大陆构造与动力学研究若干重要方向和进展现状

如题所述

为了建立新的地球观,当代地学界把主要科学目标瞄准大陆构造与动力学。这方面的主要问题包括:

1)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。目前,关于大陆造山带和盆地的研究正向系统地探索隆坳转换机制、深部地质过程和动态演化规律方向发展。以下几个方面颇受重视。

(1)造山带的伸展作用

近10年来,一些学者相继在科迪勒拉、阿尔卑斯、喜马拉雅等世界著名的造山带发现大规模伸展构造,使之成为当代构造学的热点之一。除在上述年轻造山带中发现伸展构造外,像加里东、秦岭、兴蒙等古老的造山带也显示出明显的韧性伸展和揭顶作用。大多数学者认为伸展构造是造山带形成后重力扩张、伸展塌陷的结果,另一部分人则认为是由于深部岩浆脉动上涌,引起热隆伸展,形成变质核杂岩及相关的剥离断层,这一构造热过程与山脉的隆升、变质核的剥露密切相关。今后造山带研究的一个重要方向是将造山带与相关盆地作为一个有机联系的统一体,深入探讨伸展作用与挤压作用、岩浆活动的时空关系和成因联系,尤其重视造山带多重构造体制的复合形式和转换机制的研究。

(2)沉积盆地的形成机理及深部过程

近年来,沉积盆地的深部构造过程与浅层伸展裂陷的关系受到重视,提出了多种类型的纯剪伸展模式和单剪伸展模式。研究结果表明:尽管大陆坳陷带的表壳伸展构造样式有所不同,但是,活动性沉积盆地都具有高地温梯度,表现出深层高温流变和顺层韧性剪切,浅层裂陷与深部顺层韧性伸展密切相关。然而,迄今为止还尚未提出有代表性的盆地挤压构造模式。

(3)盆-山构造系统的物质运动和构造转换

盆地和造山带是在空间发展和形成机制上具有密切联系的构造系统。造山带(区)地壳显著增厚和沉积盆地(区)地壳大量减薄显示出构造地貌与大陆莫霍面之间的镜像对称关系,其成因可能与不同层圈的差异流变作用和底侵作用有关。由底侵作用引起的壳幔反应和部分熔融产生的壳幔混合物增添到下地壳底部,下地壳热流物质从幔隆区向幔坳区持续流动,不断将盆地底部热软化物质转移到造山带。在深层物质迁移过程中,不仅在浅层次造成盆地扩张与裂陷和造山带相应的挤压与收缩,而且还引起一系列深部地质效应:岩浆从幔隆发源区向幔坳区由基性经中酸性向酸性演化;变质相由高温高压经中温中压向低温低压转化;构造变形由粘塑性流动向韧-脆性剪切转换;活动性沉积盆地因深部物质流失引起质量亏损,造山带则因热流物质大量集积而造成质量剩余,最终导致活动构造区(带)重力均衡异常。

(4)造山带和盆地的热状态

大陆不同构造单元在不同演化阶段具有不同的热状态和热结构,新生的裂陷盆地热活动十分显著,尤其是受底侵作用和壳幔反应影响的下地壳,处于过热的超塑性流动状态,出现大量的部分熔融物质、孔隙流体、席状及透镜状镁铁质侵入体和韧性剪切带,构成以热平流传导为主的、热流物质侧向蠕散的层流层。相应地,在年轻的活动造山带底部出现巨厚的高热流韧性流层或低速高导层,随着盆-山构造系统的热转换和热耗散的持续作用,造山带和盆地趋于稳定,出现老化现象,最终被夷平、冷却和固化,形成稳定的克拉通,地温梯度明显降低,岩石圈结构相对均一化,缺少活动的低速层。

2)大陆岩石圈的分层结构及流变性质

当代大陆构造和动力学研究的一个重要趋势是重新认识和评价大陆岩石圈的结构、强度、成分和流变性质,特别是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。研究表明:①大陆岩石圈是由20~30km和40~60km的两个韧性层及由此分隔的两个脆性地壳层和一个上地幔脆性层组成;②大陆岩石圈是由下地壳韧性层和上、下两个脆性层构成的“三明治”结构;③随着应力增加,大陆莫霍面之下的上地幔流变转换带附近发生流变软化和应变局部化,韧性层向下拆离;④大陆岩石圈不同于刚性的大洋岩石圈,具有显著的结构和强度不均一性;⑤具有不同构造活动性的大陆构造带或构造域,其分层流变性有很大的差异,显示出地温场分区、应力场多变的特点。

3)大陆下地壳的构造性质及变形特征

一般认为,陆-洋体制的构造转换是由下地幔巨大的热流体系的物质运动所推动的。陆-洋体制的岩浆活动是亲地幔型的,以沿大洋扩张中脊呈带状展布的超镁铁质岩为典型代表。陆内隆-坳系统的岩浆活动显示为亲地壳型。尽管在大陆伸展区出现基性岩浆和壳幔混合作用,但其成因仍与地壳底部镁铁质岩的底侵作用及相关的壳幔反应和部分熔融关系密切。一些人将下地壳作为大陆动力学的主攻目标,试图以研究大陆下地壳的物质组成、热状态、流变状态、变形变质作用和物质运动规律,进而探讨大陆深部构造过程与浅层构造活动的内在联系,总结大陆构造系统的物质运动规律。

近年来,人们详细研究了天然剥露的下地壳高级变质岩区、深源包体和深地震反射剖面,发现在大陆活动区的下地壳存在近水平的地震组构,发育流体富集的伸展性韧性剪切带。这种具有强烈流变性质的壳内流层或韧性流层是在地幔上拱背景下构造热活动的产物,所以,大陆下地壳可看作是在一定时空结构中随构造活动性转化而变化的构造岩石组合,其形成时代可以很新,一般来说,活动带的下地壳及莫霍面的形成时代晚于中、上地壳,并与其相关的造山-造盆作用大致同期。显然,大陆地壳浅层断块构造活动与其深部物质层流运动密切相关。

4)大陆地震活动规律及其成因

通常认为,地震是构造活动的产物,因而地震也可以作为建立构造模型的标志和检验构造理论的标尺。大陆地震分布具有规律性。据马宗晋等的研究,大陆地震在地壳中、上部一定深度范围内呈优势分布,称为易震层或多震层。这些多震层是蕴震的介质层,被活动的发震断裂切割、错动而发生地震。所以,大陆地震呈层状漫散分布、带状局部集中,主要受近水平的地震作用力控制。

控制震源深度和影响地震活动的主要因素包括:地壳厚度、地壳分层结构、低速高导层发育程度和热流值高低等。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、逆冲断层或伸展性断裂成带集中分布。地震带在一定的时空结构中随着构造发展而发生迁移,马宗晋认为地震迁移现象是波的传播过程,而不是地震断裂的连续伸延。许多人认识到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间滑动有关,而难以用板块俯冲或碰撞模式进行解释。

5)大陆构造活动的动力学机制

大陆地壳历史悠久,大陆构造形式多样,大陆结构十分复杂。鉴于大陆构造的复杂性,一些学者认为大陆的地壳运动是由多种动力源复合而成的,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。大陆地壳上部脆性域的构造变形主要受应力控制,破碎作用和摩擦滑动是主要的变形机制。一般认为,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。大陆地壳下部韧性域热软化现象十分显著,尤其是低速层发育的活动构造带,热流值通常很高。在底侵作用的伸展区,热点之上的莫霍面温度可达1200℃。与此密切相关的热力作用不仅引起热点活动区发生壳幔反应和部分熔融,形成粘性流层,造成大陆地壳的垂向生长,而且还制约了大陆下地壳的流变状态和物质流动规律,具有非线性动力学特征。

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