“克拉通形成与破坏国际学术研讨会”在京召开

2011-5-09 09:14 来源: 科学时报
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“中国科学家在华北克拉通破坏方面的研究成果令人折服”
华北克拉通研究提振地学强国梦

  5.4亿年前的早期寒武纪,地球将一份酝酿了几十亿年的礼物赠给了还远未出世的人类。

  这份礼物就是地球上最稳定的地质结构——克拉通。

  大陆和大洋是地球表面最大的两个构造单元,大陆即是由造山带将原本不相连的克拉通“焊接”而成的。占陆地表面积50%的克拉通为人类提供了广袤而又安全的家园,古老克拉通厚达200多公里的岩石圈,使其能够免遭地质作用的破坏而保持长期稳定,没有明显的地震和火山活动。

  随着科学技术的进步,地球科学家逐渐认识到古老克拉通也并不能永久保持稳定,它也会被改造甚至被破坏。

  我国的华北克拉通就是典型的一个例子。自中生代以来,华北克拉通遭受了强烈的改造和破坏,不仅发生了大规模的岩浆活动和成矿作用,而且大地震频发。科学和人类社会发展都要求地球科学家破解稳定克拉通破坏之谜。

  日前在中科院地质与地球物理研究所召开的“克拉通形成与破坏国际学术研讨会”上,这个谜题将全球200多名顶尖地球科学家聚集在一起,进行了一场跨越几十亿年历史的时空对话。

特立独行的华北克拉通

  20世纪地球科学最重要的成就——板块构造理论成功地解释了大洋岩石圈的形成和演化过程,但却无法合理解释人类赖以生存的大陆的形成与演化中许多重要的地质过程。这也就是为什么保存着地球44亿年秘密的克拉通,一直是地球科学领域经久不衰的前沿研究课题。

  稳定的克拉通遭到破坏或改造还是人类认知中认识相当有限的一种地质现象,对该现象的探索能够为认识大陆的形成演化及其资源环境效应、构筑更完善的地球形成与演化理论体系提供新的突破口。

  对西伯利亚、东欧、北美、南美、南非和澳大利亚等地区克拉通的研究表明,尽管这些克拉通有时也会发生局部改造甚至岩石圈减薄,但它们仍具有稳定的特性。

  相比之下,华北克拉通则亲历了地质史上形形色色的巨变。自18亿年前华北克拉通形成后至古生代,它一直保持相对稳定,并存在厚度约为200公里的太古宙岩石圈。

  然而,自晚古生代以来,华北克拉通东部有100多公里厚的岩石圈消失了。在火山喷发后留下的玄武岩中,科学家们找到了被岩浆携带到地表上的地幔橄榄岩。对这些橄榄岩进行研究后,科学家发现,至少在有火山岩出露的地区,如今的华北克拉通岩石圈厚度只剩下了大约60~80公里。

  地球科学家利用地震波对地球内部的透视功能,进一步确认华北克拉通东部整体岩石圈厚度确实小于100公里。

  更重要的是,华北克拉通丢失的不仅仅是岩石圈厚度,其岩石圈地幔的物理和化学性质也发生了根本性的改变。这些迹象告诉人们,华北克拉通东部从整体上遭到了破坏,而不是简单的改造。

  在地下发生这场剧变的同时,地表也俨然一片沧海桑田。

  一方面,华北克拉通东部成为现今活跃的地震带,唐山大地震就发生在这里;另一方面,伴随华北克拉通的破坏,岩石圈构造伸展作用形成了范围广大的渤海湾盆地,沉积了大量的石油和天然气资源。同时,在克拉通破坏过程中,中生代大量的岩浆活动也造就了华北地区众多的多金属矿床资源,如金矿和钼矿。

  “从这方面讲,华北克拉通的破坏不仅仅会带来地震灾难、火山喷发等‘坏事’,也会带来可观的经济效益。”中科院地质与地球物理研究所研究员张宏福告诉《科学时报》记者。

  而从科学角度上说,对华北克拉通破坏的探索也有望成为打开大陆地质大门的钥匙。来自英国伦敦大学皇家霍洛威学院(Royal Holloway University of London)的地球科学家Martin Menzies认为,华北克拉通是“研究克拉通活化和岩石圈形成与演化机制及其时空效应独一无二的试验平台和理想场所”。

  本次会议主席、中科院院士朱日祥对此表示赞同。他说,如果人们能真正理解华北克拉通的形成和破坏,对全球其他克拉通乃至整个大陆形成和演化的研究都具有极其重要的推动作用。

破解华北克拉通之谜

  2007年,国家自然科学基金委投入1.5亿元人民币,部署实施了“华北克拉通破坏”重大研究计划。这个为期8年的科学计划几乎覆盖了地球科学所有主要的学科大类,参加人数近千。

  4年来,该计划共资助了46个重点科研项目,凝聚了长期从事华北克拉通研究的科研力量,吸引了不同学科、不同单位甚至不同国家科学家的参与。

  这一研究计划集中我国在地球科学、数理科学和信息科学等领域的优势研究力量,围绕“华北克拉通破坏”这一核心科学问题,短短几年内就在大陆形成演化等基础性和前瞻性研究领域取得了许多重要进展。通过地震探测和沿探测剖面的地质—地球化学研究,研究人员发现华北克拉通东、西部地壳与岩石圈地幔结构存在着显著差异,证明华北克拉通破坏主要发生在太行山及其以东的华北东部。

  通过大量高精度年代学数据测定和地质体属性研究,华北克拉通破坏的主要年代被定格在晚中生代,并以1.25亿年的早白垩世为破坏的高峰时间。

  通过对整个区域地质—地球物理—地球化学的综合研究发现,华北克拉通不仅仅表现为岩石圈的减薄,而且还伴随岩石圈性质与结构的重大变化与重组。这一结果与之前的假说和模型有所不同。因为实际上,有些岩石圈减薄的克拉通仍能保持稳定的属性。

  那么克拉通破坏的原因究竟何在?在重大研究计划的实施中,我国地球科学家逐步认识到,在早白垩世全球地幔整体升温背景下,太平洋板块俯冲脱水等物理化学作用过程,使克拉通东部地幔对流系统失稳,从而导致了华北克拉通东部的破坏。

从区域问题到国际热点

  这些成果吸引了全球科学家的目光,也将“华北克拉通破坏”研究推向了国际地球科学的最前沿。在最近Web of Sciences对国际固体地球科学发展的综合统计中,“华北克拉通破坏”名列第三。

  在全球所有的克拉通中,华北克拉通算不上是很大的一块,但却是极为重要的一块。“华北克拉通破坏是一个非常典型的现象。但如果只有华北发生了破坏,那它只能是一个区域性问题。”张宏福解释称,“其实全球许多克拉通都多多少少发生了破坏,只是程度有大有小,表现没有这么强烈罢了。所以这是一个全球性的问题。”

  事实上,华北克拉通近年来正在成为不少欧美科学家举办国际会议专题和在各自国家申请自然科学基金的重点议题。美国地球物理联合会(AGU)每年都举办“华北克拉通破坏”的专题研讨。参加本次国际研讨会的国外学者也超过了70人,而且不仅仅局限在华北克拉通的研究领域。

  本次会议聚集了包括中科院院士、英国皇家科学院院士、美国科学院院士、澳大利亚科学院院士、挪威科学院院士在内的全球最顶尖的地球科学家。20多年前涉足这一科学命题的范蔚茗、William Griffin、Martin Menzies,倡导和组织克拉通破坏研究的朱日祥,地球动力学、岩石学、地震学大师Dan Mckenzie、Roberta Rudnick、Robert van der Hilst等均悉数参会。

  会议上,朱日祥在开幕报告中提出的华南大陆再造和特提斯造山带演化的大陆动力学前沿研究设想,获得了国际同行的赞同。20多年前来到中国研究华北克拉通的英国和澳大利亚科学家建议“应由中国科学家来组织这两个科学问题的国际合作研究”。许多外国科学家也赞叹会议内容“太令人兴奋”、“中国科学家在华北克拉通破坏的研究成果令人折服”。

  言下之意,华北克拉通已经成为了一个名副其实的国际学术热点,也成为中国科学家为全球地球科学事业作出更多贡献的重要突破口。

  国家自然科学基金委地学部主任柴育成对这样的未来深信不疑。他说:“华北克拉通是一个非常独特的地区,相信对华北克拉通的研究,以及与世界其他地区克拉通的对比性研究,将会对整个地球科学的研究作出重要贡献。”

  华北克拉通就像是一个漫长的预言,吸引着全世界地球科学家的注意力。而中国学者也很想抓住这次契机,帮助中国尽快从地学大国跨入地学强国的行列。