地幔柱作用与岩石圈改造_以塔里木克拉通为例_向宵.pdf

2023 年第 38 卷 第1期2023，38(1):0086-0100地球物理学进展Progress in Geophysicshttp:/wwwprogeophyscnISSN 1004-2903CN 11-2982/P向宵，陈林，卢少康，等 2023 地幔柱作用与岩石圈改造:以塔里木克拉通为例 地球物理学进展，38(1):0086-0100，doi:10 6038/pg2023GG0099XIANG Xiao，CHEN Lin，LU ShaoKang，et al 2023 Mantle plume impingement and lithosphere rejuvenation:a case of Tarim craton Progress inGeophysics(in Chinese)，38(1):0086-0100，doi:10 6038/pg2023GG0099地幔柱作用与岩石圈改造:以塔里木克拉通为例Mantle plume impingement and lithosphere rejuvenation:a case of Tarim craton向宵1，2，陈林1*，卢少康1，2，颜智勇1，唐嘉萱1，2XIANG Xiao1，2，CHEN Lin1*，LU ShaoKang1，2，YAN ZhiYong1，TANG JiaXuan1，2收稿日期2022-06-04;修回日期2022-11-21投稿网址http:/www progeophys cn基金项目国家自然科学基金项目(91955311，41974110)和国家重点研发计划项目(2022YFF0800800)资助第一作者简介向宵，女，1997 年生，硕士研究生，主要从事地球动力学数值模拟研究 E-mail:xiangxiao19 mails ucas ac cn*通讯作者陈林，男，研究员，博士生导师，主要从事地球动力学及地表响应的数值模拟研究 E-mail:chenlin mail iggcas ac cn1 中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室，北京1000292 中国科学院大学地球科学学院，北京1000491 State Key Laboratory of Lithospheric Evolution，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing100029，China2 College of Earth Science，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China摘要克拉通是稳定的大陆块体，形成于太古代，具有巨厚的岩石圈地幔根，其厚度多大于 200 km 地幔热柱作用早期会显著减薄岩石圈地幔、降低岩石圈强度，现有地震和地幔捕虏体数据资料显示，克拉通经历过地幔柱作用后仍有超过 150 km 厚的稳定岩石圈地幔根，其岩石圈地幔根的主要物质成分是亏损的橄榄岩，岩石圈的强度仍旧保持高强度 这一现象具有全球效应，如北美 Slave 克拉通和非洲南部 Kaapvaal 克拉通均经历了这一过程 本文系统地归纳总结了地幔柱作用前后岩石圈典型特征，并结合相应阶段的构造响应发现:稳定的克拉通在地幔柱的作用下岩石圈会发生强烈的改造，伴随地表岩浆活动和克拉通岩石圈的减薄和弱化;而后亏损的地幔柱熔融残余物会重新加厚和增强岩石圈地幔 岩浆岩记录的地球化学资料显示，塔里木岩石圈在二叠纪时期经历了严重的改造过程;而岩石圈深部结构的地震、地热和大地电磁资料显示，现今塔里木岩石圈厚度约为 150 km 塔里木岩石圈在新生代印度欧亚大陆碰撞背景下仍旧表现出刚性的特征，塔里木岩石圈的增厚与增强是塔里木早二叠世地幔柱作用的结果 文章最后讨论了塔里木岩石圈减AbstractCratons are stable continental blocks，formed inArchean，with thick lithospheric mantle roots which mostlyexceed200kmHotmantleplumecanthinthelithospheric mantle significantly and lower lithosphericstrength in the early stage However，the present seismicand mantle xenolith data show that some cratons still havestable thick lithospheric mantle roots of over 150 km afterexperiencing convective erosion and destruction of mantleplumeTheir roots are mainly composed of depletedperidotite and their mantle lithospheres still maintain highstrengthThis phenomenon can be observed globally，including the Slave craton in North America and theKaapvaal craton in South Africa This paper systematicallysummarizes the typical characteristics of pre-/post-mantleplume activity The tectonic responses of the correspondingstage are as follows:a stable craton lithosphere can bemodified due to plume upwelling，accompanied by surfacemagmatism and thinning and weakening of the lithosphere，then melt-depleted plume residues can re-thicken and re-strengthen the lithosphere The geochemical data recordedin magmaticrocksshowthattheTarimlithosphereexperienced a serious modification process during theperiodofPermianTheseismic，geothermalandmagnetotelluric data of deep lithosphere structure show thatthe lithospheric thickness beneath the Tarim is about 150km The Tarim lithosphere still behaved like a rigid blockin the context of the Cenozoic India-Asia collision The2023，38(1)向宵，等:地幔柱作用与岩石圈改造:以塔里木克拉通为例(www progeophys cn)薄到再增厚的过程，并提出初步的模式关键词地幔柱;岩石圈厚度;岩石圈强度;塔里木中图分类号P315文献标识码Adoi:10 6038/pg2023GG0099re-thickening and re-strengthening of the Tarim lithosphereis caused by the early Permian mantle plumeTheprocesses fromthinningtothickeningoftheTarimlithosphere are discussed and a preliminary model isproposed at the end of this paperKeywordsMantleplume;Lithosphericthickness;Lithospheric strength;Tarim0引言克拉通源于希腊语“kratos”，意为“强度”，通常被认为是岩石圈或地壳内部自太古代以来基本未遭受明显变形的大陆区域(Hoffman，1988)，在全球广泛分布(图1)作为地球上长期存在的古老构造单元，组成其岩石圈根的橄榄岩熔融剩余物主要是通过相对低压的熔融作用产生，并通过侧向增生和挤压作用加厚输送到更深处(Lee et al，2011;Pearson et al，2021;Zhuet al，2021)形成的150 250 km 的巨厚岩石圈根对上覆地壳有支撑和保护作用，表现出厚、冷、强的特点，不易产生构造变形，具有超过 10 亿年的稳定性(表1;Zhu et al，2021;Pearson et al，2021)这些特征体现在其内部存在含金刚石的金伯利岩(Haggerty，1994)、深部200 km 处的地震高速异常(Gung et al，2003)、径向热化学分层的地震各向异性(Yuan andomanowicz，2010)、低热流(Mareschal and Jaupart，2004)、低密度和高黏度(Jordan，1978)等现象图 1全球大陆地幔岩石圈的 S 波层析成像确定的克拉通区域橙色曲线表示太古代陆核，紫红色曲线表示由多个太古代陆核/克拉通组成的复合克拉通，黄黑色曲线表示由多个复合克拉通组成的超级克拉通(据 Pearson et al，2021)Fig 1Defining cratonic regions with S-wave tomography of global continental mantle lithosphereThe orange curves represent Archean nuclei Composite cratons(purple lines mixed with white)comprise multiple Archean nuclei/cratonsThe supercratons(yellow lines mixed with black)comprise multiple composite cratons(according to Pearson et al，2021)78地球物理学进展www progeophys cn2023，38(1)表 1大陆和海洋岩石圈以及软流圈的物性对比(据 Zhu et al，2021)Table 1Comparisons of physical properties among continental and oceanic lithosphere andasthenosphere(according to Zhu et al，2021)大陆岩石圈克拉通参数太古代元古代显生宙100 200 Ma 大洋岩石圈软流圈地壳厚度/km35 5035 5015 807岩石圈厚度/km150 250150 25050 180100地壳密度/(kg/m3)2700 28002700 28002700 28002900 30003390岩石圈地幔根密度/(kg/m3)3300 33303330 33703340 33903350 3380平均热流/(mW/m2)41485848 54镁含量92 9491.5 92.59090 9189.3水含量/(mg/kg)24 100(大多数 30 50或 橄榄岩中 10)50 10050 10050 200(橄榄岩中 50 20)大量研究表明克拉通在形成后其岩石圈地幔会遭受强烈的交代作用(Xu，20