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从板块构造到大陆构造花岗岩讨论(13)张旗2010-05-101 引言板块构造现在是一统天下，许许多多的地质问题都是用板块构造学说予以解释的。人们熟悉板块构造，青睐板块构造，尤其西方学者，他们的国家位置和他们的研究经历决定了他们对板块构造学说的信赖和依赖。但是，由于板块构造登陆遇到了一系列麻烦（朱炳泉等，2006），于是一部分人开始反思板块构造问题，其信号之一是美国人于2002年率先提出的“超越”板块构造的思想，开启了大陆构造研究的“新航程”（见郭安林等，2004；金振民和姚玉鹏，2004），这是地球科学的一大进步。中国的地质情况不同于外国，中国的许多地质问题不能依靠板块学说来解释（例如中国东部地质演化），但是，我们的绝大多数学者仍然沿着国际的步伐和外国人的思路，试图用板块构造学说予以认识和解释，迷迷糊糊地走了近半个世纪的弯路。地球早期太古代地质通常沿用显生宙的思路去认识，例如TTG形成于岛弧环境的见解。但是，太古代是“火球时代”，有没有板块构造尚不清楚，且其地热梯度比现今大几倍，也明显不同于显生宙，不能借鉴板块构造的思路和成果。花岗岩研究已经有几百年的历史，从水成论和火成论之争开始，到槽台论盛行期间达到高潮，取得很大的成绩。但是，板块构造一出来，就将花岗岩纳入板块构造理论体系，使花岗岩研究误入歧途（例如花岗岩构造环境的研究，例如用玄武岩岩浆理论代替花岗岩岩浆理论）。花岗岩大多出露于陆壳而非洋壳上，因此，需要用大陆构造理论而不是板块构造的理论来指导花岗岩的研究。板块构造理论已日臻成熟，但是，板块构造登陆却失败了。板块构造登陆的失败导致人们去探寻更适合大陆的构造学说，在这个时候，因势利导地提出大陆构造理论是有其现实意义。其实，大陆构造理论不是现在才有的，早在200多年前地质学从经验走向科学的时候，大陆即是科学家研究的目标，其理论集中体现在槽台论中，槽台论由于存在自身的不足（固定论），经不起后起的板块构造的冲击，从此而一蹶不振。我国在4060年代对大陆构造的研究已经达到相当的高度，例如李四光的地质力学学说、陈国达的地洼学说、张文佑的断块学说、张伯声的镶嵌学说和黄汲清的多旋回学说等。虽然各个学说不尽完善，但都有其闪光的一面，是我们的一笔宝贵财富（王二七，2009）。新的时期对全球科学家提出新的要求，新的大陆构造学说应当继承前辈的科学成果，开拓大陆构造学说的新思想。2 板块构造板块构造的任务是研究全球海洋及其边缘的变迁，重点在板块扩张脊和板块消减带两处。按照目前的资料，最早的蛇绿岩是2.0 Ga的（Scott et al., 1991; Vuollo et al., 1992），因此，板块构造的历史只能上溯到2.0 Ga左右，有可能延伸到2.5 Ga，但需要证据。一个板块的历史更加短暂，如太平洋板块，最多1.8 Ga。板块构造研究主要依靠沉积学、海洋学、岩石学和地球物理学。由于洋壳绝大多数在几千米深的海底，洋壳是怎样发生构造变化的很难研究，因此，构造学的主要研究放在了板块消减带。需要指出的是，板块构造理论的提出主要是地球物理学家的贡献，而不是地质学家的贡献。板块构造是对槽台论的否定，但是，其否定的主要是槽台论关于“槽”的部分的理论，板块构造解释不了“台”的问题，“台”的理论要靠大陆构造理论来解释。3 大陆构造3.1 为什么现在提出大陆构造理论？（1）前面说到，一个板块构造的历史超不过2.0 Ga，而大陆构造的历史可以上溯到元古代和太古代。板块构造将各个板块作为刚性体来对待，板块构造着重研究的是板块在扩张脊怎样形成和在消减带如何俯冲，对于刚性的陆块很少涉及，而陆块本身并非统统是刚性的，上地壳是刚性的，下地壳是塑性的，因此，陆壳比洋壳复杂得多，因为陆壳质量小，无法消减掉，因而老而复杂。（2）板块构造盛行的时候，许多人相信这就是全球构造了，能够解决板块构造和和大陆构造的所有问题了，于是一切归于板块构造，企图用板块构造解释一切。由于板块构造登陆的失败，人们才去思考，才发现：板块构造不是万能的，板块构造解释不了大陆构造的问题，大陆有大陆的特点，于是美国人在2002年率先提出了“超越”板块构造的思想和大陆构造研究的课题（见郭安林等，2004；金振民和姚玉鹏，2004）。（3）花岗岩研究已经有几百年的历史，在板块构造理论出现之前，花岗岩研究已经取得很大的成绩。包括在花岗岩物理性质和花岗岩化学性质方面（Best and Christiansen, 2001）。但是，板块构造一出来，就将花岗岩纳入板块构造理论体系，使花岗岩研究误入歧途（例如花岗岩构造环境的研究，例如用玄武岩岩浆理论代替花岗岩岩浆理论）。花岗岩实际上大多产于陆壳而非洋壳，陆壳是不需要判断构造环境的，因为陆壳统统是板内环境，全球均如此。因此，需要用大陆构造理论来指导花岗岩的研究（张旗等，2008）。3.2 大陆构造研究什么？板块构造主要研究洋壳，大陆构造主要研究陆壳。板块构造主要体现在板块扩张和板块俯冲上，因此，主要研究洋壳的水平运动（俯冲是水平运动的一个分量）。大陆构造主要研究陆壳的水平运动和垂直运动。挤压和伸展是大陆构造的两个基本要素。相向的水平运动造成挤压，相背的水平运动导致伸展。挤压使地壳加厚、地表抬升，形成高原和山脉，水平运动转变为（向上的）垂直运动；伸展导致地壳减薄和地表下沉，也是水平运动引发的一种（向下的）垂直运动。在这里，水平运动起主导作用。山脉和高原的垮塌，厚地壳减薄，物质向周围流动，是垂直运动引发了水平运动，此时，垂直运动成了主导。相向的水平运动如果正面受阻，地壳只有加厚一个出路，于是，是水平运动导致了垂直运动。如果相向的水平运动是斜向受阻，地壳可能加厚，也可能不加厚，但是，必然引起地块的走滑和旋转。一般来说，正面的碰撞是很少的，碰撞大多是斜向的，因此，除了地块的水平位移外，地块的旋转是水平运动的重要表现形式。如印度板块和欧亚板块碰撞在云南中部引发的众多地块的顺时针旋转以及扬子与华北碰撞引起的四川盆地和鄂尔多斯盆地的大规模旋转（王二七，2009）。水平运动的力不均匀，有强弱之分，被动受力块体所受推力就不均匀，水平运动的距离就不同。这种不均匀的力如果发生在板块扩张脊，形成的是转换断层，转换断层的特征是走滑作用仅发生在相邻扩张脊之间，扩张脊之外断层两侧运移速度一致。这种不均匀的力如果发生在大陆内，则造成全部断层范围内的走滑和相邻地块之间的旋转。转换断层是板块构造特有的断裂形式，大陆内不可能出现；相反，旋转运动是大陆内经常发生的现象，板块内部少见。板块构造将地壳视为刚性体，洋壳几乎不发生挤压和褶皱变形作用，除了消减带。洋壳绝大多数深埋于水下，构造学家无法了解水平运动中的洋壳是怎样和如何变形的？虽然在深海钻探中也发现不少洋壳内部的水平断裂和剪切破碎带。大陆壳比洋壳复杂得多，上地壳可能具有刚性的特征，但是，很多褶皱发生在上地壳，因此，上地壳也不能简单地理解为刚性体。下地壳具明显流变特征，是明显具塑性的块体。洋壳消减，俯冲带的上盘发生强烈的构造挤压，造成俯冲堆积物的堆叠、逆掩、褶皱以及蓝片岩相变质作用的上冲折返。陆壳碰撞的挤压造成地壳的加厚和抬升，上地壳处于低温高压状态，力可以传递到很远，例如在华北北缘的碰撞可以一直传递到秦岭，造成秦岭的大规模挤压变形作用，说明上地壳大体具有刚性特征。下地壳不同，在挤压时处于高温高压状态，高温高压容易引起部分熔融作用形成岩浆（花岗岩和混合岩），是明显塑性的。塑性状态不利于力的传递，因此，两个陆块持续的挤压作用必然造成上下地壳之间的解耦。目前，人们对于上地壳发生的变化已有较多的了解，对于上下地壳之间的变化以及下地壳内部的变化还知之甚少。陆壳之间的挤压能否使一部分陆壳挤入地幔也是学术界长期争论的问题。因此，美国人在大陆构造研究中特别关注地壳流变学研究，可能不是空穴来风。板块扩张是造成岩浆的最重要的机制，地球上最大规模的岩浆活动产于扩张脊部位，玄武岩是其主要的产物。因此，板块构造学说对玄武岩极其关注，也推动玄武岩研究和岩浆作用理论日趋成熟。洋壳之上的洋岛玄武岩和洋底高原玄武岩不是板块扩张引起的，是地幔柱活动的产物，因此，板块构造对于地幔柱构造也是有贡献的。在板块构造中，花岗岩在扩张脊非常少，只在岛弧（和活动陆缘）比较发育。但是，岛弧花岗岩大约仅占全球花岗岩总面积的10左右。大陆上花岗岩多，其成因完全不同于玄武岩。后者是幔源的，前者是壳源的。花岗岩是大陆构造需要研究的课题，其对于大陆构造的重要性在于：（1）在地壳演化、上下地壳成分的调整上起重要作用；（2）对研究陆壳垂直运动具有不可替代的作用（可以帮助构造学的研究）；（3）可以给出地幔活动的信息。板块构造推动岩石学研究的最大贡献是开辟了全新的岩石大地构造研究领域，在上个世纪80年代即将玄武岩理论发展到几乎完美的地步（如Pearce et al., 1984a）。按照板块构造理论，玄武岩的成因与其产出的构造环境密切相关，任何玄武岩不能例外。花岗岩研究在板块构造理论中不占重要位置，因为它出露较少，且与玄武岩密切相关，也可运用玄武岩的理论予以解释（如Pearce et al., 1984b）。大陆由两部分组成：一为古老陆壳，二为褶皱带（造山带）。褶皱带物质不同于地块，是由于板块碰撞导致的残留洋壳物质和陆壳边缘物质混杂形成的。其中的洋壳物质是年轻的，块体边缘物质可以是年轻的，也可能是古老的。因此，褶皱带非常复杂。在褶皱带内，早于褶皱带之前的洋壳残留物（岩浆岩、变质岩、沉积岩）仍然可以用板块构造理论予以解释，而晚于褶皱带形成的物质（岩浆岩、变质岩、沉积岩）则不能用板块构造理论予以解释。例如中亚造山带所代表的古亚洲洋大体是新元古代古生代时期发育的，洋盆从石炭纪开始逐渐闭合（有富钾的A型花岗岩出现），直至二叠纪末期完全消失。因此，该区二叠纪以前的历史可以用板块构造理论予以解释，二叠纪（包括部分石炭纪）以后的历史应当用大陆构造学说予以解释。否则我们就不可能搞明白中亚造山带的真实面貌。大陆不同于洋壳，陆壳内部玄武岩较少而花岗岩很多。按照板块构造理论，大陆内的玄武岩和花岗岩都是板内环境的。大陆有内部和边部之分，边部不同于内部在于前者受板块碰撞明显的影响而后者无。碰撞的影响是多方面的，包括构造变形、热、变质、岩浆和沉积作用，引发的效应包括造山带的形成，高压和超高压变质作用，碰撞花岗岩，盆地的形成、地壳加厚，山脉抬升等等。碰撞导致的岩浆活动主要反映在花岗岩上，如果碰撞对地幔对流没有明显的影响，则很少与玄武岩有关。因此，人们对碰撞和碰撞后花岗岩很感兴趣，而没有关于碰撞玄武岩和碰撞后玄武岩的命题。碰撞带最复杂，有些在碰撞之前还经历了板块俯冲作用，因此，大陆边部的碰撞带又分受板块俯冲作用影响的和不受俯冲影响的两类。上个世纪7080年代，人们就开始关注碰撞问题。但是，碰撞不同于构造环境，玄武岩不研究与碰撞的关系，由于碰撞导致地壳剧烈的变化（挤压、褶皱、加厚、升温、熔融），因此，花岗岩是碰撞带岩浆作用研究的首要目标。玄武岩研究的构造环境，基本上只有板块扩张、板块消减和板内三种（弧后盆地、弧前盆地、裂谷、伸展盆地等为派生的环境）。花岗岩不仅有产于板块扩张、消减和板内环境的，还有与碰撞有关的，如前所述，碰撞不是构造环境而是构造事件，将碰撞理解为构造环境从逻辑学上是说不通的。大陆花岗岩研究什么？大陆有碰撞花岗岩和（大陆内部）非碰撞花岗岩之分，它们如何区别人们还知之甚少，这无疑是大陆构造学需要研究的课题之一。大陆（内部）花岗岩千千万，早先也着眼于构造环境（扩张脊、岛弧和板内环境，还不适当地包括了碰撞和碰撞后等“环境”），随后研究源岩特征（I、S、A、M、H型花岗岩等）以及混合作用等（所谓花岗岩研究的3个里程碑：构造环境、源岩和混合）。实际上大陆花岗岩成分最大的不同是受其形成源岩和深度两个因素制约的（张旗等，2008）。因此，我们认为：板块构造主要研究玄武岩，着眼于玄武岩形成的构造环境；大陆构造主要研究花岗岩，着眼于其形成的源岩和深度。板块构造研究板块的运动，其动力是上地幔对流：地幔在扩张脊上升，驮着洋壳水平扩张，在消减带向下回到地幔，形成完整的上地幔对流圈（660 km以上）（图1的黄色部分）。大陆构造研究大陆的水平运动和垂直运动，其动力也源于地幔。大陆水平运动的最大和可能的机制，是板块漂移造成的板块之间的碰撞，而板块漂移的动力源于地幔对流。大陆垂直运动的一个原因是由水平运动引起的（大陆水平挤压导致地壳加厚），另一个原因可能与软流圈活动有关（如软流圈上升导致的地壳伸展减薄）。图1 示意的板块构造和大陆构造研究范围板块碰撞之后由于受到了阻碍，板块是停止运动了还是继续运动？其力源仍然决定于地幔。如果地幔停止了在这个阶段和方向的对流，板块即停止运动（如西伯利亚地块处于贝加尔湖一带，华北地块位于敦煌沈阳一线，其间的中亚造山带保留了宽达上千公里的洋壳堆积物）；如果地幔持续运动，则陆壳持续挤压（如印度板块与欧亚板块在50 Ma左右开始碰撞，现在西藏还处于地壳压缩阶段）。此外，大陆和大洋内的许多大火成岩省与地幔柱活动有关，受地幔活动的制约，是板块构造和大陆构造均无法解释的。板块构造研究洋壳的变化（图1的紫色部分），如果追究洋壳变化的原因，必须到地幔找原因；同样，大陆构造研究大陆的变化（图1 的绿色部分），如果追究大陆变化的原因，也必须深入到地幔去找原因。实际上是地幔的热驱动了板块的漂移和大陆的碰撞和改造，看来，地幔的热研究对于板块构造和大陆构造均具有举足轻重的作用。因此，板块构造和大陆构造最终都要归结到地幔，不研究地幔，就不明白板块构造的原因和大陆构造的原因。板块构造体现在水平运动上（板块扩张和消减），大陆构造体现在水平运动和垂直运动上（地块的走滑、逃逸和旋转，地壳加厚和减薄，地表出现山脉和盆地），地幔变化也体现在水平运动（上地幔对流）和垂直运动（地幔柱对流）上。因此，板块构造和大陆构造大概均受统一的因素制约，从这个角度说，板块构造和大陆构造是一脉相承的。地幔研究的着眼点是解释板块构造的水平运动和大陆构造的水平运动和垂直运动的力的来源。上地幔对流是板块构造的驱动力，其实，它也驱动了大陆构造。地幔对流是怎么出现的，是由于热交换，因此，板块构造和大陆构造的驱动力本质上是由热对流引起的。板块构造和大陆构造主要与上地幔对流有关，上地幔对流是地幔热交换的一种形式；地幔柱构造是核幔对流热交换的一种形式，还包括了上下地幔的对流。板块构造和大陆构造着眼于洋壳和陆壳，研究的是地球的表面和浅部的变化和形迹，表层地壳构造与深层地幔变化息息相关，研究它们的关系，必须研究地幔，研究壳幔过程和核幔过程，因此，也包括了对地核的研究（图1）。其次是研究地球的起源，研究太古代地球的演化。太古代没有板块构造，也没有现代意义上的大陆。太古代地质发展演化特征也不同于太古代以后，原因可能还是与热有关。因此，地幔热变化是研究的最重要的支点。地幔柱是否存在有很大的争论（Davies, 2005; Foulger, 2005），但是，如何解释地球上普遍出现的热点和地质历史上的许多大火成岩省？来自地幔深部或核幔边界的地幔活动可能是无法回避的，包括：上地幔内部的热交换和热对流，岩石圈与软流圈的热交换，地幔和地壳的热交换，上下地幔的热交换，下地幔和地核的热交换以及内核和外核的热交换等等。此外，岩石圈与水圈、生物圈以及气圈的热交换，也应当是板块构造和大陆构造研究的内容。大陆构造需要的学科门类多，且需要多学科全方位合作。其中，尤以构造学、地球物理学、沉积学和岩石学具有举足轻重的作用。构造学在大陆构造理论研究中的地位比板块构造重要得多，相对来说，构造学的研究领域偏地壳浅部；地球物理偏重深部，二者的结合才能对陆壳有一个明晰的认识。目前构造学积累的认识以上地壳为主，对下地壳了解甚少，因此，流变学的研究是大陆构造，尤其是下地壳构造研究的新课题。参考文献Best MG, Christiansen EH. 2001. Igneous petrology. Blackwell Science Ltd, 1-458Davies GF. 2005. 地幔柱存在的依据. 科学通报, 50: 1801-1813Foulger GR. 2005. 地幔柱: 为什么现在怀疑? 科学通报, 50: 1814-1819Pearce JA, Lippard SJ, Roberts S. 1984a. Characteristics and tectonic significance of supra-subduction zone ophiolites. Marginal Basin Geology. Geological Society of London Special Publications, 16: 77-94Pearce JA, Harris NBW, Tindle AG. 1984b. Trace element discrimination diagrams for the tectonic interpretation of granitic rocks. Journal of Petrology, 25: 956-983Scott DJ, St-Onge MR, Lucas SB, et al. 1991.Geology and chemistry of the early Proterozoic Purtuniq Ophiolite, Cape Smith Belt, Northern Quebec, Canada. Ophiolite