大陆板内盆山耦合及盆山成因——以青藏高原及周边盆地为例

摘要：大陆造山带与沉积盆地之间具有十分密切的内在联系,空间上相互依存,物质上相互补偿,构造上相互作用,时间上同步演化。这些内在联系体现在统一的形成机制上:大陆造山带和沉积盆地是在大陆边缘俯冲板片脱水熔融和大陆内部地幔柱(枝)上隆的热动力作用下,地壳由盆向山侧向流动,导致盆山地壳物质发生循环运动。青藏高原与周边盆地的耦合作用十分典型。青藏高原不是印度板块与欧亚板块碰撞的结果,而是形成于下地壳流动驱动的板内盆山作用。青藏高原板内盆山耦合可分为两个阶段:(1)板内造山成盆阶段,表现为180～120 Ma→65～30 Ma→23～7 Ma从青藏高原北部和东部盆山系统→青藏高原中部盆山系统→青藏高原南部盆山系统有序迁移,以构造隆升、水平运动、地质作用和大规模板内金属成矿为特征;(2)均衡成山成盆阶段,表现为从36 Ma开始,青藏高原整体快速隆升和周边沉积盆地边缘坳陷带巨厚的磨拉石沉积,以36 Ma B.P.、25 Ma B.P.、18~12 Ma B.P.、 08 Ma B.P.和015 Ma B.P.等一系列脉动式快速隆升、垂直运动、地理作用和水系 环境变化为特征。大陆板内盆山构造演化经历从伸展构造向挤压构造的转换,伴随盆地主动作用转变成造山带主动作用。大陆下地壳流动和盆山耦合形成非安德森式的低角度拆离断层、波状起伏逆冲断层和异常共轭关系走滑断层。     

大陆下地壳流动:渠流还是层流?

大量的地质、地球物理、地球化学、实验和模拟资料证明大陆岩石圈存在壳内流层,目前创建了渠流和层流两种假说来解释大陆下地壳的流动规律和流动机理。渠流模式是指厚地壳、高地势的造山带或高原中、下地壳低粘度物质在地貌负荷的侧向压力梯度或剥蚀作用驱动下从山根向外侧向扩张。笔者在研究青藏高原的基础上于1992年提出的层流模式是指在大陆边缘俯冲板片脱水熔融和大陆内部地幔柱(枝)底辟上隆的热动力及其相关的重力驱动下的盆山地壳物质循环系统,盆地热软化下地壳物质在重力作用下顺层流向相邻的山根,盆地地壳减薄,造山带地壳加厚,加厚的下地壳部分熔融物质带动深层变质岩向上运动,热-重力派生的垂直主应力形成热隆伸展的变质核杂岩和低角度拆离断层,隆升的山体在重力势能作用下侧向扩张,盆山边界形成逆冲推覆和滑覆构造,同时遭受强烈的剥蚀作用,造山带源粗碎屑沉积物快速堆积在盆缘受下地壳拖曳的壳内有限俯冲坳陷带内。渠流构造和层流构造在大陆板内变形、中下地壳韧性挤出、造山带的挤压和伸展同步转换、中深变质岩的韧性变形及剥露过程、部分熔融及岩浆活动等方面存在相似之处,但是,在发育背景、产出部位、流层边界、流层规模、流动型式、流动体制、流动方向、流动物质、流动效应、流动时间、驱动力等方面存在本质的差异。渠流构造基本上可作为层流构造时空结构中的一个组成部分,层流的驱动力是热能和重力,而不是地表剥蚀作用和山体负荷作用。从全球角度来看,层流只是地球多级物质循环流动系统的一个组成部分。     

青藏高原大陆动力学研究若干进展

近10年来,"大陆构造与动力学实验室"在青藏高原大陆动力学研究,尤其在特提斯演化和青藏高原生长方面取得若干进展,包括(1)"青藏高原——造山的高原"理念的提出;(2)青藏高原特提斯体制和构造格架的再造;(3)新特提斯蛇绿岩中原位金刚石和深地幔矿物群的重大发现;(4)新特提斯洋盆俯冲新机制的揭示;(5)印度/亚洲碰撞的早期岩浆和喜马拉雅折返中的作用;(6)喜马拉雅三维碰撞造山机制和折返全过程的初步建立;(7)青藏高原东南缘物质逃逸的新机制——"弯曲与地壳解耦"的提出;(8)青藏高原俯冲型、碰撞型及陆内型片麻岩穹窿;(9)青藏高原东缘汶川强震的构造背景和强震机制;(10)青藏高原碰撞造山成矿模式;(11)印度/亚洲碰撞过程的数值模拟。综述和集成上述成果是为了与同行们交流磋商,进一步共同发展青藏高原大陆动力学理论,向国际地学前沿的冲刺。     

中国地质科学院成立“青藏高原大陆动力学研究中心”

2007年6月20日。中国地质科学院的青藏科学家们，和来自中国科学院青藏高原研究所、地质与地球物理研究所，中国地质大学、北京大学以及加拿大达霍西大学的国内外百余名青藏同仁一起，共庆《中国地质科学院青藏高原大陆动力学研究中心》成立。     

中国大陆地壳铅同位素演化的动力学模型

根据中国大陆中、新生代花岗岩长铅同位素数据库,沿用“铅构造模型”的基本思想并作部分改进,建立了中国大陆地壳铅同位素的动力学演化模型。与全球平均的铅同位素演化曲线相比,中国大陆地壳的原始物质相对较贫铀富钍,并且中国大陆的上地壳和下地壳在演化过程中分异得更加彻底。将本模型应用于大别地区中生代花岗岩长石铅同位素数据,结果发现它们具有壳幔铅混合的特征,并且以上下地壳物质混合产生的类地幔铅为主,花岗岩源岩中含有较高的富Th下地壳组分。     

大陆构造与动力学研究的若干重要方向

为了建立新的地球观，当代地学界把主要科学目标瞄准大陆动力学。大陆构造是大陆动力学的核心领域，涉及到盆地和造山带的形成与演化、大陆岩石圈三维层块结构、大陆下地壳的热状态和流变状态、大陆地震成因和大陆地壳运动的动力来源等一系列重大课题。随着多学科的联合攻关和新技术、新方法的应用，在上述研究领域取得的新突破将导致大陆动力学新理论的诞生，并推动固体地球科学迅速发展，以至带来新的地学革命。     

青藏高原隆升机制新模式

作为创建大陆动力学理论体系的最佳野外实验室的青藏高原, 涉及当代固体地球科学前沿和热点的许多重大科学问题.迄今为止, 包括板块构造在内的众多模式不能合理地解释青藏高原重要的地质和地球物理现象.本文从下地壳与中上地壳、造山带与沉积盆地的耦合作用出发, 对青藏高原及邻区进行分尺度、分层块、分阶段的构造解析, 提出青藏高原隆升的下地壳层流构造模式, 认为青藏高原地壳增厚和构造隆升是晚新生代由于锡瓦利克盆地、塔里木盆地和四川盆地下地壳的热软化岩石大量流向青藏高原造成的.      

东昆仑、玉树、汶川地震的发生规律和形成机理:兼论大陆地震成因与预测

青藏高原东北部东昆仑、汶川、玉树等强震的同震地表破裂不对称发育,伴随余震有规律地分别向东、南东和北北东方向迁移,很可能是源于恒河盆地流经亚东、当雄、安多、库赛湖、治多、玉树、甘孜、汶川的弧形下地壳“热河”的流速和流向变化形成的,下地壳热流物质正在向云南及邻区汇聚形成下地壳“热海”,导致长时间跨季度构造热干旱,其影响超过大气环流的作用。地表破裂不一定受断层控制,震源也不在断层面上,下地壳流动导致中地壳发震并进一步影响上地壳形成同震脆性破裂系统。大陆板内盆山过渡带地震密集,大陆板内地震是在下地壳层流的热动力作用下导致活动地壳分层变形的产物。在大陆盆山耦合、圈层耦合的非线性开放系统中,从大洋底部的软流圈层流进入大陆底部使得地幔软流圈加厚,底辟上升为大陆下地壳流动,为地震活动提供了巨量热能;热软化的下地壳缓慢的韧性流动孕育了大陆板内地震;中地壳韧 脆性剪切带易于积累能量,发生热能与应变能的转化,产生地震,形成震源层;上地壳脆性断层活动和地表破裂是地震释放深部能量的载体和方式之一。地壳稳定性评价的依据应当是地壳的活动性而不是断层的活动性。大陆活动构造区地震活跃期与平静期交替实际上是下地壳地震能量的聚散过程,体现在下地壳热主导的韧性流动构造与上地壳应力主导的脆性破裂构造之间的相互作用。下地壳热软化物质流动过程中流速、流向等突然改变触发地震,并产生共振波。大陆下地壳流层在厚度、温度、粘度、流速、流向上的变化产生一定程度的温度异常、流体异常及与其相关的大气层、电场、磁场、重力场、地球化学场、应力场、应变场、生物场等异常。合理布置天空网、地面网、地下网,综合立体监测有效的地震前兆,系统地开展长期、中期和短临地震预测,能够不断地提高地震预测水平。     

青藏高原的降升与环境变化

基于青藏高原及其周转边地带地球深部结构，构造和大陆动力学的研究，探讨了风瓦纳的古解体后，印度板块北进与欧亚板块碰撞作用的后效。由于印度板块中、上地壳与地幔盖层物质挤入，南北双向挤压力系以及复杂深层动力过程的作用。深部物质被分异、调整，致使地壳缩短增厚，深部物质例向流展，导致青藏高原隆升，随着青藏高原的隆起，形成了特异的深部结构与深层过程，这不仅极大地改变了古亚洲的地貌景观和自然环境，使青藏高原进入     

Temporal-Spatial Structure of Intraplate Uplift in the Qinghai-Tibet Plateau

The intraplate uplift of the Qinghai-Tibet Plateau took place on the basis of breakup and assembly of the Precambrian supercontinent, and southward ocean-continent transition of the Proto-, Paleo-, Meso-and Neo-Tethys during the Caledonian, Indosinian, Yanshanian and Early Himalayan movements. The intraplate tectonic evolution of the Qinghai-Tibet Plateau underwent the early stage of intraplate orogeny characterized by migrational tectonic uplift, horizontal movement and geological processes during 180-7 Ma, and the late stage of isostatic mountain building characterized by pulsative rapid uplift, vertical movement and geographical processes since 3.6 Ma. The spatial-temporal evolution of the intraplate orogeny within the Qinghai-Tibet Plateau shows a regular transition from the northern part through the central part to the southern part during 180-120 Ma, 65-35 Ma, and 25-7 Ma respectively, with extensive intraplate faulting, folding, block movement, magmatism and metallogenesis. Simultaneous intraplate orogeny and basin formation resulted from crustal rheological stratification and basin-orogen coupling that was induced by lateral viscous flow in the lower crust. This continental dynamic process was controlled by lateral flow of hot and soft materials within the lower crust because of slab dehydration and melted mantle upwelling above the subducted plates during the southward Tethyan ocean-continent transition processes or asthenosphere diapirism. Intraplate orogeny and basin formation were irrelevant to plate collision. The Qinghai-Tibet Plateau as a whole was actually formed by the isostatic mountain building processes since 3.6 Ma that were characterized by crust-scale vertical movement, and integral rapid uplift of the plateau, accompanied by isostatic subsidence of peripheral basins and depressions, and great changes in topography and environment. A series of pulsative mountain building events, associated with gravity equilibrium and isostatic adjustment of crustal materials, at 3.6 Ma, 2.5 Ma, 1.8-1.2 Ma, 0.9-0.8 Ma and 0.15-0.12 Ma led to the formation of a composite orogenic belt by unifying the originally relatively independent Himalayas, Gangdisê, Tanghla, Longmenshan, Kunlun, Altyn Tagh, and Qilian mountains, and the formation of the complete Qinghai-Tibet Plateau with a unified mountain root after Miocene uplift of the plateau as a whole.     

青藏高原地震断裂共轭角分布特征及其大陆动力学意义

青藏高原走滑型地震断裂共轭角的分布范围约为 5 0°～ 110°,总的趋势是随着与喜马拉雅驱动边界距离的增大而减小 ,并具有波状起伏的特征 ,反映多震层内应变随距离的变化。该层共轭角的波状起伏与岩石圈下层的应变起伏相互对应 ,前者滞后于后者 ,表明上层共轭角的变化主要受控于下层应变的波动传播。对于地震断裂共轭角分布特征的研究为多震层应变场的推测提供了新的途径     

青藏高原南部晚新生代板内造山与动力成矿

青藏高原晚新生代构造隆升是板块碰撞成因还是板内造山过程 ,关系到高原形成机制、演化过程以及岩石圈动力学与大陆动力学的关系等一系列重大科学问题。近年来在冈底斯发现多个以斑岩铜矿为主的大型和超大型矿床 ,其成矿时代为 2 0～ 12Ma ,与青藏高原构造隆升时代一致 ,也与笔者10年前以大陆动力学和成矿动力学为理论指导的预测结果吻合。青藏高原南部晚新生代大量的地质、地球物理、矿床等方面的证据根本不支持碰撞造山理论 ,如青藏高原内部伸展边缘逆冲、碰撞与隆升之间时差明显 ,壳内低速层和低阻层发育 ,造山与成盆关系密切 ,板内隆升环境下发生大规模构造变形、岩浆活动和动力成矿等。青藏高原南部晚新生代构造隆升作用是在新特提斯开合转换、碰撞造陆之后 ,在下地壳层流作用的驱动下 ,发生板内造山、地壳增厚、热隆伸展和改造成矿的构造成矿过程 ,大规模的板内金属成矿在 3～ 4Ma以来的均衡隆升、成山过程中进一步改造。     

下地壳流变层对青藏高原及其周边大尺度地貌的制约

以下地壳流变层的变形为切入点,结合青藏高原的构造演化、区域走滑断裂的发育性质和高原南部地区的地球物理资料,介绍了下地壳流变层物质向东和北东流动的特性,探讨了青藏高原及其周边地区地貌形态形成的深部地质过程和下地壳流变层在这一过程中的制约作用,并对塔里木地块、鄂尔多斯地块、四川地块的旋转和柴达木盆地自新生代以来迅速抬升的现象做出了新的解释.     

青藏高原北部的碰撞造山及深部动力学——中法地学合作研究新进展

本文展示了中法1995～2000年青藏高原北部地学研究的如下主要新进展：①完成8000km长的青藏高原北部及中部天然地震岩石圈探测剖面，确定若干条岩石圈断裂，发现与新生代火山喷发有关的青藏高原中部深处的低速、低密度体，塔里木地块俯冲于阿尔金山之下；②提出阿尔金断裂形成于220～240Ma和左行平移400km的科学依据及确定其新生代变形量；③确定祁连南缘350km长的高压-超高压变质带，提出其可能代表早古生代时期北中国板块与扬子板块之间西部界限的新认识；④根据加里东期蛇绿岩、花岗岩及俯冲杂岩带的新发现，初步建立了古碰撞造山格架；⑤提出高原隆升的“地幔底辟和内向陆内俯冲”的新假设。     

大陆地震构造系统: 以青藏高原及邻区为例

青藏高原及邻区三角形发震构造域是全球大陆最显著的地震多发区.脆性活动断层及其弹性回跳模式无法合理解释该区深度集中分布在10~40 km的点状震源.针对发震构造和地震机理不明确这一重大科学问题, 以大陆动力学和地球系统动力学新思想为指导, 对青藏高原及邻区发震构造系统进行域、层、带、点相关研究, 阐明大陆地震构造系统的结构型式, 认为下地壳固态流变及其韧性剪切带是提供地震能量的孕震构造, 中地壳韧-脆性剪切带是累积地震能量的发震构造, 上地壳脆性断裂是释放地震能量的释震构造.在研究青藏高原及邻区地震构造系统及其形成背景的基础上, 进一步论证了大陆地震热流体撞击的形成机理: 地幔墙导致大洋中脊之下的软流圈热流物质层流到大陆特定部位汇聚加厚并底辟上升, 造成大陆下地壳部分熔融和固态流变, 并改变莫霍面的产状, 固态流变物质侧向非均匀流动, 形成大陆盆山体系, 流动的韧性下地壳与脆性上地壳之间具有韧-脆性剪切滑脱性质的中地壳不断积累由下地壳热能转换而来的应变能, 形成发震层, 震源定位于下地壳热流物质富集带("热河")中的固态-半固态流变物质撞击到强弱层块之间的构造边界, 不同热构造环境和撞击角度产生5种不同类型的地震.从而为大陆地震的科学预测奠定了全新的理论基础.      

青藏高原东北缘伯阳地区第三系流纹岩地球化学及岩石成因

伯阳第三系流纹岩出露于青藏高原东北缘特殊的构造部位,位于青藏、华北和扬子三大构造域的交接转换区域。岩石的w(Si O2)介于68%~76%,w(K2O)>w(Na2O),w(K2O)/w(Na2O)平均值1·25,为一套典型的壳源流纹岩岩石系列。岩石微量及稀土元素具有典型的板内火山岩特征,K、Th、Rb等元素呈较明显的富集状态,而岩石显著的低Sr特征((19~120)×10-6)表明其并非源自加厚的下地壳,而是起源于斜长石稳定的正常下地壳。正是由于新生代期间青藏高原东北缘强烈的造山环境,加之渭河断裂的发育为下地壳物质提供了减压熔融的有利条件,从而诱发下地壳的局部熔融,形成伯阳酸性火山岩的原始岩浆。该岩浆体系沿区域断裂构造体系上升,并经历了较强的结晶分异和演化,最终形成伯阳第三系流纹岩系列。     

青藏高原岩石圈演化与地球动力学过程——亚东—格尔木—额济纳旗地学断面的启示

笔者等完成的亚东—格尔木和格尔木—额济纳旗地学大断面揭示出青藏高原岩石圈的基本结构、组成、演化和地球动力学过程,发现了印度板块在南缘向喜马拉雅山下俯冲、阿拉善地块在北缘向高原下楔入的证据,它们构成了使高原隆升的主要驱动力。多学科研究表明,青藏高原是一个由8个地体拼合的大陆。高原内部地壳20～30km深度附近普遍发育低速高导层,它是构造应力去偶层,其上地壳脆性变形,逆冲叠覆,缩短增厚;其下地壳结构横向变化大,韧性变形。藏南下地壳(50～70km)速度发生逆转;而藏北下地壳速度增高并呈梯度变化,具有双莫霍面特征。高原莫霍面起伏变化大,南北边缘山脉山根特征明显,在高原内部缝合带两侧莫霍面多有断错。虽然高原地壳巨厚,但是岩石圈地幔并没有增厚。高原隆升经历了俯冲碰撞(K_2—E_2)、会聚挤压(E_3—N_1)、及均衡凋整(N_2—Q)3个阶段。青藏高原岩石圈现今处于双向挤压的动力学环境,莫霍面的不稳定变化,岩石圈地幔下沉等因素引起的壳幔之间和岩石圈与软流圈之间的相互作用,地壳的走滑与拉伸作用,是维持高原现今高度和范围的主要动力学因素。