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1 第一章 绪论 构造地质学是地质学的基础学科之一 主要是研究组成地壳的岩石 岩层 和岩体在岩石圈中力的作用下变形形成的各种现象 构造 研究这些构造的几 何形态 组合形式 形成机制和演化过程 探讨产生这些构造的作用力和方向 方式和性质 第一节 当代构造地质学进展 2 0世纪 6 0年代以来 随着人们对未来资源 地质灾害和环境效应的日益 关注 新技术的进步及其在地质实践中的广泛应用 使当代构造地质学得到了 革命性的进展 许多新思想 新概念和新方法急剧涌现 积累了多方面的基础 资料和新的发现 从而突破了 5 0 年代及以前的过时的构造观和方法论 使构造 地质学成为内容崭新的现代科学 一 板块构造学说的建立 在地质学发展史上 板块构造学说标志着一个时代的终止和另一个时代的 开始 直至板块构造学说问世后 地球科学家才比较成功地回答了地球是怎样 运动的 它所提供的坚实的理论基础 促使地质学有可能从定性描述走向定量 和预测 从区域的研究走向全球的规模 从资料的收集走向原理的探求 尹赞 勋 1 9 7 1 板块构造的出现标志着过去准静态的地球模式已被抛弃 代之以高 度活动的动力地球观 马杏垣 1 9 8 7 板块构造应用于大陆的地质实践 使人们获得了许多有关大陆边缘和造山 带构造的新认识 1 9 7 4 年 大陆反射剖面联合项目 C O C O R P 对阿巴拉契亚山 的地球物理研究 在过去所谓的阿巴拉契亚山结晶轴的兰山下 发现了一条巨 大的近水平的逆冲拆离构造 它使前寒武变质岩系远距离地逆冲到下古生界地 层之上 这一具有重大理论意义和实际意义大发现 引起了对逆冲推覆构造的 一次研究热潮 7 0 年代末 对美国西部盆岭区的构造研究揭示了大规模的角度 正断层的存在 使伸展构造得以蓬勃发展 地质和地球物理研究的结合 使人 们认识到岩石圈的多层次滑脱 对大量薄皮构造的认识是对深断裂在地壳中占 主导地位的传统概念的突破 古地磁在地学中的应用 揭示了地壳岩石圈块体 的大规模平移的存在 所有这些成就 使构造地质学从以注重于造山带的挤压 机制下形成的褶皱和断层的研究扩大到不同体制下形成的构造的研究 即对收 缩构造 伸展构造 走滑构造和隆升构造的全面研究 二 岩石微观变形研究 变形岩石的微观构造研究 是近代地球物理学的重要组成部份 构造物理 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 2 研究各种尺度的变形过程 变形机制和变形条件 岩石变形的环境因素 如温 度 压力 应力等 在一定的条件下 可以通过变形岩石的显微构造和组构记 录保存下来 因此 研究和分析这些显微构造和组构特征 可以推导岩石变形 时的环境条件和恢复变形的历史 在岩石微观变形机制研究方面 超微技术的应用及模拟天然变形条件下的 高温高压岩石变形实验研究 揭示了晶体塑性变形的微观机制 促使对糜棱岩 的重新定义 提出了断层的双层模式 推动了对韧性剪切带的研究 确定了韧 性剪切是深层次岩石塑性变形的主要机制 进而提出了构造层次和变形相的概 念 从此 构造地质学从主要研究中浅构造层次的褶皱和脆性断裂扩大到注重 于深层次的韧性变形研究 三 定量研究 定量分析研究是构造地质学的重大进展 岩石和煤镜质组反射率光性组构 的有限应变测量方法的广泛应用 可以定量或半定量的了解区域岩石的变形量 变形形式和岩石变形的运动学图像 平衡剖面技术的发展 使人们可以较精确地估算造山带的缩短量 盆地的 伸展量等岩块的相对位移量 利用成因矿物学 包体测温及变形岩石的的古地温计和古应力计 有可能 定量地估算岩石变形时的围压 温度 应力差及应变速率等参数 第二节 构造地质学的发展趋势 2 1 世纪 地球科学研究已发生了重大跨越 从各分支学科分别致力于不同 的圈层研究 进入了对地球系统整体行为及其各圈层相互作用的研究 从区域 尺度的研究 步入以全球视野对诸多自然现象与难题进行的整体系统研究 从 以往偏重于自然演化的漫长时间尺度到重视人类影响过程 把微观机理的研究 与宏观研究紧密结合 形成了有机的整体 是地球科学的整体研究进入一个可 能预测和调控人类生存环境变化的时代 美国构造地质界在深刻分析当代全球构造研究进展和大洋与大陆地质构造 差异的基础上 首次以明确的态度宣称 迄今在地学界占主导 并已流行近半 个世纪的板块构造理论和模式并不适用于大陆地质 明确地提出了超越板块构 造 流变作用与大陆造山作用 丢失的联系 从地震到造山作用 大地构造 气候和地表系统的动态相互作用和地球与生命的共同演化等四个大的研究课 题 以全新的流变学为核心的理论模式去解开大陆构造之谜 继提出全球变化 地球系统科学 大陆动力学与地球科学基础研究的机遇之后 再一次提出了当 代地学发展前沿的重大研究课题 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 3 第二章 板块构造基础 板块构造是地球表层岩石圈破裂成若干块体 彼此之间相互移动所形成的 构造 大地构造的演化 岩浆活动 矿床富集以及地震的发生等等 都与板块 构造有密切联系许多事实说明 各个板块确实是在不断地运动 许多地质现象 也只有用板块构造才能作出合理的解释 第一节 大陆漂移说 天文学家 地球物理学家和气象 学家魏格纳 W e g e n e r 在 1 9 2 1 年的 大陆的生成 一文和 1 9 1 5 年的 海 陆的起源 一书中形成了较为完整而 系统的大陆漂移的假说 魏格纳认为 大陆由较轻的刚性硅铝层组成 它漂 浮在较重的粘性的硅镁质洋底之上 硅铝层原曾覆盖过地球的整个表面 随后由于皱缩使其面积减小而厚度增 大 到古生代末期和中生代初期演变 成一整块联合古陆 即泛大陆 相应 的海域只有一个 即泛大洋 中生代 开始 特别是侏罗纪时 这个大陆裂 开 解体 并发生巨大的水平移动 于是形成今天的各大洲和各大洋 图 2 1 大西洋和印度洋是在大陆解体 漂移过程中的产物 原来的泛大洋缩 小为今日之太平洋 魏格纳列举了大 量的地质学 古生物学和生物学 古 气候学 大地测量学 地球物理学等 等方面的事实来论证他的结论 并且 运用他的学说广泛地讨论了大陆褶 皱 断裂 洋底构造 海沟和岛弧以 及不同大陆边缘的形成原因 大陆漂移说为地学界普遍接受时 5 0 年代中期以来地球物理学取得巨大 进展后实现的 越来越多的古地磁资 料表明 大陆相对于地极的位置发生 过重大改变 上地幔低速层的发现及 其具有缓慢流动的塑性性质的确定 图 2 1 魏格纳的海陆演化图 1 晚石炭世 2 始新世 3 晚第四纪 白色为陆地 细点为海水淹没的陆地 斜线为 洋底 假定非洲固定 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 4 使岩石圈可以借助于低速层的润滑作用而滑动 海的扩张的确立为大陆漂移提 供了驱动机制 于是 大陆漂移说在新的基础上复活和发展而成为板块构造理 论的主要支柱之一 按照现代的理解 大陆漂移是在岩石圈与软流圈界面上漂 移 即岩石圈板块驮载在缓慢流动的低速层之上 后者起了一个润滑作用 使 得上覆的岩石圈板块受海的扩张和地幔对流等作用向两侧移动 第二节 海底扩张 一 海底扩张的概念 海底扩张是赫斯 H e s s 和迪茨 D i e t z 1 9 6 1 几乎于 6 0 年代初同时提出 来的 是在肯定地幔中规模巨大的热对流体是影响岩石圈的主要构造动力的基 础上提出的 他们认为 洋底是在洋中脊产生 随后向两侧扩散 而在海沟下 沉入地幔深部的 洋底比较活动 是主动的移动 大陆则是在地幔对流体上被 动地运移的 大陆之下的地幔上升流使地幔裂开 分裂的硅铝质陆块驮在对流 体上随硅镁层而漂移 最后停止于地幔下降流位置 并使硅铝层变质和变形 可见 海底扩张说实际上是一个大陆和大洋盆地演化的新假说 威尔逊则把地 幔对流限制在岩石圈以下的软流圈中 软流圈的运动带动了其上的岩石圈一起 运动 按目前的理解 海底扩张可以概括为 地幔物质在洋中脊随地幔上升流而 上涌形成新的大洋岩石圈 新生的岩石圈推挤着原来的岩石圈随着软流圈的侧 向流动而不断从洋中脊向两侧扩张移动 在海沟随着地幔下降流而俯冲消亡于 地幔之中 大洋岩石圈就是这样一面生长 一面消亡 不断更新 洋中脊是大 洋岩石圈的生长带 海沟是大洋岩石圈的消亡带 图 2 2 图 2 2 海底扩张说及板块构造模式 表示地震 上天诚也等 1 9 8 3 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 5 二 海底磁异常 早在 5 0 年代 美国 先驱者 号考察船就以密集的路线对太平洋部分海域 进行了地磁调查 M a s o n 1 9 5 8 报道了调查成果 发现海底地磁的线状异常 6 0 年代以来 在太平洋 大西洋和印度洋等海域的广泛调查 发现三大洋的海底 磁异常具有相同的特征 其基本特征是 线条性 正反向地磁条带相间排列 每一条带的宽度仅 2 0 3 0公里 长数百至千公里 异常强度约 4 0 0伽马左右 定向性 虽然由于断层错动 磁异常的条带可以改变 但总是与各个地段上的 洋中脊平行 表现出明显的定向性 对称性 异常条带均以中脊为轴 两侧对 称 对于海底磁异常的成因 V i n e和 M a t t h e w s 1 9 6 3 把异常特征与海底扩 张和地磁杨转向紧密联系起来加以解 释 他们认为 海底磁异常条带 是 在正 反向交替的地磁场中 形成交 替磁化的玄武岩条带而产生的 当新 的大洋岩石圈由于地幔物质在洋中脊 上涌而形成时 一旦冷却到居里温度 以下 必定沿着沿着当时存在的地磁 场方向磁化 如果地磁场是正常的 则获得正向磁化 如果地磁场极性反 转 磁化就是反向的 随着海底扩张 继续进行 先成的磁性地壳将被新生 的磁性地壳向两侧推开 于是 只要 海底不断扩张和地磁场周期性的转 向 先后相继的 正反磁化方向交替 的洋壳条带就会从洋中脊轴部不断向 外推移 而形成平行并对称于洋中脊 分布的磁异常条带 图 2 3 三 洋底的年龄 根据深海钻探所取得的材料 经过古生物学 地层学 同位素年龄测定 古地磁学等方面的综合研究 作出的太平洋北部海底年龄图 图 2 4 不仅表明 洋底年龄在东太平洋洋隆两侧对称分布 愈远愈老 而且洋底是由不早于中生 代 或不早于侏罗纪 不大于 1 8亿年 的岩石和沉积物所组成 其它大洋底 的年代也是一样 这些事实只有用海底扩张说才能合理的解释 海底扩张对深海沉积的厚度和时代分布有很大影响 在太平洋前新生代沉 积物只分布在远离现代海底扩张中心 中太平洋中隆的太平洋盆地西部 而位 图 2 3 海底异常的成因解释 引自怀利 1 9 8 0 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 6 于洋中隆范围内的东太平洋则没有这种沉积 新生代沉积物直接覆盖在中隆的 玄武岩基底之上 造成一种假的 海侵超覆 另外 新生代沉积物的厚度明显 的在中隆附近最小 自中隆轴部向外对称地加厚 并且 沉积层序离中隆轴部 愈远愈齐全 中隆轴两侧对称位置上的剖面非常相似 而与比邻位置上的剖面 差别较大 图 2 4 太平洋北部洋底年龄图 据 Fischer et al 1972 图中数字为年龄值 单位为百万年 第三节 岩石圈板块及其运动 一 岩石圈板块 板块 P l a t e 这个术语 是威尔逊在 1 9 6 5 年关于转换断层的文章中提 出的 通常所说的岩石圈板块是指为活动带所分割的岩石圈构成的球面盖板 它的面积很大 数万平方公里或更大 厚度很小 仅百公里左右 并同地球 表面轮廓一致地弯曲 这些岩石圈板块在软流圈之上按球面运动规律不断地改 变着彼此之间的相对位置 并且与其下的软流圈之间作相对运动 因此 它们 不是固定不动的 而是运动着的 同时相对于其边缘而言 它本身较少变形 或者变形只在有限范围内和有限程度上发生 从这个意义上讲 又是相对稳定 的 板块构造 P l a t e t e c t o n i c s 的基本概念是 岩石圈板块的相互作用是引 起大地构造活动的基本原因 板块构造学是研究这种相互作用的 板块的相互 作用主要发生在它们的边缘部分 根据构成板块的岩石圈类型 板块可分为大 洋岩石圈板块 如洋壳板块 大洋板块 大陆岩石圈板块 如陆壳板块 大陆 板块 和过渡型岩石圈板块 或过渡壳板块 依据地震 地质和地球物理资料 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 7 勒皮雄 1 9 6 8 将全球板块划分为欧亚板块 美洲板块 非洲板块 太平洋板 块 印度 澳洲板块和南极洲板块等六大板块 图 2 5 随后又将美洲板块进一 步划分为北美洲板块和南美洲板块 这七大板块的面积约 1 0 7 1 0 8平方公里 后 又确定出若干中板块 1 0 6 1 0 7 和小板块 1 0 5 1 0 6 及更小的微板块 图 2 5 全球岩石圈板块的划分 二 板块的运动 岩石圈板块是以一个球面盖板在地球表层运动的 依照欧拉几何学原理 任意两个刚性块体在球面上作相对运动 都是绕某一轴旋转的相对运动 这个 图 2 6 板块的运动 据怀利 1 9 8 0 a 板块 1 和板块 2 沿洋中脊分离 b 假定板块 1 固定 板块 2 相对于板块 1 的运动 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 8 轴就是通过地心的旋转 扩张 轴 每一对板块都有自己的旋转 扩张 轴及 其与地表的交点 旋转扩张极 它们彼此以大小相等 方向相反的角速度绕该 轴转动 图 2 6 第三节 板块边界的类型 板块边界的性质及其类型是由边界两侧板块的相对运动特征决定的 它取决 于两侧板块相对运动速度矢量及其与边界走向的几何关系 据此 板块边界可 划分为离散边界 敛合边界和转换边界三种基本类型 一 离散边界 Divergent boundary 离散边界是两侧板块作垂直于边界走向的相背运动 使板块向两侧分离 散开 应力状态时拉张的 地球上巨大规模的张裂构造都发育在这种边界上 离散边界可以发育在大洋岩石圈板块之间 也可以发生在大陆岩石圈板块之中 或之间 前者为大洋裂谷带 沿全球大洋中脊分布 海岭中央的轴部裂谷就是 新生地壳的上涌场所 它推挤已生成的较老地壳向两侧作背向运动 而使大洋 增宽 被动陆缘沉积就是这一过程在大陆边缘的反映 板块增生速度差别很大 可以从大西洋的 1 2 c m a到太平洋的 1 0 c m a 后者为大陆裂谷带 如东非裂 谷等 大陆裂谷带使统一的大陆岩石圈板块分裂 散开 可进而演变为大洋裂 谷带 大洋岩石圈的增生就在大洋裂谷带中发生 二 敛合边界 Convergent boundary 敛合边界是两侧板块相向运动所形成的边界 其中一侧板块俯冲到另一侧 之下 最终进入地幔而消失 在两侧都是大洋岩石圈的情况下 俯冲作用沿海 沟进行 平行于海沟的火山岛弧是下行板块到达一定深度后的局部熔融产物 图 2 7 如西太平洋的马里亚纳海沟 如果大洋板块与大陆板块相向运动 由于 图 2 7 俯冲型板块边界剖面图 据 Condie 1982 密度和高度的差异 一般总是前者俯冲下去 并在后者前沿形成大陆边缘火山 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 9 深成岩带 如南美西缘的安第斯山系 如果两侧都是大陆板块 就会形成碰撞 型年轻造山带 如阿尔卑斯 喜马拉雅带 由于大多数情况下板块都兼有陆地和 海域 所以 大陆碰撞作用往往发生在长期俯冲消减作用的最后阶段 图 2 8 所有敛合型变形机制都以挤压作用为主 结构也比离散性边界复杂 图 2 8 大陆 大陆碰撞的发展过程 据 Dewey 1970 三 走滑或转换型边界 Tranform boundary 转换边界是转换断层构成的板块边界 两侧板 块平行于板块边界作走滑运动 应力状态是剪切的 沿转换边界 岩石圈既不增生 也不消减 如北美 沿圣安德列斯断裂的那段板块边界 图 2 9 构成 板块边界的走滑断层是因调节或转换两端板块运动 的性质 方向或运动量的差异而产生 所以都属于 转换断层 对于转换断层 威尔逊从海底扩张观点出发 考虑 到它所切开的是不断向两侧扩张的洋中脊 因此 必定具有与一般的平移断层完全不同的性质 转换 是指一种构造转变为另一种构造 是运动方式或构 造带类型的转变 转换断层就是那种突然终止或者 改变型式和方向的平移断层 Wilson 1965 即转换 断层是在断层转变点转变为方向不同和力学性质不 同的构造带的 平移 断层 图 2 9 圣安德列斯断裂图 据 Holmes 1978 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 10 第四节 板块构造理论的发展 板块构造学说建立半个多世纪以来 在地球科学领域起到了重要的指导作 用 对推动地球科学进步具有无可替代的作用 但是 美国构造地质界在深刻 分析当代全球构造研究进展和大洋与大陆地质构造差异的基础上 首次以明确 的态度宣称 迄今在地学界占主导 并已流行近半个世纪的板块构造理论和模 式并不适用于大陆地质 明确地提出了超越板块构造等四个大的研究课题 以 全新的流变学为核心的理论模式去解开大陆构造之谜 继提出全球变化 地球 系统科学 大陆动力学与地球科学基础研究的机遇之后 再一次提出了当代地 学发展前沿的重大研究课题 一 简单的板块构造与复杂的大陆 1 大陆岩石圈可能不具有全球性 大陆岩石圈的概念受到挑战 地球物理资料得出 一些古老地块下面往往缺失软流圈 北美下面 大陆根 厚达 4 0 0 k m 并深深插入到地幔中 大陆一些地段 标志着大洋板块之下软流圈 的地震带似乎并不普遍存在 表明软流圈的缺失 大陆的化学边界层和热边界 层比大洋厚得多和老得多 因而在大陆的动力学行为中扮演着重要角色 在动 力学研究中 对大陆这个特殊地质体不使用大陆岩石圈的概念 而使用 大 陆 2 大陆碰撞以后的构造活动依然非常活跃 威尔逊旋回解释不了造山作用 的全过程和复杂性 大陆物质的增生和消减过成仍是一个迷 8 0 年代在全球造山带都发现 大陆碰撞之后造山活动并未中止 构造活动 依然强烈 大陆对伸展作用有各种反响 大陆裂开并不一定形成海洋 如美国 西部盆岭省伸展量已达 1 0 0 0 k m 但未形成海洋 即板块理论没有说明大陆裂谷 的复杂性和多样性 3 大陆岩石圈内部结构的多层性及其间的强烈活动 对岩石圈的刚性特征提 出了挑战 大陆岩石圈在垂向结构上存在着明显的流变分层性 特别是在中下地壳普遍 存在一层或几层软弱层 不同层位的脆性行为构成大陆岩石圈不同于大洋岩石 圈的三层或四层流变学结构 岩石圈内部结构呈多层性 层圈之间的活动非常 强烈 如秦岭造山带各层圈之间呈非耦合的 立交桥 式结构 造山带现今地 幔构造为南北向 与地壳上部保存的东西向构造近乎直交 深部地幔构造年代 最新 上部地壳构造年代较老 说明大陆地壳正在发生向下生长调整的动力学 作用 4 使岩石圈变形的力是多元的 也是多源的 岩石圈板块边界的相互作用力 解释不了大陆内部变形的多样性和复杂性 大陆不仅保存了发生在大陆内的地质事件 而且还记录了包括整个地球系 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 11 统所发生的大规模作用过程 与大洋相反 大陆板块边界上的变形可以一直延 续到大陆内部 即板内变形 大陆内部除了挤压造山作用外 还发育了与其相 当的伸展和走滑变形 大陆板块边界非常宽 达 1 0 0 0 k m以上 在构造上非常 复杂 除板块边界力以外 壳幔系统各层圈的相互作用对地幔及上地壳 地表 都有影响 大陆变形的驱动力是多元的 也是多源的 除板块相互作用力以外 还有大型板块内部及其地面系统方面的应力 其中层圈的相互作用 软流圈的 上涌作用 岩浆贯入 底侵及浮力 地质流体的重力 地下的相变力 化学反 映动力以及物质不均匀诱导的动力等 二 板块构造未来的发展方向 1 研究大陆变形 建立大陆动力学理论 1 大陆动力学的概念 大陆动力学是把大陆作为一个独立系统来研究 这个系统由大陆地壳 地 壳之下的岩石圈和软流圈以及大陆演化过程中残留下来的大洋沉积物 岛弧 海沟和边缘海盆地等构成的堆积块体组成 通过这一系统的研究 阐明大陆演 化的历史 构造和物理机制的各种基本问题 大陆构造是大陆动力学的核心研究领域 涉及盆地和造山带的形成与演化 大陆岩石圈三维层状结构 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 2 大陆动力学研究的主要内容 造山带和盆地的形成与演化 造山带和盆地是大陆的基本构造单元 也是 研究大陆动力学的基础 造山带的伸展作用 沉积盆地的形成机理及深部过程 盆 山构造系统的物质运动和构造转换 造山带和盆地的热状态 大陆岩石圈分层结构及流变性质 重视大陆岩石圈在横向和垂向上的不均 一性 大陆岩石圈的分层流变现象十分显著 具有不同构造活动性的大陆构造 带或构造域 分层流变性有很大的差异 大陆下地壳的构造性质及变形特征 下地壳作为大陆动力学的主攻目标 探讨大陆深部过程与浅层构造活动的内在联系大陆活动区下地壳存在近水平的 地震组构 发育流体富集的伸展韧性剪切带 大陆岩石圈应当解体 而且大陆 地壳浅层断块活动与深部物质层流运动密切相关 大陆地震活动规律及其成因 地震可以作为建立构造模型的标志和检验构 造理论的标尺 大陆地震呈层状弥散分布 带状局部集中 主要受近水平的地 震作用力控制 大陆地震主要发生在强烈的构造热活动区 特别是年轻的造山 带和新生的裂陷盆地 并沿着活动的走滑断层 逆冲断层和伸展性断裂成带状 分布 大陆地震活动与地壳深部韧性流层的物质运动 低速层与高速层之间的 层滑运动有关 而难以用板块俯冲或碰撞模式解释 大陆构造活动的动力学机制 大陆构造难以用一种统一的模式进行综合概 括 具有分层流变的大陆地壳也显示出分层受力特征 大陆内部复杂多变的应 力状态主要受深部物质运动的制约 从地 星比较研究中得到启发 探讨大陆构 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 12 造问题 并建立行星地球统一理论 如金星火山中心不是线状分布 金星上活 动最强烈的东部高原区 垂向运动十分显著 不存在离散性和汇聚型板块边界 认为幔源岩浆底辟作用是主导构造机制 2 研究全球动力学 建立超越板块构造的新地球观 有许多现象是板块理论解释不了的 地面上的一些构造形迹并不一定都是 板块运动的结果 其中不少可能是地幔和核 幔界面上的深部地质作用过程的 产物 如板内火山作用及大洋中的巨大海隆 大陆的宽阔隆起构造等等 板块 构造也解释不了构造作用的旋回性 3 地球系统科学研究探讨和建立行星地球的统一理论 板块构造仅仅代表了行星演化的一个特定阶段 并且只是地球上的独特现 象 在太阳系其它行星及月球上 至今尚未发现明显的构造迹象 在地球的圈 层系统中 板块学说实际只能解决固体地球表层 即岩石圈 的运动学问题 而对地球的行星空间 气圈 水圈 生物圈以及地球深部各圈层的特征基本上 均未涉及 板块学说只能是岩石圈理论 而地球科学研究的最终目标是要弄清 地球的起源和演化 进而创立行星地球的统一理论 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 13 第三章 中国区域构造特征 我国疆域辽阔 占据东亚的中心部位 西伯利亚和印度的构造关系 特提 斯域与环太平洋的相互作用等都要通过我国区域构造的研究才能联系为一个整 体 另一方面是与北美 非洲相比 亚洲的区域构造有自己的独特表现 亚洲 在构造上是一个拼合大陆 有若干大陆块拼合而成 北美 澳大利亚等单式大 陆中部为平原 或高原 占据 山系环绕周围 显示大陆同心式的向外生长 可是世界上最大的山系却位于亚洲中部 因此在区域构造研究方面我国有一定 的典型性 对我国区域构造的研究可能对解决某些全球性理论和实践课题作出 重大贡献 第一节 区域构造研究内容及其特征 一 研究内容 中国区域构造研究有着十分广泛的内容 概括起来 主要包括以下四个方 面 1 岩石圈物质组成和结构构造 岩石圈物质组成和结构构造 反映在地层 构造 岩浆岩 变质岩 矿产等整个地质领域的各个方面 是在漫长的地质时 期经过各种地质作用形成的 中国区域大地构造学 就是要综合分析我国各地 区的多种地质 地球物理和地球化学等方面的资料 借以阐明各地区岩石圈物 质组成和结构构造特征 2 划分大地构造单位 在区域地质资料研究的基础上 分析和对比不同地 区岩石圈物质组成和结构构造的差异 在岩石圈和地壳上划分出不同级别 不 同性质 不同类型的大地构造单位 3 划分岩石圈构造的发展阶段 在区域地质资料研究的基础上 从时间上 把各种地质作用联系起来 以阐明各地区岩石圈和地壳大型构造的发展历史 根据发展过程中各地质作用的变化以及地壳物质和地壳结构构造的演化 划分 出岩石圈构造的发展阶段 4 探索构造演化规律 根据我国区域大地构造的具体情况 总结出我国区 域大地构造的基本特征 并进一步探索我国区域大地构造发展的地球动力学和 构造演化的一般规律 二 特点 以研究岩石圈运动和演化作为主要内容的大地构造和区域地质学认识性质 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 14 上具有以下特点 1 历史性 地球已有 4 6 G a 的漫长历史 因此 地质学属于历史科学 而 且其历史的绝大部份是在人类出现以前 2 作用的缓慢与多因素 人们不能通过直接观察事件的全过程来判断现象 间的因果关系 地质作用的多因素又使得实验室模拟产生很大的困难 3 研究对象庞大 不均一 而观察范围又局限 人类能直接观察的部分不 到地球半径的 1 地质学早期水成论的错误就在于不顾条件变化 无限制外推 在局部本来是正确的结论 4 认识上的反演 地质学与多数技术科学不同 它不是根据原因得出结果 而是反过来根据产物再现过程和原因 第二节 区域大地构造分析方法 在大地构造学领域里 有许多不同的理论和假说 尽管它们在学术观点和 理论体系上彼此不同 但无非是从岩石圈组成或结构观点上来研究大地构造 一 历史 构造分析法 岩石圈的组成和结构都是物质运动在一定阶段的表现形式 它们在不断地 运动 变化和发展 改变着岩石圈的物质组成和结构构造 因此 从历史发展 的观点来分析岩石圈组成和结构构造 就成为研究大地构造的基本方法 这就 是历史 构造分析法 这种方法概括起来 就是以各种地质 地球物理 地球化 学资料为基础 按地史发展的顺序 探讨不同阶段大地构造发展的特点 着重 研究和比较地壳 地幔各部分构造的发生 发展和转化 找出它们之间的共同 性和差异性 阐明它们的运动规律 1 沉积特征分析 注意分析沉积岩性质 沉积厚度 岩层间接触关系 了 解不同沉积相 古生物组合和沉积建造类型在空间上的分布 以建立各地质时 期的岩相古地理 古气候带和生物地理区 并进而研究各地区的构造环境和构 造分异 为重建地质历史上大陆的大规模分裂和碰撞以及大洋的扩张和消减 消 亡 等过程提供重要依据 2 岩浆活动分析 注意岩浆的岩性 岩石化学成分 岩体的规模和产状 分析和探讨岩浆活动的时间和方式 岩浆系列顺序 了解岩浆岩在时间上和空 间上的变化 特别要研究它与构造环境之间的关系 以再造地质历史上曾出现 过的不同性质的构造单位 如地台 地槽 边缘海 岛弧 洋中脊 大陆裂谷 等 重塑它们的演变过程 3 构造变动分析 根据地层之间的关系确定各期构造运动的时间 从构造 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 15 形态组合特点 分析构造运动的性质 强度以及应力与应变关系 从变形带的 走向和空间分布 分析构造变动的地动力条件 4 变质作用分析 从变质岩的矿物组合 产状特征 空间分布和出现的时 代 确定变质岩类型 变质作用强度及其形成的构造条件 这对前寒武纪早期 地质构造环境的探讨 造山带构造演化以及古消减带和地缝合线位置的厘定都 有重要意义 5 成矿作用分析 结合矿产类型 空间分布和成矿时代的分析 研究各种 矿产与地质构造条件 构造发展阶段的关系 找出成矿的大地构造环境和找矿 方向 6 地球物理和地球化学分析 通过深部地震测深 大地电磁测深 重力 磁力 热力等地球物理资料的分析和研究 了解岩石圈深部物质组成及结构构 造特征 研究不同时代岩石的古地磁测定资料 对重建古大陆位置 了解古大 陆大规模的水平运动是十分重要的 对缺少古生物化石的地层或岩石注意分析 同位素地质年龄的测定资料 这对研究前寒武纪地壳演化历史是非常必要的 历史 构造分析法是大地构造特别是历史大地构造中最基本的方法 在分析 时 应把地层分析作为基础 没有地层的分析就不能形成时间发展的概念 也 不能反映出地质构造发展的过程和演化规律 分析时还应把构造作为主导作用 并注意地质作用各方面之间的联系 二 历史比较法 将今论古 的方法 在探索过去的构造时 经常用现代地球上所见到的各 种地质构造类型和各种地质作用 与地史上保存下来的各种物质记录相比较 找出与这些物质记录相应的构造类型和地质作用 并推论地质历史上这些地壳 类型演变的规律 如把地质历史上出现的地槽定为大陆边缘 把地史上出现的 蛇绿岩套确定为洋壳残留体都是通过历史比较法推论出来的 但是 现代地壳上出现的各种地质作用和构造类型 不是地质历史时期出 现过的各种地质作用和地壳构造类型的简单重复 不能简单地不加区别地进行 比较 三 构造类比法 在研究区域大地构造时 对千差万别的各种地质 地球物理和地球化学资 料进行综合分析 找出他们在某一尺度上的相同本质 划分出不同级别 不同 类型的构造单位 通过多方面的对比 找出各种大地构造单位之间本质的差别 和非本质的差别 以寻求划分大地构造单位的合理方案 并从中概括出不同大 地构造单位的基本特征及其演化的一般规律 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 16 第三节 中国区域构造区划 根据现有的地质 地球物理 海洋地质及同位素测年资料 我国共有五个 前震旦纪地台和四个显生宙期间发育起来的 位于上述地台之间的褶皱系 晚 中生代以来的亚洲东部活动大陆边缘置于其上 图 3 1 图 3 1 中国陆地部分大地构造分区略图 据马文璞 1 9 9 0 A 天山 兴蒙褶皱系 B 秦祁昆褶皱系 C 滇臧褶皱系 D 华南褶皱系 E 台湾褶皱带 F 乌苏里褶 皱带 华北地台是我国最古老的一个构造单位 主体部分在太古代末即已出现 吕梁运动 1 8 5 亿年 以后出现盖层 元古代和始生代为裂陷阶段 全地台的 统一行动自古生代初才开始 扬子地台最终形成比华北地台几乎要晚 1 0 亿年 早期的裂陷阶段在始生世和早震旦世 整个古生代和早中生代以长期发育海相 地层而区别于华北地台 塔里木地台的生成时间和早期演化与扬子地台相似 自中生代起成为内陆盆地 南海 印支地台是一个大部分位于海域之下的前寒武 纪地台 天山 兴蒙褶皱系地质演化复杂 遭受多期构造运动的影响 早期加里东运 动 晚期加里东运动 早期海西运动 晚期海西运动对褶皱系的演化都有重要 作用 并有规律地出现在褶皱系的不同部位 形成不同时期的褶皱带 最后在 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 17 晚二叠世封闭 秦祁昆褶皱系横贯我国中部 记录了我国南北大陆地史期间复 杂的相互作用 秦祁昆褶皱系的大部分可能是在中国地台的基础上裂陷而形成 的地槽褶皱区 地槽发育大概始于中寒武世 经过加里东旋回 华力西旋回的 发展又逐步转化为褶皱区 这个进程结束于早二叠世末 华南褶皱系早古生代 时由扬子地台东侧大陆边缘和南海 印支地台西侧陆缘组成 但它们的界线还不 清楚 海盆的构造演化方向是从东北向西南 加里东运动后海盆封闭 华夏地 块与扬子地台连成一体 成为扩大了的华南地台 滇臧褶皱系与青藏高原范围 大体相当 是源自冈瓦纳的陆壳碎块自印支运动以来依次与欧亚大陆碰撞拼接 的结果 亚洲东部活动大陆边缘自侏罗纪出现 N N E 向 横跨在近 E W 向的不同 性质构造单元之上 可以分为晚中生代的安第斯型陆缘和新生代的岛弧型陆缘 两个演化阶段 第四节 中国区域构造特征 我国占据亚洲东部环太平洋构造域与特提斯构造域相交的部位 构造类型 多样 演化历史复杂 与世界其他地区相比 我国区域构造具有显著特色 1 华北 扬子 塔里木 华夏及准噶尔等陆块源自不同的地区 各有自己 的历史 是在显生宙期间逐步就位的 如准噶尔地块属于哈萨克斯坦板块 华 北在寒武纪时靠近澳大利亚北部 而扬子地台则与喜马拉雅 伊朗在一起 这使 得我国区域地质具有了更大的世界性 2 我国地台规模小 刚性程度低 盖层变形强烈 如华北地台仅及非洲地 台的 1 1 8 3 我国是世界上造山带密度最大的国家 类型繁多 时代跨度不一 既有 前寒武纪的 也有显生宙不同阶段形成的 青藏高原和台湾海岸山脉更是大陆 和弧 陆碰撞造山作用正在活跃进行的地方 4 由于构造格局的多次重组和形变作用的多次叠加 我国中 新生代的构 造对前期记录的改造是一个不容忽视的问题 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 18 第四章 逆冲推覆构造 逆冲推覆构造是地壳中广泛发育的重要构造 随着研究的进展 人们对这 类构造的几何学特征 形成机制 发育演化以及产出背景等方面有了深入的全 面认识 尤其是上世纪 7 0 年代 逆冲推覆构造的研究有了新的重大突破 1 9 7 5 年美国地质学家在落基山的逆冲推覆带下发现了 P i n e v i e w 油田 找油取得了重 大突破 我国在 8 0 年代 9 0 年代期间 实现了推覆构造下找煤的重大突破 王 桂梁等 1 9 9 3 第一节 基本概念 逆断层和逆冲断层的分类主要涉及两个基本参数 即断层面的倾角和位移 距离 根据断层倾角 以 3 0 为界 可以将逆断层分为高角度和低角度逆断层 实践证明 大多数逆冲推覆构造的倾角是低缓的 尤其是主体的中带 不仅很 缓 而且常近水平 只是根带或锋带倾角较大 因此 逆冲推覆构造是断层倾 角小于 3 0 甚至更小或近水平的位移距离在 5 公里以上的构造 逆冲推覆构造 应包括逆冲断层和外来岩体在内的整个构造 第二节 几何结构 几何结构是逆冲推覆作用的结果和各种活动因素的综合体现 也是逆冲推 覆构造研究的基本方面 近年来 对逆冲推覆构造的几何结构及组合形式 从 内部变形到各种构造之间的内在联系提出了多种模式 一 逆冲推覆构造的台阶式 台阶式是逆冲推覆构造的基本形式 由长而平的断坪 f l a t 和与连接其 间的短而陡的断坡 r a m p 交替构成 图 4 1 断坪顺层发育 产于岩性较软 弱的岩层之中或岩性差异明显的界面上 为一较低强度高应变带 断坡切层发 育 产于较强硬岩层之中 总体构成下缓上陡凹面向上的铲状 图 4 1 逆冲断层的台阶式结构 根据断坡与上 下盘岩层的产状关系 断坡可分为上盘断坡和下盘断坡 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 19 图 4 2 在断坡部位断层面与下盘岩层产状一致而斜切上盘岩层处 为上盘 断坡 与上盘岩层一致而斜切下盘岩层处为下盘断坡 断坪也可分为上盘断坪 和下盘断坪 根据断坡走向与逆冲位移方向的方位关系 断坡可分为前断坡 侧断坡和斜断坡 图 4 3 图 4 2 上盘断坡 HWR 和下盘断坡 EWR 图 4 3 逆冲断层下盘的形态结构 二 双重逆冲构造 双重逆冲构造又简称双重构造或双冲构造 D u p l e x 是逆冲推覆构造中具 有普遍性的重要结构型式 双重构造是由顶板逆冲断层 r o o f t h r u s t 与底板 逆冲断层 f l o o r t h r u s t 及夹于其中的一套次级叠瓦扇式逆冲断层和断夹块 h o r s e 组合而成 图 4 4 图 4 4 双重逆冲构造 Elliot 1982 根据断夹块的产状 次 级断层倾向及其排列关系 把双重构 造分为三类 倾向腹陆的双重构造 图 4 5A 背形叠置的双重构造 图4 5B 和倾向前陆的双重构造 图 4 5C 双重构造和叠瓦扇的次级逆断层 自主干逆冲断层或底板逆冲断层分叉 产出 图 4 5 双重构造的三种型式 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 20 三 冲断褶隆 冲断褶隆 Culminnation 一词是指构造隆起的高点 多用于背斜式高点或 横跨式两背斜叠加的高点 引用于逆冲作用中形成的穹状隆起构造 冲断褶隆 常见于逆冲岩席经断坡爬升至上一滑动面于断坡上形成的背斜式构造 一般成 顶部宽平的箱状背斜和穹状背斜 图 4 6 冲隆前翼位于冲隆前侧 走向与逆 冲方向直交 倾向与逆冲方向一致 图 4 7 图 4 6 冲断褶隆 示冲隆前翼和冲隆后翼 图 4 7 冲隆前缘向斜和切穿向斜的逆断层 四 反冲断层 在一定方向逆冲的逆冲断层系中 常常 出现与总体逆冲方向相反的逆冲断层 称为 反冲断层 主要发育于逆冲断层系的前锋部 位和断坡后侧 在应变较弱的断坪上也可发 育反冲断层 由于反冲作用 会形成冲起构 造和构造三角带 图 4 8 五 组合型式 逆冲断层虽然可以单条产出 但更常见的是若干条逆冲断层成组 成束产 出 从而构成了不同的组合型式 1 单冲型 一套产状相近并向同一个方向逆冲的若干条逆冲断层 构成单 冲型的逆冲断层组合 一般表现为叠瓦式 图 4 9 2 背冲型 自一个构造单元的两侧分别向外缘逆冲的两套叠瓦式逆冲断层 构成背冲型逆冲构造 背冲型中两套分别向相反方向逆冲的逆冲断层是在统一 构造应力场中形成的 并且与所在构造同时形成 大型背冲型逆断层常与造山 带复背斜共同产出 一些规模较小的与背斜伴生的逆冲断层 可产生于背斜核 部 图 4 1 0 3 对冲型 两套叠瓦式逆冲断层 对着一个中心相对逆冲 常与盆地伴生 自盆地两缘向盆地中心逆冲 图 4 1 1 图 4 8 反冲构造和冲起构造 A 冲 起构造和构造三角带 B Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 21 图 4 9 单冲叠瓦状逆冲断层系 图 4 1 0 背冲型逆冲断层 据 Boyer 1982 上图 褶皱造山带背冲型逆冲断层 A 锋缘逆冲断层系 B 后缘逆冲断层系 下图 天山扇状逆冲断层 图 4 1 1 内蒙石拐煤田对冲式逆冲断层 据王建章 1 9 8 3 4 楔冲型 产状相近的一条逆冲断层与一条正断层共同构成上宽下窄的楔冲状断体 一般产出于盆地之中或夹于两盆地之间 楔冲型逆断层或楔状冲断体具有一定 的普遍性 在某种程度上与不对称山系相似 图 4 1 2 图 4 1 2 苏南茅山南段花山楔冲式构造 六 分带性 逆冲推覆构造的分带性研究 就是对逆冲推覆构造的具有特征性的各个组 成部分 从几何学 运动学和动力学诸方面分别予以剖析 进而从相互依存和 相互制约的角度探讨其相互关系 以便深入全面地认识整体构造 逆冲推覆构 造在结构 构造和变形强度等方面的分带性与变形作用密切相关 这种分带性 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 22 既表现在自根大至锋带的逆冲方向上 也表现在不同分层的垂向上 1 顺逆冲方向的分带 逆冲推覆构造在逆冲方向上可分为根带 中带和锋带三个主带 以及相关 的后缘带和外缘带 后缘带位于根带后侧 外缘带位于锋带前侧 各带的变形 特征如图 4 1 3 和表 4 1 所示 图 4 1 3 逆冲推覆构造顺逆冲方向的分带性 表 4 1 逆冲推覆构造各带变形特点 后缘带 根带 中带 锋带 外缘带 应力状态 拉伸为主 挤压为主 单剪为主 挤压 挤压 渐变 弱 次级断裂 地堑式正 断层 张 节理带 平 行 或 发 辫 状 高 角 度 逆 断层 叠瓦扇和双重构造 近水平菱块网结构造 叠瓦扇 反 冲 断 层 顶板 反冲双冲 构造 中高角度逆 断层和少数 正断层 反 冲断层 次级褶皱 不发育 两翼紧闭 轴 面陡立的复 杂多级褶皱 斜歪 倒转褶皱 拉长 的背向斜对 膝折式 褶皱 常有冲起构造 和三角带伴生的隔挡 式褶皱 两翼紧 闭 轴面 陡立 而 产状常不 稳定 由紧闭褶皱 渐变为开阔 褶皱 单斜 和挠曲 构造定向性 不明显 显示定向性 定向明显 较明显 渐变为不明 显 劈 节 理 发育状况 板劈理或滑 劈理发育 劈理发育程度低 节理 变形性状 脆性 塑性 弹塑性 塑性降低 脆性 2 垂向分带性 逆冲推覆构造可以由一个或数个推覆体组成 前者称单层式推覆构造后者 称复叠式推覆构造 图 4 1 4 不论单层式推覆体或复叠式推覆体 在垂向上构 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 23 造发育和结构特征常显示明显差异 总的看来 在叠置的推覆体中 由上向下 变形强度 应力状态 变形温压状态和变质程度是不同的 呈现出较有规律的 变化 自下而上变形史趋于复杂 这是因为上部的推覆体比下部的推覆体运动 史更长 而早期的变形不会在下部推覆体中发生 图 4 1 4 西赫尔威特复叠式推覆体剖面图 据 R a m s a y 1 9 8 1 A 原地岩体 B 莫尔克列推覆体 C 迪亚布勒莱推覆体 D 维尔德霍恩推覆体 第三节 逆冲推覆构造的扩展 逆冲推覆构造一般成叠瓦扇或双冲构造 其中各条断层形成的时间 发育 顺序 扩展方向是推覆构造研究中必须探讨的内容之一 一 扩展方式 褶皱造山带前陆中的逆冲推覆构造 总是从造山带或腹陆向前陆运移 各 条断层或各推覆体有两种扩展方式 一是自腹陆向前陆扩展 称为前展式或背 驮式 Piggyback propagation 二是自前路向腹陆扩展 称为后展式或上叠式 Overstep propagation 图 4 15 图 4 1 5 叠瓦式逆冲断层的扩展方式 A 前展式 B 后展式 箭