“透明”岩石圈：用岩石学和地球物理学给地球做“CT” | 封面文章

岩石圈是固体地球的最外圈层，是板块构造活动和生命起源演化等过程的重要载体。所谓“上天容易入地难”，目前最深的人工钻探只能到达~12 km，而厚达上百公里的岩石圈深部至今仍遥不可及，充满了诸多谜团。综合地质-地球物理观测，可以帮助我们“透视”地球内部的“五脏六腑”，使之“透明化”。具体方式是将地质学包括岩石学观察、岩石地球化学分析，以及地球物理学的重力、地震、磁场、热流等多种已有方法结合起来，充分发挥各自优势，综合利用岩石圈化学、物理等参数信息，从多维度对深部岩石圈的结构、组成和可能的演化过程进行探视。

火成岩携带的捕虏体也被称为岩石包体，是来源于岩石圈深部的直接样品。针对岩石包体开展岩石学、地球化学研究，可以厘清捕虏体采集区岩石圈深部的结构特征、不同深度位置的物质组成和形成年代。地球物理则可以从不同角度对岩石圈结构进行大范围的限定。多学科交叉融合的研究方式有助于全面认识岩石圈物质组成成份、物理结构参数，并为其形成、演化等动力学过程的讨论提供重要依据（图1）。

图1：地球物理观察和岩石学联合约束是全面认识岩石圈的重要方法

太古宙地块形成于25亿年以前。传统意义上，保存至今的太古宙地块被认为是地球上最稳定区域的代表。然而，新的研究表明，部分太古宙地块并非从形成以来就一直保持稳定。由于后期地质作用的影响，这些地块会发生不同程度的减薄和破坏，最终显示出元古宙乃至显生宙岩石圈地幔的特征。太古宙地块是否能长时间稳定存在？地块稳定存在需要什么条件？这些问题是固体地球科学领域的研究重点和热点之一。

华北陆块（特别是其东部）是显生宙时期岩石圈减薄、地幔性质发生改造、破坏和地幔增生置换的典型区域。因此，对华北陆块展开全面的物质组成、结构及物理性质研究，了解陆块发生改造/破坏的范围和程度，深入探究引发改造/破坏的机制，是寻找太古宙地块稳定存在条件这一重要科学问题的关键突破口。

中国地质大学（武汉）郑建平教授团队基于华北陆块高精度地壳模型，并结合地表热流值、利用S波接收函数约束的岩石圈厚度以及自由空气重力异常数据，对岩石圈热结构及地幔密度进行了新的约束。他们对岩石包体开展了“三定”研究（图2），构建了华北岩石圈多维度的物理-化学结构模型：

定深：确定岩石包体的来源深度；

定性：确定其化学性质及物理性质；

定年：确定岩石包体的形成年龄。

图2 华北陆块构造单元、构造分区及地幔岩石包体出露位置

该成果表明：华北陆块岩石圈地幔横向上存在高度不均一性，除陆块内部的局部地区保留有古老（太古宙）的岩石圈地幔，大部分区域已变为元古宙甚至显生宙岩石圈地幔。这样的岩石圈地幔结构组成特征表明，华北东部地幔经受了强烈的改造，甚至最终被完全置换；华北中部过渡带和西部核部保持相对稳定，但是西南缘岩石圈也受到了明显改造。华北地块岩石圈地幔所遭受的不同程度的后期改造，可能与其块体本身比较小，以及周边俯冲的古大洋板片俯冲、回撤及其所引起的岩石圈下伏软流圈扰动有关（图3）。

图3 华北陆块岩石圈地幔密度揭示的地幔性质分区图（Ol-Mg^#：岩石包体橄榄石Mg值）

该成果作为封面文章发表于《中国科学：地球科学》2021年第2期。研究得到国家自然科学基金重点项目（41930215）和国家重点基础研究发展规划项目（2006CB403503）资助。

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