开合构造在不同时空尺度下的地学表现

开合构造是研究地球开合运动及其构造特征,分析开合构造体系的形成机制,探索地球成因和演化的一种新假说。不同时空尺度的开合构造在地学上存在不同的表现,需要从不同角度开展研究。以亚欧非邻区巨型开合构造区、地中海大型开合构造区、东大别中型开合构造区为例,研究了开合构造理论在大地构造分区、地震活动以及现代大地测量结果解释等方面的应用。研究表明:(1)依据开合构造观点可将亚欧非邻区巨型开合构造划分为俄罗斯构造集群、非洲构造集群、北亚构造集群、中亚构造集群、南亚构造集群及东亚构造集群;(2)亚欧非邻区的强地震活动与构造集群间的新生代开合构造转换带关系密切;(3)地中海大型开合构造区内的地震剖面及震源机制揭示了地中海—土耳其—伊朗—阿富汗构造转换带现今构造运动主要以合为主;(4)东大别中型开合构造周边的狮子山、黄梅、麻城等台站的地倾斜和地应变、周边GNSS和流动重力观测结果揭示了该区周边存在时间尺度较短、量级较弱的由“合”向“开”的趋势转变,开合运动是近期诸多观测数据趋势出现准同步性变化的共同机理。     

开合旋构造体系及其形成机制探讨:兼论板块构造的动力学机制

开合构造总体上可以表述为:地球膨胀为开,收缩为合;垂向上地球物质离心(地心)运动为开,向心运动为合;水平方向上地球物质相背运动为开,相向运动为合。从驱动机制角度,我们把以热力(热能)为主体驱动的上浮物质运动定义为开;将重力(势能)为主体驱动的下沉物质运动定义为合。因此,开与合是一个高度综合的概念,具有广阔的内涵,开合运动是联系一切地质运动和地质科学的纽带。开合运动具有同步统一性,即垂向的开在水平方向也表现为开;垂向开得强烈,水平方向同样开得强烈,反之亦然。地球刚形成时诸多开合构造是无序的,地球的旋转运动统领地球上所有物质、能量、运动和大大小小的各种开合构造于旋转运动中,并将它们调剂到有序状态。简言之开合构造体系是开合旋运动长期作用下形成的不同时期、不同层次、不同级别的开合旋回组成的动态平衡构造体系。本文总结了地球开合旋构造体系物质组成、结构构造特征和规律,建立了开合旋复杂构造体系简要模型。提出平衡体系的形成机制是开合旋运动遵循地球重力均衡准则、最小内能原理(结晶化)、几何淘汰生长(垂直地心生长)和物质均匀化四条自然演化规律,其中重力均衡准则是主导的。由于地质事件(构造运动)在破坏开合旋平衡体系的同时,经常直接或间接向体系内输入新能量,往往使新的旋回比老旋回的结构构造更符合地质演化的自然规律,于是使地球显得更强大而有活力。这一次又一次的地质事件(构造运动)是开合旋构造体系螺旋式向前发展的动因。本文最后用开合构造观点探讨了地球的形成和演化,分析了板块构造运动的动力学过程。     

开合构造:新全球构造观探索

20世纪60—70年代,是我国大地构造研究领域学术思想最为活跃的时期,1979年全国第二届构造地质学术会上,出现八大学派的领军人物同台亮相阐明各自观点的壮观场面。尔后多旋回学说的领军人黄汲清及其继承人之一姜春发、断块构造学说的领军人张文佑及其继承人之一张抗、区域大地构造学说的领军人马杏垣及其继承人之一杨巍然几乎同时分别提出多旋回手风琴式开合、断块开合和"开""合"构造观点。三大学派殊途同归携手创建了具有中国特色的开合构造理论,开合构造理论是研究开合运动及其形成的地质体的结构构造特征和规律的学科。本文是对开合构造研究的新一轮成果的总结。(1)开合运动的基本属性为:开合运动是一切地质体运动的基本形式;它揭示了各种地质运动之间的内在联系和本质特征;开与合是地球动力学中一对主要矛盾,二者相互依存、相互对立、相互转换,转换点(区)时空的定位具有重要的理论和实践意义。(2)地学开合律为开合运动规律的总结:它包括开合运动规模上的级次性和层次性;时间上的旋回性、空间上的互补性、演化上的方向性,并总结出由简至繁和从点开始、到线、再到面的开合迁移演化模式。(3)开合构造研究中几个重要概念:开合标志是指能确定开合属性的各种地质现象,它是研究开合构造的基础资料;开合建造及建造序列是研究开合过程中物质的组合特征,它们反映了该物质组合形成时的构造环境及开合构造演化的阶段;开合构造类型是根据开合标志的综合,总结出不同级次和层次的开合运动的组合规律,它反映了大陆-大洋开合演化的不同阶段,目前已总结出8种开合构造类型;开合构造单位是开合构造综合特征和开合构造类型空间分布规律的总结,提出了以大陆一级构造单位为开合构造集群的新概念,它强调集群内各地质体具成生联系和它们围绕核心陆块从点(块)到线(带)再到面(体)的演化规律;笔者将亚洲中部划分了4个开合构造集群。(4)在开合运动和旋转运动长期共同作用下,形成了地球的层圈结构和各种地质构造。其中开合运动是主导的,旋转运动则是调整开合运动达到相对稳定的动态平衡状态,称之为开合旋构造体系;动态平衡体系一度或局部被破坏,并经调整达到新平衡的过程称构造运动,诸如导致地史中出现重大地质事件的晋宁运动、加里东运动、海西运动、燕山运动等。旋转运动调整开合运动达到平衡是通过地球旋转速度短暂的细微变化和地球层圈间旋转速度短暂细微的差异而实现的。(5)构造运动是开合旋动态平衡体系一度或局部被破坏,并经调整达到新平衡这一过程的真实记录。构造运动的主要动因是地球的热能和重力能:地核是不断向上提供热能的热能库;重力在核幔边界形成开合构造转换地带,成为以热能为主的综合能量形成和聚集的基地。在一定条件下,富含综合能量的物质,上升至地幔和地壳不同层位与围岩化合或混合成不同特点的熔融热流体,它们是导致各种地质事件的产生和各种地质构造形成的直接原因。(6)活动论和固定论长期争论不休,其焦点是地壳运动是水平运动还是垂直运动为主。通过时空分析,地壳不可能分出是以水平还是垂直运动为主。实际上垂直运动和水平运动共同存在于开合构造体系之中,是开合运动中两种形式——水平开合与垂直开合。因此,垂直运动与水平运动之争无实际意义。     

新全球构造观中几个问题的探讨

开合运动是地球上一切地质体运动的基本形式。由于开合运动同步统一的特征,它包容了垂直运动与水平运动,故开合运动的内涵更深,应用更广;由于开合运动的相互转换特征,垂直运动也是动态相互转换,很难确定地球或某个地区的开与合或垂直运动与水平运动的主次关系,只能按某一阶段它们的主次关系进行构造分区,在这种分区中,按垂直运动与水平运动观点划分的构造单元往往不能反映构造的本质特征,因而建立在垂直运动与水平运动之上的固定论和活动论之争无实际意义。开合运动的相互转换特征及转换带的时空定位有重大的理论和实践意义。开合运动和旋转运动是地球最基本、最重要的运动形式,合称为开合旋运动,在它的长期作用下形成动态的、相对稳定的层圈结构和各种地质构造,称之为开合旋构造体系,开合旋构造体系一度或局部被破坏,经调整达到新平衡的过程称之为地球构造运动,因此构造运动是突发的、短暂的、区域性的;而将充满地球时空、重要非凡的开合旋运动叫地球运动。地球构造运动的内因主要是热能和重力能,核幔交接区是以热能和重力能为主的综合能量形成和聚集的基地,是地球构造运动的策源地。开合运动是地球的本质特征,旋转运动是地球形成及演化的必要条件,开合旋运动塑造了一个内容丰富、生机勃勃、动态发展的开合旋构造体系。     

开合构造研究中的几个问题

开合构造是中国学者提出来的一种大地构造观点，强调开裂运动和聚合运动是统一地球动力体系中的2种基本运动形式。开合构造是从开与合相互对立、相互依存、相互转化来研究区域地质特征和大地构造演化的。本文简介了开合构造中的几个问题：开合构造是一种新的大地构造观点；开合运动是地质运动的高级形式；开合类型是固定论和活动论的对立统一；开、合、剪之间是辩证关系；开合构造要冲出国门走向世界。     

中国开合构造研究的回顾与展望

简介了中国开合构造研究的现状及动向。开合构造是中国学者提出来的一种大地构造理论,它强调开裂运动和聚合运动是统一地球动力体系中的两种基本运动形式。开合构造是从开与合相互对立、相互依存、相互转化中来研究区域地质特征和大地构造演化的。开合构造具旋回性、互补性、层次性、级别性和不均一性等特征。确定开合标志是研究开合构造的基础,建立开合类型是研究开合构造的关键问题。     

中国开全构造研究的回顾与展望

简介了中国开合构造研究的现状及动向。开合构造是中国学者提出来的一种大地构造理论，它强调开裂运动和聚合运动是统一地球动力体系中的两种基本运动形式。开合构造是从开与合相互对立、相互依存、相互转化中来研究区域地质特征和大地构造演化的。开合构造具旋回性、互补性、级别性和不均一性等特征。确定开合标志是研究开合构造的基础，建立开合类型是研究开合构造的关键问题。     

中国开合构造研究概观

开合构造是中国学者提出来的一种大地构造观点，强调开裂运动和聚合运动是统一地球动力体系中的两种基本运动形式。开合构造是从开与合相互对立、相互依存、相互转化中研究区域地质特征和大地构造演化。开合构造的基本特征为：时间上具旋回性，一开一合构成一个开合旋回(构造旋回)；平面上具互补性，一个地区开裂，相邻地区必然聚合；垂向上具层次性，不同层次的开合特征不同；规模上具级别性，可划分不同级次的开合旋回与开合组合；     

长江中下游地区新华夏构造体系的“米字型”结构特征

构造体系由强变形构造带和弱变形地域共同构成,这些构造带和变形带可以用结构面的形式表达。构造体系结构面的分布分析,更加适用于变形规律研究,便于追索构造应力场及其演化。以长江中下游地质结构与导矿-控矿要素研究为基础,总结了新华夏构造体系结构面的“米字型”分布特征。新华夏系“米字型”构造,由NNE 25°方向挤压断裂和褶皱带、NNW 345°方向(大义山式)张扭断裂、NEE 75°方向(泰山式)压扭构造和NWW 300°方向(长江式)的横张构造组成。其演化分先后三个阶段;NNW 345°方向—NEE 75°方向的共轭剪切构造阶段、NNE 25°方向挤压构造阶段和NWW 300°方向的张性剪切构造阶段。新华夏构造体系的“米字型”构造样式的识别,为研究构造体系的应力-应变成因、探讨构造体系的形成演化以及浅部构造和深部构造相关性研究提供了重要的地质构造基础。在其它类型的构造体系中,结构面也具有“米字型”分布特征。     

长江中下游成矿带铁-铜成矿系统结构的地球物理探测: 综合分析

成矿系统是在深部过程驱动下形成的、具有自组织的能量及物质迁移-汇聚系统。系统在形成和演化过程中,在岩石圈不同尺度上留下“痕迹”,这种“痕迹”可以通过地球物理、地球化学和遥感等方法进行探测或观测。文章尝试在成矿系统理论框架下,对近10多年来在长江中下游成矿带进行的多尺度地球物理、地球化学探测结果进行分析,识别典型陆内成矿系统“源区”“通道”“场所”的地球物理、地球化学“痕迹”,尝试构建陆内成矿系统的空间结构模型。主要结论有:(1)长江中下游晚中生代的大规模铁、铜多金属成矿作用是一个完整的成矿系统。该系统包括3个子系统,分别为与高钾钙碱性岩浆岩有关的夕卡岩-斑岩成矿子系统、与橄榄安粗岩有关的陆相火山岩铁(硫)成矿子系统和与碱性岩有关的铜-金(铀)成矿子系统。(2)成矿系统的“源区”来自富集地幔的熔融、底侵,并在壳/幔边界与下地壳物质的混合,具有多级分布特点。幔源岩浆与地壳物质混合的比例决定了成矿金属的类型。(3)成矿带发育的“鳄鱼嘴”构造是铁铜成矿系统的主干“通道”。成矿系统“末端”矿质沉淀的“场所”主要受近地表褶皱、断裂、层间滑脱断层,以及由它们形成的断裂(裂隙)网络控制。(4)区域磁异常、放射性和地球化学异常是成矿系统残留“痕迹”的响应和“标识”。通过分析不同尺度的“标识”特征,可以深入认识成矿系统的空间结构,并可用于深部成矿预测。     

深海沉积与全球变化研究的前缘与挑战

海洋正在经历变暖和酸化等人类活动引发的全球变化的影响,而深海沉积储存着地球演变历史时期由自然因素驱动过去全球变化的详细档案,通过探究其现今和过去全球变化过程,能够揭示全球变化的特征和规律,为预测未来变化提供依据。近年来在该领域的突出研究进展,是针对社会选择的未来排放轨迹,在深海记录中都能够找到相应的类似情形,用于评估未来地球系统各种变化的过程和后果。其中,以Dansgaard-Oeschger变化为代表的千年尺度事件、以厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)和北大西洋涛动(NAO)为代表的十年尺度气候变化事件,是最接近现今地球变暖的快速气候变化场景。地球系统的发展轨迹目前正处于人类排放温室气体的“热室地球”路径的起点上,如果地球超过了这个“临界点”,它将沿着一条不可逆的道路进入“热室地球”状态,另一种路径则是通向“稳定地球”状态。深海沉积档案中的类似情形能够为社会选择未来排放的轨迹提供重要参考。全球变化研究面临的重大挑战是重新认识其关键过程的理论机制。以海洋变暖和酸化影响硅藻和颗石藻的海洋生物泵过程为例,传统知识认为酸化有利于硅藻建造,但最新的围隔实验研究却发现酸化大幅减少全球硅藻输出;传统知识认为酸化导致海洋生物钙化危机,但近期针对中生代大洋缺氧事件的黑色页岩研究,发现颗石藻的碳酸钙输出在海洋酸化期间大幅增加。这些颠覆性的认识严重挑战了传统全球变化某些关键过程的理论体系。     

试论地球深部地热能传输机理

本文在对前人地热成因认识归纳检验的基础上,通过演绎推理的方法,从几条基本的物理定律和基本假设组成的第一性原理出发,推理“地球内部热能从深部向浅表传输”的动力学过程,探讨深层地热能热源机制。热源机制问题从物理学的角度看,本质上就是热能从地球内部向近地表传输的问题。可以根据第一性原理,通过演绎法推理其可能的传输过程。深层热能传输的第一性原理由“温度的定义、热胀冷缩原理、阿基米德原理、热力学第二定律以及辐射、传导和对流三种热量传输方式的效率对比”5条基本的概念和定理组成。结合地球已知的圈层结构,通过演绎推理可知,在固态内核偏移驱动下,液态外核开始流动,在局部聚集导致地幔中形成上升的地幔柱;地幔柱在另一个地球圈层界面发生顶托作用,使得界面上凸,并产生烘烤加热作用,被烘烤的上层物质流变性增强发生侧向流动,于是物质垂直运动转换为水平运动。水平流动的热物质聚集到一定程度又会上浮产生垂直运动。如此垂直运动和水平运动不断转换,最终将地球深部地核中的热能传输到了地壳浅层。地球深部热能向浅表传输的过程会导致海底增生扩张、板块运动、盆山耦合等,同时也形成不同级别的控热构造系统。地球尺度的控热构造系统为:地球内核为生热构造,液态外核为储热构造,各级地幔柱和流动的高温物质为导热构造,地表的火山、温泉、地震为释热构造子系统。大陆地壳准固态流变物质的侧向流动是干热岩形成的主控因子,对于干热岩地热能勘查具有重要意义。     

藏南地区新生代多阶段构造演化及其动力学的探讨

开合构造是一种全球构造假说,该假说基础为地球上的一切物质和地质体都存在开合表现;可以用开合构造观解释一些板块构造理论登陆后不能合理解释的地质现象。文章在结合前人基础地质资料基础上,分析藏南地区基本的构造单元划分;强调动态构造单元划分,提出了被重力拆离断层改造叠加的逆断层区以及被拆离断层改造的正断层区。在主流观点提出碰撞挤压造山形成青藏高原时,野外科学考察发现了绒布寺伸展正断层的存在。文章认为绒布寺伸展正断层与主中央逆冲断层形成时间比藏南拆离系要早,两者构成了藏南挤出构造的两个边界;而藏南拆离系是晚期形成的,局部叠加在主中央逆冲断层之上,并且珠峰北追踪了早期绒布寺正断层呈相对高角度产出。3条断裂构造系统是不同时期、不同构造背景下的产物。藏南由前人所划分的飞来峰、构造窗等逆冲推覆构造系统中的构造单元,往往挤压逆冲特征表现不明显,却表现出由新的地层覆盖在老地层之上而显示地层柱缺失的特征。文章认为这些是滑覆构造的表现,是藏南地区晚期重力滑覆作用的产物。用开合构造理论将该地区新生代构造演化划分为由开转换为合;然后由合转换为开,构成一个完整开合演化历史,在这多阶段构造演化过程中,地球深部的热能、地球内部的重力势能以及构造引起的附加应力能起到关键作用。     

试论汾渭“S”型旋转拉分构造体系及其影响

汾渭地堑系位于我国东部阴山与秦岭纬向带之间,自北向南,由集宁、怀来、大同、蔚县、忻州、太原、晋中、汾渭、天水、礼县、西和、成县等10余个NE向斜列的新生代断陷盆地组成,它们呈“S”形展布,反映华北地块在新生代时期发生了顺时针旋转,使古老地块发生裂解,可称之为“S”型旋转拉分构造体系。这个构造体系对中国东部构造格局和构造发展有广泛和深远的影响,强烈改造了秦岭—大别山纬向构造带和江南地块北缘的构造格局,使新华夏系形成分段特征,启动了华北地块伸展构造发展模式,影响所及直达琉球海沟。无独有偶,亚洲中部俄罗斯、蒙古境内有贝加尔地堑系,由反“S”形分布的新生代断陷盆地组成,它们也发育于古老结晶地块之中,可与之对比,是逆时针旋转的反“S”型旋转拉分构造体系。说明它们是同一类型的旋转构造型式,是古老地块裂解的一种方式。     

初论开合构造方式

开合构造方式是开合构造学中的一项重要要素，涉及开合构造动力学。开合构造方式可根据开裂带和聚合带的形态和方向性，以及扩张应力与挤压应力之间的相互关系分为平行式、斜交式、剪刀式和夹子式。夹子式开合方式是本文首次提出的，故举蒙古-鄂霍次克中生代岩浆岩带和华南晚前寒武纪构造2个典型例子予以较详论述。     

Panorama of the Opening-Closing Tectonics Theory in China

The opening-closing tectonics theory, a theory about opening-closing tectonics, is a viewpoint regarding geotectonics suggested by a group of Chinese scientists. Opening and closing are two basic geological movements, which may result in a series of structures. The highest level of opening is the appearance of oceans and the highest level of closing is the consolidation of continents. Based on field investigations, the authors consider that identifying the marks of opening-closing tectonics is the basis of the issue and classifying the types of opening-closing tectonics is the key of the issue. This paper briefly discusses the substance and the future of the study on the opening-closing tecton cs in China. The authors hope to share relevant information with geoscientists in the world in this field.     

基于大数据的成因矿物学研究思考

在国际地科联启动深时数字地球大科学计划背景下,开展成因矿物学大数据平台建设和数据深度挖掘和研究,具有十分重要的意义。建议优先考虑矿物系统发生史、矿物标型和矿物成因分类3个方面的数据平台建设,开展3个方面的大数据模型、大数据处理的方法研究和大数据结果的信息提取。部署开展基于大数据的若干国家战略性关键金属元素矿物(如锂矿物、铀矿物、镓矿物、铈矿物、铂矿物等)的系统发生史和矿物类的系统发生史研究,分析其在不同地质历史时期和地球不同构造单元中的聚散规律,为战略性关键金属找矿预测提供思路。根据矿物大数据库的深度挖掘和矿物系统发生史研究所提供的有关矿物演化的规律,揭示地球历史中重要地球物理、地球化学和地球生物事件的性质、分布、规模及辐射效应。借助矿物成因分类的大数据平台,完善“显性”成因矿物族分类和区划图编制,在此基础上,开展基于大数据的“隐性”成因矿物族和找矿矿物族的分类和区划图研制。要重视矿物学和地质大数据研究的复合型人才培养,在开设地质大数据本科专业基础上,在研究生层次开设“成因矿物学大数据”研究方向。     

Discussion on the Cenozoic tectonic evolution and dynamics of southern Tibet

Opening-closing tectonics is a new idea for exploring the global tectonics, which holds that every tectonic movement of all materials and geological bodies on earth is characterized by opening and closing. The opening -closing tectonic view can be used to explain some geological phenomena developing in continents which cannot be reasonably explained by the theory of plate tectonics. Based on the available basic geological data and combining with the opening-closing view, we analyzed the divisions and characteristics of tectonic units in South Tibet, and propose that Tibet can be divided into gravitational detachment and detachment fault zones, which are superimposed thrust fault zones and reconstructed normal fault zones, respectively. Although the mainstream opinion believed that the Tibetan Plateau is formed by collision-compression orogenesis, field investigation revealed the existence of the Rongbu Temple normal fault in the1970s. We consider that the Rongbu Temple normal fault and the Main Central Thrust (MCT) were formed earlier than the South Tibet detachment fault, and the former two faults constitute the two boundaries of the southern Tibet extrusion structure. The South Tibet detachment fault partially superimposes on the MCT and manifests a relatively high angle in following the Rongbu Temple normal fault north of the Chomolangma. We suggest that the three fault systems are the products of different periods and tectonic backgrounds. The tectonic units, such as klippes and windows identified by previo us researchers in southern Tibet, belong to thrust fault system but usually have no obvious extrusion or thrust characteristics; however, they are characterized by missing strata columns as younger strata overlapping the older ones. These klippes and windows should be the results of later gravitational decollement and must be characterized as extensions and slips, respectively. Based on opening-closing theory, we suggest that since the Cenozoic the study area had undergone multistage development, which can be divided into the oceanic crust expansion (opening) and subduction (closing) and the continental collision (closing) and intracontinental extension (opening) stages. Geothermal energy from the deep earth, gravitational potential energy from the earth’s interior, and additional stress energy from tectonic movements, all played a key role in the multistage tectonic evolutionary process.