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从19世纪中叶开始,大地构造学已经经历了从地槽-地台说到板块构造说的发展过程(见附件:地球系统多圈层构造观与地槽-地台学说、板块构造学说继承、发展关系,http://www.geojournals.cn/dzxb/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=202201099&flag=1)。地槽-地台说,19世纪中叶提出,盛行于20世纪上半叶,是地质学家从理论上研究地壳构造及其演化的开始。地槽-地台说起源于对大陆的调查研究,使用的方法,主要是地质学方法; 研究对象,主要是大陆地壳,即阐明大陆地壳的构造及其演化,造山带(褶皱带)、地台(克拉通)和沉积盆地是其研究的核心内容; 服务对象,主要是人类对各类矿产资源的需求。地槽-地台说大大推动了地质科学的发展,并为固体地球科学进一步的发展奠定了良好的基础。板块构造说发端于20世纪60年代,目前仍在盛行。板块构造说源自对海洋的调查研究,全球海底裂谷带、海底磁异常条带和转换断层的发现,贝尼奥夫带(俯冲带)的进一步确认,催生了板块构造说的产生。板块构造说使用的方法,除地质学外,加上了地球物理学和地球化学等现代科学技术手段; 研究对象,是全球大陆和海洋的岩石圈,即阐明全球岩石圈的结构及其演化; 服务对象,除矿产资源外,地球的环境变化被提到重要位置。板块构造说使大地构造学研究范围从大陆扩展到海洋,使大地构造学进入全球构造研究的新阶段,极大地推动了固体地球科学向更高层次发展(任纪舜等,2017a,2017b,2019)。
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板块构造说的提出,曾被认为是地球科学一次伟大的革命,然而,随着新的科学事实的不断发现,板块构造说的问题和缺陷已日益显露。1980年出版的《中国大地构造及其演化》一书的第一章“方法和理论”,在吸取板块构造精华的同时,就明确指出:地壳构造并不是均变式,而是多旋回、螺旋式演化的; 陆与洋是对立统一、相互转化的,单纯的大陆增生说是不正确的; 强调幔与壳之间的相互作用,要联系地球深部构造和宇宙天体运行规律研究大地构造(任纪舜等,1980)。之后,随着国内天、地、生研究的进行(李四光,1972; 徐道一等,1983),国际全球变化研究的开展和地球系统科学思想的提出(NASA,1988),使我们更进一步意识到必须超越板块构造,用系统论、转化论和演化论的思想研究大地构造,并在《中国东部及邻区大陆岩石圈的构造演化与成矿》和《从全球看中国大地构造》的导言中,再次阐述了我们的基本理论构思,强调要“把地球的各个圈层,包括大气圈、水圈、生物圈、岩石圈以及地球内部各圈层作为一个整体,用时空四维的、流动的观点进行研究”。研究中要“高度重视地球各圈层之间的相对运动和相互作用,高度重视壳、幔物质组成和结构的不均匀性”。提出“寻找消失的大陆”的科学命题。“强调从全球动力学角度研究大地构造演化的过程,不仅要考虑地球本身的各种因素,而且要考虑宇宙因素的作用和影响”,等等(任纪舜等,1990; Ren Jishun et al.,1999)。2013年完成1∶500万国际亚洲地质图(任纪舜等,2013)之后,在研究中国及邻区大地构造过程中,2015年,发表“寻找消失的大陆”(任纪舜等,2015)一文,再次论述了陆与洋对立统一,相互转化等观点。2017年正式将我们的构造观命名为“地球系统多圈层构造观”(任纪舜等,2017a,2017b,2019)。本文将系统阐述这一新地球观的基本理论框架,提出用新地球观作为研究中国大地构造的切入点。敬希读者指正。
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1 地球系统多圈层构造观的理论框架
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地球系统多圈层构造观是在地槽-地台说和板块构造说基础上,取其精华,运用系统论、转化论和演化论的哲学思想,根据新的科学事实发展起来的一种新构造观,其基本理论框架是:
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1.1 将大地构造学推进到研究地球整体多圈层构造的新阶段
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地球系统多圈层构造观(简称多圈层构造观)把大地构造学从研究地球表层的地壳构造、岩石圈构造,推进到的新阶段(图1)。它使用的方法,更现代化,包括地质学、地球化学、地球物理学以及一切探测地球深部和外层空间的方法手段; 研究对象,已不仅是地壳或岩石圈构造,而是地球整体,地球系统各圈层及其相互作用; 服务对象,将使人们更好地认识地球,使人类与自然更好地和谐相处。
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图1 大地构造学发展历程
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Fig.1 Development history of the geotectonic theory
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1.2 全球动力学
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更多地考虑地球深部作用,特别是壳与幔、幔与核之间的相互作用,把地球放在宇宙空间,探索地外因素对地球运动的作用是这一新构造观的基本点。因此,这一构造观在探索地球动力学时,已不是地球表层的岩石圈板块之间的动力学,而是在地球系统和宇宙天体系统共同作用下形成的全球动力学。初步认为,太阳能、地球系统多圈层运动及其相互作用以及宇宙天体运行的联合作用,是各种地质作用的动力来源(图2)。① 太阳能,驱动地球表层大气圈、水圈、生物圈、岩石圈之间的相互作用,是地球表层(外生)地质作用的主要动力。② 以地核活动为主导的核-幔-壳之间以及核、幔、壳不同层次之间的相互作用,是地球内生地质作用的主因。③ 宇宙空间星系之运行,地球在太阳系、太阳系在银河系以及银河系在更广阔的宇宙空间的运行过程及其与地球本体运动的结合,则极可能是控制地球旋回式、分阶段向前发展、演化的总体运动过程的主要因素。目前已知太阳系在银河系的运行周期,与地球上的造山旋回的周期大体一致,但从总体上讲,这方面研究还很少,今后必将成为地球科学发展的一个重要方面。
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在从全球角度研究中国及邻区大地构造动力演化的过程中,我们已经确定,显生宙期间,全球大地构造依次受古大西洋-瑞克洋-古亚洲洋、特提斯-古太平洋、大西洋-印度洋-太平洋三大动力体系之控制,形成古大西洋-古亚洲洋、特提斯和太平洋三大构造域(任纪舜等,2013,2022待刊; Ren Jishun et al.,1999)。我们发现,石炭纪—二叠纪,古大西洋-瑞克洋-古亚洲洋动力体系向特提斯-古太平洋动力体系之转换,正好与320~265 Ma负极性超时对应; 白垩纪中期,特提斯-古太平洋动力体系向大西洋-印度洋-太平洋动力体系之转换,正好与126~83 Ma正极性超时对应(图3),说明产生磁场的地核的物质运动,对地球表层构造演化可能起着非常重要的作用(任纪舜等,2022待刊)。
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图2 天地一统之大系统
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Fig.2 The unified system of the celestial bodies and the earth
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(a)—银河系;(b)—太阳系;(c)—地球
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(a) —The galaxy; (b) —the solar system; (c) —the earth
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图3 石炭纪—二叠纪和白垩纪中期两次极性超时(据Gradstein et al.,2020)恰好与显生宙两次全球动力体系转换对应
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Fig.3 The two polaritysuperchrons in the Carboniferous—Permian and Middle Cretaceous (after Gradstein et al., 2020) well corresponding to the two global dynamic system transformations in the Phanerozoic
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波茨坦德国地球科学国家研究中心(GFZ,The GeoForschungs Zentrum Potsdam)的全球大地水准面高低起伏三维图(马宗晋等,2007)(图4)显示的现今地球之大地水准面,南半球膨胀,北半球收缩,西半球(大西洋)膨胀,东半球(太平洋)收缩,恐怕不仅仅是地球表层岩石圈板块运动的结果,而是地球系统多圈层全球整体运动的反映。追索全球构造演化历史,初步认为,这是显生宙以来,在根部位于现今非洲(以及南大西洋和南印度洋)和南太平洋之下,昔日的冈瓦纳大陆之下的Tuzo(非洲)和Jason(太平洋)两个超级地幔羽(mantle plume,现今文献上多译为地幔柱,其实译成地幔羽更符合英文原意,也更符合实际情况)作用下(图5),冈瓦纳大陆所在的半球(今南半球)总体处于膨胀状态,从而使地球表层的岩石圈层拉张、裂解,并于中、新生代(新地巨旋回)最终迎来了冈瓦纳大陆的全面裂解和现今几个大洋盆地的形成; 北美东欧西伯利亚大陆所在的半球(今北半球)总体处于收缩状态,从而使地球表层的岩石圈层挤压、缩短,使北美东欧-西伯利亚大陆增生,并于中、新生代最终形成环太平洋和特提斯两个中、新生代巨型造山带。正是这一地球动力学过程,使今日地球之大陆大多集中在北半球,海洋主要分布于南半球,使大西洋半球总体处于相对稳定的构造状态,环太平洋构造带和特提斯构造带成为全球构造活跃的地区(任纪舜等,1990,2022待刊; Ren Jishun et al.,1991,1999)。
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图4 全球大地水准面图系(大地水准面高程放大了18500 倍; 据http://www.gfz-potsdam.de,马宗晋等,2007)
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Fig.4 Geoid map of the earth (the geoid elevation enlarged by 18500 times; after http://www.gfz-potsdam.de, Ma Zongjin et al., 2007)
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Dziewonski et al.(2010)曾做了地球深部100 km、300 km、600 km、1000 km、2800 km 5个深度的剪切波速度异常图,其中2800 km深处清楚显示Jason(太平洋)、Tuzo(非洲)两个超级地幔羽根带LLSVP(large low shear velocity province)的形态; 100 km深处的极低速带则非常好地对应大西洋、印度洋、太平洋的大洋中脊; 亚洲东部边缘大兴安岭-太行山-武陵山一线之东,千岛-日本-琉球-台湾-菲律宾岛弧之西的亚洲东缘低速带正好与该区新生代的裂谷带和边缘海的位置一致; 非洲东北部的低速带之上为东非裂谷带。这种一一对应的关系充分说明地球表层的构造岩浆作用并不仅仅是岩石圈板块之间相互作用的结果,而主要是受以地核活动为主导的地球深部核-幔-壳多圈层运动因素控制的(图5)。
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因此,新构造观的动力学,已不是依托地幔对流假说的地球表层岩石圈板块动力学,而是在地球本体和宇宙天体能量共同作用下形成的全球动力学。显生宙期间,全球构造依次受古大西洋-瑞克洋-古亚洲洋、特提斯-古太平洋、大西洋-印度洋-太平洋三大全球动力体系之控制,形成古大西洋-古亚洲洋、特提斯和太平洋三大构造域(任纪舜等,2013,2022待刊; Ren Jishun et al.,1999)。很显然,在地球演化的不同阶段,均有其各不相同的全球整体动力体系。
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1.3 陆洋转化论
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在“寻找消失的大陆”(任纪舜等,2015)一文中,我们根据已发表的大量海洋地质、地球物理、地球化学调查研究成果、海底拖网和海底钻探等资料,发现现今大西洋、印度洋、太平洋的不同部位——海底高原、深海平原(盆地)、海沟、转换断层以至大洋中脊带,都可以找到大陆的残块或残迹。即使在由所谓泛大洋(Panthalassa)演化而来的(今)太平洋中,也已有100余处大陆残块或残迹,其中最大的一块,由洛德豪和坎贝尔等海台组成的西兰大陆(Zealandia),面积达490 km2。在新西兰之东,该大陆伸入南太平洋洋底达千余千米(任纪舜等,2015; Mortimer et al.,2017)。值得注意的是,20世纪90年代,在小笠原海隆的地幔捕虏体中用Re-Os同位素方法发现了元古宙的模式年龄(1230~820 Ma)(Parkinson et al.,1998)。Li Yibing et al.(2017)报道在伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧前弧IODP352航次钻孔火山岩中发现了从元古宙到中生代的继承锆石,说明在那里的太平洋洋底也确实存在过中生代、古生代及元古宙形成的大陆地壳(图6)。在全球磁异常图(图7; Korhonen et al.,2007)上,大西洋、印度洋、太平洋的深海平原,往往具有与相邻大陆基本相同或相似的磁异常特征,并与大陆磁异常区联成一体。这似乎意味着,这些深海盆地并不是以典型的大洋地壳为基底,而是以在一定程度上仍保留有大陆属性的地壳为基底。而且,现已发现的大部分、有确切依据的大陆残块,也正是位于这些深海平原。二者相互印证,说明这些深海平原极可能是大陆裂解、沉没的结果。
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图5 100 km(a)与2800 km(b)深处横波速度异常图(据Dziewonski et al.,2010)
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Fig.5 Shear wave speed anomalies at 100 km (a) and 2800 km (b) depth (after Dziewonski et al., 2010)
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在100 km深处,大西洋、印度洋、太平洋中之极低速带与各大洋之中脊带位置完全吻合; 亚洲东缘的低速带与新生代大陆裂谷带和西太平洋沟-弧-盆体系的位置完全吻合; 非洲东北部之低速带与东非裂谷带相对应
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At 100 km depth, the very slow velocity zones in the Atlantic Ocean, Indian Ocean and Pacific Ocean coincide with the mid ocean ridge zones; The slow velocity zone in the east Asian margin is completely consistent with the Cenozoic continental rift zone and the western Pacific trench-arc-basin system; The slow velocity zone in northeast Africa corresponds to the east Africa rift zone
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图6 IODP 352航次钻孔火山岩样品中分离出的锆石U-Pb 同位素年龄分布图(据Li Yibing et al.,2017)
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Fig.6 U-Pb age distribution diagram of detrital zircons from the drilling volcanic rock samples of the IODP 352 voyage (after Li Yibing et al., 2017)
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IBM(弧前火山岩)中有元古宙—中生代之继承锆石,暗示其下地壳-地幔中有古老大陆之残迹
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The Proterozoic-Mesozoic inherited zircons have been identified in the IBM (forearc volcanic rocks) , suggesting existence of ancient continental remnants in the crust and mantle
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现有的大量资料表明,西太平洋的边缘海——鄂霍次克海、日本海、南中国海等,均由大陆地壳裂解而成。以我们研究最多的南中国海为例:其主体,早古生代是一个前寒武纪地块,即南海地台; 晚古生代,是中国南部大陆克拉通一部分; 中生代,属中国东部(滨亚洲大陆东部边缘)上叠(活化)造山系(滨太平洋陆缘活化带); 新生代晚期,才转化为南海海盆(图8; 任纪舜,1964,1980,1990,2016)。
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这些事实充分说明,现今海洋的所在地,昔日曾是大陆的所在地,现今之海洋是由大陆转化而来。
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因此,我们认为,大陆与大洋是对立统一,相互转化的。大陆通过裂谷作用,裂解、沉没,形成大洋; 大洋通过挤压造山作用消失,陆块会聚,大洋转化为大陆。陆或洋都不会永存,陆和洋都有其形成、发展、消亡的过程,不存在只有大洋消亡,大陆增生的单向演化过程。实际情况应该是:陆与洋互为消长,一个地区(或时期)大陆裂解占主导,海洋面积扩大; 另一个地区(或时期)大陆增生占主导,大陆面积扩大。古生代时期,冈瓦纳大陆裂解,西伯利亚-北美-东欧大陆增生; 中—新生代,冈瓦纳全面裂解,现代全球陆洋体系之形成就是很好的例证。因此,所谓超大洋或泛大洋(Panthalassa)是不存在的; 所谓外大洋(exterior ocean)、内大洋(interior ocean)的划分(Murphy et al.,2013; 汪品先等,2018)也是不恰当的。
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图7 全球磁异常图(据Korhonen et al.,2007)
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Fig.7 Global magnetic anomaly map (after Korhonen et al., 2007)
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大陆磁异常往往延伸到相邻的深海盆地,在大西洋两岸,特别是南美和非洲之间的南大西洋显示更为清晰
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Continental magnetic anomalies often extend to adjacent deep-sea basins, and are more clearly displayed on both sides of the Atlantic, especially the South Atlantic between South America and Africa
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图8 南中国海基岩地质图(a)(广州海洋地质调查局未刊资料)及南中国海现今构造简图(b)
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Fig.8 Geological map of the bedrock in the South China Sea (a) (after unpublished data from the Guangzhou Marine Geological Survey) and simplified present tectonic map of the South China Sea (b)
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(a):西沙、中沙和南沙均保留有南海地台前寒武纪变质基底; 南海北部、南部和西部分布有大量中生代花岗岩,并与华南中生代花岗岩连为一体,说明南海大部分地区中生代时期属中国东部中生代上叠造山系的一部分。(b):1—大陆架; 2—裂解减薄的大陆地壳; 3—海山玄武岩地球化学资料显示仍保留有大陆残迹的大洋壳
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(a) : The Precambrian metamorphic basement of the South China Sea platform preserved in Xisha, Zhongsha and Nansha islands; The Mesozoic granites extensively occurred in the north, South and west of the South China Sea and connected with the Mesozoic granites in South China, indicating that most areas of the South China Sea belong to the Mesozoic superposed orogenic system in eastern China; (b) : 1—continental shelf; 2—rifting and thinned continental crust; 3—geochemical data of seamount basalts showing the oceanic crust with continental remnants
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陆洋转化过程实质上是地球内部以地核活动为主导的壳-幔-核多层圈相互作用的结果。渤海湾裂谷盆地,在其形成过程中,就曾发生过十分强烈的圈层之间的相互作用,地幔物质上涌,壳幔之间强烈相互作用,壳-幔性质和组成转型的过程——古生代阶段,为克拉通型地壳,克拉通型富集地幔; 中生代(印支造山和燕山造山旋回),为造山带型地壳(中国东部中生代上叠造山带的一部分),造山带型高度不均匀富集地幔; 新生代,为裂谷盆地,大洋亏损型地幔(附表1: http://www.geojournals.cn/dzxb/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=202201099&flag=1)(任纪舜等,1990,2022待刊; 路凤香等,2000; 周新华,2006,2009; Ren Jishun et al.,1999; Zhang Hongfu et al.,2009)。
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渤海湾裂谷盆地虽没有发展成大洋盆地,但其地幔性质已由大陆型富集地幔转化为大洋型亏损地幔,陆到洋之转化只差一步之遥。南中国海和大西洋则是大陆已转化为大洋的典型实例。据南中国海丰富的调查研究资料(Expedition 349 Scientists,2014; 广州海洋地质调查局大量未刊资料),陆洋转换发生在渐新世到中新世初期,地幔物质大规模上涌,彻底改造地壳性质。大西洋之地幔物质大规模上涌、洋陆转换,发生在早白垩世末期(Aptian期—Albian期)(Peron-Pinvidic et al.,2013),据Sutra et al.(2013)研究,Iberia和Newfoundland之间,大西洋之形成模式已完全不同于板块构造根据磁异常条带推断的大洋扩张模式。在这里我们要特别强调的是,在陆洋转换过程中,必然会发生壳-幔之间强烈的相互作用,地幔物质对地壳的强烈改造,壳-幔物质和结构的转型以及大陆裂陷到极点时大规模地幔物质上涌,大陆裂开,洋盆形成。
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注:根据任纪舜等(1990)、Ren Jishun et al.(1999)、路凤香等(2000)、周新华(2006,2009)和Zhang Hongfu et al.(2009)综合。
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1.4 大陆整体难以移动更难漂移
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地壳和地幔都是多层次的,不同层次可以沿其间的界面适度剪切滑移。裂谷带的张性正断层,造山带的逆冲-推覆断裂带,就是沿壳-幔不同层次的滑脱面滑移的,因此,GPS可以观测到大洋裂谷带裂开的速率和大陆造山带两侧大陆块的移动速率。但大陆作为一个整体,却难以漂移,更不能随意漂移。这是由于:
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(1)板块构造说假定大陆是在软流圈层之上漂移的,但全球是否存在连续、稳定、统一的软流圈层尚待进一步研究。地球物理探测显示,在构造活动带(裂谷带、造山带等)岩石圈层之下,低速层(软流层)较明显,厚度也较大; 在构造稳定的大陆克拉通之下,岩石圈层往往很厚,低速层不明显,甚至没有(任纪舜等,1980)。在北美、北欧亚、非洲、澳大利亚等大陆之下,大陆岩石圈层都很厚,直到300~400 km深处都尚未发现低速层的踪迹(Simons et al.,1999; Shapiro et al.,2004; Begg et al.,2009; O'Reilly et al.,2009; Pavlenkova et al.,2017)(图9)。
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(2)现代大洋深海盆地中大陆残块的大量出现(任纪舜等,2015)以及全球磁异常图上(Korhonen et al.,2007),大陆磁异常往往延伸到相邻的深海盆地(这在非洲与南美洲之间的大西洋,更是十分清楚),说明这些深海盆地实为大陆裂解、沉没的结果。十分可喜的是这一论断也得到大西洋两岸地震层析图像的支持,从图10可以清楚看出,非洲和南美大陆的高速区已延伸到邻近的深海盆地。在0~100 km图上显示更为清晰。如果把由大陆裂解沉没形成的深海平原排除,我们立刻就会发现,现在的大陆块只是以大洋中脊为中轴的大洋裂谷带裂开了,并没有发生大规模漂移(图10及11),而且在大洋中脊带,也在多处发现大陆残迹(如中大西洋洋脊),甚至大陆残块,如北大西洋中脊附近的扬马延海脊(Jan Mayen Ridge)(任纪舜等,2015)。
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(3)不论大洋岩石圈层,还是大陆岩石圈层,都处于固体状态,它们是被深断裂分割成相互关联的岩石圈层板块联合体,尤如曹操的联合战船,而不是周瑜的单船快艇。因此,彼此相互关联的岩石圈板块,是不能单独行动的,更不能随意漂移。现今一些七巧板式或摆积木式的古大陆再造图式,显然是不符合地质历史的真实情况的。
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(4)板块运动的驱动力问题,至今仍未解决,大陆漂移的原动力——地幔对流,至今仍处于假说阶段。近些年一些学者根据地震层析所显示的所谓壳-幔物质大循环的图像(全地幔对流,whole-mantle convection)(Li et al.,2009; 李正祥,2018❶),仅仅是一部分学者的说法。太平洋(Jason)和非洲(Tuzo)两个超级地幔羽所显示的地幔物质不断上涌是可以理解的,合乎物理化学的基本原理; 但是,是什么力量推动密度小的地球表层的壳-幔物质不断俯冲(下插)到密度愈来愈大的地幔深处,甚至到达核幔边界,至今并没有令人信服的说辞。所谓“相变”拖拉似乎也只能作为一种设想,并没有多少实际资料或实验依据。更重要的是,壳-幔物质大循环的模型,是假设环超大陆之俯冲导致超级地幔羽形成(circum-supercontinent subduction causing super-plume formation),超级地幔羽促使超大陆裂解(superplumes help to break up supercontinents in return)的所谓超级大陆-超级地幔羽循环(supercontinent-Superplume cycles)(Li and Zhong,2009),既没有提出是什么力量促成了表层壳-幔物质的深俯冲,更没有注意到核-幔边界的LLSVP(large low shear velocity province)(低速S波大区)——超级地幔羽(树)的根带,并不是深俯冲造成的,而是核-幔交界处核与幔之间物质相互作用的结果。
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图9 横穿北欧亚大陆之地震剖面(a、b)(据Pavlenkova and Pavlenkova,2017)、加拿大地盾岩石圈层厚度(c)(据Shapiro et al.,2004)及非洲大陆之下地震层析图像(d)(据 O' Reilly et al.,2009)
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Fig.9 Seismic profile across northern Eurasian continent (a, b) (after Pavlenkova and Pavlenkova, 2017) , thickness of Canadian shield lithosphere (c) (after Shapiro et al., 2004) and seismic tomographic images beneath the African continent (d) (after O`Reilly et al., 2009)
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WS、Q1、Q2、Q3、C1、C2、C3、C4指示和平核爆炸点位; M代表莫霍面; T代表上、下地幔过渡带的顶部; N1、N2、L和H代表速度恒定的上地幔基本边界; 1—低速层; 2—高非均质性带; 在这几个大陆之下,直到300~400 km深处均未发现足以导致大陆整体移动的低速层
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WS, Q1, Q2, Q3, C1, C2, C3, and C4 indicate the Peaceful Nuclear Explosion sites. M represents the Moho boundary. T boundary is the top of the upper/lower mantle transition zone. The seismic boundaries N1, N2, L, H are the upper mantle basic boundaries with constant velocity.1—low velocity layer; 2—zones of higher heterogeneity. No low velocity layer, which can drive the whole continent to move, has been identified at 300~400 km depth under these continents
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1.5 旋回演化论
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地球系统多圈层构造观的哲学思想不是均变论(uniformitarianism),而是非线性、非均变的、渐变与突变相结合的、螺旋式向前发展的旋回演化论。
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造山旋回(构造旋回)的发现,是地质科学发展过程中获得的最重要的成果之一,一直受到地学界的高度重视和认真研究。但是,板块学说兴起以来。以Coney为代表的一些学者基于均变论的哲学思想,却试图抛弃造山旋回的概念(Coney,1970)。然而,随着时间的推移,科学事实的不断积累,学术界已日益认识到突变与渐变的重要性,认识到非线性、非均变的螺旋式向前发展的旋回演化论,才是更全面、更深刻地认识地质规律和大地构造演化的有力武器。威尔逊旋回和超大陆旋回(巨旋回)的相继提出就是最有力的证明(任纪舜等,2016)。
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在地球演化的不同阶段,即不同的构造旋回和巨旋回均各有其特有的、不同于其他旋回的构造格局和构造特点。太古宙不同于元古宙,元古宙以来又可以分为各具特色的努纳或哥伦比亚(古元古代)、罗迪尼亚(中元古代)、冈瓦纳(新元古代)、潘吉亚(古生代)以及新地(Neocrust)(中新生代)等几个巨旋回(Megacycle)。根据陆洋转化论,笔者并不同意超大陆(Supercontinent)和泛大洋(Panthalassa)的说法,但在地史发展过程中,确在古元古代末期、中元古代末期、新元古代末期和古生代末期分别形成了几个巨型大陆,即所谓努纳(哥伦比亚)、罗丁尼亚、冈瓦纳、潘吉亚。但这并不意味着当时所有的大陆块都集中到了一起形成一个Supercontinent。超大陆之外,地球表层其他地方为所谓泛大洋(Panthalassa)。这里笔者只是借用这几个已被广泛采用的名称,命名这几个巨旋回; 中、新生代是地球发展的最新阶段,所以笔者称其为新地巨旋回(Neocrust Megacycle)。从目前资料看,太古宙是地壳初始形成阶段,其动力和热力条件完全不同于元古宙以来的几个巨旋回; Pangea巨旋回(古生代阶段)的海洋,如古亚洲洋,并不是一个简单的大洋盆,而是由众多微陆块及其间的海底裂谷带或小洋盆组成的复杂体系,是微陆块-小洋盆体制(微陆-海底裂谷系体制); 现今的大西洋、印度洋、太平洋式大洋盆,只是白垩纪中期全球海底地幔上涌大规模火山喷发之后才出现的(任纪舜等,2015,2017a,2022待刊)。因此,不能用一种构造模型套用于地史发展的各个阶段。
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图10 大西洋两岸地震层析图像(a)~(c)(O'Reilly et al.,2009)和大西洋中段海底地貌图(d)(Rémur et al.,1980)
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Fig.10 The seismic tomographic images on the both sides of the Atlantic Ocean (a) ~ (c) (O'Reilly et al., 2009) and submarine geomorphological map in the middle of the Atlantic Ocean (d) (Rémur et al., 1980)
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非洲和南美洲大陆的高速区已延伸到邻近的深海盆地,0~100 km显示更为清晰。对比(a)与(d),可以清楚看出,大西洋两侧的深海盆地,其基底仍保留大陆地壳(属性),大陆仅仅是沿大洋裂谷带裂开了
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The high-speed areas of Africa and South America have extended to adjacent deep-sea basins, the display is clearer at 0~100 km. Comparing (a) with (d) , it can be clearly seen that the basement of the deep-sea basins on both sides of the Atlantic still retains the continental crustal nature, and the continent is only rifted along the oceanic rift zone
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图11 大西洋两岸磁异常图(a)、大西洋两岸地震层析图像(b)及根据全球磁异常图、海底钻探和地震层析图像绘制的大西洋构造简图(c)(底图为CGMW的世界地质图)
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Fig.11 The map of magnetic anomalies cross Atlantic (a) , seismic tomography cross Atlantic (b) and simplified tectonic map of the Atlantic Ocean based on the global magnetic anomaly map, seafloor drilling and seismic tomography (c)
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1 —大陆架; 2—裂解减薄-沉没的大陆壳(深海平原); 3—仍保留大陆残迹的大洋地壳(大洋裂谷带); 4—海底高原(大部分为大陆残块)
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1 —Continental shelf; 2—rifting-thinned and submerged continental crust (the deep-sea plain) ; 3—the oceanic crust with continental remnants (oceanic rift zone) ; 4—submarine plateau (mostly continental fragments)
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1.6 地球组成结构和演化的不对称性和不均匀性
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马宗晋等(2007)曾详细论证过现今地球的非对称性(不对称性):现今地球之结构和演化是不对称的,海洋大部分集中在南半球,大陆主要集中在北半球; 西半球,大西洋两岸均为被动大陆边缘,构造活动性相对较小; 东半球,太平洋两岸为主动大陆边缘,构造活动十分强烈。
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地质历史上,地球组成结构和演化也是不对称的。古生代阶段,冈瓦纳大陆所在的半球为陆半球,当时全球露出海面的大陆主要集中在冈瓦纳半球; 北美、东欧、西伯利亚等大陆块所在的半球为洋半球,大部分地区(包括几个大陆块)均为海洋所覆盖。冈瓦纳大陆裂解,北美-东欧-西伯利亚增生成为古生代全球构造演化的主旋律(任纪舜等,1990,2022待刊; Ren Jishun et al.,1999)。
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地球表层组成、结构和演化的不对称、不均匀性,实为地球内部幔-核组成、结构和演化不对称、不均匀性的反映。已有的全球地震层析图像清楚地显示出地幔物质组成和结构的不对称和不均匀性,由于地核物质和组成的不对称、不均匀性,地核物质运动产生的磁场强度也呈现出西半球强,东半球弱的不对称性(Finlay,2012)。
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地球各大陆的大地构造既有共性,但其结构和演化又各具特色。欧洲,大陆主体为东欧地台,前震旦纪已经形成,加里东、华力西、阿尔卑斯三个时期的造山带结构分明; 北美,大陆主体为北美地台,东部为阿帕拉契亚造山带,西部为科迪勒拉中新生代造山带,三分结构十分清楚; 非洲和澳大利亚,主体为前寒武纪地台,中生代晚期以来才从冈瓦纳大陆裂解出来; 亚洲,是世界上最大的一个大陆,但也是最年轻、地质结构最复杂的一个大陆,其主体——中国及邻区是由一些小陆块(小克拉通)、众多微陆块和造山带组合而成的复合大陆块,中、新生代才最终完成其聚合过程(Ren Jishun et al.,1999; 图12)。因此,不能用一种构造模型套用于全球各个地区。
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图12 亚洲大陆构造演化简图(据Ren Jishun et al.,1999)
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Fig.12 Sketch map showing the tectonic evolution of Asia (after Ren Jishun et al., 1999)
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Paleo-Asia—古生代焊合为一体的地区; Meso-Asia—中生代焊合为一体的地区; Neo-Asia—新生代与欧亚板块碰撞但尚未与之焊合为一体的地区; 亚洲之主体在中、新生代才最终形成,而世界其他大陆之主体在前寒武纪即已形成
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Paleo-Asia—Regions welded as a whole at the end of the Paleozoic; Meso-Asia—regions amalgamated in the Mesozoic; Neo-Asia—regions collided with Eurasia in the Cenozoic but not been combined with it as an entity; The Asia continent was finally formed in the Mesozoic—Cenozoic, while the other continents in the world had been formed in the Precambrian
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1.7 大陆地壳的多旋回演化
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由于是否有全球连续、统一、稳定的软流圈层(低速层)尚待进一步探索,岩石圈层的底面往往难以准确界定。而地壳与地幔之间的莫霍面(Moho)却是连续、统一、稳定地在全球范围普遍存在。因此,对于地球表层而言,实际上现在更多的是研究地壳构造,不是岩石圈层构造。
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大陆地壳并不是板块构造说所谓的单纯的侧向或垂向增生,而是多旋回构造-岩浆作用叠合的产物,而且再循环的地壳物质往往占很大比重。例如,中朝准地台的基底,经历了3.8 Ga、3.3 Ga、3.0 Ga、2.5 Ga、1.8 Ga等多旋回的叠合,在古元古代末约1.65 Ga之前实现了克拉通化。古生代期间,在古亚洲洋动力体系作用下,中朝准地台北缘——阿拉善、阴山、燕山-辽西一带的地壳又经历了加里东和华力西造山旋回构造-岩浆作用的叠加改造。中生代时期,在古太平洋动力体系作用下,几乎整个中朝准地台又经受了印支和燕山造山作用强烈的叠加改造。扬子准地台的基底经历了3.3 Ga、2.9 Ga、2.7 Ga、2.5 Ga、1.8 Ga、0.82~0.72 Ga等多旋回构造-岩浆作用的叠合,在新元古代末期、埃迪卡拉纪前实现克拉通化。之后,经历震旦纪—三叠纪的稳定阶段,晚三叠世开始,在古太平洋动力体系作用下,又经受了印支和燕山造山旋回构造-岩浆作用的强烈改造。
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显生宙造山带的地壳一般也是多旋回演化的结果。如古亚洲洋构造域的造山带的地壳,是兴凯、加里东、华力西多旋回构造-岩浆作用的叠加结果; 特提斯构造域的造山带,经历了印支、燕山、喜马拉雅多旋回构造岩-浆作用之叠合。而且,造山带一般都有前寒武纪多旋回造山演化的基底,这从造山带中前寒武纪岩石的露头和造山带中侵入岩(特别是花岗岩)、火山岩中的继承锆石年龄及模式年龄就可以得到证明。在世界上最新的造山带之一,台湾东部海岸山脉火山岩中,也已发现218 Ma、720 Ma、1800 Ma以及 2500 Ma 四个峰值的继承锆石(Shao Wenyu et al.,2015; 图13),说明台湾新生代造山带形成之前,那里的地壳曾经经历了从太古宙到中生代多旋回叠合的演化过程。
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另外,值得注意的是,不论华北、华南,还是新疆、西藏等地均已发现4.0 Ga的锆石,说明中国境域内远在冥古宙(Hadean)已有大陆地壳之形成过程(Wan Yusheng et al.,2018)。
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以上我们列举了中国各类构造带(区)地壳形成演化的多旋回构造-岩浆作用过程,世界其他地区的地壳也同样是多旋回演化的。世界著名的阿尔卑斯造山带是奠基于欧洲华力西造山带之上的,而华力西造山带又是在更老的大陆壳基底上发展起来的。其他如北美、欧洲、西伯利亚、非洲以及澳大利亚等世界各大克拉通和造山带的地壳无一不是多旋回构造-岩浆作用叠合的结果。
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1.8 深断裂带的控制作用
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切穿地壳-上地幔不同层次的深断裂带在大地构造演化中具有十分重要的意义。对此,裴伟、张文佑和黄汲清等曾有大量精辟的论述(裴伟,1956a,1956b; 张文佑,1960; 黄汲清,1960; 任纪舜等,1980)。板块构造兴起以来,一些学者往往忽视甚至否认深断裂带的存在。然而,岩石圈的板块边界实际上都是深断裂带:大洋中脊带,是切穿岩石圈层的张性深断裂带; 海底和大陆上的转换断层,是切穿岩石圈层的剪切性质的深断裂带; 贝尼奥夫带(俯冲带)(贝尼奥夫带被板块构造说称为俯冲带,强调大洋壳的俯冲作用。而实际上,应该是上盘大陆岩石圈层的逆冲和下盘大洋岩石圈的俯冲相结合的共同作用)是切入地幔更深层次的挤压性深断裂带。现今的全球大洋中脊断裂带、转换断层和贝尼奥夫带勾画了当今全球构造格局。地球发展的不同构造旋回和构造阶段,均有其所特有的深断裂体系,它们决定了不同阶段和不同构造旋回之全球和区域大地构造格局。
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图13 台湾海岸山脉新生代火山岩中的继承锆石(据 Shao et al.,2015)
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Fig.13 U-Pb age distribution diagram of the inherited zircons from the Cenozoic volcanic rocks in the coastal mountains of Taiwan, China (Shao Wenyu et al., 2015)
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图14 中国及邻区现今构造-地貌图像
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Fig.14 The present-day tectonic geomorphologic map of China and its adjacent areas
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现今西高东低、西厚(地壳)东薄的构造地貌态势,已完全改变了中生代东高西低、东厚(地壳)西薄的构造格局
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The present tectonic and geomorphic situation of high in the West and low in the East and thick in the West (crust) and thin in the East hasbeen completely different from the Mesozoic tectonic pattern of high in the East and low in the West and thick in the East (crust) and thin in the West
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显生宙期间,中国及邻区先后受古亚洲洋、特提斯-古太平洋、印度洋-太平洋三大动力体系的作用,形成古亚洲洋、特提斯洋和太平洋三大构造域及其相应的三大断裂体系。古亚洲洋断裂体系决定中国及邻区古生代的构造格局及其演化,特提斯和太平洋断裂体系,决定中国及邻区中—新生代的构造格局及其演化过程。
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2 地球系统多圈层构造观——研究中国大地构造的切入点
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中生代时期,在古太平洋动力体系作用下,中国东部及邻区形成北起西伯利亚地台东端(阿尔丹地盾),经东蒙古—兴安,华北、华南到南沙群岛,南北跨度6000余千米; 西起鄂尔多斯盆地—四川盆地东缘,东达冲绳海槽西缘,东西跨度1000余千米,与亚洲东缘中生代造山系平行的、叠加在中国东部先成大陆地壳之上的上叠(活化)造山系。当时,中国东部和亚洲东部是地势高耸、地壳加厚的山脉-高原; 中国西部则是特提斯海及其邻近大陆的平原、低地,地势低平,地壳厚度减薄(任纪舜等,1980,1990,2017a,2022待刊)。
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新生代时期,情况与中生代时期正好相反。在印度洋-太平洋动力体系作用下,中国西部形成喜马拉雅造山系,造山的青藏高原和昆仑-祁连-秦岭、天山、阿尔泰山等新生代复活山系及相关的山前和山间盆地系统,地势高耸,地壳加厚; 中国东部及邻区则为裂谷-盆地系统及其相邻的西太平洋沟-弧-盆系,地势低平,地壳厚度减薄(任纪舜等,1980,1990,2017a; 图14)。
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在中、新生代中国及亚洲东部构造-地貌大转换、大反转的过程中,其地壳-地幔的组成和结构必然有一个重组的过程,用地球系统多圈层构造观研究这个过程中以Jason(太平洋)和Tuzo(非洲)两个超级地幔羽为主导的壳-幔构造演化,将会使我们对中国中、新生代大地构造及与之相应的资源分布规律和环境演变过程有更科学的认识。
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3 尾言
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自从1983年美国国家航天局(NASA)建立“地球系统科学委员会”,1988年发表“地球系统科学”报告以来,地球系统的观察研究已愈来愈受到学术界的高度关注,地球表层几个圈层之间的相互作用,已成为当前地学研究的热点之一,但是固体地球科学领域,由于目前学术界仍处于板块构造的浪潮之中,在大地构造学研究中,至今还鲜有人从地球系统科学角度探讨大地构造问题。然而,已经积累的大量科学事实,已大大突破了板块构造说的基本框架,使我们不得不逆流而上,超越板块构造说,用“地球系统多圈层构造观”,从整体上探讨地球的组成、结构和演化。本文提出的“地球系统多圈层构造观”的基本理论框架,尽管还是很初步的,有待于今后进一步修正、补充、完善。但笔者坚信:随着时间的推移,将会有越来越多的学者挣脱板块构造的束缚,步入用系统论、演化论、转化论的哲学思想研究大地构造学的新时代。
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致谢:中国地质调查局在研究经费上给予了大力支持; 在写作过程中,曾与於文辉先生就超级地幔羽进行过十分有益的研讨; 初稿完成后,曾请滕吉文、周新华、张宏福、邵济安、韩宝福、於文辉、吴庆举、徐志刚等先生审阅,提出宝贵意见; 之后,两位审稿人又对文稿进行了认真地审阅,提出了十分中肯的意见,笔者在此,一并表示最衷心的感谢!
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注释
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摘要
地球系统多圈层构造观的基本理论框架是:① 把大地构造学从研究地球表层的地壳构造、岩石圈构造推进到研究地球整体多圈层构造的新阶段。② 地球系统和宇宙天体系统共同作用下形成的全球动力学,太阳能、地球系统多圈层相互作用以及宇宙天体运行的联合作用是各种地质作用的动力来源。③ 洋陆转化论:陆与洋是对立统一、相互转化的。陆与洋都不会永存,不存在只有大洋消亡,大陆增生的单向发展过程,单纯的大陆增生论是不正确的。④ 大陆的地壳和地幔是多层次的,不同层次可以沿其间的界面适度滑移,但大陆整体却难以移动,更不能随意漂移。⑤ 旋回演化论:地球表层构造不是均变论式,而是非均变、非线性、渐变与突变相结合的,螺旋式向前发展演化的。地球演化的不同阶段,即不同的构造旋回均各有其特有的、不同于其他旋回的全球构造格局和构造特点,不能用一种构造模型套用于地史发展的各个构造旋回和各个阶段。⑥ 地球结构和演化是不对称、不均匀的,不能用一种构造模型套用于全球不同地区。⑦ 大陆地壳的多旋回演化:大陆地壳并不是单纯的侧向或垂向增生,而是多旋回构造岩浆作用叠合的产物。⑧ 深断裂的控制作用。切穿壳-幔不同层次的深断裂带,在大地构造演化中具有十分重要的作用。现今的大洋中脊断裂带、转换断层和贝尼奥夫带,勾画了当今全球的构造格局。地球发展的不同构造旋回和阶段,均各有其所特有的深断裂体系,它们决定了不同阶段和不同构造旋回之全球大地构造格局和演化过程。以Jason(太平洋)和Tuzo(非洲)两个超级地幔沟为支点,研究中国以至亚洲中、新生代构造格局大转换、大改组过程中壳-幔组成和结构的演化过程,是用地球系统多圈层构造观研究大地构造的一个良好的切入点。
Abstract
The fundamental theoretical framework of the multisphere tectonic view of the earth system is as follows: ① advancing geotectonics from study of the crustal structure and lithospheric structure on the earth's surface to a new stage involving study of the multisphere tectonics of the earth system as an integrated whole. ② The global dynamics derived from the interaction of the celestial bodies and the earth systems: The solar energy, multispheric interactions of the earth system, and the combined actions of the motions of celestial bodies in the cosmos system that are the driving forces of various geological processes. The solar energy drives the interactions among the atmosphere, hydrosphere, lithosphere and biosphere on the earth`s surface, which is the main driving force of the earth`s exogenous geological processes. ③ The continent-ocean transformation theory: The continent and the ocean are the two opposite and unified geological units that can be transformed into each other; neither continent nor ocean will survive forever; there is no one-way development of continent accretion or ocean extinction; the simple theory of one-way continental accretion is regarded as invalid. ④ The crust and mantle of the continent are characterized by multiple layers, that can slide along the interfaces between them, but it needs to be corroborated whether the continent arbitrarily or unconditionally moves as a whole. ⑤ The cyclic evolution: the development of the earth's tectonics is not a uniform change, but a forward spiralling evolution with a combination of non-uniform and non-linear, gradual and catastrophe changes; different evolution stages (tectonic cycles) of the earth have unique global tectonic patterns and characteristics, one tectonic pattern should not be applied to different tectonic cycles and evolutional stages of the earth. ⑥ The structure and evolution of the crust and mantle are asymmetric and heterogeneous, and thus one tectonic pattern cannot be applied to different areas in the world. ⑦ The polycyclic evolution of the continental crust: The continental crust is not formed by simple lateral or vertical accretion, but the product of combination of the polycyclic tectonic evolution and magmatism. ⑧ Deep fault controls: The deep fault zones cutting through different layers of the crust and mantle usually play an important role in tectonic evolution. For example, the present-day fault zones at mid-ocean ridge fault zones, transform fault zones and Benioff zone outline the global tectonic framework. Different tectonic cycles and stages of the earth`s development had their own distinctive deep fault systems, which controlled the global tectonic framework and evolutional process of different tectonic cycles and stages. Based on Jason (Pacific) and Tuzo (Africa) two mantle supertrees, studying the evolution process of composition and structure of the crust and mantle during the significant transformation and reorganization Meso-Cenozoic tectonic framework in China and Asia is a good entry point to study geotectonics in the multisphere tectonic view of the earth system.