中国西部壳幔结构与动力学过程及其对资源环境的制约:"羚羊计划"研究进展

为系统、深入地研究中国西部盆(盆地)、山(山脉)、原(高原)的壳幔结构与深部动力学过程,2003年我们提出并领导实施了“羚羊计划”(ANTILOPE-Array Network of Tibetan International Lithospheric Observation and Probe Experiments),在青藏高原先后完成了羚羊-I(ANTILOPE-I)到羚羊-IV(ANTILOPE-IV)4条二维宽频带台阵剖面,而在青藏高原东西构造结则实施了羚羊-V和羚羊-VI两个三维宽频带台阵探测。另外,我们将前期在准噶尔盆地、天山造山带、塔里木盆地、阿尔金造山带和柴达木盆地开展的九条综合地球物理观测剖面也纳入羚羊计划的总体框架中来。 通过“羚羊计划”的实施,我们在中国西部(包括西北部的环青藏高原盆山体系以及西南部的青藏高原)取得了大量的、高质量的、综合的第一手观测数据,获得了中国西部盆、山、原精细的壳幔结构,系统地揭示了中国西部盆山原的深部地球动力学过程。主要结论总结如下:确定了准噶尔盆地基底的结构与属性,优化了盆地的基底构造格架;建立了天山造山带“层间插入削减”新的陆内造山模式,揭示了印欧碰撞在天山岩石圈缩短44%的去向以及由洋-陆俯冲到陆-陆碰撞俯冲的转换机制;揭示了塔里木盆地、阿尔金造山带和柴达木盆地的盆山接触关系;获得了塔里木盆地顺时针旋转的深部几何学、运动学和动力学证据;确定了青藏高原之下印度板块与欧亚板块的碰撞边界;发现目前的青藏高原由南部的印度板块、北部的欧亚板块和夹持于二者之间的巨型破碎区——西藏“板块”构成,首次确定了各自的岩石圈底边界;修正了高原变形的两个端员模型;建立了深部构造对地表地形的制约关系;系统地揭示了印度板块沿喜马拉雅造山带俯冲的水平距离与俯冲角度的变化规律与控制因素。 “羚羊计划”以其巨大的观测网络与综合地球物理探测技术,采用地球物理学、地质学、地球化学等不同学科相结合的分析方法,揭示了印度板块俯冲、西藏巨型破碎区发育、塔里木板块顺时针旋转、西部水汽通道提前关闭、中国西北部干旱、沙漠化提前这一深部结构、动力学过程及其对地表地形、油气资源和环境变化的制约关系,推动了青藏高原地球系统科学理论的发展。     

天山分段性的地球物理学分析

天山造山带纵向延绵 30 0 0多km ,其主要部分在国外。文中根据横跨天山的卡拉库姆—新都库什天然地震剖面、沙雅—布尔津综合地球物理剖面、库尔勒—吉木萨尔综合地球物理剖面以及可可托海—阿克塞剖面的探测研究结果 ,综合分析天山造山带的岩石圈结构、构造分段以及不同段盆山耦合特点的差异特征。卡拉库姆—新都库什天然地震剖面揭示了费尔干纳盆地由北向南插入到南天山之下约 2 0 0km深处 ;沙雅—布尔津综合地球物理剖面表明塔里木盆地向天山造山带“层间插入与俯冲消减” ,俯冲的最大深度约 180km ,而准噶尔盆地与天山造山带主要以走滑接触为主 ;库尔勒—吉木萨尔综合地球物理剖面又得出塔里木盆地与准噶尔盆地同时向天山造山带对冲的结论 ,俯冲的深度约 16 0km ;可可托海—阿克塞剖面位于天山造山带的东端 ,探测结果没有发现明显的岩石圈规模俯冲现象。这些资料对于天山造山带的分段性及盆山耦合类型的差别研究提供了岩石圈尺度的深部依据。     

中国中西部中、新生代前陆盆地与挤压造山带耦合分析

中国中西部主要由中、新生代造山带与中、新生代盆地构成盆山格局 :秦岭造山带与南北两侧四川盆地与鄂尔多斯盆地 ;天山造山带与南北两侧塔里木盆地与准噶尔盆地 ;哀牢山造山带与东西两侧楚雄盆地与兰坪思茅盆地等 ,总体上构成盆山耦合。根据挤压造山带类型与前陆盆地类型 ,可以划分出 3种耦合类型 ,即 ( 1)碰撞造山带与周缘前陆盆地 ,( 2 )俯冲造山带与弧后前陆盆地及 ( 3)再生造山带与再生前陆盆地。因此前陆盆地是伴随着造山带的形成与演化而发育 ,造山带断滑系统直接控制前陆盆地结构、沉积层序及构造样式等 ,从而制约前陆盆地油气分布的有序性     

大陆俯冲作用及青藏高原周缘造山带的崛起

青藏高原周缘造山带于新生代时崛起。周缘造山带中古老变质地体的折返与3种挤 出作用方式有关：喜马拉雅"逆冲－伸展"型挤出、祁连山"反向逆冲"型挤出和阿尔金"逆冲－转换"型挤出。据地质与地球物理综合研究推测,造山带的折返与周缘大陆岩石圈向内的俯冲作用有关：印度板块岩石圈向北俯冲至雅鲁藏布江缝合带下约 200 km处,西伯利亚板块往南低角度插入祁连山 40 km以下,塔里木地块沿阿尔金北缘边冲断层呈铲式往南俯冲于阿尔金山下100km处,扬子地块呈入体插入青藏高原东部中地壳下面。是否存在扬子地块往西运动及大陆俯冲作用尚待探究。     

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。     

塔里木盆地东南缘早古生代弯山构造

位于塔里木盆地东南缘的阿尔金地区发育南、北两条早古生代缝合带,通过对带内出露的大量早古生代蛇绿岩、高压-超高压变质岩以及不同性质的花岗岩的同位素年代学资料的收集、整理和对比,发现南、北缝合带内岩体在岩石学、地球化学、形成的时代和构造环境等方面具有可对比性,推测在早古生代两者处于同一个俯冲带体系中,只是演化时限存在沿走向的穿时性。本文提出,阿尔金造山带为一弯山构造,我们称之为塔里木盆地东南缘早古生代弯山构造。通过古地磁资料与板块重建的研究与分析,揭示了塔里木-柴达木陆块在早古生代很可能作为一个整体漂移,发生了以逆时针方向为主的相对旋转,这与弯山构造的形成息息相关。在原特提斯洋向南斜向俯冲闭合过程中,分布在大洋中的塔里木-柴达木陆块、中阿尔金-中祁连微陆块以及其他亲冈瓦纳古陆的微陆块组成的链状陆块群,形成了近直线型的俯冲造山带。在斜向俯冲-碰撞机制下,塔里木-柴达木陆块的逆时针旋转,诱发了大型韧性剪切带和右行走滑断裂带,加之微陆块间的俯冲-碰撞相互作用的影响,最终导致初始造山带发生弯曲。塔里木盆地内发育的早古生代构造不整合以及呈"S"形展布的古构造、油气藏分布形态恰好为其提供了佐证。对塔里木盆地东南缘早古生代弯山构造的研究,不仅有助于增进对原特提斯洋俯冲、闭合的理解和认识,还可以为建立中央造山带的演化模式提供新的思路。     

塔里木盆地北缘—南天山造山带盆-山耦合和构造转换

文章探讨了塔里木盆地北缘和南天山造山带的盆-山耦合和构造转换过程。塔里木盆地属于典型的叠合盆地,经历了多期构造演化。研究表明,在地史时期中,塔里木盆地北缘和相邻南天山造山带经历了多期和复杂的盆山耦合和盆山转换过程,形成多种类型盆山耦合和转换方式。(1)按时间域可划分为:早古生代陆内裂陷盆地-早期伸展造山-晚期挤压造山耦合,晚古生代陆内裂陷盆地-弧后造山-晚期碰撞造山耦合,中生代陆内前陆盆地-挤压造山耦合,古近纪前陆盆地-挤压造山耦合,新近纪—第四纪再旋回前陆盆地-挤压造山耦合;(2)按深度域可划分为:深部地幔俯冲型盆-山耦合,地壳分层滑脱拆离型盆-山耦合,基底滑脱拆离型盆-山耦合,古生代伸展和逆冲推覆型盆-山耦合,中—新生代逆冲推覆型盆-山耦合;(3)按运动学和动力学可划分为:逆冲推覆型盆-山耦合和接触关系、重力滑脱型盆-山耦合和接触关系、走滑转换型盆山耦合和接触关系、深部岩浆上涌焊接型盆-山耦合和接触关系、鳄鱼嘴型盆-山耦合和接触关系。     

大陆座冲作用及青藏高原周缘造山带的崛起

青藏高原周缘造山带于新生代时崛起,周缘造山带中古老变质地体的折返与３种挤出任出作用方式有关：喜马拉雅“逆冲－伸展”型挤出,祁连山“反向逆冲”型挤出和阿尔金“逆冲－转换”型挤出。据地质与地球物理综合研究推测,造山带的折返与周缘大陆岩石圈向内的俯冲作用有关;印度板块岩圈向北俯冲至雅鲁藏布江缝合带下的２００ｋｍ处,西伯利亚板块往地低角度插入祁连山４０ｋｍ以下,塔里木地块沿阿尔金北缘逆冲断层呈铲式往南俯冲     

西天山中新生代古高程恢复研究

横亘中亚的天山山脉是全球大陆中的一条重要构造带, 其绵延超过2 500 km, 总体上呈近东西向延伸, 与昆仑山—阿尔金山、阿尔泰山和塔里木盆地、准噶尔盆地共同构成了“三山夹两盆”的独特构造地貌格局。天山造山带在早二叠世期间开始解体, 三叠纪遭受区域剥蚀夷平, 侏罗纪由于板内伸展形成一系列伸展盆地, 新近纪以来天山地区发生强烈的陆内变形作用。因此, 中新生代天山造山带的隆升不仅受控于新生代印度与欧亚两个大陆强烈碰撞产生的远距离效应, 还受控于古生代板块俯冲与碰撞造山作用所形成的基底构造的制约。天山新生代的隆升与剥露历史, 是研究亚洲大陆内部造山带的运动学和动力学过程的重要途径之一, 通过相应的野外调查和测试手段, 对天山的中新生代古高程进行恢复, 对于天山地区新生代以来的气候、矿产保存以及反演印亚碰撞的远程效应方面都具有明显的意义。     

盆地-山岭耦合体系与地球动力学机制

盆山耦合分析应该将地球动力学环境和板块运动学序列结合起来, 根据地球动力学环境所提出的: 伸展构造体系、挤压构造体系、走滑构造体系和克拉通构造体系进行定性与定量分析; 依照板块运动学序列所划分的主要旋回: 裂解阶段、俯冲阶段、碰撞阶段和后造山阶段进行定位与定时分析.伸展构造体系在离散期为陆内裂陷盆地及伸展造山带; 在聚合期为弧后裂陷盆地及张性岩浆弧造山带; 在后造山期为后继裂陷盆地及晚期伸展造山带.挤压构造体系在俯冲期为弧后前陆盆地及俯冲造山带; 在碰撞期为周缘前陆盆地及碰撞造山带; 在再活动期为再生前陆盆地及再生造山带.走滑构造体系在伸展期为走滑拉分盆地及剪张山岭; 在挤压期为走滑挠曲盆地及剪压造山带.克拉通构造体系在裂解期为克拉通内部盆地; 在拼合期为克拉通边缘盆地.      

中国西部大陆岩石圈的有效弹性厚度研究

中国西部是地球上陆地隆升最显著的地区, 有世界上新构造运动最强烈的青藏高原、规模巨大的左行走滑位移的阿尔金断裂系和中亚地区最大的板块内部造山带———天山褶皱造山带.作为印度板块与欧亚板块相互碰撞的会聚带, 本区是研究岩石圈动力学的有利场所.主要运用重力资料和地形资料来研究中国西部地区显著上地壳结构和其上地幔变形之间的关系.依据岩石圈流变学的理论, 在空间域采用垂直和水平受力的多个变刚度的三维有限差分方法来计算弹性板的有效弹性厚度.模拟结果显示中国西部地区的岩石圈有效弹性厚度存在明显的横向不均匀性, 从6~10 km的造山带区域的有效弹性厚度变到大于60 km的古陆区域的有效弹性厚度.青藏高原地区的岩石圈有效弹性厚度平均为30 km, 塔里木盆地的有效弹性厚度为40~50 km, 南、北天山的岩石圈有效弹性厚度分别为10~15 km和30 km左右, 阿尔金断裂在东经90°以西部分的岩石圈有效弹性厚度要小于90°以东部分.      

松潘地块若尔盖盆地与西秦岭造山带岩石圈尺度的构造关系——深地震反射剖面探测成果

若尔盖盆地和西秦岭造山带作为青藏高原东北缘典型的新生代盆山构造,其接合部位的岩石圈结构及其深部构造关系为青藏高原东北缘板块碰撞的深部过程等研究奠定基础。横过盆山结合部位的深地震反射剖面长约63km,记录时间30s(TWT),探测深度超过莫霍面深达岩石圈地幔。该剖面首次揭露出青藏高原东北缘的盆山结合部位地壳和上地幔盖层的结构,发现了若尔盖盆地和西秦岭造山带下地壳以北倾为主的强反射特征,这种北倾的反射特征提供了若尔盖盆地俯冲到西秦岭造山带之下,而西秦岭造山带逆冲推覆到若尔盖盆地之上的地震学证据,初步揭示出若尔盖盆地和西秦岭造山带在挤压构造体系下形成的岩石圈尺度的构造关系,近于平坦的Moho反射特征反映两者在造山后期又经历了强烈的伸展作用。     

新生代柴达木盆地与周缘造山带的构造耦合

新生代以来,中国西部的一系列古老造山带和盆地在印-亚板块汇聚作用下重新复活,在青藏高原外围形成了现今全球最大的陆内挤压构造域,被称为环青藏高原盆山体系,其形成过程与机制对深入认识陆-陆碰撞如何影响大陆内部变形有重要意义。柴达木盆地是中国西部重要的新生代沉积盆地,四周均被巨型造山带所围限,共同构成了环青藏高原盆山体系北东段的主体。本文利用最新的石油地震勘探数据、地表地质和已发表的深反射地震数据,将上地壳变形与岩石圈深部变形有机结合,系统刻画了柴达木盆地与周缘三大造山带之间岩石圈尺度的构造耦合关系,在此基础上探讨环青藏高原盆山体系北东段的盆山汇聚过程与机制。柴达木盆地与南侧祁曼塔格—东昆仑山、北东侧南祁连山之间在上地壳尺度发育一系列倾向造山带的基底卷入高角度逆断裂体系,自新生代早期就开始活动,以垂直的基底抬升为主,水平缩短量有限;在下地壳和岩石圈地幔深度则发育倾向盆地一侧的深大断裂,使得柴达木盆地与周缘造山带之间发生截然的莫霍面错断。这些变形特征揭示柴达木盆地与南侧祁曼塔格—东昆仑山、北东侧南祁连山之间发育岩石圈尺度的构造楔,即盆地的岩石圈楔入至增厚的造山带下地壳,其发育主要受盆地与造山带...     

塔里木盆地西部南北向构造的发现及其意义

塔里木盆地是介于青藏高原和天山造山带之间的一个刚性块体，前人在盆地内部相继发现了平行于周边造山带的构造和近东西向构造，并且对这些构造的特征、形成和演化进行了深入研究，但在塔里木盆地始终没有发现南北向构造。本次在塔里木盆地西部发现的南北向构造为断层转折褶皱和断层传播褶皱，主要形成于晚二叠世，反映了塔里木盆地在晚二叠世曾经受到来自西部的挤压作用。在印度板块与欧亚板块碰撞的远距离效应影响下，吐木休克断裂带附近的南北向构造自古近纪以来又重新活动。     

大陆层控构造与油气资源

按大陆层控构造观点,控制油气资源的大陆构造主要有3种类型,即盆-山系、冲叠造山带和厚皮纵弯隆起带。油气资源与地幔流体息息相关。盆-山系油气的产生始于地幔流体作用下形成的玄武岩浆活动时期,集中于富含地幔流体的中地壳塑性层变厚、上拱的断隆山及其上覆盖层,如中国大陆东部中、新生代盆-山系。冲叠造山带前陆盆地油气,以有利于地幔流体上涌的仰冲型冲叠造山带较佳,如鄂尔多斯盆地中、西部;俯冲型冲叠造山带次之,如秦岭印支造山带南缘。厚皮纵弯隆起带核部巨大的潜在虚脱空间的强烈吸入作用,引起地幔流体大规模上涌,为其隆起带顶部和周边前陆盆地油气资源的形成,提供了丰富的物质和热能来源,如青藏高原和天山地区,所以这些地区油气资源较丰富。     

塔里木盆地与天山山脉晚新生代盆山耦合机制

根据塔里木盆地北缘地质构造几何学和运动学资料、油气勘探地震剖面、人工地震测深、地震层析成像以及地热资料,提出了塔里木盆地、准噶尔盆地岩石圈地幔在天山岩石圈之下碰撞并发生拆沉的盆山耦合机制的概念模型。由于印藏碰撞,青藏高原的北部前缘岩石圈地幔与塔里木盆地岩石圈地幔形成V字形碰撞结构,推动塔里木地块的高强度岩石圈向北运动并俯冲到天山岩石圈之下,以水平俯冲作用在中天山北缘岩石圈之下与准噶尔盆地向南俯冲的岩石圈地幔碰撞,并发生后剥拆离。塔里木岩石圈俯冲的过程中,形成库车再生前陆盆地和再生前陆冲断带以及再生天山山脉。冲断量约为塔里木俯冲量的20％。这一盆山耦合模型可以解释盆地构造、盆地沉降、山脉隆升、岩石圈深部构造和热特征。     

东秦岭－大别山及邻区盆－山系统演化与动力学

东秦岭－大别造山带受不同块体间的拼合碰撞及其之后的陆内变形控制,在造山带边缘和内部形成了不同的盆山系统。造山带北缘响应北秦岭与华北板块的弧陆碰撞及其之后陆内变形作用,形成了后陆逆冲与弧后前陆盆地系统。造山带南缘三叠纪至白垩纪随着扬子板块与秦岭－大别微板块沿勉略缝合带自东向西的斜向俯冲和之后的陆内旋转挤压,在扬子北缘形成了前陆逆冲与周缘前陆盆地系统。自晚侏罗世末至白垩纪造山带挤压与伸展并存,伸展自核部向边缘发展,形成造山带伸展塌陷与近东西向裂谷盆地系统。大致在中始新世之后,受中国东部环太平洋构造带东西向伸展作用和深部构造作用控制,横跨造山带形成近南北向的裂谷盆地。     

喜马拉雅西部雅鲁藏布江缝合带地壳尺度的构造叠置

陆陆碰撞过程是板块构造缺失的链条。印度板块与亚洲板块的碰撞造就了喜马拉雅造山带和青藏高原的主体。然而,人们对印度板块在大陆碰撞过程中的行为尚不了解。如大陆碰撞及其碰撞后的大陆俯冲是如何进行的、印度板块是俯冲在青藏高原之下还是回转至板块上部(喜马拉雅造山带内)以及两者比例如何,这些仍是亟待解决的问题。印度板块低角度沿喜马拉雅主逆冲断裂(MHT)俯冲在低喜马拉雅和高喜马拉雅之下已经被反射地震图像很好地揭示。然而,关于MHT如何向北延伸,前人的研究仅获得了分辨率较低的接收函数图像。因而,MHT和雅鲁藏布江缝合带之间印度板块的俯冲行为仍是一个谜。喜马拉雅造山楔增生机制,也就是印度地壳前缘的变形机制,反映出物质被临界锥形逆冲断层作用转移到板块上部,或是以韧性管道流的样式向南溢出。在本次研究中,我们给出在喜马拉雅造山带西部地区横过雅鲁藏布江缝合带的沿东经81.5°展布的高分辨率深地震反射剖面,精细揭示了地壳尺度结构构造。剖面显示,MHT以大约20°的倾斜角度延伸至大约60 km深度,接近埋深为70~75 km的Moho面。越过雅鲁藏布江缝合带运移到北面的印度地壳厚度已经不足15 km。深地震反射剖面还显示中地壳逆冲构造反射发育。我们认为,伴随着印度板块俯冲,地壳尺度的多重构造叠置作用使物质自MHT下部的板块向其上部板块转移,这一过程使印度地壳厚度减薄了,同时加厚了喜马拉雅地壳。     

甘肃北山造山带类型及基本特征

北山造山带经历多期次、多阶段的板块裂解－俯冲－碰撞－拼合的复杂地质演化历程，具多旋回复合造山的特色。通过对造山带构造单元的建立、古板块重建、原型盆地恢复、造山带结构、构造特征及造山机制和模式的研究，确定北山造山带类型为陆－增生弧碰撞造山带。     

关于秦岭造山带

纪念老一代地球科学家李四光先生,思考地球科学与大地构造学的创新发展。文章以秦岭造山带为例思考大陆复合造山及其动力学,认知概括秦岭造山带基本属性与特质,探索认识中小多板块多期洋陆俯冲造山-陆-陆板块俯冲碰撞造山的板块复合造山,并又强烈叠加复合陆内造山,造成复杂组成与结构,形成立交桥式四维流变学分层的多层非耦合动态演化的大陆复合造山带模型,及其新的演化趋势动态和构成国家人类需求的成矿成藏物质财富与宜居的地表系统环境等,期望前瞻探索认知地球发展的未来。文章还就秦岭造山带几个有争议的问题,进行简要讨论,共求新的探索研究发展。期盼学习李四光先生学术理论精华,尤其在深化发展板块构造,探索认知大陆构造与动力学方面,创新发展地质力学,以宇宙太阳系视野探索地球动力学,推动大地构造新发展。