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特提斯构造带—认识地球动力的窗口

作者: 孙克忠 【字号: 访问量:

2018年1月,“丝路沧海”计划学术研讨会在京召开。来自地球科学领域的25名院士和百余名专家,就特提斯构造域地球动力学演化及其造成的资源、能源、环境及海洋动力学变化特征进行了深入讨论,旨在进一步针对国际地学前沿难点问题,凝练出面向“十三五”的重大关键地球科学问题。

“丝路沧海”计划,目的是研究地球历史上曾经存在的特提斯大洋开启与闭合、欧亚大陆与冈瓦纳大陆碰撞的地球动力学过程及其资源、能源、环境效应以及对现代海洋的影响。“丝路”代表特提斯洋消亡后影响到的区域;“沧海”则是指地质历史时期海—陆变迁的动力学过程。

当年3月,国家自然科学基金委员会发布“特提斯地球动力系统”重大研究计划2018年度项目指南。该重大研究计划的总体科学目标是:高度集成地球科学、数理科学和信息科学的观测、探测、分析、模拟、实验手段,通过特提斯域内洋陆变化与圈层相互作用研究,明确特提斯构造域形成变迁的动力学原因,揭示板块构造的驱动机制;分析域内重要矿产资源与能源的分布与形成规律,为我国资源能源战略提供科学支撑;通过广泛的国际合作,建立与“一带一路”地缘国良好的科技合作关系,为“一带一路”倡议提供重要科学支撑。

一.特提斯构造域的范围

地质学中对特提斯的理解一般认为“特提斯”是指地球历史上曾经存在于北部欧洲-亚洲(劳亚大陆) 和南部非洲-阿拉伯-印度(冈瓦纳大陆) 之间已经消失的特提斯大洋,其中特提斯洋消亡所影响到的区域,在地球科学中被称为特提斯构造域。(图一)

特提斯构造域的范围东起澳大利亚东北部,经东南亚、印缅山脉进入青藏高原、伊朗高原,向西进入地中海直达欧洲西部,长达15000 公里,宽约5000 公里,是全球大陆地质现象最全面、地球科学研究内涵最集中、矿产和油气资源最丰富的地域;它汇集了板块演化中块体增生拼贴—俯冲初始碰撞—陆陆碰撞—碰撞俯冲叠等一系列大地构造演化模式,对明确地球历史上大陆裂解—聚合和大洋开启—消亡的规律与深部地球动力机制具有深刻作用。(图二)

图1. 潘吉亚大陆示意图

图2. 特提斯构造域展布范围

二.大陆漂移说

早在1620年的时候,英国的哲学家、政治家弗朗西斯·培根就在地图上观察到,南美洲东岸和非洲西岸可以很完美地衔接在一起。

图3.魏格纳在看地图

在1910年,32岁的德国气象学家魏格纳在不经意间发现了美洲大陆和非洲大陆的轮廓如此之契合(图三)。他意外地发现,大西洋两岸的轮廓竟是如此相对应,特别是巴西东端的直角突出部分,与非洲西岸凹入大陆的几内亚湾非常吻合。自此往南,巴西海岸每一个突出部分,恰好对应非洲西岸同样形状的海湾;相反,巴西海岸每一个海湾,在非洲西岸就有一个突出部分与之对应。非洲大陆与南美洲大陆是不是曾经贴合在一起,也就是说,从前它们之间没有大西洋,是由于地球自转的分力使原始大陆分裂、漂移,才形成如今的海陆分布情况的?

在严谨的科学研究的基础上,魏格纳的代表作《海陆的起源》于1915年问世。在这本书里,魏格纳阐述了古代大陆原来是联合在一起、而后由于大陆漂移而分开,分开的大陆之间出现了海洋的观点。魏格纳认为,大陆由较轻的含硅铝质的岩石如玄武岩组成,它们像一座座块状冰山一样,漂浮在较重的含硅镁质的岩石如花岗岩之上(洋底就是由硅镁质组成的),并在其上发生漂移。在二叠纪时,全球只有一个巨大的陆地,他称之为泛大陆(或联合古陆)。风平浪静的二叠纪过后,风起云涌的中生代开始了,泛大陆首先一分为二,形成北方的劳亚大陆和南方的冈瓦纳大陆,并逐步分裂成几块小一点的陆地,四散漂移,有的陆地又重新拼合,最后形成了今天的海陆格局。

魏格纳理论最主要的弱点是:巨大的大陆是在什么上漂移的?驱动大陆漂移的力量来自何方?魏格纳认为硅铝质的大陆漂浮在地球的硅镁层上,即固体在固体上漂浮、移动。对于推动大陆的力量,魏格纳猜测是海洋中的潮汐,拍打大陆的岸边,引起微小的运动,日积月累使巨大的陆地漂到远方;还有可能是太阳和月亮的引力。

三.海底扩张说

第二次世界大战后,由于科学技术的发展,特别是因为苏美等国家争夺战略要地和海底资源,各种科学伸入到这片占地球总面积71%的“禁区”,展开了多方面的海洋调查工作,并获得了大量海洋科学的资料。例如,发现或进一步弄清了大洋中脊形态、海底地热流分布异常、海底地磁条带异常、海底地震带及震源分布、岛弧及与其伴生的深海沟、海底年龄及其对称分布、地幔上部的软流圈等等。在这些新资料的基础上,产生了一个崭新的学说——海底扩张说。

海底扩张说认为:密度较小的大洋壳浮在密度较大的地幔软流圈之上;由于地幔温度的不均一性,导致地幔物质密度的不均一性,从而在地幔或软流圈中引起物质的对流,形成若干环流;在两个向上环流的地方,使大洋壳受到拉张作用,形成大洋中脊,中脊被拉开形成两排脊峰和中间谷,来自地幔的岩浆不断从洋脊涌出,冷凝后形成新的洋壳,所以大洋中脊又叫生长脊,温度和热流值都较高;新洋壳不断生长,随着地幔环流不断向两侧推开,也就是如传送带一样不断向两侧扩张,因此就产生了地磁异常条带在大洋中脊两旁有规律的排列以及洋壳年龄离洋脊越远越老的现象;在向下环流的地方,或在不断扩张的大洋壳与大陆壳相遇的地方,由于前者密度较大,位置较低,便向大陆壳下俯冲,形成海沟或贝尼奥夫带;向大陆壳下面倾斜插入的大洋壳,由于远离中脊,温度已经变冷,同时海底沉积物中的水分也被带入深部,形成海沟低热流值带;另一方面,由于深部地热作用,再加上强大的摩擦,在大约深150-200km处,导致大洋壳局部或全部熔融,形成岩浆,岩浆及挥发成分的强大内压促使其向上侵入,并携带大量热能上升,因此在海沟向陆一侧一定距离处形成高热流值;同时,来自地幔的、以及混杂了重熔陆壳的岩浆喷出地表形成火山和岛弧;这些火山喷出的岩浆,由于混入了硅铝层(沉积物,大陆壳重熔物质)的成分,因此经常是属于中性的安山岩质(在环太平洋区安山岩出露的界线,称为安山岩线)。大洋壳俯冲带,由于其下部逐渐熔化、混合而消亡,所以贝尼奥夫带又称为大洋壳消亡带(图四)。

图四.海底扩张

海底扩张说对于许多海底地形、地质和地球物理的特征,都能作出很好的解释。特别是它提出一种崭新的思想,即大洋壳不是固定的和永恒不变的,而是经历着“新陈代谢”的过程。地表总面积基本上是一个常数,既然有一部分洋壳不断新生和扩张,那就必然有一部分洋壳逐渐消亡。这一过程大约需2亿年。这就是在洋底未发现年龄比这更老的岩石的缘故。

四.板块构造理论

板块构造理论是20世纪60年代末期形成的一个大地构造学说,是大陆漂移说和海底扩张说的进一步发展。它是在海洋地质、海底地貌和地球物理等学科大量最新研究成果的基础上,对全球地壳活动方式作出的概括和总结。板块构造理论认为:岩石圈的基本构造单元是板块;板块边界是中洋脊、转换断层、俯冲带和地缝合线;由于地幔对流,板块在中洋脊分离、扩张,在俯冲带和地缝合线俯冲、消减;全球被分为欧亚、美洲、非洲、太平洋、澳洲、南极六大板块和若干小板块;全球地壳构造运动的基本原因是这些板块的相互作用;板块强度很大,板块的边缘是构造运动最剧烈的地方,主要变形在其边缘部分(图五)。

图五.板块分布

大陆漂移思想是一种活动论﹐它的提出是对固定论的挑战﹐并为板块构造学的建立和发展奠定了基础﹐对地球科学的发展起了很大的推动作用。但大陆漂移的机制问题至今依然没有解决。

五.特提斯构造域的形成

早在1885年,古生物地层学家Melchior Neumayr发现,在欧亚大陆南缘存在一套侏罗纪海相地层,表明当时存在过海洋,他将其命名为中地中海。

1893年,奥地利地质学家休斯(Eduard Suess)根据阿尔卑斯山脉与非洲的化石纪录,提出过去在北方安哥拉古陆与南方冈瓦纳大陆之间,曾有个浅内海存在。休斯将上述横贯欧亚大陆的古海洋定义为特提斯海(Tethys Sea)。在希腊神话中Tethys是一位女神,但其真容从未被其他人见过,基于该特点,休斯借用这位女神的名字命名了地质历史时期曾经存在过的海洋,并指出这个古海洋的痕迹正保存于那些高耸于喜马拉雅和阿尔卑斯的巨大褶皱中。他认为特提斯的隆起形成了西至阿尔卑斯,东至东南亚的一系列山脉。

图六.休斯(Eduard Suess)

20世纪50年代,随着战后大量新技术的使用,古地磁与大地测量学得到了极大的推进。尤其是一系列大洋内对称分布的海底磁异常条带的发现和大洋转换断层的发现,海底扩张的证据已经越来越充分,同时大陆漂移的活动论观点又再次兴起。研究表明,地球的磁场从来不是恒定的而是变化的,甚至还经历过南北倒置。其变化的方式与时间有密切的关系,而这种关系是可以确定。当仔细描绘出磁极位置移动的路径后,会从中发现磁极的移动和变化情况各个地域彼此不同,这表明每块陆地各自在独立地运动着。相关证据还揭示出地球南部各陆地聚集在南极地区形成一个原始大陆-冈瓦纳大陆的时间,并揭示出这些组成部分存在着某种横向运动(图七)。

图七.劳亚大陆和冈瓦纳大陆

自1967年代板块构造学说建立以来,越来越多的地质学家迅速将板块构造理论运用在全球的各个造山带中。比如1969年Dewey解释阿巴拉契亚/加里东造山带,1971年Smith解释大西洋开启与阿尔卑斯—地中海地区的地质演化。1979年,还在美国读书的土耳其地质学家?eng?r在《Nature》文章中系统梳理了特提斯区域的地层证据,提出自潘基亚大陆形成以来(晚古生代)存在的特提斯和今天在阿尔卑斯-喜马拉雅地区消亡的特提斯并非是一个古大洋,而是两个古大洋。早的古大洋被命名为“古特提斯”,而前期由休斯等人通过侏罗纪地层命名的特提斯被称为“新特提斯”。Seng?r运用板块构造理论提出,新特提斯的形成是由于古特提斯洋向南俯冲使得冈瓦纳大陆北缘裂解扩张而形成,而分隔古、新特提斯的长条形大陆被命名为基梅里(Cimmerian)大陆(图8)。随着资料的积累,许多细节已经被修改或修正,特提斯构造域演化的基本框架在20世纪80年代已经被基本确定。

图八. 新特提斯与古特提斯关系(Stampfli et al., 2013)

特提斯构造域完整记录了欧亚大陆与冈瓦纳大陆之间陆块分裂、特提斯洋形成与消亡,以及随后两大陆再次碰撞的历史,是洋-陆和陆-陆复杂相互过程的“大数据库”。

新特提斯洋消亡导致冈瓦纳大陆的各个陆块与欧亚大陆相继碰撞,这些被特提斯洋消亡所广泛影响到的区域正是我们现在所熟知的——特提斯构造域或特提斯域(图9)。值得注意的是,大陆漂移假说和板块构造理论均未阐明大陆或者板块运动的动力是什么?在后板块构造时期,这一问题也一直是地球科学前沿课题。而特提斯域在演化的过程中,一系列块体持续不断地从南方大陆裂解,然后向北飘移、增生到欧亚大陆南缘,最终特提斯洋消亡,继而导致大规模的大陆碰撞。之后,南方的非洲、阿拉伯、印度、澳大利亚等大陆并没有停止前进的步伐,它们继续北上并进而发生大陆深俯冲,形成全球瞩目的超高压变质带。究竟是什么动力驱使着这些陆块或洋壳长期的发生单向汇聚?这也是特提斯地球动力系统的核心问题。

图九.特提斯构造域的演化

作为研究全球大地构造演化的天然实验室,特提斯构造域汇集了全球最全面、最复杂的地质现象,阿尔卑斯可见微板块残片,伊朗高原微板块保存完好,青藏高原构造域可能成为造山带的混杂堆积,澳大利亚与东南亚之间正在发生陆陆碰撞。对特提斯构造域的系统深入研究,可以进一步深化对板块构造理论的理解。

板块构造理论建立于对大洋地壳的长期地球科学观测(如深海钻探计划(DSDP)和洋底地磁条带异常),观察到的洋脊扩张、转换断层、俯冲带等现象为板块构造理论的确立奠定了坚实的基础。但是对于板块运动内部驱动机制,人类尚未揭开她神秘的面纱。

其次,由于大陆演化的长期性与复杂性,板块构造理论如何登陆,是全球地球科学家极为关注的重大科学问题。特提斯构造域为解决这一世界级难题提供了最好的场所。

在特提斯构造域内,赋存有大量矿藏,矿种以锡、钾盐、铅、锌、铝土矿、铜、铁、镍、金、钼等为主;油气储量主要分布在中东地区,中东油区占有世界1/3以上的油气探明储量。

中国的青藏高原、杨子地块、华北地块及塔里木地块等属于特提斯构造域范围内。

地球演化能够造成“沧海桑田”的剧变。曾经的特提斯洋是潘基亚超大陆聚合以来,位于南方冈瓦纳大陆与北方劳亚大陆之间向东开口的三角形巨型海湾。如今的世界屋脊青藏高原在相当长时期曾处于广阔的特提斯洋底部。在二叠纪(约2.99亿年前~2.5亿年前)晚期,南、北大陆开始分裂、漂移、碰撞、俯冲,最终使青藏高原高出海平面5000余米,并形成8800余米高的珠穆朗玛峰,海陆格局的变化影响了洋流及大气环流,进而导致全球环境变化。

为解决特提斯构造域的关键地质问题,中国的地质学家以“一带一路”战略为契机,在整个特提斯构造域开展深入的综合性研究,以期能够在板块构造驱动力研究、成矿研究等方向取得长足进展。首先,要理清大洋张开和俯冲带初始出现的标志,进而对其动力过程提出制约。其次,理清特提斯域内大陆单向裂解-拼合历史及与其伴随的地质过程,进一步较详细讨论它们的聚合机制。再次,阐明在特提斯构造域内多个小块体在其单向裂解-聚合过程中,岩石圈结构与物质组成发生改变的具体过程与机制,以及如何导致了巨量资源能源的形成。

我们相信,“特提斯”构造域的神秘面纱终将被彻底揭开!


作者简介:孙克忠,中国科学院地质与地球物理研究所研究员。