2020, Vol. 40
2. 蒙城地球物理国家野外科学观测研究站，合肥市金寨路96号，230026
研究表明，华北克拉通东部在中生代发生了显著的岩石圈减薄和破坏[1-3]，目前对其破坏过程的认识以拆沉和热侵蚀为主。但单次拆沉难以解释中生代岩浆活动持续超100 Ma的现象，而热侵蚀这一自下及上的机制较难解释下地壳的破坏[4]。朱日祥等[1]认为，华北克拉通破坏是太平洋板块俯冲引起的多机制共存的方式。但这种描述只能定性分析，难以建立相应的数值模型进行检验。Wang等[5-6]建立了非牛顿流体的克拉通破坏数值模拟，结果显示，岩石圈的失稳可以从浅部开始，表现为多期幕式拆沉，这一过程中部分克拉通型地幔得以保留。
当前华北克拉通重力研究成果相对较少。王新胜等[7]利用代数重构技术对华北布格重力异常进行反演，结果表明，太行造山带岩石圈地幔密度具有分段特征，中段与东部克拉通的异常相连，反映克拉通破坏已由东部的华北盆地扩张到太行造山带中段。Li等[8]反演华北克拉通密度结构的结果显示，在120 km深度以下，克拉通东部的密度明显偏高，而西部的鄂尔多斯块体密度偏低，由此认为，克拉通活化及减薄还没有影响到华北克拉通中、西两个部分。
但这些研究均未讨论热密度和组分密度的差异，也未从重力角度深入探讨华北克拉通破坏深部的过程。因此分析地表重力异常并进行密度反演有其必要性，有助于认识华北克拉通现今的组分差异，也能够为辨析华北克拉通破坏过程提供信息。
1 数据与方法本文选定区域为100°~125°E、30°~45°N。自由空气重力异常由EGM2008模型[9]按式(1)计算：
| $ \begin{array}{l} g\left( {r, \lambda , \varphi } \right) = \frac{{GM}}{{{r^2}}}\mathop \sum \limits_{l = 0}^{{l_{\max }}} {\left( {\frac{R}{r}} \right)^l}\left( {l - 1} \right) \cdot \\ \mathop \sum \limits_{m = 0}^l {P_{lm}}\left( {\sin \varphi } \right)\left( {{C_{lm}}\cos m\lambda + {S_{lm}}\sin m\lambda } \right) \end{array} $ | (1) |
式中，G、M为引力常数和地球质量，r为地心距，Clm、Slm为完全规格化的扰动位系数，Plm为规格化的勒让德函数，λ和φ为地心经纬度。
布格重力异常的计算采用ETOPO1地形模型[10]，并假定陆地地形密度为2 670 kg/m3[8]。Airy均衡重力异常计算时采用的平均补偿深度为35 km，壳幔密度差为500 kg/m3[6]。残余重力异常是指根据地震学计算得到的Moho进行重力改正得到的重力异常，这些改正包括布格改正、Moho界面起伏对重力异常的影响。莫霍面深度来源于地震学接收函数和人工地震测深剖面的结果[11-13]，计算Moho面起伏的影响时采用Parker公式[14]，壳幔界面密度差和上述计算均衡重力异常时一致。
根据地壳均衡理论，由已探测出的地壳厚度计算出对应的均衡地形；从实际地形中减去均衡地形部分，得到残余地形(动力地形)。
由残余重力异常反演密度时采用Li等[15]提出的重力反演深度加权方法和正则化目标函数，最小化目标函数后采用共轭梯度算法反演。
2 结果分析与讨论 2.1 重力与地形结果从地形看(图 1(a))，华北克拉通西侧(WNCC)的鄂尔多斯块体相对平坦，海拔1~1.5 km；东侧(ENCC)以平原为主，海拔在300 m以下；中央转换造山带(TNCO)地形落差大，自西向东由吕梁山脉、汾渭裂谷、太行山脉构成，海拔约0.8~2 km。
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图 1 华北克拉通重力和地形 Fig. 1 Gravity and topography of north China Craton |
大部分区域的自由空气异常(图 1(b))在±50 mGal以内，数值较大的点对应地形变化剧烈的区域。例如在银川-河套、汾渭裂谷约-100~-40 mGal，在阴山、吕梁、太行约为40~80 mGal。相对于ENCC和WNCC的自由空气异常，TNCO的值整体高20~30 mGal。
ENCC的布格重力较大(图 1(c))，TNCO其次，WNCC最小，在大兴安岭-太行形成重力梯级带。WNCC与TNCO相比数值偏低，但两者海拔相近，说明鄂尔多斯块体和中央转换带受不同动力学作用。布格异常从区域到整体表现出和地形镜像的关系，说明地形和莫霍面起伏引起的重力相当，地壳均衡起重要作用。
Airy均衡异常(图 1(d))数值在±100 mGal以内，表明研究区域基本均衡，地表地形能大致反映地壳厚度。TNCO内吕梁山、太行山均衡重力异常为正异常，说明中央转换造山带不处于均衡状态，转换带的山系不是地壳均衡的后果，而是被深部浮力顶起来的。
在华北克拉通内部，残余重力的最小值位于TNCO和ENCC南侧(图 1(e))。WNCC残余重力整体上比TNCO和ENCC略大，但内部存在一处负异常，可能为组分密度轻而又难熔的克拉通陆核。除局部偏高外，ENCC大部分区域为负残余重力异常，尤其是其南半部分(相较WNCC低0~60 mGal)，表明在华北克拉通中、东部存在质量亏损。
残余地形(图 1(f))与表面地形截然不同，东部反而较高(高200~800 m)。东部偏高的残余地形表明，华北克拉通东部岩石圈浮力偏大，造成向上抬升的正残余地形。
沿着高精度地震剖面[12-13]计算的结果如图 2所示，与前述特征基本一致，残余重力在东部偏小，残余地形在东部偏大。但两条剖面在中部(TNCO)的残余重力差异显著，BB′剖面TNCO残余重力与ENCC差异明显，AA′剖面则不然。
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图 2 剖面重力、地形和间断面(剖面位置如图 1(a)) Fig. 2 Gravity, topography and discontinuity along two profiles |
克拉通型地幔组分密度较低[16]，而高温也会引起密度降低[6]。讨论分析华北克拉通东侧岩石圈的减薄及伴生的温度-化学组分结构改变有助于认识重力、地形及密度，同时地形及重力观测也能反过来对克拉通破坏后的温度及组分进行一定的约束。
下面以图 3中5种不同比例残留的克拉通岩石圈示例来分析热化学差异及其导致的重力异常和残余/动力地形特征(为描述方便，将克拉通型地幔和新生地幔分开画出，但实际情况应更为复杂，此处仅作整体近似考量)。
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图 3 地形及重力对5种保留掺杂不同比例 Fig. 3 Simplified thermochemical condition with 5 different proportions of Craton relics and the corresponding gravity and topography |
假设未破坏前的克拉通岩石圈厚度为200 km，岩石圈地幔地温曲线施加为线性温度结构，上下面温差设定为750 ℃，并将其无量纲归一化。以垂直断层公式计算重力异常，以Wang等[6]的方法计算残余/动力地形。忽略软流圈纵向温度梯度，浮力数B设为0.5，热膨胀系数α=3.5×10-5/℃。对于ENCC，考虑减薄为100 km。
从不同比例(图 3，比例B~F)残留古老克拉通型地幔和新生地幔的重力和动力地形(以西部稳定克拉通作为零值参考，图 3中比例A)计算结果可看出：
1) 东部减薄岩石圈不可能全部都为新生岩石圈地幔(图 3中比例F，拆沉)，否则其残余地形应为负值，且重力较西部高100 mGal以上，这与当前残余地形和残余重力结果不符。
2) 减薄岩石圈不可能在原位置组分完全不变，整体保留克拉通型地幔，仅在减薄深度产生温度边界层(图 3，比例B)。这种情况下，克拉通东部动力地形会抬升1.3 km，重力会降低100 mGal以上。虽然残余重力异常在ENCC南侧能达到该异常值(图 1(e))，但残余/动力地形与实际结果仍有一定差距(图 1(f))。
3) 地表残余重力异常、残余地形的东西差异表明，东侧减薄岩石圈应部分为新生地幔，部分为原克拉通型地幔，是两者的混合物。
2.3 密度反演对华北克拉通破坏深部过程的认识利用残余重力异常反演的剩余密度如图 4所示。可以看出，横向密度变化主要在±40 kg/m3以内。在30~80 km深度上，克拉通西侧中心区域的密度比东侧略低，这可能说明了西侧稳定克拉通高度亏损，具有组分密度低、浮力大的克拉通陆核性质。80 km以下，密度分布模式相似，克拉通东侧的密度偏低，表现出明显的热浮力、低密度特性，且东西密度差异随深度的增加逐渐缩小(图 4(c)、4(d))，这可能说明，随着深度逐渐进入软流圈，组分和温度趋于一致。
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图 4 剩余密度分布 Fig. 4 Residual density at different depth |
本文的反演结果与王新胜等[7]的结果具有一定的相似性，华北克拉通中部的密度具有分段特征。王新胜等[7]认为，造山带中段的高密度暗示了克拉通破坏可能已由华北盆地延伸到该地区。但本文从成分和温度两个方面考虑，南段负密度异常更显著，这是保留岩石圈根[2](图 2中AA′剖面)后低组分密度和高温共同引起的密度低值，而靠中段北侧略偏正异常则为丢失岩石圈根[3](图 2中BB′剖面)后的高组分密度协调高温所致。
在岩石圈地幔深度方面，华北克拉通东部密度低于西部，说明在受破坏的克拉通东部由高温引起的密度负扰动效应强于化学组分差异(丢失低密度克拉通地幔，新生正常地幔)引起的密度正扰动，在中央转换造山带，由温度引起的负密度扰动尤为强烈。这一结果与Guo等[17]通过联合使用面波相速度、大地水准面高、地表热流和绝对高程数据得到的华北克拉通Mg#和温度结构大致相符。
目前关于华北克拉通的破坏过程仍未取得统一认识。从本文的计算结果来看：
1) 如果华北克拉通的破坏是克拉通东部下地壳及以下的岩石圈地幔整体发生拆沉并进入深部地幔中，那么在80~140 km这一深度上将全部由新生正常地幔组成。在标准温压条件下，正常地幔密度较古老的太古代克拉通地幔密度大80 kg/m3[16]。根据Guo等[17]对华北温度的反演结果，以及上节中近似线性描述的温度-深度关系(图 3，比例A、F)，克拉通东部相对西部在该深度上温度高200~400 ℃，取热膨胀系数α=3.5×10-5/℃[6]，则由温度引起的负密度异常约有23~45 kg/m3。综合组分和温度效应引起的密度变化，在该深度上若全部由新生地幔取代，那么密度异常应为正异常，这不符合密度反演的结果(图 4(c))。
2) 如果破坏是从东部克拉通岩石圈底界面沿构造薄弱带逐渐向上以热-化学方式侵蚀，则在30~80 km该作用是较弱的，应该仍完整保留原始克拉通成分，即华北克拉通东、西部在该深度组分密度没有差异。但是东部在破坏后长期受到软流圈的加热，温度会有较大提高，因此会产生显著的负密度异常，这与密度反演结果也不尽相符(图 4(b))。
3) 如果破坏是Wang等[5]提出的多期幕式拆沉方式，那么这一过程中相当大一部分残留的古老型克拉通会保留在岩石圈深度上，并与上涌的软流圈地幔相混合并被不断搅拌。
取密度反演在30~80 km及80~140 km深度上华北克拉通东部的剩余密度, 约低0~15 kg/m3。并从密度中去除温度响应部分(热膨胀系数α=3.5×10-5/℃[6]，温度的选取基于Guo等[17]的研究)，得到由组分含量差异引起的密度扰动约为30~40 kg/m3。取80 kg/m3为新老地幔组分密度差[16]，则在组分中约有50~60%的古老克拉通型地幔在现今华北克拉通东部的下方残留。
去除温度响应后，克拉通东部组分密度比西部高30~40 kg/m3。其中，80 km以上的组分由残存的克拉通地幔和冷却的新生地幔构成，80 km以下由高密度的软流圈地幔和经破坏拆离的低密度克拉通地幔混合构成。在这样的组分中，不可能是热侵蚀的破坏方式，该模式下，80 km以上仍主要是和西部相同的、轻的克拉通地幔，组分密度应无差异；也不可能是拆沉的方式，该模式下，岩石圈地幔主要由更高组分密度(80 kg/m3)的新生地幔替代，这远高于计算得到的克拉通东西组分差异(30~40 kg/m3)。因此从密度、重力和地形角度上，现今华北克拉通岩石圈地幔是古老克拉通型地幔和新生正常型地幔的混杂体。这在一定程度上支持Wang等[5]在非牛顿流体动力学数值模拟中提出的多期幕式拆沉过程。
3 结语自由空气重力异常和均衡重力异常表明，华北克拉通中部太行和吕梁山区深部存在浮力作用，华北克拉通东西两侧基本均衡。
残余重力异常显示，华北克拉通中、东部存在质量亏损，导致残余重力低0~60 mGal；残余地形表明，中、东部存在浮力作用，导致残余地形抬升200~800 m。
华北克拉通东部的质量亏损和浮力源自岩石圈地幔深度上约0~15 kg/m3的负密度异常。该负密度异常的约束不能由温度效应完美地解释，而需引入组分密度效应。计算表明，在组分上华北克拉通东部岩石圈地幔不可能全是古老克拉通残留或者是完整的新生地幔，而更可能是古老克拉通型地幔和新生正常型地幔的混合体。
残余地形、残余重力及反演得到的剩余密度约束了现今华北克拉通东部岩石圈地幔的组分状态。关于华北克拉通的破坏机制，不论其开始条件或演化历史如何，都必须符合现今的重力、地形、密度。由30~80 km及80~140 km的组分密度分析可以辨析约束拆沉、热侵蚀、多期幕式拆沉[5]等破坏过程。结果表明，拆沉、热侵蚀过程无法匹配组分密度的分布，而多期幕式拆沉过程则能较好地符合组分混合的地幔岩石圈状态。
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