前寒武纪地球动力学(Ⅲ):前寒武纪地质基本特征

地球45.6~5.43亿年处于前寒武纪,具有很多独特的古气候、沉积、岩浆、变质、变形等地质特征,地幔和岩石圈的动力学机制也非常不同。本文通过总结前寒武纪地球动力学进展,系统介绍了前寒武纪地壳和岩石圈物质组成与性质、地壳生长的幕式增生特征、太古宙地幔温度和黏度变化、地壳和岩石圈厚度变化、地壳和岩石圈强度与流变结构演变。地球38~25亿年期间的热流值是现今热流值的2.5~4倍,在热的早期地球期间,下地幔热的积累比上地幔热损失快,导致周期性循环翻转,即上升的下地幔穿过干的橄榄岩固相线,并在大于150km深处经历大规模熔融。这就是太古宙大陆岩石圈地幔形成的机制和能量背景,但在太古宙以后,因地球的长期冷却,这种机制终结了。太古宙高热流值也说明太古宙热地幔难以支撑较大的地形高差,太古宙岩石圈强度也不大,在重力作用下会发生快速地形响应。但是,随着巨型基性岩墙群(大约2.75和2.45Ga)首次出现以及表壳岩系的出现,又意味着太古宙晚期地壳逐步足够刚性,允许熔体上升穿过地壳并冷却固化。前寒武纪重大地质事件的根本原因都是因为地球热振荡衰减的结果,前寒武纪地壳生长(增生)、超大陆形成、岩浆作用、成矿作用等都是不等周期、非线性的幕式演化,从TTG大规模短时间集中式形成,表明早期大陆生长模式可能以垂向增生为主。最后,探讨了冥古宙特征,大陆起源、生长和保存机制,前寒武纪超大陆重建与机制和早期地球环境-生命协同演化等前寒武纪关键科学问题和前沿。     

前寒武纪地球动力学(Ⅴ):板块构造起源

文中系统综述了板块构造启动时间的不同观点及其依据,并探讨了板块构造启动的三个必备条件:刚性岩石圈、俯冲作用、地幔对流循环的起源,进而探讨了前寒武纪俯冲作用、板块构造体制与现代俯冲作用、板块体制的差异。板块构造体制启动的三个缺一不可的条件:刚性、俯冲和地幔对流,直到27~21亿年期间才在全球不同地点同时满足。但现代板块构造体制起始的时间为10(或19)~8(或6)亿年,其标志性物质记录或识别标志依然是蛇绿岩建造、高压-超高压变质、岛弧型岩浆建造等。最后,系统描述了板块构造可能的启动机制和过程,为认识前板块构造和板块构造差异提供一个约束,也为推动地球动力学统一理论的思考和探索提供一些最新认识。     

“前寒武纪地球动力学”主题专辑 序言

<正>前寒武纪地球动力学涉及早期地球演化、大陆形成与保存、板块起源、超大陆旋回等一系列关键地质过程,是当今地球科学研究前沿。现今板块构造理论尚不能完全解释前寒武纪构造体制和机制,替代机制便成为许多地球科学家的追求,诸如地幔柱构造被认为是太古宙的主导构造。前寒武纪占据地球演化历史的90%,相应的地质体也占据大陆组成的90%,要深入了解大陆动力学并建立全球全时地球动力学理论,就必需了解前寒武纪,必须加强对前寒武纪地球动力学     

前寒武纪地球演化的主要地质特征及可能模式

前寒武纪地壳以其独特的岩石组合以及构造类型在地球演化的进程中扮演着举足轻重的作用,本文简要描述了前寒武纪地球演化中的特殊地质现象,并讨论其蕴涵的地球演化的可能的因果联系和时空关系。针对前寒武纪地球演化研究中的焦点问题,本文对可能模型的优缺点进行了一一论述。前寒武纪一级构造模式可能经历了由垂直方向运动为主的地幔柱模式向由水平方向运动为主的板块构造模式的转变。对于前寒武纪板块运动存在的检验,硬玉和红宝石则是很好的板块构造指示矿物。根据太古宙克拉通与元古宙克拉通之间的几何关系与时空演变的联系,笔者等认为2.4~2.2Ga很有可能是前寒武纪构造模式发生转折的关键期。其间发生的全球冰期事件和超级大陆的形成并无很强的相关性,但与海平面的高低直接相关,这很有可能是大洋块体俯冲下沉至地幔引起海水"倒灌"所致。此后,地球表壳岩的刚性特征即发生了变化。     

前寒武纪地球动力学(Ⅱ):早期地球

早期地球(early Earth)是指冥古宙(或称dark ages,黑暗时代)的地球,也称为"Hadean Earth",即是45.6亿年至40亿年的地球。早期地球是地球科学研究的前沿,是诸多地质、地球化学理论或模型必须面对的基本科学问题。本文系统综合了与早期地球相关的研究进展,特别是近10年来的进展,以建立地质理论的各种大地质现象起源为主线,包括原始地核、原始地壳、地幔对流、岩石圈、地幔不均一性、陆壳和洋壳、水及大气圈和海洋、板块构造、早期生命等起源问题。这些都是地球科学的重大前沿科学问题,也与地球物质起源相关的宇宙起源、元素起源密切相关。原始地核出现最早,在原始地球形成之初的几个百万年内就形成了,4 450 Ma地球发生了最后一次全球整体的大规模熔融事件,地球的原始地幔和原始地核再次均一化,原始地核可能消失;4 450 Ma之后的地核大小与现今的地核大小基本一致,只是液态外核在不断冷却缩小,而固态内核在不断增大;从锆石年龄得出最早地壳大于4 408Ma,而从Sm-Nd体系获得的最早地壳年龄为4 470 Ma,比后期地核形成要早。总之,原始地壳从原始地幔中分离出来的时间大体为44.5亿年。一些最老的锆石中Nd、Hf的地球化学特征也证明原始地幔分异发生在43亿年前。岩浆抽吸后的原始地幔上部经冷却,原则上可能构成原始地壳下部的原始岩石圈地幔,从而开始出现上地幔和下地幔的分异演化。但是,地球40亿年前的原始岩石圈没有大洋岩石圈和大陆岩石圈之分。对地幔对流循环起源有3种认识,最可能产生于44.5亿年前的偶然撞击事件。地幔不均一性起源可能与地幔对流循环有关,可用地幔柱理论或地幔翻转过程给予解释,且早于板块构造体制起源,板块构造增强了其不均一性。水、大气圈和海洋的起源早于陆壳和洋壳的分异。最早的水最可靠的直接证据来自发现的最老锆石的氧同位素,表明水在40亿年前就在原始地球表面稳定存在。但是,地球最早的矿物记录残存在西澳伊尔岗克拉通中(Mt.Narryer和Jack Hills地区),为一颗44亿年的锆石。这颗最早的锆石也意味着最早的硅铝壳(陆壳)应当在44亿年前就出现了。陆壳记录远远早于板块构造在地球上运行的可靠记录,因而早期陆壳起源机制很可能是独立于板块构造体制之外的前板块构造体制制约,触发式拆沉驱动的构造-岩浆过程和3个世代的岩浆分异过程最终导致大规模TTG(陆壳)爆发式形成。水是生命起源的必备条件,因此地球生命起源时间晚于4.0Ga,化石确证生命至少起源于3.7Ga前,且生命最可能出现在海洋中的热液喷口。总之,本文概要介绍了诸多地球科学成就的菁华和前沿,也有助于全面认识与早期地球组成、结构、演化及动力学过程相关的不同学科前沿的最新重大成就。     

前寒武纪克拉通—活动带构造:多边形微板块的递进变形

引言关于板块构造在前寒武纪活动带发展中之作用的辩论已有所评论(Kroner,1981)。古地磁证据虽然是有争议的,但它暗示着至少在早前寒武纪时期,单一大陆环境中大范围活动带内的发育实质上是“原地的”(Mc Elhinny和McWilliams,1977)。它基本上包含了整个硅铝层具有有限的发散和聚敛变形,而且多半有明显的位移和剪切作用。考虑到可能的太古代地幔和地壳构造控制,这里提出一个假想的图形,即早前寒武纪地壳剖面是由硅铝质的多边形微板块单元的镶嵌而组成的,它们对地壳和地幔作     

超越板块构造——我国构造地质学要做些什么?

对近十年来全球构造学和构造地质学的重要进展进行了简要评述.30年前建立的全球构造理论改变了人们对地球及其演化的认识.作为固体地球统一理论的板块构造主要涉及刚性板块边界之间的变形、地震活动和火山作用.至今还没有完整理论阐明板块运动的驱动力和地幔对流机制.板块边界和板内变形等许多问题仍然无法回答.大陆岩石圈和大洋岩石圈在成分、厚度和力学强度方面有明显的差别, 因此现有板块构造不完全适合于大陆构造.大陆地壳和地幔流变学的综合研究是认识大陆构造和超越板块构造的最佳途径.流变学是大陆造山带几何学和动力学的桥梁.大陆岩石圈对构造作用、重力作用和热作用的响应在很大程度上取决于其流变强度.岩石圈流变性质是岩石圈分层和塑性流动的主导因素.大量透入性变形和巨型大陆造山带内部构造显示非刚性特征.大陆构造和力学行为主要由地壳强度而不是地幔强度所控制.从大陆岩石圈多层性和力学强度不均匀性表征看, 现在是抛弃传统“三明治”构造模式的时候了.面对地球系统科学和地球动力学新思维发展趋势, 多学科综合研究大陆构造(造山带)和加速高水平构造地质学人才的培养是我国构造地质学发展的最紧迫任务      

早前寒武纪地球动力学机制探讨

物质组成和热状态是影响导前寒武纪岩石圈地球动力学的两个决定性因素．文中以此为主线，结合近十年来各学科中的新理论（尤其是大陆动力学、岩石图动力学）、新发现．重点探讨了早前寒武纪地球动力学的机制和过程，进而提出多旋回多级次层圈构造模型，这一模型将板块构造理论、地幔柱理论和大陆（板内）构造理论融合为一体，可解释以前尚未解诀的一些问题。这一模型是现今各模式的综合．因而认为板块构造也是适用于太古宙的．     

前寒武纪地球动力学(Ⅷ):华北克拉通太古宙末期地壳生长方式

地球早期大陆地壳的生长方式和壳幔动力学机制一直是国际前寒武纪研究的热点问题。尽管太古宙是大陆地壳生长的主要时期已基本获得共识,但是对于太古宙时期地壳生长的具体方式和壳幔动力学过程仍然存在很大的争议。部分学者提出地幔柱或者与拆沉相关的垂向构造体制,而其他学者主张与俯冲相关的侧向增生模式或者地幔柱-岛弧的联合作用体制。研究表明,太古宙末期科马提岩明显减少、富钾花岗质岩石普遍发育、地壳再循环速度显著增强,反映地壳演化的壳幔动力学机制发生了明显的转变。华北克拉通以发育大规模2.5~2.6Ga构造岩浆活动为特征,是探讨太古宙末期地壳生长方式和壳幔动力学机制转变的关键地区。本文系统总结了近些年来华北克拉通东部陆块西北缘早前寒武纪研究的最新进展,特别是对辽西、冀东、辽北和五台地区的新太古代晚期(约2.5~2.6Ga)表壳岩变质火山岩系进行了系统的岩石成因和壳幔作用探讨。研究表明,上述地区的变质铁镁质岩石可以划分为3个岩石成因系列:MORB型、IAT(岛弧拉斑玄武岩)型和CAB(岛弧钙碱性玄武岩)型,它们的原岩分别起源于洋中脊软流圈地幔以及受到不同程度俯冲流体交代的地幔楔的部分熔融。变质安山质-英安质火山岩分别具有类似高镁安山岩和埃达克岩的地球化学特征,它们的原岩形成过程可能与俯冲板片的部分熔融以及板片熔体与地幔楔的相互作用有关。结合整个东部陆块早前寒武纪的研究进展,我们提出华北克拉通在太古宙末期(约2.5和约2.7Ga)经历了强烈的地壳生长过程,其中新太古代早期(约2.7Ga)地壳生长以地幔柱-岛弧联合作用体制为主,而新太古代末期(约2.5~2.6Ga)以洋内俯冲和弧陆增生作用体制占主导地位。新太古代末期与俯冲增生相关的构造岩浆活动在Tarim克拉通、印度南部、南极洲Vestfold Hills地体以及南澳Gawler克拉通被广泛报道,这可能与类似显生宙板块构造体制的启动以及太古宙末期Kenorland超大陆的汇聚过程有关。     

板块构造与早前寒武纪地壳演化

该文概述了国外学者对板块构造与早前寒武纪地壳演化关系的论述。认为,板块构造理论的适用范围正由早元古代向太古宙地质扩大,板块构造不仅在空间上支配着当代地球,而且将在时间上控制地球岩石圈的全部演化过程,从而在前寒武纪地质研究中具有重要作用。     

前寒武纪的板块构造

前言板块构造学说在最近十年才得到世界普遍承认。在现正在移动的刚性板块和海洋张开和封闭问题上,只有极少数人不承认地球物理和地球化学证据。因此,试图把前寒武纪地壳发展演化符合新全球构造的方案出乎意料地获得成功。两个极端观点在前几年已经发表。第一种观点承认地球构造演化的均变说,至少从太古宙某一刚性地壳形状形成以后,     

太古宙和元古宙的构造演化

至少从3.3Ga起,大陆运动的速度就相当于其现今的最小平均速度,这一点毫无疑问地表明,前寒武纪的构造样式本质上相当干显生宙的板块构造,并受大陆板块边缘及内部的变形作用控制。然而,这些运动的详细机制仍然是一个值得争论的关键问题。对于早太古宙,印从4.2Ga前到大约3.9Ga期间,因为岩石圈既薄又软,不可能出现板块构造;但高温热流可能有利于全球热点活动,并伴有岩浆垂向增生的冰岛型大陆增长。大致在3.9～2.5Ga期间,形成了花岗岩-片麻岩-绿岩地体,伴生有大量英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩岩浆,其构造环境尚不清楚,但板块边缘和板内情形是可知的。绿岩和紧邻的、具潜水表壳岩组合夹层的高级变质正片麻岩,它们的变形型式表现出强烈的水平缩短作用和地壳堆叠作用。这可能起因于早在3.9Ga的碰撞作用和(或)旋转运动,并引起了重要的壳内熔融作用。至太古宙末,局部可能更早,地壳厚达35～50km或更多,大约在2.8～2.5Ga期间,非常高的全球地壳增生速度可能起因于与消减作用相关的侧向增生作用和板下强烈的岩浆垫托作用,最终导致形成大面积稳定的克拉通。大致在2.5～2.2Ga的早元古宙期间,全球明显缺乏大的构造和岩浆活动,这是由于精确年龄数据的缺乏而人为造成的;只是在局部地区,形成了陆内岩浆岩和岛弧型岩浆岩。约在2.1～1.8Ga发生的大面积全球性的地壳形成事件为最早的现代模式的板块构造提供了证据,许多岩浆岩,例如在加拿大Trans—Hudson造山带和芬兰西南部的Svecofennian,都具有岛弧型的地球化学特征,而且最近又发现了逆冲的蛇绿岩和蓝片岩组合。此外,元古宙还以长线型活动带为特征,但其起源和演化还处在探讨中。它们大都具有与显生宙碰撞带相当的构造特征,但澳大利亚和南非部分地区的一些元古宙活动带明显发生地壳的伸展作用,而不伴有岩石圈的分离,剥离作用和地壳俯冲作用导致了后继的收缩作用,从而引起造山带的变形作用。至元古宙末期,通过对岛弧增生作用、蛇绿岩消减作用、前陆逆冲作用、褶皱带和外来地体的认识,现代模式的板块构造证据越来越充足,这一构造环境在文献上最好的例子之一便是Arabian—Nubian地盾。虽然对现代板块构造组合是否能照搬到整个前寒武纪的构造样式中尚存疑虑,但有一点是明确的,即早太古宙以来,全球地壳演化是受许多板块的运动控制的,它们经反复聚集而形成超大陆,然后再次分离。不过,在弄清如何解释现代大型地壳变形和起因之前,我们将不了解前寒武纪地壳构造的详细机制。     

从板块构造观点看前寒武纪岩石

由于前寒武纪占地质时代的7/8,为了解地壳演化的模式,就首先要了解前寒武纪活动带的构造演化情况。现在我们必须提出的问题是:地幔对流是发生在晚元古代之前,还是某些其他不均一的构造机制导致了大部分前寒武纪造山带的形成? 为了回答这一点,我们很自然地回到岩石这个问题上,并且考虑它们的相互共生组合、时代关系、构造发展和地球化学特征,确定它们是否经由威尔逊旋回这一演化过程。但我们首先要单独考虑一下某些与前寒武纪构造发展有关的地球物理方面的因素,即热的产生和古地磁。     

前寒武纪基性岩墙群的地球化学特征与岩石成因讨论

基性岩墙群广泛出现在全世界前寒武纪地盾中,它的发育往往与区域性伸展构造环境有关,并可能与地幔柱有密切联系,前寒武纪出现的基性岩墙群以拉斑玄武质占绝对优势（〉８０％）,但在新太古代一古元古代高Ｍｇ的苏长质组分和苦橄质岩石也占重要位置,碱性岩类则相当稀少,而在新元古代碱性岩墙则变得重要,基性岩墙群总体以富集ＬＰＥＥ和大离子亲石元素为特征,其中在苏长岩中更为富集,基性岩墙群的岩浆有多种来源,其中苏长质岩浆主要来源于太古宙的陆下岩石圈,而拉斑玄武质岩浆多来源于主要由主体地幔组分（ＰＲＥＭＡ）构成的是幔柱,地壳混染总体说来不是造成基性岩墙同位素及地球化学特征的主要机制。     

鲁西地区早前寒武纪地质研究新进展

近年来在鲁西地区早前寒武纪结晶基底进行锆石SHRIMP测年结果显示,泰山岩群形成年龄大约在2770～2750Ma。新太古代发生3期岩浆侵入活动,每期岩浆侵入活动开始都有地幔岩浆侵入。早期构造岩浆活动主要形成2740～2700Ma的英云闪长质片麻岩、条带状英云闪长质片麻岩;中期构造岩浆活动主要形成2650～2600Ma的TTG质花岗岩;晚期构造岩浆活动最强烈,从地幔岩浆侵入到地壳深熔形成大规模的钾质花岗岩,导致大规模陆壳的形成。古元古代早期和中元古代,有少量岩浆沿太古代刚性陆壳裂解形成的张性裂隙侵入。对鲁西地区前寒武纪侵入岩按岩性＋时代进行了重新划分,变质深成侵入体（片麻岩）按时代＋gn,依据其不同成分和不同结构构造的第一个英文大写字母进行表示,探讨了鲁西地区早前寒武纪陆壳演化历史。     

塔里木西北缘阿克苏地区大陆拉斑玄武岩对新元古代裂解事件的制约

塔里木西北缘新元古界苏盖特布拉克组不整合覆盖在前寒武纪阿克苏群蓝片岩及侵入其中的基性岩墙之上,苏盖特布拉克组底部发育两层玄武岩夹层,其形成时代和成因背景对认识塔里木板块前寒武纪构造演化及有关的超大陆循环和地球动力学过程具有重要意义。本文对这两层玄武岩进行了全岩地球化学和锆石U-Pb年代学研究。结果显示,玄武岩均属于大陆拉斑玄武岩系列,微量元素地球化学特性与典型的大陆溢流玄武岩非常相似,其岩浆来源于富集地幔,并遭受了一定程度的地壳混染作用。玄武岩中锆石的LA-ICP-MS U-Pb年龄分布在1945~755Ma,这些锆石均属于玄武岩浆上升过程中从地壳岩石捕获的继承锆石,记录了塔里木北缘元古代期间多期变质和岩浆事件。这一年龄范围表明,玄武岩形成的时代应晚于755Ma。本文的研究结果表明,阿克苏大陆拉斑玄武岩形成于板内裂谷环境,可能与新元古代Rodinia超大陆之下的地幔柱活动有关,是塔里木板块从Rodinia超大陆裂解出来的直接证据。     

新疆阿勒泰南缘地壳结构与构造演化及其对金成矿的制约

1阿勒泰地区地壳结构及地壳演化。根据地层-岩石组合、区域不整合面特征、构造变形层次、岩浆及火山活动,将阿勒泰地区的地壳分为三大单元：前寒武纪基底构造层(包括早中元古代变质基底及震旦纪褶皱基底)、奥陶纪至早石炭世上叠盆地构造层、中石炭世以来前陆盆地、山间盆地及再生前陆构造层。     

地幔及地幔喷流柱构造

实验模拟自然地幔是层圈状的。地幔在地球演化中起着关键作用。地球地壳是地幔超镁铁质和镁铁质岩浆固化形成的。安山质大陆地壳是由于地幔派生岩浆供热使镁铁质地壳增生，后期再造形成的．在幔一核边界由地幔熔体派生的喷流柱是从较深地倒传导热的主要媒介，地幔喷流柱在大陆和大洋都可以发生。“幔柱构造”认为一直俯冲到核慢界面的冷板片所构成的巨岩块是形成地幔对流的控制因素。关键词：地幔地幔喷流柱幔柱构造了解地慢成分和地慢对流之间的关系，了解大陆及海洋地壳相互作用，是现代岩石学和地球化学的主要任务之一。现在人们所认识的…     

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。     

地球早期大陆地壳的形成与演化

现代地球岩石圈主要由镁铁质上地幔和长英质地壳两个储集层组成,研究大陆地壳的形成和演化对揭示地球早期地质过程和物质循环、厘定板块构造启动时限具有重要意义。冥古宙—始太古代具有更高的地幔潜能温度和地温梯度,岩浆海冷却形成薄的原始地壳;大洋岩石圈表现为韧性,主要构造机制应为停滞盖层模式,有地幔柱参与。太古宙片麻岩中奥长花岗岩—英云闪长岩—花岗闪长岩（TTG）的出现标志着镁铁质原始地壳向长英质陆壳转变的开始。本文总结了地球早期停滞盖层模式到现代板块构造模式下含水玄武岩部分熔融、结晶分异形成大陆地壳的过程,主要包含幔源岩浆停滞盖层（“自下而上”的热管火山岩和“自上而下”的深成侵入岩构造模式）、增厚镁铁质地壳部分熔融、俯冲洋壳、岛弧及洋底高原部分熔融模式;陆壳的破坏和消减主要受陨石撞击、分层沉降、重力不稳导致拆沉控制;板块构造的出现进一步促进了地球内部的热量扩散,俯冲作用加快了洋壳和陆壳之间的物质循环。最后,结合太古宙变质岩、古老克拉通岩石学特征和锆石Hf、O及全岩Nd、Sr、Ar、Ti同位素组成,讨论了陆壳的形成时间和演化过程： 3.0 Ga之前形成了现有陆壳体积的60%~70%,厚度约为20~40 km;3.0~2.5 Ga,地壳改造速率明显增加,陆壳生长和破坏速率达到动态平衡,表明全球性现代板块构造体制逐渐成为控制大陆形成、裂解和陆壳演化的主要因素。