区域构造及其研究意义
地质学是一门主要研究固体地壳或岩石圈表层的科学。研究内容主要包括固体地球的物质组成、内部结构和形成演化历史,从不同角度揭示了地球各种地质作用和地质过程的客观规律。在地质学的分支中,大地构造学起着重要的作用。它通过综合地质学各个分支的资料,总结区域或地区乃至全球的地质演化历史,从而建立各种地质作用之间的动态关系,帮助人们正确合理地认识地球的演化。区域地质演化过程直接控制着区域地形、地貌和气候的变化,矿产资源的分布和一些地质灾害的发生。因此,开展区域构造和演化史研究,对于深化地质研究,深刻认识与人类生活密切相关的自然资源和环境的变化和规律,为人类社会的可持续发展提供资源保障和环境支持,具有重要的理论和现实意义。
构造学是中国地质研究中最活跃的学科之一。自19世纪晚期以来,中国大地构造的研究已有100多年的历史。任继顺、杨等。对中国大地构造研究的历史做了精彩的总结,将中国大地构造研究的进程划分为以下几个阶段[1,2]: 1949年前为创始和奠基期;1949 ~ 1976是发展期,百家争鸣;1976年至20世纪末是板块构造学盛行的时期,经历了70年代的反思和迫切追求、80年代与国际接轨、90年代大陆岩石圈重大地质问题深入研究等阶段。自21世纪以来,它进入了构造研究的新航程。美国科学家在《构造地质学与大陆动力学新征程》中提出的“超越板块构造学”新课题,无疑是新航程的重要起点。中国大陆拥有众多的构造单元、复杂的地质演化历史和许多独特的地质现象,是研究大陆形成演化过程及其动力学机制的理想场所。一个多世纪的地质研究历史,特别是大比例尺区域地质填图,积累了丰富的资料,为总结区域地质演化规律,进一步研究和探讨大陆动力学奠定了坚实的基础。在这个新时期,我国区域大地构造研究面临的主要任务应该是详细清理现有的区域资料,总结区域演化规律,将区域大地构造研究纳入地球表层科学研究,从研究全球大陆演化和发展完善地球科学理论的角度,探索中国大陆的形成演化历史及其动力机制,为国家经济建设服务。
1.1.2板块构造理论与大陆动力学
板块构造理论起源于对海洋的研究,其基本思想是固体地球上层在垂直方向上可分为物理性质显著不同的两个球体,即上层的刚性岩石圈和下层的塑性软流圈;刚性岩石圈在横向上可分为几个大小不同的板块,板块之间的边界为大洋中脊、海沟和转换断层。板块漂浮在可塑性强的软流圈上进行大规模运动,使板块离散、汇聚、走滑,导致海洋扩张、大陆解体重组,板块边界发生地震、火山活动。板块内部相对稳定,板块边缘由于相邻板块的相互作用而成为构造活动强烈的地带;板块之间的相互作用从根本上控制着各种地质作用的进程,也决定着全球岩石圈运动和演化的基本格局。一般认为板块运动的动力来自地幔对流和海底扩张。
尽管板块构造理论完美地描述了海洋板块动力学的海底扩张和俯冲机制,并更好地解释了海洋开合演化和大陆分裂重组的动力学,但由于它强调水平运动而忽略了垂直运动和地幔对流,并忽略了地球不同层之间的相互作用,因此在解释大陆物质增长和减少的复杂过程以及大陆内部的地质演化方面遇到了相当大的困难。许多学者认为,大陆与海洋之间存在巨大的动力学差异,至少在上地幔深度上是如此,现有的板块构造理论不能简单解释大陆的动力学过程。随着人类社会面临日益严峻的资源、环境和地质灾害问题,探索大陆内部特别是碰撞后地质作用的特征和成因机制,使地球科学更好地为人类社会发展服务,成为地质学家面临的巨大挑战和机遇。
长期以来,大陆的起源和演化一直是地质学家关注的焦点。随着固体地球科学理论研究的深入,人们对大陆的认识正在进入一个新的高度,即从对大陆地壳浅部的局部认识,上升到对大陆壳幔系统的整体认识。随着地球科学信息的大量增加和岩石圈计划的发展,岩石圈结构和演化的研究正转向建立全球动力学和大陆动力学理论。这一方面使板块构造理论得到完善和发展,另一方面也对板块理论的基本原理和板块运动的作用过程提出了质疑和反驳。与此同时,粘性流模型、后板块构造、浪涌构造[3]和地幔柱构造[4]等构造理论模型相继提出,大陆演化的动力机制模型正在向多元化方向发展。因此,无论是从进一步深化板块构造理论,还是发展新的地球动力学,探索大陆动力学已成为当前和今后固体地球科学研究的重要课题之一。
1.1.3大陆动力学及其在大陆构造研究中的作用
大陆动力学是以板块构造理论为基础的重要科学问题和研究领域。主要研究与大陆形成演化相关的动力学机制等基本问题,通过研究大陆的形成过程、演化历史等各种基本问题,阐述大陆如何与整个地球系统相互作用。这个概念是基于获得的数据提出的,说明大陆和海洋的岩石圈乃至上地幔的结构是不同的。大陆岩石圈的形成、保存和消亡过程比板块构造所阐述的海洋岩石圈的生长和消亡过程要复杂得多。
大陆动力学显然继承和发展了板块构造的基本理论,但在深度和广度上都超出了板块构造的研究范围。在深度上,它力图细化板块运动的过程,探索和揭示板块运动过程中造山带构造、岩浆、变质作用等产物的形成机制和过程,而不像以往的板块构造理论局限于对板块构造环境中各种构造变形特征和岩石组合特征的描述。从广义上讲,它研究了许多以前没有涉及到板块构造学的重要问题,如地壳中流变层的形成及其对上地壳应变的影响、地幔与地壳深部的耦合、莫霍面的形成机制、流体和热量对应力场的影响、造山过程中大规模的流体迁移及其后果、壳幔物质的交换和再循环、深部岩石的剥离过程等。从造山带的演化来看,以往板块构造研究的重点是确定是否存在海洋,是什么样的海洋。你潜水了吗?什么样的大陆边缘?板块碰撞的方式是什么,什么时候结束?基本不涉及碰撞后的历史和大陆内部的地质过程。大陆动力学的研究重点是大陆内部的研究,包括岩石圈加厚、隆升和造山带岩石侵位与剥蚀的主要过程,即造山带形成过程中挤压、走滑和伸展的表现,以及它们与板块运动引起的应力和大陆地壳厚度引起的浮力的关系,花岗岩、镁铁质和超镁铁质岩石、深变质岩等的形成、侵位和剥蚀。[5]以及地质过程及其内部大陆。
大陆动力学的研究并不反对板块构造理论。虽然板块构造理论有其局限性,但它能更好地解释古海洋的演化过程和大陆形成过程中的大陆组装过程,而大陆动力学则探索古海洋形成前和闭合后大陆的演化和动力学。大陆地壳真的可以循环吗?答案是肯定的。剥蚀和再沉积、深部熔岩岩浆活动和变质作用正在不断地将古老的大陆转变为年轻的大陆。就像我们在大陆发现了很少的古海洋岩石圈碎片,说明大部分的海洋岩石圈已经回归地幔一样,大陆古岩石圈少的原因很可能是它们已经转化为年轻的大陆地壳。问题是这种转变的机制是什么,时限有多长,还需要我们孜孜不倦地追求。当大陆动力学的原始特征被充分揭示并与板块构造学有机结合时,真正的全球构造理论就诞生了[6]。
20世纪90年代以来,国际地球科学高度重视大陆动力学的研究,国际岩石圈计划的重点从岩石圈的结构、构造和演化转向过程和动力学,其中大陆岩石圈、深部过程和动力学成为国际岩石圈计划的四个主要领域中的两个。美国国家科学基金会、地质调查局和能源部联合提出并实施了30年(1990 ~ 2020)的“大陆动力学计划”,目的是建立大陆不同尺度的动力学演化模型,为地震动力学预测、油气和金属矿产的三维预测以及大尺度生态环境变化预测提供新的依据。英国自然环境研究理事会的地球科学战略报告(1994 ~ 2000)也将大陆动力学列为其专题重点研究领域,并重点研究了大陆深部结构和组成、大陆边缘结构、地壳垂直运动在岩石旋回中的作用及其与地表作用的关系等四个问题。此外,由16个欧洲国家针对该大陆的起源和演化而启动的“欧洲透镜”项目,实施于1992年至21世纪初,旨在提高对地球壳幔结构的演化和控制及其随时间变化的动力学过程的认识。
中国大陆动力学研究几乎与国际同步[7]:20世纪90年代初,中国地质学家开始讨论中国大陆动力学问题,并在“九五”基础研究战略规划中将大陆动力学列为优先研究领域。科技部为此设立了“大陆科学钻探”、“现代地壳运动观测网”等重大科学工程和“青藏高原形成演化及其环境与资源效应”、“大陆深俯冲”等国家重点基础研发项目。国家自然科学基金通过设立一系列重大、关键项目和一般项目,支持专家开展中国大陆主要构造单元(造山带、盆地和地盾)岩石圈结构与演化的多学科研究。中国科学院、国土资源部、中国地震局等部门也部署了相关的大陆动力学大型观测、调查和研究项目。通过上述工作,我们获得了许多关于中国主要造山带和其他构造单元岩石圈结构和演化的新认识,积累了大量有价值的地质、地球物理和地球化学资料,为我们进一步的系统规划和大陆动力学研究奠定了良好的基础。
山东省的地质结构相当复杂。太古宙大量TTG岩系的形成、苏鲁超高压变质带的形成和折返、不同时期(元古代、新元古代和中生代)碱性花岗岩的发育、中生代大规模花岗岩的成因和剥蚀、中生代大陆碱性钙碱性火山岩的爆发性富集、胶北金元素和新生代幔源玄武岩的喷发,都是中国乃至世界典型的地质构造事件,也是经典的板块构造。可以说,山东陆域是解决大陆动力学问题最好的地区之一,是大陆动力学研究的天然实验室。同时,研究山东省地质构造格局和大陆地壳演化,必将有助于解决山东省面临的资源、环境和地质灾害问题。