从超大陆旋回看前寒武纪伟晶岩型锂矿的形成

金属矿床的形成与地球内动力过程密切相关,在某种程度上是全球构造特别是大陆演化的结果。因此,深入理解全球超大陆旋回与金属矿床之间的联系,既可以加强对区域成矿规律的把握,又可以提升对大陆演化过程的认识。在“碳中和”和“碳达峰”背景下,作为“能源金属”重要矿产,锂矿在近几年备受关注。该文总结了全球前寒武纪伟晶岩型锂矿的地质特征及其与前寒武纪超大陆旋回之间的联系,指出前寒武纪伟晶岩型锂矿主要形成于2.6 Ga、1.8 Ga和1.0~0.9 Ga 3个时段,与造山作用有关,与S型花岗岩具有密切联系,且与古老地壳物质的再造有关;超大陆聚合的陆-陆碰撞造山过程引起的地壳物质循环、活化和再富集是形成伟晶岩型锂矿的先决条件。

超大陆旋回与全球板块重建趋势

当前Columbia、Rodinia和Pangea 3个超级大陆的重建虽然有很多研究进展,其结构和轮廓逐渐清晰和明朗,但在超大陆旋回和机制上还存在巨大争论。迄今,全球板块重建趋势是：随着大板块位置基本得到约束,使得原来未被重视的小微地体群或超级地体（superterrane）的重建得到高度重视,且重建模型的精细化和区域化依然是各学科研究的热点和前沿领域。另外,在太古代早期31亿年左右可能存在最早的超大陆Vaalbara,太古代末期27~25亿年左右也可能存在一个Kenorland超大陆,但迄今证据模糊,依据不足,轮廓不清;未来2.5亿年后的Amasia超大陆预测模型也得到快速发展;超大陆旋回确定、超大陆中心预测和超大陆旋回的动力机制等也引起了广泛重视,是板块构造理论发展中的重大成果之一。近10年来,板块重建越来越深入,称为发展板块构造理论的突破点,且逐渐显露出一些新的研究领域和学科生长点,例如开始了古环流、古气候、古泥沙输运、古流体运聚的数值模拟,从单一层圈块体位置变迁和构造运动重建走向多圈层地质-地球物理-地球化学过程耦合和循环的重建。这些新趋势都依赖计算机软硬件技术的发展,硬件方面计算性能的提升,各种高性能工作站、超级计算机和超算技术等缩短了模拟重建的时间;软件方面,GIS等发展使得各种全球数据库技术发展迅速,高度集成,大数据时代催生了新一代板块重建成果,板块重建技术也愈来愈先进,从三维逐渐走向四维,从几个静态场景重建走向动态连续演化重建,从大板块重建逐渐精细化,现今主要侧重在小微陆块的集结过程的重建,也开始注意到已经消失殆尽的古大洋内部海山、高原和洋内俯冲细节的重建。我国在板块重建领域跟踪成果多,创新开拓性成果较少,较为亮点的是：1978年李春昱为首的群体重建了欧亚板块格局演变,2002年ZHAO Guochun在国际上首次提出Columbia超大陆图像,陈旭院士群体2009年出版了基于古气候的全球板块重建。但随着新一代科技革命,中国多学科交叉太弱,创新性不强,无长期支持体制机制支持一个团队在一个方向长久发展,在急功近利的项目驱动下,板块重建再度处于跟踪国际重建技术的状态。建议在大数据时代建立＂地球系统模拟与板块重建＂的板块重建协同创新中心,挖掘中国在国际地学研究中的潜力。

初论华南陆块东南缘在罗迪尼亚(Rodinia)超大陆旋回时的成矿作用

超大陆旋回与成矿作用关系密切。华南陆块东南缘在新元古代罗迪尼亚(Rodinia)超大陆旋回中经历了增生碰撞汇聚和裂解离散2个阶段。在增生碰撞会聚阶段主要形成与岛孤海相火山环境有关的金、铜等矿床,在裂解离散阶段主要是产在裂谷盆地边缘相浅海环境的铁、锰、磷等矿床。

Rodinia超大陆旋回与华南新元古代成锰作用

中—新元古代,华南陆块新元古代南华纪地层中所形成的锰矿床大多集中在700 Ma左右,与Rodinia超大陆全面裂解时期一致。锰矿的成矿作用与晋宁运动后华南陆块大规模裂解事件密切相关,显示构造环境由挤压向拉伸的转变,这正是全球Rodinia超大陆裂解的表现形式。从同位素地质年代学、大地构造、沉积环境方面探讨了该时期的成锰作用,认为其与Rodinia超大陆旋回事件的关系密切。研究区的锰矿探矿工作可以沿Rodinia超大陆裂解时期华南陆块形成的一系列裂陷槽及同沉积盆地开展,为锰矿的找矿工作提供了思路。

克拉通演化的超大陆背景与克拉通盆地的成因机制

研究表明克拉通的形成与超大陆的汇聚和裂解有着重要关系。本文对近年来超大陆重建的研究进行了分析对比,对克拉通发展与超大陆事件的关系做出了总结。前人对超大陆的研究表明,其形成与地幔动力有直接联系,地幔柱重组的旋回导致了超大陆的旋回。Phillips and Bunge(2007)在前人三维球体地幔对流模型的基础上加入大陆进行了模拟实验,结果显示周期性的超大陆旋回只发生在理想模型中,而Senshu et al.(2009)对代表陆壳的英云闪长岩一奥长花岗岩—花岗岩(TTG)地壳进行了研究,提出随着俯冲的TTG地壳产热速率的下降,超大陆旋回的周期随之变长;更有许多学者指出,历史上哥伦比亚超大陆存在时间明显较长,因此超大陆的旋回并不具有周期性。对近年来不同学者提出的哥伦比亚、罗迪尼亚、冈瓦纳、潘基亚4个超大陆新的重建证据进行分析,大致确定出上述4个超大陆的形成时间、格局及演化过程。此外,对华北、东欧、西伯利亚、亚马孙、刚果、西非6个克拉通各自的演化进行分析,也显示出克拉通演化与超大陆汇聚及裂解在时间与空间上有对应关系。通过分析得出克拉通演化与超大陆旋回有关,且确定出克拉通演化的4个超大陆旋回。本文最后讨论了克拉通盆地的成因机制以及3种端元类型,并将盆地的发育与超大陆演化的巨旋回相联系。

超大陆裂解的主要驱动力——地幔柱或深俯冲?

晚太古代以来全球的主要大陆经历了多次聚合形成超大陆、随后裂解成多个大陆/陆块,构成了地球历史最大时-空尺度的"超大陆旋回"周期性变化。超大陆聚合主要是通过全球性板块汇聚和造山运动而形成已成为共识,但导致超大陆裂解的动力机制则是学术界广泛关注和争论的重要科学问题,目前主要存在地幔柱上升(Bottom-up)和板块深俯冲(Top-down)两个主要学派。本文回顾了这两种学派的主要地质观察证据、地球动力学数值模拟结果和模型预测,结合类地行星早期大规模岩脉分布特征和地球变质作用特征随时间的演化,探讨了Bottom-up和Top-down之间的内在关系,以及今后的进一步研究方向。

地幔不均一性与地幔循环的多维表征和原因思考

地幔早先经核-幔-壳分异形成,后受不同尺度对流和循环的影响,因而具有不均一性特征。近三十年来,地幔化学通过研究大洋玄武岩发现了多样地幔端元和非放射性同位素证据并证明了地幔不均一性,逐渐建全了地幔地球化学体系。然而,地幔不均一性如何对应于时空尺度的地幔循环,以及地球演化如何影响地幔不均一性等,仍不清楚。此外,地球物理研究显示,岩石圈厚度差异、中下地幔的波速异常体以及俯冲板片形态的观测为纵横向对流系统提供了空间不均一性证据支持。联合地球化学和地球物理手段对研究地幔不均一性至关重要,用好透视地幔成分与结构的“双目镜”已成为共识。本文从地幔不均一性结合地球化学场、地球物理的不同表现形式,以及现今及历史时期的洋陆格局的对比,多维度联系地幔循环和演化,思考了超大陆旋回与地幔不均一化的内在逻辑。强调了从全球演化角度看地幔不均一性的重要性和提出多手段联合建立地幔循环驱动模型的展望。

构造旋回与大地构造年表

构造旋回的划分是大地构造研究的基础之一。但板块学说兴起以来,一些学者基于均变论的哲学思想,却试图抛弃构造旋回的概念。然而,随着时间的推移,地球系统科学的提出,大规模、多学科地学观测,人们已认识到突变与灾变的重要性,认识到渐变与突变相结合的螺旋式向前发展的旋回演化论,才是更全面、更深刻地认识地质规律的有力武器。在大地构造研究中,一些学者常用地层年表,而不用构造旋回。然而,以生物地层学为主要依据的显生宙地层年表与构造旋回和构造岩浆事件并不完全耦合。这是因为,地层年表是在研究地球表生作用,即岩石圈、水圈、大气圈、生物圈之间相互作用的基础上建立的;而构造旋回则是地球内生作用,即壳、幔、核以及壳、幔、核不同层次间多层圈相互作用的历史记录。一些学者在研究大地构造时,只用同位素年龄表示的构造事件,不使用构造旋回。然而,"事件"只是单个现象的呈现,只是构造发展的片段,旋回则阐明过程,反映事物发展中各"事件"(片段)之间的内在联系,反映事物演化的本质。事实上,威尔逊旋回的建立,已为构造旋回和构造事件之间的联系赋予了全新的科学内涵,这也是地质科学发展过程中,正确处理继承与创新关系的一个光辉范例。一些学者由于对全球造山运动是否是同时性的质疑,认为建立全球统一构造年表是不可能的,也是不必要的。可是,地球作为一个整体,其动态活动应该基本上同时的,在受同一地球动力系统控制的一个大区域内,构造运动在各地虽然不是完全同时,但却大致是同时的。北美、欧洲、亚洲加里东、华力西旋回的各次构造运动基本上可以互相对比,就是证明。既然如此,我们就可以按照优先原则,将早古生代的构造旋回称为加里东旋回,将晚古生代的构造旋回称为华力西(海西)旋回。超大陆和超大陆旋回的提出,深化了构造旋回的研究,同时也为建立构造年表开辟了道路。目前已初步提出古元古代哥伦比亚、中元古代罗丁尼亚、新元古代冈瓦纳和显生宙潘吉亚等几个超大陆旋回,这样,我们便可以用超大陆旋回作为构造年表中最大一级的时间单位,每个超大陆旋回又可进一步分为几个旋回,如潘吉亚旋回可分为加里东、华力西两个旋回。我们相信,随着地质学、地球化学、地球物理学研究的深入,随着对固体地球系统和全球地质构造更加深入、全面、系统的观测研究,不久的将来我们将会像建立显生宙地层年表一样,建立起大区域以至全球的构造年表。

中国大陆地壳“镶嵌与叠覆”的结构特征及其演化

初步探讨了中国大陆地壳“块带镶嵌多层叠覆”的结构特征和多阶段的构造演化过程。中国大陆地壳新元古代中期以来的一级构造单元有中朝、塔里木、扬子、敦煌4个陆块和中央、西北、东北、西南、东南5个造山区(带)。中朝陆块的形成源于古元古代期间发生的古大陆裂解;扬子、塔里木和敦煌陆块的形成源于新元古代早期发生的古大陆裂解。西北造山区的形成源于古生代晚期洋盆关闭、大陆碰撞并叠加新生代陆内再造山;东北造山带的形成过程包括古生代碰撞造山及中生代增生、碰撞造山;中央造山带至三叠纪大陆碰撞才最后形成并叠加有新生代再造山;东南造山带的形成经历了古生代至新生代的多次造山作用;西南造山带主要是中—新生代造山作用的产物。这些单元都具有“块带镶嵌多层叠覆”的结构特征和多阶段构造演化的特点。中国大陆地壳的形成与演化可以划分为太古宙—古元古代、中元古代—新元古代早期、新元古代中期—古新世和始新世以来4个构造阶段,每个阶段都对应不同的超大陆裂解-聚合旋回。其中新元古代中期以来的地壳形成演化与全球洋陆格局中的古亚洲洋、古特提斯洋、古太平洋、特提斯洋和太平洋5个动力学体制有关,相应地可以归结为古亚洲、古特提斯、古太平洋、特提斯和太平洋5个造山域。

基于大数据的铌钽矿物全球时空分布特征分析

铌钽是发展电子、航空、医疗、机械、原子等新型产业的关键性稀有金属,随着我国对铌钽资源的需求持续性增长,增大铌钽矿产出是当务之急,因而开展铌钽成矿机制和富集规律的研究尤为重要。前人对铀、汞、铍、硼、锂等矿物多样性和时空分布特征的研究表明,基于大数据的矿物演化研究能够为矿物的富集和成矿机制提供新的思路,为找矿预测提供新的方向。本文从全球矿物综合数据库(RRUFF)中获取了全球含铌钽矿物的大数据,对全球含铌钽矿物的种类(179种)、数量(1 488个)以及地理空间分布在地质历史时期变化的特征和规律进行了分析。研究结果表明,含铌钽矿物的种类和数量随着地球演化过程不断累积增长,且增长具有明显的阶段性,在基诺兰超大陆聚合期、潘基亚超大陆聚合期和潘基亚超大陆裂解期均存在明显的增长高峰。铌钽矿物演化的重要时期与超大陆形成、裂解的时间具有良好的耦合性,暗示了铌钽金属的富集与超大陆旋回存在内在的联系,这种内在联系还需要进一步挖掘。

继承性构造与新生构造并存的时空发育特征——“盆”“山”耦合理论指导油气勘探的一个切入点

研究继承性构造与新生构造并存的时空发育特征是"盆""山"耦合理论指导油气勘探的一个切入点。文章从超大陆旋回,成盆动力学和含油气构造带研究3方面展开论述,强调"寻根溯源",在具体分析每一阶段的新生构造时注意基底/先存构造的影响,从含油气盆地的研究深入到含油气构造带的研究,从盆地的运动学研究发展到动力学(包括外动力和内动力)研究。在分析新生构造演化的2种趋势的基础上指出了海相油气勘探的3类主要靶区。以新生构造的演化为主线,结合"源""运""聚""藏"的研究,借鉴石油地质学研究的其它新思想,"盆""山"耦合将成为指导油气勘探尤其是海相油气勘探的创新思路之一。

初论幔柱构造成矿体系

从板块构造与板块边界矿床、超大陆旋回与大陆边界矿床、地幔热点与大陆内部矿床的角度 ,阐述了幔柱构造成矿体系的基本思想、分类、成矿特征及旋回性 ,提出了热幔柱和冷幔柱两个成矿体系和地幔热柱 -热点、地幔热柱 -大陆裂谷、地幔热柱 -大洋扩张、冷幔柱 -前寒武纪硅铝壳造山、冷幔柱 -显生宙硅铝壳 /洋壳造山等五个成矿系统 ,并初步划分了矿床成矿系列 ,例举了某些典型矿床。

“前寒武纪地球动力学”主题专辑 序言

前寒武纪地球动力学涉及早期地球演化、大陆形成与保存、板块起源、超大陆旋回等一系列关键地质过程，是当今地球科学研究前沿。现今板块构造理论尚不能完全解释前寒武纪构造体制和机制，替代机制便成为许多地球科学家的追求，诸如地幔柱构造被认为是太古宙的主导构造。

超级克拉通盆地发育的构造背景及其形成模式探讨

克拉通盆地是所有盆地类型中最稳定、最长寿的盆地,也是地壳和地幔长期垂向变形最重要的地质记录。地史上面积最大的克拉通盆地(超级克拉通盆地)原型面积常超过200×10^4 km^2,对探讨克拉通盆地成因演化具有重要的代表性意义。目前世界各地的研究可以识别出10余个不同时期的超级克拉通盆地。本文根据超级克拉通盆地基底性质、盆地发育的超大陆构造演化背景及其构造特征,将超级克拉通盆地划分为A型盆地和B型盆地两种类型,它们分别以西西伯利亚盆地和刚果盆地为代表。A型盆地形成于超大陆裂解之前至初始裂解的背景下,基底为前期造山带,为短波长盆地。盆地形态不规则性强,内部均一性相对较低,克拉通盆地边缘可能渐变为弧后盆地或前陆盆地。B型盆地形成于超大陆裂解末期(即下一个超大陆汇聚之初),基底为古克拉通陆块,为长波长盆地,盆地多呈对称的宽缓碟型。A型盆地处于短期活动的热地幔柱之上,伴随早期裂谷作用及其随后的热衰减成盆;B型盆地常处于热点和地貌高地之间的部位,盆地沉降长期受地幔持续缓慢下沉控制。

喜马拉雅造山带东构造结拉布拉多期和格林威尔期造山作用的记录

位于喜马拉雅东构造结西北部的南迦巴瓦复合体,是构造应力最强、隆升和剥蚀最快、新生代变质和深熔作用最强的地区。为厘定该地区早期的变质岩浆作用,本文对南迦巴瓦复合体北部的花岗片麻岩和混合岩进行了岩石学和年代学研究。花岗片麻岩原岩为富钾的偏铝质花岗岩,具有岩浆弧花岗岩的成分特征。花岗片麻岩中的锆石具有岩浆锆石的环带结构,记录了487.9±1.6Ma的一期构造岩浆事件;混合岩的锆石具有明显的核-边结构,核部和边部的不协和线交点年龄分别为1559±13Ma、1154±12Ma。对比印度大陆东部的西隆高原、东高止造山带,发现三者都经历了拉布拉多期、格林威尔期以及泛非期的造山作用。因此,我们认为喜马拉雅东构造结与这两个地区密切相关,可能是他们向北的延伸,这三者可能组成统一的印度大陆东部造山带,一起经历了哥伦比亚超大陆、Rodinia和冈瓦纳超大陆的聚合与裂解过程。

地球系统中的真极移

真极移或行星的再定向,是由质量重新分配造成的固体地球(地壳和地幔)相对于液体外核发生的旋转.其在地球上已经通过卫星观测证实,在太阳系的多个行星和卫星也有一些记录,但真极移在地球历史上是否普遍存在仍有争议.即便如此,真极移在地球上发生的物理基础和经验基础现在都是明确可信的.同时,与板块构造一样,真极移可能会影响地球系统的大部分,因此承认它的存在需要重新解释很多方面,这可能是真极移令人难以接受的原因.本文总结了真极移概念的发展,为未来的研究提供了一个框架,并且明确了真极移的存在,将其视为可以将浅层和深层过程联系起来的地球系统的一个组成部分.具体而言,本文关注大型真极移的时间规律,并在前人研究基础上讨论其与超大陆-巨大陆旋回的关系.分析认为,巨大陆的聚合与大幅度真极移联系紧密.同时,超大陆的存在和裂解与快速真极移联系紧密.本文还介绍了真极移对海平面变化、古气候、生物多样性和地球系统其他方面的影响,这些方面需要在未来进行跨学科检验.