克拉通是什么

什么是克拉通

克拉通（Craton）一词源自于希腊语κράτος，象征力量的意思，最早是由德国地质学家L. Kobe在1921年提出，他把坚固的大陆地台叫做“Kratogen”，这一术语被后来的学者简化成Craton。克拉通是指古老的、稳定的大陆块体，它主要由古代的结晶基底构成，这些基岩的成分主要是小比重的长英质火成岩，如：花岗岩，早期岩石形成克拉通的过程称为克拉通化，在前寒武纪时期（5.4亿年前），地球经历了陆壳形成、生长、壳幔圈层分异耦合并形成稳定陆块（克拉通）的过程，克拉通形成的年代大多是在30多亿年前，在27亿年前进入稳定期。克拉通块体内缺乏明显的地震、岩浆活动、构造变形和成矿作用，在多次超大陆的会聚和分裂过程中几乎没有发生变化。克拉通在深度方向上由地壳和岩石圈地幔组成，并且岩石圈根部往往延伸到地幔长达几百公里（图1），克拉通岩石圈具有低密度、低含水量和巨厚岩石圈根的特征，因此能够漂浮在对流的软流圈地幔之上，并且能够在很大程度上抵御后期地质作用的改造而免于被破坏，从而成为大陆地壳上长期稳定存在的构造单元。

图1：克拉通示意图

克拉通在全球有广泛地分布（图2），如：中国的华北克拉通（the North China Craton）、俄罗斯和乌克兰的萨尔马提亚克拉通（the Sarmatian Craton）、南美的亚马逊河克拉通（the Amazonia Craton）、南非的卡普瓦尔克拉通（the Kaapvaal Craton）、北美克拉通（the North American Craton）以及南澳大利亚的加夫勒克拉通（the Gawler Craton）。

图2：全球古老克拉通地分布图（汤艳杰，2013）（紫色区域）

克拉通稳定的环境为早期铁矿的沉积提供了一个相当理想的场所，成为世界上最主要的铁矿产区，例如加拿大和澳大利亚的克拉通大量出产铁矿石，中国主要的铁矿主要集中在华北克拉通之上。而且，这样的环境也非常适合金刚石的形成，世界上主要的金刚石矿都产自克拉通地区，例如：南非、西伯利亚的克拉通，我国的金刚石矿主要分布在华北克拉通上，比如山东蒙阴、辽宁复县等。

克拉通本应该是全世界最稳定的地区，但我国的华北克拉通自2亿年左右的中生代以来，发生了大规模强烈的构造变形、岩浆活动和地震，好好的克拉通怎么说破坏就破坏了呢？

华北克拉通破坏范围

目前主要有四种破坏模型：

（1）拉张减薄模型。华北东部地区的资料，例如郯庐断裂带周边断陷盆地正断层擦痕反演应力场、断陷盆地构造、断层运动学、岩脉展布规律等表明华北地区在晚中生代期间处于伸展构造背景，拉张作用导致了华北克拉通岩石圈变薄破坏。

（2）挤压增厚拆沉模型。与伸展作用导致岩石圈的减薄相反，这种模型认为岩石圈在挤压作用下发生增厚，岩石圈中、下部的物质由于重力失稳会“掉入”下覆的软流圈中，导致岩石圈减薄（图3）。

（3）大尺度地幔对流侵蚀模型。这种模型认为在地球内部大尺度的地幔对流场中，软流圈热物质上涌对克拉通岩石圈底部和侧面的侵蚀，在克拉通岩石圈减薄过程中产生了重要的影响（图4）。

（4）地幔柱侵蚀模型。这种模型认为温度异常高的地幔柱扰动软流圈物质上升至古老岩石圈底部，岩石圈底部不断被“烘烤”，物质发生弱化转变成软流圈的一部分，最终导致了华北克拉通岩石圈变薄，但是由于地幔热柱是否在华北地区存在尚缺乏证据，该模型很少被提及。

克拉通橡胶的使用寿命在8年左右。Kraton克拉通是一种用于制作刀柄的橡胶材料，一般在狩猎刀和日常实用刀具中使用较为广泛，虽然这种材料确实有许多优点，如耐用的特性，但也有其不可忽视的缺陷。

克拉通橡胶优缺点

克拉通是一种耐用的材料，可以将其表面处理成质感的网纹状，利于抓握，保持舒适的把握感。然而，再多的化学处理和巧妙设计都难以改变它黑色橡胶般的外观。

作为一把实用刀，你大可不为此担心。但是，当你带着一把克拉通手柄的求生刀去户外，可能它的外观很难赢得你朋友的赞赏。这或许就是克拉通的缺点之一。

耐腐蚀性，总的来说，克拉通的耐腐蚀性真的难以让人满意。如果你的克拉通刀柄经常浸水或处理食材，随着时间的推移，表面残留的液渍会损坏材料，使其更弱、更脆，并且还有一些难闻气味。

清洁，虽然克拉通非常耐用，但也有漏洞，如果在使用后，不彻底清理干净。一旦和克拉通材料结合在一起就会很难清理，表面也会越来越脏。

总体来看，克拉通之所以被作为常用刀柄材料，是因其耐磨耐用的特性，而且韧性也非常好。至于缺点，和不锈钢一样，同样需要好好的保养，方能经久耐用。美国的冷钢刀具就常使用这种热塑性橡胶聚合物作为刀柄。

Nature：克拉通岩石圈地幔的成因模型

克拉通是地球上古老而又稳定的大陆地块。克拉通的岩石圈地幔是金刚石的宝库，它们形成于25亿年前的太古宙和16-25亿年前的古元古代(Peslier et al., 2010Lee et al., 2011)。克拉通型岩石圈地幔具有明显的特征：厚度巨大（可达300km）、密度较低、亏损玄武质成分、高度难熔、低温梯度低(Lee et al., 2011)，而且岩石圈地幔的年龄越古老，密度就越小，密度小的原因在于其特定的化学组成。

古老的克拉通岩石圈地幔是在地球演化的早期阶段经过壳幔分异事件之后形成的，它们是原始地幔（主要由易熔的二辉橄榄岩组成）经过高程度的部分熔融，大量玄武质熔体被抽取之后残余的难熔组分（以难熔的方辉橄榄岩为主），因此，古老的克拉通岩石圈地幔具有明显富Mg、贫Fe、高度难熔的组成特征。玄武质熔体被大量抽取之后，古老克拉通岩石圈地幔的密度小于下伏的软流圈，因此，它能够像船一样长期“漂浮”在软流圈之上。克拉通的岩石圈地幔具有机械抵抗力(Arndt et al., 2009)，能够防止由于地幔对流而造成的破坏，因而能够长期存在。

古老克拉通的岩石圈地幔是如何形成的？尽管科学家们针对这一问题开展了大量的研究，然而，目前对克拉通岩石圈地幔成因的认识仍然存在明显的分歧。分歧的焦点主要集中在两种不同的学术观点：熔融模型和堆积模型。

第一种观点（熔融模型）认为，克拉通岩石圈地幔是通过地幔物质底辟上升、地幔倒转、或者地幔柱携带地幔过渡带的物质上升并发生高程度熔融形成的(Boyd, 1989Stein and Hofmann, 1994)，因此它们代表高度亏损玄武质熔体、相对干燥、低密度的熔融残余。该模型容易被大家接受，因为它能够合理地揭示很多观测到的现象，比如岩石圈地幔的低密度现象（高程度熔融的结果）、有浮力(Boyd, 1989Stein and Hofmann, 1994)、岩石圈的厚度与年龄具有正相关性，无水地幔橄榄岩捕虏体的发现指示岩石圈地幔具有足够的粘度而不受下伏软流圈的影响(Peslier et al., 2010)。根据该模型可以预测，在地幔物质减压熔融的过程中，由于上部地幔物质的熔体抽取程度更高，因此地幔熔融柱顶部的密度应相对较低，而岩石圈地幔底部的密度应相对较高。然而，熔融模型所预测的岩石圈地幔化学分层与其他学者的观测资料和工作模型(Lee et al., 2011)所预测的结果有很大出入。

关于克拉通岩石圈地幔成因的第二种学术观点（堆积模型）认为，古老的克拉通岩石圈地幔最初是通过俯冲的大洋地壳及其最初形成于洋中脊的亏损地幔叠置堆积而成(Helmstaedt and Schulze, 1989Beall et al.,2018)。该模型也成功地解释了一些地质现象，比如，岩石圈地幔巨大的厚度、岩石圈地幔相对于大洋岩石圈亏损玄武质熔体，以及克拉通地区金伯利岩中产出的榴辉岩捕虏体具有大洋地壳的地球化学特征。然而，堆积模型也存在着一些问题，比如，难以解释大洋岩石圈中相对大量的古大洋地壳物质与金伯利岩地幔捕虏体中相对稀少的榴辉岩捕虏体之间的不一致性(Arndt et al., 2009Lee et al., 2011)。此外，由于古老的俯冲板片中含有相当厚度的大洋地壳，它可能会受到板块断裂和/或板块后撤的影响而不能发生多重堆积(Perchuk et al., 2019)。

为了解决上述存在争议的科学问题，一种新的替代模型——热-机械模型被提出(Sizova et al., 2010Perchuk et al., 2019)，并在最近得到了进一步的发展。近期，Perchuk et al.（2020）在Nature上发表论文，建立了二维高分辨率岩浆-热-机械模型，通过模拟研究，他们发现：在太古代板块构造开始之后，位于俯冲大洋板块之下具有正浮力和韧性、亏损玄武质熔体的、热的地幔层，在大洋板块俯冲的过程中，不能随着大洋板块同步俯冲（图1），而是滞留于邻近的大陆板块之下，形成具有克拉通规模的粘性原始陆核。之后，随着地温梯度的下降，侵位于大陆之下具有高粘滞度的亏损地幔层也随之降温，与大陆合为一体，成为古老克拉通的岩石圈地幔。根据大陆岩石圈地幔的厚度估算表明，该模型所展示的动力学机制在古老克拉通岩石圈的主要形成时期是有效的。因此，前寒武纪时期携带高度亏损地幔层的大洋板块俯冲作用是陆下巨厚岩石圈地幔形成的先决条件，由于巨厚岩石圈地幔的存在，使得古老的克拉通在随后的板块构造过程中得以长期保存。这项研究为第二种观点提供了新的证据：古老克拉通岩石圈地幔是通过早期大洋板块俯冲引起的板片堆积形成的。

主要参考文献

Arndt N T, Coltice N, Helmstaedt H, et al. Origin of Archeansubcontinental lithospheric mantle: Some petrological constraints[J]. Lithos,2009, 109(1-2): 61-71.

Beall A P, Moresi L, Cooper C M. Formation of cratonic lithosphereduring the initiation of plate tectonics[J]. Geology, 2018, 46(6): 487-490.

Boyd F R. Compositional distinction between oceanic and cratoniclithosphere[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1989, 96(1-2): 15-26.

Helmstaedt H, Schulze D J. Southern African kimberlites and theirmantle sample: implications for Archean tectonics and lithosphere evolution[J].Kimberlites and Related Rocks, 1989, 1: 358-368.

Lee C T A, Luffi P, Chin E J. Building and destroying continentalmantle[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2011, 39: 59-90.

Perchuk A L, Gerya T V, Zakharov V S, et al. Building cratonic keelsin Precambrian plate tectonics[J]. Nature, 2020, 586(7829): 395-401.

Perchuk A L, Zakharov V S, Gerya T V, et al. Hotter mantle butcolder subduction in the Precambrian: What are the implications?[J].Precambrian Research, 2019, 330: 20-34.

Peslier A H, Woodland A B, Bell D R, et al. Olivine water contentsin the continental lithosphere and the longevity of cratons[J]. Nature, 2010,467(7311): 78-81.

Sizova E, Gerya T, Brown M, et al. Subduction styles in thePrecambrian: Insight from numerical experiments[J]. Lithos, 2010, 116(3-4):209-229.

Stein M, Hofmann A W. Mantle plumes and episodic crustal growth[J].Nature, 1994, 372(6501): 63-68.

校对：张腾飞

---