朱日祥用20年说清楚华北克拉通“破了”而获奖

1月8日，中国科学院地质与地球物理研究所的许多人脸上洋溢着幸福。该研究所的“华北克拉通破坏”成果获得2017年国家自然科学奖二等奖。该项目由中国科学院院士朱日祥领导，20多年来成功完成了国家基础研究任务，吸引了众多国际著名科学家的关注。它已成为2014年和2015年国际地球科学领域的热门研究课题，也是中国科学家主导的唯一地球科学前沿。

朱日祥表示，该团队将以党的十九大精神为指导，牢记自己的首创精神，牢记自己的使命，秉承科技创新、服务国家、造福人民的科技价值观，在华北克拉通成果的基础上，开展一带一路地台研究。

华北克拉通发生了什么？

“克拉顿”到底是什么？有点头晕吗？

别担心，中国科学院院士、中国科学院地质与地球物理研究所研究员朱日祥可以用一句话让你明白:“地球上最古老的陆地板块，即没有明显火山活动或大地震的大陆，叫做克拉通。同时，这些大陆的稳定也得到承认。”每个人都感到有点头晕，主要是因为它是从英语翻译过来的，但它已经被地质学家使用到目前为止。

然而，华北克拉通发生了大规模的火山活动和地震，如唐山地震和邢台地震，表明华北克拉通已经失去了稳定性。这是经典板块构造理论无法解释的主要地质现象。所以，科学问题来了。

人们可能知道板块构造学是地球科学的基石，正如量子力学和相对论在物理学中很重要一样。其理论核心有两点。一是认识到地球是由海洋板块和大陆板块组成的。二是解释海洋板块的形成和消失以及大陆板块漂移的过程。

然而，板块构造理论不能解释大陆的演化，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应的主要场所，了解大陆的演化已成为地球科学中最基本的科学问题和崇高目标，也是解决资源能源国家重大需求的根本所在。

二十年前，随着老一辈科学家的脚步和疑虑，朱日祥开始讨论这个问题。

如何研究大陆演化？

朱日祥画了一幅图，说明大陆主要由克拉通和造山带组成，克拉通由地壳和岩石圈地幔组成。因此，克拉通研究是理解大陆演化的核心，因为克拉通有三个显著特征:1)形成时代古老；2)结构稳定；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。它经历了一个复杂的演变过程。两亿年前稳定，两亿年前不稳定，地壳变形和岩浆作用强烈。朱日祥带领他的研究小组发现，华北克拉通是通过多学科综合研究被摧毁的。因此，他建立了新的克拉顿破坏理论，揭示了大陆演化的普遍规律。

华北克拉通在哪里被摧毁？

朱日祥告诉记者，克拉通岩石圈厚约200公里，人类无法接近。“很难进入地球和天空”。研究人员利用来自地球深处的岩石样本信息进行研究。我们如何从地球深处获取岩石样本？科学家们不断开发一些新的技术和方法，如同位素原位微量分析等。朱日祥研究小组运用新的实验技术和方法，取得了许多新的发现。例如，他们发现，自两亿年前华北克拉通东部陆块以来，岩石圈地幔已从大陆克拉通型变为海洋型，岩石圈厚度已从约200公里减少到60-80公里。研究发现，华北克拉通岩石圈地幔性质发生了根本性变化，导致大规模岩浆活动、构造变形和稳定性丧失——即克拉通被破坏。

这些数据不是随机的猜测或估计。为了确定华北克拉通的破坏空间，研究小组进行了密集的移动地震阵列探测，布设了8个观测断面，总长度为6500公里，间距为10-15公里。在科学问题的指导下，这种大规模的深度勘探在国内外都是开创性的。通过这次观测，研究小组首次获得了华北克拉通岩石圈的高分辨率结构信息，确定华北克拉通东部为岩石圈薄、地壳转换强烈的克拉通破坏区。华北克拉通西部岩石圈较厚，没有明显的地壳形变。它属于稳定区域。华北克拉通中部具有过渡性岩石圈结构，即改造区(图2)。

华北克拉通的破坏范围

那么，华北克拉通是什么时候被摧毁的？

有必要识别克拉通破坏的地质迹象。通过综合研究，研究小组确定岩浆活动和矿化是克拉通破坏的地质标志。通过高精度的年代学和其他研究，他们发现标志着克拉通毁灭的地质事件发生在大约1.25亿年前。换句话说，毁灭的高峰期是1.25亿年。

导致华北克拉通毁灭的俯冲板块来自西太平洋。

地质学家也会问他许多问题。华北克拉通破坏的动力机制是什么？由于采用了一系列新的实验方法，如非传统的稳定同位素，发现来自大洋俯冲板块的熔融流体及其引起的软流圈上涌是导致克拉通破坏的重要因素。那么，俯冲板块来自哪里？

朱日祥研究小组通过系统的地质、地球物理、地球化学等综合手段，发现克拉通破坏区的分布与西太平洋俯冲带平行。古代太平洋的俯冲板块滞留在地幔过渡带。华北东部的地壳伸展方向与西太平洋板块的俯冲方向相同。

因此他们得出结论，导致华北克拉通毁灭的俯冲板块来自西太平洋。

根据上述研究，他们确定了华北克拉通破坏的动力机制:第一，西太平洋板块的俯冲导致地幔不稳定流动和减压熔融，岩石圈地幔弱化；然后，俯冲板块的旋转和俯冲带的后退导致岩石圈强烈伸展。在上述因素的共同作用下，岩石圈地幔性质发生变化，导致克拉通破坏。

他们的全球对比研究发现，华北东部受到西太平洋板块俯冲的严重破坏。东太平洋板块的俯冲部分摧毁了美洲大陆的西部。非洲大陆没有被大洋板块所征服，仍然是一个稳定的克拉通。因此，地幔过渡带洋板块的俯冲、旋转和停滞是导致克拉通破坏的共同机制。

最后，国内外许多地学科学家赞同朱日祥团队的研究成果，认为华北克拉通破坏工程对中国地学研究做出了重大贡献，主要表现在以下几个方面:第一，克拉通破坏理论的建立，首次发现海陆相互作用，导致克拉通破坏和大陆增生成为全球大陆演化的普遍规律，板块构造理论得到发展。汤森路透发布的2014年和2015年研究前沿中，“克拉顿破坏”被评为中国科学家主导的全球地球科学十大研究前沿之一。其次，华北克拉通破坏的科学成果促进了地球科学领域的跨学科整合，引领了学科发展方向，提升了中国地球科学家的国际视野，在解决国家重大需求方面取得了突破。例如，它诞生了一个新的科学前沿“克拉顿破坏和陆地生物进化”，并得到了第一批研究中心项目的支持。此外，从全球的角度来看，国家自然科学基金委员会已被要求设立一个重大研究项目“特提斯地球动力学系统”，该项目为中国地球科学家走向世界发挥了主导作用。更重要的是，它为国家把辽东作为黄金替代基地提供了科学依据。指导国家的资源深度勘探和重大研发项目的实施，为国家提供了深度勘探的武器。