大陆演化与花岗岩研究的变革

花岗岩是地球岩石圈区别于太阳系其他行星的标志之一,也是地球岩石圈中陆壳区别于洋壳的重要标志.洋壳形成演化的核心问题是玄武岩,大陆形成演化的核心问题是花岗岩.洋壳的寿命仅2~3亿年,陆壳的寿命长达40~45亿年.大陆花岗岩记录了岩石圈形成演化的各种信息,对于人类认知固体地球具有无法替代的作用.最早的陆壳主要由一类富钠的、以奥长花岗岩-英云闪长岩-花岗闪长岩为主的花岗岩类岩石(TTG)组成.TTG不是早期岩浆海洋结晶分异的产物,也不可能来自地幔岩石的直接熔融.查明TTG的起因即能揭开大陆形成之谜.显生宙大陆演化表现为大陆面积增长和大陆克拉通活化两个方面,两者均伴随海量花岗岩的产出,同时伴随有大规模的成矿作用.花岗岩所凝聚的科学问题是对板块构造理论的巨大挑战,也是固体地球科学理论创新的重大机遇.花岗岩研究从岩石地球化学层面跃升到陆壳演化层面,是研究思维和理论创新的突破,是21世纪花岗岩研究的重大转折.第540次香山科学会议就如何推动花岗岩研究层面的跃升问题展开讨论,汇集智慧、凝聚共识,对我国未来5年和更长时间的花岗岩研究进行顶层设计,进一步推动花岗岩与大陆演化、大陆流变学、大陆动力学和热力学等方面的研究进展.     

不同时空背景幔源物质对比与华北深部岩石圈破坏和增生置换过程

华北克拉通地幔破坏作用, 使之成为世界研究大陆形成演化的最理想地区之一. 但有关破坏机制、时限、范围及其动力学背景, 甚至破坏前岩石圈状况等相关联问题都存争议. 华北东部不同时代(如古生代、中生代和新生代)、位置(如地块内部与边缘、郯庐断裂带和重力梯度带)火山岩所携带捕虏体橄榄岩, 及其南侧苏鲁-大别造山带地质体橄榄岩等直接的岩石圈地幔物质对比表明: 华北古老岩石圈是不均一的、存在幔内薄弱带, 中生代、新生代岩石圈减薄作用包括地幔伸展、熔体-岩石作用、不均匀侵蚀减薄与小幅增生增厚, 从而实现难熔克拉通地幔被新生饱满岩石圈地幔置换作用等复杂过程. 早中生代时, 扬子大陆深俯冲碰撞引起华北岩石圈的完整性受影响甚至破坏、边缘受俯冲陆壳释放熔/流体交代改造、岩石圈地幔伸展和构造侵位以及受山根断离扰动软流圈物质上涌侵蚀等; 早白垩世-早第三纪时, 太平洋板块俯冲进一步扰动软流圈并强烈上涌侵蚀上覆岩石圈引起它的巨大减薄作用; 晚第三纪以来上涌软流圈的热沉降作用带来小幅度岩石圈增生增厚过程, 最终实现了已存岩石圈被新生地幔置换和岩石圈整体的减薄作用, 并由此构成了陆内造山和克拉通盆地形成耦合过程的深部驱动力. 郯庐等岩石圈深大断裂带是软流体物质上涌的良好通道, 同时由于在岩石圈内部起通道作用的幔内薄弱带是不规则的, 它们引导着软流圈物质侵蚀岩石圈和岩浆喷出地表的时间存在早、晚不一致现象. 喷发时代为100 Ma的玄武岩所捕获的橄榄岩主体是饱满的, 说明华北东部的一些地区在此之前(如125~100 Ma)曾有过地幔置换作用发生.     

发展板块构造: 从洋壳俯冲到大陆碰撞

大陆地壳深俯冲与超高压变质的研究不仅带动了中国固体地球科学的发展, 而且为发展板块构造理论提供了契机. 根据俯冲地壳的性质, 已经认识到俯冲和碰撞分别以两种类型出现. 就地壳俯冲来说, 存在洋壳俯冲型(例如太平洋周边)和陆壳俯冲型(例如阿尔卑斯造山带). 就大陆碰撞来说, 则存在弧-陆碰撞型(例如喜马拉雅和青藏造山带)和陆-陆碰撞型(例如大别-苏鲁造山带). 大陆俯冲带深部化学变化与差异折返、洋壳俯冲与陆壳俯冲之间的时空转换, 将是今后一个时期大陆动力学研究的重点.     

造山带的伸展构造与软流圈隆起——以兴蒙造山带为例

本文选择了兴蒙造山带为例,探讨软流圈隆起与大陆岩石圈构造演变间的关系.兴蒙造山带展布范围大体相当于内蒙—大兴安岭褶皱系的范围(图1).它是在华北板块与西伯利亚板块对接基础上形成的.早古生代末(S_3-D_1)是该区最主要的一次碰撞造山事件,以早古生代地层(∈-S_2)普遍的变质和变形作用以及发育的深成岩和磨拉石建造为标志.中古生代(D_2-3)大陆岩石圈发生暂短的裂解,形成陆间洋盆.法门阶底部不整合标志古亚洲洋最后封闭与造山,造山作用相对比较弱,没有广泛分布的磨拉石建造,上志留-下泥盆统的地层组成宽缓对称的褶皱,岩层基本不变质或弱变质.中石炭-早二叠世全区广泛处于陆表海环境,二叠纪陆内裂谷阶段,形成双峰式火山岩和晚古生代末的碱性花岗岩带,晚二叠世-三叠纪全     

中国海相盆地的形成与演化

中国海相沉积盆地的形成与演化主要经历了两大构造期和5个构造演化阶段．两大构造期是指早古生代板块离散-漂移控制下的海相盆地形成和晚古生代以来板块聚敛-碰撞控制下的盆地叠加改造这两大构造期．5个演化阶段如下：①元古界-中石炭世，小陆壳板块在大洋中的漂移和以碳酸盐岩沉积为主的海相盆地的形成；②晚石炭世-中三叠世，陆壳板块向北的拼合聚敛和海陆交互相沉积盆地的发育；③晚三叠世-早白垩世，板块拼贴以后的构造稳定阶段和陆内沉降控制的湖相沉积盆地的叠加；④晚白垩世-古近纪，受新特提斯洋和西太平洋板块活动的影响，海相沉积盆地经受陆内变形，发生埋藏、隆升剥蚀或破碎；⑤新近纪以来，受印度板块与亚欧板块的碰撞及其远距离效应的影响，海相沉积盆地边缘发生前陆挤压和盆山耦合作用．构造演化过程控制了中国海相沉积盆地的石油地质特征，古生代海相沉积盆地的形成奠定了油气藏形成的物质基础，中新生代的构造叠加与改造决定了油气成藏与保存的关键条件．晚元古代-早古生代，漂移在大洋中的古板块上沉积的深水相泥页岩和陆缘海碳酸盐岩层序中，发育了优质的海相烃源岩和礁滩相储集层．晚古生代，陆壳板块聚敛并上升成陆，克拉通盆地内部的古隆起成为油气运移、聚集和储集的良好空间，同时海陆交互相沉积的煤系地层形成了区域性的封盖层．中新生代的构造稳定性决定了古生代海相盆地的保存条件．具有前寒武系结晶基底，构造活动相对稳定，盆地改造程度低的海相沉积盆地和其中古油气藏容易保存，例如塔里木盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地等都是有利于海相油气勘探的地区．     

地球起源以及大陆的生长与破坏

早期的地球是45亿年前从太阳系星云中的较重元素所组成的星子非均匀吸积、增生而成的。陨击作用造成地表岩石撞碎,诱发地幔的超临界流体或岩浆上涌,造成剧烈的火山爆发,并使地幔上部硅酸盐中的气体挥发分在固体地球表面聚集,逐渐演化成水圈、大气圈。洋壳主要是由深部铁镁硅酸盐岩大面积喷出地表所形成的拉斑玄武岩所组成,可能是陨击作用所派生的片麻岩穹窿则造成了原始大陆地壳的核心。岩石圈板块在18~16亿年前开始形成。大洋与大陆板块间俯冲作用和陆陆板块间碰撞作用的应变速率都是极低的,它们可以造成岩石的局部破裂,但是韧性变形作用、变质作用,以及岩浆与超临界流体的贯入与冷凝却使岩石愈合,非但没有使大陆被破坏与撞碎,反而使大陆不断地增生。亚洲大陆板块就是从18亿年前或16亿年前到现代,由27个较大的古地块及上百个小地块,经过14次板块间的俯冲或碰撞而汇聚成的。至于大陆的破坏,则可能是地幔羽的隆升或巨大陨石撞击所诱发的。     

试论碰撞运动——一种假说性的探讨

本刊1982年第2期刊载了张文佑教授《裂谷构造与成矿作用》一文,该文侧重论述了大陆经拉张而解体以及与成矿作用问题;本文则对不同地壳性质块体间的碰撞阳挤压造山问题进行了高度概括的阐述。这两篇论文叩问的都是国际上八十年代岩石圈研究计划的中心议题,即陆壳与洋壳的互相转化这一重大课题,是张文佑先生晚年的代表性学术论著。     

深俯冲大陆板块折返过程中的流体活动

与洋壳俯冲过程中释放大量流体引起同俯冲岛弧岩浆作用、形成石英脉和变质矿床等现象相比, 陆壳俯冲过程以相对缺乏流体为特征. 但是在深俯冲陆壳的折返过程中, 含水矿物分解、原生包裹体爆裂和结构羟基出溶能够产生可观的含水流体, 成为碰撞造山带变质作用、岩浆作用乃至成矿作用研究的重要目标之一. 根据对大别-苏鲁造山带超高压变质岩中流体活动程度和总量的研究, 发现深俯冲陆壳折返过程中的流体活动具有如下效应: (1) 弥散式流体流动导致广泛的角闪岩相退变质; (2) 隧道式流体流动在榴辉岩内部形成高压石英脉; (3) 聚集式流体流动引起上覆岩石部分熔融, 在造山带内部形成同折返岩浆岩. 由超高压矿物降压释放羟基所形成的含水流体以低盐度为特征, 并且能够形成弥散式或隧道式流体流动. 因此, 研究超高压岩石折返过程中的流体活动, 不仅对于认识陆陆碰撞造山带的地球动力学过程, 而且对理解壳幔物质再循环及其有关的岩浆作用具有重要意义.     

大别造山带深部地缝合线与地表地缝合线的解耦及大陆碰撞岩石圈楔入模型: 中生代幔源岩浆岩Sr-Nd-Pb同位素证据

中国东部华北和华南陆块的中生代镁铁质岩浆岩的Nd-Pb同位素存在显著差异 华北陆块中生代幔源岩浆岩的εNd值可低至-15～-21, 206Pb/204Pb<17.9, 而华南陆块的εNd值>-10, 206Pb/204Pb>18.3. 大别造山带北部发育的中生代辉石-辉长岩的εNd值可低至-19, 206Pb/204Pb<17.3. 这说明北大别带深部岩石圈的地球化学特征与华北陆块岩石圈类似, 而不同于华南陆块. 因此, 虽然大别造山带华北与华南陆块地表地缝合线位于北大别带北侧, 但是切割中国东部的中生代深部岩石圈Nd同位素剖面显示其深部地缝合线应位于北大别带以南. 这与前人建议的郯庐断裂以东深部地缝合线南移现象是一致的, 但与华南陆块地壳向北俯冲相矛盾. 这一深部地缝合线与地表地缝合线的解耦现象可以用大陆碰撞岩石圈楔入模型来解释. 俯冲板片断离后, 两陆块的持续会聚可形成缝合带的强挤压环境, 从而导致已折返的俯冲陆壳与未折返的镁铁质下地壳及岩石圈地幔分离, 并使华北陆块下地壳及岩石圈楔入扬子陆块北缘俯冲陆壳和岩石圈地幔之间. 这一构造作用导致华南陆块原俯冲陆壳向北仰冲, 而华南陆块深部岩石圈向华北陆块下俯冲. 它是导致大别山侏罗纪超高压变质岩的第2次快速抬升和岩石圈拆离(delamination)及相应岩浆作用的重要构造机制. 大别-苏鲁造山带深部地缝合线南移也为早白垩纪沿长江中下游一带发生的大规模中生代岩浆-成矿作用创造了深部构造条件.     

克拉通岩石圈的生长和再造

华北克拉通岩石圈减薄研究已经成为近一个时期中国乃至世界固体地球科学研究的热点. 本文在讨论大陆地壳形成和演化的基础上, 概括了岩石圈地幔形成机制, 提出克拉通岩石圈减薄主要以两种方式发生在大陆岩石圈地幔下部, 一种是俯冲侵蚀(例如华北), 另一种是俯冲侵蚀与底垫消融相结合(例如扬子).     

地质科学理论发展的哲学思考

本文根据系统论哲学观，讨论了当代地质科学主导理论板块说的认识论与方法论问题，分析了所存在的四个根本性理论困难，并基此而提出地学发展的理论新命题──地壳及岩石圈板块运动属性的“三维与两维之辨．     

青藏高原东北部地貌演化与隆升

揭示青藏高原生长过程和重建不同时期的古高度,是备受关注的科学问题。在青藏高原东北部,广泛分布的高大山系和盆地,是高原地貌演化的结果,也成为认识高原隆升过程的重要地质记录。对西宁盆地的沉积分析表明,这里的山盆体系在距今～50 Ma就开始发育,并相对稳定地持续到了16～10 Ma,表明这段时间高原东北部已经基本形成。在16～10 Ma,盆地河湖相沉积停止,遭受侵蚀、河流开始下切,指示这时有一次重要的构造活动和地面抬升。在～2.0 Ma以来,广泛发育的河流阶地序列(高度差达400 m以上),指示了气候变化和构造活动对地貌的影响;存在的数百米的河流阶地高差、河流侵蚀速率近10倍的增加是地面构造抬升控制河流下切的证据,指示青藏高原东北部在～2.0 Ma以来的抬升。西宁盆地及其周边山系地貌发育过程,可能是高原东北部隆升对欧亚和印度板块碰撞和挤压响应的体现。     

地球的陆壳是怎样形成的?——神秘而有趣的前寒武纪地质学

地球的年龄大约有46亿年。以5.45亿年为界,之前的称为前寒武纪,它有大约40亿年,是地球历史上漫长的地质时代。之后的称为显生宙,寒武纪就是显生宙的第一个纪元。地球陆壳的80%～90%以上是在前寒武纪形成的,记录了复杂和惊心动魄的地质构造事件,赋存着丰富的矿产资源。前寒武纪地质,就是研究地球在前寒武纪时期的地质演化,特别是大陆的形成和增生以及演化的学科。     

新生代陆桥的动物迁移与气候变化

各大陆的动物区系既有差别又有联系，构造运动曾是大陆联接和分离的原动力，动物通过“陆桥”的迁移实现了各大陆之间的交流。但在新生代大幅度的气候变化中，海平面升降是造成陆桥时断时合的重要原因，古生物证据显示了陆桥的动物迁移与气候变化有着严格一致的对应关系。在温室效应日益严重的今天，全球气候变暖带来的海平面上升必然迫使许多物种去试图改变它们的分布范围，最后的受害者也包括人类自己。因此，认识动物迁移与气候变化的关系具有十分重要的现实意义。     

中国东秦岭北部地区的变质地质

东秦岭北部地区是中国东部南北两大陆块(华北地台和扬子地台)之间自晚元古代以来的一个长期活动的狭长高应变带。在这个长600公里以上,宽40—60公里的“条带”上,分布有前寒武纪变质岩、未变质的沉积岩和火山岩、晚期花岗岩等。前称“秦岭地轴”。它与南、北陆块具有截然不同的地质构造演化历史。     

行星地球动力学与探寻资源和灾害预测

行星地球动力学是研究行星的形成及其深化机制的科学。根据不同圈层间角动量交换的关系和作用机制，我们定性研究了最初地球极在大陆的形成，以及它们的分裂和向外核流体赤道辐合带的漂移。     

大陆动力学的哲学探索

板块构造学说不能合理地解释大陆地质现象。本文从大陆地质事实出发，采用系统的哲学观，探讨大陆造山带与盆地的耦合关系，渐变与突变的内在联系，水平运动与垂直运动的转换过程，地球运动、岩石圈运动与大陆地壳运动的制约关系，指出大陆下地壳层流运动和大陆盆山耦合作用构成大陆动力学的基本结构体系     

中国第四纪磁性地层学中几个问题的初步探讨

近年来世界各国第四纪磁性地层学的研究工作发展很快,对解决一些长期争论不休难于定论的第四纪有关问题取得了显著的成效。 我国第四纪磁性地层学的工作是从七十年代初期开始的,几年来在解决一些地层的时代和古人类的年代问题方面,取得了一些成果。 下面仅就我们现在掌握的资料,初步探讨几个问题。     

“深时”古气候对现代全球变暖及不确定性的启示

为了客观评价当前全球变暖的原因和不确定性因素,厘清影响全球变暖的主要因素,分析了"深时"(前第四纪)时期的古大气成分、古温度等气候参数和极端气候事件,同时还总结出当前全球变暖中7个不确定性因素。分析指出,研究第四纪以来的气候变化尤其是当前全球变暖,首先应该与"深时"古气候有机结合为一体;其次应该考虑大气圈-水圈-生物圈-土壤圈-岩石圈之间的耦合和反馈,而太阳活动、地球轨道变化等地外因素也不能忽略;再次,在不否认人类活动对当前气候造成重大影响的同时,也需正视当前全球变暖过程中存在的诸多不确定性因素;最后,对中国二氧化碳减排和应对全球变暖提出对策建议,指出坚持"共同但有区别的责任"的国际谈判原则的重要性。