前寒武纪地球动力学(Ⅳ):前板块体制

前寒武纪地球动力学关注地球45.6~5.43亿年期间的沉积、岩浆、变质、变形、地幔和岩石圈的动力学机制,是永恒的地球科学前沿研究内容。现今研究积累表明:早前寒武纪构造还难以完全用板块构造理论给予说明,板块构造起源的时间虽然可能因地而异,但主流认识是27~21亿年期间,华北克拉通也是如此。板块构造出现之前的前板块构造体制也业已提出了多种认识:地幔柱理论、地幔翻转、重力构造、小板块构造等,其中重力构造被认为主要发生在冥古宙的地球层圈分异阶段,尤其是45.4~44.5亿年间地核形成和地幔的岩浆海阶段。迄今,对于地壳层次的卵形构造成因,也有8种模式之多:底辟构造、中下地壳流动构造、水平渠道流、多期褶皱叠加构造、变形分解构造、龟裂-拗沉俯冲构造、卵形构造的多层Top-down流变构造、岩基侵入-挠曲分解构造等,它们皆可出现在挤压、伸展、走滑构造背景下。无论是板块构造还是前板块构造阶段,全球构造过程似乎都是Top-down机制。     

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(Ⅵ):华北克拉通形成

华北克拉通研究近20年来取得一系列重大进展,但是还存很多遗留问题待解决。本文首先探讨了华北克拉通前寒武纪构造单元划分中存在的问题,据此提出了动态构造单元划分原则,并初步动态划分了古—中太古代、新太古代、古元古代、中—新元古代的构造单元,从而确定了不同时期构造格局演变过程。基于新的划分方案和华北克拉通记录的一系列前寒武纪大量重大地质事件,侧重探讨了不同演化阶段的独特构造样式、构造体制机制转变,基于华北克拉通一些太古宙陆核刚性化完成于25亿年,而显著的线性裂谷带或活动带最早出现于22亿年,因此,提出华北克拉通初始板块构造机制起始于新太古代末期的论断,本文约束了区域性垂向构造向区域性水平构造转换的相关构造证据。最后,本文基于长期构造解析的研究,系统论述华北克拉通于18.5亿年的最终集结过程。     

前寒武纪地球动力学(Ⅰ):从宇宙环境到原始地球

万物起源是自然科学永恒的主题和科学研究前沿。现代自然科学近100年来不断在与时俱进的高精尖技术推动下,新发现、新认识、新理论不断涌现。万物起源的探索也不再局限在单个现象的起源探索阶段,而表现为跨大学科的万物统一起源的认知时代。本文系统综合了与地球及其物质起源相关的研究进展,特别是近10年来的进展,以建立天文理论的各种大现象起源为主线,包括宇宙、元素、恒星、原始地球等起源问题。最新研究揭示宇宙起源于137亿年的大爆炸,空间膨胀速度比光速还快,因此爆涨理论是其理论的最新发展;大爆炸10-35 s后可能因自发性破缺,原始"超力"开始破裂,出现强核力、电弱力和引力,同时氘、氦类稳定原子出现;10-34 s,宇宙仍很小,只有目前太阳系大小,但温度降到1027 K,强核力与其他两种力分离,宇宙膨胀期结束,进入标准弗里德曼扩充期;宇宙由自由夸克、胶子和轻子的热等离子体"汤"组成,自由的夸克浓缩成质子和中子,物质与反物质互相湮灭,但物质超反物质十亿分之一;初始宇宙由各种微观粒子充斥,元素就起源于这些微观粒子的相互碰撞和熔合,现今认为元素形成经历了8个生成阶段;大爆炸10亿年后,宇宙进入恒星浓缩阶段,宇宙温度降至18K,出现第一个星系和恒星,星系内云雾状的尘埃和气体、星云开始聚集并形成恒星;U-Pb法最新测得太阳系的"时间零点"为(4 567±1)Ma;从宇宙起始到太阳系出现的约90亿年期间,宇宙可能已经发生了数百代巨大恒星的爆炸;现代星云说认为,原始地球的形成首先是星子聚集成行星胎,然后行星胎再逐渐增生,在约4 550Ma,地球的大小大概是现在的1/2以上,而且在4 530Ma左右早期地核就已经出现;初始比较冷的行星胎由于冲击、压缩和放射性衰变3个效应开始变热,原始地球不断产生热积累,并开始了全球性的发育过程。总之,本文简要介绍了诸多学科成就的菁华和前沿,也有助于全面认识与前地球演化相关的不同相关学科前沿的最新重大成就。     

前寒武纪地球动力学(Ⅶ):早期大陆地壳的形成与演化

冥古宙到太古宙大陆地壳主要由花岗质片麻岩区和绿岩带构造单元组成。大量的研究表明,以花岗质岩石出现为标志的大陆地壳最早的碎屑锆石记录为约4.4Ga,最早的英云闪长质-花岗闪长质片麻岩形成于约4.03Ga,最早的绿岩带层序形成于约3.8Ga。冥古宙到始—古太古代时期的花岗质片麻岩区主要由英云闪长质-奥长花岗质-花岗闪长质片麻岩组成(TTG片麻岩),中—新太古代,尤其是新太古代晚期TTG片麻岩仍然为花岗质片麻岩区的主要岩石组成,但是花岗质片麻岩的成分出现了明显的多样化趋势,最明显的标志就是出现了大量的花岗闪长岩-二长花岗岩-碱长花岗岩组合。绿岩带的组成较为复杂,早期科马提岩、拉斑玄武岩等铁镁质火山岩占主导地位,组合有BIF等沉积层序,尤其是科马提岩的出现标志着高温地幔岩浆作用占主导作用。而晚期绿岩带科马提岩占的比重已经明显较少,大量出现拉斑玄武质-钙碱性玄武质到英安质火山岩和副变质沉积层序,局部出现类玻安岩、埃达克岩的变质火山岩记录。地球动力学体制研究表明,冥古宙到古太古代以地幔柱构造体制占主导地位,从始太古代到古太古代(3.0Ga)地幔柱活动和地幔对流使岩石圈不断加厚。在地幔对流沉降部位,由于地幔对流的拖曳使其铁镁质地壳逆冲堆垛并不断增厚,其深部发生麻粒岩相-榴辉岩相变质、部分熔融形成初始的大陆地壳花岗质岩石,并孕育了早期高温状态的板块热俯冲。中太古代晚期和新太古代初期形成了以榴辉岩为标志的类现代板片俯冲的构造体制,新太古代末期尽管地幔柱构造体制在局部仍起重要作用,但是类现代板片俯冲构造体制已经成为这一时期主导的动力学体制。     

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。     

“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     

前寒武纪地球动力学——对古地磁学的评论

本文采用非洲、澳大利亚和北美洲的古地磁资料,验证了现今分布在大陆内部主要前寒武纪造山带的成因问题。取自西非和卡普瓦尔克拉通的23—19亿年期间的古地磁资料构成一条连续的磁极轨迹与其他各克拉通相同年龄磁极的连续记录,构成一条联合的视极迁移轨迹。从卡拉哈里和刚果克拉通取得的11—7亿年间的古地磁资料,同样也形成一条连续的磁极记录。这些古地磁资料的一致性有力地表明,上述克拉通从前并不是相距很远的,而后由于聚敛而形成非洲的泛非造山带和较老的造山带。新的同位素年龄资料有力地改变了在125—105亿年时限内的非洲视极轨迹的形态。就此,基于这一段轨迹与北美罗甘环形磁极轨迹的对比,关于前寒武纪超大陆存在的证据,就再也站不住脚了。澳大利亚在25—11亿年间的古地磁资料也形成一条连续的磁极记录,而不管其成因如何,这种一致性再次表明,奥弗沙尔姆(Ophthalmian)、木斯格拉夫(Musgrave)和阿尔巴尼—弗雷泽一带并不是产生于相距较远的克拉通的聚合,不管这些资料是否来源于克拉通。同样,北美洲26—14亿年间的大量的古地磁资料也形成一条连贯的磁极记录。这些资料主要取自苏必利尔、丘吉尔、纳因,贝厄湖和斯雷夫省,也有取自怀俄明和蒙大拿州的熊齿山隆起。因此,哈得孙造山运动不可能像其它大陆所出现的造山带那样,是板块聚合的结果。取自格伦维尔省的结果表明,它们是在造山运动后和冷却时期形成的。据格伦维尔岩石的 K—Ar 法年龄资料推导,它们与热等时有关。11—7亿年间视极迁移轨迹示出罗甘磁极环扩展到格伦维尔磁极环中。关于这一磁极的扩展情况,在大峡谷岩石记录的初步结果里也见到了单纯的证据。古地磁资料“排除了这样的板块构造模式”,即先前相距较远的克拉通的聚敛,并以此来解释所有经验证的前寒武纪造山带。然而由于古地磁资料的固有误差和缺陷,并不排除其中可能有开放和闭合的小型(500—1000公里)克拉通间海洋的存在。但这些海洋必须是经常能开放和闭合的,以使克拉通能返回到它们原来的相对位置。因此,前寒武纪的地质构造机理是不同于现今的板块构造理论,如在显生宙所看到的,板块构造可能是逐渐地从前寒武纪发生作用的较原始板块形成演化而来的。     

斯里兰卡的前寒武纪地质

今年，《PrecambrianResearch》刊物出版了斯里兰卡前寒武纪地质研究成果专集（Vol．66，No．1—4期），共分三部分20篇文章。从这些成果看，他们采用新的地质理 论和地质构造分析、同位素地质、地球物理、PTt轨迹等方法，对斯里兰卡的前寒武纪进行了深入研究，从而使斯里兰卡的地质研究程度提高了一大步。斯里兰卡，除了沿海地区有少部分显生宙地层分布外，整个斯里兰卡岛都是由前寒武纪岩层所占据。斯里兰卡成了下地壳研究的关键地区之一。斯里兰卡的变质岩系斯里兰卡最高级变质岩占据的岛区，对变质岩系的划分，由于该岛变质岩变质深…     

前寒武纪重大地质事件

本文概括性地阐述我国前寒武纪冥古宙、太古宙、元古宙三大地史阶段的重大地质事件,粗略勾绘前寒武纪地球演化的轨迹,期望了解我国与全球变化的异同,进一步突出我国前寒武纪三大地史阶段中新太古代超级地质事件及元古宙时期中国大陆块体对哥伦比亚及罗迪尼亚两个超大陆形成与破裂的地质响应。冥古宙是地球最早期的地史阶段,从太阳系形成的4 567 Ma至地球上最老的4 030 Ma的Acasta片麻杂岩。碎屑锆石保存最好的地点是西澳的Mt. Narryer和Jack Hills。目前在中国大陆至少有7个地点发现具有罕见的约4.0 Ga的碎屑锆石,这些地点并不位于克拉通区,而是赋存于造山系新元古代至古生代以碎屑岩为主的地层中。太古宙(4 030~2 420 Ma)定义为从最古老的岩石出现(4 030 Ma Acasta片麻岩)至冰碛层首次广泛分布的寒冷期之间的一段地史。最古老的岩石为英云闪长片麻岩,构成加拿大西北斯拉夫克拉通4.03~3.94 Ga Acasta片麻岩的一部分。西南格陵兰Isua带保存全球有最老的表壳岩,形成于3 810 Ma。太古宙最重大的地质事件莫过于2 780~2 420 Ma时期的新太古代超级事件。值得指出的是华北克拉通最古老、也是中国最古老的岩石出露在中国辽宁鞍山地区,约3.80 Ga英云闪长岩奧长花岗质片麻岩和3.30 Ga的表壳岩已被识别。华北克拉通太古宙有与世界各地太古宙相似的演化历史和特点,包括花岗岩绿岩带及高级变质片麻岩带、广泛的英云闪长岩奧长花岗岩花岗闪长岩(TTG)片麻岩、古陆壳的出露(略老于3.8 Ga)、广泛分布的BIF等。我国太古宙花岗岩绿岩带虽然在华北克拉通分布较广,但与南非、格陵兰、加拿大、西澳等地经典的花岗岩绿岩带相比,时代偏新,仅以新太古代为主,规模偏小,缺少大面积分布的科马提岩,且变质程度偏高,主要为角闪岩相麻粒岩相变质。演化到元古宙(2 420~541 Ma),则进入成熟的、较冷的、刚性程度较高的地球,以现代样式板块构造、超大陆旋回和更复杂的疑源类(eukaryotic)生命的发育为特征。这种变化大致出现在2 420 Ma左右,与哈默斯利型BIF的消失及地史中首次广泛出现的冰川沉积物年代相近。古元古代早期十分重要的“休伦冰川事件”、指示大氧化事件的古老红层在我国尚未被发现,与Lomagundi Jatuli (LJE) δ13C的同位素漂移有关的关门山组古元古代沉积地层的同位素年代学依据不足;古元古代磷矿和具有巨大石油潜力的2.01 Ga Shunga事件也未能鉴别。但中国最大特色是发育了与哥伦比亚和罗迪尼亚超大陆汇聚与裂解有关的良好地质记录,特别是华北克拉通保存了古元古代与哥伦比亚超大陆汇聚有关的超高温、高压麻粒岩等变质及岩浆事件,1 780 Ma以后的中元古代又保存了与哥伦比亚超大陆裂解有关的裂谷沉积及岩浆活动;而在扬子和塔里木陆块区则保存了与新元古代早期与罗迪尼亚超大陆汇聚有关的蛇绿岩、混杂岩、洋内弧、俯冲增生杂岩及大陆边缘弧,在约800 Ma以后则发育了与罗迪尼亚超大陆裂解有关的沉积及岩浆活动的地质记录,为中国和全球地质学者研究这一时期地球系统变化和成矿作用提供了客观的野外实验室和良好的范例。     

前寒武纪地质文摘选译

近年来,国外前寒武纪地质学文献数量日增,为帮助读者了解有关动态,特选译了部分有代表性的最新文献摘要,以供参考。这次选译的前寒武纪地层学和古生物学文献摘要,主要取材于《Рж.Геол.》,1981、N.1—10。地层学一般问题 1979:前寒武纪地球化学特征的演化和周期性,124—147。根据岩石化学和同位素地球化学资料,并利用岩石化学特征,研讨了东西伯利亚前     

巴西前寒武纪地质概况

1982年9月,我同沈其韩同志去巴西出席了太古—早元古地质演化和成矿作用国际讨论会,进行了野外地质旅行,阅读了一点有关巴西前寒武地质的文献。经过一些初略的整理,现将巴西前寒武纪地质作一概略介绍,供对这方面有兴趣的同行们参考。由于掌握材料较少,领会较浅,难免有不全面和不正确的地方,请批评指正。一、巴西大地构造位置和构造分区南美大陆的西部边缘,为安第斯山(Andean Chain)褶带,南角的东侧为巴塔哥尼亚地台(Patagonian Platform)。自安第斯山往东的广大地区为南美地台(South     

鞍山前寒武纪地质新知

1984～1986年期间,曹熹、俞保祥、周裕文、卢静文和李桂林与东北地质勘探公司合作,完成了鞍山地区近300km~2面积的1:2.5万地质填图和基础地质研究,提交了成果图件和“辽宁鞍山地区前寒武纪构造变形和花岗质岩石”专题研究报告。该项成果将在近期内组织评审。通过本次工作获得的主要认识是:     

变质地质学和前寒武纪地质研究:前言

正沈其韩院士是我国著名地质学家,为变质岩石学、变质地质学和前寒武纪研究做出了重大贡献。在沈先生96华诞和从事地质工作75年之际,我们出版本专辑,以表达对先生的敬仰之情和感激之意,祝先生身体健康、生活愉快、家庭幸福。变质岩石学和变质地质学构成地球科学的重要组成部分,涉及到地球形成演化各个历史时期(例如,已发现4.0Ga变质锆石,青藏高原出露20～30Ma麻粒岩)。前寒武纪是大     

前寒武纪板块构造(续上期)

下元古宙(25-12亿年)虽然有关推测太古宙构造方面的资料很多,但是关于25亿和12亿年之间下元古宙地壳演化资料却很少。尤其25亿和22亿年之间这一时期明显缺少全球性构造—热活动或造山运动,看来好象是以巨大沉积盆地的形成为特征,其中一些是在稳定大陆壳上发展的(例如卡普瓦尔克拉通的威特沃特斯兰—文特斯多普盆地,西澳大利亚的福特斯库—哈默斯利盆地),而其余的盆地开始与显生宙板块边缘或“地槽”型层序相类似(例如西非