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區域構造及其研究意義

1.1區域大地構造的研究歷史及意義。

地質學是壹門主要研究固體地殼或巖石圈表層的科學。研究內容主要包括固體地球的物質組成、內部結構和形成演化歷史,從不同角度揭示了地球各種地質作用和地質過程的客觀規律。在地質學的分支中,大地構造學起著重要的作用。它通過綜合地質學各個分支的資料,總結區域或地區乃至全球的地質演化歷史,從而建立各種地質作用之間的動態關系,幫助人們正確合理地認識地球的演化。區域地質演化過程直接控制著區域地形、地貌和氣候的變化,礦產資源的分布和壹些地質災害的發生。因此,開展區域構造和演化史研究,對於深化地質研究,深刻認識與人類生活密切相關的自然資源和環境的變化和規律,為人類社會的可持續發展提供資源保障和環境支持,具有重要的理論和現實意義。

構造學是中國地質研究中最活躍的學科之壹。自19世紀晚期以來,中國大地構造的研究已有100多年的歷史。任繼順、楊等。對中國大地構造研究的歷史做了精彩的總結,將中國大地構造研究的進程劃分為以下幾個階段[1,2]: 1949年前為創始和奠基期;1949 ~ 1976是發展期,百家爭鳴;1976年至20世紀末是板塊構造學盛行的時期,經歷了70年代的反思和迫切追求、80年代與國際接軌、90年代大陸巖石圈重大地質問題深入研究等階段。自21世紀以來,它進入了構造研究的新航程。美國科學家在《構造地質學與大陸動力學新征程》中提出的“超越板塊構造學”新課題,無疑是新航程的重要起點。中國大陸擁有眾多的構造單元、復雜的地質演化歷史和許多獨特的地質現象,是研究大陸形成演化過程及其動力學機制的理想場所。壹個多世紀的地質研究歷史,特別是大比例尺區域地質填圖,積累了豐富的資料,為總結區域地質演化規律,進壹步研究和探討大陸動力學奠定了堅實的基礎。在這個新時期,我國區域大地構造研究面臨的主要任務應該是詳細清理現有的區域資料,總結區域演化規律,將區域大地構造研究納入地球表層科學研究,從研究全球大陸演化和發展完善地球科學理論的角度,探索中國大陸的形成演化歷史及其動力機制,為國家經濟建設服務。

1.1.2板塊構造理論與大陸動力學

板塊構造理論起源於對海洋的研究,其基本思想是固體地球上層在垂直方向上可分為物理性質顯著不同的兩個球體,即上層的剛性巖石圈和下層的塑性軟流圈;剛性巖石圈在橫向上可分為幾個大小不同的板塊,板塊之間的邊界為大洋中脊、海溝和轉換斷層。板塊漂浮在可塑性強的軟流圈上進行大規模運動,使板塊離散、匯聚、走滑,導致海洋擴張、大陸解體重組,板塊邊界發生地震、火山活動。板塊內部相對穩定,板塊邊緣由於相鄰板塊的相互作用而成為構造活動強烈的地帶;板塊之間的相互作用從根本上控制著各種地質作用的進程,也決定著全球巖石圈運動和演化的基本格局。壹般認為板塊運動的動力來自地幔對流和海底擴張。

盡管板塊構造理論完美地描述了海洋板塊動力學的海底擴張和俯沖機制,並更好地解釋了海洋開合演化和大陸分裂重組的動力學,但由於它強調水平運動而忽略了垂直運動和地幔對流,並忽略了地球不同層之間的相互作用,因此在解釋大陸物質增長和減少的復雜過程以及大陸內部的地質演化方面遇到了相當大的困難。許多學者認為,大陸與海洋之間存在巨大的動力學差異,至少在上地幔深度上是如此,現有的板塊構造理論不能簡單解釋大陸的動力學過程。隨著人類社會面臨日益嚴峻的資源、環境和地質災害問題,探索大陸內部特別是碰撞後地質作用的特征和成因機制,使地球科學更好地為人類社會發展服務,成為地質學家面臨的巨大挑戰和機遇。

長期以來,大陸的起源和演化壹直是地質學家關註的焦點。隨著固體地球科學理論研究的深入,人們對大陸的認識正在進入壹個新的高度,即從對大陸地殼淺部的局部認識,上升到對大陸殼幔系統的整體認識。隨著地球科學信息的大量增加和巖石圈計劃的發展,巖石圈結構和演化的研究正轉向建立全球動力學和大陸動力學理論。這壹方面使板塊構造理論得到完善和發展,另壹方面也對板塊理論的基本原理和板塊運動的作用過程提出了質疑和反駁。與此同時,粘性流模型、後板塊構造、浪湧構造[3]和地幔柱構造[4]等構造理論模型相繼提出,大陸演化的動力機制模型正在向多元化方向發展。因此,無論是從進壹步深化板塊構造理論,還是發展新的地球動力學,探索大陸動力學已成為當前和今後固體地球科學研究的重要課題之壹。

1.1.3大陸動力學及其在大陸構造研究中的作用

大陸動力學是以板塊構造理論為基礎的重要科學問題和研究領域。主要研究與大陸形成演化相關的動力學機制等基本問題,通過研究大陸的形成過程、演化歷史等各種基本問題,闡述大陸如何與整個地球系統相互作用。這個概念是基於獲得的數據提出的,說明大陸和海洋的巖石圈乃至上地幔的結構是不同的。大陸巖石圈的形成、保存和消亡過程比板塊構造所闡述的海洋巖石圈的生長和消亡過程要復雜得多。

大陸動力學顯然繼承和發展了板塊構造的基本理論,但在深度和廣度上都超出了板塊構造的研究範圍。在深度上,它力圖細化板塊運動的過程,探索和揭示板塊運動過程中造山帶構造、巖漿、變質作用等產物的形成機制和過程,而不像以往的板塊構造理論局限於對板塊構造環境中各種構造變形特征和巖石組合特征的描述。從廣義上講,它研究了許多以前沒有涉及到板塊構造學的重要問題,如地殼中流變層的形成及其對上地殼應變的影響、地幔與地殼深部的耦合、莫霍面的形成機制、流體和熱量對應力場的影響、造山過程中大規模的流體遷移及其後果、殼幔物質的交換和再循環、深部巖石的剝離過程等。從造山帶的演化來看,以往板塊構造研究的重點是確定是否存在海洋,是什麽樣的海洋。妳潛水了嗎?什麽樣的大陸邊緣?板塊碰撞的方式是什麽,什麽時候結束?基本不涉及碰撞後的歷史和大陸內部的地質過程。大陸動力學的研究重點是大陸內部的研究,包括巖石圈加厚、隆升和造山帶巖石侵位與剝蝕的主要過程,即造山帶形成過程中擠壓、走滑和伸展的表現,以及它們與板塊運動引起的應力和大陸地殼厚度引起的浮力的關系,花崗巖、鎂鐵質和超鎂鐵質巖石、深變質巖等的形成、侵位和剝蝕。[5]以及地質過程及其內部大陸。

大陸動力學的研究並不反對板塊構造理論。雖然板塊構造理論有其局限性,但它能更好地解釋古海洋的演化過程和大陸形成過程中的大陸組裝過程,而大陸動力學則探索古海洋形成前和閉合後大陸的演化和動力學。大陸地殼真的可以循環嗎?答案是肯定的。剝蝕和再沈積、深部熔巖巖漿活動和變質作用正在不斷地將古老的大陸轉變為年輕的大陸。就像我們在大陸發現了很少的古海洋巖石圈碎片,說明大部分的海洋巖石圈已經回歸地幔壹樣,大陸古巖石圈少的原因很可能是它們已經轉化為年輕的大陸地殼。問題是這種轉變的機制是什麽,時限有多長,還需要我們孜孜不倦地追求。當大陸動力學的原始特征被充分揭示並與板塊構造學有機結合時,真正的全球構造理論就誕生了[6]。

20世紀90年代以來,國際地球科學高度重視大陸動力學的研究,國際巖石圈計劃的重點從巖石圈的結構、構造和演化轉向過程和動力學,其中大陸巖石圈、深部過程和動力學成為國際巖石圈計劃的四個主要領域中的兩個。美國國家科學基金會、地質調查局和能源部聯合提出並實施了30年(1990 ~ 2020)的“大陸動力學計劃”,目的是建立大陸不同尺度的動力學演化模型,為地震動力學預測、油氣和金屬礦產的三維預測以及大尺度生態環境變化預測提供新的依據。英國自然環境研究理事會的地球科學戰略報告(1994 ~ 2000)也將大陸動力學列為其專題重點研究領域,並重點研究了大陸深部結構和組成、大陸邊緣結構、地殼垂直運動在巖石旋回中的作用及其與地表作用的關系等四個問題。此外,由16個歐洲國家針對該大陸的起源和演化而啟動的“歐洲透鏡”項目,實施於1992年至21世紀初,旨在提高對地球殼幔結構的演化和控制及其隨時間變化的動力學過程的認識。

中國大陸動力學研究幾乎與國際同步[7]:20世紀90年代初,中國地質學家開始討論中國大陸動力學問題,並在“九五”基礎研究戰略規劃中將大陸動力學列為優先研究領域。科技部為此設立了“大陸科學鉆探”、“現代地殼運動觀測網”等重大科學工程和“青藏高原形成演化及其環境與資源效應”、“大陸深俯沖”等國家重點基礎研發項目。國家自然科學基金通過設立壹系列重大、關鍵項目和壹般項目,支持專家開展中國大陸主要構造單元(造山帶、盆地和地盾)巖石圈結構與演化的多學科研究。中國科學院、國土資源部、中國地震局等部門也部署了相關的大陸動力學大型觀測、調查和研究項目。通過上述工作,我們獲得了許多關於中國主要造山帶和其他構造單元巖石圈結構和演化的新認識,積累了大量有價值的地質、地球物理和地球化學資料,為我們進壹步的系統規劃和大陸動力學研究奠定了良好的基礎。

山東省的地質結構相當復雜。太古宙大量TTG巖系的形成、蘇魯超高壓變質帶的形成和折返、不同時期(元古代、新元古代和中生代)堿性花崗巖的發育、中生代大規模花崗巖的成因和剝蝕、中生代大陸堿性鈣堿性火山巖的爆發性富集、膠北金元素和新生代幔源玄武巖的噴發,都是中國乃至世界典型的地質構造事件,也是經典的板塊構造。可以說,山東陸域是解決大陸動力學問題最好的地區之壹,是大陸動力學研究的天然實驗室。同時,研究山東省地質構造格局和大陸地殼演化,必將有助於解決山東省面臨的資源、環境和地質災害問題。

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