海底板块构造的综合地球物理虚拟仿真实验平台及其应用

依托“地球物理实验”课程,同济大学海洋与地球科学学院应用多媒体、三维建模等网络化、数字化手段,针对以板块俯冲、海底火山、洋中脊等一系列海底板块构造为代表的典型的地质-物理模型,开发了“海底板块构造的综合地球物理虚拟仿真实验”,设计了认知、基础实验和拓展实验三个模块,开展综合地球物理方法的虚拟仿真实验教学。实验项目实行以学生为本的基于问题和案例互动、自主探究和循序渐进的教学方式,注重培养学生的创新思维和综合技能。

太古宙花岗质岩石Si-O同位素对岩石成因和板块构造的约束

板块构造的起源是地球科学核心问题之一,而表壳物质循环是现代板块构造的重要表现之一,因此检验地球表壳物质循环起始时间是约束板块构造启动时间的重要切入点。近年来,岩浆岩的Si-O同位素联合示踪开始被用来约束太古宙构造环境,但由于大多太古宙样品经历了强烈的变质作用,Si同位素数据是否代表原岩信息需要进一步的评估;此外,Si同位素在高温岩浆分异过程中变化非常小,在分析精度不够高的情况下,其分析结果则很可能无法揭示其潜在的变化规律。本文结合当前地球早期构造环境研究进展以及Si-O同位素的应用情况:(1)重点总结介绍了太古宙花岗质岩石(主要包括英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩;简称TTG)的Si同位素应用原理,及应用Si-O同位素约束地球早期构造环境的优势;(2)分析了目前研究中存在的问题,并给出了具体的改进建议和方法;(3)进一步总结了太古宙TTG Si同位素和全球规模的O同位素,Ge/Si比值,及其他地质学和地球化学指标,确认了在大约3.8Ga开始有表壳物质再循环特征的出现;(4)最后依据当前的研究进展,提出了未来具体研究方向。

岩石地球化学大数据在板块构造起始和演化研究中的应用

板块构造的起始和演化是固体地球科学的重要研究内容。岩石地球化学大数据分析可以较全面地用于研究全球构造体制的变化对岩浆岩、沉积岩、变质岩等记录所带来的全球性影响。板块构造样式随着地幔潜在温度的降低,会经历一系列的演化并最终在新元古代末期转变为现代样式的板块构造。板块构造的演化也显著影响着地质历史时期地幔热状态和地表-深部的物质循环,岩石地球化学大数据研究是揭示这些地质过程的重要手段。

地球早期滞壳构造及其向板块构造体制演变

板块构造是现今地球上主导的构造体制,而地球早期是何种构造体制,以及板块构造运动何时开始,学界仍在争论不休。明确这一问题对于理解地球发展历史、演化规律以及预测地球的未来至关重要。早期学者普遍采用均变论观点,认为早期构造运动与现今板块构造相似。然而随着地质资料的积累以及研究技术的进步,从“滞壳构造”到现代板块构造转变的观点逐渐被接受。所谓的滞壳,是指地球表面环绕地球一圈的单一板块。文章在滞壳构造的背景下,介绍了前人提出的地球早期构造体制模式假说,主要有热管构造模式、深成粘盖模式、地幔反转模式、盖—板构造模式等。随后对地球从滞壳构造向板块构造转化时间的最新研究进行综述。笔者认为目前主流学术观点已形成大体一致的框架,即中新太古代发生从滞壳构造模式向板块构造模式转化,现代板块构造样式可能在新元古代最终形成。

关于全球板块构造动力学机制的讨论

岩石圈板块早期的动力学机制———传送带模式,难以解释板块运动的特征。本文在简述近20年来板块构造学说新成果和新进展的基础上,着重介绍并评述了地幔羽和陨击作用诱发板块运动的新假说。

从多岛弧盆系研究实践看板块构造登陆的魅力

板块构造学说是高度成功的地球科学理论。大洋岩石圈与大陆岩石圈之间的多岛弧盆系构造域是板块构造登陆的入门向导。青藏高原大地构造研究实践表明,青藏高原是板块构造登陆的研究基地。众多蛇绿岩带、混杂岩带和火山岩浆弧带等的识别,支持洋陆转换多岛弧盆系构造模式,可用来解释特提斯和亚洲大陆的形成和演化。

全球板块构造演化过程中五大成盆期原型盆地的形成、改造及叠加过程

原型盆地作为沉积盆地演化过程中某一地质时期的阶段表现,其对油气形成与分布的重要性不言而喻。基于威尔逊旋回原理研究发现,板块构造演化经过一个完整的周期,能够形成六大类17小类原型盆地。以全球五大成盆期(前寒武纪、早古生代、晚古生代、中生代及新生代)板块重建为基础,紧密结合古气候、岩相古地理等特征,恢复确定了1 056个原型盆地。前寒武纪残留下来的主要是位于现今各大陆块之上的裂谷等伸展型盆地;早古生代呈漂移状态为主的大小陆块主要形成被动大陆边缘和内克拉通盆地;晚古生代全球除了乌拉尔及阿特拉斯褶皱带发育前陆盆地外,其他地区仍以被动陆缘、内克拉通等伸展盆地为主;中生代潘吉亚超级大陆裂解,形成大量裂谷、被动大陆边缘盆地,西缘收缩形成科迪勒拉山弧后盆地;新生代新特提斯洋及美洲大陆弧后海关闭形成两大前陆盆地群,太平洋西海岸海沟-岛弧-边缘海盆体系范围明显扩大,印度洋及大西洋持续发育周缘被动大陆边缘盆地群。按原型盆地类型来看,被动大陆边缘盆地分布最广泛,其次是裂谷,弧前盆地最少。时代越新,原型盆地总数量越多,其中被动陆缘、前陆、弧后及弧前新生代最多,但裂谷盆地在中生代最广泛,内克拉通晚古生代最发育。

南天山古生代板块构造演化

据南天山古生物地层、古地磁、岩石地球化学和同位素年龄等资料的综合分析结果;认为该区在奥陶纪—二叠纪曾为古大洋。最初裂开为大洋是以震旦纪贝义西组(Z_1b)大陆裂谷火山喷发为标志,从震旦纪—奥陶纪完成了从裂谷到被动大陆边缘海盆的演化;志留纪—泥盆纪南天山洋壳向哈萨克斯坦板块之下俯冲,泥盆纪末至石炭纪早期,塔里木板块与哈萨克斯坦板块发生陆-陆碰撞。石炭纪—早二叠纪在南天山仍存在一个向西开口的前陆残余海盆。它最终关闭于二叠纪。

一个距今10亿年侵位的阿尔卑斯型橄榄岩体:北秦岭晚元古代板块构造体制的证据

北秦岭松树沟超镁铁岩体是一个侵位于原秦岭群斜长角闪岩中的阿尔卑斯型橄榄岩。其岩体外侧有一石榴石斜长角闪岩接触变质带。利用Sm-Nd矿物等时线法获得该石榴石斜长角闪岩的年龄为983±140(2σ)Ma,它代表该岩体的侵位时代。该石榴石斜长角闪岩的ε_(Nd)(T)=+6.9±0.9,εS_r(T)=+16,f^(Sm/Nd)=-0.26,模式年龄T_(DM)=1089Ma。这些说明该斜长角闪岩是一形成时代与松树沟超镁铁岩体类似,来自亏损地幔并具有蛇绿岩Nd、Sr同位素特征的大陆边缘或岛弧玄武岩。因此,松树沟超镁铁岩及其围岩(斜长角闪岩)为一元古宙蛇绿岩,并初步证明了北秦岭在晚元古代已具有板块构造体制。考虑到该带还广泛发育有古生代蛇绿岩,因此从10亿年到3.5亿年(古生蛇绿岩侵位时代),华北陆块南缘的陆壳增生是非常有限的。

鄂尔多斯盆地中央古隆起板块构造成因初步研究

运用板块构造理论，对鄂尔多斯盆地西缘和南缘的地质背景和构造变形特征进行分析，认为鄂尔多斯盆地中央古隆起在早古生代由祁连海槽与鄂尔多斯盆地碰撞拼贴产生的近东西方向的侧向挤压应力作用而形成。盆地西缘近南北向的青铜峡－固原断裂是碰撞拼贴带，断裂带与中央古隆起延伸方向平行，同时，秦岭海槽由南向北推挤以及渭北构造带北界的近东西走向的草碧－老龙山－圣人桥断裂的左行走滑使中央古隆起的南端向东转折，导致中央古隆起在平面上呈现“Ｌ”形展布。

前寒武纪地球动力学(Ⅴ):板块构造起源

文中系统综述了板块构造启动时间的不同观点及其依据,并探讨了板块构造启动的三个必备条件：刚性岩石圈、俯冲作用、地幔对流循环的起源,进而探讨了前寒武纪俯冲作用、板块构造体制与现代俯冲作用、板块体制的差异。板块构造体制启动的三个缺一不可的条件：刚性、俯冲和地幔对流,直到27-21亿年期间才在全球不同地点同时满足。但现代板块构造体制起始的时间为10（或19）-8（或6）亿年,其标志性物质记录或识别标志依然是蛇绿岩建造、高压-超高压变质、岛弧型岩浆建造等。最后,系统描述了板块构造可能的启动机制和过程,为认识前板块构造和板块构造差异提供一个约束,也为推动地球动力学统一理论的思考和探索提供一些最新认识。

钦-杭结合带在中生代构造转折事件以前的板块构造机制

钦州湾—杭州湾结合带是位于扬子与华夏两大古陆块中间的巨型构造结合带,在演化成西太平洋活动大陆边缘之前,经历了多期次的构造-岩浆事件。扬子和华夏板块于新元古代通过四堡造山运动（1 000~880 Ma）沿江山—绍兴断裂,经赣东北、湘中至钦州湾地区发生碰撞-拼合事件,拼合界线大致位于钦州湾—杭州湾结合带内,形成＂两陆夹一盆＂的主要格局。后碰撞过程经历了造山后岩浆活动和大陆拉张裂解两个过程,在结合带形成广阔的拉张盆地,加里东期（460~410 Ma）以及印支期（250~200 Ma）发生的碰撞-拼合事件导致扬子和华夏地块多次再造,引发强烈的构造-岩浆活动,并形成了华南统一的沉积环境。受西太平洋板块俯冲影响,华南地区中生代构造转折事件（125~140 Ma）使华南地区主要构造背景由碰撞挤压调整为岩石圈减薄,成为华南最重要的岩浆活动和成矿期。根据内部结构的不均一性和演化历史差异,钦州湾—杭州湾结合带可分为北段、中段和南段3段。其中,中段与传统南岭大体一致;北段为南岭以北地区,即绍兴—江山—萍乡一带;南段为南岭以南地区,大致与云开隆起—十万大山盆地相当。年代学和地球化学研究显示,在云开地块西缘的一系列变质基性岩、超基性岩和变质基性火山岩形成于新元古代洋中脊（MORB）或者岛弧（ITA）特征的构造环境,最近在岑溪一带发现形成于加里东期（441 Ma）的变质火山岩同样具有MORB型地球化学特征。在十万大山两侧发现早中生代的酸性火山岩和流纹岩具有典型岛弧型火山岩地球化学特征。可见结合带南段曾经存在古老洋壳,先后经历了新元古代、加里东期和印支期的碰撞造山事件,与北段演化历史具有一致性。

早期大陆与板块构造启动——前沿热点介绍与展望

板块构造的启动时间和机制,一直是国内外地球科学界关注的焦点,有不少热点文章对此进行了讨论。它涉及的不仅是早期地球的构造机制问题,更关系到整个地球的演化历史、变化过程和演化规律,以及地球的未来。本文对国内外的研究状况、研究重点进行了简单述评,强调地球的“热状态和热演化”是构造机制演化的关键控制因素,提出大陆形成和岩石圈的演化与板块构造起源关联密切,是理解早期板块构造启动的重要研究内容。华北克拉通是代表性的古老大陆,本文对它的研究状况给出了介绍和评述。文章最后展望了“早期大陆与板块构造启动”这一重要科学问题的研究方向,并对相应的研究方法提出了评论和建议性意见。

东天山板块构造基本特征

依据沉积建造、构造岩石组合、变形、变质、古生物分区、地壳结构、地球物理、地球化学等特征重新划分了东天山的板块构造格局，并对区内５个二级板块单元的基本特征进行了对比总结。康古尔塔格—喀尔力克岛弧系发育泥盆—石炭系岛弧拉斑玄武岩—安山岩，为活动大陆边缘产物；阿奇山—雅满苏岛弧系发育石炭系，４个火山—沉积旋回表明其为典型的活动边缘，无序地层苦水组为海沟区浊积岩；北山可二分，北部与中天山可对比，为早古生代岛弧，南部可与南天山对比，为晚古生代弧后盆地。康古尔塔格—黄山深断裂为准噶尔板块与塔里木板块的分界线，沿断裂发现有巨型韧性剪切带、混杂岩、海沟杂砂岩、大洋岩残片、无序拼合混杂带、碰撞花岗岩等，表明康—黄断裂为南北两板块的俯冲—碰撞带。

内蒙造山带南部古板块构造演化

对内蒙造山带南部构造岩石组合、构造序列和部分岩石的同位素年龄研究表明,华北板块北缘在中元古代由大陆裂谷发展成被动陆缘,晚元古代开始转为活动陆缘,延续至早古生代转为俯冲—左旋走滑。随着温都尔庙蛇绿岩的定位和俯冲带北移、贺根山蛇绿岩的定位,内蒙造山带南部分别经历了两次均衡抬升—裂陷。海西末期华北—西伯利亚两大板块已缝合,进入超碰撞阶段,区内花岗岩大量侵位并形成了一系列推覆构造。

燕山带中生代主要构造事件与板块构造背景问题

对冀北、辽西火成岩体和火山岩的定年与野外构造的研究揭示,燕山地区主要缩短变形期为:①前中林罗期(180 Ma);②晚侏罗期(161～148 Ma);③早自垩期(143～127 Ma→117 Ma)。前中侏罗期的SN向缩短可能与蒙古弧—华北板块沿索伦缝合带拼合有关。晚保罗世—早白垩世的缩短变形可能是西伯利亚与蒙古—华北拼合板块沿其北1000～1800km外,蒙古—鄂霍茨克缝合带碰撞的板内响应。我国东部NNE向构造与岩浆的展布以及京北云蒙山区早白垩世向南的基底推覆和岩体侵人间密切的时空关联表明,它们遭受了与太平洋板块向西俯冲相关的热体制的影响。

中国内蒙古中部的古板块构造

基于近年的研究,笔者认为内蒙古南部华北地台北缘有二条东西走向的元古代裂谷带,并分别沉积了泻湖相或浅海相的渣尔泰群和白云鄂博群。白云鄂博群中部炭质白云岩中铅的同位素年龄为1500Ma。沿二裂谷带在阴山和燕山零星出露一系列碱性火山岩和侵入体。裂谷带以北的古生代造山带中,识别出6条蛇绿岩带,以及至少5个增生地体。介于西伯利亚和华北二地台间的古生代洋盆,因多次向两侧陆缘带俯冲,终于在二叠纪晚期导致华夏古陆与安加拉古陆的碰撞。其间的缝合线位于林西至索伦敖包一带。内蒙古及其邻区大地构造演化的研究表明,西伯利亚地台南缘与中新生代的亚洲东部陆缘甚为相似,而华北地台北缘则与北美的科迪勒拉山系大体相似。从华北与西伯利亚的分裂到二者的重新拼合构成一个巨大而完整的威尔逊旋回。

寒武纪全球板块构造与古地理环境再造

基于古地磁数据对寒武纪全球古板块进行再造,并叠加更新的寒武纪全球大地构造背景和岩相古地理分布等要素,编制了寒武纪全球古板块再造图、古地理图、全球岩相及烃源岩分布图。寒武纪全球板块以冈瓦纳超大陆、劳伦古陆、西伯利亚板块和波罗的板块为主,多集中位于南半球,冈瓦纳超大陆快速向南漂移,其他板块主要向北漂移,并伴随逆时针旋转。寒武纪整体处于海平面及温度的上升时期,全球板块多为陆表海环境,有利于早寒武世的富有机质沉积,为寒武纪生命大爆发提供了良好条件。但此时气候带梯度不高,干旱气候带广泛分布,下—中寒武统多蒸发盐岩。冈瓦纳超大陆北部主要为碳酸盐岩沉积,南部多为砂岩沉积,东部边缘多火山活动,在中部的西侧边缘地区碳酸盐岩沉积和砂岩沉积物中一般有较好的油气和烃源岩。劳伦古陆沉积具有环带特征,其外侧为碳酸盐岩沉积。西伯利亚板块早—中寒武世主要以巨厚的膏盐岩沉积为主,晚期沉积仅为几百米厚的碳酸盐岩,整体处于被动陆缘沉积的构造背景,这促进了该板块中储层和盖层的发育。波罗的板块纬度相对偏高,主要为砂岩和页岩沉积。

华北地台北侧的古板块构造演化

在华北地台北侧原兴蒙华力西褶皱带内相继确立了加里东褶皱带和中晚元古代褶皱带,并划分了早、晚华力西褶皱带,探讨了定位于中亚—蒙古古大洋中的微大陆。本文概述了华北地台北侧古板块构造格局、各板块构造单元的地质构造特征以及华北地台北侧元古代—古生代岩石圈的形成与演化。

开合旋构造体系及其形成机制探讨:兼论板块构造的动力学机制

开合构造总体上可以表述为:地球膨胀为开,收缩为合;垂向上地球物质离心(地心)运动为开,向心运动为合;水平方向上地球物质相背运动为开,相向运动为合。从驱动机制角度,我们把以热力(热能)为主体驱动的上浮物质运动定义为开;将重力(势能)为主体驱动的下沉物质运动定义为合。因此,开与合是一个高度综合的概念,具有广阔的内涵,开合运动是联系一切地质运动和地质科学的纽带。开合运动具有同步统一性,即垂向的开在水平方向也表现为开;垂向开得强烈,水平方向同样开得强烈,反之亦然。地球刚形成时诸多开合构造是无序的,地球的旋转运动统领地球上所有物质、能量、运动和大大小小的各种开合构造于旋转运动中,并将它们调剂到有序状态。简言之开合构造体系是开合旋运动长期作用下形成的不同时期、不同层次、不同级别的开合旋回组成的动态平衡构造体系。本文总结了地球开合旋构造体系物质组成、结构构造特征和规律,建立了开合旋复杂构造体系简要模型。提出平衡体系的形成机制是开合旋运动遵循地球重力均衡准则、最小内能原理(结晶化)、几何淘汰生长(垂直地心生长)和物质均匀化四条自然演化规律,其中重力均衡准则是主导的。由于地质事件(构造运动)在破坏开合旋平衡体系的同时,经常直接或间接向体系内输入新能量,往往使新的旋回比老旋回的结构构造更符合地质演化的自然规律,于是使地球显得更强大而有活力。这一次又一次的地质事件(构造运动)是开合旋构造体系螺旋式向前发展的动因。本文最后用开合构造观点探讨了地球的形成和演化,分析了板块构造运动的动力学过程。