青藏高原北部的碰撞造山及深部动力学——中法地学合作研究新进展

本文展示了中法1995～2000年青藏高原北部地学研究的如下主要新进展：①完成8000km长的青藏高原北部及中部天然地震岩石圈探测剖面，确定若干条岩石圈断裂，发现与新生代火山喷发有关的青藏高原中部深处的低速、低密度体，塔里木地块俯冲于阿尔金山之下；②提出阿尔金断裂形成于220～240Ma和左行平移400km的科学依据及确定其新生代变形量；③确定祁连南缘350km长的高压-超高压变质带，提出其可能代表早古生代时期北中国板块与扬子板块之间西部界限的新认识；④根据加里东期蛇绿岩、花岗岩及俯冲杂岩带的新发现，初步建立了古碰撞造山格架；⑤提出高原隆升的“地幔底辟和内向陆内俯冲”的新假设。     

中国西部及邻区岩石圈热状态与流变学强度特征

根据均衡原理制约的地热计算得到中国西部及邻区岩石圈的温度分布状态,以40、100km和莫霍面深度等温线图的形式表示,同时计算了以1 350℃等温面深度表示的中国西部及邻区的热岩石圈厚度。结果显示:中国大陆西北部地区、哈萨克斯坦东部地区以及上扬子地块、蒙古中西部地区和青藏高原中部的深部地温较低,青藏高原北部、东部以及天山褶皱带中部的深部地温高。在中国西部及邻区范围内,岩石圈厚度在180km以上的地区包括准噶尔盆地,塔里木盆地核心部位,西藏东部、中部以及祁连山地区。上扬子地块(四川盆地)岩石圈厚度为160km或更多,蒙古中西部地区以及哈萨克斯坦东部地区的岩石圈厚度为140～180km。青藏高原东部边缘和藏北地区以及天山中部吉尔吉斯伊塞克湖地区的岩石圈厚度较薄(<140km)。地热计算得到的结果与地震层析成像研究结果之间相互吻合。采用湿的上地幔流变学模型的计算结果表明,青藏高原及其东部边缘、天山褶皱带中部和蒙古中西部地区的岩石圈流变学强度模型为"奶油蛋糕(crèmebrlée)"型,其强度剖面显示强地壳而弱地幔的特点;上扬子地块(四川盆地)、准噶尔盆地、塔里木盆地和哈萨克斯坦东部地区岩石圈流变学强度模型为"果冻三明治(jelly sandwich)"型。     

中国大陆岩石圈厚度分布研究

利用不同物理性质所估计的岩石圈厚度可能具有不同的地球动力学意义。大陆岩石圈等效弹性厚度往往只与岩石圈内部的某些岩层相关,因此它可能不代表一般意义上的岩石圈厚度。地震学岩石圈厚度虽然有较高的精度,但依赖于人为地对岩石圈的定义;并且其具有的短时间尺度效应决定了它与长时间尺度的岩石圈概念不一致。热学岩石圈厚度体现了长时间尺度上的岩石圈热学作用,因此其厚度定义的标准是较合理的。地震-热学岩石圈厚度研究利用地震波速反演得到的温度数据按照热学岩石圈标准来对岩石圈厚度进行研究,具有地震学和热学岩石圈厚度两者的优点,是较合理的对岩石圈厚度的估计。中国大陆地震-热学岩石圈厚度分布有如下特点:(1)中国东部岩石圈较薄,厚度约100 km,其中包括中国东北、中朝克拉通、扬子克拉通东部和华南造山带;(2)青藏高原和塔里木克拉通以南地区的厚度变化较大,厚度约在160~220 km;(3)三大克拉通的岩石圈厚度有较大区别,扬子克拉通的核心最厚达约170 km,塔里木克拉通的核心厚度约140 km,中朝克拉通的厚度约100 km;(4)昆仑秦岭造山带的岩石圈上地幔内部较复杂,可能有大面积的部分熔融;(5)整个大陆岩石圈厚度分布并没有显示出与地壳年龄的线性相关关系,却表现出了与大地构造格局的直接关系。受板块碰撞强烈影响的地区,岩石圈较厚;受大洋俯冲带影响较强的地区,岩石圈较薄。     

台湾海峡及邻区剖面岩石圈有效弹性厚度及其构造意义

台湾海峡及邻区地处欧亚板块与菲律宾海板块相互作用的构造前锋部位,经历了挤压、剪切和伸展交替或并重的构造作用,这种复杂应力环境下岩石圈的均衡调整对台湾地区的构造演化具有深远影响.通过采用均衡响应函数法计算穿越台湾海峡及邻区剖面岩石圈的有效弹性厚度,利用剥离法消除台湾海峡及东邻岛区较厚沉积层的影响,得到了穿越台湾海峡地区剖面岩石圈弹性厚度的变化.结合反演的莫霍面和居里面深度对剖面有效弹性厚度的构造意义进行了综合分析.结果表明:台湾海峡及邻区岩石圈有效弹性厚度变化范围为22~8 km,剖面有效弹性厚度整体上自西往东呈楔形递减趋势,反映中国东部大陆岩石圈往东伸展减薄;台湾岛附近有效弹性厚度出现局部向东倾斜增大的趋势,可能与东侧菲律宾海板块的仰冲挤压有关.有效弹性厚度与居里面具有较高相关性,反映了有效弹性厚度受岩石圈热结构的影响.      

阿拉善地区地壳稳定性研究

阿拉善作为中国西部的一个刚性块体,岩石圈有效弹性厚度为40~50km,地壳稳定。新生代以来,由于受印度板块向欧亚板块俯冲的远程效应影响,阿拉善地块发生构造隆升,块体周缘造山带发生构造活动,但块体内部宗乃山一沙拉扎山地区新生代期间为准平原化地貌,新构造运动不发育。综合分析阿拉善地区地壳稳定性和岩体发育情况,笔者遴选出宗乃山～沙拉扎山侵入岩带作为高放废物处置库备选场址的重点工作区。     

中国岩石圈的基本特征

中国及邻区岩石圈结构构造十分复杂,并具有若干明显的特点:中国大陆地壳西厚东薄、南厚北薄,青藏高原地壳平均厚度为60~65 km,最厚达80 km;东部地区一般为30~35 km,南中国海中央海盆平均只有5 km;中国大陆地壳平均厚度为476 km,大大超过全球地壳392 km的平均厚度。中国大陆及邻区岩石圈亦呈西厚东薄、南厚北薄的变化趋势,青藏高原及西北地区岩石圈平均厚度为165 km,塔里木盆地中东部、帕米尔与昌都地区岩石圈厚度可达180~200 km。大兴安岭-太行山-武陵山以东,包括边缘海为岩石圈减薄区,厚度为50~85 km。西部岩石圈、软流圈“层状结构”明显,反映了板块碰撞汇聚的动力学环境;东部岩石圈、软流圈呈“块状镶嵌结构”,岩石圈薄,软流圈厚,反映了地壳拉张、软流圈物质上涌的特点,并在东亚及西太平洋地区85~250 km深处形成一巨型低速异常体。中国东部上、下地壳及地壳、岩石圈地幔之间普遍存在“上老下新”年龄结构。     

中国西部壳幔结构与动力学过程及其对资源环境的制约：“羚羊计划”研究进展

为系统、深入地研究中国西部盆(盆地)、山(山脉)、原(高原)的壳幔结构与深部动力学过程,2003年我们提出并领导实施了"羚羊计划"(ANTILOPE-Array Network of Tibetan International Lithospheric Observation and Probe Experiments),在青藏高原先后完成了羚羊-I(ANTILOPE-I)到羚羊-IV(ANTILOPE-IV)4条二维宽频带台阵剖面,而在青藏高原东西构造结则实施了羚羊-V和羚羊-VI两个三维宽频带台阵探测。另外,我们将前期在准噶尔盆地、天山造山带、塔里木盆地、阿尔金造山带和柴达木盆地开展的九条综合地球物理观测剖面也纳入羚羊计划的总体框架中来。通过"羚羊计划"的实施,我们在中国西部(包括西北部的环青藏高原盆山体系以及西南部的青藏高原)取得了大量的、高质量的、综合的第一手观测数据,获得了中国西部盆、山、原精细的壳幔结构,系统地揭示了中国西部盆山原的深部地球动力学过程。主要结论总结如下:确定了准噶尔盆地基底的结构与属性,优化了盆地的基底构造格架;建立了天山造山带"层间插入削减"新的陆内造山模式,揭示了印欧碰撞在天山岩石圈缩短44%的去向以及由洋-陆俯冲到陆-陆碰撞俯冲的转换机制;揭示了塔里木盆地、阿尔金造山带和柴达木盆地的盆山接触关系;获得了塔里木盆地顺时针旋转的深部几何学、运动学和动力学证据;确定了青藏高原之下印度板块与欧亚板块的碰撞边界;发现目前的青藏高原由南部的印度板块、北部的欧亚板块和夹持于二者之间的巨型破碎区——西藏"板块"构成,首次确定了各自的岩石圈底边界;修正了高原变形的两个端员模型;建立了深部构造对地表地形的制约关系;系统地揭示了印度板块沿喜马拉雅造山带俯冲的水平距离与俯冲角度的变化规律与控制因素。"羚羊计划"以其巨大的观测网络与综合地球物理探测技术,采用地球物理学、地质学、地球化学等不同学科相结合的分析方法,揭示了印度板块俯冲、西藏巨型破碎区发育、塔里木板块顺时针旋转、西部水汽通道提前关闭、中国西北部干旱、沙漠化提前这一深部结构、动力学过程及其对地表地形、油气资源和环境变化的制约关系,推动了青藏高原地球系统科学理论的发展。     

大陆俯冲作用及青藏高原周缘造山带的崛起

青藏高原周缘造山带于新生代时崛起。周缘造山带中古老变质地体的折返与3种挤 出作用方式有关：喜马拉雅"逆冲－伸展"型挤出、祁连山"反向逆冲"型挤出和阿尔金"逆冲－转换"型挤出。据地质与地球物理综合研究推测,造山带的折返与周缘大陆岩石圈向内的俯冲作用有关：印度板块岩石圈向北俯冲至雅鲁藏布江缝合带下约 200 km处,西伯利亚板块往南低角度插入祁连山 40 km以下,塔里木地块沿阿尔金北缘边冲断层呈铲式往南俯冲于阿尔金山下100km处,扬子地块呈入体插入青藏高原东部中地壳下面。是否存在扬子地块往西运动及大陆俯冲作用尚待探究。     

中国西部壳幔结构与动力学过程及其对资源环境的制约:"羚羊计划"研究进展

为系统、深入地研究中国西部盆(盆地)、山(山脉)、原(高原)的壳幔结构与深部动力学过程,2003年我们提出并领导实施了“羚羊计划”(ANTILOPE-Array Network of Tibetan International Lithospheric Observation and Probe Experiments),在青藏高原先后完成了羚羊-I(ANTILOPE-I)到羚羊-IV(ANTILOPE-IV)4条二维宽频带台阵剖面,而在青藏高原东西构造结则实施了羚羊-V和羚羊-VI两个三维宽频带台阵探测。另外,我们将前期在准噶尔盆地、天山造山带、塔里木盆地、阿尔金造山带和柴达木盆地开展的九条综合地球物理观测剖面也纳入羚羊计划的总体框架中来。 通过“羚羊计划”的实施,我们在中国西部(包括西北部的环青藏高原盆山体系以及西南部的青藏高原)取得了大量的、高质量的、综合的第一手观测数据,获得了中国西部盆、山、原精细的壳幔结构,系统地揭示了中国西部盆山原的深部地球动力学过程。主要结论总结如下:确定了准噶尔盆地基底的结构与属性,优化了盆地的基底构造格架;建立了天山造山带“层间插入削减”新的陆内造山模式,揭示了印欧碰撞在天山岩石圈缩短44%的去向以及由洋-陆俯冲到陆-陆碰撞俯冲的转换机制;揭示了塔里木盆地、阿尔金造山带和柴达木盆地的盆山接触关系;获得了塔里木盆地顺时针旋转的深部几何学、运动学和动力学证据;确定了青藏高原之下印度板块与欧亚板块的碰撞边界;发现目前的青藏高原由南部的印度板块、北部的欧亚板块和夹持于二者之间的巨型破碎区——西藏“板块”构成,首次确定了各自的岩石圈底边界;修正了高原变形的两个端员模型;建立了深部构造对地表地形的制约关系;系统地揭示了印度板块沿喜马拉雅造山带俯冲的水平距离与俯冲角度的变化规律与控制因素。 “羚羊计划”以其巨大的观测网络与综合地球物理探测技术,采用地球物理学、地质学、地球化学等不同学科相结合的分析方法,揭示了印度板块俯冲、西藏巨型破碎区发育、塔里木板块顺时针旋转、西部水汽通道提前关闭、中国西北部干旱、沙漠化提前这一深部结构、动力学过程及其对地表地形、油气资源和环境变化的制约关系,推动了青藏高原地球系统科学理论的发展。     

马尔洋地区康西瓦结合带地质特征

康西瓦断裂位于新疆西昆仑地区,为青藏高原西北缘重要断裂构造,构成了西昆仑板块和喀喇昆仑板块边界,前人已在该带发现有麻粒岩.近年来,在康西瓦结合带西段马尔洋地区开展1∶5万区域地质调查,发现了超高压变质硬玉岩,证实其为一板块俯冲带,应为中央复合造山带西延部分.     

走滑断裂对超高压变质岩石折返的贡献及青藏高原北部白垩纪隆升之新思考

青藏高原已识别出柴北缘、南阿尔金和高喜马拉雅三条超高压变质带。这些超高压变质带提供了一个不可多得的研究超高压变质岩石形成和折返的机会。柴北缘超高压变质带位于阿尔金断裂的东边,是柴达木—东昆仑地体与祁连—阿尔金微地体和阿拉善—敦煌地体碰撞的产物,由榴辉岩、石榴石橄榄岩和含柯石英片麻岩组成,榴辉岩形成时代500~440Ma,峰期超高压变质年龄440Ma。南阿尔金超高压变质带位于阿尔金断裂带的西边,以产出榴辉岩和石榴石橄榄岩为特征,榴辉岩形成时代为500Ma。南阿尔金超高压变质带被认为是柴北缘超高压变质带的西延,两者被阿尔金断裂左旋位移约400km。阿尔金断裂是巨大的深度>200km的岩石圈走滑断裂,断裂的活动时代至少早到240~220Ma,认为走滑过程中伴随的隆升作用有可能为柴北缘和南阿尔金超高压变质岩石的折返和出露地表做出了贡献,其中阿尔金断裂起到了类似剪刀型断裂的作用。高喜马拉雅超高压变质带在巴基斯坦和印度被发现,以榴辉岩中含柯石英或金刚石为特征,榴辉岩的超高压变质年龄为46Ma,表明超高压变质岩石发生在雅鲁藏布江缝合线关闭后并快速折返。喀喇昆仑断裂走滑过程中伴随的抬升作用则可能对高喜马拉雅地区超高压变质岩石的折返和出露地表做出贡献。在中国东部出露的大别—苏鲁超高压变质带被巨大郯庐断裂左旋走滑位移约500km,可以看作是走滑作用伴随的抬升运动对超高压变质岩石的最后折返和出露地表做出重要贡献的又一例证。青藏高原的隆升通常被认为是印度板块和欧亚大陆新生代以来的碰撞结果。根据高原北部断裂的时代、火山活动和沉积盆地的形成,我们提出高原的隆升是两次俯冲碰撞的结果。第一次发生在中特提斯班公湖-怒江洋盆在白垩纪时期的关闭,其时由于北部来自塔里木盆地和北中国板块及东部来自太平洋板块俯冲产生的抵柱效应,高原北部开始隆升;第二次发生在印度板块的新生代俯冲碰撞作用,造成高原的整体抬升,由此可以解释高原北部平均海拔(5000m)要高于高原南部(平均海拔4000m)。     

阿尔金断裂东段的构造转换模式

大型走滑断裂控制着青藏高原的变形,众多学者通过阿尔金断裂来探索青藏高原北部的构造变形过程。基于野外调查和前人的研究结果可知阿尔金断裂的滑动速率在肃北—疏勒河口段表现为三联点两侧的突降,祁连山西段的逆冲和走滑断裂吸收了阿尔金断裂的左旋位移。由于祁连山内部次级断裂活动性的增强,现存阿尔金断裂连续地表破裂终止于酒泉盆地西侧,但位于其东侧的断裂系仍属于阿尔金断裂。在Kohistan岛弧与欧亚板块碰撞之后,青藏高原沿阿尔金断裂曾发生滑动速率近一致的侧向挤出,断裂两侧此时并未发生明显的隆起。随后东昆仑造山带和祁连山造山带的先后大规模隆升,高原的北东向挤出迅速减弱。阿尔金断裂北东向挤出能力与东昆仑造山带和祁连山造山带的隆起存在明显的耦合作用。     

THREE-DIMENSIONAL DEFORMATION ALONG THE ALTYN TAGH FAULT ZONE AND UPLIFT OF THE ALTYN MOUNTAIN, NORTHERN TIBET

THREE-DIMENSIONAL DEFORMATION ALONG THE ALTYN TAGH FAULT ZONE AND UPLIFT OF THE ALTYN MOUNTAIN, NORTHERN TIBET     

阿尔金山东段地质热年代学与构造演化

文中综合分析了青藏高原北缘阿尔金山东段地质热年代学和构造体系演化。阿尔金山东段从太古宙陆核发育而来,经历了元古宙稳定地台和新元古代大陆裂解阶段,形成了早古生代阿尔金洋和沟 弧 盆构造体系,发育了奥陶纪早期的板块俯冲、碰撞造山作用和奥陶纪-志留纪之交的岛弧岩浆活动(峰期年龄为443 Ma)。石炭纪洋盆闭合之后,该地区进入陆内构造发育阶段。其中,占主导地位的是以拉配泉断裂为代表的中生代伸展构造和新生代阿尔金断裂系的左行走滑断裂活动,它们分别控制了中生代两期热冷却事件和新生代地块快速抬升 冷却事件。地质热年代学年龄数据为阿尔金山东段不同时期形成的不同地块勾画了不同的热冷却历史,由此可区分不同时期不同构造事件对区域热冷却历史的影响。     

新生代阿尔金断裂带的演化:来自沿线盆地沉积记录的启示SCIEI北大核心CSCD

阿尔金断裂带是青藏高原自印度与欧亚大陆碰撞后向北扩展的前缘断裂,其新生代活动性对于研究青藏高原隆升与扩展过程和机制具有重要意义。近些年,运用热年代学、断裂几何学和运动学、沉积学、磁性地层学和地震学等方法对阿尔金断裂带的性质、组成结构、断裂活动时代、走滑断裂运动特征、走滑位移量和走滑速率等进行了细致的研究,而对阿尔金断裂带沿线受其控制的新生代沉积盆地的地层年代、沉积演化特征虽然也有一定研究,但往往仅限于单个盆地,缺乏对沿线盆地整体的对比认识,造成对阿尔金断裂带走滑起始时间及阿尔金山的隆升历史存在不同的认识。本文对近二十年来阿尔金断裂带沿线新生代沉积盆地的磁性地层年代与沉积相演化的研究进展进行综述,建立阿尔金断裂带沿线盆地新生代沉积序列和年代框架;辅助热年代学等资料,提出阿尔金断裂带的三阶段演化模型:始新世-中中新世,阿尔金断裂带以大幅度的走滑运动为主,同时伴随着阿尔金山小范围的隆升;中中新世开始,阿尔金山开始大规模的隆升,伴随着较少量的走滑运动;晚中新世以来,阿尔金断裂带构造活动加强。     

Kalpin Transpression Tectonics,Northwestern Tarim Basin,Western China

The paper examines the relative importance of strike-slip faulting and lateral crustal deformations in the geologic structure of a portion of the western People's Republic of China. Deformed thrust sheets in the Kalpin area of the western PRC suggest large-scale sinistral strike-slip movement on the Aheqi fault zone along the northwestern margin of the Tarim basin. The total amount of the Cenozoic sinistral strike-slip displacement is estimated to be 311 km; this is the same magnitude of slip estimated along the Altyn Tagh fault, marking the southeastern boundary of the Tarim basin. Together, the Aheqi and Altyn Tagh faults outline the Aheqi- western Kunlun-southwestern basin-Altyn transpression tectonic system.     

Detrital zircon provenance evidence for large-scale extrusion along the Altyn Tagh fault

The question of whether or not the Altyn Tagh fault is a large-scale extrusion boundary is critical for understanding the role of lateral extrusion in accommodating the Indo-Asian convergence and in building the Tibetan Plateau. Oligocene conglomerate clasts in the eastern Xorkol basin are low-grade slate, phyllite, sandstone, dacite and carbonate, and associated paleocurrent indicators evince sediment derivation from the opposing side of the Altyn Tagh fault. Matching these clasts with similar basement rocks in the North Qilian and Tuolainanshan terranes requires post-Oligocene left-lateral offset of 380 ± 60 km on the eastern segment of the Altyn Tagh fault, suggesting large-scale extrusion along the fault in the Cenozoic (Yue, Y.J., Ritts, B.D., Graham, S.A., 2001b. Initiation and long-term slip history of the Altyn Tagh fault. International Geological Review 43, 1087–1094.). In order to further define this piercing point, the detrital zircon pattern of Oligocene sandstone from the Xorkol basin and the zircon ages of basement on the southern side of the fault were established by ion microprobe dating. Characterized by strong peaks between 850 and 950 Ma and the absence of Paleozoic and Mesozoic ages, the detrital zircon age pattern of the Oligocene sandstone matches the age distribution of zircon-bearing rocks of the Tuolainanshan terrane. This match requires 360 ± 40 km of post-Oligocene left-lateral displacement on the eastern segment of the Altyn Tagh fault, supporting as well as refining the previously reported lithology-based cross-fault match. At least one of the following three extrusion scenarios must have existed to accommodate this large offset: (1) northeastward extrusion along the Altyn Tagh–Alxa–East Mongolia fault, (2) eastward extrusion along the Altyn Tagh–North Qilian–Haiyuan fault, and (3) northeastward extrusion of northern Tibet as a Himalaya-scale thrust sheet along the North Qilian–Haiyuan fault. We prefer the first scenario inasmuch as rapidly growing evidence for Cenozoic strike-slip activity on the Alxa–East Mongolia fault and mid-Miocene exhumation of northern Tibet supports it.     

从郭扎错断裂构造特征探讨阿尔金断裂带西延问题

阿尔金断裂带在大陆动力学研究中具有十分重要的地位,但其西延过郭扎错后的走势存在争议。郭扎错断裂为北东东向的线性构造带,具多期活动性。笔者从宏观到微观详细论述了该断裂构造的几何学、运动学特征,并结合动力变质作用、沉积盆地、岩石地层分布及变形年代学等资料将其划分为韧性左行平移(J3-K1)、韧脆性正-平移(E1-N1)、韧脆性逆-平移(N2)和脆性左行滑落(Q)等4个阶段。综合分析地质调查资料、地球物理场资料及卫片影像特征,认为郭扎错断裂与阿尔金断裂带是在同一动力学系统中形成的具有相似运动学、动力学特征的相关线性构造,应属同一断裂系统。因此,阿尔金断裂带并非西止于拉竹龙,亦非由郭扎错北侧转向北西,而是经郭扎错继续向南西延伸,过龙木错、羌臣摩河后,由空喀山口进入克什米尔。     

LARGEST ALTYN TAGH LITHOSPHERIC SHEAR FAULT IN CENTRAL ASIA

LARGEST ALTYN TAGH LITHOSPHERIC SHEAR FAULT IN CENTRAL ASIA