作者:王静 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2018/1/10 21:39:15
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朱日祥用20年说清楚华北克拉通“破了”而获奖

 

1月8日,中科院地质与地球物理研究所许多人的脸上都写满了幸福, 研究所“华北克拉通破坏”成果获得2017年度国家自然科学二等奖。这项由中科院院士朱日祥领导完成的项目,历经20余年,圆满完成了一项国家基础研究任务,并吸引了国际多位著名科学家的关注,在2014、 2015年连续成为国际地学领域研究热点,也是唯一由中国科学家主导的地学前沿。

朱日祥表示,团队将以党的十九大精神为指引,不忘初心,牢记使命,秉承创新科技、服务国家、造福任命的科技价值观,以华北克拉通成果为基础,开展一带一路陆地板块研究。 

华北克拉通怎么了?

“克拉通”究竟是什么?是不是让人有点晕?

别急,中科院院士、中科院地质与地球物理研究所研究员朱日祥,一句话就能让你明白:“地球上最古老的陆地板块,缺乏明显的火山活动或大地震的大陆,被称为克拉通。同时,这类大陆稳定性好,也是公认的。”大家感觉有点晕,主要因为它由英文翻译而来,但地学界一直沿用至今。

但华北克拉通却发生了大规模的火山活动和大地震,如唐山地震、邢台地震等,说明华北克拉通丧失了稳定性。这是经典的板块构造理论无法解释的重大地质现象。于是,科学问题来了。

人们或许知道,板块构造理论是地球科学的基石,就像量子力学和相对论在物理学的重要性一样。其理论核心有两点,一是认识到地球由大洋板块和大陆板块构成;二是能解释大洋板块的形成与消亡,以及大陆板块漂移过程。

然而,板块构造理论却无法解释大陆的演化,比如大陆改造或破坏、大陆增生和陆内成矿等基本问题。由于大陆是人类生存和资源能源供给的主要场所,因此,认识大陆演化,成为地学最基本的科学问题和崇高目标,更是解决资源能源国家重大需求的根本所在。

20年前,朱日祥沿着老一辈科学家的足迹和疑问,开始探讨这个问题。

如何研究大陆演化?

朱日祥画了一张图解释,大陆主要由克拉通和造山带组成,克拉通是由地壳和岩石圈地幔两部分构成。因此,研究克拉通是认识大陆演化的核心,因为克拉通有三个显著特点:1 形成时代老、2 构造稳定、3地质记录完整。克拉通缺乏明显的火山-构造活动和大地震,因此,传统理论认为克拉通是稳定的(图1)。

克拉通示意图

他认为,华北克拉通是研究大陆演化的最佳切入点。它经历了复杂的演化过程,2亿年前一直稳定,2亿年以来不稳定了,发生了强烈地壳变形和岩浆活动等。朱日祥带领他的研究团队通过多学科综合研究发现,华北克拉通被破坏了,因此,他建立了克拉通破坏新理论, 揭示了大陆演化的普遍规律。

华北克拉通哪儿被破坏了?

朱日祥告诉记者,克拉通岩石圈厚约200公里,人类无法进入,“入地难于上青天”,研究人员就利用来自地球深部的岩石样品信息开展研究。怎样才能获得地球深部的岩石样品呢?科学家们又不断研发出一些新技术和新方法,如同位素原位微区分析等等。利用新的实验技术和方法,朱日祥研究团队获得了不少新发现。如,他们发现,华北克拉通东部陆块2 亿年以来,岩石圈地幔性质,从大陆克拉通型转变为类似大洋型,岩石圈厚度从约200公里减薄到60-80公里;发现华北克拉通岩石圈地幔属性发生了根本转变,从而导致大规模岩浆活动、构造变形、稳定性丧失-也就是说克拉通被破坏了。

这个数据可不是随便猜测或估算出来的。为确定华北克拉通破坏空间范围,研究团队实施了密集流动地震台阵探测,布设了 8 条观测剖面,全长6500公里,台间距10-15公里。在科学问题引导下,如此大规模的深部探测在国内外都是开拓性的。通过这项观测,研究团队首次获得华北克拉通岩石圈高分辨结构信息,确定了华北克拉通东部岩石圈薄,地壳改造强烈,是克拉通破坏区;华北克拉通西部岩石圈厚,无明显地壳改造,属于稳定区;华北克拉通中部具有过渡性的岩石圈结构,即改造区(图2)。

华北克拉通破坏范围
 

那么,华北克拉通是什么时候破坏的?

这就要先明确克拉通破坏的地质标志是什么。通过综合研究,研究团队确定了岩浆活动、成矿等是克拉通破坏的地质标志。通过高精度年代学等研究,他们发现,标志克拉通破坏的地质事件,集中发生在1.25亿年左右。也就是说,破坏的峰期为1.25亿年。

导致华北克拉通破坏的俯冲板片来自西太平洋

地质学家们还会问他许多问题,华北克拉通破坏的动力学机制是什么?既然应用非传统稳定同位素等系列新实验新方法,发现来自大洋俯冲板片的熔流体及其诱发的软流圈上涌是导致克拉通破坏的重要因素。那么,俯冲板片又是从哪里来的?

朱日祥研究团队通过系统的地质、地球物理、地球化学等综合手段研究发现,克拉通破坏区域展布与西太平洋俯冲带平行;古太平洋俯冲板片滞留在地幔过渡带;华北东部地壳伸展方向与西太平洋板块俯冲方向相同。

他们由此得出结论:导致华北克拉通破坏的俯冲板片来自西太平洋。

根据上述研究,他们确定华北克拉通破坏的动力学机制为: 首先,西太平洋板块俯冲,引起地幔不稳定流动与减压熔融、岩石圈地幔弱化;然后,俯冲板块回转与俯冲带后撤导致岩石圈强烈伸展。在上述因素共同作用下,岩石圈地幔属性改变,从而导致克拉通破坏。

他们的全球对比研究发现,华北东部受西太平洋板块俯冲作用,发生强烈破坏;美洲大陆西部受东太平洋板块俯冲作用,发生局部破坏;非洲大陆未受大洋板块俯冲作用,仍保持稳定的克拉通。因此,大洋板块俯冲、回转、在地幔过渡带滞留是导致克拉通破坏的普遍机制。

最后,国内外地学界很多科学家赞同了朱日祥团队的研究结果,并认为,华北克拉通破坏项目为中国地学研究做出了重大贡献,主要贡献在以下几个方面:首先,建立了克拉通破坏理论,首次发现洋-陆相互作用,导致克拉通破坏与大陆增生是全球大陆演化普遍规律,发展了板块构造理论。由于该项研究的原创性贡献,在汤森路透发布的2014、2015研究前沿中,“克拉通破坏”均被评为由中国科学家主导的全球地学领域十大研究前沿。其次,华北克拉通破坏的科学成果,促进了地学领域多学科交叉融合,引领了学科发展方向,提升了中国地球科学家的国际视野,并在解决国家重大需求方面取得突破。比如,催生“克拉通破坏与陆地生物演化”新的科学前沿,获得基金委首批研究中心项目资助。此外,从全球视野,推动国家基金委设立了“特提斯地球动力系统”重大研究计划,为中国地球科学家,走向世界起到了引领作用;更重要的是,为国家将辽东作为黄金接替基地,提供了科学依据;引导国家深地资源探测,重大研发专项的实施,为深部找矿提供了国之利器。

 
 
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以下评论只代表网友个人观点,不代表科学网观点。 

2018/1/11 10:06:27 scking
应该给一等奖,。烂评委
2018/1/10 23:01:24 wubinxj
学习了!
目前已有2条评论
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