造山动力学定量研究--理论与方法

造山动力学定量研究近10年来取得了重要进展,形成了较完整的理论技术体系,并获得了大量有说服力的实例分析结果,成为当前大陆变形研究的热点之一。造山动力学定量研究采用数值方法求解控制方程,获得造山带演化动态过程的图像,了解不同因素对该过程的影响作用,从力学解析的角度确定造山动力学模型的合理性。研究造山演化过程需要耦合固体力学、流体力学和热力学方程进行描述。造山演化过程中发生的强烈大位移、大应变（几何非线性）使得数值求解过程更复杂。对于强烈大应变可能需要采用重分网格技术。断裂的发生、运动与变形涉及岩石破裂准则与内部边界处理。同时,还必须综合分析地表剥蚀与沉积、重力均衡等作用。     

大陆造山带的研究趋势和进展

本文在通过对大陆造山带研究历史回顾的基础上,对现令造山带的分类、研究内容、研究方法及前缘问题做了系统论述,认为以大陆动力学为指导思想的造山带主要研究内容应是：造山带的基本组成、结构构造以及造山带形成演化过程和动力学机制。造山后的伸展作用和隆升机制、高压超高压变质岩形成和折返机制、造山带与盆地耦合关系和动力学、以及造山带流体作用研究等是现今造山带研究的前线问题,它们不仅是解决造山带问题的关键,同时对发展完善大陆动力学理论体系有重要意义。     

江汉叠合盆地及邻区中生代以来盆山耦合数值模拟研究

江汉叠合盆地位于扬子地台中部,夹持于秦岭-大别及江南造山带中段之间。中生代以来,先后经历了北部陆陆碰撞、南部陆内挤压造山与断陷、裂陷成盆的演化历程,区域构造体制在中生代发生了重大转换,其中复合、联合了众多的地质现象;盆地历经的海盆、煤盆、盐盆、陆相广盆四个盆地世代详细记录有中国南北大陆联合及东北亚大陆构造体制转换的运动学过程,是认识欧亚大陆东部深层动力地质作用过程的关键地区之一。盆地沉积充填过程可简要概括为前陆、裂陷、坳陷三种基本样式。系统的盆山构造样式及运动学分析结果表明:叠合盆地前陆期发育于同碰撞-造山后作用阶段早期,断、坳陷期发育于造山后作用阶段晚期-非造山裂解阶段。本文运用大陆动力学数值模拟(FLAC软件)方法,从挤压和伸展两方面效验了山-盆演化分别受控于印支-早燕山期的华南与华北陆块的旋转碰撞造山,以及随后的晚燕山-喜山早期碰后陆内俯冲作用所产生的板片断离引起的地幔物质上升与对流作用,晚喜山期太平洋板块俯冲作用以及由此产生的地幔调整等三期动力学系统。为南方中小型叠合盆地动力学解析提供了一种新的思路与研究方法。     

复合造山作用和中国中央造山带的科学问题

在全球大陆范围内,广泛分布的造山带纪录了板块汇聚的历史和碰撞造山的过程,因此,造山带的研究一直是地球科学经久不衰的重要领域。研究表明,世界上许多造山带是长期活动(300Ma)的复合造山带,活动域的宽度可超过1000km,并具有造山前的热结构,是大陆生长的最好见证。近10年来,全球造山带的研究已摆脱传统地质学和经典板块观念的束缚,面临一个新的起点,即由单一造山带向复合造山带研究转轨,由造山类型、造山作用向造山动力学研究聚焦。复合造山带长期活动的原因、大陆增生机制、造山带的流变学结构和造山热对造山作用的控制等已成为当前大陆复合造山带研究的关键科学问题,复合造山动力学已成为当今地球科学前沿——大陆动力学研究的重要内容。中国中央造山带位于北中国板块与南中国板块之间,是中国大陆上一条十分醒目而又极其重要的巨型(长5000km)构造带。中央造山带是经历了大致600Ma的活动历史,泥盆纪和三叠纪的两次碰撞造山以及白垩纪以来的陆内造山过程而构筑成的典型"复合造山带"。在全球复合造山带中,中国中央巨型造山带具有结构复杂性、活动长期性和非原地型,造山过程多期性以及造山带拼贴与大陆增生方式特殊性的特点,特别是世界最大规模的中央超高压变质带及其两期超高压变质作用的发现,揭示了中央造山带的形成还经历了板块汇聚边界洋壳/陆壳深俯冲至100km以上的地幔深处的两次壮观地质事件,使中央造山带成为全球造山带中最为精彩和不可多得的典型,与青藏高原一样,被国内外地学家们誉为当今中国地学研究的"瑰宝"。中国中央巨型复合造山带可以作为研究复合造山过程与复合造山动力学的重大地学问题的范例,重要的核心科学问题是:中国中央巨型复合造山带的早古生代和三叠纪陆块汇聚、碰撞造山过程以及中新生代陆内造山与周缘盆地互馈;两期高压-超高压变质带的时空关系、形成条件和洋壳/陆壳的俯冲-深俯冲与折返动力学机制;揭示和探讨中国中央复合造山带的长期活动性,造山作用的多期性和叠置性,造山热结构以及复合造山过程;洋壳/陆壳深俯冲、复合造山与大陆增生理论的创新。此外,中央复合造山带的研究对于金属矿产资源的开拓、周缘中新生代盆地含油气资源的战略前景以及现今南北中国的气候、环境、人文、地理、生态和灾害的制约提供新的科学依据与动力学背景。     

大陆动力学数值模拟:问题、进展与展望

大陆动力学是地球动力学的基本组成部分,是板块构造理论的重要拓展,是固体地球科学的核心命题之一。在系统的地质、地球物理和地球化学观测的基础上,数值模拟是探讨大陆动力学过程和机制的有效手段。本文主要基于大陆动力学数值模拟,围绕大陆形成和演化过程的四个关键科学问题进行总结和探讨。(1)大陆起源与早期地球动力学演化。现今观测到的最早的大陆地壳岩石来自冥古宙,说明地球早期就已经开始大陆地壳的形成;关于当时的构造体制,存在多种不同的模式及其过渡和转换(岩浆洋、热管、滞盖等),该问题的约束甚少,是一个地球动力学的前沿科学问题。(2)大陆岩石圈的稳定性与破坏。大陆岩石圈形成之后经历几十亿年尺度的长时间演化,有些克拉通可以保持大致的稳定性直至现今,而有的克拉通却在显生宙期间经历显著的改造和破坏,无论其稳定存在还是改造破坏,都是值得深入探讨的科学问题。(3)大陆深俯冲与极限折返。超高压岩石折返代表了地球表层物质由浅入深而又由深及浅的物质循环,系统的观测和模拟对该过程和机制已有比较清晰的理解;而近年来观测到的200~350 km的超深折返岩石又提出新的挑战,其模式和机制有待进一步探索。(4)大陆碰撞造山差异性。造山带解析是大陆动力学研究的核心内容,伴随日益精细化的地学观测,也对动力学模拟提出了新的挑战,多地体的复合造山动力学值得进一步探究;同时,青藏高原作为最重要的碰撞造山带,其一级动力学驱动力仍不明确。本文在系统探讨这些科学问题的基础上,进一步提出大陆动力学数值模拟的未来研究方向:一方面是问题导向型,针对上述仍未解决的重要科学问题,尤其是一级控制机制问题,通过创新思路和精细模拟,并与观测进行系统对比分析,最终给出答案;另一方面是技术导向型,极力发展新的数值模拟方法和技术(例如双相流乃至多相流),以适应复杂地质演化中的相变、流体、熔体、地表过程等的模拟需求,这两个研究方向的发展将共同提高大陆动力学过程和机制的认知水平,促进大陆动力学理论的发展。     

北大别造山后伸展期中-下地壳流动形式数值模拟研究

造山后伸展过程中,深部地壳的变形形式反映深部岩石圈的构造活动方式,是造山后伸展深部动力学研究的主要内容。本次工作以大别造山带造山后伸展变形构造为研究对象,在详细的构造观察和组构分析基础上,以实际变形组构为约束开展数值模拟,系统地研究伸展变形构造在垂向剖面上岩石变形机制的空间分布,进而揭示大别造山带造山后伸展过程中深部地壳的变形形式。野外观察表明,北大别穹隆边缘区域拉伸线理优选方位显著,而到穹隆中部拉伸线理定向性减弱,再到穹隆核部线理定向性有所增强。运动学上,北大别穹隆内呈现了一致的上盘向NW的剪切指向。以此为约束的数值模拟研究表明,大别造山带造山后伸展期中-下地壳流动方式总体上是介于透入性简单剪切形式与纯剪切形式之间的组合形式;垂直剖面上呈现为由上、下边界向中心简单剪切分量显著降低,中-下地壳流变带中部以纯剪切变形为主。我们用造山带加厚地壳的韧性垮塌和深俯冲的太平洋板块"后撤"来解释其动力学来源。     

前陆盆地挠曲沉降和沉积过程3D模型研究

前陆盆地是在造山带负荷作用下岩石圈发生挠曲沉降而形成的,并且被主要从造山带搬运的沉积物所充填。为了更好地理解和认识前陆盆地的形成演化机制,特别是受控于周缘多个造山带活动所形成的前陆盆地的演化机制,本文通过建立前陆盆地挠曲沉降与沉积过程的3-D模型,模拟展示了造山带逆冲推覆作用、岩石圈挠曲沉降响应及在山盆体系中由于动力地形变化而导致的河流体系的发育变化及其产生的剥蚀和沉积过程。模型的建立和实验完整体现了逆冲推覆、弹性挠曲沉降和沉积物搬运这三者之间的耦合机制,为全面深入研究前陆盆地动力学提供了理论依据和方法。     

关于造山带动力沉积学若干问题的思考

造山带动力沉积学是造山带地质学和大陆动力学研究的重要方面。造山带动力沉积学研究的重要基础是识别造山带的原型沉积盆地,认识其大地构造沉积相和原型沉积盆地的演化。造山带动力沉积学研究的主要内容包括造山带区域地层学、沉积学、大地构造学、造山带原型盆地的充填序列或构造层序、古地理和古海洋及建立沉积盆地的动力模式。其研究方法涉及造山带原型盆地的物源和组分分析、沉积相和沉积体系及沉积构型分析、充填序列和构造层序分析、古流向和古地理分析、沉积厚度和沉降分析以及沉积盆地动力模拟等。     

3-D Modeling for Flexural Subsidence and Deposition Process of Foreland Basin

前陆盆地是在造山带负荷作用下岩石圈发生挠曲沉降而形成的,并且被主要从造山带搬运的沉积物所充填.为了更好地理解和认识前陆盆地的形成演化机制,特别是受控于周缘多个造山带活动所形成的前陆盆地的演化机制,本文通过建立前陆盆地挠曲沉降与沉积过程的3-D模型,模拟展示了造山带逆冲推覆作用、岩石圈挠曲沉降响应及在山盆体系中由于动力地形变化而导致的河流体系的发育变化及其产生的剥蚀和沉积过程.模型的建立和实验完整体现了逆冲推覆、弹性挠曲沉降和沉积物搬运这三者之间的耦合机制,为全面深入研究前陆盆地动力学提供了理论依据和方法.     

板块俯冲带水流体活动及其效应的定量化数值模拟

为探讨水流体活动对板块俯冲隧道过程及大陆碰撞造山的制约作用,采用热力学和动力学耦合的数值模拟方法,建立了系统的数值模型.结果显示俯冲隧道内的混杂岩存在两种不同的折返路径:（1）平行于俯冲隧道斜向上折返,形成靠近缝合带的高压-超高压变质岩;（2）近垂直穿过上覆地幔楔侵入地壳深度.这两种差异性的模式主要受控于俯冲带热结构.俯冲带的温度结构控制俯冲隧道内水流体和熔体活动,从而影响上覆地幔楔的弱化程度,最终导致俯冲带内物质的不同运移过程和折返路径.同时,大陆俯冲碰撞带的岩石圈变形和拆沉作用均与俯冲带的流体-熔体活动所导致的岩石圈弱化息息相关.数值模拟结果极大促进了对于板块俯冲带流体-熔体活动及其动力学过程的理解.      

造山带与前陆盆地结构构造及动力学研究思路和进展

运用大量的研究成果，综合分析了大陆岩石圈结构和动力学特征，在此基础上探讨了造山带研究的思路和方法，总结了造山带结构、构造及其形成演化研究的新进展。指出前陆盆地的研究是深入研究造山带的关键，前陆盆地是前陆冲断作用引起岩石圈挠曲变形的结果，阐述了前陆盆地形成机制的研究进展。     

造山带与前陆盆地结构构造及动力学研究思路和进展

运用大量的研究成果，综合分析了大陆岩石圈结构和动力学特征，在此基础上探讨了造山带研究的思路和方法，总结了造山带结构、构造及其形成演化研究的新进展。指出前陆盆地的研究是深入研究造山带的关键，前陆盆地是前陆冲断作用引起岩石圈挠曲变形的结果，阐述了前陆盆地形成机制的研究进展     

中国东南大陆岩石圈演化研究中的有关问题雏议

本文依据大地构造理论和最新研究资料对中国东南大陆岩石圈演化研究中的有关问题作了探讨，认为地体理论和大地构造相模式理论是相辅相成的；建议扬弃华夏古陆、特提斯构造域和太平洋构造域等可能束缚研究思路的概念；将板片构造、斜向碰撞与走滑纳入中国东南部碰撞造山带的研究内容     

中国东南大陆岩石圈演化研究中的有关问题刍议

本文依据大地构造理论和最新研究资料对中国东南大陆岩石圈演化研究中的有关问题作了探讨,认为地体理论和大地构造相模式理论是相辅相成的;建议扬弃华夏古、特提斯构造域和太平洋构造域等可能束缚研究思路的概念;将板片构造、斜向碰撞与走滑纳入中国东南部碰撞造山带的研究内容。     

大别造山带浅变质岩的地质-地球化学特征及成因机制

大别造山带超高压变质带内部及其北缘,出露仅经过绿片岩相变质作用的浅变质岩系。通过对部分浅变质岩的区域分布、地质特征及地球化学的综合研究表明,这些浅变质岩系形成于新元古代扬子板块北缘的裂陷盆地中,并遭受新元古代岩浆侵位和以寒冷气候位特征的大气降水热液蚀变,共同经历了与扬子大陆板块俯冲-碰撞过程中有关的构造热事件;因此认为这些浅变质为扬子板块俯冲过程中被“刮”下来的构造残片,为大陆板块俯冲过程中形成的加积杂岩,并为扬子板块与华北板块的俯冲和碰撞的动力学过程提供有力的科学佐证。在此基础上,厘定了大别造山带浅变质岩的形成及其与扬子大陆板块俯冲的构造模型。     

苏鲁造山带东段新生代两阶段剥露事件的磷灰石(U-Th)/He热年代学证据

苏鲁造山带位于华北和华南板块之间,是中国东部最显著的陆内造山带之一,约束其新生代剥露过程对于理解中国东部盆山格局分布及其动力学机制具有重要意义.低温热年代学方法由于封闭温度较低,能更准确地约束上地壳地质体的剥露过程.利用磷灰石(U-Th)/He方法,对苏鲁造山带东部的多福山和锯齿山开展研究.磷灰石(U-Th)/He年龄...     

燕山造山带燕山期构造叠加及其大地构造背景

广泛的岩浆活动和强烈的构造变形是中国东部燕山期造山作用的两个主要特征。火成岩的空间展布,特别是同构造侵入杂岩体和火山岩盆地的展布与同期变形带的走向(和构造指向)具有很强相关性。本文通过火成岩构造组合、构造形迹及岩浆-构造事件序列等的共同约束,讨论华北地区燕山板内造山带造山过程中的构造叠加、构造应力场转换及其形成的大地构造背景。研究认为,燕山地区发育的“花边状”的褶皱和被褶皱的逆冲推覆带等,是多幕挤压变形叠加的记录。早侏罗世晚期(J31 )、中侏罗世晚期(J32 )、晚侏罗世中期(J23 )、晚侏罗世晚期(J33 )和早白垩世早期(K11 )5期不同方向展布的火成岩对应方向不同的收缩构造,提出早白垩世早期(K11 )本区可能存在区域北西向挤压构造及该期华北地区总体仍处于收缩构造环境的认识。华北燕山造山带是在蒙古—鄂霍茨克构造带,上扬(斯克)—楚科奇(斯克) (Verkhoyano-Chukotsk)造山带,伊泽奈崎(Izanagi)洋俯冲带和特提斯洋俯冲带4个边界会聚大背景中形成和演化的。     

中国埃达克岩的时空分布及其形成背景 附:《国内关于埃达克岩的争论》

中国的埃达克岩出露很广,几乎遍及全国各地(除两广和湘黔4省区外),主要集中在古亚洲洋造山带、吉林—黑龙江东部以及中国东部地区,其次为秦祁昆造山带、新特提斯造山带以及青藏高原,在中国南方仅有零星的分布。中国最早的埃达克岩位于赣东北蛇绿岩中(1000 Ma),最年轻的第三纪埃达克岩产于青藏高原(60～10 Ma)。中国各地的埃达克岩可大体分为O型和C型埃达克岩两类,主要反映了板块俯冲和地壳加厚2个不同的地球动力学背景。文中还讨论了不同地质时期由埃达克岩所指示的板块消减事件和陆壳加厚事件及其地球动力学意义。     

华北地区燕山期岩石圈减薄的深部过程

大陆动力学领域今后 10～ 15a的主要科学目标是 ,建立东亚大陆中新生代演化的动力学模型 ,为资源勘查、灾害减轻和环境保护提供新的预测与评价理论。未来 10～ 2 0a会诞生地幔分异作用与岩石圈成因的综合性理论 ,为建立这个理论 ,采用地质学、岩石学探针、地球化学、数字模拟等学科交叉 ,以岩浆构造事件序列和火成岩构造组合为主线 ,探索华北燕山期岩石圈巨量减薄的机制与过程 ,对流地幔物质和热注入陆壳诱发壳幔相互作用、大规模岩浆活动和岩浆热构造变形之间的反馈关系。以岩石圈巨量减薄的深部过程这个视角 ,为华北地区大地构造性质的巨大转换 ,即从稳定的克拉通突发地转变为造山带的“燕山运动”或“大陆活化”提供深部动力学的科学依据。