洋板块地质研究进展

中国存在多个时代、多种类型的造山带,发育了多种多样的俯冲增生杂岩带,经历了复杂多变的洋陆转换过程,如何揭示包括洋内演化和洋陆转换等的造山过程一直是一个难题。为此,中国区域地质志项目组提出了洋板块地质研究,试图通过对造山系俯冲增生杂岩带、蛇绿岩带等洋岩石圈地质建造、结构构造进行系统研究,再造洋岩石圈从洋中脊形成到海沟俯冲消亡、转换成陆的地质作用全过程。本文介绍了洋板块地质提出到现今主要的研究进展,包括四个方面。一是,初步建立了洋板块地质格架,洋板块地质的研究包括俯冲增生杂岩的物质组成、蛇绿岩类型及其形成的构造环境、洋板块沉积组合和洋板块地层、岛弧火成岩组合、洋陆转换的过程和机制、洋-陆转换过程与成矿作用等重要内容。二是,识别出北山牛圈子—马鬃山、嘉荫—依兰、陈蔡、东昆仑布青山—阿尼玛卿、鹰扬关、大洪山、甘孜—理塘、新余神山—新干神政桥等中国陆域62条主要的俯冲增生杂岩带/增生杂岩带。俯冲增生杂岩带是认识、理解造山系时空结构、组成和演化的关键。三是,在祁连地区识别出较为完整的洋内弧岩石组合。洋盆演化形成大陆过程中的洋内俯冲带是大陆的诞生地,洋内俯冲作用形成的洋内弧是洋盆演化形成大陆的初始弧。洋内弧火成岩组合序列的发现为研究洋陆转换过程提供了岩石学依据。祁连造山带是洋板块地质研究的经典地区之一。研究显示,当金山出露完整的洋内弧岩石组合,这些岩石记录了洋内弧从初始俯冲到发育成熟的全过程,为探讨祁连造山带原特提斯洋构造演化提供了新的依据。四是,制定了洋板块地质构造图编图方案,编图内容主要包括俯冲增生杂岩带、岩浆弧、高压-超高压带、俯冲期和碰撞期构造形变要素和构造演化等。编图单元分为三级:一级为俯冲增生杂岩带;二级为岩片;三级包括基质和岩块。编图过程中需要明确岩浆弧的性质和归属,明确图面上某一岩浆弧与哪个蛇绿混杂岩或大洋配套。图面上对于构造要素的表达重点是区分俯冲和碰撞阶段。通过构造变形的时态、相态、位态研究,识别俯冲期和碰撞期的构造变形形迹。这是洋板块地质初步的研究成果,以俯冲增生杂岩带的研究为基础,探讨特提斯洋等大洋的演化、中国东部古太平洋/太平洋转换与中新生代成矿关系等重大基础地质问题是洋板块地质研究下一步的工作方向。目前,洋板块地质的研究还处于试点阶段,洋板块地质与成矿的成因联系等重大地质问题尚需今后更深入地研究。     

关于发展洋板块地质学的思考

为揭示造山带物质组成和结构构造,发展洋板块地质学,阐明大陆形成演化过程和动力来源,应用板块构造理论和地质学方法,对造山带俯冲增生杂岩带、蛇绿岩带等大洋岩石圈板块地质建造、结构构造进行系统研究,寻找俯冲带岛弧前弧火成岩组合;研究洋板块初始俯冲过程中,从前弧玄武岩到玻安岩、高镁安山岩,再到弧拉斑玄武岩和钙碱性熔岩的岩浆作用分阶段递进演变历史,以揭示洋盆向大陆转化的原始弧性质和前弧火成岩组合及洋陆转换过程,为建立和发展洋板块地质学奠定科学基础.     

洋岛-海山研究进展及其对于重建洋板块的意义

在中国区域大地构造研究中,对洋岛-海山/洋底高原的识别尚未引起足够重视.为深入研究中国大陆洋板块构造,系统回顾了洋岛-海山/洋底高原的基本概念、基本特征和增生造山过程.洋岛-海山/洋底高原是在海底扩张、大洋壳演化过程中由于地幔热点/柱作用形成的有异常厚度洋壳的区域,是大洋岩石圈的重要组成部分.洋岛-海山/洋底高原在垂向上具有典型的二元结构,下部以镁铁质、超镁铁质岩石为主,上部以碳酸盐岩建造为主.现今大洋盆地中大面积分布着正在演化中和正在俯冲的洋岛-海山,根据比较大地构造学原理,古洋岛-海山的存在指示古大洋盆地的存在,是研究造山带的重要载体.认为地史时期大洋盆地中有相当数量的洋岛、海山,在俯冲增生碰撞造山过程中保留下来的古洋岛-海山残块以构造岩片（块）形式夹持在俯冲增生杂岩中,随大洋盆地关闭;其作为缝合带的重要组成部分,是识别对接带的重要判别依据之一.      

论俯冲增生杂岩带洋板块地质构造图编图思想与方法

对地质类图件编(填)图而言,合理厘定不同级别的编(填)图单元,是保证所编(填)图件质量的关键.俯冲增生杂岩带的物质组成,主要是来自洋盆不同构造环境下洋岩石圈的构造-岩石建造,可区分出洋脊建造(蛇绿岩)、深海平原建造、洋岛(OIB)-海山建造、洋内弧建造、海沟建造、源自洋岩石圈的高压-超高压岩石建造.另外,还有混入到俯冲增生杂岩带但不源自洋岩石圈,而是源自陆岩石圈的裂离地块建造、高压-超高压岩石建造、陆缘岩浆弧建造和楔顶盆地建造等.因此,查清并厘定出不同来源的地质体建造,是开展俯冲增生杂岩带编(填)图单元划分与图件编绘的基石.本文从区分出俯冲增生杂岩带内不同来源物质建造之科学目标为出发点,将它们的编图单元划分为3级: 俯冲增生杂岩带(一级单元)、岩片(二级单元)、岩块和基质(三级单元).对各级编(填)图单元类型进行了具体划分和命名,规定了其代号、用色和岩性花纹的使用要求.简述了俯冲增生杂岩带构造形变的图面表达要求,强调俯冲期和碰撞期的构造变形是俯冲增生杂岩带的两大主期变形,必须合理编(填)绘.     

如何判定俯冲增生杂岩中的高度肢解的洋底高原-海山系统

巨型洋底高原或海山系统到达俯冲带发生俯冲以后会在俯冲过程中发生肢解,在增生杂岩带中形成面目全非的小型洋底高原-海山系统的断块或碎片,使得在增生杂岩带中识别古老洋底高原-海山系统变得十分困难。为此,本文提出了基于洋板块地层、岩石学和地球化学联合研究的新方法及其识别标志,重新审定增生杂岩中洋底高原或海山的成因。     

论从俯冲增生杂岩带重建洋板块地层主要类型与序列：以青藏特提斯二叠系为例

洋板块地层学是对具洋壳的盆地(大洋盆地、弧后和弧间盆地)在各种构造环境中形成的火成-沉积原生建造序列重建的地层学分支学科。洋板块地层(简称OPS)是指洋壳从洋中脊一直到海沟俯冲带之间形成的火成岩基底序列,以及沉淀在洋底基底序列之上的沉积岩和火山岩的盖层序列。OPS生成后在洋盆关闭历程中被传送进入海沟。在海沟中,部分被俯冲消减进入地幔,部分通过刮削拼贴、底劈拼贴和构造折返等方式堆积在海沟与弧前之间,形成俯冲增生杂岩(楔)带(简称SAC)。因此,如何从SAC中重建OPS序列是当前国际地学研究热点。OPS序列重建的关键是从SAC中划分出属于不同构造环境的亚类,在精细划分亚类的基础上,按不同的亚类分别进行OPS序列重建。本文以青藏特提斯二叠纪OPS为例,提出并论述了从SAC中划分OPS亚类的方案和各亚类的OPS序列模型。     

大陆中洋壳俯冲增生杂岩带特征与识别的重大科学意义

大洋或弧后洋盆俯冲增生是大陆地壳增长的主导地质作用.重建大陆中消亡的洋地层岩石组合序列是当代大陆动力学和地学研究的重大前沿.洋壳消减杂岩带的厘定是洋板块地质构造重建乃至全球大地构造研究之纲,是理解区域大地构造形成演化及动力学的核心.俯冲增生杂岩带的基本特征:(1)俯冲增生杂岩带物质组成的共性是:以强烈构造变形洋底沉积的硅质岩-硅泥质岩-粉砂岩、凝灰岩;弧-沟浊积岩等为基质;以洋岛-海山灰岩-玄武岩及塌积砾岩,洋内弧残留岩块,超镁铁质蛇绿岩、绿片岩、蓝片岩等为岩块.(2)变形样式:同斜倒转冲断叠瓦构造、增生柱前缘重力滑动构造以及泥质岩的底辟构造;增生楔前缘变形和增生形式受控于大洋或弧后洋盆的规模和洋壳的俯冲速度,也取决于陆缘碎屑供给量及洋底沉积厚度和岩性.(3)宽度和厚度:厚常达几千米,宽达几十公里至数百公里,延长上千公里,是洋壳俯冲消亡过程洋盆地层系统及陆缘沉积物加积的结果.(4)形成机制:是大陆碰撞前大洋(或弧后洋盆)岩石圈俯冲消减的产物.结合带中的早期俯冲增生杂岩带往往卷入晚期的构造混杂作用.     

大兴安岭地区古生代构造格架重建:来自俯冲增生杂岩研究进展

大兴安岭地区古生代处于古亚洲洋闭合阶段,其间发育众多的弧盆系和蛇绿岩带,笔者等在大兴安岭地区1: 1 000 000地质编图和野外地质调研基础上,应用“洋板块地质”学术思想在大兴安岭地区元古宙、古生代地质体中划分出一系列“俯冲增生杂岩”、地块基底残块、岛弧、弧前盆地、弧后盆地等构造单元,结合陆(地)块和岩浆弧、弧前盆地、弧后盆地和“俯冲增生杂岩”的时空展布,划分出9条俯冲增生杂岩带,其中新识别出3条俯冲增生杂岩带。俯冲增生杂岩带主要分布于兴蒙造山带内部各地块之间和地块与大型岛弧带之间,相当于地块间及地块与岛弧带间的缝合带。依据俯冲增生杂岩带两侧对应的陆(地)块、岛弧带等构造级别,归并出5条结合带。俯冲增生杂岩带的展布方向以北东向为主,时代自北向南依次变新,从早奥陶世演化到中—晚二叠世,暗示古亚洲洋洋盆向大兴安岭地区陆(地)块俯冲作用最早发生在北部额尔古纳一带,逐渐向南后撤,不断形成新的洋壳和产生俯冲增生作用,相应的活动陆缘从北部额尔古纳地块向南逐渐增生,配套弧盆系时代也逐渐向南变新。早—中三叠世至西拉木伦一带发生陆-陆拼贴,完成华北板块与西伯利亚板块的对接。通过对大兴安岭地区古生代“俯冲增生杂岩”的研究,重建了大兴安岭地区古生代构造格架,提高了古亚洲洋东段洋-陆转换的研究程度。     

洋板块地层学的概念、模式、组成及失序变化*

着重介绍了洋板块地层的概念、模式、组成及失序变化特征。造山带混杂岩和大陆边缘增生复合体是经历俯冲碰撞消亡后的古洋沉积记录,利用微体古生物地层学和同位素年代学方法可以重建造山带混杂岩和大陆边缘增生复合体的原始地层。洋板块地层(学)是用来描述沉淀在洋壳基底之上的沉积岩和火成岩序列的术语,其开始于洋中脊形成,终止于该洋中脊被移入到汇聚边缘增生楔。从造山带混杂岩中重建的古大洋地层的基本组成大体相似,但因大洋岩石圈的岩浆背景不同,造成不同时期和不同类型的洋板块地层组成也会有差异。在前人研究成果的基础上, 笔者通过对不同类型洋板块地层进行分类,介绍了如何从经历碰撞造山过程的增生造山带进行洋板块地层的重建。引入“洋板块地层学”概念的主要目的在于通过对因俯冲增生而消亡的具有洋壳基底的构造洋盆和边缘海盆地的地层单元进行重建,恢复已消失洋的地层组成单元,这对造山带地层解析、造山带构造古地理恢复、重大构造变革期古地理学研究和板块重建等都将起到积极的促进作用。     

洋脊地质学与成矿学

洋脊分活动型和稳定型两种,柱状地质剖面由未固结沉积物和上、下洋壳三部分构成,横向断裂带发育。岩石蚀变、变质普遍,可与大陆拉斑玄武岩对比。洋脊正在进行两种成矿过程。近20年在洋脊发现的矿床(化)可分为11个类型,其中有的具有工业意义。洋脊研究的深入,将进一步揭示洋壳的奥秘,还将提高对陆壳以及整个地球历史演化进程中的沉积、岩浆、变质、成矿、成岩和构造等作用以及这些作用之间相互促进和制约关系的认识。     

川藏铁路廊道关键水工环地质问题:现状与发展方向

川藏铁路是我国正在建设的世纪工程,复杂的地质演化史导致铁路廊道地质环境差异大,水文地质、工程地质和环境地质问题复杂多变,在工程施工及今后运营中值得高度关注。在简要回顾川藏铁路廊道以往地质工作的基础上,阐述了铁路建设面临的水工环地质问题,包括高原构造岩溶高压突涌水、断裂带基岩裂隙高压突水突泥、高温热水热害等水文地质问题,活动断裂断错与强震灾害、高地应力与深埋隧道岩爆和大变形、特殊岩土体的不良工程特性与灾害效应、高位远程滑坡灾害链等工程地质问题,含煤地层和热液矿床酸性水腐蚀性、湿地生态退化演替、铁路建设与敏感生态环境的互馈效应等环境地质问题。提出了今后值得深入研究的关键科学技术问题:水文地质方面包括高原岩溶发育层序规律与构造岩溶蓄水构造类型、深埋隧道突水突泥的孕灾致灾模式与预测方法、活动断裂控热机制与地下热水循环模式、高温热害风险识别及地热资源化技术等问题;工程地质与地质灾害方面包括活动断裂的精细特征与工程断错效应、复杂地质构造区深部构造应力场特征、构造混杂岩带工程地质特性与灾害效应、水-力-热多场耦合作用下深埋隧道围岩稳定性与灾害效应、内外动力耦合作用下的高位远程滑坡机理及风险防控技术等问题;环境地质方面包括高原多源水转化循环机制与生态脆弱区生态需水量控制技术、隧道建设的水文生态环境效应、生态地质环境监测评价与保护关键技术、全球气候变暖的地质生态环境效应等问题。从公益性地质调查和商业性工程勘察相结合的角度,提出了地质调查是基础、科技攻关是关键、灾害隐患监测与工程治理协调推进的应对策略,为国家重大工程规划区的水工环地质工作发展方向提供了参考建议。     

新建川藏铁路某长大深埋隧道工程主要地质问题分析

新建川藏铁路某长大深埋隧道,工程地质条件复杂,围岩分级,岩爆,大变形,涌突水,瓦斯,地温等主要工程地质问题对铁路选线及施工潜在影响极大。通过对某隧道隧址区地形地貌、地层岩性、地质构造等进行调查,简要分析了该深埋隧道工程主要地质问题围岩失稳、大变形、岩爆、涌突水、可溶岩、瓦斯及有害气体等(杨小军,2017)。针对该工程地质问题进行了简要分析评价。     

川藏交通廊道沿线板块缝合带地质灾害效应

板块缝合带作为特殊类型的“断层”,其地质灾害效应是工程地质与灾害地质研究的重要内容,对工程建设具有重大现实意义.受特提斯洋复杂而漫长的构造演化制约,川藏交通廊道穿越了7条板块缝合带,但对其地质灾害效应的研究却鲜有涉及.为此,在搜集整理已有研究成果的基础上,结合野外地质调查和室内研究,简要分析了川藏交通廊道沿线板块缝合带的地质灾害效应,并探讨其内在机理.结果表明：板块缝合带地质灾害效应主要表现在塑造地貌、创造地形条件,劣化岩体、提供物质来源,控制地质灾害的分布和诱发地质灾害（链）等4方面.构造混杂岩因其复杂的地质演化过程和特殊的岩石类型与组合特征,使其天然具有易灾性,而板块缝合带就位过程中的构造运动是地质灾害效应的内生动力.板块缝合带的地质灾害效是贯穿于川藏交通廊道沿线板块缝合带构造演化过程中的内、外动力地质作用耦合的外在表现形式.板块缝合带地质灾害效应研究目前处于起步阶段,建议在加强基础地质与灾害地质精细化调查的基础上深化其认识;川藏交通建设工程应加强板块缝合带工程效应研究,加大地质灾害监测预警系统研发,以确保其安全施工与后期平稳运行.     

川藏铁路沿线地热资源形成机理与开发潜力

川藏铁路从西至东依次穿越了拉萨-喜马拉雅活动带、昌都-川西造山带与四川盆地3个大地构造单元,其沿线地热资源成因机制的研究对于陆-陆碰撞型地热域不同类型地热田展布规律的认识及其开发利用有着重要的理论与现实意义.本文在系统总结前人成果的基础上,根据区域构造演化、构造变形对地热田成因要素的影响,对比了川藏铁路沿线地热田在热源、热储构造与水运移模式方面的差异性.川藏铁路沿线的地热域依照变形强度分别以怒江断裂带、龙门山断裂带为界,从西至东划分为板缘碰撞造山型、板内逆冲推覆型、盆内稳定坳陷型3个地热带,分别发育高温岩浆岩型、中-低温断裂深循环型、低温坳陷盆地型3类地热田,其大地热流值从西至东逐步减少(即从138.2 mW/m2→71 mW/m2→51 mW/m2); 热储的构造模型可归纳为伸展地堑型、冲起构造型、花状构造型与隐伏背斜型,热储的层位亦逐渐变老、埋藏变深(即从Q+J-T₃→T_2-3→T_1-2).尽管各类地热田有着相同的水源(主要来自大气降水),基本相似的水化学类型(以Cl-Na型、HCO₃-Na型为主)与矿化度(2 500~3 500 mg /L),但有着完全不同的地热水运移模式,尤其在水循环深度、壳源流体的贡献、垂向/水平径流路径等方面.依据不同类型地热田资源禀赋的差异,分别建议川藏铁路沿线地热开发的主要方式为: 林芝-拉萨段的高温发电、供暖与制冷; 雅安-林芝段的中低温发电、供暖与制冷; 以及成都-雅安段的低温供暖、温泉洗浴等.      

川藏铁路廊道泸定段地质灾害孕育过程及成灾机制

川藏铁路建设面临脆弱地质环境的约束,沿线重大地质灾害的孕灾过程及成灾机理研究能为有效防灾提供技术支撑.基于详细的现场调查,揭示川藏铁路廊道泸定段发育3处大型滑坡及4条泥石流沟.区内大型滑坡的孕灾因素主要有以下3点: (1)康滇古隆起多期强烈东西向挤压,致使近南北向长大结构面发育且与河谷岸坡大致平行; (2)河谷走向与最大主应力方向垂直,谷坡岩体强烈卸荷; (3)鲜水河断裂活动产生震动作用,在三面临空的突出地形、坡折微地貌处地震波放大效应叠加背坡效应,导致地震波被放大3至6倍,使得顺坡向陡缓结构面控制的高位岩体发生大规模失稳,从而导致大型滑坡发生.区内构造破碎,且受强震震裂作用影响,支沟沟谷物源丰富,沟域形态利于汇水及物源启动,受汛期7~9月集中降雨影响,易激发群发性泥石流.泥石流活动影响施工营地安全,边坡地震动放大效应影响桥位区仰坡岩体稳定性.      

川藏铁路卡子拉山滑坡发育特征与防灾减灾对策

为查明川藏铁路卡子拉山隧道进口规划建设区地质灾害特征,评价其在川藏铁路建设和运营期间可能遭受的地质灾害风险,采用高精度遥感、机载LiDAR、工程地质勘查等“空-天-地”一体化技术对该隧道进口规划区开展调查研究。结果表明:川藏铁路卡子拉山隧道进口规划区内发育有1#、2#滑坡和俄洛堆不稳定斜坡;1#滑坡规模约32.48×106 m3,2#滑坡规模约10.15×106 m3,均为已发生的特大型岩质滑坡;俄洛堆不稳定斜坡位于2处滑坡中部,规模约35.80×104 m3,下部为强风化岩体,上部为碎石土结构,为中型复合型结构斜坡。评价认为:川藏铁路卡子拉山隧道进口选线从2处滑坡体中部山脊穿过,2处滑坡对铁路选线未构成地质安全风险,但隧道进口穿过的俄洛堆不稳定斜坡存在潜在地质安全风险;1#、2#滑坡体在天然工况下处于稳定状态,俄洛堆不稳定斜坡在天然和地震工况下处于稳定状态,在暴雨工况下处于欠稳定状态。为规避工程建设扰动诱发潜在的滑坡风险,建议将卡子拉山隧道选线进口向东南侧平移,通过边坡开挖的合理设计、施工期间的实时监测及运营期间的针对性治理等措施,从源头上对潜在滑坡风险进行防控,以保证工程建设及运营安全。研究结果可为川藏铁路选线提供科学的地质依据。     

生态地质研究进展与展望

生态地质学是研究生态系统与地质环境之间关系的一门交叉学科,对国土空间生态保护修复工作有重要理论支撑作用。我国生态地质研究工作虽然经过了多年的发展与积淀,但时至今日生态地质学仍然处于研究和探索阶段。鉴于此,基于前人的大量研究,总结了国内外生态地质研究进展: 国际上,俄罗斯建立了生态地质学研究体系,美国发起的地球关键带研究是与生态地质研究十分契合的主题; 在国内,生态地质研究主要着眼于”生态-地质”相互作用过程与机理以及地质环境影响下的系统性生态修复研究。在此基础上,提出了生态地质学涵义及其研究内容、方法技术创新及学科体系构建思路,以期为服务山水林田湖草沙整体保护、系统修复、综合治理和生态地质系统深化研究提供借鉴。     

川藏铁路交通廊道地质调查工程主要进展与成果

川藏铁路是我国正在规划建设的重点工程,由于其位于地形地貌和地质构造都极为复杂的青藏高原东部,在铁路规划建设中面临一系列迫切需要解决的关键地质问题: 区域性活动断裂与断错影响、地质灾害、高地应力及其引起的岩爆和大变形、高温热害、断裂带高压水与涌水突泥、高陡边坡稳定性等。为满足技术支撑川藏铁路规划建设、精准服务国家重大战略实施的需要,中国地质调查局部署了“川藏铁路交通廊道地质调查工程”,聚焦制约川藏铁路规划建设的关键问题,充分发挥地质调查工作对国家重大工程规划建设的支撑作用。2019年主要完成铁路沿线1:5万区域地质调查1 350 km²、1:5万地质灾害调查5 000 km²,建设6口大地热流地质参数井、8个地温监测站,完成地应力测量20孔,编制完成11份地质调查专报,提出的大渡河大桥段、理塘车站段、毛垭坝盆地段等线路优化建议/防灾建议被采纳; 首次将1:5 000大比例尺航空物探技术引入复杂山地铁路工程勘察,创新形成千米级超长水平钻孔定向取心钻进技术,实现500 m深的水平孔地应力测量突破等。该工程通过2019年调查研究,全力提升了铁路沿线地质调查程度与精度,并创新了复杂艰险山区重大工程地质问题与探测技术、地质灾害风险防控理论与减灾关键技术,有效支撑服务了川藏铁路规划建设。