早期碰撞造山过程与板块构造：前寒武纪地质研究的机遇和挑战

普遍认为修正后的板块构造模式仍适用于新太古代地质研究，但是早期板块构造过程与后期有明显差异，包括陆块规模、造山带类型、碰撞造山过程等。典型碰撞造山带在地史上的初次形成具有划时代的构造演化意义，涉及典型板块构造初始发生过程、最早超级大陆拼合、威尔逊旋回及板块碰撞造山过程等方面。华北中部保留一条近南北向的碰撞造山带（2 600~2 500 Ma BP），保留特征的巨型复式褶皱、不同层次推覆构造、蛇绿岩混杂带等。围绕华北中部造山带及其25亿年重大构造热事件的研究，对认识华北早期构造演化及其超大陆再造具有重要意义，也是早期板块构造研究的关键突破口之一，开展其不同地壳层次构造变形及其前陆盆地的研究，将深化早期板块边界及其造山过程的科学认识。     

从变质作用观看板块构造何时在华北克拉通开始

了解板块构造在地球上何时和怎样开始的是地球科学领域还没有解决的重要问题之一。作为板块运动的最终结果,大陆碰撞造山带是识别地球历史演化中板块构造机制起主导作用的重要标志。大陆碰撞带变质作用一般以顺时针p-T轨迹演化为特征,尤其伴有峰期变质之后的等温减压过程。这样,具有峰后等温减压过程的顺时针p-T轨迹是识别地球早期的板块构造作用的重要标志之一。作为世界上最古老的克拉通陆块之一,华北克拉通基底岩石变质作用p-T演化在过去几年已得到广泛深入的研究,使得该克拉通可能成为应用大规模变质作用p-T轨迹途径来探讨构造环境和构造演化过程的最佳场所。构造上,华北克拉通可划分为三个小的陆块(东部陆块、阴山陆块和鄂尔多斯陆块)和三个古元古代活动带(华北中部碰撞带、孔兹岩带和胶—辽—吉带)。东部陆块和阴山陆块新太古代基底岩石变质作用具有等压冷却型逆时针p-T演化轨迹特征,反映变质作用热源与大量地幔岩浆底板垫托或侵位有关。尽管理论上这样大规模的地幔岩浆可形成在大陆岩浆弧、地幔柱或大陆裂谷环境,只有地幔柱模式才能合理地解释东部陆块和阴山陆块新太古代基底岩石时空分布、岩石组合和构造特征。这样,地幔柱可能是主导东部陆块和阴山陆块新太古代地壳形成和演化的主要构造机制,而板块构造在晚太古宙并不是其主要的构造机制。古元古代孔兹岩带和华北中部碰撞带基底岩石变质作用均具有等温减压型顺时针p-T演化特征,反映两造山带都经历地壳加厚和随后的隆升剥蚀构造过程。这样的构造过程是板块构造体制下的碰撞造山带的典型标志。古元古代胶—辽—吉带可进一步划分为南部带和北部带,其中南部带基底岩石具有逆时针p-T演化特征,而北部带基地岩石具有顺时针p-T演化特征,也反映板块构造机制下的产物。现代规模的板块构造在华北克拉通上的启动时间可以由三个活动带中最老的与板块俯冲有关的新生地壳形成时间来大致标定。目前,华北克拉通内部三个活动带中可识别出来的最老的与板块俯冲有关的新生地壳是华北中部碰撞带2·56Ga五台花岗岩,它们的形成可能大致标志着现代样式的板块构造在华北克拉通大规模作用的开始。     

大陆克拉通早期构造演化历史探讨:以华北为例

大陆早期构造演化的研究一直是大陆地质学研究的焦点问题.在华北克拉通基底构造1∶200万编图研究基础上, 本文开展基底断裂边界、构造样式及后期叠加关系的研究, 借鉴比较大地构造理论, 对华北克拉通基底重新进行了构造区划.结合标志性构造单元及其时代、同位素年龄数据库的综合研究, 提出华北早期构造格局演化及其重大构造热事件.华北克拉通基底主要由大面积的新太古代TTG杂岩及表壳岩系组成, 新太古代涉及活动陆缘环境的大规模陆壳增生及不同微陆块的碰撞聚合过程, 造成新太古代末期陆壳迅速增生和克拉通化.古元古代初期开始伸展裂解和早期盖层发育阶段, 古元古代晚期发生微陆块碰撞缝合, 形成超级克拉通, 并在克拉通西北边缘发生强烈改造作用.1.84Ga前后, 华北克拉通经历最强烈的一次伸展裂解过程, 从超级克拉通裂解, 开始了独立的构造演化, 在伸展构造背景下, 克拉通基底被强烈隆升冷却, 经历风化剥蚀, 发育沉积盖层.以上构造格局及其构造热事件提供了早期超级大陆再造研究的构造制约条件.      

华北克拉通对前寒武纪超大陆旋回的基本制约

全球大陆克拉通在前寒武纪至少记录了3次超大陆聚合－裂解的构造旋回。不同大陆前寒武纪地质的研究证明，板块的构造模式可以前推至新太古代。超大陆的聚合表现为大规模造山带的穿时性发育，而裂解则表现为大陆裂谷系、非造山花岗岩及巨型基性岩浆岩省的同期快速发育。广泛的区域地质研究揭示华北克拉通前寒武纪地质构造演化具有明显的阶段性差异特征，克拉通主体形成于新太古代陆壳增生与碰撞造山过程。华北克拉通在太古宙末期首次经历强烈的裂解作用，在古元古代晚期涉及强烈的陆缘再造作用。在古元古代末期发生第二次大规模的裂解活动，随后以中元古代末期的造山带拼合为Rodinia超大陆的组成部分。详细的区域构造对比证明，华北克拉通长期以来与波罗的地质、东南极克拉通、印度南部克拉通、巴西克拉通等具有构造亲缘关系。     

早期碰撞造山带的构造样式及其板块构造演化意义：以华北克拉通五台山花岗岩—绿岩区为例

早期碰撞造山带的研究是探索板块构造早期体制的前缘领域。五台山地貌高差巨大（达2437m）、山体雄伟、地质露头连续完整,是我国早前寒武纪地质研究的经典地区和认识大陆克拉通早期地壳演化的窗口,已成为世界早前寒武纪碰撞造山带的典型实例。围绕五台山构造样式的深入研究,对于揭示早期板块构造演化及中浅地壳构造层次具有重要的地质意义。 大量的野外地质调查及构造横剖面研究表明,五台山东冶亚群为华北克拉通的早期沉积盖层,它以开阔复式向形为特征,不整合于造山杂岩及其前陆冲断带和前陆盆地之上。区域变质相的分布及豆村亚群主期褶皱枢纽指示,五台山花岗岩—绿岩区向西南掀斜,出露了新太古代碰撞造山带不同构造单元（造山杂岩及前陆冲断带和前陆盆地）中浅层次上连续而完整的构造剖面。前陆冲断带以沉积岩系大规模平卧褶皱和逆断层、蛇绿岩混杂带和基底构造活化为特征。造山杂岩发育低角度逆断层和复杂叠加褶皱,伴随不同时期花岗岩类的侵位。从浅部层次向深部,绿岩带复式褶皱逐渐被与TTG杂岩构造叠置的表壳岩构造岩片取代,构造面理由陡立趋于平缓。与世界其他花岗岩—绿岩区相比,五台山区完好保留了造山带挤压构造及其前陆盆地沉积,指示早期碰撞造山过程的强烈构造缩短和大规模地壳隆升作用,是研究早期板块碰撞造山过程的重要例证。     

早期碰撞造山带的构造样式及其板块构造演化意义:以华北克拉通五台山花岗岩-绿岩区为例

早期碰撞造山带的研究是探索板块构造早期体制的前缘领域.五台山地貌高差巨大(达2437m)、山体雄伟、地质露头连续完整,是我国早前寒武纪地质研究的经典地区和认识大陆克拉通早期地壳演化的窗口,已成为世界早前寒武纪碰撞造山带的典型实例.围绕五台山构造样式的深入研究,对于揭示早期板块构造演化及中浅地壳构造层次具有重要的地质意义.大量的野外地质调查及构造横剖面研究表明,五台山东冶亚群为华北克拉通的早期沉积盖层,它以开阔复式向形为特征,不整合于造山杂岩及其前陆冲断带和前陆盆地之上.区域变质相的分布及豆村亚群主期褶皱枢纽指示,五台山花岗岩-绿岩区向西南掀斜,出露了新太古代碰撞造山带不同构造单元(造山杂岩及前陆冲断带和前陆盆地)中浅层次上连续而完整的构造剖面.前陆冲断带以沉积岩系大规模平卧褶皱和逆断层、蛇绿岩混杂带和基底构造活化为特征.造山杂岩发育低角度逆断层和复杂叠加褶皱,伴随不同时期花岗岩类的侵位.从浅部层次向深部,绿岩带复式褶皱逐渐被与TTG杂岩构造叠置的表壳岩构造岩片取代,构造面理由陡立趋于平缓.与世界其他花岗岩一绿岩区相比,五台山区完好保留了造山带挤压构造及其前陆盆地沉积,指示早期碰撞造山过程的强烈构造缩短和大规模地壳隆升作用,是研究早期板块碰撞造山过程的重要例证.     

甘肃北山早古生代蛇绿岩带的特征及演化

板块构造学说问世以来,地质学有了突破性进展。现代大洋岩石与大陆蛇绿岩之间明显的相似性,使人们把蛇绿岩视为消失大洋在大陆造山带中的残留标志。笔者综合有关蛇绿岩的研究成果,在我国北山首次确定了早古生代的蛇绿岩带,并对其发展演化做了研究     

华北克拉通构造演化

华北克拉通是中国大陆的主要构造单元,从早期到中生代以来的地质记录较完整,受到国际关注,是大陆形成和演化研究的天然实验室。华北克拉通的构造演化可以分为八个大的阶段:陆核形成阶段;陆壳巨量生长阶段;微陆块拼合与克拉通化;古元古代大氧化事件与地球环境剧变;古元古代活动带构造与高级麻粒岩相变质作用;中-新元古代多期裂谷与地球中年调整期;古生代边缘造山;中生代构造转折与去克拉通化。华北克拉通的大陆演化显示了地球的进化和不可逆过程,特别是热体制的演变。早期陆核的成因仍存在争议,但是陆壳由小到大、多阶段生长的过程是明确的。25亿年前后的克拉通化是最具显示度的地质事件,微陆块的拼合是大陆聚合和形成稳定克拉通的主要过程,已经被揭示。但是由绿岩带-高级区构成的穹隆-龙骨构造并不遵从板块构造的基本构造样式。经历了太古宙与元古宙分界时期的"静寂期"之后,华北克拉通记录了与全球休伦冰期以及大氧化事件相关的地质活动。古元古代活动带则记录了裂谷-俯冲-碰撞的过程,具有显生宙造山带的某些特征,伴有高级麻粒岩岩相的变质作用,暗示了早期板块构造的出现。从约18~8亿年长达十亿年或更长的时限里,华北克拉通一直处于伸展环境,发育多期裂谷,有多期陆内岩浆活动,是岩石圈结构和下地壳组成的关键调整期。从古生代起,华北的南、北缘都经历了现代板块构造意义的造山事件,显示了华北克拉通古陆通过古蒙古洋和古秦岭洋与相邻陆块之间的构造活动,分别称为兴蒙造山带和秦岭-大别造山带。中生代的华北克拉通出现构造体制的转折和地壳活化,表现为岩石圈减薄和大量壳熔花岗岩的出现。古太平洋板块的活动显然是重要因素之一,但周边其它陆块的作用也是重要的,克拉通破坏机制及其内涵的研究还有进一步深化的空间。华北克拉通的构造演化有其特点,也具有全球意义。      

华北克拉通的形成以及早期板块构造

地球上最早的地壳岩石是高钠的花岗质(TTG)岩石,但是否有更老的洋壳存在过、以及陆壳是怎样形成的,涉及到地球动力学几乎所有的问题。其中板块构造是在什么时候开始的,就是个延续了数十年热度不减的前沿科学问题。流行的说法是板块构造始于新元古代,也有一些学者认为在新太古代就已经开始,或者认为自从地球上有了水的记录,就开始有板块构造。在众多的判别板块构造的标志中,蛇绿岩残片和古老的高压变质岩无疑是两个最具影响力的问题。前者可以确定有远古的古老洋壳存在过并成为缝合带中的残片,后者可以指示曾有地表的岩石单元被俯冲到深部,是俯冲、消减与碰撞的岩石学证据。本文在讨论和比较了太古宙绿岩带与蛇绿岩,以及早前寒武纪高温高压(HTHP)麻粒岩/高温—超高温(HT-UHT)麻粒岩与造山带高压变质带之后,认为尚不能作为板块构造的证据。本文还对华北的新太古代末的稳定大陆形成以及古元古代活动带的裂谷-俯冲-碰撞进行了论述。提出华北克拉通在新太古代末的绿岩带-高级区格局可能标志着热体制下有限的横向活动构造,微陆块被火山-沉积岩系焊接,随后发生变质作用和花岗岩化,完成稳定大陆的克拉通化过程。其构造机制可能是适度规模且多发的地幔柱构造控制下小尺度的横向构造运动的机制。华北克拉通的古元古代活动带有与绿岩带-高级区不同的构造样式,表壳岩带状分布,经受了强烈的变形以及中级变质作用,伴随花岗岩的侵入,虽然没有蛇绿岩和高压变质带,但已表现出板块构造的雏形特征。     

早前寒武纪地质及深成构造作用研究进展

早前寒武纪地质的研究进展主要表现在准大陆克拉通早期构造演化,克拉通及古老造山带深层结构,元古代超大陆恢复对比、早期地壳性质及生长等主要问题上开展多学科研究计划的实施。其中,同位素年代学,特别是锆石Ｕ－Ｐｂ方法,地震反射、Ｐ－Ｔ计算及古地磁研究对前寒武纪地质学的进展具有重要的推动作用。和个古陆克拉通区域地质学的持质研究积累,不断产生新的认识,这种新的科学思想涉及到早期陆壳组成及区划,太古代克拉通化历史,太古代－元古代界限及性质,元古代造山带网络与克拉进陆块拼合,大陆下地壳剖面及其组成等同题。华北早前寒武纪地质演化研究中的重要问题包括：华北麻粒岩相带与克拉通基底构造的关系,克拉通基底构造区域,早期陆壳性质及其记录的重大构造一热事件幕,华北克拉通与世界典型陆块构造演化对比等。     

前寒武纪大陆地壳地质构造演化研究进展与问题

前寒武纪地质构造是地球系统科学研究的一个承前启后的重要组成部分,现存最古老的固体地球物质是38亿年前的大陆长英质岩石。以地质构造热事件为标志确认早中太古代已有30亿年年龄值的大陆克拉通化,而新太古代末大陆地壳已出现普遍的克拉通化。由深变质作用岩石测得的p-t值推断当时地温梯度与现今大陆稳定区相似,大规模的陆壳区断块已具基本刚性特征,使板块构造运动模式基本适用于太古宙地壳演化。古元古代末陆壳普遍隆升和遭剥蚀,陆壳生长作用导致形成大陆区块上的裂谷型坳拉槽系。中元古代起,世界约于18亿年前近乎同时出现不变质的沉积盖层,使前寒武纪明显必需划分为早、晚前寒武纪两大阶段。华北克拉通区是世界大陆克拉通地壳的组成部分,与世界各大陆克拉通演化有很好的可对比性,在前寒武纪超级大陆重建中有一定位置。在现今阶段研究基础上,对华北克拉通区提出了几个前瞻性的基础研究课题,应予深入探索。     

花岗岩:大陆地质研究的突破口以及若干关键科学问题——“岩石学报”花岗岩专辑代序

地球是宇宙中迄今唯一发现有花岗岩的星球。从物质组成而言,大洋的核心问题是玄武岩,大陆的核心问题是花岗岩。花岗岩从被发现的那一天起,围绕它的产状、成因和演化过程及其地质意义的争论就没有停止过。最早的陆壳由长英质片麻岩TTG组成,TTG不能从地幔中直接熔出,是地幔熔融的玄武岩再次熔融形成的。初始的陆壳富钠,太古宙以后的陆壳开始明显富钾。洋壳的寿命仅2~3亿年,陆壳的寿命可长达40~44亿年。花岗岩记录了大陆形成与演化的全过程,大陆演化对于认知地球具有无法替代的作用。因此,花岗岩在某种程度上可以作为陆壳的代用词。20世纪60年代兴起的板块构造理论是地球科学的一次革命,但是,板块构造理论并未解决大陆形成、演化和改造的根本问题。此外,花岗岩与大陆成矿作用关系也非常密切。花岗岩成因还存在诸多待解难题。对花岗岩的研究,只有跳出岩石学和岩石地球化学的范畴,才能真正理解大陆构造的问题。花岗岩所凝聚的科学问题是对板块构造理论的巨大挑战,也是固体地球科学理论创新的重大机遇。花岗岩研究从岩石地球化学层面跃升到陆壳演化层面,是研究思维和理论创新的突破,是21世纪花岗岩研究的重大转折。     

Formation and evolution of the Archean continental crust of China: A review

The mainland of China is composed of the North China Craton, the South China Craton, the Tarim Craton and other young orogenic belts. Amongst the three cratons, the North China Craton has been studied most and noted for its widely-distributed Archean basement rocks. In this paper, we assess and compare the geology, rock types, formation age and geochemical composition features of the Archean basements of the three cratons. They have some common characteristics, including the fact that the crustal rocks prior to the Paleoarchean and the supracrustal rocks of the Neoarchean were preserved, and Tonalite-Trondhjemtite-Granodiorite (TTG) magmatism and tectono-magmatism occurred at about 2.7 Ga and about 2.5 Ga respectively. The Tarim Craton and the North China Craton show more similarities in their early Precambrian crustal evolution. Significant findings on the Archean basement of the North China Craton are concluded to be: (1) the tectonic regime in the early stage (>3.1 Ga) is distinct from modern plate tectonics; (2) the continental crust accretion occurred mostly from the late Mesoarchean to the early Neoarchean period; (3) a huge linear tectonic belt already existed in the late Neoarchean period, suggesting the beginning of plate tectonics; and (4) the preliminary cratonization had already been completed by about 2.5 Ga. Hadean detrital zircons were found at a total of nine locations within China. Most of them show clear oscillatory zoning, sharing similar textures with magmatic zircons from intermediate-felsic magmatic rocks. This indicates that a fair quantity of continental material had already developed on Earth at that time.     

华北北部麻粒岩相带构造区划及其早前寒武纪构造演化

作者在编绘华北北部高级变质岩区的变质地质图(1:2000,000)的基础上,对麻粒岩相带构造区划提出了新方案,提出相带内部构造单元的边界与变质相界线并不协调崐的新认识。这一巨型麻粒岩相带可以划分为南北两个亚区,它们分别具有不同的岩石组合、崐变质特点及演化历史。北亚区为早元古代陆缘活动带的组成部分,由TTG质杂岩和少量表壳岩系组成,主要经历1期变质;南亚区为太古代克拉通的组成部分,与克拉通内主要构造单元具有密切联系,经历多期变质,由孔兹岩区、剪切构造带、TTG杂岩一表壳岩穹隆等单元组成。整个麻粒岩相带及其邻区记录了中太古代一早元古代初华北克拉通北部小陆块形成、稳定,直至拼合形成较大的克拉通陆块,再发生陆内裂谷及陆缘构造活动,最终发生克拉通化的构造地质演化过程。     

华北克拉通新太古代早期—中太古代晚期（2.6~3.0 Ga）巨量陆壳增生:综述

在对一些重点地区新太古代早期—中太古代晚期（2.6~3.0 Ga）岩石的空间分布、岩石类型和形成时代作简要介绍基础上,文章总结了华北克拉通这一时代花岗质岩石的年龄分布模式、地球化学和Nd-Hf-O同位素组成特征。新太古代早期—中太古代晚期变质基底具有如下特征:①新太古代早期—中太古代晚期岩浆作用在华北克拉通几乎连续分布,峰期为2.70~2.75 Ga;②新太古代早期—中太古代晚期岩石在华北克拉通广泛存在,主要分布在东部古陆块、中部古陆块和南部古陆块中;③新太古代早期—中太古代晚期侵入岩以英云闪长岩为主,存在奥长花岗岩和花岗闪长岩及其他类型岩石;④新太古代早期—中太古代晚期表壳岩规模很小,零星分布于花岗质岩石中,岩石类型主要为变玄武质岩石,一些地区存在变质科马提岩、变质安山质?英安质火山岩和变质碎屑沉积岩;⑤2.6 Ga可作为华北克拉通新太古代早期和晚期的界线;⑥TTG岩石的Sr/Y和La/Yb比值存在很大变化,在Sr/Y-Y和La/Yb-Yb图中位于高压、中压和低压TTG分布区;除少量富钾花岗岩外,华北克拉通新太古代早期—中太古代晚期岩石大都具有亏损Nd-Hf同位素组成特征;岩浆锆石O同位素组成与全球太古宙岩浆锆石类似;⑦许多地区都具有类似地质特征,但一些地区显示出较大的独特性。新的研究进一步支持了这样的认识:与全球其他许多典型克拉通类似,新太古代早期—中太古代晚期是华北克拉通最重要的陆壳增生时期,主要区别是华北克拉通叠加了强烈的新太古代晚期岩浆构造热事件。      

内蒙古哈达门沟地区黑云母击象及其构造意义

黑云母击象构造是一种快速受力、脆性变形的产物。文章阐述了内蒙古哈达门沟地区新太古界乌拉山群变质岩中的黑云母发育的击象构造特征,认为黑云母击象明显受到退变质作用和混合岩化作用及韧性剪切作用,很可能是形成于新太古代末—古元古代初呼和浩特—包头断裂和临河—集宁断裂产生的地震作用中;新太古代岩石中黑云母击象的存在也证明了华北地块在新太古代末—古元古代初已经具备了较强的刚度,板块构造理论适用范围的最早时限很可能向前推移到新太古代。     

中国早前寒武纪的地壳演化

以华北原地台为例，太古宙陆壳可能是由分散的陆核在涡旋构造机制的驱动下聚集而成的。早元古代伊始，板块构造机制控制了地壳演化的进程，出现不同性质的活动带同刚性地块并存的构造局。巨厚的火山-沉积建造，以其成岩环境和构造样式的多样性，宣告了一个新的地壳演化阶段的开始，明显具有太古宙克拉通基底的华北原地台、塔里木原地台和扬子原地台在它们的接触部位发育有早元在于代增生带，说明至少在太古宙末它们是互相分离的。而华夏古陆则是从早元古代以来逐渐向扬子原地台靠扰的。现代华北地台缘，早元古代建造近南北向的早期构造方位表明，它在     

"蓝色风暴"与"红色革命"——论创建新的"大陆构造学说"

60年代兴起的板块构造学说如一场"兰色风暴"席卷全球,开创了地球科学的新纪元。但是,板块构造学说也存在许多难以解释的问题,板块构造学说解决不了大陆地质问题。大陆有不同于海洋的特点,大陆需要有新的理论。为此,美国构造学家在2002年率先提出了超越板块构造(beyond plate tectonics)的思想,开辟了地球科学研究的新领域,具有里程碑式的意义。作者的研究发现,板块构造学说解释不了花岗岩问题,应当另辟蹊径,开展一场"红色革命",创建有别于板块构造学说的新的大陆构造学说。作者指出,板块构造不是全球构造,板块构造 地幔柱构造也不是全球构造,板块构造 大陆构造才是全球构造。文中回顾了中国大陆构造研究的历史和现状,建议将大陆的形成与演化、大陆构造与板块构造的关系、陆壳与地幔的关系和大陆变化与环境、生态、人居的关系作为大陆构造学研究的4个目标,提出4项研究任务,并建议以中国东部活化和青藏高原抬升两个课题作为研究的切入点。文中还探讨了大陆构造学研究的前景,分析了中国在创建新的大陆构造学中的有利条件和不利因素,指出开创新的大陆构造学说,需要国家的大投入,思想的大解放和人才的大引进。