摘要
华北克拉通自从18亿年前克拉通化以后一直保持稳定状态,已有的关于地球物理学、地球化学和岩石学证据研究表明,华北克拉通东部在距今1.25亿年左右发生了克拉通破坏,华北克拉通西部发生减薄。在中生代~新生代期间,古生代厚且冷的岩石圈逐渐被新生代薄且热的软流圈或大洋型地幔所代替。基于对华北克拉通中部沁水盆地的现今地温场、大地热流、热物理参数、热演化历史、热岩石圈厚度、热流变结构等的研究,可以反映深部岩石圈的演化信息,为华北克拉通中~西部的岩石圈演化及减薄的动力学机制提供地热学方面的约束及证据支持。本文通过磷灰石裂变径迹资料、AFT资料和Easy%Ro法对沁水盆地南部、北部、中部的中~新生代的热史进行恢复,对沁水盆地南部、北部、中部热史进行了对比。在以上研究的基础上,与钻井的地层资料、地球物理的地壳分层结构模型、盆地热物理参数相结合,在一维热传导方程和干玄武岩固相线约束下计算了深部温度及热岩石圈厚度。研究结果表明:沁水盆地现今地震莫霍面厚度整体上呈现南北较薄,中部较厚,东部较薄,西部较厚的分布特征,莫霍面厚度分布在36~43km之间,平均厚度在41km左右;现今地震岩石圈厚度分布具有由北向南、自西向东减薄的特点,整体地震岩石圈厚度变化在85~130km之间,平均厚度为120km左右,盆地北侧岩石圈厚度较大,在140km左右,盆地西侧的新生代断陷盆地整体岩石圈厚度较小,在70~110km之间。沁水盆地沉积层岩石热物性测试结果表明整体上随着地层从老到新变化,不同岩性的岩石测试结果表明热导率逐渐减小,生热率逐渐增大。现今地温梯度分布主要受控于莫霍面的起伏情况,总体上地温梯度值呈现南北较高,中间较低的分布趋势,沁水盆地地温梯度整体分布在2.09~4.76℃/100m之间,平均地温梯度为(2.82±0.103)℃/100m;南部平均地温梯度为3.53℃/100m,中部平均地温梯度为2.24℃/100m,北部平均地温梯度为2.7℃/100m。现今盆地大地热流值分布主要受控于莫霍面及盆地内部断裂,整体呈现南部较高,北部、中部次之的分布趋势,大地热流介于44.8~101.8m W/m~2之间,平均值为65.22m W/m~2;沁水盆地南部、北部、中部的热史演化路径基本相似,自中生代侏罗世末期开始热流值不断升高,在晚侏罗~早白垩沁水盆地热流值达到顶峰即85~108m W/m~2,此时对应的华北板块构造活动最为强烈,引起软流圈上涌造成岩石圈减薄,且盆地对应的整体壳幔热流比小于1,代表典型的“冷壳热幔”结构模型。在早白垩世之后,大地热流值迅速降低,整体上从85~108m W/m~2,降低到古近纪的70~80m W/m~2左右,从新近纪录以来大地热流值缓慢降低,至现今沁水盆地大地热流值在44.8~101.8m W/m~2之间,平均值为65.22m W/m~2,部分热流值较高与沁水盆地断裂较为发育有关。盆地早白垩世热岩石圈厚度分布在40~55km,呈现南薄北厚的分布趋势,南部较薄,为40.1km,中部为53km,北部为54.5km。盆地现今的热岩石圈厚度分布在93.9~128.5km之间,整体分布趋势呈现南薄北厚的特点,盆地壳幔热流比大于1,代表“热壳冷幔”的结构模型。沁水盆地现今热流变结构为“强地壳~弱地幔”的流变学结构,在干地幔及挤压背景下岩石圈强度分布在2.446~2.55×10~(12)N/m,拉张背景下岩石圈强度分布在1.338~1.962×10~(12)N/m,岩石圈弹性厚度分布在18.23~18.71km之间。总体来看,华北板块中部沁水盆地岩石圈热结构形成主要是太平洋板块俯冲及软流圈上涌或地幔柱等作用所导致,其次沁水盆地早白垩世构造热事件与华北克拉通破坏具有较好的耦合关系。