基于GPlates平台的“深时”板块构造重建：数据库现状与应用实例

板块构造重建是大地构造领域一项关键的研究工作,是构建"深时数字地球"(Deep-time Digital Earth, DDE)的重要途径。板块重建工作需要整合地球科学多个研究领域、海量的数据,同时又是地球动力学和气候模拟等研究的重要约束条件。因此,追踪目前国际主流的板块重建所需的数据库以及板块重建工具的最新进展和应用为了解板块重建研究的前沿提供全面的信息。文章系统介绍了支持板块构造重建研究的多个主流数据库,着重描述数据库的数据格式、数据获取方式及数据如何支持基于GPlates平台的板块构造重建。为了阐述大地构造研究相关数据库在板块重建研究中的应用,此次研究从板块构造重建的三个不同层次出发,列举了多个最新的板块重建模型及其在探索地球系统演化方面的意义。最后,结合DDE项目的相关任务,对250 Ma以来全球板块构造和变形的演化、量化大地构造在地球系统演化中的作用、超大陆旋回中的古大陆和古海洋构造重建以及前中生代(250 Ma)全球板块运动模型重建这四个关键科学问题作出了新的展望。     

综合古地理重建的数字智能化趋势与方法进展

古地理重建是研究地质历史时期地表构造过程、海陆格局和地貌环境特征的一项综合研究,并通过绘制表达海洋和大陆的古代轮廓以及重要的地形和地表环境的地图来呈现,是还原地球演化历史、预测能源矿产分布、认识生命和气候演变的基础性工作。随着大数据时代的到来,数字化方法的应用为古地理图快速更新和友好呈现提供了方便。目前,全球有多个团队发布了数字化的全球古地理重建模型以及相关的数据和方法,如EarthByte、PaleoMap、UNIL、Deep Time Maps等团队。笔者研究团队基于“深时数字地球(Deep- time Digital Earth, DDE)”国际大科学计划提出的数据- 知识- 模型驱动的古地理重建思想,提出基于数字化方法驱动的升级更新全球古地理图的新流程,并通过不断尝试地球科学与信息科学的交叉融合,从知识图谱、大数据分析和机器学习技术等方面开发了多项古地理重建应用技术。以东特提斯域中二叠世—中三叠世的古地理重建为例,首先在GPlates软件平台上重建了板块构造框架,再利用岩相古地理图自动生成地形地貌图并结合人工校正,最后在GPlates软件通过图层叠加实现了中二叠世—中三叠世东特提斯域的动态数字综合古地理重建。本用例与广泛使用的Scotese (2021)的古地理图对比,在成图效率、数据丰富性和可追溯性、模型准确性等方面都有明显提升,并为该时期板块运动、冰期消亡、大洋缺氧和生物灭绝等重大地质事件的研究提供新的约束和启示。     

对造山带古地理学在盆地构造——古地理重建中的若干思考

造山带古地理学在盆地构造--古地理重建中的若干思考的核心，是以活动论的构造观指导盆地分析。本文强调以发展的、动态演化的思路来研究盆地。现存的一个盆地，可能只是地史期间大盆地的残余（或残留）部分；或是原来彼此分开和独立的几个盆地内的沉积记录组成的沉积物拼盘。一个盆地内现存的次级构造单元可能由年轻的造山运动形成；另一种可能性则是原来的次级单元已被后来的构造-热事件模糊或遮蔽了。在盆地的建造过程中，隆起（包括次级隆起）的时起时伏十分常见；相应地，盆地间的时分时合也十分常见。在泛大陆旋回与大盆地发育间有着内在联系，即：大盆地发育受邻侧的洋盆演化和造山过程制约，故“盆”“山”间的耦合分析是正确认识盆地动态演化的钥匙。体现在构造--古地理重建中，造山带古地理学倡导原地的古地理重建与非原地的古地理重建相结合且以后者为主。非原地的古地理重建可通过定量的（如基于古地磁资料的重建）和定性的两条途径实现。文章讨论了定性重建中的5个要点：1）时间上，要结合“反序”的研究，2）空间上，要结合“反转构造”的研究，3）强调构造复位在古地理重建中的意义，4）盆地建造阶段中的改造事件所起的承前启后作用，和5）盆地动力学与造山动力学的结合研究。     

活动论构造古地理的研究现状、思路与方法*

古地理学是研究地质历史时期地球表面的自然地理的综合性科学,构造古地理学是研究地质历史时期地理单元的构造属性及其演变特征的科学。地球表面的山川、流域与盆地等自然地理单元受岩石圈板块水平运动与深部地幔动力学的联合控制。自然地理单元及其演变是内、外动力长期作用的综合结果。活动论构造古地理思想是在地球系统科学的活动论、演化论、阶段论与转换论观念下的自然延伸。整体、动态、综合分析是活动论构造古地理研究的基本方法;确定构造古地理单元的边界、属性、组成、结构与演变的“五定”原则是工作的具体步骤;搭建数据化、标准化和智能化的古地理重建平台是研究的重要途径。基于活动论构造古地理思想的原型盆地分析,是对原型盆地进行复位、复原与复变,揭示原型盆地的时—空结构;而活动论的源-汇系统分析是在地球系统观指导下的深、浅部结合的全链条、全过程综合研究。活动论构造古地理是研究地表过程和能源、资源矿产分布预测的重要基础。     

中国古地理学研究进展与关键科学问题

古地理学着重于研究和重建地史时期地球表面自然地理状况。国际古地理学主要是在板块构造理论指导下,依托古地磁、古生物和地球化学等手段,重建地史时期的大陆位置、板块边界、海陆分布,侧重于板块尺度的板块构造古地理。中国古地理学主要侧重于以矿产资源勘探服务为导向的不同尺度的盆内岩相古地理研究及编图。当前中国古地理研究对前寒武纪板块构造体制之前的古地理研究仍处于探讨和假说阶段,对显生宙重大古地理变迁的构造机制、地表过程、生命效应是最具挑战的科学问题,诸如古生代与生物大灭绝事件相伴生的古地理变化,中三叠世末扬子板块与华北板块拼合后的古地理效应,白垩纪以来中国地势由东高西低转变为西高东低的过程和机制等。未来中国古地理学研究不仅要继续加强服务于页岩气等新矿产资源勘探的应用岩相古地理研究,还应建设对接国际的多学科融合的中国古地理数据库,系统重建中国小陆块群聚散的多重古地理演变过程,深入认识全球古地理演变的中国地质记录及其地球生命环境意义。     

全球古地理重建模型的构建方法、比较与知识发现

作为深时数字地球项目的底层框架,全球古地理重建模型包括地质历史时期板块的位置和运动轨迹以及地表特征两方面的内容。过去数十年里,基于不同方法、不同资料的全球古地理重建模型不断涌现。综合古地磁学、古生物学、沉积学、地球物理、地球化学以及地球动力学领域的知识与资料解释古地理,并建立起数字化、可修改、随时间演变的模型是当前常见的方法。文章介绍了国内外全球古地理重建模型的构建方法,并比较了六种主流的重建模型(PaleoMap、PLATES、UNIL、GOLONKA、GMAP和EarthByte),旨在为国内相关领域研究提供参考。文章还介绍了数字化全球重建古地理模型在古气候、板块构造驱动力以及盆地演化方面的应用及知识发现。通过对现存模型的介绍,提出展望,希望在深时数字地球计划的框架下整合国内外优秀科学家,重新设计并建立真正统一的四维古地理重建模型。     

认知地球物质运动的大陆动力学方法

20世纪70年代板块构造学建立以后,全球地球物理调查取得了足够多的观测数据,对地壳上地幔构造进行了准确的物性成像,为克服板块构造学的存在问题的大陆动力学研究提供了可实现的基础。在地壳—上地幔物性成像的基础上,大陆动力学的研究方法首先是综合多学科数据进行全球对比。结合古地理和古地磁数据,全球对比的内容包括地幔的速度变化、电阻率扰动和位场反映的介质密度和磁性扰动异常等,它们在大陆动力学研究中,为研究地球物质运动的非板块模式提供了大量证据。多学科全球对比研究结果表明,大陆和大洋岩石圈的力学性质和物质运动形式大不相同,必须跳出板块的概念来研究大陆动力学作用过程。同时,岩石圈本身没有板块运动的动力来源,必须和软流圈物质运动一起研究,才能全面理解岩石圈的行为和物质运动的规律性。从最近几年的地幔地球物理三维成像成果看到,对于地球表面难以观察的软流圈和地下深部,对比三维的地震波速和电阻率扰动图像,可以获得关于上地幔物质运动的信息,认知已经发生在地壳—上地幔的物质运动特征。本文中介绍了几个典型例子。     

活动论构造古地理的研究现状、思路与方法

古地理学是研究地质历史时期地球表面的自然地理的综合性科学,构造古地理学是研究地质历史时期地理单元的构造属性及其演变特征的科学。地球表面的山川、流域与盆地等自然地理单元受岩石圈板块水平运动与深部地幔动力学的联合控制。自然地理单元及其演变是内、外动力长期作用的综合结果。活动论构造古地理思想是在地球系统科学的活动论、演化论、阶段论与转换论观念下的自然延伸。整体、动态、综合分析是活动论构造古地理研究的基本方法;确定构造古地理单元的边界、属性、组成、结构与演变的"五定"原则是工作的具体步骤;搭建数据化、标准化和智能化的古地理重建平台是研究的重要途径。基于活动论构造古地理思想的原型盆地分析,是对原型盆地进行复位、复原与复变,揭示原型盆地的时—空结构;而活动论的源-汇系统分析是在地球系统观指导下的深、浅部结合的全链条、全过程综合研究。活动论构造古地理是研究地表过程和能源、资源矿产分布预测的重要基础。     

新一轮岩相古地理编图对华南重大地质问题的反映--早古生代晚期“华南统一板块”演化

以板块级别的小比例尺岩相古地理编图为手段,重塑和反映构造-盆地演化过程,可为探讨重大地学问题提供线索依据。从华南大区古地理重建的角度,对构造学者提出的“华南统一板块”和加里东晚期“陆内造山”模式给予验证。研究表明:以往认为属不同构造单元的扬子陆块和华夏地块之间,沉积相配置为连续过渡、符合瓦尔特相律,没有分隔盆地的重大构造界线,指示华南残留洋盆并不存在。早古生代晚期的古地理演化并未反映出洋盆消减、被动大陆边缘向前陆盆地转换,而是板内挤压的造山、造陆过程,可分为板内地壳调整（中奥陶世至早志留世鲁丹期）和板块整体抬升（早志留世埃隆期至志留纪末）两个阶段。其实质是在构造转型背景下,华南板块从松散到紧合的“再克拉通化”过程。     

中国古地理图研制发展的脉络与前景

早期的中国古地理图,是在地球大陆固定概念的基础上着重于海陆分布、形态、变化特征的描绘。后来注意了全球构造的“活动论”与历史演化的“阶段论”相结合,开始了多种类型图件的表达,再后通过板块构造、古地磁学资料的更多积累,预期下一代的中国古地理图将呈现各地质时期的古地理单元恢复到原始位置进行描绘的前景。从第四纪大冰期冰川作用的深入研究,使其极大影响下的各种古地理事件及古地理单元的形成、分布和变化得到深入的了解和更合理的解释,可编制出该时期新一代更符合实际的中国古地理图来。     

活动古地理重建的实践与思考——以青藏特提斯为例

由于石油工业的推动,特提斯构造域一直作为活动古地理重建的重点研究地区,并取得大量研究成果,直接推动了全球古地理研究工作的深入。近年来对位于该构造域东部的青藏高原地区进行了活动古地理重建的研究工作实践,其主要思路是:在古地理重建数据库和古地理重建模拟系统开发的基础上,依据古地磁学运动轨迹研究古大陆位置,结合古构造和古生物对青藏高原喜马拉雅（印度北缘）、拉萨、东和西羌塘地体的古大陆位置进行复位;利用深部地球物理、地表地质断裂证据,借助生物古地理资料,对古大陆和盆地的边界、规模予以限制;利用变形缩短率、构造平衡剖面恢复技术等对原型盆地进行复原;在沉积和生物环境识别划分基础上,编绘基于古大陆重建的岩相和生物古地理图;进一步通过沉积学、沉积地球化学、古生物有关方法和技术,对古海洋海水参数特征、海洋气候参数进行分析研究,探讨古地理和古构造格局控制下的古海洋、古气候条件与盆地、储集岩和烃源岩的形成环境。通过活动古地理重建的研究趋势分析和青藏特提斯的实践认为,古地理重建是现代地质科学的集成,是一项复杂的系统工程。它的研究不仅具有从过去走向未来,从固定走向活动,从古大陆再造到古地理重建,从示意性的小比例尺到大比例尺,以及模拟技术、信息技术、全球定位技术（GPS）等特点;而且具有从单一沉积学要素到古环境、古气候、古海洋等多种要素,可以表现地质历史中各种地质作用及其结果（如古构造和地貌、岩浆和变质作用与各种岩体的剥露）的优势。我们相信,活动古地理重建研究将会成为未来我国沉积地质学重点研究领域之一。     

A new generation of the tectonic-geodynamic model of the earth: Review of the problem

Presented are the review and analysis of a series of works of Russian scientists devoted to the motion of continents and to global tectonics and geodynamics. The increasing number of publications on this subject is accounted for by controversy and imperfection of some theoretical aspects of plate tectonics. This is especially true of processes in deep mantle geospheres. The analysis performed shows that a transition to creating tectonogeodynamic models of a new generation has already started. Important components of the models are the development of the problem of a detached continent drift, primarily, mechanisms of this motion. The publications under consideration provide insight into several such mechanisms: the effect of the tidal forces of the Moon and Sun, which induce discrete wave motion in all mantle geospheres down to the core; the difference in density of oceanic and continental masses; the continental drift over the mantle as a result of cohesion; and the tectonic flow, which implies a structure-forming motion of both minor (at the microlevel) and major rock masses in the Earth’s crust and mantle. The globalization of tectonic and geodynamic models has already allowed the advance of such a timely problem as the history of the geologic evolution of deep geospheres.     

沉积盆地动力学研究的进展、发展趋向与面临的挑战

近20年来沉积盆地动力学研究已经取得巨大进展。盆地研究最为重要的推动力源于人类社会发展对能源资源的巨大需求。国家和私人企业对油气勘探和开发的巨大投入获得了关于沉积盆地结构和演化的庞大系统资料,特别是大量的深度大于7 000 m的钻井和高分辨率反射地震成果,能够提供给中国的多学科合作研究团队使用。创新性的研究思路和方法系统已出现在盆地动力学研究的多个方面,包括盆地沉积充填的动力过程、盆地构造动力学机理、盆地形成演化的地球动力学背景以及油气系统演化的动力过程。文中在建议的研究纲要中汲取了部分重要内容,如从源区到汇区的路径系统研究和基于大陆动力学思维的构造地层分析。对于盆地演化研究至关重要的深部过程研究始终是难度最大的挑战。应用天然地震成像和岩浆岩岩石地球化学方法对中国东部及海域中新生代板块俯冲、地幔流上涌、岩石圈减薄及破裂过程的研究成功地解释了晚中生代-新生代断陷盆地群、大火山岩省和大型裂谷盆地的成因和演化。然而以塔里木和四川盆地为代表的中国西部大型多旋回叠合盆地形成演化的动力背景则全然不同于中国东部,这些盆地发育于古老的地台基底之上,被造山带所环绕,造山期的强大挤压应力在盆地中形成了隆起和凹陷系列,并控制了油气生成及聚集的地区。多学科合作完成了造山事件和过程的精细定年和盆地中不整合面与构造地层单元的对比研究,其成果对大型叠合盆地演化的动力过程得出了合理的解释,并可用于油气资源预测。     

全球构造研究的若干重要进展

全球构造是百余年来国际地学界普遍关注的最重要研究领域之一，近十多年来研究不断取得新的重大进展；揭示出全球现今大洋中脊系统良好的定向性与等距性分布规律、地球各圈层不等速的西向运动规律及其他全球构造运动与地球自转的种种相关性；证明大陆板块内部存在不同类型的强烈陆内造山作用；发现了古今不同时期巨厚的大陆山根与岩石圈的去根作用等重要现象。当今全球构造研究出现若干新的趋势。在全球构造驱动力源与驱动机制研究方面，开始由单一动力驱动机制研究转入多种动力因子所构成地球动力系统的综合研究。大陆动力学中的山脉隆升过程与隆升机制、陆内造山机理、大陆岩石圈去根作用等已成为新的研究热点，中国颇具特色的大陆地质构造正吸引着越来越多国家众多地球科学家们的重视。     

A Neoarchean–Proterozoic Supercontinent (~2.8–0.9 Ga): An Alternative to the Model of Supercontinent Cycles

The model of supercontinent cycles is revisited on the basis of reevaluation of existing ideas on the geodynamics and tectonics of granulite gneiss belts and areals. Granulite-gneiss belts and areals of a regional scale correspond to mantle–plume (superplume) activity and form the major components of intracontinental orogens. The evolution of geodynamic settings of the Earth’s crust origin can be imagined as a “spiral sequence”: (1) interaction of mantle plumes and “embryonic” microplate tectonics during the Paleo- Mesoarchean (~3.80–2.75 Ga); (2) plume-tectonics and local plume-driven plate-tectonics within supercontinent during Neoarchean and Proterozoic (~2.75–0.85 Ga); (3) plate tectonics in the Phanerozoic along with a reduced role of mantle plumes starting from ~0.85 Ga.     

古生代中国中西部三大陆块古地理位置重建与演变

针对古生代中国中西部华北、华南和塔里木三大陆块在全球洋-陆格局中的古地理位置还存在的争议问题,本论文以国际最新的古地理位置重建研究方法和思路,在对中国三大陆块盆地(鄂尔多斯、四川和塔里木盆地)古生界钻井岩心的古地磁实测研究、全球古生代古地磁数据收集与有效性筛选处理、全球主要地质事件约束等多参数融合分析的基础上,采用最新的 GPlates 板块重建方法,对中国华北、华南和塔里木三大陆块在全球洋-陆格局中的古地理位置进行了重建和定位。研究结果表明:古生代三大陆块主要在全球 ±30° 之间的南北中低纬度之间迁移;三大陆块在古生代至少发生了 3 次不同的顺时针旋转和方位角转换;三大陆块运移速率至少经历了 3 次以上不同高、低速度间的转换与变化过程;响应于古生代全球洋-陆形成与演化,中国三大陆块古构造格局总体上经历了洋盆扩张下的“多岛洋”离散、俯冲碰撞下的离散-汇聚并存、俯冲消减下的差异汇聚隆升、新旧洋盆转换下的差异汇聚-离散、拼合与地幔柱控制下的差异汇聚-离散内部拉张的差异性演变过程。古生代中国三大陆块在全球洋-陆格局中的位置与差异性演变,奠定了中国三大陆块古生代不同性质盆地的形成与演化、不同层系油气烃源、储集原始物质差异性发育的基础。     

动力地形控制下的大河水系演化

大河既是人类文明的发源地,也是大陆地貌乃至地球表层系统中最重要的组成部分。大河水系形成与演化的决定性因素是大陆构造演化引起地形的改变。传统观念认为,大河水系的演化主要受板块构造的影响即“构造地形”,但越来越多的证据表明,地球地形并非单纯由板块水平运动塑造,还包括由地幔对流造成的“动力地形”的影响。从深部地幔对流控制下的动力地形与地貌演化模型两方面,分别介绍了其概念,模拟计算以及模型验证。并以北美、澳大利亚、南美以及非洲的大河水系演化为例,阐明了大河水系的演化与长波长动力地形之间存在的耦合关系,相对于构造作用的局部影响,长波长动力地形能影响甚至改变大陆尺度上的水系演化模式。最后简要综述了亚洲的构造背景及动力地形研究进展,亚洲特别是东亚地区从侏罗世开始就受到了多阶段板块汇聚与俯冲的影响,动力地形情况复杂,但最近的研究表明东亚地区的水系演化与动力地形之间存在相应联系,这对亚洲地区的构造—沉积演化研究具有重要的指示意义。     

“地球动力学”的研究现状与展望——第32届国际地质大会研究成果综述

第32届国际地质大会通过按地域和构造作用过程等形式划分11个专题会场,展示了地球动力学的研究成果。其成果主要包括特提斯域构造演化及其不同阶段的块体裂解、拼合及后期改造的细节过程,地质历史中的超大陆分布和成因,俯冲—碰撞带深部构造和变质机制,安第斯山(Andes)缓倾角平坦式俯冲过程及其地壳变形和岩浆作用的响应,显微构造对动力作用过程的影响和控制,地壳和上地幔熔融、流变学和动力学意义,大洋岩石圈构造与演化,大陆地盾区构造和再活动,稳定大陆区地震,空间大地测量学和现代板块运动等方面。这些研究成果充分显示了地球动力学研究具有多学科、多手段(如古地磁、超深钻、地球物理、大地测量和GPS等)、多尺度(宏观、微观)和多时期、全面、综合、并逐步接近定时、定位和定量地探索和研究的特点,它从地球(主要为上地幔和地壳)的组成、结构构造入手,逐步认识地球(主要为地球岩石圈)的演化和动力学。