地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (5): 899-919
引用本文
王涛, 郭磊, 李舢, 王晓霞, 王朝阳. 花岗岩大地构造研究的若干重要问题[J]. 地质力学学报, 2019, 25(5): 899-919.
WANG Tao, GUO Lei, LI Shan, WANG Xiaoxia, WANG Chaoyang. SOME IMPORTANT ISSUES IN THE STUDY OF GRANITE TECTONICS[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(5): 899-919.
花岗岩大地构造研究的若干重要问题
王涛1 , 郭磊1 , 李舢1 , 王晓霞2 , 王朝阳1     
1. 中国地质科学院地质研究所, 北京 100037;
2. 中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037
摘要:宇宙星球中只有地球发育花岗质岩石及广义的花岗岩,它是大陆最主要的组成。因此,花岗岩在固体地球科学研究中具有举足轻重的意义。对此,作者提出花岗岩大地构造,其基本研究内容可概括为物理特性(构造)、物质组成(岩石地化)和年代学三大方面。文章在已有的初步论述基础上,进一步阐述了以下若干研究方面的进展、问题和发展方向:花岗岩岩石组合及其构造背景与环境厘定;花岗岩演化及其构造环境与演化(构造过程);花岗岩变形、壳内流变及构造动力学意义;花岗岩深部物源填图与造山带及地壳生长。花岗岩大地构造是从花岗岩角度,探索解决大地构造问题,丰富大地构造研究内容,是当今地球科学学科交叉、融合发展的必要。
关键词花岗岩    岩石组合    构造标志体    物源示踪    构造环境    造山带类型    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.05.074     文章编号:1006-6616(2019)05-0899-21
SOME IMPORTANT ISSUES IN THE STUDY OF GRANITE TECTONICS
WANG Tao1 , GUO Lei1 , LI Shan1 , WANG Xiaoxia2 , WANG Chaoyang1     
1. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
2. Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China
Abstract: In the universe only the Earth develops granitic rock, which is the most important component of the continent. Therefore, granite plays an important role in solid earth science research. In this regard, the author proposes the basic research content of granite tectonics can be summarized as physical characteristics (structure), material composition (rock geochemistry) and chronology. Based on the existing preliminary discussion, this paper further elaborates the following research advances, problems and development directions:granite rock association and its tectonic setting and environment determination; granite evolution and its tectonic environment (structural process); tectonic dynamics of granite deformation and intra-shell rheology; the deep source mapping of granite and the growth of the orogenic belt and crust. Granite tectonics is to explore the problem of tectonics from the perspective of granite, and it enriches the content of geotectonic research. It is necessary for the interdisciplinary and integrated development of geoscience today.
Key words: granite    rock association    tectonic marker    source tracing    tectonic settings    types of orogens    
0 引言

目前研究显示,在浩瀚的宇宙行星中,只有地球发育花岗岩质岩石(广义的花岗岩),而且是地球上大陆上分布最广的岩石之一[1](在一些造山带占40%~70%)。因此,花岗岩(广义)在地球科学研究中占据主要地位,是研究大陆形成演化特别是大陆构造的核心内容之一,对于人类认知固体地球具有无法替代的作用[2]。而且,花岗岩可以视为构造标志体[3],提供了探索大陆构造及其动力学的信息。花岗岩与大地构造的关系以及地球动力学意义一直是构造地质学研究的最感兴趣的课题之一。

另外,随着地球系统科学提出和发展,学科之间的交叉融合趋势更加突出。大地构造作为地质学的上层建筑更具有学科交叉融合的特点。例如,已经提出和探索“沉积大地构造”、“岩石大地构造”等[4]。花岗岩具有其特殊性:①分布广泛,特别是在造山带几乎占据40%~60%的面积,成为研究大陆构造的主要对象,为探索深部物质与构造过程提供了众多窗口;②发育于地壳生成与破坏及造山带演化的全过程,是追索这些过程最为重要的研究对象之一;③花岗岩易定年,是精确定年的最佳对象,提供了限定重大构造事件的最佳标志体;④花岗岩是一种特殊的构造标志体,直接提供了大量构造信息。因此建议,加强花岗岩特别是花岗岩与构造关系的研究,对于提出的“花岗岩大地构造[5]”,初步阐述其内涵、研究内容及主要意义、今后可能的发展方向等。文章试图进一步就若干重要的研究方向做出深入探索,以期抛砖引玉,为深化花岗岩与大地构造关系的认识,较系统论证花岗岩大地构造学,为推动花岗岩与大地构造学学科的交叉融合及丰富大陆构造理论的创建做出贡献。

1 花岗岩大地构造概述 1.1 花岗岩大地构造的提出及意义

“花岗岩大地构造”或“花岗质岩浆大地构造”是指,以花岗岩体为标志体来研究和探索大地构造问题,研究内容可涵盖物理特性(岩浆物理特征、岩体、构造)、物质组成(岩石地化)和年代学三大方面,包括探索花岗岩浆的上升迁移、汇聚定位和变形改造及物源演变,揭示区域构造变动(流变、位移、抬升)、大陆地壳增厚与减薄、汇聚与裂解及深部物质组成结构/生长演化等地球动力学过程。明确提出花岗岩大地构造的目的是,系统建立花岗岩与大地构造的关联,为丰富大地构造学理论,探索、创新板块构造、地球动力学、大陆动力学作出贡献。

王涛等[6]曾经提出的“花岗岩构造动力学”,其主要侧重研究花岗岩构造、岩浆物理特征等方面的内容。而花岗岩大地构造研究内容更广泛。一是,当今学科交叉融合快速发展,构造变形与物质特性关系更加密不可分;二是,随着原位微区分析技术的提高与大量应用,花岗岩年代学、地球化学和同位素地球化学数据越来越多,为深时大数据分析,揭示很多可能未知的地球深部物质与运动提供了可能,开拓了研究视野与领域。因此,从花岗岩构造动力学到花岗岩大地构造,是花岗岩构造动力学的深化与拓展,是花岗岩构造动力学与花岗岩物源成因、地壳物质组成的研究进一步结合的产物,进而使花岗岩的研究拓展到整个大地构造,包括地壳的深部组成与演变等。这无疑符合当今地球系统科学的发展趋势,为大地构造学开拓了新的研究内容、手段和思路。

1.2 花岗岩大地构造研究的主要内容

花岗岩大地构造研究内容可概况为物理特性、物质组成和年代学三大方面,重点研究内容包括以下几个方面。

(1) 花岗岩体物理特征(如岩浆热动力及岩体流变学),研究岩浆上升定位及岩体(带)形成过程的构造物理特性及动力学意义,探索花岗岩浆上升迁移、汇聚定位,解决岩体空间问题,还包括研究花岗岩体(带)的形态、大小和形成/构建过程及构造意义,即探索花岗岩浆形成、上升、迁移、定位及花岗岩体(带)形成(构建)过程及其构造意义。

(2) 研究花岗岩体变形改造及构造意义,即研究变形特征、年代学,探索构造变形(壳内流变)过程及其意义,以其视为构造标志体,揭示区域构造动力学,研究内容包括①花岗岩变形组构、应变标志体及变形环境意义;②花岗岩体形态、变形型式—运动学标志;③不同期次变形岩体的时间标定—构造变形史的精细限定。

(3) 研究花岗岩物源示踪,探索地壳生长及地壳深部物质组成结构,包括①花岗岩物源示踪—大陆地壳生长、深部结构;②花岗岩物源示踪地壳生长—刻画造山带发育类型和阶段;③花岗岩物源示踪—划分构造单元同位素填图—新老地壳对成矿的制约;④花岗岩深部物源示踪及其构造意义新探索为划分大地构造单元提供深部依据。

(4) 巨型花岗岩带发育过程、构造环境与大陆聚散,包括①岩浆性质演变特征与构造环境;②巨型花岗岩带与大陆聚散,为探索大陆聚散提供依据。

1.3 花岗岩大地构造研究思路与方法

花岗岩大地构造研究思路是构造地质学与岩石学、地球化学、地球物理学的思路和方法的结合与融合,突出构造地质学的思维方法,充分应用构造地质学的思维方式,开展岩石学、地球化学研究,并解释地球化学与地球物理学等方面的海量数据。研究思路应该有:①加强野外观察、填图;②充分应用各类学科测试技术,获取多种观察数据;③应用构造思维,全面理解和正确分析各类学科数据;④关键数据的填图及大数据建库编图,揭示演变规律;⑤注意构造与岩石在一些概念上的差异和统一协调;⑥大数据分析。

2 若干重要研究内容和方向 2.1 花岗岩岩石组合及其构造环境厘定

花岗岩构造环境判别是花岗岩研究中最令人感兴趣的热点领域。上世纪80年代以来的研究显示, 花岗岩可产生于不同的构造背景下[7-10],中国很多学者都对此有很好的研究和论述[11-16]

要讨论构造挤压和伸展等环境,首先,有必要明确不同学科、不同学者对花岗岩与构造的关系及构造环境(如挤压、伸展)的定义。在花岗岩与构造环境关系的论述中,常常有不同的表述,例如,经常有前构造、同构造、后构造,前碰撞、同碰撞、后碰撞,前造山、同造山、后造山[10, 17]。这是以不同的构造对象为参照的不同的术语。他们的含义不同。第一套表述,是针对一期或一种构造而言的,如同构造(花岗)岩体,可以是同褶皱、同剪切带、同区域面理,它是在该期变形构造发育过程中,同时侵位的,常常与构造要素协调一致。后构造,岩体明显切割了该期构造(如褶皱、面理等)。前碰撞、同碰撞、后碰撞岩体是以碰撞为构造标志命名的,时间尺度较大,一般情况下,它们与前构造、同构造、后构造可能一致,但也有可能不一致,如即后构造岩体也可以形成于同碰撞(某些局部地区变形结束早)。前造山、同造山、后造山是针对造山而言,时间跨度更大。同造山包含了同碰撞和后碰撞。

另外,构造地质学对挤压伸展环境和岩石学论述的挤压伸展环境的认识也可能不一致。局部的构造挤压、伸展更强调的是变形方面揭示的挤压或伸展,空间尺度较小;岩石学判别的构造环境往往是岩石圈尺度的。它们之间并不完全对应,如岩石圈的挤压环境,局部可以是伸展构造环境(如褶皱转折端、岛弧伸展等)。因此,当讨论岩浆岩构造环境的时候,要清楚是从上述角度而言,不然,讨论的角度和空间、时间尺度不同,造成不必要的误解和争议。

在花岗岩与构造关系研究特别是构造环境判别中,曾经大量应用Pearce图解[18-19],判别构造环境,成为一种几乎是普遍的现象。但是,越来越多的研究发现,这种判别往往与实际不符。主要原因是使用者没有很好地理解该判别图的产生和使用的条件。实际上,无论是理论上还是实际实践,不同类型的花岗岩(如S-Ⅰ-A型花岗岩)可以形成于任何构造环境,或者这些花岗岩可以同时产生于同一构造环境。单一的花岗岩构造环境判别几乎是不可能的。

另一方面,若以花岗岩岩石组合为对象,从概略统计分析来看,花岗岩岩石组合特别是其演化特点,还是可以揭示一定的构造背景、环境尤其是演化过程的。花岗岩及其岩浆岩组合可以反映一定的构造背景,甚至可以作为大地构造相的岩浆标志[13],以下岩石组合主要发育于挤压环境的汇聚带或块体之间的汇聚带挤压环境。

2.1.1 俯冲环境的岩浆岩组合

俯冲环境主要有岛弧、陆弧和洋内俯冲弧。花岗岩主要发育于前两者。不同的俯冲环境,发育的花岗岩及其岩石组合有一定的特征。

(1) 岛弧环境

该环境的岩浆岩组合常常为:辉长岩+闪长岩+TTG±普通花岗岩组合;相伴随的火山岩以安山岩为主的玄武岩+安山岩+英安岩±流纹岩组合。其中,高镁安山岩和高镁闪长岩是识别岛弧环境的一种特征岩类,发育于弧、弧前和弧后。不成熟的岛弧,常称为拉斑-岛弧,以玄武岩+玄武安山岩为主,拉斑系列(SiO2-FeO*/MgO图解)>50%。成熟的岛弧,常称为钙碱性系列,以安山岩为主,钙碱性系列(SiO2-FeO*/MgO图解)>50%,如日本岛弧主要由安山岩和流纹岩组成,在深部变化为Ⅰ型钙碱性花岗闪长岩-花岗岩组合[12]。在成熟岛弧中常为高钾钙碱性系列(SiO2-K2O图解)、钙碱性系列。

(2) 大陆边缘弧环境的岩浆岩组合

该环境侵入岩以TTG(低压型[16])和花岗岩为主,石英闪长岩、闪长岩和辉长岩相对较少;相伴生的火山岩以安山岩、英安岩和流纹岩为主的组合(少量玄武岩)。这个岩石系列以钙碱性系列(SiO2-FeO*/MgO图解)占绝对优势(>80%),以高钾钙碱性为主(SiO2-K2O图解),无负Eu异常的石英闪长岩、石英二长岩、二长岩、正长岩及其相应的火山岩类广泛发育,微晶闪长岩质包体广泛发育。TTG组合发育于靠海沟一侧,花岗闪长岩-花岗岩组合发育于靠内陆一侧。

(3) 与俯冲作用有关的岩浆弧的组成极性

随远离海沟,岩浆岩中在相同SiO2含量条件下随着K2O增加,K2O/Na2O比值增加,从SiO2-K2O图上表现为低钾钙碱性→中钾钙碱性→高钾钙碱性→钾玄系列,以玄武岩和玄武安山岩占优势,从TTG组合→花岗闪长岩-花岗岩组合,被称为组成极性,它一方面指示俯冲的方向,另一方面指示地壳成熟度与厚度的不断增加。

2.1.2 (陆-陆)碰撞环境的岩浆岩组成

碰撞环境具体可以分为同碰撞和后碰撞。

(1) 同碰撞(syn-collision)环境

一般缺乏岩浆活动。仅在同碰撞晚期出现以S型花岗岩为主的岩浆岩,常常以发育白云母、堇青石、石榴石为特征,显示强过铝特征(A/CNK>1.1)。白云母和二云母花岗岩类,标志其源岩为泥质岩石,且碰撞带俯冲的块体常常是成熟的被动陆缘型陆壳。堇青石和石榴石花岗岩类,其源岩为硬砂质岩石,标志俯冲的块体常常是不成熟的增生杂岩块体。这反映了大陆碰撞过程中,导致大陆地壳熔融,形成花岗岩。有些情况下,大陆碰撞导致陆壳俯冲,也导致前期弧物质的再熔融,显示大陆弧的特点。例如,青藏高原65~45 Ma时段的林子宗火山岩和同时代的冈底斯花岗岩类[12]

从岩体构造型式来说,一般同碰撞花岗岩多显示为同构造岩体特征,岩体形态多为长条状,平行构造线展布,都发育明显的面理(包括线理)构造,可以是岩浆流动面理,更多的情况下,是岩浆流动面理、高温固态面理到中低温固态面理连续过渡发育。这些都反映了同碰撞区域变形条件花岗岩同构造侵位特点。

(2) 后碰撞(post-collision)环境

该环境相对同碰撞而言,具有局部的伸展环境,构造动力学背景方面可以与大陆俯冲之后的板片断裂有关,常常发育巨量岩浆岩,以SiO2-K2O图中钾玄系列为主+高钾钙碱性系列的火山岩与侵入岩组合。这个组合中,常以粗安岩和二长岩为主,广泛分布无Eu异常REE分布模式,这一组合标志陆内块体之间的继续会聚方式是分布增厚机制。应当指出,以往将以含白云母、堇青石、石榴石为特征矿物的强过铝花岗岩类厘定为典型的同碰撞环境。但是,越来越多的研究发现,在后碰撞环境,同样可以出现这些组合。在Pearce[18]的Rb-Y-Nb-Ta图解中位于同碰撞区;但是,此区一部分区域(三区交界区域)后来又定义为后碰撞环境。

从岩体构造型式来看,一般后碰撞花岗岩多显示为同构造到后构造或后构造岩体特征,岩体形态多为不规则状,有些呈现圆形、椭圆形,可以切割构造线,可以都发育面理(包括线理)构造,但多数情况下,不发育组构。这些都反映了后碰撞区域变形较弱的条件花岗岩后构造侵位特点。有些侵位于碰撞带、聚合带、各种构造带的后构造特征十分明显的岩体,也称之为钉合岩体特征,可以作为很好的限定变形带、缝合带最晚时限的标志,如北疆二叠纪钉合岩体[20]

一般而言,后碰撞岩浆组合复杂,既有壳源岩浆,也发育底侵的幔源岩浆。岩石类型多样也是后碰撞环境的一个岩浆组合特征。值得注意的是,在秦岭、天山造山带,鉴别出古生代、中生代环斑花岗岩,与区域岩浆岩组合及区域地质背景一致揭示了后碰撞构造环境。似乎环斑花岗岩可以作为后碰撞甚至后造山(见下)的标志之一。

从同位素组成特征及其演化看,该时期既发育源自大陆的古老物源花岗质岩浆岩,同位素显示古老物质为主;又发育与具有亏损的同位素组成即年轻物源的岩浆岩,显示了更复杂的花岗岩物源特征和岩石组合。这是同碰撞环境花岗岩质岩石的一个特点。

在实际研究中,从同碰撞到后碰撞是连续过渡的,还是精细划分为不同的阶段,如可以进一步划分为同碰撞、主碰撞、晚碰撞、后碰撞[21]。据莫宣学等[11]研究,以强过铝白云母花岗岩为标志,确定了喜马拉雅—冈底斯造山带存在四期碰撞,相应形成了四期花岗岩构造岩浆组合:①早侏罗世花岗岩构造岩浆组合,如当雄以南的宁中花岗岩的白云母K-Ar年龄为196~189 Ma,可能与古特提斯洋的闭合、碰撞有关;②早白垩世花岗岩构造岩浆组合,系班公湖—怒江洋闭合,导致羌塘与拉萨陆块碰撞,如南木林罗扎花岗岩的锆石U-Pb年龄为134±1 Ma;③古近纪花岗岩构造岩浆组合,与印度—亚洲大陆碰撞关系密切,如羊八井、郎县白云母花岗岩年龄为56~50 Ma;④新近纪花岗岩构造岩浆组合,属于后碰撞期构造-岩浆活动产物,如桑日、日土等地花岗岩年龄为24~18 Ma。

2.1.3 后造山(post-orogenic)环境的岩浆岩组合

后造山是相对于同造山(俯冲、碰撞等)而言,与晚造山和造山后大概相近或更确切的说是介于两者之间,可以认为是限定一个造山作用旋回的开始与结束的标志。该时期花岗质岩石组合以过碱性花岗岩与钙碱性花岗岩的共生(发育晶洞构造、高温石英和碱性条纹长石)及其双峰式岩浆组合为特征,特别是双峰式岩墙群。后造山脉岩组合与小岩体群,成分变化谱系很宽的小量岩浆活动广泛分布,是山根拆沉作用的标志。

从岩体构造型式来说,一般后造山岩体多显示后构造岩体特征,岩体形态多呈现圆形、椭圆形,切割构造线,不都发育面理(包括线理)构造。后造山花岗岩体更显示钉合岩体特征,可以很好的限定造山带的变形时限。

2.1.4 稳定的克拉通(或)与大陆裂谷环境的岩浆岩组合

稳定的克拉通花岗质岩石组合以环斑花岗岩(狭义的环斑花岗岩)、斜长岩与钾质-超钾质火山岩类为特征,其组合有金伯利岩、钾镁煌斑岩、碳酸岩以及大陆溢流玄武岩及相应的层状基性侵入体。北半球发育的元古代巨型环斑花岗岩带是稳定克拉通花岗岩质岩石的典型代表。在中国华北克拉通也发育同期的环斑花岗岩。值得注意的是,近年来在柴达木北缘即中央造山带,也发现了这期环斑花岗岩,说明有些稳定陆块已经卷入到显生宙造山带中[22]

大陆裂谷环境的岩浆岩组合为双峰式火山岩和侵入岩,其中玄武岩以碱性玄武岩类(包括碱性橄榄玄武岩、碧玄岩、霞石岩)为主,粗面岩(正长岩)和流纹岩(花岗岩)中有过碱性成分。发育过碱性花岗岩,无共生的钙碱性花岗岩。例如东非裂谷的岩浆岩组合包括拉斑质玄武岩、碱性玄武岩、双峰式火山岩以及少量碱性花岗岩和超镁铁杂岩。在攀西裂谷,A型花岗岩主要沿攀西裂谷轴部分布,在空间上与同时代辉长岩层状侵入体紧密共存,构成双峰式侵入岩[22]

2.1.5 大洋环境

(1) 洋中脊扩张环境的岩浆岩组合

该环境为特殊的大洋背景及岩石圈伸展拉张环境。典型的花岗质岩石为大洋斜长花岗岩,以低K2O(SiO2-K2O图解中的低钾钙碱性,无实际矿物Or,拉斑系列(SiO2-FeO*/MgO图解),碱钙性和碱性(Peacock碱钙指数),以及Pearce图解(Nb-Y图)位于ORG(洋中脊花岗岩)。一般具有亏损的同位素组成特征。最为特殊的是,与其组合的岩浆岩为:洋中脊玄武岩(MORB)+辉绿岩岩墙和岩席+辉长岩及其堆晶岩+斜长花岗岩+变质橄榄岩。

(2) 洋岛环境的岩浆岩组合

洋岛拉斑玄武岩+洋岛碱性玄武岩类+钠质系列(TAS分类)的夏威夷岩(TAS图解中的S1区),橄榄粗安岩(S2)和歪长粗面岩(S3)+粗面岩类+碱性流纹岩+响岩,以及相应的钠质系列的侵入岩类,包括辉长岩、碱性辉长岩、二长辉长岩、二长闪长岩、二长岩、正长岩、碱性花岗岩、霞石正长岩。

2.2 花岗岩演化及其构造环境与演化(构造过程) 2.2.1 花岗岩演化揭示构造环境及演变

仅用静态的地球化学指标难以判别花岗岩的构造环境,而从岩浆性质动态演变分析,则有可能较全面地揭示构造环境及其演变过程。造山带演化的不同阶段发育有不同的岩浆活动特征,已有诸多研究表明,构造环境的转变可以通过岩浆成分的变化记录下来[19, 23-24]。在增生造山过程中,花岗岩成因的主要背景是通过板块边缘的俯冲作用,如在俯冲带之上,地幔楔的熔融作用导致玄武岩和安山岩的形成。这些镁铁质熔体可能会进一步分化并产生大型低钾Ⅰ型花岗岩基[25-26]。增生造山演化到碰撞造山过程通常导致洋盆的消失以及陆壳的缩短和增厚,而这一过程也能够促使花岗岩的熔出和侵位[24, 27],如大量高钾花岗质岩浆主要来源于已存地壳岩石的部分熔融或再循环[28-32]。因此,Barbarin[10]认为每个花岗岩类型都产生在一个特定的构造背景中,以威尔逊旋回演化为特征,认为低钾(Ⅰ型)花岗岩与俯冲有关,过铝(S型)花岗岩与大陆碰撞有关,碱性(A型)花岗岩与裂谷或非造山作用有关。因此,了解造山带演化过程中花岗岩岩浆的成因和演化,对于理解汇聚板块边缘的物质循环和构造-岩浆作用过程至关重要。

然而,花岗岩的演化与构造环境变化之间的演变关系是极其复杂的,如何从岩浆性质动态演变分析,有效揭示构造环境及其演变过程是值得深入探索的问题。现尝试提出“岩浆性质演变轨迹”判别构造环境及过程的构想。例如,在一些常用的构造判别图上(图 1图 2),不同期次岩浆性质(数据点)向上的“顺时针”岩浆演变,并伴随同位素揭示的陆壳物质从少(俯冲)到多(碰撞)再到少(后碰撞或后造山幔源岩浆底侵作用增强),结合可能的岩体由强到弱的变形演化,可能揭示依此的俯冲→同碰撞→后碰撞→板内环境及其演变(图 1图 2);若向左演化或向下的反时针演变,并伴随同位素揭示的陆壳物质从多到少,并结合岩体变形由强到弱或不变形演化,可能揭示依此的碰撞→后碰撞→板内伸展(图 1图 2)。可以看出,在如图所示的构造环境判别图上,花岗质岩浆“顺时针”演变轨迹反映了由Ⅰ型、弧特点向S型、碰撞演变(如Rb含量增加,陆壳物质物源增加),再向碱性(A型)特点(Y和Nb增加)的演化趋势。实际上,常常是一个岩浆演化旋回(钙碱性到碱性)与构造演化旋回的对应,或与造山带过程(同造山向后造山)的对应。另外,岩浆的演变,在某些情况下,也与地壳挤压、增厚向伸展、减薄的转化相对应。

a—向上的“顺时针”花岗质岩浆演化“轨迹”可能揭示俯冲到碰撞到后碰撞(板内)环境及其演变(实线);b—向下的“反时针”轨迹可能揭示出从碰撞到后碰撞伸展的演变(虚线);秦岭新元古代花岗岩数据来源[5, 33-36] 图 1 岩浆性质演变的轨迹判别构造环境及其演变[5, 8] Fig. 1 Tectonic environment and its evolution discriminated by the magmatic property evolution[5, 8]

图 2 阿尔泰古生代花岗岩由钙碱性向高钾钙碱性和碱性演化,揭示构造环境由俯冲增生向后增生(碰撞)演化[18, 37] Fig. 2 Altai Paleozoic granite evolved from calc-alkaline to high-potassium-calc-alkaline and alkaline, revealing that the tectonic environment evolved from subduction accretionary to backward accretionary (collision)[18, 37]
2.2.2 花岗岩类型(S-Ⅰ-A型)演变揭示构造环境演变的研究实例

已有诸多研究表明,上述所述的花岗岩类型(S-Ⅰ-A型)演变可以有效揭示构造环境演变[19, 23-24]

(1) 拉克兰造山带

经典S-Ⅰ-A型花岗岩演化出现在澳大利亚东南部拉克兰造山带,是古生代Tasmanides增生型造山序列的末端成员。是从S-型演化到Ⅰ-A型花岗岩序列,且至少重复三次,所有花岗岩形成于530~230 Ma之间由岛弧后撤背景下的弧后同伸展构造背景[38-40]。S-Ⅰ-A型花岗岩系统演化的过程是一个古老的地壳成分逐渐熔融的过程,岩浆作用由弧型(S型)向近端弧后型(Ⅰ型)向远端弧后型(A型)演化[40]。很明显,拉克兰东部的经典花岗岩(S-Ⅰ-A型)都是在弧后环境中形成的。

花岗岩成分演变对于理解造山带的演化具有重要意义。从S-到Ⅰ-到A型的花岗岩演化在整个Tasmanides的三次重复演化与俯冲撤退的伸展阶段有关。Collins和Richards[41]认为有三方面的关联:①内部的S型花岗岩和伴生的高温-低压变质杂岩,②外弧系统,③弧后盆地。在拉克兰东部,这些裂谷表现为425~400 Ma Hill End和Goulburn盆地,两者都与大量的同裂谷Ⅰ型岩浆作用有关[42]。俯冲撤退的三次重复以及后撤相关的S-Ⅰ-A型花岗岩的演化过程与北美Cordillera外来海洋地体的增生不同[43]。拉克兰造山带S-Ⅰ-A型花岗岩的成因研究表明,大量的水致部分熔融促进大量Ⅰ型岩浆活动;如果近Moho存在加厚的变沉积岩,则形成S型岩浆活动[44]。地球动力学演化趋势是从志留纪岛弧(S型)通过弧间裂谷(Ⅰ型)到远端弧后(A型)的演化过程。与A型岩浆有关的洋岛玄武岩特征通常被认为是板内构造背景,但在拉克伦造山带,它显然与俯冲-增生过程有关[40]。S型岩浆作用形成与增生作用背景下弧后闭合过程中增厚的变沉积岩的部分熔融,而不是大陆碰撞环境;S-Ⅰ-A型岩浆作用的演化反映了正在进行中的岩浆作用,逐渐远离后撤的俯冲带。

(2) 中亚造山带南缘从增生到碰撞的花岗质岩浆演化过程记录

岩浆成分演化对于理解造山的演化具有重要的意义[27, 45]。传统上,根据构造、变质、岩浆三大造山作用标志,将造山带划分为增生型(如中亚增生造山带)和碰撞型(如青藏高原碰撞造山带)两个最基本的类型[27, 46]。然而,除了大规模新生地壳的添加程度不同以及碰撞的规模、方式和强度不同,全球许多造山带其实都不同程度包含了增生和碰撞造山过程[27]。因此,如果以时间为标尺,一个造山带随着时间的演化具有从增生到碰撞的一般演变规律[47],如威尔逊旋回演化过程。目前,以青藏高原为代表的大陆碰撞即“硬碰撞”研究已趋成熟。软碰撞是指微陆块之间的弱碰撞。微陆块碰撞时,陆块小动能也小,微陆块之间的碰撞强度比巨型大陆间的碰撞强度弱得多[48]。而理解巨型增生造山带晚期(如中亚造山带)如何从增生演化到碰撞过程, 对完整认识全球造山带演化具有重要意义。

中亚造山带较完整的记录从俯冲-增生到碰撞的岩浆演化过程的古老造山带,从增生到碰撞的岩浆演化研究对进一步深入理解全球两大端元造山带之间的演变过程具有重要意义。从构造-岩浆演化的角度,根据上述中亚南缘索伦-西拉木伦构造带一系列地质和地球化学特征,特别是岩浆演变特点,一致揭示出从增生到碰撞的岩浆演变特征[49-53]:①从晚石炭世到早二叠世(310~275 Ma),向南东方向变年轻的弧岩浆是古亚洲洋最后俯冲阶段板片回撤作用的岩浆响应;②中二叠世(270~260 Ma),华北与南蒙古地体发生初始碰撞,此时楔形地幔区对流减弱,岩浆作用并不发育;③晚二叠纪(大约255 Ma)开始,板片的汇聚速率和向下的拖拉力逐渐降低,造成俯冲板片断离和软流圈的上涌,形成沿缝合带呈线性展布的岩浆作用;④随后(早—中三叠世),随着造山带的逐渐汇聚,陆壳逐渐增厚,导致增厚下地壳发生部分熔融,产生碰撞相关的岩浆记录。岩浆成分的演变研究,证明在中亚增生造山带内也发育最后碰撞相关的增厚下地壳源区的岩浆记录。结合区域资料,确认了增生造山带最后的碰撞(软碰撞)的岩浆标志为沿缝合带零星线性展布的增厚下地壳源区的高Sr/Y花岗岩,并构建了中亚造山带南缘从增生到碰撞的构造-岩浆演化模型[49-50]。通过研究,进一步确认了软碰撞相关的岩浆记录在中亚造山带南缘从甘肃北山一直延伸到了吉林地区,表明软碰撞的岩浆在中亚造山带南缘具有一定的普适性[51]

世界上其他许多造山带也经历了类似的演化过程。阿巴拉契亚造山带经历了相似的早期俯冲-增生过程,并发育增生弧;到晚期碰撞过程,发育后碰撞板片断离相关的岩浆作用[54-55]。尽管青藏高原是碰撞型造山带,同样经历早期的俯冲-增生阶段,如发育新生陆壳源区的冈底斯岩基[56-57]。青藏高原~55 Ma碰撞以来,随着时间的演化,岩浆Sr/Y比值的增加和锆石εHf(t)值具有从正值向负值转变的特点,是印度与欧亚碰撞过程中造成了陆壳增厚和古老组分增加的岩浆响应过程[58],类似于中亚第二阶段增厚下地壳源区的岩浆作用。在5~6 Ma期间,台湾弧陆碰撞的过程,锆石的εHf(t)值从正到负的演化过程同样表明碰撞阶段通常物源更加的复杂[59]。上述不同造山带类似的从俯冲-增生到碰撞的岩浆演化过程,对于深入剖析全球造山带的构造-岩浆演化具有重要意义。下一步研究需要进一步详细厘清硬软两类碰撞的岩浆标志的异同。

2.2.3 岩浆周期性的爆发与间歇及构造意义

岩浆的周期性活动对于理解大陆地壳的形成演化具有重要意义。岩浆活动通常是周期性演化的,包括小体积的岩浆间歇期和短暂的(5~20 m.y)大体积突然爆发[60]。世界上最大的显生宙岩浆弧形成于俯冲带之上,是长达500 My期间持续岩浆侵位地壳的产物,如北美内华达岩基暴露出的花岗岩和火山岩超过100000 km2[60]。在大陆岩石圈上形成的陆弧中,岩浆的爆发通常与区域构造事件有关,这些区域构造事件使地壳缩短或变厚[61]。中上地壳的岩浆添加率在岩浆爆发期间约为3~4 AU,在平静期约为0.8~1 AU[61]。地球化学和同位素特征表明,这些高岩浆添加事件包含约50%的再循环的上地壳和岩石圈地幔以及50%的地幔楔[61]

全球岩浆周期性活动是认识全球性构造运动的关键之一。显生宙地质记录中保存了四期弧岩浆活动,在一些不相关地区,均表现出或多或少的同时代的岩浆活动爆发模式(>1000 km2/My):包括中晚奥陶世(470~450 Ma),石炭纪密西西比中统(330~300 Ma),中晚侏罗世(170~150 Ma)和晚侏罗世白垩纪—早始新世(90~55 Ma)。在这些时期,岛弧和大陆弧产生的岩浆量比正常情况下要高,而这些峰期岩浆作用与超大陆的形成并不一致[61]。但是高的岩浆添加率与锆石主要生长期相吻合,这是因为岩浆添加的50%来自先存的上部岩石圈和地壳的熔融。高岩浆添加率并不一定是新生地壳生长的产物。对于显生宙四期岩浆爆发事件大致有两种成因机制。在石炭纪和白垩纪的事件中,可能存在大洋地壳的加速生长和老岩石圈物质逐渐减少的时期。奥陶纪和侏罗纪事件,异常缓慢的大洋地壳生长可能导致了全球岛弧的增加。

岩浆的周期性活动与板块运动密不可分。大量的研究表明,这种循环行为的驱动机制包括外驱动(如地幔流动或汇聚速度的变化、板块回滚/断裂、碰撞、扩展等)以及内部反馈过程[61-63]。水致部分熔融模型预测,大体积岩浆活动应与大量的含水的板块流体密切相关,而板片流体通常与俯冲速度成正比[44, 64]。然而,许多其他研究也表明,岩浆爆发与较低的汇聚速率有关[65]或没有明显的相关性[60, 62]。有些研究也表明,这种周期性的岩浆爆发和间歇与俯冲板片的角度反复变陡和变缓有关[66]。这是一个令人兴奋的地质研究新领域,还有许多工作需要深入研究。

2.3 花岗岩变形、壳内流变及构造动力学意义 2.3.1 花岗岩体形成改造与大陆深部变形及其动力学意义

20世纪初,地学界将大陆流变学确定为21世纪构造地质学研究的新启航(GEO/EAR,2002)。2017年,《中国学科发展战略﹒板块构造与大陆动力学》也将“大陆流变性状与大陆变形”列为未来大陆动力学研究的优先领域之一。2018年,GSA/AGU发布的《大地构造研究的挑战与机遇》,也将“认识岩石圈流变学变化”作为重大挑战。因此,地球物质流变学研究已成为固体地球科学的最前沿课题和挑战。花岗岩作为大陆的主要组成和重大构造热事件的产物,从岩浆的形成、上升定位到变形改造等过程都必然决定和影响着大陆地壳物质调整、流变性状和变形型式及热动力学特征。因此,如何利用花岗岩来研究大陆地壳的流变学特征及其构造动力学背景就成为研究地球物质流变学研究的一个重要方向之一。

花岗岩的形成和上升定位无疑对大陆地壳变形及流变状态有着深刻影响。大陆地壳的岩石主体为花岗岩类,它的形成和变形与流体、熔体密切相关,花岗岩熔体既是岩石圈物质组成,又是流变介质条件,直接影响岩石流变学性质。熔体和流体既影响浅部岩石破裂行为,也通过矿物内部与边界的物理/化学过程影响深部地壳流变强度。而熔体的出现使固相岩石变成固-液两相,对岩石流变学性质影响巨大,是岩石圈流变分层的根本机制;随熔体增加,岩石变形机制从固态蠕变向液态流动转变,导致地壳弱化流动、造山带垮塌和高级变质岩折返等。应用新技术,从固-液两相分子水平着手,探讨水-岩反应和熔体的物理化学过程及其流变学效应,将会给岩石圈流变分层、地壳流变行为和变形局部化以及地震机制研究带来新突破[67]

花岗岩形成后的变形改造,是理解大陆流变、变形行为和弱化机理的关键要素之一。花岗岩熔体到固体的性状与变形特征研究具有重要意义。从岩浆流动到冷凝均可以发育不同机制的组构,包括岩浆流动组构、高温固态流动组构、中高温固态流动组构、中低温固态流动组构。它们可形成于岩体自身定位作用中,也可形成于区域构造变形中。单个花岗岩体的形成、定位和变形研究可限定大尺度的地壳变形特征,而大规模岩体群的相关则更能反映区域总体变形特征,变形花岗岩体/群可以直接作为巨大的标志体/群来研究和理解区域性大陆地壳流变、变形行为的窗口。

花岗岩通常由石英、长石、角闪石、白云母、黑云母等矿物组成,而以往研究多集中于简单矿物(如石英)等方面,对云母、角闪石等研究重视不够[68];过去侧重于单矿物变形,而自然界多矿物相变形研究相对薄弱。开展深部地壳主要造岩矿物的天然变形构造—显微构造—亚微构造—组构分析(如长石、云母、角闪石),并进行相应的实验研究,从分子学水平,能查明不同条件下不同矿物变形规律及其物理与化学过程,确定矿物变形机理对于岩石流变学性质的贡献,阐明地壳流变分层、应变弱化与局部化的类型、机理与控制因素等。

在利用花岗岩来研究大陆构造及其流变特征方面不断有新的研究进展。在花岗岩的形成和上升定位方面,在填图基础上,应用有限应变测量、磁组构测量、EBSD等手段,确定岩体构造型式,开展复合定位机制研究,并定量估算不同类型的定位机制大小[69],特别是估算岩浆汇聚及岩体膨胀速率,推断对区域构造的动力贡献。在花岗岩熔体与流变学性质方面,基于北方地区太古代岩石变形研究,揭示了花岗质岩石在不同P-T条件下的流变行为,认为地壳变形早期以熔体参与的流变为主,晚期以矿物位错蠕变机制为主[70-72]。在花岗岩形成后的变形改造方面,前构造、同构造和后构造花岗岩的准确确定和精确定年可以大致确定不同阶段构造变形的时间。而对于同一构造体制下的递进变形,通过不同期次的变形和不变形花岗岩体锆石定年和“去”应变分析,可以限定不同期次变形的时间,包括早期变形年龄时限,确定构造发育过程。例如,在东北亚变质核杂岩中,确定早期高温韧性伸展的时限[73];在韧性剪切指向判别中,很多典型的标识多是取自于变形的花岗质岩石,如长石旋转斑、S-C组构和C′(伸展折劈理)等,组构分析还为进一步进行运动学涡度的估算奠定基础[74-75]

2.3.2 花岗岩穹隆及其壳内流变及区域构造意义

面对上述研究热点和新的挑战,开展花岗岩构造研究,首先遇到的问题就是花岗岩定位及其形成的穹隆构造。这是花岗岩体最为普遍的构造型式。大的花岗岩岩基,通常形成穹隆状,可以作为研究壳内流变、岩石应变测量等重要标志体和深部构造动力学的窗口。这种花岗岩穹隆构造也是变质核杂岩最主要的特征之一。很多变质核杂岩就表现为不对称的穹隆。

不对称(单剪)穹隆往往呈现面理发育角度及穹隆修改的不对称,特别是在一侧下滑更为强烈,某种程度上类似与核杂岩。花岗岩穹隆强调穹状隆起。但大多数花岗岩穹隆在其岩浆形成、上升和定位并最终形成穹隆过程中(以纯剪为主),受到区域伸展拆离作用而形成不对称花岗岩穹隆(具有简单剪切特征),或者可以称之为岩浆核杂岩[76]或同减薄岩体[77],或剪切岩体[78],即核部为具有穹隆状的同构造花岗岩体,岩体顶部为具有极性的韧性剪切带和递进变形叠加之上的脆性断层带。不对称花岗岩穹隆与岩浆核杂岩在结构上并无区别。但岩浆核杂岩一般认为是在地壳早期(前寒武纪)的裂谷系或伸展过程中因应力场弱化速度较慢而形成[76];与变质核杂岩[79-80]区别在于核部的组成(前者为花岗岩体;后者为变质岩和花岗岩体)。

这种不对称花岗岩穹隆普遍出现在大陆变形带/区内,如辽吉古元古代裂谷带(岩浆核杂岩[76])、青藏高原近南北向裂谷系[81]以及地壳减薄区(如造山带垮塌和弧后伸展区[77, 82]),或者作为更为复杂的片麻岩穹隆的后期伸展表现形式发育[83]。它们既有穹隆的构造属性,反映了底辟和穹隆作用调节大陆地壳的热演化和机械演化[84],早期的岩浆流动组构记录了岩浆结晶期的应力增量[85],与花岗岩浆形成、上升、迁移、定位等密切相关[69];又受到区域或局部伸展拆离影响而在岩体内发育韧性拆离带即发育不对称岩体边缘变形带(区别于花岗岩穹隆)。因此,不对称花岗岩穹隆多重性质提供了极好的窗口研究穹隆结构的形成机制、花岗质岩浆上升、生长与定位机制,以及地壳伸展变形特征和动力学背景等。

(1) 不对称花岗岩穹隆与构造意义

穹隆构造是造山带热动力演化的重要特征之一[83, 86-87],可以被用来探讨地壳垂向与侧向流变的相对速率和强度[88-89]

不对称花岗岩穹隆广义上也可以被看作是片麻岩穹隆的一部分[90],是造山带伸展垮塌和区域大规模岩浆岩、混合杂岩挤出的主要驱动力和调节机制之一[91],是出露中地壳岩石的典型构造[89, 92-93]。其中,花岗质岩浆的底辟作用和穹隆化不仅引发了大陆地壳的部分熔融,并且在大陆地壳物质的热量、机械运动和化学演化方面发挥了重要作用[84],使得花岗岩穹隆的形成与演化过程已经成为认识造山带碰撞末期和破坏(如伸展垮塌)的重要组成部分,其构造变形与地壳深部部分熔融、流变-挤出过程的关系是当前构造地质学研究的热点问题之一[80, 84, 94-100]。穹隆调节了造山过程中物质和热的运移和重新分配,代表了深层地壳流变的垂向组分或分量,与地壳侧向流动的相对量及速率之间应该是一个地壳流变函数,是重力与其他地壳流变驱动机制之间的一种平衡[88-89]

因此,穹隆几何形态和构造特征显示地壳部分熔融和流变之间的密切相关性和联系,研究单个穹隆或穹隆群的花岗岩及其围岩P-T轨迹中的熔融作用时间和穹隆内的构造属性与运动学可以用来推测和计算地壳流变的强度和量级、速率和热效应(图 3)。

a—地壳水平侧向流动与垂向流动构造及其流变极性转换模式;b—下地壳流变(渠道流和底辟流)在刚性上地壳之下(A和B)和在伸展环境下(C和D)及其P-T-t轨迹[89] 图 3 地壳流变极性转换模式图 Fig. 3 A conversion model for crustal rheological polarity

单个不对称花岗岩穹隆记录了岩浆上升、生长和定位过程中的一系列构造热动力效应,可以了解地壳流变结构和抬升过程[101],线状或面状穹隆群则具有重要区域构造动力学意义(如北喜马拉雅拉轨岗日穹隆带)。

花岗质岩浆的形成、上升、迁移、定位过程可引发一系列构造热动力效应:①产生热膨胀(一般可达2%~25%[102]),对巨量岩浆而言,这种作用不可低估;②降低区域岩石密度,增加浮力,促使地体抬升;③降低围岩岩石强度,导致大陆流变性增强。

单个及若干岩体的生长方式一般反映了局部的构造运动学和动力学状况,如剪切走滑控制不对称岩体生长型式[103]。岩体群生长方式可能反映了区域构造运动学和动力学特点,如秦岭造山带核部古生代花岗岩体侵位中心东移揭示了秦岭杂岩向西的侧向挤出[104])。不对称花岗岩穹隆作为一类特殊的伸展构造,其岩体的生长方式则可能反映了区域伸展的样式,如指示裂谷系早期的伸展型式[76]

不对称花岗岩穹隆同构造岩体的生长、定位和冷却过程中,记录了从岩浆流动到结晶后期的塑性变形组构,它们可形成于岩体自身定位作用中,也可形成于区域构造变形中[85]。单个花岗岩穹隆的极性剪切作用可能与底辟作用相关,反映局部的构造应力[85],但多个或者一系列不对称花岗岩穹隆具有相似或者相同的生长方式、剪切方向和冷却过程时,可能反映了区域构造运动学和动力学特点,类似于具有极性的变质核杂岩群(如东北亚大陆区域伸展[105])。

(2) 不对称花岗岩穹隆研究存在的问题

不对称花岗岩穹隆的研究主要集中在穹隆结构的形成与花岗岩变形组构和就位机制方面,来阐述了中地壳软化、流变和岩浆就位、抬升的关系。值得注意的是,绝大多数岩体都是复式岩体,具有多次岩浆聚集、快速和幕式的生长、形成过程[106-107]。目前的研究极少或没有关注复式岩体中不同期次岩浆形成及变形,与穹隆的形成与抬升过程的耦合关系,即穹隆中同构造岩体短期快速的多次侵位与穹隆极性韧性剪切和穹隆化是否具有一致性和成因联系。这制约了对不对称花岗岩穹隆群所代表的区域地壳伸展过程的精细刻画,以及深入了解中地壳流变和热动力的演变过程。

(3) 值得研究的问题

① 花岗岩穹隆主要构造单元几何学形态、物质组成和性质

查明花岗岩穹隆主要构造单元,如下盘花岗岩、韧性剪切带,脆性断层等的物质组成、空间展布特征及其性质;查明韧性剪切带、下盘岩浆岩的产状、几何特征。查明穹隆构造和花岗岩的空间物质组成与结构,解析穹隆核部、幔部、边部剪切带几何形态及岩浆物质与构造转变关系与方式。

② 花岗岩穹隆各地质单元的运动学特征,及其相互之间的联系

查明韧性剪切带、下盘岩浆岩的运动学特征以及构造样式等进行考察,重点详细观测穹隆构造及其从内向外的岩石与构造关系以及微观构造-组构学特征等。通过花岗岩谱系填图,查明花岗岩体各单元之间的构造关系、宏观和微观组构特征。

③ 花岗岩穹隆韧性剪切带、岩浆核的热演化历史、侵位深度、时限和就位机制

确定穹隆韧性剪切带的启动时限以及冷却抬升历史,与不同期次单元穹隆内花岗岩侵位时限进行对比;开展花岗岩穹隆剪切带和岩体不同单元变形岩石有限应变测量、磁组构测量、重力分析模拟和数值模拟等,估算岩体侵位和围岩的温度条件,揭示岩浆上涌和与剥露抬升历史;确定不同构造部位就位的岩浆作用的侵位年龄,并依据这些数据,结合构造解析和显微构造研究约束穹隆不同阶段构造活动的时限和序列。

2.4 花岗岩物源与造山带类型和地壳生长问题 2.4.1 花岗岩物源与造山带类型

造山带是地质学的发源地和诞生地,是固体地球科学长期研究的核心内容之一。根据造山带的发育和演化过程可以将造山带划分为多种类型。例如,以现今板块构造背景,划分为外造山系统(如太平洋增生造山带)和内造山系统(碰撞山系或碰撞带的拼合体[108])。应用最广的,特别是可适用于历史上的造山带类型及演化的,还是以威尔逊旋回及板块构造理论为基础的增生、碰撞和陆内或克拉通内三种类型的划分,并作为造山带形成演化的三个基本端元类型[101]

很多学者对这三类造山带开展了深入研究,总结了其基本特征,特别是增生造山带及其地壳生长导致的物质组成架构特征[101, 109-110]。一般而言,增生造山带形成于洋壳的不断连续俯冲作用,以洋内俯冲增生、岛弧增生为特点,如日本[111]、阿拉斯加[112]等;一般早期为洋内俯冲增生,中期以岛弧增生为主,晚期俯冲增生导致洋盆关闭。所以,增生造山带物质组成多由新增生的年轻物质组成,如增生杂岩、岛弧、大洋地层系统和MORB-OIB绿岩带,并含包括古老大陆块体(微陆块、陆缘带)。依据上述特点,可以应用很多方法(如地质、地球物理等)鉴别和区分这三类端元型造山带[27, 109-110]

实际上,世界上绝大多数造山带几乎都可能是上述三个端元类型连续演变的不同阶段的产物,犹如光谱[27],从俯冲增生发展到碰撞,再演变到陆内,如威尔逊旋回所示[27]。在这个三个基本端元类型的造山带中,增生造山带应该是年轻地壳组成最多的,并向碰撞造山带演化中逐渐减少。所以,年轻地壳发育和保留多少似乎是鉴别从增生到碰撞造山带类型的本质特征。然而,增生造山带究竟有多少年轻地壳?一直没有明确限定。一个原因是没有很好的研究实例作为标杆。另一方面,世界上很多增生造山带存在大量古老微陆块和古老块体。例如,中亚造山带[113-114],又被称为阿尔泰构造拼合体[115],是全球最大、最典型的显生宙增生造山带[114-116]。该造山带内部发现越来越多的古老块体或微陆块[117-119]。即使认为的年轻地壳区中,也鉴别出越来越多的古老陆块和物质,以致有些研究者认为中亚造山带地壳生长量可能过高估算了,没有原先认为的那么高[120-121]

北美阿巴拉契亚造山带多认为是古生代增生造山带[122-123]。但是,该造山带组成主要为古老陆块,是劳伦大陆和冈瓦纳大陆之间的众多古老块体一次次拼贴、碰撞形成的造山带;从物质组成角度看,基本上还是以古老物质组成为主[122]。该造山带年轻物源花岗岩和新生地壳量远远小于中亚增生造山带。若中亚造山带为典型的增生造山带标准对比,阿巴拉契亚造山带不是典型的增生造山带[124]。西太平洋的日本岛弧增生造山带是公认的正在进行的典型增生造山带,主要由二叠纪—现今的俯冲-增生杂岩所组成,但是其西南段包含了大量的重循环的元古代的大陆地壳物质[125-126]。著名的澳大利亚古生代Lachlan造山带也比较复杂[127],也包含大量元古代地壳物质[128]。中国中央造山带中西段的秦岭—昆仑,一些研究者认识是增生造山带[128]。但是,该造山带主体还是以古老物质为主,花岗岩普遍具有古老的模式年龄[22](几乎均>1.0 Ga)。

因此,能作为造山带端元类型的造山带究竟具有什么样的物质组成架构?增生造山带发育和保留多大规模的年轻地壳?这些方面需要深入思考和研究[5]

2.4.2 花岗岩物源与地壳生长

地壳生长是地球学科最基本的问题之一[129]。大陆地壳生长是指幔源岩浆及其分异产物通过各种地质过程添加到陆壳中导致陆壳面积和体积的增加。大陆地壳生长方式主要有①幔源岩浆物质的抽取;②之后的壳内分异(再熔和或分离结晶[130-131]),具体包括俯冲导致的岛弧岩浆活动和岛弧增生、地幔柱驱动的岩浆底侵、大洋高原增生[130]。近年来,碰撞(晚碰撞、后碰撞)岩浆作用也能导致陆壳(净)生长[29, 132-133]。但是,大陆地壳究竟如何形成的?何时生长的?如幕式?连续?生长的具体位置?新生地壳如何被保存?等等,一直是争议的、不断探索的重大科学问题[101, 131, 134]

造山带是大陆地壳生长的主要场所。造山带与大陆地壳生长是地球科学的两大基本问题。它们之间的关系更备受关注。造山带常常是研究大陆地壳生长的切入点。近几十年来,这方面研究与探索一直得到国际学术界的高度重视,已经开展很多研究[135]。这些研究揭示,俯冲-增生是大陆地壳生长的主要方式和理想之地[115, 130],特别是显生宙地壳生长[136]。弧岩浆占据了大陆地壳添加的60%~80%,并且洋弧比陆弧高30%[101, 137]。大陆地壳主要通过俯冲增生作用生长,如现今的西太平洋(日本等)岛弧增生带、北美科迪勒拉俯冲造山带及印尼多岛洋增生带等[111-112, 138]。这些俯冲增生带一直是、现在仍然是正在发生的地壳生长地区[138]。在大陆边缘俯冲带中,除了地幔物质的直接注入到地壳中,年轻基性物质的重熔也是完成大陆地壳生长、形成成熟硅铝质新生地壳的重要方式,例如,增积到岩石圈底部的年轻岛弧物质的重熔[139]、俯冲板片物质的部分熔融[140]等。

还应注意的是,俯冲作用可以导致地壳生长,也可以造成地壳消亡[141]。对于剥蚀型、前进型俯冲带,很多地壳物质在俯冲带北带入地幔,造成已有地壳的消亡,导致一些俯冲带成为地壳消亡场所。基于阿尔卑斯—喜马拉雅等造山带的研究,认识到大陆碰撞与后碰撞过程中陆壳强烈变形、大量地壳物质回返地幔,也是大陆地壳消亡的重要方式[142]。在澳洲北缘,200 km长的陆壳已经被俯冲消亡到班达弧下[143](从而有一种观点认为,显生宙板块俯冲、碰撞导致的这种地壳俯冲消亡与新生地壳几乎平衡[137, 144]。因此,学界长期以来认为,自板块构造以来,特别是显生宙大陆生长几乎为零或者不到整个地壳的10%[137, 144],而90%的大陆地壳生长于早前寒武纪,至少是18亿年以前[145-146]。目前,已经提出了多种地壳生长模型[147]

然而,中亚造山带显著地壳生长的鉴别对此提出了挑战[148-153]。Şengör[115]推测中亚造山带可能近50%以上是年轻地壳。这得到巨量花岗岩及其同位素研究的佐证[148-149, 154-160]。中亚造山带成为研究显生宙地壳生长的一个最典型的实例,也是全球大陆中最大和最年轻地壳区[161](图 4)。

图 4 造山带类型划分为3个相互关联的端元类型[27] Fig. 4 Three interrelated end member types of orogenic belt[27]

不过,不少学者对中亚造山带显生宙巨量地壳生长也仍有不同认识和质疑,认为其地壳生长量估算也许过高了,可能是忽略了一些古老物质信息[120-121]。另一些学者也指出,仅仅依赖花岗岩的Nd-Hf同位素研究,很难确定同期有大量地壳生长,而是年轻地壳再熔的产物,如阿尔泰发育大量古生代花岗岩,并没有大量的陆壳生长[162]。不过,尽管在花岗岩浆过程中本身可能并没有显著的新生地壳产生,但是花岗岩年轻的物源,也是花岗岩之前地壳生长的证据。实际上,即使在东准噶尔,也鉴别出一些古老物质信息,有可能存在一些古老块体,以致有些研究者认为,该地区发育古老微陆块[57]。而根据项目的初步同位素填图和花岗岩捕获锆石填图显示,这些古老物质信息,所占的面积很小,也许是一些古老物质残留或块体残片[100]。所以,项目初步研究显示,与其他造山带对比而言,中亚造山带地壳生长量明显较多[5, 124]。可见,对于这样一个世界上最典型的增生造山带和陆壳生长区,地壳生长量有多大?还没有明确,特别是没有半定量—定量的估算结果,有关生长的时间、地点及机制等问题仍然没有很好地解决。

应用区域同位素填图揭示新老地壳的分布格架是一个重要进展。近期,花岗岩阿尔泰—准噶尔—东天山的区域同位素廊带填图揭示,东西准噶尔及西南蒙古主要以年轻地壳(<0.8 Ga)为主为,是目前识别出的最大、最年轻(<0.8 Ga)地壳区[124, 163]。其南侧是以古老地壳为主的天山造山带;北侧是相对含有较多古老物质的阿尔泰造山带[100, 163-164]。实际上,准噶尔造山带基底是年轻还是古老一直有争议。早期很多研究已经揭示上述年轻的特点,并提出准噶尔造山带基底可能是年轻地壳的认识[20, 154, 165-166]。同位素填图证实了这些认识,并进一步从区域同位素填图角度加以论证和细化。但同时,该地区也的确存在古老物质,以致不少学者认识准噶尔造山带存在古老基底[57]。同位素示踪和捕获锆石填图也在一些局部鉴别出古老(中—古元古代)物质信息[100]

就目前研究现状看,在中亚造山带中,应用同位素填图所能圈定的年轻地壳中如阿尔泰[164];大兴安岭地区[167]),准噶尔—西南蒙古年轻地壳区是最大的、最年轻的。从目前掌握的资料(如秦岭同位素填图[22])、青藏高原拉萨地块Hf同位素填图[168](Hf同位素一般比Nd同位素填图略偏向年轻),全球主要的巨型造山带中还没有一个发育如此之大面积的年轻地壳区。因此,这个区域也有可能是全球大陆内部最大的年轻地壳区。另外,这个地区也有可能是增生造山带最具代表性的地带。

这些年轻地壳精细组成架构和成因机制有待深入研究。一些学者还估算了地壳生长率[157, 169]。不过,中亚造山带地壳生长主要是同造山(增生)水平机制还是后造山(后碰撞、后增生)垂向生长为主?各自的生长量和生长率是多少?这还不清楚。由于近年来,越来越多的研究揭示,碰撞(晚碰撞、后碰撞)造山岩浆作用在地壳生长特别是净生长贡献远比以前想象的大得多[29, 132-133, 168]。这更显示中亚造山带需要加强这方面的研究。

此外,现在越来越多的研究者认为,中亚造山带除了典型的增生造山作用以外,在造山带内部,发生过微陆块的碰撞,在古亚洲洋最终消亡中,造山带块体与华北克拉通也发生了碰撞和陆壳的重循环[47, 169]。这就提出一个问题:在中亚造山带中如何鉴别典型的增生区和碰撞区特别是与不典型的碰撞区(软碰撞)的连续过渡?是否能找到半定量-定量的判别标志?

2.4.3 新的值得研究的问题

综上所述,造山带类型与地壳生长关系的研究方兴未艾,为典型的增生造山带和显著的地壳生长区,中亚造山带的研究更是卓有成效。但同时,也揭示出需要进一步深入探索的新问题和方向。

问题一:作为三种基本端元类型中的年轻地壳最多的增生造山带,年轻地壳是否、如何作为增生造山带的鉴别标志?中亚造山带作为全球最典型的显生宙增生造山带已经开展了很多的研究,但对其年轻地壳分布及地壳生长量仍然还有不同的认识。究竟具有多少年轻地壳?它与世界上其他增生造山带到底有什么突出的特征?这问题仍然需要深入探讨。特别是,如何半定量-定量的刻画、描述新生地壳为特征的增生造山带端元类型。

问题二:作为全球最大的、地壳生长最显著的增生造山带,中亚造山带已鉴别出的最大的年轻地壳区(准噶尔及邻区如西南蒙古),有可能成为目前全球最大的年轻地壳区。但是,年轻地壳的物质组成结构、成因和保存机制是什么?这将成为全球关注的热点。这必将成为人们极为关注和想了解的全球性科学问题。

因此,可以考虑以中亚造山带初步鉴别出的最大的、最年轻的地壳区(准噶尔—西南蒙古)为对象,在已有大地构造地质研究基础上,通过花岗质岩体Nd-Hf同位素区域填图,示踪其深部物源特征,圈定同位素省,揭示深部新生与古老地壳物质组成分布时空分布架构和面积比率。据此,确定和评价地壳生长量,探索构建半定量—定量的物质组成指标,刻画典型的增生造山带,为开展不同类型造山带类型对比研究,提供增生造山带的标杆,根据同造山(俯冲增生)和后造山(后增生或后碰撞)花岗岩物源演变探索地壳的水平和垂向生长机制,揭示全球大陆造山带中最大的年轻地壳区的物质组成架构及形成机制。这方面的研究具有以下重要的科学意义和技术方法探索意义。

(1) 在全球大陆内部有望厘定出一块最大的年轻地壳区,提供研究大陆内部年轻地壳形成演化的窗口和样板。

中亚造山带是研究增生造山带和地壳生长的热点和天然实验室。该研究将进一步厘定和解剖其中的最大的年轻地壳区,将有可能在全球大陆内部厘定出一块最大的年轻地壳区,成为研究大陆内部年轻地壳的样板。因此,该地带可以说是“热点中的热点,焦点中的焦点,典型中的典型”。

(2) 在典型的增生造山带中的典型的地区,树立增生造山带端元类型的标杆和标准。在典型的中亚增生造山带中,在最典型的地区即年轻地壳区,以新老地壳比率,构建鉴别增生造山带本质特征的半定量-定量的物质组成标志,有可能在不同类型造山带犹如光谱一样演变中,树立增生造山带的端元标准或标杆。这为开展的不同类型造山带对比研究提供增生造山带的端元标准。

(3) 有助于深化造山作用与地壳生长两大重要关联的认识。

该研究涉及到造山作用与地壳生长的链接和关联。这种关系一直是地球科学研究的前沿。以前的研究多是通过造山带研究,来探索地壳生长。例如,通过研究增生作用探索地壳生长,并得知地壳生长主要发生于俯冲增生作用[27, 101]。反之,该研究从地壳生长(特别是生长量)入手,并试图以地壳生长量为半定量-定量的标志来描述和刻画增生造山带,并进一步将造山带类型、地壳生长和深部物质组成架构联系起来。这将从另一个角度深化造山作用与地壳生长关系的认识,探索创新增生造山带与地壳生长关系的理论认识。

(4) 有助于促进大地构造研究与岩石探针及同位素示踪深部的方法结合,推动大地构造研究向半定量-定量发展。

该研究以构造地质学时空观研究思路为指导,开展区域花岗岩同位素填图,将促进地质填图、构造单元划分与同位素深部物源示踪研究的紧密结合,探索造山带深部物质组成架构。同时,通过建立年代学、同位素数据库,应用大数据数字化编图分析方法,分析年轻古老与地壳比例,构建鉴别增生造山带本质特征的半定量-定量的物质组成标志,有助于推动大地构造研究向半定量-定量化发展。

此外,建立数据库,有助推动全球造山带大数据对比分析。该项目将建立研究区侵入岩锆石年代学、同位素等数据库。并在一些地区已有初步基础[124, 167]。新数据库将开放,为与全球其它造山带相类似的数据库有望链接,共同推动全球造山带与地壳生长大数据库建设和对比研究。这具有全球造山带对比意义。

3 小结

花岗岩大地构造基本研究内容主要有物理特性(构造)、物质组成(岩石地化)和年代学三大方面。文章进一步阐述了四个方面的重要研究内容及其进展与问题。

(1) 单个花岗岩地球化学难以或不能判别构造环境。但是,花岗岩岩石组合的系统研究,有可能提供和判别构造环境提供依据,不同的构造环境如岛弧、碰撞等,有不同的花岗质岩浆岩组合。

(2) 在上述静态的花岗岩及组合分析判别构造环境基础上,再进一步分析花岗岩岩石组合、时空演化、地球化学和同位素性质的演变过程,则更进一步深入揭示及其构造环境与演化,这是演化构造环境的重要途径。

(3) 研究花岗岩变形、变形组合样式对于分析区域构造样式、探索壳内流变及构造动力学具有重要意义。特别是对花岗岩穹隆或穹隆群的研究,提供了极好的窗口研究穹隆结构的形成机制、花岗质岩浆上升、生长与定位机制,以及地壳伸展变形特征和动力学背景等。

(4) 以花岗岩为标志体,通过同位素填图,示踪深部物源,开展深部物质填图,是揭示造山带深部物质组成架构和探索地壳生长的有效途径。

花岗岩大地构造的提出将丰富大地构造研究内容,符合当今地球科学学科交叉、融合发展趋势。

致谢: 感谢张国伟、李廷栋、任纪舜院士和洪大卫、郑亚东、肖庆辉教授的指导与帮助,感谢侯增谦、肖文交、徐备、韩宝福、曾令森等有益讨论。

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