Question

区域大地构造及研究意义

Answer 1

1.1.1 区域大地构造的研究历史和意义

地质学是主要研究固体地球的表层——地壳或岩石圈的科学，研究内容主要包括固体地球的物质组成、内部构造和形成演化历史，其从不同角度揭示地球各种地质作用和地质过程的客观规律。在地质学的分支学科中，大地构造学占有重要地位，其通过综合地质学各分支学科资料，总结区域或大区乃至全球范围的地质演化历史，从而建立各种地质作用和地质过程间的动力学联系，帮助人们正确、合理认识地球演化。区域地质演化过程直接控制区域地形、地貌和气候的变化、矿产资源的分布、某些地质灾害的发生。因此，研究区域大地构造及演化史，对于深化地质研究、深入了解与人类生活密切相关的自然资源、环境变化和规律，为人类社会可持续发展提供资源保障和环境支持，具有重要的理论和实际意义。

大地构造学是中国地质学研究中最活跃的学科之一，从19世纪晚期开始，中国大地构造的研究已经有100多年的历史。任纪舜、杨巍然等分别对中国大地构造研究历史做过精彩的总结，将中国大地构造研究过程划分为以下几个阶段^[1，2]：1949年以前为开创和奠基时期；1949～1976年为发展和百家争鸣时期；1976年至20世纪末为板块构造盛行时期，分别经历了70年代的反思与急追、80年代的与国际接轨和90年代的聚焦到大陆岩石圈重大地质问题的深入研究等阶段。21世纪以来进入了构造研究的新航程，美国科学家在《构造地质学与大陆动力学的新航程》中提出的“超越板块构造”的新课题，无疑是新航程的重要起点。中国大陆大地构造单元众多，地质演化历史复杂，发育很多独具特色的地质现象，是研究大陆形成演化过程及其动力学机制的理想场所。一个多世纪以来的地质研究历史，特别是大范围的区域地质填图积累了丰富的资料，为总结区域地质演化规律，进而研究和探讨大陆动力学问题，奠定了坚实的基础。在这个新时期，中国区域大地构造研究面临的主要任务应该是：详细清理现有区域资料，总结区域演化规律，并将区域大地构造研究融入地球表层系统科学研究中，从研究全球大陆演化的角度和发展完善地球科学理论的高度，探讨中国大陆的形成演化历史及其动力学机制，为国家经济建设服务。

1.1.2 板块构造理论与大陆动力学问题

板块构造学说起源于大洋的研究，其基本思想是：固体地球上层在垂向上可划分为物理性质显著不同的两个圈层，即上部的刚性岩石圈和下垫的塑性软流圈；刚性的岩石圈在侧向上可划分为若干大小不一的板块，板块间以洋中脊、海沟和转换断层等为边界；板块漂浮在塑性较强的软流圈之上作大规模的运动，使板块间发生离散、汇聚和走滑作用，导致大洋扩张与大陆裂解和重组，并在板块边界发生地震、火山活动等；板块内部是相对稳定的，板块的边缘则由于相邻板块的相互作用而成为构造活动性强烈的地带；板块之间的相互作用从根本上控制着各种地质作用的过程，同时也决定了全球岩石圈运动和演化的基本格局。一般认为板块运动的动力来自地幔对流和海底扩张作用。

板块构造理论虽然完美地描述了大洋板块动力学的海底扩张和俯冲机制，较好地阐明了大洋开合演化及大陆分裂与重组的动力学，但由于它强调水平运动忽视了垂直运动，强调地幔对流忽视了地球不同层圈之间的相互作用，所以在解释大陆远为复杂的物质增生与消减过程，以及大陆内部的地质演化等方面，遇到了相当大的困难。许多学者认为，大陆地区与大洋地区至少在上地幔深度范围内存在巨大的动力学差异，现有的板块构造理论不能简单地搬来解释大陆的动力学过程。由于人类社会面临日益严重的资源、环境和地质灾害问题，探索大陆内部，特别是后碰撞的地质作用特征和成因机制，使地球科学更好地为人类社会发展服务，就成为当今地质学家们面临的巨大挑战和机遇。

长期以来，大陆的成因和演化问题就一直是地学家关注的对象。随着对固体地球科学理论研究的不断深入，人们对大陆的认识正在进入一个新的高度，即从对大陆地壳浅表部的局部认识上升为对大陆地壳-地幔系统的整体认识。随着地学信息量的巨大增加以及岩石圈计划的开展，岩石圈结构构造与演化的研究正在向建立全球动力学和大陆动力学理论研究方面转变。这样一方面使板块构造理论得以完善和发展，另一方面也对板块学说的基本原理、板块运动的作用过程提出了质疑和反证。与此同时，如黏性流模型（viscous flow model）、后板块理论（post-plate tectonics）、颤动构造（surge tectonics）^[3]、地幔羽构造（plume tectonic）^[4]等大地构造理论模式相继提出，大陆演化的动力机制模式向多元化方向发展。因此，无论是从进一步深化板块构造理论还是从发展新的地球动力学理论出发，探索大陆动力学已成为当前和今后一段时期内固体地球科学研究中最重要的课题之一。

1.1.3 大陆动力学及其在大陆构造研究中的作用

大陆动力学是在板块构造学说基础上提出的重要科学问题和研究领域。它主要研究与大陆形成、演化相关的动力学机制等基本问题，它通过研究大陆形成过程和演化历史等各种基本问题，来阐明大陆与整个地球系统是如何相互作用的。这一概念的提出，是基于已经获得的资料表明大陆与大洋岩石圈乃至上地幔的结构不同。大陆岩石圈的生成、保存和消失过程要比板块构造学说所阐明的大洋岩石圈生长和消亡过程复杂得多。

大陆动力学显然是继承和发扬了板块构造的基本理论，但它不论在深度上还是在广度上都超越了板块构造的研究范围。从深度上讲，它试图细化板块运动过程，探讨和揭示造山带构造、岩浆、变质等产物在板块运动期间的形成机制和形成过程，而不像以往板块构造理论只限于对板块构造环境中各种构造变形特征、岩石组合特征的描述上。从广度上来讲，它研究以往板块构造所没有涉及或很少问津的许多重要问题，如地壳中流变层的形成和对上部地壳应变的作用、地幔与深部地壳的耦合作用、莫霍面的形成机制、流体和热对应力场的影响、造山期间大规模流体运移及其后果、壳-幔物质交换和再循环、深部岩石的剥露过程等。从造山带的演化过程来看，以往板块构造研究的重点是放在识别是否存在大洋，什么性质的洋？有没有俯冲、什么类型的大陆边缘？板块碰撞的方式是什么、什么时间结束？基本没有涉及碰撞之后的历史和大陆内部的地质过程。而大陆动力学研究的重点则是放在大陆内部的研究，包括造山带岩石圈增厚、抬升和岩石侵位剥露的主要过程上，即挤压作用、走滑作用和伸展作用在造山带形成中的表现，以及他们同板块运动产生的应力和陆壳厚度导致的浮力之间的关系，花岗岩、镁铁与超镁铁质岩、深变质岩的形成、侵位和剥露过程等^[5]，以及大陆内部的地质过程及其动力学机制。

大陆动力学问题的研究与板块构造学说不是对立的。板块构造学说尽管有其局限性，但可以较好地解释大陆形成过程中古洋演化历程及大陆拼合的过程，而大陆动力学探索的则是古洋形成以前和古洋闭合以后大陆的演化及其动力学。大陆地壳真的可以循环吗？答案是肯定的。剥蚀与再沉积作用、深熔岩浆活动和变质作用都在一刻不停地把古老的大陆转变成年轻的大陆。如同我们已在大陆内部发现有很少的古洋岩石圈残片，说明大洋岩石圈大部分返回地幔一样，大陆古老岩石圈较少的原因很可能是它们已经转变成了年轻的大陆壳，问题是这一转变的机制是什么，时限又有多长，还需要我们孜孜不倦地去追求。大陆动力学本来面貌被完全揭示并与板块构造有机结合之时，将是真正的全球构造学说诞生之日^[6]。

20世纪90年代以来，国际地学界一直非常注重大陆动力学领域的研究，国际岩石圈计划的重点从岩石圈的结构、构造和演化转向了过程和动力学，其中大陆岩石圈、深部作用过程和动力学成为国际岩石圈计划4个主要领域中的两个。美国国家科学基金会、地质调查所和能源部联合提出并实施了为期30年（1990～2020年）的“大陆动力学计划”，其目的是建立大陆不同尺度的动力学演化模型，为地震动力预报、油气和金属矿产三维预测及大尺度生态环境变化预测提供新的基础。英国自然环境研究委员会1994～2000年地球科学战略报告中也把大陆动力学列为其专题性重点研究领域，并集中研究大陆深部构造与成分、大陆边缘构造、地壳垂直运动在岩石循环中的作用及其与地表作用的关系等4个问题。此外，由欧洲16个国家针对大陆成因与演化而共同开展的“欧洲透镜”计划从1992年开始实施，延至21世纪初，其目的是增进对地球壳-幔构造演化和控制及其随时间演化的动力学过程的理解。

我国开展大陆动力学研究的有关工作几乎与国际同步^[7]：20世纪90年代初，我国地学界就开始热烈讨论开展中国大陆动力学研究的问题，并将大陆动力学作为优先研究领域列入国家“九五”有关基础研究的战略规划之中。科学技术部为此设立了“大陆科学钻探”、“现代地壳运动观测网”等重大科学工程和“青藏高原形成演化及其环境、资源效应”、“大陆深俯冲作用”等国家重点基础研究发展计划项目；国家自然科学基金委员会通过设立一系列重大、重点项目和面上项目，支持专家对我国大陆主要构造单元（造山带、盆地和地盾）的岩石圈结构与演化开展多学科研究；中国科学院、国土资源部和中国地震局等部门也针对大陆动力学问题部署了相关的大型观测、调查和研究项目。通过上述工作，对我国主要造山带及其他构造单元的岩石圈结构和演化有了不少新的认识，并积累起一大批宝贵的地质、地球物理和地球化学资料与数据，为我们进一步系统规划和开展大陆动力学研究奠定了良好基础。

山东省地质构造较为复杂，太古宙大量TTG岩系的形成、苏鲁超高压变质带的形成与折返、不同时代（古元古代、新元古代、中生代）碱性花岗岩的发育，以及中生代大规模花岗岩的成因与剥露、中生代陆相富碱质钙碱性火山岩、胶北金元素的爆发性富集和新生代幔源玄武岩的喷发，都是我国乃至世界上很典型的地质构造事件，也是经典的板块构造学说难以解释的。可以说，山东陆域是解决大陆动力学问题的最佳地区之一，是大陆动力学研究的天然实验室；同时，研究山东省的地质构造格架与大陆地壳演化，必将为解决山东省面临的资源、环境和地质灾害问题作出贡献。