早期碰撞造山过程与板块构造前寒武纪地质研究的机遇和挑战

第21卷第8期2006年8月地球科学进展ADVANCESINEARTHSCIENCEVol.21　No.8Aug.,2006

文章编号:100128166(2006)0820843206

早期碰撞造山过程与板块构造:前寒武纪

地质研究的机遇和挑战3

李江海,侯贵廷,刘守偈(造山带与地壳演化教育部重点实验室,北京大学地球与空间科学学院,北京　100871)

摘　要:普遍认为修正后的板块构造模式仍适用于新太古代地质研究,但是早期板块构造过程与后期有明显差异,包括陆块规模、造山带类型、碰撞造山过程等。典型碰撞造山带在地史上的初次形成具有划时代的构造演化意义,涉及典型板块构造初始发生过程、最早超级大陆拼合、威尔逊旋回及板块碰撞造山过程等方面。华北中部保留一条近南北向的碰撞造山带(2600～2500MaBP),

保留特征的巨型复式褶皱、不同层次推覆构造、蛇绿岩混杂带等。围绕华北中部造山带及其25亿年重大构造热事件的研究,对认识华北早期构造演化及其超大陆再造具有重要意义,也是早期板块构造研究的关键突破口之一,开展其不同地壳层次构造变形及其前陆盆地的研究,将深化早期板块边界及其造山过程的科学认识。关　键　词:板块构造;构造热事件;超大陆;碰撞作用造山带;华北中图分类号:P54 文献标识码:A

1　前　言前寒武纪地质学研究面临着在时间上衔接和发展早期板块构造演化过程,即探讨板块始发机制或前板块构造与典型板块构造交替的重大问题,这一问题的研究被列为2006年6月美国地质学会彭罗斯会议的主题(见GSA主页)。由于地质记录不完整,对地球早期构造演化历史更多地充满推测和猜想。漫长的地质演化历史(隆升剥蚀、大陆裂解聚合)和多期构造变形改造,制约了对早期板块构造演化的深入认识。尽管太古宙板块构造研究正取得迅速进展[1～4],对早期地球构造演化过程尚有许多争论。

如何将板块构造向地球早期历史推演仍然是地质学挑战性问题。相关问题包括:典型板块出现的时间及其地质标志?什么时候开始出现大尺度陆块之间的刚性碰撞,并支撑碰撞山脉的巨厚地壳?早期山脉如何隆升和盆地耦合,早期碰撞作用是否形成高峻山脉?能否以新太古代为界划分不同的大地构造体制?早期板块构造与典型板块构造的差异是什么?华北保留了丰富的太古宙末期碰撞造山带地质记录,围绕其重大构造热事件事件性质、碰撞造山过程、区域构造格局的研究,对于认识早期板块构造演化、超大陆再造及太古宙-元古宙界线性质等问题,具有重要意义,亟待开展综合性的科学研究。本文对此进行探讨。2　太古宙造山带的特征:增生型造山带与陆壳生长北美、非洲、澳洲等地前寒武纪地质、高精度年代学及构造填图研究表明,太古宙克拉通可以进一步划分为微陆块与造山带。由于早期造山带常没有

3　收稿日期:2006203220;修回日期:2006206226.

3基金项目:国家自然科学基金项目“河北兴隆中元古代硫化物黑烟囱形成机理及意义”(编号:40472097)资助1　作者简介:李江海(19652),男,山西太原人,教授,主要从事前寒武纪地质和构造地质学的研究教学工作.E2mail:jhli@pku.edu.cn

© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net保留显著的构造地貌特征,浅层次特征构造样式及重要构造边界难于保存,因此对它们的研究更多地借鉴显生宙造山带。已提出太古宙造山带的鉴别标志包括:(1)线状展布的构造岩带或地质单元(花岗岩类、TTG、表壳岩系、沉积增生楔),处于残留中—古太古陆块之间或边缘,尽管这些古陆保留的尺度更小。它们的长度从数百公里到上千公里,宽度为几十至几百公里,与显生宙造山带(碰撞型、增生型)规模类似。(2)具有明确的构造边界或广泛发育剪切带,显示明确的构造运动极性,常指示水平挤压缩短变形。(3)绿岩带火山岩常显示活动陆缘、岛弧—弧后、大洋高原等构造环境的成分属性。(4)同位素年龄数据显示地壳生长、变形—变质发生于较狭窄的年龄峰期(1～2亿年间隔内)。(5)地球物理勘探(地震反射)证实中下地壳保留大规模的深层次冲断变形构造。目前已在几个古陆区(北美、非洲、西澳)识别出新太古代造山带,如南非林波波带为碰撞造山带根带;北美苏必利区为活动陆缘增生并碰撞的产物,西澳耶尔冈花岗岩—绿岩带、西南格陵兰高级区被解释为活动陆缘地体增生产物。新太古代为大陆迅速生长并稳定的时期(距今27～26亿年),相关的增生型造山带规模巨大(宽度几十至几百公里),常由大洋高原、岛弧和地体拼合形成,为活动边缘环境产物,北美苏必利尔区识别出大规模的增生楔沉积和冲断层,证实早期大洋板块曾经大规模俯冲[3,5～7]。上述造山带的研究,加深了对早期板块聚敛边界性质及其运动过程的认识,获得早期地壳地幔演化、造山活动时限、威尔逊旋回和板块运动等方面重要信息。相对于所保留的古陆块,早期造山带宽度巨大,拼合界线宽广,主要由俯冲增生杂岩地体拼合而成,如岛弧、弧后盆地、大洋高原及微陆块等。造山带构造边界因此曲折多变,走滑和斜冲作用调节缓冲了陆块之间地壳的缩短量。另外,陆块刚性差,使造山带地壳缩短变形及构造加厚不明显[4,8]。地球物理研究表明,大量绿岩带深度很少大于10km,向深部被花岗片麻岩取代,许多太古宙花岗岩—绿岩带主要形成于汇聚板块边缘的增生与岩浆过程,非常类似于Turkic型造山作用[5,9]。新太古代麻粒岩常代表邻近绿岩带的深部层次,形成于类似岛弧环境。新太古代广泛出现活动陆缘—岛弧构造环境的增生型造山带。尽管在一些绿岩带发现了下地壳缓倾推覆构造,如耶尔冈、苏必利尔区,但它们是否造成显著的地壳加厚并不清楚。因此,许多花岗岩—绿岩带仅显示轻微的地壳加厚[10],并且造

山后伸展变形也不明显。太古宙高压变质岩罕见,

也支持早期造山带构造加厚作用不显著。除去一些新太古代陆块外,时代更早的巨大规模(大陆)板块并不普遍保留或不存在,成为研究早期板块构造的巨大障碍。早于28亿年陆壳难于保存,被强烈俯冲再循环而进入地幔,或者陆壳增生缓慢,尚未形成真正意义上的陆壳。对早期板块构造的研究应从板块边界入手,而不是板块内部,因为陆块内部以叠加褶皱变形为主,其构造属性难于制约并具有多解性。

3　早期板块构造与显生宙板块构造的差异尽管将修正后的板块构造模式普遍用于新太古代地质研究,并认为板块模式是当时主导的构造体制,但也注意到早期板块构造与后期有明显差异,包括陆块尺度、造山带类型及碰撞造山过程等。早前寒武纪花岗岩—绿岩带及高级区普遍缺乏蛇绿岩、高压变质岩、前陆冲断带、前陆盆地等地质记录,并且早期地温梯度明显偏高,对陆壳形成具有重要影响。如何认识这些地质地球物理差异,对研究早期大地构造演化具有重要意义。许多太古宙绿岩带内常保存科马提岩,出现巨大厚度的枕状熔岩。早期洋壳记录的超镁铁成分比例较高,并且洋壳厚度较大[3,5,9,11],均表明与地幔

柱相关的大洋高原普遍发育。它们在俯冲过程中因厚度大发生拆离,而保留浅层次洋壳记录,并参与陆壳增生过程。另外,太古宙洋壳和大洋高原因地温梯度较高,可能难以俯冲而增生于大陆边缘,造成新太古代陆壳迅速侧向增生(2.70～2.50GaBP)。新太古代与以后的岩石圈演化有明显差异,包括造山带组成、构造样式、地温梯度、板块尺度、运动速率等。早期岩石圈板块尺度较小,并且刚性程度较差。数值模拟研究表明[12],随着地温梯度增高,

难于发生俯冲—碰撞过程。为此,早期板块俯冲碰撞过程的研究,成为早期板块构造演化的焦点问题。由于太古宙造山带浅表层常被剥蚀,不同变质岩区难于横向对比,碰撞构造边界模糊不清,缺乏蛇绿岩混杂带、高压—超高压变质岩,冲断构造带难于识别,成为研究早期板块构造问题的巨大障碍。另

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© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net外,大量同位素年代学研究揭示的构造热事件,普遍缺乏构造格架及区域地质背景的制约,造成构造含义不明,难于建立造山带构造演化模型。因此,需要加强早前寒武纪区域构造以及不同地壳层次构造的深入对比研究,以恢复其原始构造状态,获得构造演化的完整认识。其中,早期碰撞造山带的研究将是重要的切入点。新太古代与后期板块构造的主要差异包括:(1)新太古代变质岩区主要形成于活动陆缘环境(岛弧—弧后环境),以增生构造过程为主,碰撞构造活动较弱,缺乏板块边界、缝合带典型记录,对这一时期活动陆缘构造环境进行研究对认识大陆增生及板块构造过程具有重要意义。(2)新太古代造山带浅层冲断构造、前陆盆地—磨拉石沉积不发育或很少保留,难于判断早期造山带地壳缩短与构造加厚程度,或者表明缺乏典型意义上的碰撞造山过程、未形成高峻山脉。高压变质岩系的缺乏支持造山带构造增厚有限,陆壳加厚通过其他方式完成(岩浆增生、板底垫托或板上增厚)。(3)新太古代地温梯度较高、全球板块运动速率和海底扩张速率较慢[13],大洋俯冲板块温度较高,俯冲角平缓,有利于大陆横向增生。另外,板块运动速率较慢、板块尺度较小、地温梯度较高,可能造成早期陆块之间难以发生刚性碰撞,造山隆升过程不显著,板块运动能量通过小陆块或地体之间的运动而消耗[14]。因此,早期造山带是否通过碰撞过程发生显著地壳增厚,典型陆—陆碰撞造山带最早出现的时间,对于认识典型板块构造起始过程具有重要意义。4　太古宙末期超级大陆与地球动力学体制变化:典型板块构造起始过程太古宙末期地球动力学机制和构造体制发生重大变化,大洋岩石圈厚度、地温梯度迅速减小,大洋岩石圈俯冲机制也随之发生重大变化,由早期巨厚大洋岩石圈内拆离,转变为较薄大洋岩石圈整体俯冲,洋壳(石榴斜长角闪岩)部分熔融形成TTG岩浆。随着地球冷却和大陆地壳刚性增强,太古宙大陆重力扩张引发的大陆溢流(continentaloverflow)过程逐渐停止[15]。随着板块边界过程开始占主导地位,岛弧杂岩与古老克拉通的碰撞增强,通过俯冲驱动的大陆生长速率在新太古代达到高峰。太古宙末期地球内部动力学体制及地球热状态发生重大变化,典型板块构造体制明显形成,一些学者提出太古宙末期形成超级大陆(Kenorland,25～27亿年前)或超级克拉通的新认识[2,16～19]。超级大陆的形成,意味着全球格局发生重大调整,即形成大量聚敛边界、造成洋盆不断缩小并消失,陆块、微大陆、大洋高原在俯冲时逃逸消减和地幔再循环,而不断碰撞聚敛[6]。有学者认为,从太古宙向元古宙,陆壳增生机制从地幔柱体制向典型板块构造体制转变,太古宙地幔柱比板块构造起更加主导的作用。也有学者提出,地幔反转与超级大陆具有直接联系,但尚缺乏这一转化过程的关键地质证据。Ar/Pt界线在全球大陆构造演化具有划时代意义。它以大陆克拉通化为标志,广泛发生TTG-花岗岩侵位,至少现在大陆面积70%～80%已形成,