houseman & Houseman, 2010）推导了岩石圈自持振荡周期表达式 τ = 2π/√(ψ0² ξ P (1−P))，其中 ξ 为热松弛时间与力学黏滞松弛时间之比，P 由地壳、岩石圈密度差决定。代入华北三个块体的恢复结构与 GPS 应变率估计的黏度，即可计算各块体的理论振荡周期。

主要结果：东部减薄、北缘与腹地增厚的非均匀格局

由求解得恢复的古生代岩石圈结构（图1右列）与现今结构对比，结果表明华北克拉通的岩石圈改造显著非均匀：

  • 大规模减薄仅出现在东部陆块（EB），其减薄比达 40% 以上，对应中生代变质核杂岩出露与活跃岩浆活动，反映岩石圈根的移除；华北陆块（WB）北部与横华北造山带（TNCO）北部也减薄 >25%。
  • 值得注意的是，存在两个显著增厚的区域：鄂尔多斯盆地北缘增厚 >20%，以及渭北隆起—南太行山隆起一带大部分地区增厚 >20%。WB 与 TNCO 中部则仅轻微减薄。
现今与古生代岩石圈结构对比
图1　现今（左列）与恢复的古生代（右列）岩石圈结构（引自论文 Figure 2）

(a)-(c) 现今地壳厚度、岩石圈厚度与莫霍温度；(d)-(f) 恢复的古生代地壳厚度、岩石圈厚度与莫霍温度。可见东部陆块大规模减薄、鄂尔多斯北缘与渭北—南太行一带显著增厚。

对三个块体取平均，WB、EB、TNCO 恢复的古生代地壳厚度约为 41.5、34.8、38.8 km，对应岩石圈厚度约 155、130、145 km。代入振荡周期公式，得到三者的自持振荡周期分别为 222、166、100 Ma——这些理论值与实际观测高度吻合：

  • WB（鄂尔多斯盆地）：地层柱计算的沉积速率在约 470 与 250 Ma 出现极值、周期约 220 Ma（Qi et al., 2020），与理论上 222 Ma 一致；
  • TNCO：下地壳玄武岩底侵事件呈现典型振荡行为，周期约 100 Ma（Shao et al., 2020），与理论上 100 Ma 一致；
  • EB：玄武岩侵入年龄呈单峰，与 166 Ma 的理论周期难以对应，说明该峰与古太平洋（PP）俯冲直接相关（Zhang, 2012），即 EB 的自持振荡周期被 PP 俯冲这一外部因素"重置"了。

讨论与物理解释：热传导主导的改造，外部因素调节周期

在 fc − f l 平面中，所有台站的计算结果构成一条弧线，地壳厚度改变量远小于岩石圈厚度改变量，说明华北岩石圈的改造主要发生于岩石圈地幔。比值 0.27 严格区分了减薄区与增厚区——所有增厚区都被 0.27 所包围，这也正是 Houseman & Houseman（2010）所确定的约束自持振荡的临界值；而比值 >0.36 的区域恰与大规模减薄（>25%）区域重合。

对不同增厚区的成因，作者结合地震宽角反射/折射长剖面给出了物理解释（图2）：

  • 鄂尔多斯北缘：莫霍下方紧跟高 P 波速度层（8.25–8.35 km/s，对应石榴石橄榄岩），约 75 km 深处速度跳升至 8.35–8.45 km/s（榴辉岩化），莫霍温度自显生宙以来降低——这种以均匀底侵加下地壳冷却为主的增厚，可能与古亚洲洋（PAO）及蒙古—鄂霍茨克洋闭合的汇聚有关；
  • 渭北隆起：约 65 km 深处速度由尖晶石橄榄岩突变为难熔（富 Mg）石榴石橄榄岩，莫霍温度降低——增厚源于秦岭—大别造山带北移的汇聚增厚，并叠加新生代青藏高原东北缘的推挤；
  • 南太行山隆起：同样显示汇聚增厚特征，但因改造前地壳（~35 km）与岩石圈（~135 km）均薄于全球稳定克拉通均值，作者认为其增厚更多反映了克拉通由加热/减薄向冷却/加厚转变的自持振荡行为。

综合而言，作者将显生宙华北岩石圈改造归纳为四种类型：均匀增厚（鄂尔多斯北缘）、汇聚增厚（渭北、南太行）、均匀减薄（TNCO 与 WB 中部）与大规模减薄（东部 EB 及研究区北缘）。基于这些证据，作者主张：克拉通岩石圈的改造本质上源于穿过上覆岩石圈"热屏障"的深部热传导与耗散，是一个动力学过程；而地幔柱冲击与洋壳俯冲等外部因素可以改变克拉通岩石圈的自持振荡周期——对于华北，这一周期在 EB 被古太平洋俯冲所重置。

华北克拉通岩石圈变化示意
图2　显生宙以来华北克拉通岩石圈结构的变化（引自论文 Figure 4）

(a)(b) 现今与恢复的古生代 LAB 分布的三维透视图（分别自西南、东北方向观察）；(c)(d) 典型岩石圈柱体的卡通示意，刻画均匀增厚、汇聚增厚、均匀减薄与大规模减薄等不同改造类型。

结论与展望

本文把"造山带塌陷"的均衡分析思路推广到克拉通，从现今地壳/岩石圈厚度反演出古生代结构，得出三点主要认识：其一，显生宙以来华北克拉通仅东部陆块发生大规模减薄，而鄂尔多斯北缘与渭北—南太行一带发生显著增厚，其余区域多为均匀减薄；其二，由恢复结构计算的三个块体自持振荡周期（222、166、100 Ma）与鄂尔多斯沉积速率及 TNCO 底侵事件的周期性吻合良好；其三，克拉通改造主要由穿越岩石圈热屏障的深部热传导与耗散驱动（属动力学过程），周缘俯冲等外部因素可调节其周期。

这项工作的假设前提是岩石圈各柱在改造前后均处于稳态热传导与重力均衡，因此属于一阶近似；作者也指出，振荡周期对岩石圈有效黏度等参数较为敏感（黏度 10% 的偏差可引起周期约 5% 的变化）。作为开放信息，其数据均来自已发表的地震学、热流与年代学成果，便于后续以更精细的多观测约束加以检验。

延伸阅读与引用

本文为对该论文的中文解读，图片均引自论文原文。