锆石辐射损伤测年方法研究进展与应用

锆石辐射损伤测年是一种新兴的低温热年代学方法(封闭温度为~230±25℃),其原理是依据拉曼半高宽(ν3)计算出锆石所累积的α通量,结合U、Th含量,得出锆石辐射损伤的累积时间,即锆石辐射损伤年龄。相较于其他低温年代学方法,锆石辐射损伤测年具有测试简便、高效、低成本、双(多)定年等优势,在地学研究中展现出广泛的应用前景,现已成功应用于示踪物源区和揭示岩体热事件等领域。然而,该方法尚存几个关键问题有待解决,例如,微区测试的空间不匹配性、封闭温度存有争议、较大的年龄偏差等,这无疑阻碍其在地球科学领域中更进一步的推广和应用。本文系统地介绍了锆石辐射损伤测年方法的起源、原理和测试方法,总结了相关应用的重要进展,阐述了锆石辐射损伤测年方法的尚存问题,并对该方法的发展趋势作以展望,以期为年代学的发展提供新的技术手段。

新生代贡嘎山花岗岩中的流体包裹体面测试及其应力场分析

贡嘎山花岗岩侵位年代距今12.8±1.4Ma,是平行青藏高原东缘大型活动左旋走滑断裂——鲜水河断裂展布的同构造花岗岩。沿横穿岩体的川藏公路剖面和牦牛沟—塔公草原剖面采集了10个点的定向样品。利用费氏台测试统计的流体包裹体面(FIP)产状数据显示,贡嘎岩体中的FIP主要是东西走向,倾角近于直立,推断贡嘎岩体遭受了近东西方向的水平挤压应力,这与鲜水河断裂的左行走滑相吻合。显微激光拉曼分析和冷热台测温数据表明,FIP中流体包裹体主要是NaCl-H2O包裹体,可以划分两种类型:A型冰点温度-9.0～-8.2℃(盐度11.9%～12.8%),均一温度为126.0～197.0℃;B型冰点温度为-4.7～-0.5℃(盐度0.9%～7.4%),均一温度144.0～314.6℃。贡嘎岩体中的FIP记录了两期地质流体的填充作用,两期流体都表现出由高温高盐度向低温低盐度演化的趋势。深入研究贡嘎山同构造岩浆作用及其与鲜水河断裂关系,对于认识青藏高原内部变形机制具有重要科学意义。

大洋板块俯冲带地震波各向异性及剪切波分裂的成因机制

大洋板块俯冲带是许多重要地质作用(例如脱水、部分熔融、岩浆和地震活动)发生的场所。对位于俯冲带之上的地震台站所检测到的不同剪切波的数据解析,可以获得源于上覆板块、地幔楔、俯冲板块和板下地幔的地震波各向异性的关键信息。本文系统总结了世界各地大洋俯冲带的剪切波分裂样式,对目前国际上流行的大洋俯冲带的地震波各向异性的主要成因模式(例如地幔楔拐角流、与海沟迁移有关的平行海沟的地幔流、橄榄石位错蠕变形成各类组构以及蛇纹石化的影响等)进行了较为详尽地评述。由橄榄石(010)[100]、(010)[001]、(100)[001]、{0kl}[100]、(001)[100]和{110}[001]位错蠕变形成的晶格优选定向(LPO)分别称之为A型、B型、C型、D型、E型和F型组构,其中A型、D型和E型组构总是导致剪切快波的偏振方向()平行于地幔流的方向,而B型组构则导致垂直于地幔流的方向。C型组构虽然也能使平行于地幔流方向,但快慢波之间的延迟时间(δt)则不如同等条件下A型组构形成的那么大。F型组构导致剪切波在垂直于地幔流动面的方向上传播时几乎不发生分裂。叶蛇纹石是俯冲板块地幔和地幔楔中最主要的含水矿物,具极低的流变强度、很低的地震波速和很大的弹性各向异性。蛇纹石化程度越高,变形地幔岩的各向异性就越大,则弧前地幔楔的剪切波分裂愈强。只要蛇纹石的含量超过10%～20%,则变形地幔岩的地震波各向异性特征将由蛇纹石的LPO主导。地幔楔的剪切波分裂特征主要取决于其蛇纹石化程度与俯冲角度,陡倾的俯冲和高程度的蛇纹石化有利于形成平行于海沟的。

《秦岭造山带—鄂尔多斯盆地野外实践》课程之“造山带构造演化”野外教学设计

野外实习是地质学本科教学不可缺少的重要环节,也是课堂理论教学的补充和延伸。大学三年级的野外教学实习是在学生基本完成了专业课程学习的基础上进行的,着眼于创新思维的启发和科研方法的训练,帮助学生从理论学习向科学研究顺利过渡,是培养地质学专业学生成才的关键课程。文章重点以西北大学地质学系《秦岭造山带—鄂尔多斯盆地野外实践》课程之“造山带构造演化”为例,以板块构造理论为指导,通过考察研究典型路线剖面上保存的古洋壳残片(蛇绿岩)、俯冲—碰撞过程的岩浆、变质、沉积记录,培养学生重建造山带构造演化过程的思路和方法。

川西盐井沟断层传播褶皱的三维构造建模与磁组构分析

当前断层相关褶皱研究的发展方向是从二维向三维的转换。文中基于Arcgis、Discovery以及Gocad等三维软件平台,对川西盐井沟地区地震资料进行精细的解析,得出盐井沟背斜是一个典型的三剪断层传播褶皱,并建立了它的三维模型。同时考虑到单纯符合几何约束的构造解释普遍存在着多解性和不确定性,结合几何学的三维建模和动力学的有限应变分析研究断层相关褶皱。在川西盐井沟地区18个采样点钻取了184块定向岩心样品,通过磁组构的分析结果发现,盐井沟地区的磁组构基本上都是弱应变的初始变形组构,褶皱前翼应变强度比后翼略强。断层传播褶皱三剪带是有限应变最为集中的区域,在模型预测的三剪带内,磁组构反映的有限应变也较为强烈。磁组构所指示的构造应力场大致为NW-SE向挤压缩短,与断层相关褶皱的几何学与运动学模型的预测相一致。

中国大陆“十字构造”形成演化及其大陆动力学意义

东亚大陆是由许多分别亲劳亚或亲冈瓦纳的中小陆块经过复杂拼合而成的最为复杂的大陆,而中国大陆地处东亚的核心位置,是研究东亚大陆形成演化的关键。控制中国大陆形成演化的最主要的构造格架是“十字构造”,即东西向的中央造山系和南北向的贺兰—川滇南北构造带。前者自东而西包括秦岭造山带、祁连造山带和昆仑造山带,是南方和北方陆块群历经古生代—印支期拼合形成中国大陆主体的构造结合带,并遭受中新生代陆内造山改造,构成了中国大陆地质地理、生态环境、人文经济等南北分野;后者不同区段继承了前寒武纪板块构造记录,逐步转化为古亚洲洋或古特提斯构造域大陆边缘,尤其是新特提斯构造运动,形成青藏高原隆升—扩展变形的东部边界,控制了晚中生代—新生代中国大陆东西反转演化。以“十字构造”为坐标系,中国大陆四个象限的地质、地球物理结构、自然资源、生态环境、人文经济等存在明显差异。

构造叠加弱应变沉积岩地区的磁组构研究——以川西北盆地为例

磁组构是一种灵敏的应变指示计。单一方向应力作用下,在平行层缩短的初始阶段,磁线理与地层走向是一致的。然而,在构造叠加背景下弱变形的沉积岩地区,另一个(多个)不同方向的应力使得已经产生定向排列的磁性矿物发生旋转,表现为磁线理和与地层走向斜交。川西北盆地在新生代是一个典型的构造叠加区域,来自龙门山和米仓山的变形在此相互作用。本文在川西北盆地分3条剖面在18个采样点中采集了172个样品进行了磁组构研究。研究区内观察到3种弱变形的磁组构类型:沉积磁组构、初始变形磁组构和铅笔状磁组构。由于应变的叠加,由盆地内部向造山带前缘没有出现应变由弱到强的变化趋势,同时磁线理的方向也不一致。由盆地向造山带,来自米仓山的变形逐渐增强,磁线理从与地层走向一致转变成与地层走向斜交。

中国中央造山系原-古特提斯多阶段复合造山过程

中国中央造山系是由亲劳亚的北方陆块群、亲冈瓦纳的南方陆块群及其间大量过渡性微陆块历经复杂拼合而成的复合型造山带,是中国大陆完成主体拼合的构造结合带。中央造山系自西而东包括昆仑造山带、祁连造山带和秦岭-大别造山带,保存了古生代—早中生代时期华北、华南、柴达木、塔里木、羌塘等众多大小陆块造山过程的丰富信息,是研究东特提斯构造域原、古特提斯洋构造演化的重要窗口。本文综述了中央造山系地质、地球化学和高精度年代学等多学科研究成果,得到以下主要认识:(1)550 Ma之前,众多大小陆块孤立散布于原特提斯洋;(2)541~485 Ma,原特提斯洋各分支开始俯冲;(3)485~444 Ma,原特提斯洋持续俯冲,导致秦岭二郎坪弧后盆地、昆仑祁漫塔格弧后盆地打开;(4)444~420 Ma,原特提斯北祁连洋、南祁连洋和商丹洋闭合,昆仑祁漫塔格弧后盆地关闭;(5)420~300 Ma,昆仑地区古特提斯洋继承原特提斯洋,古特提斯勉略洋逐步扩张;(6)300~250 Ma,昆仑洋自阿其克库勒湖-昆中缝合带向木孜塔格-布青山-阿尼玛卿缝合带发生俯冲后撤;(7)250~200 Ma,原-古特提斯昆仑洋、古特提斯勉略洋关闭;(8)200 Ma以来,中央造山系转入陆内造山阶段。

中国大陆“十字构造带”关键科学问题研究进展

控制中国大陆形成演化的最主要构造格架是“十字构造带”,即东西向的中央造山系和南北向的贺兰—川滇构造带。中央造山系自东而西包括秦岭造山带、祁连造山带和昆仑造山带,是南方和北方陆块群历经古生代—早中生代拼合形成中国大陆主体的构造结合带,并遭受中新生代陆内造山改造;贺兰—川滇南北构造带不同区段继承了前寒武纪板块构造记录,逐步转化为古亚洲洋或古特提斯构造域大陆边缘,尤其是新特提斯构造运动,形成青藏高原隆升扩展变形的东部边界,控制了晚中生代—新生代中国大陆东西反转演化。该文介绍了近年来对“十字构造带”的主要研究进展:①建立了“十字构造带”中央造山系东段秦岭造山带的精细演化过程;②确定了“十字构造带”中央造山系西段昆仑—祁连—阿尔金的构造关系;③厘定了“十字构造带”南北构造带北段贺兰山形成演化过程及其构造属性;④重建了扬子板块西缘汉南—龙门山—川滇构造带新元古代板块俯冲消减过程以及古生代—中生代深部动力学;⑤揭示了“十字构造带”交接区的深部结构-动力学-浅表构造地貌的联动机制。

岫玉的地震波速、各向异性、弹性力学性质及其构造地质意义

为了研究水化岩石圈地幔和地幔楔的地震波速、各向异性及其与蛇纹石化程度及应变状态的关系,作者实验测量了8块叶蛇纹岩（采自辽宁的岫玉）标本在不同构造主方向（X, Y和Z）上的纵、横波速度随围压（0~600 MPa）的变化规律,详细研究了叶蛇纹石在塑性变形过程中通过（001）[010]位错滑移形成很强的晶格优选定向和高达21%的纵波速度各向异性与24%的剪切波分裂的特征,发现高温叶蛇纹岩与低温利蛇纹岩具有截然不同的地震波性质,例如,在围压600 MPa 下,高温叶蛇纹岩的 Vp=6.73 km/s、Vs=3.74 km/s, Vp/Vs=1.80,而低温利蛇纹岩的Vp=5.10 km/s、Vs=2.32 km/s, Vp/Vs=2.20。前人利用低温蛇纹石化橄榄岩的波速数据解释温度高于300℃的水化地幔楔和岩石圈地幔的地震波速不可避免地要低估研究区域内蛇纹石化的程度和水含量。本研究查明叶蛇纹岩的地震波性质及其各向异性特征亦为解释全球大洋板块俯冲带乃至青藏高原地区的剪切波分裂资料提供了新的思路。

北山造山带南部黄草滩岩体年代学、地球化学及地质意义

北山位于中亚造山带南缘中部东西段的交接地区,是研究中亚造山带东西段交界关系的关键地区,其中的花岗质岩石记录了造山过程中深部岩浆的丰富信息。北山南部黄草滩岩体是其代表,主要由闪长岩和花岗闪长岩组成,锆石U-Pb定年表明其年龄分别为（402±3）Ma、（394±7）Ma。岩石SiO_2含量相对较高（59.24%~71.54%）,富Na（Na_2O=3.76%~4.09%）,总体显示准铝质-弱过铝质（A/CNK=0.94~1.11）的典型I型花岗岩特征。此外,∑REE相对较低、LREE富集、轻重稀土分馏明显以及具弱负Eu异常,LILE中Rb、Th、U和K等高度富集,HFSE中Nb、P、Hf和Ti等强烈亏损,显示出与俯冲相关的地球化学特征,其形成可能与幔源岩浆底侵使中下地壳变玄武质岩石部分熔融有关,并伴有幔源组分的混染。结合区域地质研究成果,认为岩体形成于活动大陆边缘火山弧环境,可能是北山柳园地区古亚洲洋向北俯冲消减作用下岩浆活动的产物,代表早泥盆世在北山南部可能发生过与大洋俯冲有关的岩浆事件。

新疆榆树沟麻粒岩-橄榄岩地体：南天山北缘出露地表的古生代大陆壳-幔过渡带

对于大陆造山带内部的超基性岩体,除了蛇绿岩成因之外还有其他或许更为合理的解释。例如,位于新疆托克逊库米什地区南天山北缘的榆树沟麻粒岩和橄榄岩分别代表早古生代时塔里木板块北部大陆地壳莫霍面附近的下地壳底部与上地幔顶部的岩石,由于应变的局部化,被剪切分割成两个透镜状冲断岩片,顺着切割整个地壳直达上地幔顶部的韧性剪切带被挤出,最终呈固态挤侵到中地壳内绿片岩-低角闪岩相的变沉积岩(构造片岩、长英质糜棱岩)之中。最后,两个构造透镜体被剪切叠合到一起。榆树沟麻粒岩-橄榄岩地体为研究塔里木板块北部大陆地壳古莫霍面及其附近的岩石流变学与地球物理性质提供了一个十分难得的研究基地,因为大陆古莫霍面很少直接出露地表。榆树沟麻粒岩-橄榄岩组合的地体的大地构造意义与蛇绿岩所代表的截然不同。

扬子板块北缘新元古代构造属性的岩浆事件制约

黄陵地区新元古代侵入杂岩可为研究扬子板块北缘新元古代构造演化过程及其深部动力学机制提供关键信息。依据岩石组合及分布特征,可将黄陵杂岩划分为黄陵庙岩套、三斗坪岩套、大老岭岩套和晓峰岩套四个单元。本文以黄陵杂岩的围岩崆岭杂岩中花岗片麻岩、黄陵庙黑云母花岗岩和三斗坪闪长岩为研究对象,在系统的野外地质和岩石学研究基础上,开展了LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学分析。结果表明,崆岭杂岩花岗片麻岩原岩年龄为1978±13 Ma,且记录了2.5 Ga的构造-热事件。黄陵庙黑云母花岗岩和三斗坪闪长岩分别形成于815±9 Ma和813±6 Ma,与黄陵庙岩套和三斗坪岩套的侵位时限基本一致。综合分析本次研究结果与前人资料,认为黄陵杂岩主要形成于863~794 Ma,为新元古代早期岩浆活动的产物。通过综述区域地质和地球化学研究资料,认为黄陵杂岩形成于新元古代早期活动大陆边缘的构造环境,提出扬子板块北缘在新元古代早期经历了长期的俯冲-增生造山过程。

贺兰构造带北段一桌子山中-新生代构造变形特征

贺兰山构造带位于鄂尔多斯盆地与阿拉善地块之间，经历了元古代以来长期的构造演化过程。贺兰构造带北段的桌子山具有复杂的构造样式，该构造样式记录了鄂尔多斯块体、阿拉善块体以及古亚洲洋构造演化的丰富信息。详细的野外构造解析揭示，贺兰构造带北段桌子山地区自中生代以来主要经历了多期挤压构造变形。第一期构造变形以三叠系及其以下地层中的NWW向宽缓褶皱为代表，指示了晚三叠纪NNE向的挤压作用；第二期以侏罗系及其以下地层中的NE走向构造为代表，指示了晚侏罗世NW向的挤压作用；第三期构造变形以黄河断裂发生右旋走滑及其两侧早期变形构造线走向及古应力场方向之间30°夹角差异为代表。黄河断裂以东白垩系及其以上地层结构稳定，结合前人古地磁研究结果，认为第三期构造变形为桌子山沿黄河断裂发生近30°逆时针旋转，变形时间为新生代。

大陆岩石圈流变与地震波速各向异性

岩石的流变决定了地球各时空尺度的变形,是理解大陆岩石圈构造演化的关键.岩石流变学的研究主要通过高温高压流变学实验和天然变形岩石的多尺度观测来实现,目前已经积累了大量的数据.本文总结了岩石圈不同深度主要造岩矿物,包括橄榄石、斜方辉石、单斜辉石、角闪石、斜长石、石英和云母的流变机制、组构类型以及地震学性质;介绍了岩石圈地幔橄榄岩、榴辉岩、基性麻粒岩、斜长角闪岩和长英质岩石的高温高压实验和天然变形观测进展,包括流变学强度和行为、地震波速和各向异性等;以青藏高原为例,讨论了岩石流变学研究在解译地震波速各向异性的定量化约束作用.将矿物变形组构与地震波各向异性相结合,有望在岩石圈流变学机制和结构的研究中取得重要突破.

亚洲大陆逃逸构造与现今中国地震活动

2008年5月12日汶川地震让中国地学界强烈感受到深入研究地震地质与构造变形的重要性和肩负防震减灾巨大的社会责任。本文作者从构造地质学家的角度对中国大陆地震分布、成因规律以及发展趋势做了一些讨论。按地震分布,中国大陆可以粗分为两个区域,其交界是一条过渡带。该过渡带的东界是郯庐断裂及其和海南岛的连线,西界是齐齐哈尔—北京—邯郸—郑州—宜昌—贵阳—(越南)河内连成的线,后者其实就是松辽盆地的西界(大兴安岭的东界、太行山的东界、大娄山的东界)。我们不妨将上述两线所夹过渡带称之为"地震区分界线"。分界线以西的广大地区,活动断裂、活动褶皱、活动盆地都与印度板块楔入欧亚大陆造成的青藏高原隆升、快速侧向扩展、亚洲大陆逃逸构造活动有关。流变性较好的造山带(如青藏高原和天山)和流变性较差的古老地块(如塔里木、准噶尔、阿拉善、鄂尔多斯、四川盆地等)在其边界强烈对抗,形成强震。地震区分界线以东的中国沿海地区受太平洋和菲律宾海板块运动的影响也会发生地震,但其强度和频度与该线以西的青藏高原周边、天山、鄂尔多斯地块周缘以及张家口-渤海断裂带上地震低得多。由太平洋板块在日本海沟向西深俯冲形成的地震在中国仅分布在吉林省珲春—汪清一带,这些深源地震对地面工程建筑破坏性不大。处于欧亚、菲律宾海和南海3个板块的交汇部位的我国台湾地震不断。受我国台湾地震的影响,闽粤沿海NW和NE向断裂往往被激活,形成地震。总之,虽然中国大陆的现代地震受太平洋、欧亚、印度和菲律宾海四大板块联合作用控制,但最主要、最直接、影响最大的还是印度板块楔入欧亚大陆造成的青藏高原隆升、快速侧向扩展和大陆逃逸。因此,对中国的地震研究不能仅局限于某区域或某条断裂,而应把整个亚洲大陆逃逸构造作为整体的、统一的"一盘棋"看待。

晶质岩石的地震波性质及其地质、地球物理意义

人类有关地球内部物质成份、结构和物理状态的认识绝大多数来自于地震波的资料,而地震波资料的正确解释又离不开岩石地震波性质的高温高压实验研究。地壳和地幔岩石的地震波性质和各向异性是当今世界地学前沿研究的一项重要内容,该领域横跨了地震学、岩石物理学和构造地质学,在过去一段时间里非常活跃并取得许多重要的成果。本文仅将作者近年来研究岩石地震波性质(例如,岩石波速滞后性,地震波速随围压的变化规律,纵、横波速之间的关系,泊松比等)的部分进展做一简扼的综述,并谨以此纪念已故中国科学院院士张文佑先生诞辰100周年。

秦岭隆升过程及其如何控制气候环境?

秦岭东连桐柏-大别山,西接昆仑和祁连山,构成中国中央造山带,横亘中国大陆中部,是中国南方大陆和北方大陆完成主体拼合的主要造山系(张国伟等,2001,2019;Dong et al.,2021).现有研究表明,秦岭是在大约4亿年和2亿年板块俯冲-碰撞造山基础上,叠加150~100百万年的陆内造山,并于60百万年以来迅速隆升崛起(Dong et al.,2021).特别是在新生代以来,在深部地质作用控制下,秦岭浅表构造地貌快速隆升,成为我国南北地质地理、生态环境、经济文化的分界带,导致中国南方与北方在地质、地理、生物、水文、气候、环境以及经济和人文等方面均存在明显差异(Dong et al.,2022a,2022b).同时,秦岭山脉本身也是我国大陆最主要的“绿肺”,由于秦岭构造隆升、促使气候环境变化、生物变化,控制大气和水循环,净化了空气和水源.但是,秦岭又是一个地质灾害频发的高危地区.