扬子陆块北缘构造演化新认识：来自原花山群年代学和地球化学的制约

原花山群分布于紧邻南秦岭的扬子陆块北缘大洪山地区,出露于重要的构造部位,是研究其形成时期扬子陆块构造演化及其与南秦岭关系的重要载体,其物质组成、形成时代和构造属性长期存在争论。本文将原花山群解体为花山构造混杂岩和正常的火山—沉积地层（本文所指花山群）两部分来讨论。笔者重新厘定了花山群的沉积时限,有针对性地对有构造背景争议的花山群进行玄武岩地球化学研究,对有时代争议的混杂岩进行锆石U-Pb年代学研究。年代学、地球化学和沉积学综合研究表明,花山群的沉积时限为ca. 830 Ma至ca. 800 Ma,形成于与Rodinia超大陆裂解有关的陆内裂谷盆地。花山构造混杂岩带可能不只是晋宁期的缝合带,而是具有多期物质组成、经历了多期构造叠加的复合型缝合带。结合他人成果,我们提出了扬子陆块与南秦岭从新元古代到早古生代的构造演化新模式。     

Mantle property of Hegenshan ophiolite in Inner Mongolia: Constrains from element geochemistry and Re-Os isotopes of harzburgiteSCIEI北大核心CSCD

贺根山蛇绿岩带是中亚造山带东部出露面积最大的晚古生代蛇绿岩带,然而研究者对它是大洋岩石圈的残余还是陆内岩石圈地幔伸展的产物仍存在较大争议,主要归因于一直缺少橄榄岩Re-Os同位素的有效制约。基于此,本文对贺根山蛇绿岩中方辉橄榄岩进行了系统的岩石学、地球化学和Re-Os同位素研究。方辉橄榄岩主要由橄榄石、斜方辉石、粗粒的铬尖晶石和少量单斜辉石组成。贺根山方辉橄榄岩具有难熔地球化学特征,显示出高的MgO(45.1%~48.1%)含量,低的CaO(0.09%~0.26%)和Al 2O 3(0.58%~0.90%)含量及Tb/Yb比值,低于原始上地幔的^(187)Os/^(188)Os(0.1236~0.1263)同位素组成;橄榄石具有较高的Fo值(91.0~91.7)和NiO含量(0.26%~0.48%),而且单斜辉石具有低的重稀土含量,暗示了贺根山方辉橄榄岩是尖晶石相陆下岩石圈地幔高程度(20%~30%)部分熔融的难熔残余。另外,方辉橄榄岩相对富集LREE和大离子亲石元素,亏损高场强元素(例如Nb、Ta),且单斜辉石具有高Ti/Eu值和低的La/Yb,揭示了地幔源区受到硅酸盐熔体交代作用的改造。另一方面,方辉橄榄岩显示出相对年轻的Re亏损模式年龄,t RD为454~825Ma,表明贺根山地区岩石圈地幔形成的时代应该在0.8Ga之前,而后经历过多期熔体抽离和交代,与区域上大规模地壳增生时代吻合,可能是罗迪尼亚超大陆裂解的响应。结合蛇绿岩中大量深源矿物(金刚石等)和捕获锆石的存在、南北两侧一致的地质记录,本文认为贺根山方辉橄榄岩可能是陆内伸展环境下深部地幔物质上涌减压熔融的产物。     

太古宙的洋-陆与古地理问题*

大陆最古老的陆壳物质是沉积岩中4.4 Ga的碎屑锆石,最古老的陆壳岩石年龄为4.1-4.0 Ga,出露面积约20 km²。3.9-3.6 Ga的古老陆核出露在不同克拉通中,而大陆的生长峰期是在2.9-2.7 Ga,全球稳定的陆壳圈层形成是在~2.5 Ga,被称为克拉通化。陆壳以英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩(TTG)为代表,体积占古老陆壳的~70%以上。古陆表现为高级片麻岩区-花岗绿岩带格局(穹隆-龙骨格局),与显生宙的洋-陆格局不同,暗示构造体制的差异。火山沉积组合即是围绕高级片麻岩地体以层状向斜方式存在的绿岩带,后者相对变质很浅或未变质。早期地球演化中,先有陆还是先有洋、陆核形成和生长的机制、什么时候开始有露出海面的陆地、太古宙时期的洋-陆格局等等都还没有定论。古元古代时期,全球长期处于伸展阶段,巨厚的裂谷型沉积以及伴随的大氧化事件,可能是开启古地理研究的最早地质时期。本文还以华北克拉通为例,作了陆壳演化的简单介绍。     

南海北部琼东南盆地第四系陆架边缘轨迹迁移及深水沉积模式

陆架边缘迁移轨迹综合受控于构造、物源、海平面和气候等多种因素,其迁移演化与深水沉积体系发育关系密切。陆架边缘迁移规律及沉积物输送体制与深水砂体预测是当前国际地学领域的热点议题。本文通过基于琼东南盆地新采集的高精度地震资料,定量表征了第四系陆架边缘轨迹,识别了低角度缓慢上升型、中等角度上升型和高角度急剧上升型等3类陆架边缘轨迹类型。2.4 Ma以来,陆架边缘轨迹时空演化可分为3个阶段且具有侧向差异性:2.4~1.9 Ma以低角度缓慢上升型为主,1.9~0.8 Ma西北部以低角度缓慢上升型为主,东北部则以中等角度上升型为主,0.8 Ma至今西北部以中等角度上升型为主,东北部以高角度急剧上升型为主。琼东南盆地第四系陆架边缘迁移轨迹研究表明:当陆架边缘轨迹角0°<α<4°时,陆坡区峡谷规模较小且下切浅,深海平原区发育多期大型海底扇沉积,块体搬运沉积(MTDs)较少;当4°<α<35°时,陆坡区峡谷规模有所增加,深海平原区海底扇沉积与块体搬运沉积均有出现;当35°<α<90°时,陆坡区峡谷发育较少但下切深,深水平原区沉积以大型块体搬运沉积为主,海底扇几乎不发育。琼东南盆地更新世以来气温不断下降,以及东亚冬季风的显著增强,物源供给增强加之海平面的下降进而导致了西北部陆架边缘表现为进积特征;研究区东北部的断裂活动频繁以及物源供给弱,导致了研究区东北部陆坡推进距离远远小于研究区西北部且发育多期次块体搬运沉积物。以上认识对南海北部陆架边缘体系及深水扇预测具有一定的理论意义。     

深海海底边界层原位观测系统研发与应用

为进一步研究南海北部陆坡海洋动力过程对深海海底边界层的影响,研发了“深海海底边界层原位观测系统(In-situ Observation System for Bottom Boundary Layer in Abyssal Sea)”,ABBLOS。观测系统主体为坐底式深海运载平台,最大工作水深可达6 700 m(实际工作水深取决于搭载设备的耐压水深),是研究深海海底边界层问题的重要技术创新。观测平台由上下两部分框架结构组成,上部框架用于搭载和回收观测设备,下部支撑架为配重,并且用于提供距离海底1 m的观测空间;同时创新性地设计了“卡槽定位-螺栓紧固”的连接方式连接上下两部分,连接方式简单可靠,保证了平台回收成功率。ABBLOS集成了75 k-ADCP、高频ADCP、ADV、高精度压力计、海底摄像机等设备,以及甲烷、温盐深、浊度、溶解氧、氧化还原电位等传感器,首次实现了内波、中尺度涡等海洋动力过程与海底边界层物理化学参数的动态变化同步观测,特别是可以观测距离海底1 m高度范围的水体流速剖面,并且达到7 mm一层的垂向空间分辨率。研制完成后,2020年在南海北部陆坡神狐海域655 m和1 405 m水深处分别成功布放并回收,观测时间共计34天,采集到观测站位上覆海水的流速剖面结构,捕捉到了平均周期为1天1次的内波作用过程,以及海底边界层的多种物理化学参数。初步分析655 m水深处的观测数据后,发现深海海底边界层的温度、压力、溶解氧、密度和盐度等参数受控于海洋潮汐过程,尤其是温度和压力的变化基本与潮汐周期同步。海底边界层氧化环境较为稳定,甲烷浓度由高变低,但是基本在海洋溶解甲烷平均浓度范围内。与潮汐相比,内孤立波对深海海底边界层水体的影响程度较小,但是明显可以引起沉积物的再悬浮,引起的海底边界层的海水浊度从背景值的0.01 NTU增大到48 NTU,海底摄像机也记录到了内孤立波期间深海底层海水突然变浑浊的过程,说明南海内孤立波可以影响海底沉积物的输运。     

中国中西部褶皱冲断带构造变形机制与结构模型

基于复杂构造解析和实验模拟研究,揭示了中西部前陆褶皱冲断构造带主要表现为受侧向挤压形成的滑脱冲断构造变形过程和结构样式;明确了单层滑脱挤压冲断构造变形存在临界增生和非临界增生两种变形机制,发育脆性拆离型、塑性滑移型和黏性流动型3种作用类型,并受滑脱层强度、地层厚度、底部边界和外动力过程等4种主要因素影响。复杂冲断构造带基本上表现为受多层单滑脱作用控制形成的垂向叠置组合结构,本文提出了复杂滑脱冲断变形结构的可分解性以及受不同性质的滑脱层组合控制形成特征结构模式,并揭示了前陆冲断带前缘多滑脱构造变形结构中由浅层向深层逐渐发育的变形时序;建立了中西部再生前陆冲断带结构模型、构造单元以及基本构造类型;并基于前陆盆地多阶段构造演化过程以及晚期的隆升剥蚀-沉降沉积过程,提出了中西部两种类型冲断带的控油气作用及其勘探领域。     

古生代中国中西部三大陆块古地理位置重建与演变

针对古生代中国中西部华北、华南和塔里木三大陆块在全球洋-陆格局中的古地理位置还存在的争议问题,本论文以国际最新的古地理位置重建研究方法和思路,在对中国三大陆块盆地(鄂尔多斯、四川和塔里木盆地)古生界钻井岩心的古地磁实测研究、全球古生代古地磁数据收集与有效性筛选处理、全球主要地质事件约束等多参数融合分析的基础上,采用最新的 GPlates 板块重建方法,对中国华北、华南和塔里木三大陆块在全球洋-陆格局中的古地理位置进行了重建和定位。研究结果表明:古生代三大陆块主要在全球 ±30° 之间的南北中低纬度之间迁移;三大陆块在古生代至少发生了 3 次不同的顺时针旋转和方位角转换;三大陆块运移速率至少经历了 3 次以上不同高、低速度间的转换与变化过程;响应于古生代全球洋-陆形成与演化,中国三大陆块古构造格局总体上经历了洋盆扩张下的“多岛洋”离散、俯冲碰撞下的离散-汇聚并存、俯冲消减下的差异汇聚隆升、新旧洋盆转换下的差异汇聚-离散、拼合与地幔柱控制下的差异汇聚-离散内部拉张的差异性演变过程。古生代中国三大陆块在全球洋-陆格局中的位置与差异性演变,奠定了中国三大陆块古生代不同性质盆地的形成与演化、不同层系油气烃源、储集原始物质差异性发育的基础。     

北山造山带南部晚古生代花岗岩?闪长岩的成因与构造意义

北山造山带位于中亚造山带南部,是中亚造山带的重要组成部分.为了进一步深入认识北山造山带晚古生代的构造?岩浆演化过程,选择北山造山带南部石板墩?白墩子地区的晚古生代花岗岩?闪长岩开展了岩石学、锆石U-Pb定年、Hf同位素、微量元素及岩石地球化学研究.LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学研究限定了石板墩花岗岩形成于~304~ 302 Ma,石板墩闪长岩形成于~291 Ma,白墩子石英闪长岩形成于~270 Ma.它们的锆石Hf同位素均呈现较亏损的特征（ε_Hf（t）=-2.0~+15.7）,且由老到新,亏损程度依次增加.岩石学和地球化学特征暗示了亏损地幔来源岩浆在北山造山带晚古生代岩浆活动中的主导作用,亏损地幔来源岩浆与古老地壳部分熔融形成的岩浆以不同比例混合,形成了复杂的岩石组合.因此,晚石炭世?早二叠世花岗岩?闪长岩可能形成于后撤式增生造山作用导致的弧后伸展构造环境.      

南海北部洋-陆过渡带深部结构与岩石圈破裂过程

洋-陆过渡带是理解大陆岩石圈破裂和海底初始扩张的关键位置,但是在南海北部地区仍然存在关于相关地质过程的诸多疑问.通过近年开展的国际大洋发现计划航次以及深部地质地球物理探测,取得以下4个方面的认识.（1）南海北部的洋-陆边界一般与自由空间重力异常的正-负值过渡位置对应,而更加准确地限定需要结合反射、折射地震资料.稳定大洋岩石圈生成与大陆岩石圈最终破裂之间的洋-陆过渡边界的位置比以往认为的还应往深海盆方向移动.（2）洋-陆过渡带代表了远端带构造作用减弱和岩浆作用逐渐增强的区域.陆坡地壳发育扩张后岩浆底侵、洋-陆过渡带发育同破裂期岩浆喷出结构和侵入反射体.（3）在中生代的古俯冲带弧前区域,新生代的断裂沿着早期的构造开始活动,岩石圈多处发生强烈的共轭韧性剪切作用.随着大陆岩石圈的进一步拉伸减薄,部分靠陆一侧的裂谷中心停止张裂,成为夭折裂谷,以台西南盆地南部凹陷、白云凹陷、西沙海槽为代表,而南海陆缘异常伸展和最终破裂的地方集中在南侧裂谷中心.夭折裂谷下亦发现地幔蛇纹石化,进一步反映了较弱的同破裂岩浆活动.（4）南海初始洋壳的增生沿着大陆边缘走向具有显著的变化,南海东北部洋-陆过渡带下伏地幔明显抬升和部分蛇纹石化,地震纵、横波速度以及折射波衰减特征都支持此观点,反映南海东北部是一个贫岩浆型大陆边缘.未来,南海北部洋-陆过渡带有望成为南海“莫霍钻”的理想备选钻探区.