全球構(gòu)造學(xué)和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的重要進(jìn)展

全球構(gòu)造學(xué)和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的重要進(jìn)展

世界上的地球科學(xué)，從最初的固體地球科學(xué)優(yōu)勢(shì)到了地質(zhì)、海洋和太空一體化的新模式。地球系統(tǒng)科學(xué)經(jīng)歷了不同時(shí)間和空間的推移。21世紀(jì)，地球系統(tǒng)變化理論是最大的突破。美國(guó)第四紀(jì)科學(xué)家f.r.frent將19世紀(jì)的生物進(jìn)化理論、板塊結(jié)構(gòu)理論和氣候變遷理論統(tǒng)稱為三個(gè)科學(xué)?！吧锶?dòng)態(tài)”理論、“巖石圈動(dòng)態(tài)”理論和“大氣動(dòng)力學(xué)”理論（孫成權(quán)、曲速生，2002）。從這個(gè)意義上說(shuō)，地球系統(tǒng)科學(xué)已經(jīng)成為地球科學(xué)發(fā)展的必然方式。最近，由美國(guó)環(huán)境科學(xué)委員會(huì)（2002）組織的《全球板塊動(dòng)力學(xué)》專業(yè)書(shū)籍《論海調(diào)整論》（郭安林、張國(guó)偉翻譯，2004）和《美國(guó)地理學(xué)會(huì)》（agu）發(fā)表的《全球板塊動(dòng)力學(xué)》（jamesletal.，2000）委托給美國(guó)地球物理協(xié)會(huì)（2002）的《全球板塊動(dòng)力學(xué)》專業(yè)書(shū)籍《論海調(diào)整論》（郭安林、張國(guó)偉翻譯，2004）和《美國(guó)地球物理協(xié)會(huì)》（agu）（2002）出版的《全球板塊動(dòng)力學(xué)》（喬木東，張國(guó)偉翻譯，2004）。《全球板塊構(gòu)造理論與發(fā)展》（喬木東，張國(guó)偉翻譯，2004）?！度虬鍓K構(gòu)造理論與發(fā)展》（大理資本，2000）是30年來(lái)地殼結(jié)構(gòu)理論的回顧和反思，介紹了結(jié)構(gòu)地質(zhì)學(xué)與大地構(gòu)造學(xué)（gs-t）的未來(lái)發(fā)展方向。本文在研究上述兩種材料的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)目前的結(jié)構(gòu)地質(zhì)學(xué)和發(fā)展方向，提出了一些討論性意見(jiàn)。1巖石圈地表變形和變形(1)全球和洋殼俯沖帶地震3-D層析圖像與地幔熱結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分所反映的地震波速度變化特征,揭示了俯沖板塊可以延伸到地幔底部和巨型地幔柱(低速體)的存在,這些地球內(nèi)部深部構(gòu)造的重大成果,既不是板塊構(gòu)造理論所能預(yù)測(cè)到的,也不是計(jì)算機(jī)熱模擬結(jié)果(VanderHilstetal.,1991,1997).(2)全球超高壓變質(zhì)巖的發(fā)現(xiàn)為大陸碰撞造山帶研究提供了新的方向;具有超高壓指示意義的礦物(柯石英、金剛石、原生菱鎂礦、鈦-斜硅鎂石、α-PbO型金紅石等)和超高壓礦物出溶體為窺測(cè)大陸深俯沖板塊深度提供了重要的示蹤標(biāo)志(Xuetal.,1992;Greenetal.,2000;Hwangetal.,2000;ZhuandOgasawara,2002;Chopin,2003;Zhaoetal.,2004).(3)拆沉和底侵作用在大陸地殼增生、巖石圈厚度、結(jié)構(gòu)和殼-幔交換所起的作用已倍受關(guān)注.(KayandKay,1993;金振民和高山,1996;Wernickeetal.,1996;Seberetal.,1996;高山和金振民,1997;ZhouandLi,2000).(4)地殼深熔和地幔部分熔融作用對(duì)大陸碰撞帶和大陸高原地殼增厚和隆升有重要影響.少量熔體使巖石體積增大和孔隙壓力降低,從而使巖石有效強(qiáng)度減弱和粘度降低(KohlstedtandZimmerman,1996;楊曉松和金振民,1999;Rosenbergs,2001).(5)地球流變學(xué)、巖石圈流變和巖石流變學(xué)是研究全球構(gòu)造和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造幾何學(xué)和動(dòng)力學(xué)之間的紐帶(KaratoandWu,1993;BurgandFord,1997;Jackson,2002,2002).(6)地震波各向異性與變形礦物優(yōu)選方位關(guān)系是大陸巖石圈動(dòng)力學(xué)和大陸碰撞造山帶研究的新方向,是探測(cè)地球深部物質(zhì)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和變形狀態(tài)的“指示器”和“地震化石”(seismicfossil),被稱為構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和地震學(xué)之間的橋梁(Ribe,1992;McNamara,1994;金淑燕,1997;SilverandChan,1998).(7)巖石圈應(yīng)變局部化(strainlocalization)和應(yīng)變?nèi)趸?strainweakening)是導(dǎo)致全球板塊構(gòu)造邊界和大陸構(gòu)造流變分層的主因(VissersandDrury,1995;DruryandVissers,1996;KohlstedtandZimmerman,1996;PiliandRicard,1997).(8)流體、熔體和名義上無(wú)水礦物對(duì)巖石圈地幔流變強(qiáng)度和巖石物理性質(zhì)有重要約束作用(Newton,1989;Ahrens,1989;BellandRossman,1992;BaiandKohlstedt,1992;Thomson,1992;夏群科等,1999;Zhangetal.,2001).近十年來(lái)研究表明,大洋俯沖帶和大陸俯沖帶中的流體(特別是名義上無(wú)水礦物中的結(jié)構(gòu)水:nominallyanhydrousminerals,簡(jiǎn)稱NAMS)對(duì)殼-幔交換作用、巖漿形成、巖石圈流變強(qiáng)度、巖石物理性質(zhì)和深源地震有著重要影響.最近Zhangetal.(2004)通過(guò)榴輝巖高溫高壓實(shí)驗(yàn)表明,在缺少含水相礦物條件下,榴輝巖中綠輝石和石榴石中晶格缺陷含有大量結(jié)構(gòu)水(OH).這些構(gòu)造水在一定的高溫高壓條件下產(chǎn)生動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性而在礦物顆粒邊界析出并形成微量熔體,從而導(dǎo)致巖石有效應(yīng)力的下降并誘發(fā)高壓條件下脆性破裂,這可以解釋洋殼俯沖帶中等深度地震活動(dòng)新的成因.這種斷裂機(jī)制的另一方面潛在重要性在于揭示了巖石高壓失穩(wěn)只需要極少量低粘度流體的參與(含量少于1%),從而說(shuō)明大洋和大陸俯沖帶以及巖石圈中少量的NAMS的脫水對(duì)地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程演化有著十分重要的影響,應(yīng)當(dāng)值得充分重視(Zhangetal.,2001,2004).(9)背散射法(EBSD)新技術(shù)在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用使超細(xì)粒構(gòu)造巖的優(yōu)選方位和組構(gòu)研究產(chǎn)生根本性革命(Bascouetal.,2001;Prioretal.,1999,2000).(10)可視性三維巖石高溫高壓變形實(shí)驗(yàn)和大變形扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn),為真實(shí)模擬天然巖石大變形開(kāi)辟了新途徑.2巖石流變學(xué)與造山帶20世紀(jì)誕生的板塊構(gòu)造理論為統(tǒng)一全球構(gòu)造格局做出了革命性的貢獻(xiàn).從經(jīng)歷了30年的地球科學(xué)實(shí)踐來(lái)看,板塊構(gòu)造基本上還是一種運(yùn)動(dòng)學(xué)理論,它主要描繪了地球表面水平運(yùn)動(dòng)的主要特征,而沒(méi)有確定驅(qū)動(dòng)或承受板塊運(yùn)動(dòng)的力源.板塊構(gòu)造革命之后的30年,地球物理學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家和地球化學(xué)家已經(jīng)注意到板塊構(gòu)造的動(dòng)力學(xué)和地幔對(duì)流問(wèn)題.例如,大量火山熱點(diǎn)(夏威夷、冰島和黃石公園),并不是與板塊構(gòu)造理論所確定的邊界一致,而主要來(lái)自地幔深部底辟柱.雖然在太陽(yáng)系中,板塊構(gòu)造是地球所特有的構(gòu)造,然而,與地幔柱有關(guān)的火山作用幾乎也出現(xiàn)在金星、火星和月亮上.因此,至今為止還沒(méi)有一種對(duì)流理論能令人滿意地解釋地幔熱柱與板塊運(yùn)動(dòng)的關(guān)系.大洋巖石圈與大陸巖石圈物質(zhì)組成、厚度和流變學(xué)強(qiáng)度有明顯差異,因此大陸構(gòu)造的多樣性、復(fù)雜性和分層性是板塊構(gòu)造理論難以解釋的.事實(shí)上大陸地質(zhì)構(gòu)造不可能完全符合板塊構(gòu)造已有的模式.因此美國(guó)自然科學(xué)基金委地球科學(xué)部(構(gòu)造地質(zhì)部分)白皮書(shū)提出了超越板塊構(gòu)造(beyondplatetectonics),把流變學(xué)研究作為大陸地質(zhì)學(xué)和大陸造山帶研究的新起點(diǎn).流變學(xué)(rheology)是物理學(xué)的分支,是研究物體變形和流動(dòng)規(guī)律的交叉學(xué)科.巖石(或巖石圈)流變學(xué)是以位錯(cuò)理論為基礎(chǔ),以高溫高壓實(shí)驗(yàn)為技術(shù)手段,研究地球物質(zhì)在不同物理化學(xué)環(huán)境中(溫度、壓力、差異應(yīng)力、流體和水)變形和流動(dòng)的科學(xué).流變學(xué)是研究大陸構(gòu)造的重要理論基礎(chǔ),是研究大陸構(gòu)造幾何學(xué),運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的橋梁.大陸巖石圈對(duì)構(gòu)造作用、重力作用和熱作用的響應(yīng)在很大程度上依賴于其流變性質(zhì),因此流變性質(zhì)是控制大陸巖石圈分層和塑性流動(dòng)的主導(dǎo)因素之一,也是探索大陸動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ).近20年以來(lái),地質(zhì)學(xué)家們將流變學(xué)理論應(yīng)用于巖石圈和大陸造山帶研究,已取得了豐富的成果.特別值得指出的是,流變學(xué)為大陸造山帶動(dòng)力學(xué)研究找到了新的研究方向.流變學(xué)的約束需要細(xì)致的野外觀察和力學(xué)模擬,兩者完美的結(jié)合可以把天然巖石變形和活動(dòng)構(gòu)造區(qū)域作為天然實(shí)驗(yàn)室.高溫高壓流變學(xué)實(shí)驗(yàn)是人類直接模擬和再現(xiàn)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一面“鏡子”.巖石流變學(xué)實(shí)驗(yàn)研究不僅可以建立巖石的流變本構(gòu)(狀態(tài))方程:ε˙=A?exp(?Q/RT)σnε˙=A?exp(-Q/RΤ)σn,式中:ε˙ε˙為應(yīng)變速率;A為物質(zhì)結(jié)構(gòu)常數(shù);Q為活化能;R為氣體常數(shù);T為絕對(duì)溫度;σ為差異應(yīng)力(σ1-σ3);n為應(yīng)力指數(shù).流變學(xué)實(shí)驗(yàn)還可以獲得2個(gè)方面重要信息:(1)為解釋天然變形巖石微觀和宏觀構(gòu)造提供比較信息;(2)獲得巖石在不同物理化學(xué)環(huán)境下構(gòu)造熱動(dòng)力演化信息,從而為建立大陸動(dòng)力學(xué)模型提供力學(xué)方面約束條件.大陸巖石圈流變分層性為分析地震震源分布和有效彈性厚度相關(guān)問(wèn)題指明了新的研究途徑.最近大陸地震震源分布和重力異常研究成果(Maggietal.,2000a,2000b;Jackson,2002,2004)向這種傳統(tǒng)的大陸巖石圈“三明治”模式的強(qiáng)度輪廓提出了挑戰(zhàn).大部分大陸地震活動(dòng)都集中在上地殼(20km左右),如加利福尼亞、愛(ài)琴海、青藏高原和扎格羅斯;而在另一些地區(qū),包括東非、中國(guó)天山、印度地盾和貝加爾湖附近,下地殼地震活動(dòng)則比較顯著(Maggietal.,2000b).雖然現(xiàn)在或過(guò)去在俯沖過(guò)程中大陸地幔中約100km深度確實(shí)也發(fā)生過(guò)地震,但這些地震可能位于大洋而非大陸巖石圈中(Maggietal.,2000a).從以上研究進(jìn)展我們可以獲得以下2點(diǎn)啟示:(1)大陸巖石圈不只有一個(gè)發(fā)震層(seismogeniclayer);(2)大陸地幔地震的成因機(jī)制仍然還不清楚.流變學(xué)理論強(qiáng)調(diào)了大陸地殼和地幔的成分與力學(xué)強(qiáng)度不均勻性;流體(水、熔體)和名義上無(wú)水礦物對(duì)大陸巖石圈強(qiáng)度影響的重要性;地幔回流(mantlereturnflow)是大陸巖石圈會(huì)聚邊界變形(局部應(yīng)變化剪切帶)和大陸地殼加厚,造山帶楔狀體形成的主因;下地殼和地幔強(qiáng)度的差異耦合或非耦合關(guān)系與大陸變形的復(fù)雜變形圖像息息相關(guān);弱下地殼和富含流體下地殼觀點(diǎn)也倍受人關(guān)注.水或熔體的存在對(duì)巖石圈力學(xué)強(qiáng)度變化有著極為重要的影響.同樣的巖石類型由于其本身含水量不同(“干”或“濕”巖石),不僅可以改變Byerleeies摩擦強(qiáng)度,同時(shí)對(duì)下地殼和上地幔流變強(qiáng)度和熱活能有重要制約作用(Jackson,2002)(圖1).Jockson(2002)在研究大陸巖石圈強(qiáng)度時(shí)指出,現(xiàn)在是放棄大陸巖石圈“果醬—三明治”(theJellySandwich)模式的時(shí)候了,應(yīng)當(dāng)以板狀流變強(qiáng)度或板狀粘性強(qiáng)度和流體地幔流動(dòng)模式(fluidmantleflowmodel)替代以剛性巖石圈為主體的板塊構(gòu)造理論在大陸構(gòu)造中的應(yīng)用.因此,在制訂振興我國(guó)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略時(shí),國(guó)外最近發(fā)展動(dòng)態(tài)是值得密切關(guān)注的.3構(gòu)地質(zhì)人才隊(duì)伍的建設(shè)針對(duì)地球科學(xué)目前發(fā)展的趨勢(shì),筆者對(duì)我國(guó)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)發(fā)展和人才培養(yǎng)提出以下4方面的建議,以供同行參考.(1)首先我們還是應(yīng)當(dāng)解放思想,改變觀念.我國(guó)的構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究要有開(kāi)放意識(shí),要自己主動(dòng)地打開(kāi)大門(mén),向相鄰學(xué)科學(xué)習(xí),把相鄰學(xué)科知識(shí)引進(jìn)來(lái),實(shí)現(xiàn)綜合研究的突破.提倡全球構(gòu)造視野、學(xué)科交叉和滲透融合(interdisciplinary,intra-disciplinary,multi-disciplinary).要以全球板塊構(gòu)造理論和地球物質(zhì)垂向運(yùn)動(dòng)和側(cè)面對(duì)流的地幔柱理論為新思維,以地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程和地球系統(tǒng)科學(xué)為主線來(lái)構(gòu)建科學(xué)研究方向和教學(xué)課程改革的框架.以動(dòng)態(tài)生動(dòng)思維新思路來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)方式和局限于區(qū)域性的研究方法(金振民,2001).(2)加速構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和大地構(gòu)造學(xué)的優(yōu)秀和杰出人才的培養(yǎng).培養(yǎng)高水平構(gòu)造地質(zhì)學(xué)人才是我國(guó)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)面臨的十分迫切的任務(wù).我國(guó)地學(xué)界曾經(jīng)造就了一批杰出構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家,如李四光、黃汲清、張文佑、陳國(guó)達(dá)、張柏聲、李春昱、馬杏垣、郭令智等.然而目前構(gòu)造地質(zhì)學(xué)年輕杰出人才廖廖無(wú)幾.據(jù)2003年統(tǒng)計(jì),迄今為止國(guó)家自然科學(xué)基金委地球科學(xué)部評(píng)選的國(guó)家杰出青年科學(xué)基金的92位人才中僅有3人屬于構(gòu)造地質(zhì)學(xué)學(xué)科,相對(duì)其他地質(zhì)學(xué)科(地球化學(xué)、巖石礦物學(xué)、地層古物學(xué)、地球物理學(xué)、地理學(xué)等),構(gòu)造地質(zhì)學(xué)年輕杰出人才的數(shù)量有明顯差距(圖2).這種狀況與21世紀(jì)地球系統(tǒng)科學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)研究發(fā)展的總趨勢(shì)是很不適應(yīng)的.因此,構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的發(fā)展一方面要高度重視研究地球系統(tǒng)各層圈之間的動(dòng)力學(xué)聯(lián)系和地球系統(tǒng)形成、發(fā)展和演化規(guī)律;另一方面要切實(shí)加速高水平構(gòu)造地質(zhì)學(xué)人才的培養(yǎng).構(gòu)造地質(zhì)學(xué)人才的培養(yǎng)首先應(yīng)當(dāng)從地球科學(xué)本科生和研究生培養(yǎng)著手:①地球科學(xué)本科生培養(yǎng)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先(priority)考慮:培養(yǎng)學(xué)生會(huì)認(rèn)真收集野外或?qū)嶒?yàn)原始資料和數(shù)據(jù);學(xué)會(huì)怎樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理(分析、解釋和假說(shuō));學(xué)會(huì)怎樣應(yīng)用綜合的方法和手段整合和研究復(fù)雜問(wèn)題(原則意識(shí));預(yù)測(cè)結(jié)果和理解復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)關(guān)系;認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)和模式處理過(guò)程中不確定性和多解性.通過(guò)學(xué)生自己的探索實(shí)驗(yàn)(或野外實(shí)踐)、假說(shuō)驗(yàn)證、分析和推測(cè),學(xué)會(huì)如何思考問(wèn)題和初步從事科學(xué)研究.批評(píng)式的思考能力(critical-thinking)和解決問(wèn)題(problem-solving)能力是決定一個(gè)學(xué)生下一步在研究生階段學(xué)習(xí)是否成功的關(guān)鍵和基本科研素質(zhì).鼓勵(lì)研究生和年輕學(xué)者敢于思考