从洋-陆俯冲到陆-陆碰撞:回眸与展望

大陆造山带的经典含义是指由于大陆地壳岩石在板块俯冲-碰撞的巨大挤压应力下,遭受强烈变形、变质和熔融作用,地壳发生大规模缩短、加厚和隆升而形成的地带。分布在大陆边缘和内部的造山带,经历从洋壳扩张、洋-陆俯冲到陆-陆碰撞的造山过程,形成"俯冲增生型"、"陆陆碰撞型"和远离板块边界的"陆内型"造山带。造山带类型的分析是识别地球上造山带机制的钥匙。本文在阐述经典造山带分类的基础上,根据造山带的几何学、热历史、构造样式等特征,讨论了弧形造山带、特殊几何学造山带和走滑造山带的结构、运动学和动力学,以及从洋-陆俯冲到陆-陆碰撞造山在时空上的转化和演化。在回顾造山带研究的基础上,突出在板块汇聚边界的大洋和大陆俯冲带研究的重大进展,提出俯冲带和地幔柱提供了穿越地球层圈物质和能量交换的通道,它们的结合研究是探索全球单层壳-幔大循环假说与板块驱动力的新方向,是统领造山带研究的大思路。对于大陆动力学研究的一些前瞻性问题的思考,强调了造山过程的热扩散模式和变形-变质-深熔-成矿作用的自组织行为,以及地壳熔融在造山中的重要性;强调了流变学在大陆造山带形成和演化中的基础地位,并认为这是造山带研究中亟待解决的问题。作者认为板块水平运动是致使地壳挤压缩短和加厚、形成造山带的主要驱动力;而在板块离散边界(包括大洋中脊)垂直上升流所形成"地貌"上的山链,被称为"伸展造山带",不应属于经典"造山带"的范畴。

大洋岛弧的前世今生

根据板块构造理论,板块的边界是地质作用最为强烈的地区,因而它们是当今固体地球科学研究的重点。依据应力性质的不同,地球上板块的边界类型有扩张的洋中脊、汇聚的俯冲带和调节板块运动差异的转换断层三种。就汇聚型板块边界而言,它又可进一步划分为洋-洋俯冲的大洋或洋内岛弧带(Intra-oceanic arc)、洋-陆俯冲的安第斯型活动大陆边缘带和陆-陆接触的大陆碰撞带三种。相对而言,大洋岛弧的研究程度最低。传统认为最典型的大洋岛弧——日本诸岛,已不再被认为是洋-洋俯冲的产物,因为已有研究显示它是从亚洲大陆裂解的碎块。根据目前的调查,现今的大洋岛弧主要集中在西太平洋地区,以太平洋与菲律宾板块间的Izu-Bonin-Mariana弧和太平洋-澳大利亚间的西南太平洋岛弧为代表。大洋岛弧研究的最重要问题是,洋洋之间如何产生了俯冲。目前多倾向于认为:大洋中的转换断层可使不同时代的大洋岩石圈相互接触,在这种情况下,较老的岩石圈由于冷却时间较长而密度相对较大,因而可下沉而俯冲到较年轻的岩石圈之下。这一模型也被誉为蛇绿岩形成的初始俯冲定律(Subduction Initial Rule,简称SIR)。但存在的问题是,目前全球还没发现有转换断层转变为俯冲带的实例。更何况,全球大洋中发育如此众多的转换断层,但为何只在西太平洋发育大洋岛弧?本文通过对资料的总结还发现,这些大洋岛弧基本都是从亚洲或者澳大利亚大陆东部边缘裂解的碎块,只是后期的弧后扩张作用使裂解的碎块发生强烈的改造,形成具有类似大洋岩石圈的特点。目前提出的洋-洋自发形成俯冲带的模型并没有理论基础,也没有实际地质事实的支持。但在加勒比海、斯科舍海和阿留申地区,大洋岛弧的出现与洋底高原诱发的俯冲带跃迁或俯冲极性反转有关。因此,板块构造理论中的洋洋初始俯冲模式需要进一步资料的验证。

三江特提斯复合造山与成矿作用研究态势及启示

简述了"三江特提斯复合造山与成矿作用"项目的总体框架、研究目标和研究内容,总结了已开展的研究工作和研究进展。项目已在4个方面取得了系列重要进展:(1)通过对缝合带中放射虫硅质岩和基性-超基性岩,以及不同地体内火成岩的年代学和地球化学等研究,构建了三江地区从原特提斯、古特提斯、中特提斯到新特提斯大地构造-岩浆演化格架;(2)通过对VMS型Cu-Pb-Zn,沉积岩容矿型Zn-Pb-Cu-Ag,夕卡岩/斑岩Cu-Au-Mo及多成因类型Au 4种典型矿床类型研究,建立了复合造山过程中成矿系统结构和解析了巨量金属集聚成矿过程;(3)分析了增生造山→碰撞造山、主碰撞→晚碰撞和晚碰撞→后碰撞三期重要构造体制转换事件,提出了叠加成矿作用的3种类型和9种方式;(4)总结提炼了适合"三江"地区的"斑岩成矿系统+模型+高光谱+蚀变矿物填图+高精度磁测+电法"、"成矿模式+层位+瞬变电磁法+激发极化法"、"成矿系统+重+磁+多种电法"等勘查技术方法。

西南三江造山带古特提斯弧岩浆岩的时空分布及构造演化新模型

位于青藏高原东缘、东南缘的西南三江造山带的构造几何格架形成于晚古生代-早中生代古特提斯阶段。前人综合1/20万区域地质调查成果创造性地构建了基于板块构造理论的大地构造几何格架初始版本,成为指导三江造山带地学研究的关键基础。二十世纪末引入我国的锆石原位U/Pb测年技术大规模应用于三江造山带研究,积累了大量高精度年代学数据,为升级大地构造几何格架初始版本奠定了良好基础。收集、整理、综合现有测年结果,本文将三江造山带内古特提斯阶段弧岩浆岩划分为两阶段、三个带,分别为晚三叠世玉树-义敦陆缘弧岩浆岩带、二叠纪-中三叠世江达-维西-马登-点苍山陆缘弧岩浆岩带、二叠纪-晚三叠世云县-绿春-哀牢山陆缘弧岩浆岩带。结合高压变质带研究进展、大地构造相时空配置关系提出:(1)玉树-义敦陆缘弧岩浆岩带为甘孜-理塘洋向南西俯冲于东羌塘-中咱陆块之下的产物,俯冲持续时间仅10Myr左右;(2)江达-维西-马登-点苍山、云县-绿春-哀牢山两个陆缘弧岩浆岩带属同一弧岩浆岩带,是龙木措-双湖-昌宁-孟连古洋壳向北、北东俯冲作用的产物,其俯冲时长达70Myr,产生4或5个岩浆岩活跃期。从俯冲作用持续时间及岩浆岩带空间规模分析,龙木措-双湖-昌宁-孟连缝合带代表的古洋盆为三江造山带古特提斯主洋盆,而甘孜-理塘洋规模相对较小。古特提斯主洋盆的闭合具有穿时性,北段闭合于中三叠世,而南段则到晚三叠世才最终闭合。新数据揭示的古特提斯阶段陆缘弧岩浆岩带空间分布特点提出了若干新科学问题,值得进一步深入研究。

秦岭印支期构造背景、岩浆活动及成矿作用

秦岭造山带以其独特的大地构造位置、复杂的地质演化和丰富的矿产资源而成为地质科学研究的焦点,科学家已经基本清楚了其大地构造格局和地质演化轮廓,共识其在印支期(三叠纪:251～199.6Ma)彻底实现了由海盆向大陆造山带的转变。但是,盆山转变的过程细节、洋盆闭合的时间、三叠纪大地构造属性以及相关的岩浆作用和成矿作用研究薄弱,认识分歧较多。笔者通过综合分析地质、地球物理、地球化学、矿产资源等方面的研究成果,认为三叠纪的秦岭恰似现今地中海,并存着洋陆俯冲和陆陆碰撞,并逐渐由洋陆俯冲转变为陆陆碰撞体制;秦岭古特提斯洋于230～200Ma期间自东向西拉链式缝合,扬子陆块与华北-秦岭联合大陆之间的碰撞造山作用接踵而至;三叠纪的秦岭构造背景并非单一的陆陆碰撞,更非过去认为的造山后或碰撞后。秦岭印支期岩浆作用强烈,形成了埃达克岩、钙碱性花岗岩、高钾钙碱性花岗岩、碱性岩、疑似奥长环斑花岗岩、碳酸岩等多种岩浆岩;它们自勉略缝合带向北显示分带性,依次是:阳山—胭脂坝过铝质S型或改造型花岗岩带、南秦岭高镁埃达克质的钙碱性花岗岩带、北秦岭高钾钙碱性花岗岩带、华北克拉通南缘碱性岩-碳酸岩带;印支期岩浆作用的复杂性、多样性、空间分带性和成分极性等特点无法用陆陆碰撞或碰撞后构造体制来解释,而应是勉略洋板块向北俯冲的结果。秦岭印支期成矿作用长期被忽视,但最近已发现有重要经济价值的印支期矿床类型有碳酸岩脉型、造山型和斑岩型钼矿床,卡林型-类卡林型、造山型和斑岩-爆破角砾岩型金矿床,造山型银多金属矿床,表明在洋陆俯冲向陆陆碰撞转变体制的成矿作用强烈、成矿类型多样,印支期矿床的找矿潜力较大。

索伦-林西缝合带北缘构造属性:来自内蒙古扎鲁特旗北部寿山沟组变沉积岩及其安山岩透镜体的制约

本文选择扎鲁特旗北部达巴艾勒地区出露的一套下二叠统寿山沟组变沉积岩及其安山岩透镜体作为研究对象,在野外地质调查的基础上,通过岩相学、年代学、岩石地球化学等方面的系统研究,深入探讨索伦-林西缝合带北缘晚古生代的构造属性。下二叠统寿山沟组变质沉积岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果显示其最小峰值年龄为282.3±4.2Ma和285.9±5.6Ma,限定了沉积下限为早二叠世,另外还含有少量400~500Ma以及个别700~800Ma、1700Ma的单颗粒碎屑锆石年龄,表明其物源区主要来自于北侧的锡林浩特岩浆弧。碎屑锆石年龄图谱反映其沉积背景为汇聚背景下的弧前盆地。地球化学特征表明寿山沟组变质沉积岩物源主要来自中酸性岩浆岩源区,形成于大陆岛弧环境。该套沉积岩中的晚石炭世安山岩透镜体锆石U-Pb测年结果为304.9±4.7Ma,地球化学特征显示其具有高镁安山岩特征,为俯冲洋壳释放含水流体交代地幔楔发生部分熔融的产物,形成于大陆边缘弧构造背景。综合分析,索伦-林西缝合带北缘在晚石炭世-早二叠世处于洋内俯冲向洋陆俯冲过渡的转换环境。

三江特提斯叠加成矿作用样式及过程

三江地区经历了特提斯洋的多期洋-陆俯冲和新生代以来的陆-陆碰撞;成矿主要集中在大洋生长与俯冲造山阶段以及碰撞造山主碰撞向晚碰撞的转换阶段,控制了区域喜马拉雅期斑岩型铜金矿带、沉积岩容矿型铅锌多金属矿带与造山型金矿带等。在不同时期构造环境作用下,在矿田与矿床范围内形成了复杂多样的叠加成矿作用。叠加成矿作用可划分为3种类型及9种方式:(1)VMS-岩浆热液叠加型。包括喜马拉雅期岩浆热液型矿体叠加海西期-燕山期"VMS型"矿体(老厂式Pb-Zn-Mo矿床和鲁春式Cu-Pb-Zn矿床),印支/燕山期岩浆热液型矿体叠加海西期VMS型矿体的羊拉式Cu-Mo-Pb-Zn矿床;(2)沉积-热液叠加型。包括喜马拉雅期岩浆热液型矿体叠加燕山期沉积矿源层的白秧坪式Cu-Pb-Zn矿床,喜马拉雅期建造热液型Ge矿体叠加沉积煤层的大寨/中寨式Ge矿床,燕山期岩浆热液叠加加里东期分水岭式Fe-Cu矿床;(3)多期热液叠加型。主要为喜马拉雅期与印支期两期叠加成矿作用的老王寨床式Au矿床,燕山期叠加印支期普朗-红山式Cu矿床,喜马拉雅期多期次叠加的金满Cu矿床。叠加成矿作用增加矿床的资源储量,丰富了矿种类型;但是现在仅有部分年代学与矿田-矿床尺度地质现象的某些证据,叠加矿床的矿体-矿石结构特征、形成条件与地球化学及矿物学约束仍有待于进一步研究。

上覆大陆板块热状态对俯冲动力学的影响:二维热力学模拟

洋-陆俯冲的动力学过程不仅依赖于俯冲大洋板块的性质,还取决于上覆大陆板块的性质和状态.已有数值模型多关注于俯冲大洋岩石圈,对上覆大陆岩石圈性质和变化的研究相对薄弱,尤其是大陆岩石圈热状态变化对俯冲动力学过程的影响了解甚少.利用二维热-力学数值模拟方法,文章探讨了不同热状态的大陆岩石圈在洋-陆俯冲过程中的表现,系统测试了上覆大陆热状态、俯冲洋块年龄和洋-陆会聚相对速率对俯冲动力学过程的影响.模拟结果表明:(1)当上覆大陆陆壳地温梯度较低(10~15℃km^-1)时,大洋板块开始以低角度俯冲,而后在自身负浮力的驱动下,俯冲角度逐渐增大并发生快速后撤,形成宽600~1100km不等的洋金,导致大陆与大洋板块最终解耦.伴随海沟不断后撤,上覆大陆板块内的水平偏应力在区域上发生正、负交替,岩石圈减薄主要发生在俯冲带附近,且地表发生明显伸展沉降.(2)当上覆大陆陆壳地温梯度较高(大于15℃km^-1)时,大洋板块的后撤促使上覆大陆板块强烈伸展,海沟后撤的距离减小,形成洋盆的宽度也随之减小100~1000km.上覆大陆板块内的水平偏应力表现为整体先挤压后拉张,导致地表也发生先隆升后缓慢沉降.(3)增加大洋岩石圈的年龄会加快海沟的后撤过程,促进上覆大陆岩石圈的减薄.(4)上覆大陆板块向海沟的运动会减缓海沟的后撤.当地壳地温梯度大于17.5℃km^-1时,热的大陆地壳会发生重力垮塌和向俯冲大洋岩石圈逆冲,这一过程同样将减缓海沟的后撤.依据以上模拟结果,文章探讨了早白垩世古西太平洋板块俯冲过程空间上的变化以及它们可能对东亚盆地构造演化的控制,认为阿穆尔超级地体早白垩世宽裂谷盆地体系的发育与海沟缓慢后撤和热地壳垮塌相关;相对较冷的华北克拉通岩石圈因大洋海沟快速后撤,导致大陆边缘被动裂谷盆地的发育.

特提斯带东段缅甸中-新生代构造演化、岩浆活动及成矿作用研究进展

缅甸是喜马拉雅造山带经东构造结东南向的延伸,是全面认识特提斯带造山带形成的关键地区,并且发育有重要的Cu-Au、Sn-W等金属矿产资源。本文对近几年有关特提斯东带构造演化和岩浆-成矿作用方面的研究成果进行了梳理和综述。西缅地体的白垩纪-渐新世岩浆岩及Cu-Au成矿作用与青藏高原冈底斯带可类比,而滇缅马苏地体的侏罗纪-始新世岩浆岩与Sn-W成矿带可以延伸到云南腾冲地区。缅甸中生代-新生代岩浆和金属成矿作用主要与中-新特提洋壳俯冲和随后50 Ma以来印度大陆岩石圈俯冲密切相关,且洋-陆岩石圈持续地俯冲控制了缅甸巨型Sn-W成矿带的形成。本文指出了存在的问题和需要进一步研究的方向,如50 Ma以来大洋-大陆岩石圈俯冲转换的时空变化、深部过程及成矿响应之间的耦合关系,西缅地体的构造属性,超大型Sn-W成矿带的成因机理等。