低溫、難熔、低密度的古老巖石圈根是克拉通長(cháng)期穩定的原因，但是，科學(xué)家逐漸發(fā)現，現存克拉通巖石圈普遍遭受了后期地質(zhì)作用的改造或破壞。探尋穩定克拉通巖石圈如何被改造、被破壞，或許可以揭示出更多未知的深部巖石圈演化過(guò)程，并幫助我們理解克拉通、正常大陸以及被動(dòng)大陸邊緣這些厚薄不均的巖石圈是如何轉變的。曾經(jīng)擁有穩定大陸巖石圈的華北克拉通，在晚中生代經(jīng)歷了巨大的構造變革，包括巖石圈地幔減薄和物理化學(xué)性質(zhì)的根本改變，大規模陸內擠壓-伸展構造、巖漿活動(dòng)和成礦作用。國內外科學(xué)家稱(chēng)之為“華北克拉通破壞”或“去克拉通化”，并將其歸因于古太平洋板塊俯沖導致的巖石圈拆沉。其實(shí)，早在三疊紀，華北克拉通就經(jīng)歷了俯沖作用，甚至有華南大陸的深俯沖，但卻未引起華北克拉通遭受大規模根本性的破壞。那么，華南大陸深俯沖如何影響華北克拉通的結構？華北克拉通在這一過(guò)程中如何保持其穩定性？
針對上述問(wèn)題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所孟令通博士后、褚楊研究員、林偉研究員、Ross N. Mitchell研究員和趙亮研究員等以蘇魯造山帶上覆板塊——華北克拉通東南緣膠北地體為研究靶區（圖1），開(kāi)展了詳細的構造解析、磁組構分析、年代學(xué)和地球化學(xué)研究，首次在華北克拉通的地殼中識別出了華南地殼物質(zhì)——云山單元（圖2）。云山單元由面理化花崗巖和變沉積巖組成，呈頂垂體產(chǎn)于晚侏羅世巖體中。云山單元的花崗巖含有大量華南特征的0.8-0.7 Ga繼承鋯石，為華南地殼部分熔融產(chǎn)物（圖3）。云山單元面理化花崗巖鋯石邊部年齡峰值為212 Ma，與蘇魯造山帶快速折返時(shí)間相近；同時(shí)，云山單元具有同蘇魯造山帶巖石相似的鋯石Hf-O同位素特征（圖3）。他們的結果證實(shí)云山單元并非逆沖推覆體，而是從華北克拉通內部揭露的中-下地殼物質(zhì)，并經(jīng)歷了與蘇魯造山帶一致的晚三疊世NW-SE向伸展剝露過(guò)程（圖2）。因此，云山單元與蘇魯造山帶一樣，都屬于華南板塊，但是延伸至更西部的華北克拉通內部，并被晚侏羅世花崗巖攜帶出露于華北克拉通之中（圖4）。
圖1?蘇魯造山帶及鄰區構造地質(zhì)圖和剖面圖，構造剖面圖及接收函數地殼結構成像（Yu et al.,2020）表明蘇魯造山帶自膠北地體中-下地殼折返至現今位置
圖2?云山單元構造地質(zhì)圖和剖面圖，以及野外產(chǎn)狀和磁組構特征
綜合研究區構造幾何形態(tài)和前人地球物理資料（Yu et al.,2020），他們認為在華北東南緣200 km×140 km范圍內，深度在15-20 km以下的巖石圈被俯沖-折返的華南巖石圈所置換。換而言之，華北克拉通東南緣（膠北地體）具有上部為華北地殼，下部為華南巖石圈的雙層結構（圖4）。造成這一結果的動(dòng)力學(xué)機制是早-中三疊世華南板塊的平板俯沖將上覆華北克拉通15-20 km以下的巖石圈推開(kāi)，造成華北中地殼與華南巖石圈直接接觸，隨后俯沖的華南物質(zhì)沿俯沖隧道折返-底墊在華北克拉通下方，稱(chēng)之為“推刮-重建（Bulldoze and Rebuild）”模型（圖4）。這一過(guò)程造成了華南-華北匯聚的巖石圈界線(xiàn)與地表縫合帶解耦，即巖石圈界線(xiàn)可能位于地表縫合帶以北200 km處的渤海灣，也可以很好地解釋膠北到遼東400 km距離內廣泛發(fā)育的三疊紀收縮構造（圖1和圖4）。地震層析成像結果顯示華北下方存在呈近水平或低角度傾斜的低速異常體（Xu et al.,2002），可能代表了低角度-平板俯沖于華北之下的華南板塊。
“推刮-重建”模型強調俯沖的大陸板塊也可以像大洋板塊一樣移離上覆克拉通巖石圈，且這種過(guò)程能推刮掉相當一部分華北巖石圈（中-下地殼15-20 km之下部分）。不同于大洋板塊俯沖，盡管華南板塊改造了上覆華北克拉通巖石圈結構，但被移離的克拉通巖石圈同時(shí)又被俯沖-折返的華南大陸巖石圈所補償，使得華北克拉通仍可以保持穩定性而未發(fā)生強烈破壞。同時(shí)，該模型也為理解遠離造山帶核心區域的上覆板塊仍可遭受俯沖板塊改造，進(jìn)而發(fā)育強烈構造變形和物質(zhì)交換提供新的思路。
圖3?云山單元面理化花崗巖鋯石U-Pb年齡和Hf-O同位素特征
圖4 A研究區地殼結構示意圖；B-C動(dòng)力學(xué)演化模型：250–220 Ma，俯沖的華南板塊推刮并置換華北克拉通15–20 km以下的巖石圈，使得地表縫合帶和巖石圈界線(xiàn)相距200 km，并造成膠北到遼東400 km距離內廣泛的三疊紀收縮構造；220–200 Ma，俯沖的華南物質(zhì)折返并底墊在華北克拉通中地殼尺度，造成膠北地體上部是華北地殼，下部是華南巖石圈的結構；160–150 Ma，膠北地體下方華南地殼部分熔融產(chǎn)生的花崗巖裹挾云山單元就位
研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Geology（孟令通,褚楊*,林偉,Ross N. Mitchell,趙亮. Bulldoze and rebuild: Modifying cratonic lithosphere via removal and replacement induced by continental subduction [J]. Geology,2024,52: 245-250. DOI: 10.1130/G51766.1.）。研究受?chē)易匀豢茖W(xué)基金項目（U2344212,91855212,42202241），巖石圈演化國家重點(diǎn)實(shí)驗室自主研究課題（SKL-Z202205），中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重點(diǎn)部署項目（IGGCAS-202201）和中國博士后基金面上項目（2022M713128）資助。
