元地球与数字孪生:思想突破、技术变革与范式转换

数字孪生在航天、工业制造领域已应用了20多年,但引入海洋科学还是首次。通过数字孪生技术,实现真实地球与虚拟地球的融合,构建一个真实地球与数字地球的虚实共同体,这里称为“元地球”。本文介绍了元地球与早期提出的数字地球、虚拟地球、玻璃地球、智慧地球的本质区别,进而突出元地球理念或思想上的巨大突破。基于现今元宇宙BIGANT技术体系,构架跨越地球各圈层的实时、全天候、立体观测感知系统,打通地球系统各圈层动力学模拟隔阂,实现超越现今地球,再现深时地球,实现时空穿越,从而集数字地球、虚拟地球、玻璃地球、智慧地球、现今地球、深时地球的特性于一个共同体,这个深时的虚实共同体就是元地球。这一理念必将催生新的技术范式变革,进而超越现实地球、虚拟地球,开启人类认识地球、探测地球、开发地球的全新方式。在实现研究范式转换的同时,推动元地球的多场景应用,这也必将催生未来的万亿新产业。

北秦岭东段二郎坪单元辉长岩成因及其构造意义:来自锆石U-Pb年代学、地球化学和Sr-Nd-Hf同位素的制约

北秦岭造山带二郎坪单元的形成时代与构造属性一直是争论的焦点,解决此问题的关键在于精确约束与俯冲相关的岩浆作用的时限和性质。本文对北秦岭东段二郎坪单元辉长岩开展了岩相学、锆石U-Pb年代学、全岩主微量元素地球化学和Sr-Nd-Hf同位素分析研究。地球化学特征表明,二郎坪单元辉长岩具有较低的w(SiO_(2))(49.61%~50.58%),表现出富Na贫K的特征(Na_(2)O/K 2O=8.44~14.09);稀土配分型式呈右倾型,相对富集大离子亲石元素(LILEs)、亏损高场强元素(HFSEs),具有Nb、Ta、Zr、Hf的负异常,Sr-Nd同位素组成略微富集,显示出岛弧岩浆岩的特征,具有CAB的性质,其原始岩浆来源于含角闪石的石榴子石相地幔源区的部分熔融,形成于岛弧环境,岩浆源区经历了俯冲流体的交代。利用锆石SIMS U-Pb定年手段获得二郎坪单元辉长岩加权平均年龄为(464±2.9)Ma,限定其成岩时代属中奥陶世。结合区域地质资料和前人研究成果,认为二郎坪单元辉长岩是宽坪洋向北秦岭微陆块下南向俯冲的产物,但不排除商丹洋向北秦岭微陆块下北向俯冲带来的影响。

华南中生代构造转换和古太平洋俯冲启动

长期的华南地块研究取得了一系列重要成果,但是古太平洋俯冲作用于华南的地质记录不是很清晰,尚存争论。一派认为始于二叠纪,另一派认为中生代。本文试图通过华南中生代EW向特提斯构造域和NE向古太平洋构造域的构造转换过程及转换时间入手,探讨古太平洋俯冲启动。雪峰山地区早侏罗世地层以及侏罗纪类磨拉石建造呈NE或NNE向展布,燕山期主要发育2期褶皱变形,早期褶皱轴向为NE—NNE向,晚期为NNE或近南北向的隔槽式褶皱;而印支期也发育2期褶皱变形,D1期为EW—NEE向,D2期为NNE向的紧闭褶皱。这些都说明晚三叠世雪峰山地区已经从EW向特提斯构造域向NE—NNE向太平洋构造域的构造方向转换。而南岭地区,以及更南部的南海北部海域,构造转换时间相对较晚,为早—中侏罗世。综合前人的测年数据,德兴斑岩型铜矿三个含矿斑岩体形成于大约172 Ma,形成于古太平洋板块俯冲所形成的活动大陆边缘环境,成矿物质来源于俯冲洋壳的部分熔融,与地幔楔发生混染,推测与该时期古太平洋板块的平板俯冲、板片撕裂、拆沉和俯冲后撤一系列过程密切相关。同期,华南东南部发育了NE—NNE向、NW向和近EW向三组断裂,其中白垩纪(135~100 Ma)华南NE—NNE向的走滑断裂强烈活动,从东向西依次为:滨海断裂、长乐—南澳断裂、政和—大埔、邵武—河源—阳江断裂、吴川—四会断裂和合浦—北流断裂,主要表现为右旋走滑作用,在东南沿海地区形成一系列的拉分盆地,并非典型的"盆岭构造"。根据群速度和S波速度层析成像,华南地块总体上从西向东地壳的厚度整体上逐渐减薄;华南地块东部发生两次壳幔相互作用,对应两次岩石圈拆沉,这两次拆沉都与古太平洋板块的俯冲有关,第一次拆沉为古太平洋板块平板俯冲时板片撕裂所致,第二次拆沉为俯冲板片俯冲后撤和高角度俯冲造成。

中国东部中新生代反转构造及其记录的大洋板块俯冲过程

中新生代期间,中国东部可以划分西部沉降带(包括东北、华北和中下扬子盆地群)和东部沉降带(包括东海和南海盆地群)。各盆地内部反转构造表现为东强西弱、自东向西迁移的规律,反映了构造反转的动力来自东部,证实了反转构造是古太平洋或太平洋板块的俯冲效应。但反转构造总体又具有自西部沉降带向东部沉降带迁移的特征:西部沉降带以中生代末期的挤压反转为主,而东部沉降带以渐新世末和中新世末的新生代反转最为典型。可见,虽然在同一俯冲板块作用下,仰冲板块的反转时间和迁移规律却存在差异性,这可能与反转构造所隶属的仰冲板内背景或俯冲板块自身行为在不同地区存在时空差异有关。为确定哪一种反转机制,本文搜集了古地磁条带和最新的板块重建方案、太平洋海山K-Ar年龄等数据,初步厘定出中新生代期间太平洋板块运动学行为;也对中新生代期间中国东部的东北、华北和华南的地质特征等开展对比研究。本文认为,伊泽奈崎板块早期为平板式俯冲,160Ma左右板块拆沉并折返及岩石圈减薄,是西部沉降带的成盆机制;80 Ma左右伊泽奈崎板块向西的运动速度达到极值,对中国东部造成统一向西的挤压应力,是西部沉降带中生代的反转机制;大洋板块上发育的NW向破碎带的俯冲,可能加剧了这一期反转强度。60Ma左右伊泽奈崎板块俯冲潜没于欧亚大陆之下及太平洋板块俯冲启动并后撤,这是东部沉降带的成盆机制;中新世中晚期,菲律宾海板块向欧亚板块的俯冲挤压导致了中国东部大陆左旋压扭的应力场,这是东部沉降带新生代构造的反转机制。

全球早古生代造山带(Ⅱ):俯冲-增生型造山

全球早古生代增生造山带极其发育,主要分布在古亚洲洋南北两侧、Iaeptus洋南侧、Rheic洋北侧和环冈瓦纳大陆地带,其中原特提斯洋封闭的产物主要发育在中国境内,大量微陆块在早古生代可能都是冈瓦纳北缘的俯冲-增生带中的重要组成。增生造山带中组成复杂,具有沟-弧-盆体系、海山、洋壳等残存记录,尤以榴辉岩发育为特征,增生造山成为早古生代古亚洲洋和特提斯洋构造体系的显著独特特征。早古生代末中亚早古生代造山带多为微陆块增生造山阶段,沟-弧-盆体系发育,具有增生-软碰撞造山的特点,发生时限较晚,为早古生代末;原特提斯洋中的西昆仑、东昆仑、柴达木北缘、南阿尔金、北阿尔金与北祁连、北秦岭等围限或夹杂的微陆块在早古生代具有相同的增生造山过程,整体是向南俯冲线性增生到冈瓦纳大陆北缘,现今多次重复是早古生代弯山构造所致。400 Ma左右,南部古特提斯洋和北部勉略带的打开,导致其北漂,经复杂变形改造,它们现今为一巨型弯山构造横亘在中国中部,对中国构造格局影响最为重要。

南海打开模式：右行走滑拉分与古南海俯冲拖曳

南海作为东亚大陆边缘最大的边缘海,位于太平洋、印澳和欧亚三个板块的夹持之下,处于特提斯构造域和太平洋构造域的联合作用部位,是揭示新生代两大动力学体系交接转换特征的良好场所。南海海盆为菱形洋盆,包括西北次海盆、东部次海盆和西南次海盆,均在古近纪—中中新世形成,同时伴随着南海北部、西部和南部盆地群发育,盆地边缘油气资源丰富,被称为第二个"波斯湾"。本文搜集了前人对南海洋盆深部形态、磁条带、转换断层等成果,以及南海周边盆地群的沉积体系、沉积相、不整合面相关资料,综合对比了南海北部、西部和南部盆地群的沉积序列、沉积相、沉积厚度,厘定了盆地群断裂体系、断裂组合特征,揭示了南海北部、南部盆地群及西部盆地群中的中建南和万安盆地都是在右行右阶走滑拉分背景下形成的。北部盆地群新生代古近系西厚东薄,新近系东厚西薄,NNE—NE向断裂体系活动早期西强东弱,而晚期东强西弱,从西向东依次停止。同时指出,南海是在NNE向断裂体系右行右阶走滑拉分和古南海俯冲拖曳的联合作用下打开:于34~32 Ma西北次海盆和东部次海盆受控于NNE向断裂的右行右阶走滑拉分作用,沿着NNE-SSW方向开启;32~23 Ma,NNE向走滑断裂活动自西向东逐步停止;于23 Ma左右,"消失"的南海以西的NNE向走滑断裂完全停止活动,同时由于婆罗洲地块逆时针旋转,古南海的俯冲带走向由近E-W向变为NE向,俯冲板块拖曳力也转变为NW-SE向并且占据主导地位,在拖曳力作用下礼乐—巴拉望地块后缘陆壳伸展,导致西南次海盆打开,东部次海盆的扩张方向由NNE-SSW转变为NW-SE向。于15Ma,礼乐—巴拉望地块与婆罗洲地块碰撞,南海停止扩张。

微板块构造理论:全球洋内与陆缘微地块研究的启示

任何板块都存在一个由小长大的过程。微地块(微板块)有时是大板块的前身,微地块的起源、生长、夭折、消亡和残留过程对研究板块构造具有重要意义。据其组成,微地块可划分为微陆块、微洋块、微幔块。本文以太平洋、印度洋和大西洋中的微地块为例,系统总结了洋脊增生系统、俯冲消减系统、深海板内系统、伸展裂解系统、碰撞造山系统5种构造环境下的微地块特征,并据此首次进行了成因分类,提出拆离微地块、裂生微地块、转换微地块、延生微地块、跃生微地块、残生微地块、增生微地块、碰生微地块和拆沉微幔块9种类型。对不同类型微地块边界进行了系统界定,并对其成因进行了系统讨论。这些微地块边界类型,包括活动的或死亡的拆离断层、俯冲带、洋中脊、转换断层、破碎带、切割岩石圈的断裂、假断层、洋内汇聚带、叠接扩张中心、非叠接扩张中心、洋脊断错等,其成因的关键研究在于对三节点稳定性进行分析。洋内或洋缘微地块研究,不仅为开展深海大洋精细化构造分析和板块重建工作提供参考,而且对解释大陆内部一些微地块成因具有启发性,可丰富大陆造山带、陆内、板内、幔内和陆缘构造的研究内容,使得造山带演化、板内变形和地幔过程研究更为精细化,甚至推广到早前寒武纪的前板块构造机制研究。

全球早古生代造山带(Ⅲ):华南陆内造山

华南早古生代加里东期变形、岩浆、沉积等特征表现为陆内造山带特征。通过对加里东期角度不整合分布、褶皱、断裂逆冲极性等特征的分析,发现大明山、大瑶山地区EW轴向的寒武系褶皱不对称性和角度不整合空间上向北的拓展变新规律,指示晚寒武世—早奥陶世的由南向北推覆挤压可能是云开、滇—桂北越地块依次向北推挤的结果;从全球背景看,可能和华南陆块南部一些地块与冈瓦纳大陆北缘依次碰撞接触导致的远程陆内效应有关。然而,湘赣边境、桂北元宝山及越城岭地区的早古生代NE向褶皱不对称性指示向西拓展,这可能是由于华夏地块与扬子地块在晚奥陶世—早志留世沿郴州临武断裂陆内收缩挤压的结果,其全球背景可能和华南陆块顺时针旋转与冈瓦纳全面碰撞相关。总之,加里东期构造运动总体由南向北、由东向西渐新,变形强度由强到弱的特征,反映华南陆内碰撞造山事件的根本原因是其与冈瓦纳北缘碰撞的远程效应。450~420 Ma华南已经属于冈瓦纳北缘一部分。

东亚原特提斯洋(Ⅱ):早古生代微陆块亲缘性与聚合

原特提斯洋内存在塔里木、中祁连、柴达木、扬子、华夏、印支、兰坪-思茅等诸多陆块/微陆块,多数陆块之间在早古生代晚期发育有蛇绿岩带或高压-超高压带。原特提斯域形成于从Rodinia裂解到Pangea超大陆集结期间,存在复杂的洋-陆格局和聚散过程。原特提斯洋不同陆块/微陆块属性和关系及其拼合过程是恢复重建Pangea超大陆聚合前构造背景的关键,但对其认识迄今还存在争论。因此,本文采用综合对比方法,以期建立原特提斯洋陆块/微陆块的亲缘性和海-陆格局,厘定原特提斯微陆块拼合时序与方式。结果表明,早古生代早期除华北陆块不具有亲冈瓦纳大陆的特征外,扬子、华夏、塔里木、柴达木、阿拉善、北秦岭-中祁连-中阿尔金、欧龙布鲁克、北羌塘、南羌塘、拉萨、兰坪-思茅、印支等陆块/微陆块都具有亲冈瓦纳的特征。在450-400Ma左右这一系列陆块/微陆块都向南俯冲-增生,并逐步拼合于冈瓦纳大陆北缘东段,原特提斯洋关闭,并形成了原潘吉亚（Proto-Pangea）超大陆;原潘吉亚于380Ma以后裂离出塔里木-华北陆块和大华南陆块,分别出现勉略洋和古特提斯洋,直到240~220Ma逐步向北聚合,形成最终的劳亚古陆,此时才形成潘吉亚超大陆。

全球早古生代造山带(Ⅳ):板块重建与Carolina超大陆

古元古代与显生宙的板块构造特征和旋回演化过程具有明显区别,反映出地质记录为两种不同的板块构造体制。早古生代为这两个时期的过渡阶段,其构造过程研究与板块重建是地球板块构造旋回机制和周期分析的关键。本文采用综合集成的方法,在总结对比罗迪尼亚超大陆裂解以来全球早古生代主要碰撞造山带的地质事件基础上,分析早古生代碰撞造山带的演化特征,总结出与冈瓦纳大陆拼合、劳俄大陆拼合、古中华陆块群增生相关的7期碰撞-增生造山事件群:Brasiliano、东非、Kuunga、东亚与原特提斯洋和古亚洲洋演化相关的的加里东期造山事件、经典加里东造山、中欧加里东造山、Appalachian造山。再在这7期造山事件群基础上,结合古地磁、古生物、古地理等资料,重建了新元古代-早古生代末全球板块的拼合过程:罗迪尼亚超大陆从新元古代的~950 Ma开始经历了3个阶段裂解,此时存在泛大洋、莫桑比克洋和古太平洋3个大洋,随后615~560 Ma Iapetus洋打开,~560 Ma波罗的陆块与西冈瓦纳裂离导致狭窄的Ran洋打开;~540 Ma南半球Brasiliano、东非和Kuunga造山运动导致冈瓦纳大陆分阶段最终完成拼贴;~500 Ma冈瓦纳大陆北缘西段的微陆块群局部向北裂离,导致Rheic洋和Tornquist洋打开,并于~420 Ma随经典加里东造山带和中欧缝合带形成导致Iapetus洋闭合,此时斯瓦尔巴特和英国可能位于格陵兰地盾东南缘,同时冈瓦纳大陆北缘东段华北为代表的微陆块基本拼合在冈瓦纳大陆北缘;此外,虽然425 Ma西伯利亚板块有远离聚合了的劳俄大陆的趋势,但晚奥陶世-早泥盆世南美和北美板块靠近,北美板块与环冈瓦纳北缘西段的地体拼合碰撞。在大约400 Ma时,南、北美洲的混合生物群和古地理重建显示两者非常接近,因此,推测此时存在一个初始的逐步稳定的超大陆的可能,本文称为Carolina超大陆,因为Carolina造山带是这个超大陆最终拼合的地带。并据此判断超大陆旋回为7亿年。

东亚原特提斯洋(Ⅰ):南北边界和俯冲极性

原特提斯洋是从新元古代Rodinia裂解到早古生代发育于滇缅泰/保山微陆块以北、塔里木-华北陆块以南的一个复杂成因的洋盆。长期以来对原特提斯洋的南、北边界及其早古生代末俯冲极性还存在争论,而这是恢复重建Pangea超大陆聚合前构造背景的关键。本文综合利用野外地质、构造、岩浆、沉积学、地球化学、构造年代学和层析成像等最新成果,以期界定原特提斯域的南、北边界位置,确定原特提斯洋边界俯冲极性。集成分析结果表明,北界为古洛南-栾川缝合线(或宽坪缝合线)及其直至西昆仑的西延部分;南界为龙木措-双湖-昌宁-孟连缝合线。原特提斯洋北部在华北-阿拉善-塔里木陆块泥盆纪向南俯冲并与冈瓦纳大陆北缘拼合过程中,形成了一个巨型弯山构造,现保存在祁连-阿尔金-柴达木地区的中国中央造山带内。原特提斯洋南部分支也可能在泥盆纪闭合,使得包括羌北、若尔盖、扬子、华夏、布列亚-佳木斯等在内的大华南陆块、印支陆块等也向南俯冲与冈瓦纳北缘发生了聚合。

前寒武纪地球动力学(Ⅵ):华北克拉通形成

华北克拉通研究近20年来取得一系列重大进展,但是还存很多遗留问题待解决。本文首先探讨了华北克拉通前寒武纪构造单元划分中存在的问题,据此提出了动态构造单元划分原则,并初步动态划分了古—中太古代、新太古代、古元古代、中—新元古代的构造单元,从而确定了不同时期构造格局演变过程。基于新的划分方案和华北克拉通记录的一系列前寒武纪大量重大地质事件,侧重探讨了不同演化阶段的独特构造样式、构造体制机制转变,基于华北克拉通一些太古宙陆核刚性化完成于25亿年,而显著的线性裂谷带或活动带最早出现于22亿年,因此,提出华北克拉通初始板块构造机制起始于新太古代末期的论断,本文约束了区域性垂向构造向区域性水平构造转换的相关构造证据。最后,本文基于长期构造解析的研究,系统论述华北克拉通于18.5亿年的最终集结过程。

全球早古生代造山带(Ⅰ):碰撞型造山

自新元古代罗迪尼亚超大陆裂解以来,早古生代是板块构造运动活跃时期,具有板块运动速度较快、构造格局不稳定、块体之间相互作用复杂多变等特征,造山带演化极其复杂,导致全球早古生代古大陆重建现今仍较模糊。特别是,早古生代末450~400 Ma存在全球性准同时的造山运动,已经出现俯冲增生、碰撞、陆内3种类型的全球尺度造山带。本文侧重论述全球早古生代碰撞类型造山带的特征,总结典型碰撞造山带最新的年代学、变质、变形和岩浆作用特征及其时空分布。早古生代全球碰撞型造山带主要分布在南半球的泛非造山带和北半球的加里东期造山带,分别与南方冈瓦纳大陆和北方劳俄古陆的初步集结密切相关,早古生代碰撞造山主要体现在大陆块之间的碰撞作用为特征。这些早古生代碰撞造山带具有近似的碰撞年龄,大致相同的演化过程。其中,南方大陆主体碰撞完成于540 Ma,而北方大陆主体集结完成于420 Ma,从全球构造意义上可能意味着全球一个420~400 Ma的超大陆初步形成。

那丹哈达地体及周缘中生代变形与增生造山过程

东亚陆缘中生代增生造山过程及变形响应一直以来都是中国区域地质研究的重大课题,也是东亚地质构造演化的一个难点和热点。其中一个最为关键的科学问题就是,古太平洋板块(Izanagi)何时开始启动俯冲?对中生代东亚大陆边缘产生何种影响?那丹哈达地体出露于中国东北,为一套构造混杂岩系,是中国境内由古太平洋板块俯冲-增生形成的唯一证据,为解决这一问题提供了可能。本文通过总结大量前人最新的岩石学、同位素年代学、沉积岩石组合、主干断裂、岩浆活动、古生物及古地磁等资料,试图厘定那丹哈达地体构造属性、增生过程、拼贴时间以及古太平洋板块开始俯冲的时间,并与周缘地体进行对比。结果表明:(1)那丹哈达增生杂岩分为饶河杂岩和跃进山杂岩,饶河杂岩具有洋岛玄武岩(OIB)的特征,不是前人认为的蛇绿岩,可称之为洋岛(海山)杂岩;跃进山杂岩具有洋中脊玄武岩(MORB)的特征,是典型的蛇绿岩,同时暗示古太平洋板块可能于晚三叠世开始启动俯冲,并在136~131 Ma期间就位于现今位置。(2)那丹哈达与日本丹波—美浓—尾足地体都是侏罗纪增生楔,在沉积岩石组合和年龄、放射虫类型及分布、地质构造等特征上都非常相似,在中新世日本海打开之前应是一个统一的超级地体。

太平洋板块中—新生代构造演化及板块重建

太平洋板块是一个中生代以来形成的地球上最大的大洋板块,但其起源机制、结构构造、构造演化等始终不清楚。太平洋板块内部的复杂性更是未受到重视,其内部的大火成岩省、海山链、微洋块、微陆块及其下部更深层地幔的微幔块都非常发育,这些复杂板内或板下构造代表的地球动力学含义亟待解决。文章基于最新的板块重建结果,试图分析其运动学过程,揭示太平洋板块形成与演化机制。研究表明,太平洋板块起源于RRR三节点,但不是一个纯粹的完整大洋板块,其增生演化过程经历了非威尔逊旋回模式,其板缘经历了一些外来微陆块或微洋块的并入,其内部也因各种原因出现了一些新生微洋块,总体表现为一个碎片化的镶嵌式板内格局。太平洋板块记录了与邻区板块相互作用的重要构造事件,大约55Ma左右开始俯冲到东亚陆缘,导致东亚陆缘短暂的北西—南东向伸展,随后受印度—欧亚碰撞动力系统和太平洋俯冲动力系统联合控制,总体处于右行右阶的拉分背景,形成了一系列盆地群,俯冲后撤等逐渐形成了双俯冲系统。太平洋板块还记录了深浅部耦合过程,下地幔中的太平洋LLSVP通过遥相关对上部岩石圈微板块、大火成岩省分布具有决定性作用;火山链或热点揭示板块运动同时,也反映深浅部物质交换过程,海山群也揭示太平洋板块之下软流圈并非单一对流胞,其对流格局的多样性尚待深入研究。

鲁西地区燕山期构造变形:古太平洋板块俯冲的构造响应

根据近几年对鲁西地区的区域地质调查,本文阐述了燕山期构造变形特征,厘定出NE或NNE向宽缓褶皱和后期的同向逆冲断裂,揭示出一系列NW向张性断裂是由印支期形成的逆冲断裂发生构造反转所致并控制中生代盆地。这些燕山期的构造变形可能是Izanagi板块于中侏罗世—早白垩世向华北地区NWW向俯冲的构造响应。随后,太平洋板块在早白垩世取代Izanagi板块,导致鲁西地区下地壳拆沉,能很好地解释鲁西地区大量130~125 Ma多源区的岩浆事件,是华北克拉通破坏的产物。

东亚原特提斯洋(Ⅲ):北秦岭韧性剪切带构造特征

北秦岭造山带位于华北陆块与南秦岭微陆块的衔接部位,是研究原特提斯洋构造演化的关键区域之一。北秦岭造山带内主要发育四条韧性剪切带,包括位于边界处的洛南-栾川剪切带和商丹剪切带,及其内部的官坡-乔端剪切带和朱阳关-夏馆剪切带。通过详细的野外构造解析、显微构造分析和石英EBSD组构分析,获得了四条主要剪切带的活动特征,认为（1）在早古生代华北陆块与北秦岭微陆块拼合后的折返过程中,洛南-栾川、官坡-乔端和朱阳关-夏馆剪切带开始了初始的剪切活动;（2）-380Ma之后,华北、华南陆块在向北漂移过程中逐渐由近东西向展布转换为近南北向展布,导致洛南-栾川和商丹剪切带表现为明显的右行剪切;（3）-320Ma时,华北陆块和南秦岭微陆块之间的剪刀式拼合导致洛南-栾川剪切带表现为右行剪切,商丹剪切带表现为左行剪切,而官坡-乔端和朱阳关-夏馆剪切带在陆块内部不同构造单元的协调作用下分别表现为左行剪切和右行剪切。

板块驱动力:问题本源与本质

本文回顾了板块构造理论之前和之后关于地球驱动力问题的发展历程,从近3000年人类由表及里认识地球的历史讨论中,可以发现人们认知这个问题的历史转变和外在干扰,并从唯物论?唯心论和固定论?活动论两条主线,梳理理解板块驱动力的问题本源和本质。当人们追究板块构造起源到前板块体制下的早期地球时,板块驱动力问题变成了对全时整体地球动力学问题的讨论,实质是对地球上块体变形和变位根本动因的追寻。随着视野逐渐开阔,人们必然回溯到最早期开尔文提出的热驱动,并通过对比太阳系其他行星,试图回答“为什么太阳系中唯独地球具有板块构造”这个根本问题。因此,地球变形和变位的一切根源和本质在于热的时空不均一性和不同阶段地球的热状态和热结构,然而,热驱动是重力作用衍生的次级机制。地球构造圈形变机制实际上在不断演变,重力驱动力的表现型式也在不断演变,具体地区和不同时空尺度又有所不同,因而就区域构造解析而言,驱动力是多起源的。最后,本文将板块驱动力问题拓展到地球系统动力学问题探讨,并就方法论、认知论做了简要总结。

长江中下游深部构造及其中生代成矿动力学模式

长江中下游地区是中国重要的成矿带之一。本文利用地震、大地电磁数据以及野外地质调查,并结合前人研究的地球物理和岩石地球化学资料,明确了长江中下游地区现今深部构造,系统分析了其成矿动力学演化机制。本区发育有三大断裂体系:大别-苏鲁前陆断裂系、江南-雪峰断裂系和中国东部NE-NNE向走滑断裂系。大别-苏鲁前陆断裂系为一自北向南的叠瓦式逆冲推覆构造,而江南-雪峰断裂系为一自南向北的多级逆冲推滑构造,它们沿来安-望江-阳新-天门一线形成强烈的挤压对冲构造样式。中国东部NE-NNE向走滑断裂系早期主要表现为左行平移走滑并侧向挤压,参与了对冲构造形成过程,只是部分切割其它两个逆冲体系。这三大断裂体系均经历了印支-燕山期穿时递进的构造变形。152~135Ma,古太平洋板块向欧亚大陆俯冲时,板片可能沿着转换断层撕裂并产生底侵体。下地壳在底侵体的烘烤作用下熔融并受到混染,其岩浆在多级逆冲推覆和滑脱构造背景下充分结晶分异形成低镁埃达克岩,于断隆或隆坳过渡带生成铜矿。135~127Ma,长江中下游成矿带深部地幔开始上隆,诱发加厚岩石圈沿着郯庐断裂带局部拆沉,并引发富集地幔上升流。其与残留地壳交代反应,在郯庐断裂带两侧形成高镁埃达克岩。古太平洋板块继续向南西俯冲并发生逆时针旋转,长江中下游地区大多数NNE向断裂已转变为右行走滑,形成右行右阶的走滑拉分盆地。上隆地幔的基性岩浆沿着深切地壳的走滑断裂上升到盆地中,快速冷却形成橄榄玄粗岩岩系,从而在接触带或潜火山岩体顶部分异产生铁矿。

中国东部苏鲁造山带的印支期俯冲极性及其造山过程

中国东部的苏鲁造山带印支期先后经历了大洋消减俯冲、大陆碰撞、陆壳深俯冲、陆内造山等复杂过程。综合苏鲁造山带的构造地质学、岩石学、岩相古地理学、年代学进展,发现以下事实用传统的华南向华北俯冲难以解释:(1)徐淮地区形成了明显的朝北西拓展的逆冲构造变形,此外,苏鲁造山带中还存在大量的北西向逆冲推覆构造;(2)苏鲁造山带中出露的白垩纪花岗岩中来自古元古代的继承锆石,以及Sr、Nd、Pb同位素示踪结果都显示与华北地块南缘地质体更为相似;(3)苏鲁造山带北侧的胶莱盆地以及胶北隆起缺乏晚古生代到中生代的弧后火山岩证据;(4)华北南缘三叠纪时期的古地理环境更接近被动大陆边缘。基于这些事实,本文认为,晚古生代-早三叠世早期苏鲁段的商丹洋可能向南东俯冲,不同于秦岭-大别段的商丹洋向北俯冲,消减到秦岭-大别微陆块苏鲁段之下,发生华北地块与该微陆块的拼合,华北地块整体向南东楔入秦岭-大别微陆块,导致大别-苏鲁超高压岩石垂向折返剥露;中三叠世-晚三叠世,勉略洋自东向西的剪刀式闭合,华南地块向北秦岭-大别微陆块俯冲拼合,并逐渐将华南地块与华北地块之间的秦岭-大别微陆块向西、向北侧向挤出,到了中生代华北地块持续向南东俯冲并楔入华南地块,将苏鲁-大别造山带沿郯庐断裂错断并最终形成该区总体构造格局。