大地構(gòu)造學(xué)巖石圈研究進展

1、巖石圈研究新進展超越板塊構(gòu)造,一、巖石圈的縱向和橫向不均一性,1、巖石圈的縱向不均一性 對巖石圈的經(jīng)典理解剛性的固體板塊 超深鉆和地球物理探測發(fā)現(xiàn)： 巖石圈存在垂向的分層性 構(gòu)造證據(jù)：不同規(guī)模、不同層次的層間滑動斷裂，如變質(zhì)巖區(qū)普遍存在的順層韌性剪切帶（一定層次）、固態(tài)流變構(gòu)造、大型伸展剝離斷層和逆沖推覆構(gòu)造,地球物理證據(jù)： 廣泛存在低速層和高導(dǎo)層。 大陸巖石圈存在“三明治”結(jié)構(gòu)。,2、巖石圈橫向的不均一性 不規(guī)則的多邊形結(jié)構(gòu)（陸塊構(gòu)造） 多級次（10-8108）的強變形帶圍繞弱變形域而構(gòu)成的網(wǎng)結(jié)狀構(gòu)造。 殼內(nèi)低速層的不連續(xù) 全球統(tǒng)一的軟流圈是否存在？ 巖石圈之下的軟流圈一般為低速層，但有些大

2、陸沒有觀測到軟流圈的低速層。 巖石圈縱橫向上的不均一性的發(fā)現(xiàn)其意義在于： 大陸構(gòu)造是極為復(fù)雜的，其成因機制也是復(fù)雜的提出了大陸動力學(xué)的研究方向 對經(jīng)典板塊構(gòu)造理論提出了質(zhì)疑,太古代地盾區(qū)巖石圈厚度比以前認為的深得多，超過300km，甚至達到400600km。,殼內(nèi)高導(dǎo)低速層的解釋 顯生宙蓋層與結(jié)晶基底的界面 上地殼的低速層與含水和巖石破碎有關(guān)來自俄羅斯科拉半島超深鉆的觀測資料 下地殼中包含的沉積巖層 地殼深處水平層狀的物質(zhì)流動層 下地殼的部分熔融巖漿,二、巖石圈的力學(xué)性質(zhì)巖石圈的流變分層性,傳統(tǒng)的巖石圈流變學(xué)分層性 均一的地殼 以石英為代表的流變學(xué)行為 均一的上地幔 以橄欖石為代表的流變學(xué)行為

3、,新探測研究發(fā)現(xiàn)： 大陸巖石圈的地殼層中和上地幔內(nèi)部均發(fā)現(xiàn)有明顯的低速層存在，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 超深鉆鉆探表明，地殼內(nèi)部可能不存在康拉德面（硅鋁/硅鎂）科拉半島設(shè)計15km，鉆至11.5km結(jié)束，仍為TTG而不是“玄武巖層” 三明治式的多層流變模型 存在一個或多個塑性強度低的或不能干的層分隔開具有脆性破裂特征的強度高或能干的層。這種三明治式的多層流變結(jié)構(gòu)是地殼（巖石圈）厚度、巖石學(xué)特征、溫度等物理狀態(tài)的函數(shù)。,Ranalli和Murphy(1987)建立的七種巖石圈流變學(xué)剖面模型,Jackson（2003）的巖石圈流變學(xué)力學(xué)強度模型,三、巖石圈的成分結(jié)構(gòu),陸殼成分結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)認識,對陸殼成分結(jié)構(gòu)的新認

4、識（主要針對下地殼成分）,超深鉆鉆探表明，地殼內(nèi)部可能不存在康拉德面（硅鋁/硅鎂）科拉半島設(shè)計15km，鉆至11.5km結(jié)束，原預(yù)測的7km深處的康拉德面并不存在，在該深度以下仍為斜長片麻巖、花崗片麻巖和角閃巖 ，只是隨著深度增加角閃巖夾層增多。而不是“玄武巖層” 剝露到地表的麻粒巖相下地殼成分往往以長英質(zhì)片麻巖、麻粒巖為主體。 很多新的火山巖攜帶的大量下地殼包體往往也以長英質(zhì)片麻巖、麻粒巖為主體。 因此，陸殼的下地殼成分可能仍以長英質(zhì)或花崗質(zhì)成分為主。,大陸巖石圈成分的不均一性 大陸巖石圈的組成和物性變化很大，缺乏一個共同的成因方式，大陸巖石圈的組成上部是由非均一成分和具有復(fù)雜構(gòu)造和熱演化史

5、的不同塊體拼合而成，因而它們具有不同的強度。 大陸下地殼的性質(zhì)因地而異，不同的性質(zhì)造成了復(fù)雜多樣的效應(yīng)與結(jié)果，諸如活動斷裂帶的寬度、造山帶高度、沉積盆地以及被動大陸邊緣的下沉速度的差異等.,四、超越板塊構(gòu)造（Beyond Plate Tectonics）,超越板塊構(gòu)造產(chǎn)生背景,對大陸地質(zhì)的研究，大批的高精度定量數(shù)據(jù)的涌現(xiàn)和相關(guān)理念的長足進步，例如： 地表位移：以全球定位系統(tǒng)( GPS) 和合成孔徑干涉雷達( InSAR) 為手段的大地測量技術(shù) 深部結(jié)構(gòu)：地震層析技術(shù) 時間約束：精確的熱年代學(xué)測年技術(shù)和宇宙成因同位素測年技術(shù)等。 2.作為地質(zhì)科學(xué)帶頭學(xué)科的構(gòu)造地質(zhì)學(xué)面臨著新的發(fā)展機遇，出現(xiàn)一些新

6、的學(xué)科生長點： 大陸地質(zhì)構(gòu)造理論的創(chuàng)新(涉及造山帶形成的深部機制,力學(xué)過程, 地殼和巖石圈地幔結(jié)構(gòu)等) 大地構(gòu)造與人類居住環(huán)境關(guān)系(比如, 構(gòu)造與氣候以及地球表面過程相互作用關(guān)系) 的研究 大地構(gòu)造演化對生物演進的制約研究 地震發(fā)生與長期地殼構(gòu)造變形的關(guān)系研究等.,3.大陸地質(zhì)研究的深入對傳統(tǒng)板塊構(gòu)造理論在解釋大陸地質(zhì)方面提出質(zhì)疑和挑戰(zhàn).比如： 兩個大陸間的大洋板塊俯沖消減之后, 兩相碰撞的大陸塊體的地殼部分和其深部會采取什么方式繼續(xù)造山活動 深部過程和拆沉與底侵作用在大陸造山過程中的效應(yīng) 大陸中、下地殼的相對強度 大陸變形所采取的力學(xué)方式及物理化學(xué)機制 因此，美國的一批構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家和大地構(gòu)造

7、學(xué)家根據(jù)地球科學(xué)發(fā)展的潮流, 于2002 年9 月在美國科羅拉多州丹佛市召開了題為“構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和大地構(gòu)造學(xué)的新航程(New departures in structural geology and tectonics)”的構(gòu)造研討會. 在此次研討會中, 美國構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家和大地構(gòu)造學(xué)家在相繼提出大陸動力學(xué)和21世紀(jì)地質(zhì)科學(xué)基礎(chǔ)研究的機遇等基礎(chǔ)上, 首次明確指出板塊構(gòu)造理論模式不適合于大陸地質(zhì), 并提出超越板塊構(gòu)造（Beyond Plate Tectonics）概念。,提出當(dāng)代構(gòu)造地質(zhì)學(xué)所面臨的4 個重大課題（超越板塊構(gòu)造研究的方向） (1) 板塊構(gòu)造: 流變學(xué)與大陸造山作 用; (2) 丟失的聯(lián)

8、結(jié): 從地震到造山作用; (3) 大地構(gòu)造、氣候和地表系統(tǒng)的動 態(tài)相互作用; (4) 地球和生命的協(xié)同演化,大陸構(gòu)造研究中幾個需要思考的方面 （一）大陸板塊與大洋板塊的物性差異 1、大洋巖石圈板塊呈剛性特征, 而大陸巖石圈具有非剛性特征, 相對于大洋巖石圈板塊, 大陸巖石圈板塊在強度上要軟弱一些. 2、相對大洋板塊而言, 大陸巖石圈的組成和物性變化很大, 不像大洋板塊具有上述物質(zhì)組成的相對均一性, 大陸巖石圈的組成缺乏一個共同的成因方式. 大陸巖石圈的組成上部是由非均一成分和具有復(fù)雜構(gòu)造和熱演化史的不同塊體拼合而成, 因而它們具有不同的強度. 大陸下地殼的性質(zhì)因地而異,不同的性質(zhì)造成了復(fù)雜多樣

9、的效應(yīng)與結(jié)果。 （二）大陸下地殼與地幔的相對強度 目前, 地殼和地幔的強度對巖石圈性質(zhì)所作的貢獻的相對大小仍不清楚. 軟弱的和富含流體的下地殼的想法在過去15 年間主導(dǎo)了大陸構(gòu)造研究.即大陸巖石圈的“三明治”或“五明治”結(jié)構(gòu)。然而, 現(xiàn)在新的研究認為大陸巖石圈是由軟弱的中地殼和強的下地殼組成, 并且下地殼的強度可能超過其下伏的地幔。這些論點是基于由地震分布和地形負載的彈性厚度作出的推斷。因為缺乏其他佐證, 這樣的推斷是間接的并具有假定性。,（三）大陸變形的流變學(xué)特點 由于大陸與大洋板塊力學(xué)性質(zhì)的差異, 導(dǎo)致了它們構(gòu)造變形的不同. 大洋板塊表現(xiàn)了在俯沖帶的相對單一的消減作用, 采取的主要是剛性的

10、變形方式. 而大陸的非剛性特點, 造成了寬廣的大陸造山帶內(nèi)廣布式變形和內(nèi)部構(gòu)造, 主要表現(xiàn)為流變學(xué)行為與方式. 除了考慮介質(zhì)材料的力學(xué)性質(zhì)之外, 流變學(xué)研究將時間因素引入變形力學(xué). 從廣義上講,流變學(xué)包含了所有隨時間變化的變形力學(xué). 而流變學(xué)行為即是在時間因素起作用的條件下的變形方式. 在應(yīng)力保持不變的的條件下, 變形強度隨時間增強. 這一變形的力學(xué)方式是大陸與大洋板塊變形的最大不同。,兩種可能模型： 1、大陸地幔巖石圈相對強硬, 因此它以板塊形式消減, 而軟弱的、具浮力的地殼被遺留在后形成加厚的造山帶 2、地幔巖石圈的行為的更像流體. 地?；亓骺赡芫砣肓艘粋€穩(wěn)定的對稱或非對稱的下降流, 或者

11、幕次式的水滴狀回流。 陸陸碰撞的不同地?；亓鞣绞降臄?shù)字模型 大陸巖石圈地幔以板塊方式俯沖消減; 具有幕次式的水滴狀脈動的對稱回流. 變形軌跡網(wǎng)絡(luò)顯示聚集主密度, 箭頭表示相對速度矢量,（四）大陸變形中的流體作用 大陸變形中的流體作用值得重視, 因為大陸巖石圈與流體和熔體的相互作用可以大大改變其流變學(xué)結(jié)構(gòu), 而我們對流體存在的效應(yīng)和作用過程還知之甚少. 實驗研究表明礦物中微量含水組分對改變巖石圈流變學(xué)行為的重要性。極少量的水都會對巖石的延展性和摩擦力產(chǎn)生作用。如： 發(fā)育完整的走滑斷裂(如圣安德列斯斷裂) 的內(nèi)部各帶要比典型的地殼巖石軟得多, 而斷裂帶內(nèi)流體壓力的增大是這種軟弱性的可能原因。 脆-

12、韌性過渡變形似乎與斷裂作用中的流體作用密切相關(guān), 這種關(guān)系體現(xiàn)在影響斷層和寄主巖石的正負膨脹變形機制上。 顆粒粒度減小和巖石與斷層泥的混合改變了斷層寄主系統(tǒng)的滲透性。 流體遷移影響顆粒接觸部位的溶解、運移和膠結(jié)物的沉淀。,Jackson（2003）的巖石圈流變學(xué)力學(xué)強度模型,（五）構(gòu)造沉積地貌氣候協(xié)同演化研究構(gòu)造地質(zhì)學(xué)沉積學(xué)構(gòu)造熱年代學(xué)構(gòu)造地貌學(xué)氣候?qū)W的緊密結(jié)合,美國： “構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和大地構(gòu)造學(xué)的新航程(New departures in structural geology and tectonics)” 構(gòu)造研討會中確定的超越板塊構(gòu)造研究的4個重大方向之一 (1) 板塊構(gòu)造: 流變學(xué)與大陸

13、造山作用; (2) 丟失的聯(lián)結(jié): 從地震到造山作用; (3) 大地構(gòu)造、氣候和地表系統(tǒng)的動態(tài)相互作用; (4) 地球和生命的協(xié)同演化。,歐洲：歐洲合作研究計劃 Top Europe and Thermal Europe介紹,List of Funded Collaborative Research Projects (CRP s),Spatial and Temporal Coupling between Tectonics and Surface Processes during Lithosphere Inversion of the Pyrenean-Cantabrian Mountai

14、n Belt (PYRTEC) Timescales of Sediment Dynamics, Climate and Topographic Change in Mountain Landscapes (SedyMONT) Plate Re-organisation in the Western Mediterranean: lithospheric causes and topographic consequences (TopoMed) Continental Plateaus and Tectonics-Climate Interactions (VAMP) The Scandina

15、vian Mountain Chain: deep processes (TopoScandiaDeep),From Source to Sink: integrated natural hazard assessment through the quantification of mass transfer from mountain ranges to active sedimentary basins (SourceSink) Refined European Sea Level Estimations by Combining Altimetry, Tide Gauges, Hydro

16、graphic and Other Data Sets with Improved Regional GIA Modeling and Tailored Regional GRACE Gravity Field Models (RESEL-GRACE) Mantle Forcing of Earth Surface Evolution in Europe and the Mediterranean: from past to present (Topo-4D) The Topographic History of the Alps and its Tectonic and Climatic D

17、rivers (TOPO-ALPS) Coupled Climatic/Tectonic Forcing of European Topography revealed through Thermochronometry (Thermo-Europe),Title EUROCORES Project: Coupled climatic/tectonic forcing of European topography revealed through thermochronometry Thermo-Europe,Maria-Laura Balestrieri, Max Zattin and Ma

18、rco Malusa (Pisa, Bologna, Milano, Italy) Cornelia Spiegel and Joachim Kuhleman (Bremen, Tbingen, Germany); Mike Cosca (Lausanne, Switzerland) Charlotte Cederbom and Onno Oncken (Potsdam, Germany) Peter van der Beek and Matthias Bernet (Grenoble, France) Sean Willett and Rainer Wieler (Zrich, Switze

19、rland) Paul Andriessen and Joaquim Juez-Larr (Amsterdam, Netherlands) Piotr Krzywiec (Warsawa, Poland) Luis Barbero (Cadiz, Spain) Hugh Sinclair (Edinburgh, U.K.) Ed Sobel (Potsdam, Germany) Ulrich Glasmacher (Mainz, Germany).,Thermo-Europe aims and objectives:,acquisition of new thermochronologic d

20、ata on denudation rates and seismic data on sediment-flux from selected key areas;（新的有關(guān)剝蝕速率熱年代學(xué)資料和關(guān)鍵地區(qū)沉積通量的地震探測資料的獲取） development of new methods to increase the resolution of the thermochronologic record; （ 提高熱年代學(xué)記錄確定性的新方法） development of quantitative interpretational techniques that permit us to ex

21、tract information on relief development and transient exhumation rates（萃取有關(guān)地貌演化和瞬時剝蝕速率信息的定量解釋技術(shù)） investigation of the potentially coupled effect of climate-induced and tectonic variability in exhumation rates. （評估氣候因素和構(gòu)造變化對剝蝕速率的潛在雙重影響）,Thermo-Europe questions:,Can we document and quantify variations

22、 in erosion rates in, and/or sediment flux from, mountain belts through time and can we link these two measurements? What resolution can we achieve in the establishment of a record of erosion rates through time?是否能夠描述和量化造山帶隨時間演變的剝蝕速率和/或沉積通量變化？兩種測量結(jié)果能否互相關(guān)聯(lián)？是否能夠建立剝蝕速率隨時間的演變？ Can we establish the timin

23、g of these variations with sufficient temporal and spatial resolution to enable correlation between different study areas?是否能夠建立這些變化在時空上的關(guān)系，從而使我們能夠建立不同研究區(qū)之間的聯(lián)系？,Thermo-Europe questions:,3. Can we use this information to discriminate climatic and tectonic forcing on the topographic evolution of the r

24、egion?是否能夠利用這一信息去區(qū)別氣候和構(gòu)造力對該地區(qū)地貌演化的影響？ 4. Can we reveal changes in topography due to changing rates and processes of erosion (e.g., increased relief due to valley carving)?是否能夠揭示由于改變剝蝕速率和過程而引起地貌的變化？ 5. Can we document and model the tectonic response to changing erosion rates and topography, and can w

25、e establish couplings in the system? 是否能夠描述和模擬構(gòu)造對剝蝕速率和地形變化的響應(yīng)？是否能夠建立系統(tǒng)的耦合關(guān)系？,Thermo-Europe techniques:,Numerical modelling of thermochronologic age-elevation profiles; 熱年代學(xué)年齡高程剖面的數(shù)值模擬 Forward and inverse modelling of dense thermochronologic datasets;密集熱年代學(xué)數(shù)據(jù)資料的正反演模擬 Multiple thermochronometric analy

26、sis (e.g., apatite fission-track, zircon and apatite (U-Th)/He);多重?zé)崮甏鷮W(xué)分析（如：磷灰石裂變徑跡、鋯石和磷灰石U-Th/He測年） Apatite 4He/3He thermochronometry;磷灰石4He/3He熱年代學(xué) Detrital thermochronology on well-dated Mio-Pliocene sediments; 良好定時的中上新世沉積的碎屑熱年代學(xué) Combining detrital thermochronology with quantifications of sediment flux;碎屑熱年代學(xué)與沉積通量的量化 Numerical and analog models.數(shù)值和物理模擬,Thermo-Europe target areas:,Thermo-Europe deliverables:,Key new data and c