大陆的形成、演化及其动力学

矿业界 2018-07-03 15:32:57

地矿科普第72

大陆的形成、演化及其动力学

Formation,EvolutionandGeodynamicsofContinent

撰文丨董云鹏 张国伟

单位:西北大学地质学系

大陆作为地球固体外壳的最基本组成单元,与人类关系最为密切,长期受到地球科学界的广泛关注,大陆研究随着地球科学的进步而迅速发展。20世纪60年代,随着板块构造理论的建立,地球科学发生了前所未有的革命性变革与发展,运用板块构造观研究大陆,极大地丰富和促进了大陆构造的研究;然而,20世纪80年代以来,随着研究的深化,地球科学家们逐步认识到大陆不同于大洋板块,是具有复杂物质组成、结构构造,并经历了长期演化与改造的“拼盘”。迄今,难以用经典的板块构造理论全面认识和解释大陆的形成、演化及其动力学的所有问题,因此大陆问题迫切需要发展甚至超越板块构造理论并亟待建立以大陆的研究为切入点,能够合理概括大陆形成、演化及其动力学的新理论;20世纪90年代,世界各国先后提出了各自的“大陆动力学”研究的国家计划,旨在引领地球科学界、整合科学研究力量和研究技术手段,加强大陆形成、演化及其动力学的研究。尽管经过了近20年的努力,在大陆的物质组成、结构构造、形成演化等方面的研究积累了大量的新资料、取得了重要的新进展,但是,迄今这一科学问题的解答依然任重而道远,大陆动力学仍然是21世纪地球科学界最主要的科学难题之一。

相对于占地球表面积三分之二、却只占地球历史记录5%的海洋来说,大陆是一个由40多亿年以来不同时期形成的大陆块体和各种物质、结构构造组成的复杂拼盘,并遭受了地球形成演化过程中长期、复杂的物质和构造的改造作用。正是大陆这个记录有地球长期演化历史信息的档案库,为我们探索大陆动力学问题提供了良好的载体,使得我们敢于并能够涉足大陆动力学的若干核心科学问题。

1.大陆的成因和特征

大陆是地球形成以来在46亿年的长期复杂地质作用过程中,由各种不同块体与组分,历经多次改造而成的复杂拼合体。现有的研究认为,大陆在地球形成早期由地幔分异而派生,是由于高密度地幔物质部分熔融出低密度物质,并分异、向上运移,添加于地壳浅表部。这种地幔物质分异、运移、侵位过程造成大陆不同的深度层次具有不同的组成和分层结构。然而,基于对地球早期历史十分有限的认识,尚不足以确定在大陆46亿年的形成演化过程中这种成因机理是否始终在起着作用。早期的部分熔融和分异作用对后期岩浆的成分有无影响?影响多大?地幔成分因不断地萃取低密度物质必然会发生密度和结构的变化,这种变化如何控制和影响着大陆的动力学过程?此外,岩石学研究成果已证实,地幔派生岩石主要是玄武质的,这明显与现有地壳偏中性的平均成分相矛盾。因此,大陆动力学要面对的基本问题仍然是:大陆是如何形成的?其基本成分是什么?大陆之下的岩石圈地幔的化学特征如何?陆下地幔是析出地壳物质后的残留体吗?大陆地幔物质与大洋地幔物质是否存在本质的差别?同时,由于大陆“拼盘”是由不同的块体拼合组成,并由于部分熔融和侵位的横向的差异性,使得大陆在纵向和横向上表现出明显的物质成分和结构构造的各向异性,加之不同历史时期所形成大陆的差异性,使得不同地区、不同时间的大陆可能具有成因和特征上的差异性。因此,在全球三维尺度上,研究大陆成因及其基本特征和对比不同地质历史时期大陆的成因及其特征,仍然是当前富有挑战性的科学命题。

2.大陆的生长和保存

大陆生长包括垂向生长和侧向生长,地壳的形成是通过地球深部物质向地表的迁移实现的,并最终趋于在大陆地壳中达到物质的相对均衡稳定。岩浆的形成、运移和侵位是大陆垂向生长的基本过程,大陆的侧向增生也是大陆生长的重要方式之一。侧向增生是通过洋-陆、弧-陆俯冲、陆-陆碰撞作用,把不同陆块、消减杂岩、俯冲岩浆作用的产物焊接、增生于大陆边缘。然而,这种侧向增生与活动大陆边缘岩浆活动的关系如何?它们怎样被侧向增生和随后的构造活动所改造?迄今为止,大陆中的岩浆是怎么产生的?大陆是如何生长的,其过程又如何?都还是地学界需要探索的重要问题。大陆能够长期保存的原因历来是地学界长期探索的重要科学问题。迄今多数研究认为,80%左右的现今大陆在中、新太古代已形成,而且以奥长花岗岩、云英闪长岩、花岗闪长岩(TrodjemiteTonaliteGranodiorite,TTG)为重要组成特征。然而问题的关键是,这些岩石何以被长期保存?目前的研究多数将其归因于大陆低密度,难以返回地幔。但是,越来越多的研究结果表明,低密度的大陆仍然是可以发生深俯冲的。因此,低密度是否是大陆得以保存的原因?究竟有多少大陆物质被俯冲?不同地质历史时期,大陆生长和保存的比例是多少?显然,大陆为何被长期保存演化,依然是有待深入研究的重要问题。近年来关于岩石圈拆沉作用的研究表明,大陆造山带在后造山期往往会发生地幔拆沉,使得岩石圈减薄。我国华北克拉通的研究初步表明,它曾经历燕山期大规模的减薄破坏。但是,地球物理学研究却显示在北美大陆之下存在一个很深的大陆根,插入大陆之下的地幔中。那么,这种差异性究竟意味着什么?古老的大陆根如何形成,怎么得以保存?各自的大陆动力学意义是什么?

3.大陆的结构构造及其构造作用

已有的研究表明,大陆岩石圈属性与结构不是板块构造认为的“刚性”块体,而是以富含硅铝质、各向异性、非均一的、具多层分块结构的半黏性弹塑性体,具有流变学特征。大陆岩石圈流变学属性直接控制了大陆对于作用力的构造响应和变形行为。不同流变学结构的大陆岩石圈,即使在相同的边界条件和构造应力作用下,也会表现出完全不同的应变行为和方式。同时,这种流变学结构也会随着大陆的演化而发生变化。关于大陆流变学属性与结构,及其向深层的变化状态与其动力学过程,还知之甚少。因此,大陆动力学的探索研究必须要加强大陆流变学研究,尤其是深部地质、流体地质和地球动力学研。除了大尺度结构构造的复杂性外,大陆块体内部不同构造层次的岩石也具有不同的变形行为,如浅层次的脆性变形和深层次的韧性变形,然而,这种脆性和韧性变形的分界往往是不确定的,其转变带是深度、温度、压力、矿物成分、岩石组构、应变速率以及流体等因素的复杂函数。因此,研究大陆构造作用,陆下地幔运动及其地表响应,火山活动与地震活动机制,大陆结构及其构造响应方式和大陆构造的物理、化学、生物作用过程与动力学,仍然是未来大陆动力学研究的重要科学难题。

4.大陆构造与板块构造的关系

大陆从其初始形成以来,经历了太古宙高速率的生长和增生,长期得以保存、演化,并作为板块构造的重要组成部分而遭受构造演化和改造。但是,它究竟与板块构造是什么关系一直是一个充满争议的具有重要实质性的难题。关键在于板块构造究竟能够上溯到什么地质历史时期?太古宙有无板块构造?与现代板块构造体制是否一样?尽管有太古宙蛇绿岩的报道,但是,是否可以利用现今洋壳的组成来类比太古宙洋壳,仍然存在较大分歧。而且,太古宙构造-热体制下,有无一定规模的刚性块体,大陆的状态与规模如何,TG如何形成的等诸多问题,目前都是令人困惑的科学难题。大陆边缘的板块构造作用是不争的事实,但是,由于大陆的复杂组成和结构构造,构造变形远不限于板块边界,而在大陆内部也普遍存在广泛的弥散性构造变形,这是用板块构造研究大陆构造时,遇到的一个突出问题。此外,板块运动在穿越大陆岩石圈部位时,其运动学和演化方式可能具有一定变化,不仅出现相互的逆冲叠置,还可表现为侧向的错移。那么这种起因于板块作用的垂向叠置和侧向走滑,究竟能够深入大陆多宽的范围?由于大陆物质和结构的演化,板块构造体制与格局是否随其而发生变化?它与地球演化历史中多次出现的超大陆形成与裂解有何关系?另外,大陆除板块构造作用之外,有无自身的构造动力与作用等仍然是目前大陆动力学领域富有挑战性的科学难题。

5.大陆与地球系统的关系

大陆是地球系统的基本组成部分,是天体地球内外动力、各圈层相互作用的综合演化产物,与大洋相伴而生,相对而存在。因此,关于大陆动力学研究需要在全球洋-陆构造演化的框架下进行探讨。大陆的形成、演化、保存、消亡这一复杂过程,不仅受控于地球内部圈层中的内动力地质作用(岩浆作用、地震作用、构造运动、变质作用),而且还受控于地球外部圈层(生物圈、水圈、大气圈)相互作用过程中的外动力地质作用,诸如风化、剥蚀、搬运和沉积等。因此,大陆的研究也必须纳入地球系统中考虑,才能期望问题的最终解决。然而,最大的难题在于,如何定量表述地球系统中不同动力作用对于大陆形成演化的控制与影响、大陆构造从宏观到微观作用如何控制影响地表系统及其演变规律。

6.大陆演化与全球变化的关系

大陆演化与全球变化是地球系统中相互依存的作用过程,有着复杂的内在关系,目前人类知之甚少。阿尔卑斯、青藏、喜马拉雅、秦岭等造山带和高原的研究表明,大陆的演化对于全球气候变化起着重要的控制作用。盆地沉积物详细地记录了气候、水文、构造沉积过程,湖盆和年轻的活动构造为建立构造运动、地形演化、一定时间尺度上的气候变化三者之间的关系提供了良好的载体。然而,现有的研究还只是局限于小范围的山脉隆升作用对于气候变化的影响。未来研究难点将是如何将这种小范围的经验推广到全球大陆演化对于全球气候变化的控制,甚至全球气候变化对于大陆地表地貌形态、作用过程的控制,以及进而产生大陆深部物质和结构的调整。另外,人类社会可持续发展也要求我们以人类生存尺度,而不只是以地质尺度来研究大陆构造演化与全球变化的关系和规律。

(选自10000 个科学难题·地球科学卷)

参考文献

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