造山带构造研究进展与方法思考

造山带构造研究进展与方法思考讲授提纲第一部分大陆动力学及成矿理论进展第二部分造山带—典型造山带形成实例第三部分俯冲增生造山带研究第四部分造山带区域地质调查技术思考

大陆形成演化与地球动力学

重要研究方向:壳-幔的结构、组成及相互作用；大陆的形成、演化与陆内地质过程；大陆碰撞过程与造山带动力学；大洋板块与大陆边缘的相互作用；地球深部过程与表层过程的耦合关系。第一部分大陆动力学及成矿理论进展WHYDOESEARTHHAVE

PLATETECTONICSANDCONTINENTS?

板块板块边界的相互作用是地震、火山爆发、山脉形成及大陆地表缓慢漂移的原动力◈对我国华北、华南、塔里木等主要组成陆块进行了较为深入的研究。◈对我国秦岭、兴蒙和祁连山、青藏高原等主要造山带（古板块缝合带）的特征和演化历史进行了深入研究。◈大别山、苏鲁、阿尔金、天山、羌塘等地的超高压变质研究取得重大进展，为地球动力学理论的发展做出了重要贡献，在国际上确立地位。◈对现今活动的大陆俯冲-碰撞造山带——青藏高原及其周边地区进行了研究，取得了举世瞩目的成就。◈对现今活动构造、地震和火山孕育机理及其灾害效应开展了深入研究，为防灾、减灾提供了基础理论支持。◈对地质历史时期中国大陆发生的峨嵋山玄武岩、东南沿海花岗岩省等大规模岩浆活动开展了研究，探讨了其形成机制及成矿、环境效应。“大陆动力学”研究领域主要进展GEOLOGY,December2012;v.40;no.12;p.1147–1148|doi:10.1130/focus122012.1GEOLOGY杂志十年最高引用率论文（中国科学家发表11/30）徐锡伟等，2009.汶川地震地表断裂杨进辉等，2008.华北中生代去克拉通化李正祥，李献华等，2007.华南中生代构造模型周美夫等，2006.中生代藏南构造演化郑建平等，2006.杨子地台太古代基地王强等，2005.藏北新生代钾质埃达克岩浆活动张培震等，2004.GPS观测显示青藏高原连续变形钟荪霖，刘敦一等，2003.藏北加厚地壳部分熔融许继峰等，2002.宁镇山脉中生代岩浆活动李正祥，李献华等，2002.华南元古代造山带郑洪波等，2000.更新世青藏高原隆升大陆的形成与演化

二十世纪地球科学最伟大的成就－板块构造理论成功解释了洋壳的生长与消亡过程，但不能合理解释大陆是如何形成和演化的。大陆主要是由稳定的克拉通和造山带构成，是人类赖以生存的主要空间（全球能源和资源约90％来自大陆）。因此，占陆地面积50%克拉通的形成和演化成为当前地球科学的前沿和热点，华北是研究克拉通破坏的最佳场所。重大研究计划“华北克拉通破坏”

中国科学家针对华北克拉通破坏这一重大科学问题，开展了大规模流动地震台阵探测，发现了华北克拉通破坏的空间分布规律，揭示华北克拉通地幔流动不稳定的特征；对残存岩石圈地幔样品做了系统的实验研究,发现橄榄岩－软流圈熔体相互作用是华北克拉通破坏的直接原因；通过对比研究，论证了橄榄岩－软流圈熔体相互作用是全球克拉通演化的普遍性质这一创新理论；提出了太平洋板块快速俯冲与富水过程导致了华北克拉通破坏的新观点，在克拉通破坏研究领域做出了原创性贡献，起到了国际引领作用。在理论研究的基础上，揭示了华北克拉通破坏的资源效应，即华北东部强烈伸展、断陷、热沉降有利于新生代形成大型含油气盆地；华北克拉通西部有利于前中生代油气资源的富集、保存；克拉通破坏的时代与成矿峰期密切相关，为能源和资源的形成背景、保存条件和远景评价提供了科学依据。国际影响华北克拉通破坏这一科学问题，迅速提升为全球研究热点；比如，华北克拉通破坏在ISI统计的国际地学研究前沿，排名第3位；培养了跨入国际前沿的研究团队和人才（中国科学家有23人进入ISI全球地球科学家引用率排名前500名，其中有15人从事华北克拉通研究），提升了中国科学家的全球视野和开展大科学研究的能力；带动了测试观测平台国际化，特别是在微量原位同位素分析和测年领域起到了引领学科发展的作用，开启了西方人用“中国方法”的先河。矿产资源、化石能源的形成机制与探测理论

重要研究方向：大陆地质与成矿作用；成矿模型、成矿系统与成矿机理；盆地动力学与成藏作用；区域地下水循环和环境地质演化；深部大型矿床（藏）含矿信息探测与提取。

油气、矿产和水等资源是经济社会发展的重要物质基础，直接关系国计民生和国家安全。随着我国经济和社会的快速发展，对资源需求越来越大，油气和矿产资源供需矛盾突出，对外依存度逐年攀升急需成矿/成藏理论的支撑。如：陆相成油理论

2008年我国主要战略资源对外依存度有专家认为，如果一个国家的石油对外依存度超过50%，其外交、军事等政策都会因此而发生变化。2008年石油进口量超过2亿吨未来10-15年我国矿产资源需求将达到高峰

据预测，2020年我国石油供需缺口达4亿吨，对外依存度高达67%；天然气供需缺口700亿立方米，对外依存度达23％（据：国家能源战略研究报告，2009，国家能源局）我国铁矿石产量、钢产量、消费量变化4.4亿吨2008年铁矿石进口4.4亿吨；铜矿砂进口519.2万吨；钾盐进口324.9万吨中国铜资源消费量与产量中国煤炭资源按深度分布的储量矿床学研究趋向：近30年来国际矿床学界的研究呈现出3个明显的特点和趋向：（1）鉴于经典板块构造及其成矿理论的局限性，矿床学家引入“超大陆旋回”概念研究区域成矿，揭示超大陆裂解与聚合过程中的成矿作用及其成矿系统的发育机制，从而更为科学地阐明大型矿床在时间上的形成分布规律（Kerrichetal.,2005;Groveetal.,2005；Goldfarbetal.,2005）；90030060006004002000PreCCamOSDCPTr地质年代（百万年）JKT二叠纪三叠纪科的数量新元古代古生代中生代新生代大爆发*Rodinia泛大陆Pangea泛大陆寒武纪生物群古生代生物群中生代生物群寒武纪Sepkoski,1982二叠纪末大灭绝现代生物群奥陶纪末生物大灭绝晚泥盆世生物大灭绝三叠纪末生物大灭绝白垩纪末生物大灭绝19009003006000600400200PreCCamOSDCPTr地质年代（百万年）JKTCmPzMz二叠纪三叠纪科的数量新元古代古生代中生代新生代*Rodinia泛大陆Pangea泛大陆当全球各大陆聚合在一起时，形成泛大陆寒武纪CzPangea大陆晚二叠世，255Ma0Rodinia泛大陆新元古代，650Ma现代Scotese,2005现代地球北大西洋南大西洋印度洋太平洋Pangea洋古特提斯洋泛非洋Panthalassic洋190090030060006004002000PreCCamOSDCPTr地质年代（百万年）JKT二叠纪三叠纪科的数量新元古代古生代中生代新生代寒武纪生物群古生代生物群中生代生物群Sepkoski,1982现代生物群Pangea泛大陆突变期Rodinia裂解爆发辐射?聚合裂解灭绝复苏—辐射Pangea聚合环境突变+生物突变（灭绝）Rodinia裂解环境突变+生物突变（爆发）（2）更加关注壳幔相互作用与成矿地质过程以及物质-能量交换与成矿物质聚散问题，从更深层次上揭示成矿系统和大型矿床的发育机制；（3）建立于经典板块构造理论基础上的成矿理论日臻成熟，较好地阐释了增生造山带和板块边缘的成矿系统和成矿机制，但在大陆内部及碰撞造山带成矿方面遇到了一系列重大难题和严峻挑战（GrovesandBierlein,2007；Houetal.,2009a），因此，构建大陆碰撞成矿理论体系已成为当今成矿学的一项重大研究任务。大陆碰撞成矿论：“大陆碰撞能否成大矿”是成矿学的一个重大理论问题。成矿学界一直争议颇大，国际主流观点认为大陆碰撞难以成大矿。针对这一重大科学问题,以全球最典型的大陆碰撞带—青藏高原为突破口,结合Zagros碰撞造山带对比研究，取得重大进展：1）查明青藏高原众多大型矿床形成晚于65Ma，证实成矿作用贯穿于大陆碰撞的全过程；2）揭示印-亚大陆碰撞经历了主碰撞陆陆汇聚、晚碰撞构造转换和后碰撞地壳伸展等过程，分别对应发育以钨锡钼矿为主的主碰撞成矿作用、以铅锌铜金矿为主的晚碰撞成矿作用、以铜钼金矿为主的后碰撞成矿作用，证实不同碰撞阶段及不同深部过程造就了不同成矿系统；3）发现大陆碰撞不仅导致地壳缩短加厚，产生壳源富铅锌钨锡的低fO2岩浆，而且引起地壳垂向增生，产生幔源富稀土和壳幔混源富铜钼金的高fO2岩浆，引发了大规模成矿；4）发现连续碰撞过程出现多幕次张-压交替转换，挤压环境导致大型岩浆房长寿命稳定发育和地壳流体长距离迁移集聚，应力释放促使成矿岩浆流体快速出溶和含矿地壳流体突发排泄，导致金属淀积成矿。在此基础上提出了“大陆碰撞成矿论”，阐明了大陆碰撞为何成矿和如何成矿的理论问题。第二部分造山带—典型造山带形成实例—台湾造山过程启示TaiwanTectonicsKinematicmodelofSWTaiwan台灣及其鄰近地區之地體構造Huangetal.,2000台灣地質地體構造圖台灣地體構造剖面弧陸碰撞的原因：

島弧接近大陸形成前陆盆地被动大陆边缘

弧陆碰撞活动大陆邊緣造山前:张裂式亚洲大陆边缘(南海北坡-台湾海峡-东海)造山中:台湾-吕宋间俯冲带(南海海洋地壳俯冲带)造山后:台湾-琉球俯冲带-冲绳海槽弧后张裂(及台湾岛地形)

南海海洋地壳向东俯冲，产生呂宋島弧持续俯冲，导致弧陆碰撞

呂宋島弧附到臺灣東部，形成海岸山脈

擠出亞洲大陸邊緣，形成中央山脈碰撞點移動方向?

－由北向南移；增生岩增長方向?

－向西、向南加大；构造演化先後順序？－北早南晚；构造事件依序重复发生；所以是研究弧陸碰撞的現在、過去和未來的最佳场所。台灣板塊地質結語黑色片岩(blackschist,九曲洞)台湾中央山脉变质岩系中大理岩鞘褶皱中央山脉变质岩系片岩变形特征A.M.C.Sengor（1993）

—阿尔泰型（突厥型）造山带由宽阔的消减一增生杂岩组成，周期性向洋跃迁的岩浆弧把这些增生楔体连同洋壳碎片焊接起来。如中亚、图瓦一蒙古、我国新疆和东北，阿拉斯加和日本等。第三部分俯冲增生造山带研究许志琴（1994）

北祁连走廊南山加里东火山岛弧带前缘为弧前俯冲杂岩增生地体，由多重的增生火山岛弧、复理石增生楔、高压变质滑脱带及蛇绿岩残片组成，提出了中祁连地块向北俯冲、阿拉善地块向南增生的海沟后退的动力学模式。马文璞（1999）阿尔泰型碰撞造山带由宽阔消减-增生杂岩组成的造山带，其地球动力学环境可能类似于今天的东南亚，与毗邻长命大洋盆地的复杂边缘海体系有关。Cawood(2003、2007)增生造山带的定义

形成在大洋岩石圈俯冲的位置，由岩浆弧体系和下行板块增生物质以及上部板块侵蚀物质组成，是大陆岩石圈通过新生岩浆的增加而增生，是陆壳消减和改造的主要场所，包括太古宙绿岩带、古元宙的Birimian造山带(西非)、阿拉伯-奴比亚地盾（泛非）和亚洲显生宙的造山带。李继亮（2004）增生型造山带的基本特征①有很宽的增生楔，增生楔中的复理石基质向着海沟后退方向时代逐渐变新。②有多条蛇绿岩带，是海沟后退到适宜的构造位置时沿滑脱断层就位形成的。③有多条钙碱性火山岩和花岗岩带，其生成时代也向着海沟后退方向变新。④含有海山、大洋岛和大洋台地的构造碎块，使增生型造山带复杂化。⑤具有多条韧性剪切带，可能是蛇绿岩构造就位的滑脱带。⑥含有大型、超大型铜、金和多金属矿床。潘桂棠（2009）增生造山—大陆增生的重要方式

多岛弧盆系演化过程中的弧-弧和弧-陆碰撞，弧前和弧后洋盆的消减冲杂岩的增生，洋底高原、洋岛（海山）、外来地块（体）拼贴，形成大陆边缘增生造山系。大洋岩石圈最终消亡形成对接消减带，并叠加后期的陆-陆碰撞造山作用、陆内汇聚（伸展）作用。（SamanthaR.Barretal.1999）海洋地球物理勘探和深海钻探已经表明：下冲板块沉积物在增生楔变形前缘增生的复杂构造地质作用主要是“前缘增生（frontalaccretion）”、“刮削作用（offscraping）”、“底侵作用（underplating）”和“前缘构造剥蚀作用（frontaltectonicerosion）”。前缘增生和刮削作用实现增生楔侧向增长，底侵作用同时实现增生楔发生垂向和侧向生长。前缘构造剥蚀作用为前端新逆冲岩片的形成及其这些活动逆冲岩片顶部沉积盆地形成提供物源（vonHueneandLallemand,1990）。由此可见，增生楔形成过程是引起陆壳侧向和垂向生长过程(Mooreetal.,1991;vonHuenceandScholl,1993;Yeetal.,1997)，也是山脉的初始形成过程(Ohmorietal.,1997)。增生楔及其顶部盆地的形成可为消减带处陆壳生长以及造山带演化提供重要信息（Sengor,1991）。大量研究表明，增生型造山带有以下基本地质特征（Sengör,1991,1993；李继亮，1999，2004；Cawood,2007,2009；袁四化与潘桂棠，2009；王根厚等，2009，Xiaoetal.，2010；李光明等，2012;LiangandWangetal.,2012）：1、发育很宽的增生杂岩带，宽度几十—几百公里，主要成分为形成于大陆边缘半深海—深海相的复理石细碎屑岩建造与大洋表壳沉积物，以及规模不等的外来岩块，这些强烈面理化的碎屑岩以基质的形式存在，包裹蛇绿岩残块及高压变质岩。2、增生杂岩带中包括规模不等、成分复杂的（刚性）岩块，这些岩块往往具有迥异大地构造相，岛弧、洋壳、洋岛、弧前盆地等及陆块残片（包括盖层与变质基底）均有可能卷入主动大陆边缘的巨型增生系统（潘桂棠等，2008；袁四化与潘桂棠等，2009；王根厚等，2009）。3、增生造山带可以分为后退和推进类型。后退的造山带（如现代西太平洋）响应下盘俯冲区的上冲板块，进行着长期的扩展并具有弧后盆地​​的特征。推进造山带（如安第斯山脉）发展的环境中，上冲板块朝着下行板块发展，导致前陆褶皱，冲断带和地壳增厚。4、增生杂岩带变质、变形作用强烈，但洋壳俯冲期塑性流变构造常作为其主体构造样式，发育巨型的韧性剪切带，并且可能主导了岩块的混杂就位过程（LiangandWangetal.,2012）。5、增生杂岩带中发育有钙碱性火山岩和花岗岩带，也可能发育有同碰撞花岗岩带。造山带中增生的火成岩组合的可分为三种类型，这取决于他们是否来自海山、洋脊、或者是否与俯冲蛇绿岩有关（CostasXenophontos,2004）。6、遍布时空的加积造山作用代表着形成及保存各种各样矿床类型极端优越的背景。从大陆边缘或者洋内盆地背景下活跃的岩浆弧，到发展成各种各样的弧壳环境，例如大陆边缘变形和剥落作用的前弧和后弧。

近年来，有关“俯冲－增生造山作用”正成为造山带研究的前沿或热点，尤其是海山、岛弧、海底高原和外来地质体（allochthones）等的俯冲、增生作为造山带形成的重要机制已深受地质学家的关注和研究。

第四部分造山带区域地质调查技术思考（SamanthaR.Barretal.1999）

一、俯冲增生杂岩的表现宏观特征板块俯冲形成的增生－杂岩带蛇绿岩就位机制就位方式不同变形样式构造组合形态变质程度不同板块俯冲形成的增生－杂岩带物质组成岩块洋壳残片基质深水细碎屑沉积岩块改造而成的细粒物及构造岩外来岩块台地相岩块斜坡相岩块基底岩块构造组成增生杂岩带内部俯冲期构造

(残留构造)边界断裂韧性剪切带（糜棱岩）脆性断裂（碎裂岩）隆升走滑构造（叠加改造构造）脆性断裂等厚褶皱非透入性劈理碰撞期构造（主体构造）挤压增生岩块及韧性断层蛇绿岩变形构造（韧性边界）逆冲推覆构造岩片（多为相邻陆缘浅海沉积）

俯冲-增生杂岩特征变质杂岩系形成过程明显的“集成性”。“集成性”主要表现为：(1)岩系内部的等时介面往往受到复杂的构造置换，难以在宏观填图尺度上加以追索；(2)杂岩系所涉及的整体时空范畴往往是“单向有限”的，类似数学上的“半序空间”，也就是说，杂岩系通常有比较确切的时代上限，而其时代下限往往是不确切的，它取决于杂岩系组构所“集入”的原始成岩空间。杂岩系时空范畴类似一个“奇异吸引子”，其内部信息必然是“混沌有序”，并具有“分形”的特点。雪水河增生杂岩构造样式及变形变质序列B处前两期构造特征及其叠加关系C处M1D1灰岩构造变形特征蓝岭地区增生杂岩构造样式及变形变质序列ABC蓝岭构造置换样式的自然剖面A处大理岩的构造变形特征大理岩紧闭褶皱的转折端大理岩的构造石香肠B处大理岩的构造变形特征C处大理岩的构造变形特征俯冲－增生杂岩石无论在平面上还是剖面上都为“透镜状”，变形分解的作用明显，可划分为三个区域：核部无应变区，托尾共轴收缩变形区，边缘单剪变形的强面理化带。俯冲－增生杂岩带的填图S2S1E第一期右行剪切第二期南北向收缩第三期纵弯褶皱EXZ面XY面物性填图意义：俯冲－增生杂岩填图为构造与岩性双重填图法，不但要根据物质组成差异圈定不同地质体，而且对圈定的地质体赋予不同的属性，这对物质组成相同而属性不同的单元尤其重要。构造填图意义：物质变形样式（几何学）是俯冲－增生杂岩形成温压条件的指示，运动学组合是岩块就位过程的反映。俯冲－增生杂岩填图的理想：物性与构造变形的有机结合！√×1、正确勾绘岩块的边界2、围绕岩块添加基质构造岩花纹显微尺度、露头尺度旋转斑与基质的关系，就是岩块与基质的缩写！写实表达客观存在是填图的理想天山石炭纪蛇绿岩（据徐学义，2006修改）通过主成分分析准确把握吐鲁番盆地台北拗陷山前构造带的地层分布b)原图像a)3,5,2主成分的假彩色合成图像二、野外区域地质调查（一）收集已有资料和充分利用遥感资料通过主成分分析准确把握吐鲁番盆地台北拗陷山前构造带的地层分布b)原图像a)3,5,2主成分的假彩色合成图像二、野外区域地质调查（二）区域地质调查的程序和组织填图工作的程序简单地层区填图以传统的填图为主进行;复杂地层区（非史密斯地层区）填图的合理程序主要表现在两个方面：1、先填图后测剖面；2、先填图后在进行关键区段重点研究，建立研究区总体构造样式；填图工作的组织就复杂地层区填图地质填图而言，组织形式主要突出两个方面：1、系统学习、对填图区地质现象的统一认识2、分组、分片填图为主，交流讨论随时进行。色哇组（J1-2s）-色哇大比例尺图范围色哇组（J1-2s）-色哇大比例尺图色哇组（J1-2s）-色哇大比例尺图（三）地质路线调查工作1、地质路线的布置

根据地质构造复杂程度和露头发育情况，合理布置观察路线。衡量地质路线布置是否合理，主要根据是否能达到填图比例尺所规定的研究精度，能否有效的控制和不遗漏按照填图比例尺应填出的构造地质现象和地质体。1）对于线状展布的构造以穿越为主；2）对于重要的构造现象应辅以追索。蓝片岩与大理岩构造样式(同斜褶皱)2、地质路线调查的主要内容路线地质调查涉及到岩石学、地层古生物学、构造变形、变质作用特征、接触关系和层序等方面。因