深俯冲和折返动力学:来自中国大陆科学钻探主孔及苏鲁超高压变质带的制约

中国大陆科学钻探工程和苏鲁高压-超高压变质带为大陆岩石圈的深俯冲与折返动力学的研究提供了以下制约(1)苏鲁高压/超高压变质地体迭置于南、北苏鲁两个不同时代及属性的基底之上;(2)苏鲁巨量表壳岩石深俯冲至200km以下的上地幔深度,并经历超高压变质作用;(3)根据不同类型超高压变质岩石锆石的SHRIMP-U/Pb原位精确定年,获得超高压变质岩石的深俯冲-折返全过程(240～252Ma→230～237Ma→207～218Ma)时限.并建立了新的深俯冲-折返全过程的P-T-t轨迹;(4)富钛铁的辉长岩在大陆地壳的深俯冲过程中,经历了超高压变质作用并转变成了富含金红石的榴辉岩,形成了超高压变质的钛矿床;(5)通过榴辉岩和石榴石橄榄岩的显微构造分析及石榴石、绿辉石和橄榄石EBSD测量,确定深俯冲过程中绿辉石和橄榄石的组构运动学和流变学特征;(6)在大陆的深俯冲过程中,强烈水化的陆壳岩石经历了进变质脱水过程,巨量的地表水带入到＞100～200Km的地幔深处,在超高压变质峰期的极端条件下,通过含水超高压变质矿物的分解形成超临界的含水熔体,导致有效的壳-幔物质交换和岩石圈物质分异;(7)苏鲁超高压变质地体在折返阶段形成挤出纳布构造,与岩石圈深俯冲管道流的折返挤出机制有关;(8)提出新的深俯冲-折返动力学模式陆.陆碰撞的深俯冲剥蚀模式及大陆地壳多重性、分层型和穿时性的俯冲和折返模式.     

超大陆构造、地幔动力学和岩浆-成矿响应

超大陆是地球上全部或近乎全部(> 90%)大陆块的集合。推测最老的超大陆存在于3.0 Ga,称作Ur。由于年龄老,很难检测该超大陆的存在。地球的历史中,似乎曾有2次,所有的陆块被焊合到一起形成一个超大陆。地球历史中第一个真正被黏合在一起的超大陆大概是Columbia超大陆,它形成于1.85 ~1.90 Ga,在大约1.60 Ga开始破裂,于~1.3~1.2 Ga最终裂解。Columbia超大陆之后第二个真正被黏合在一起的超大陆是Rodinia超大陆,它存在于~1 100 Ma 到 540 Ma。Pangea (0.25 Ga)并不是一个真正的超大陆,只是一个很大的大陆块的集合体——准-超大陆。该准-超大陆的南半部(冈瓦纳古陆)有一个离散的历史,北半部(劳亚古陆——即古亚洲)有一个会聚的历史。目前,第三个超大陆还未形成,我们的星球尚处在一个未来真正超大陆(Amasia)的形成途中。超大陆形成和裂离的机制是有争议的话题。对于一些新近概念模型的综合分析表明,地幔动力学对于地球历史中超大陆的会聚和裂解有着重要的控制作用。超大陆的形成过程受超级沉降流的控制。超级沉降流通过如当今在西太平洋所见到的双向俯冲带而发生,它也为地质历史和P-波全地幔层析所认可。超级沉降流就像外太空的黑洞一样呑噬了所有物质,将大陆会聚到一个紧密的集合之中。超大陆的命运受控于超级地幔柱(超级上涌流),后者将大陆集合裂离。随着数字模型技术的进步及计算能力和资源的增强,地幔动力学的数字研究已经在识别地幔结构的地震层析图像方面取得了明显进展,并对地球动力学机制有了更好地理解。固体地球可以被认为是由上地幔中具水平运动的板块构造、下地幔中受垂直运动主宰的地幔柱构造和地幔底部以水平运动为特征的'反-板块构造’所构成。尽管地幔层析开启了进入深部地球的窗口,在增生造山带中被保存的"大洋板块地层"的叠瓦状残骸仍然构成了研究俯冲-增生-碰撞历史(特别是与地球表面古老超大陆聚合有关的俯冲-增生-碰撞历史)的有用的地质学工具。超大陆的动力学也影响着生命的起源和灭绝、地表环境变化以及岩浆作用和成矿作用。与超大陆会聚和裂解相伴的地幔下沉和地幔上涌引起大规模物质和能量的流动,也导致大规模岩浆作用和成矿作用、灾难性的环境变迁,有时甚至造成生物灭绝。当一个上升的地幔柱撞击超大陆的底部时,它所诱发的大陆裂谷化,形成大火成岩省、大规模成矿作用和火山喷发,可能会导致地幔柱的冬天,后果是生物灭绝和长时期的大洋缺氧。因此,与地幔动力学有关的超大陆构造为评估大陆地壳演化和破坏的历史,进行资源评价、了解生命的历史和追踪我们所居住的星球的主要地表环境变迁提供了一把钥匙。     

大陆地质与大陆构造和大陆动力学

当代地球科学发展的新需求与板块构造对大陆地质的深化研究,使大陆问题成为21世纪地学发展的前沿研究领域、热点和关键。文中在提出“大陆动力学”研究20多年后的今天,进行关于大陆研究的新思考,从讨论厘定大陆研究的有关争议概念、大陆的基本问题、中国大陆构造的典型实例以及与世界同类范例的简要对比出发,综合概括了大陆地质与大陆构造和大陆动力学研究的关键科学问题与进一步探索研究的思考课题。提出了在大陆研究中,在进一步精确深化板块构造对大陆的研究的同时,应突出加强大陆构造中有无非板块构造动力及其远程效应的大陆内的、在深部动力学与陆块间差异非均衡背景下由陆内陆块间相互作用导致的真正陆内构造及其动力学问题的研究,以便为深化发展板块构造、认知大陆、探索大陆动力学、构建包括板块构造在内新的行星地球构造观作出努力与探索。     

帕米尔地区现今大陆深俯冲——地震构造和动力学解释

在 NEIC(UsGS)1975～1999年地震记录的基础上,补充中国新疆地震台网1975年以来的16,339个部分重新定位的有效地震记录,根据该地区地震活动时空分布规律、地壳速度结构和地表变形构造等最新研究成果,对兴都库什-帕米尔-中国西部地震活动的三维几何学及其构造联系作出了新的解释,强调沿恰曼断层的左行走滑作用对帕米尔和兴都库什地震带的制约。沿帕米尔地震带正在发生大陆深俯冲作用,是恰曼断层左行牵引的结果,深俯冲岩板为上宽下窄向恰曼断层收敛的楔形体,俯冲角度上缓(20～30°)下陡(60～70°),转变深度在80～120公里,部分下地壳物质被深俯冲作用带到200公里以下的深度。帕米尔深俯冲带上盘岩石中的多期反冲构造组合和后退俯冲作用历史,解释了该地区地壳缩短加厚和深部岩石折返的机制。与深俯冲作用相关的双地震剪切带和3个地震群的构造联系,提供了大陆深俯冲作用的动力学信息。     

中国大陆构造及动力学若干问题的认识

中国(东亚)大陆受特提斯、古亚洲和太平洋构造体系的制约,具有复杂的地体构架和特殊的岩石圈结构。本文从地学前沿——大陆动力学的视野出发,围绕中国大陆构造及动力学四个方面的研究,总结已有的进展并提出新的思考:①中国大陆板块下的构造和整个地幔运动的构架:地震层析资料揭示西太平洋板片向西俯冲到东亚大陆之下,其倾角逐渐减小,最后近水平地插进400～600km深度的地幔过渡带中,成为箕状几何形态的超深俯冲板片。印度岩石圈板片超深俯冲至青藏高原之下～800km的深度,在喜马拉雅西构造结部位发生双向不对称深俯冲,印度岩石圈板片向东俯冲至东构造结东侧之下300～500km的深度。②中国大陆变质基底的再活化:中国大陆的大部分陆块未受显生宙以来构造、变质和岩浆事件的改造与激活,在冈瓦纳大陆北缘的印度陆块和阿拉伯陆块北缘还发育有形成于泛非期(530～470Ma)的造山带,其影响范围至高喜马拉雅、拉萨地体和三江地区。新生代的变质活化普遍出现在喜马拉雅、南迦巴瓦、拉萨地体和三江-缅甸地区,最新的变质年龄仅2～1Ma(南迦巴瓦)。③中国主要高压-超高压变质带的大地构造背景及深俯冲-折返机制:中国及邻区含榴辉岩的高压-超高压(HP/UHP)变质带有洋壳(深)俯冲和陆壳(深)俯冲之分。青藏高原中,大部分洋壳俯冲形成的高压/超高压变质带与原-古特提斯洋盆中诸多微陆块之间的小洋盆的汇聚碰撞有关,陆壳深俯冲作用有两种机制,它们分别是大陆块之间剪式碰撞和撕裂式岩石圈舌形板片的深俯冲。④中国大陆造山带的深部物质可经3类机制挤出,即深部地壳物质"牙膏式"挤出、侧向挤出和"挤压转换式"挤出。     

亚洲大陆中部壳体东、西部历史-动力学的构造分异及其意义

从历史-因果论的角度,对亚洲大陆中部的演化-运动史,及其大地构造体制发展阶段的地质构造和成矿作用,进行了系统的阐述,重点阐述了东、西部构造差异的历史-动力学表现及其原因。研究表明:这种差异并非两个不同大陆壳体演化-运动上的差异造成,而是在同一大陆壳体形成与平向增生进程中东早西晚的历史背景条件下,由于东部与西部中生代、新生代陆内深部地幔热能聚集增强的上升流与热能发散衰减的下降流,共同组成的垂向热流环发生反转变化造成的结果,并得出了主导亚洲大陆中部东、西构造分异的主动性因素是陆内地幔热能聚散动力学机制的结论。同时指出,中新生代出现在亚洲大陆中部的东、西构造分异,是同一大陆壳体即东-中亚壳体自身历史-动力学构造分异的表现,它是亚洲大陆动力学中,与陆内克拉通活化及活化造山区的出现、青藏高原的隆升、东亚陆缘扩张带的形成并列的 4个重大事件之一,并在这些重大事件的动力学研究中占据关键性的核心地位。     

中国大陆科学钻探（CCSD）主孔微断层的空间展布和脆性变形构造应力场分析

CCSD主孔岩芯中发育有十分丰富的脆性微断层,孔深5158m以上,按其空间分布,可将其主体归纳为北北东向微断层系、北西向微断层系、北东向微断层组和近于东西向微断层组等四个微断层系（组）和SEE-NWW向水平挤压构造应力场、NE-SW向水平挤压构造应力场等二期区域构造应力场。SEE-NWW向水平挤压构造应力场贯穿于高压-超高压变质岩折返的全过程,表明在折返过程中,深层韧性变形阶段的构造应力场和浅层脆性变形阶段的构造应力场,具有高度的一致性。但流劈理和微断层的极点等值线图表明,韧性变形阶段的变形较脆性变形阶段的变形简单,深部发生的基本上是一种以逆冲型剪切应变为主导的变形,而浅部脆性变形域,除继承性的逆冲型剪切应变外,往往叠加有后期的构造伸展作用和走滑作用,因此具有更为复杂的应变图象。NE~SW向水平挤压构造应力场,在时间上晚于SEE~NWW向水平挤压构造应力场,它是导致先存的北北东向逆冲型流劈理发生自北东向南西方向滑动的主因。对比不同岩石类型的微断层和流劈理的极点等值线图,无论是极密类型,还是极密的分布,均不受岩石类型的影响,说明微断层和流劈理的形成与岩石类型（岩性）无关,而主要受构造因素制约,因此,运用微断层和流劈理（叶理）相结合的分析法,研究高压-超高压变质岩带折返阶段的构造应力场和动力学过程,有其他方法无可替代的效果。     

当代大陆内部物理学与动力学研究的导向和科学问题

大陆内部壳、幔结构和动力学机制远比大洋"刚性"板块复杂得多,故板块"登陆"必受限定。为此必须重新认识大陆内部物质在力系作用下的重新分异、调整,即必须重新厘定其大陆内部形成的深层过程和动力学机理。文中指出了以壳、幔结构与深层过程为支柱的地球动力学应予以研究和探索的十大基本科学问题。它们的"核心"主题乃是研究、探索深部物质与能量的交换、运动行为与轨迹和动力学响应。     

月球科学的过去、现在和未来——参加第39届月球与行星科学大会有感

综述了2008年3月10～14日在美国休斯敦召开的第39届月球与行星科学大会期间交流的与月球科学相关的会议内容,简要回顾了人类探测月球的历史.当前的月球科学研究归纳为6个主题:①月球和其他类地行星的地质演化;②撞击过程的定量化描述和太阳系历史的关系;③月壤的特征、月壤形成的机械过程和演化过程;④采样返回技术和原型机的开发与运用;⑤月球和其他行星体的内生和外来挥发分;⑥月表的大气和尘埃环境对人类登陆的影响.2007～2008年,日本、中国、印度和美国纷纷推出探月计划,将月球探测推向一个新的高潮.深空探测成为各国展示国力和科学技术水平的试验场,也将有力地促进科学技术的发展;独立探测和国际合作相结合已是大势所趋,数据资料共享将成为必然.公众的积极参与将为月球探测注入新的活力,并成为空间探测的基本动力.     

基于深地震测深的深部动力学研究方法和应用

深地震测深是探测壳幔岩石圈精细速度结构、探讨岩石圈变形和演化过程的一种有效方法,在青藏高原隆升、克拉通裂解等大陆动力学研究中已发挥了重要的作用.然而,地震测深方法与深部动力学研究的结合尚处于现象描述为主的状态.因此,本文对前人利用深地震测深资料进行深部动力学研究的相关方法进行了回顾与总结:宽角反射/折射地震震相特征具有...     

电子背散射衍射（EBSD）技术在大陆动力学研究中的应用

电子背散射衍射（Electron backscatter diffraction,简称EBSD）技术可以快捷准确地进行物相鉴定,确定矿物晶体的晶格优选定向和多相岩石中各矿物的空间分布,使其成为定量研究岩石显微构造的理想工具。将岩石组构测量、野外地质观察与矿物的变形实验研究相结合,可以判别物质运动的剪切指向和变形的温压条件,从而进行运动学和动力学机制的分析。本文首先介绍了EBSD技术的原理和主要矿物组构的实验研究进展,然后以国土资源部大陆动力学重点实验室5年来的成果为例,总结了EBSD技术在研究大陆深俯冲和折返的动力学机制和大陆造山带动力学研究中的应用。结果表明：橄榄石和绿辉石的组构揭示了板块深俯冲阶段的组构运动学特征,而石英、斜长石和夕线石的组构可以用来研究地壳内大型韧性剪切带的变形历史,如与苏鲁超高压变质岩折返相关的韧性剪切带、龙门山逆冲剪切带、西昆仑康西瓦走滑剪切带和喜马拉雅造山带的康马拆离剪切带。因此,EBSD技术的应用有助于实现显微构造与宏观构造相结合,建立变质-变形-运动学相统一的地球动力学模型。     

大陆动力学数值模拟:问题、进展与展望

大陆动力学是地球动力学的基本组成部分,是板块构造理论的重要拓展,是固体地球科学的核心命题之一。在系统的地质、地球物理和地球化学观测的基础上,数值模拟是探讨大陆动力学过程和机制的有效手段。本文主要基于大陆动力学数值模拟,围绕大陆形成和演化过程的四个关键科学问题进行总结和探讨。(1)大陆起源与早期地球动力学演化。现今观测到的最早的大陆地壳岩石来自冥古宙,说明地球早期就已经开始大陆地壳的形成;关于当时的构造体制,存在多种不同的模式及其过渡和转换(岩浆洋、热管、滞盖等),该问题的约束甚少,是一个地球动力学的前沿科学问题。(2)大陆岩石圈的稳定性与破坏。大陆岩石圈形成之后经历几十亿年尺度的长时间演化,有些克拉通可以保持大致的稳定性直至现今,而有的克拉通却在显生宙期间经历显著的改造和破坏,无论其稳定存在还是改造破坏,都是值得深入探讨的科学问题。(3)大陆深俯冲与极限折返。超高压岩石折返代表了地球表层物质由浅入深而又由深及浅的物质循环,系统的观测和模拟对该过程和机制已有比较清晰的理解;而近年来观测到的200～350 km的超深折返岩石又提出新的挑战,其模式和机制有待进一步探索。(4)大陆碰撞造山差异...     

陆内造山带特征及其动力学讨论

板块构造理论上陆后遇到了难解之谜。陆内宽广的造山带、频繁的陆内地震、陆内普遍发育的透入性变形构造及其巨量的过铝质花岗岩,是大陆构造的普遍现象,陆内(或板内)构造已经成为板块构造理论的重要组成部分。本文简要回顾了大陆变形与陆内造山带的研究历程,总结了陆内造山带的基本特征,包括定义、位置、规模、地质特征、地壳结构、岩浆活动、应变分布、山根、热能、动力源等,结合自己的研究,对世界上几个典型陆内造山带的地质特征进行了介绍,展示了华南早古生代陆内造山带与板缘造山带地质特性的对比,对其动力学进行了讨论,提出了现今面临的挑战及其研究展望。     

大陆碰撞成矿理论的创建及应用

本文阐明了大陆碰撞成矿理论的重要性,将大陆碰撞成矿理论的发展史划分为1970年以前的预备期,1971～1990年的孕育期,1991～2000年的诞生期,2001～2010年的成长期和2011年以后的成熟期;指出大陆碰撞成矿理论的核心内容是4个不同尺度(全球构造、造山带、地体、矿床)的碰撞造山流体成矿模式(CMF模式)和4种类型成矿系统的特征及其与其它环境同类成矿系统的对比;介绍了运用大陆碰撞成矿理论指导找矿预测的成功范例.事实证明,中国学者发挥中国碰撞造山带丰富的自然优势,为发展大陆碰撞成矿理论做出了重大贡献.     

中国东部中—新生代大陆构造的形成与演化

20世纪60年代提出的"威尔逊旋回"以关闭洋盆两侧板块的碰撞作为板块运动旋回的终结,然而板块构造学说"登陆"20多年来的实践说明这种认识是不全面的。大陆弥散而宽广的陆内变形说明洋盆闭合两侧板块的碰撞并未终止板内构造作用。古亚洲大陆形成后中国东部中—新生代广泛发育的板内构造变形、岩浆活动、克拉通内盆地的形成都和古亚洲大陆南、北,印度洋和北冰洋洋脊的持续扩张、西太平洋和菲律宾洋壳的俯冲相关。本文拟厘清中国东部中—新生代大陆构造形成与演化的重大事件、构造性质、形成背景及其时空展布:(1)晚海西—印支期古特提斯洋关闭陆块拼合碰撞古亚洲大陆雏形形成;(2)晚侏罗—早白垩世蒙古—鄂霍茨克海闭合,陆-陆碰撞古亚洲大陆形成,挤压逆冲推覆构造在陆内变形中形成高潮,西太平洋伊佐奈岐洋壳板块的斜俯冲叠加了自东而西的影响;(3)早白垩世晚期—古近纪加厚地壳-岩石圈减薄、转型,陆内伸展变形达到高潮,大陆克拉通泛盆地、准平原化;(4)始新世晚期—早中新世(40~23 Ma)太平洋板块运动转向对东亚大陆NWW向的挤压和印度洋脊扩张印—澳板块对古亚洲南部陆-陆碰撞挤压的叠加,形成中国东部新生的构造地貌;(5)中-上新世—早更新世受东亚—西太平洋巨型裂谷系和印度洋中脊扩张的叠加影响,中国东部岩石圈地幔隆升、地壳减薄,陆缘、陆内伸展变形相继形成边缘海、岛弧、裂谷型盆地和剥蚀高原地貌;(6)早更新世晚期(0.9~0.8 Ma)—晚更新世末(0.01 Ma)中国东部大陆构造地貌基本形成。     

我国大陆科学钻探工程实施概况及其取心钻进技术体系

科学钻探是为包括构造运动、气候变迁、火山喷发、地震机理、陨星撞击等基础地学研究领域,提取地球深部信息、建立地下长期观测网络的科学工程。开展科学钻探,不仅将促进我国地学基础理论研究走向国际前沿,实现从地质大国向地质强国的转变,还具有拉动我国钻探工程整体进步,提高其技术、学术水平和国际地位的工程技术意义。在通过科学钻探获取的地下信息中,岩心是直接反映地球演变历史的实物资料,也是最为地质学家所重视的研究资料。我国自2001年启动大陆科学钻探工程以来,素以全过程连续钻取岩心和对岩心的高质量要求著称于世。本文概略介绍了我国已成功实施的4项大陆科学钻探工程,着重介绍了在工程中形成的,具有我国自主知识产权的科学钻探取心钻进技术体系：井底动力取心钻进系统、大口径长回次钻程取心钻进系统、极复杂地层原状取心钻进系统,以及各类岩心的无损出管方法,介绍了各钻进系统在工程应用中取得的主要成果。     

Crustal structure and sedimentation history over the Alleppey platform,southwest continental margin of India:Constraints from multichannel seismic and gravity data

The Alleppey Platform is an important morphological feature located in the Kerala-Konkan basin off the southwest coast of India. In the present study, seismic reflection data available in the basin were used to understand the sedimentation history and also to carry out integrated gravity interpretation. Detailed seismic reflection data in the basin reveals that:(1) the Alleppey Platform is associated with a basement high in the west of its present-day geometry(as observed in the time-structure map of the Trap Top(K/T boundary)),(2) the platform subsequently started developing during the Eocene period and attained the present geometry by the Miocene and,(3) both the Alleppey platform and the Vishnu fracture zone have had significant impact on the sedimentation patterns(as shown by the time-structure and the isochron maps of the major sedimentary horizons in the region). The 3-D sediment gravity effect computed from the sedimentary layer geometry was used to construct the crustal Bouguer anomaly map of the region.The 3-D gravity inversion of crustal Bouguer anomaly exhibits a Moho depression below the western border of the platform and a minor rise towards the east which then deepens again below the Indian shield. The 2-D gravity modelling across the Alleppey platform reveals the geometry of crustal extension,in which there are patches of thin and thick crust. The Vishnu Fracture Zone appears as a crustal-scale feature at the western boundary of the Alleppey platform. Based on the gravity model and the seismic reflection data, we suggest that the basement high to the west of the present day Alleppey platform remained as a piece of continental block very close to the mainland with the intervening depression filling up with sediments during the rifting. In order to place the Alleppey platform in the overall perspective of tectonic evolution of the Kerala-Konkan basin, we propose its candidature as a continental fragment.     

Permeability of the rocks from the Kola superdeep borehole at high temperature and pressure: implication to fluid dynamics in the continental crust

Permeability of the samples collected from the surface and from the depths of 8–11 km in the Kola SG-3 and from the depth of 3.8 in the KTB boreholes was studied at temperatures up to 600 °C and pressures up to 150 MPa. These PT correspond to in situ conditions of the deep parts of the superdeep boreholes and to the conditions of progressive and regressive metamorphism of the Kola series rocks. The experiments were carried out with fluid filtration parallel and normal to rock foliation and parallel to core axis. The temperature–permeability trend behavior depends on effective pressure and depth of sample collection. At low effective pressure, a temperature increase leads first to a permeability decrease and then to its increase. At higher effective pressure, inversions appear on all the temperature trends of the samples collected from great depths. In contrast, permeability of the samples selected at shallow depth (3.8 km) and on the surface decreases within the entire temperature range. As a rule, with flow parallel to foliation, the values of permeability are higher than with flow normal to foliation. The results of microstructure studies allow to conclude that microcrack initiation and closure, due to a competitive influence of temperature and pressure cause such permeability behavior. In the samples, there are two families of microcracks: with low aspect ratio and those with high aspect ratio. Their effect on rock permeability changes with temperature. On sample heating, the low aspect ratio microcracks close and, on the contrary, high aspect ratio ones open. The total effect is expressed by minima in the temperature–permeability trends. Permeability anisotropy increases with temperature, reaches a maximum at 200 °C and then decreases. Sample permeability decreases with different gradients at simultaneous increase of temperature and pressure, simulating in situ depth increase. Hence, the deep seat rocks can vary greatly in permeability and against the common background of permeability decrease with depth, local deep aquifers may occur. At PT of progressive metamorphism the permeability values were high enough to permit the fluid flow to penetrate the whole volume of rock massif. At PT of regressive metamorphism, the permeability values were a few decimal orders lower, so fluid flow could be concentrated in large disjunctive zones only.