|
-宣扬地学成果，传播勘查技术方法- 点击上方“覆盖区找矿”，关注更精彩！ 从洋-陆俯冲到陆-陆碰撞：回眸与展望 许志琴1,2，郑碧海1，王勤1 1 南京大学地球科学与工程学院，大陆动力学研究院，内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室 2 中国地质科学院地质研究所 作者简介：许志琴，中国科学院院士，南京大学教授，长期从事青藏高原和大陆造山带研究。 造山带是认识地球的窗口，是板块构造和大陆动力学关注的重心！造山带有着丰富的矿产资源，是研究成矿作用的天然实验室。造山带的结构特征、类型、成因等科学问题研究进展长期受到学术界和矿产勘查工作者高度关注！地球上不仅有碰撞造山带，还有伸展造山带。本文在阐述经典造山带分类的基础上，重点介绍了洋-陆俯冲增生造山带和陆陆碰撞造山带的结构、成因、造山过程以及造山动力学等重大科学问题研究进展，讨论了洋-陆增生造山到陆陆碰撞造山的演化。提出俯冲带和地幔柱提供了穿越地球层圈物质和能量交换的通道，它们的结合研究是探索全球单层壳-幔大循环假说与板块驱动力的新方向，是统领造山带研究的大思路。3.1 洋-陆俯冲增生造山到陆-陆碰撞造山在空间上的转化3.2 洋-陆俯冲增生造山到陆-陆碰撞造山在时间上的转换内容提要：大陆造山带的经典含义是指由于大陆地壳岩石在板块俯冲-碰撞的巨大挤压应力下，遭受强烈变形、变质和熔融作用，地壳发生大规模缩短、加厚和隆升而形成的地带。分布在大陆边缘和内部的造山带，经历从洋壳扩张、洋-陆俯冲到陆-陆碰撞的造山过程，形成“俯冲增生型”、“陆陆碰撞型”和远离板块边界的“陆内型”造山带。造山带类型的分析是识别地球上造山带机制的钥匙。本文在阐述经典造山带分类的基础上，根据造山带的几何学、热历史、构造样式等特征，讨论了弧形造山带、特殊几何学造山带和走滑造山带的结构、运动学和动力学，以及从洋-陆俯冲到陆-陆碰撞造山在时空上的转化和演化。在回顾造山带研究的基础上，突出在板块汇聚边界的大洋和大陆俯冲带研究的重大进展，提出俯冲带和地幔柱提供了穿越地球层圈物质和能量交换的通道，它们的结合研究是探索全球单层壳-幔大循环假说与板块驱动力的新方向，是统领造山带研究的大思路。对于大陆动力学研究的一些前瞻性问题的思考，强调了造山过程的热扩散模式和变形-变质-深熔-成矿作用的自组织行为，以及地壳熔融在造山中的重要性；强调了流变学在大陆造山带形成和演化中的基础地位，并认为这是造山带研究中亟待解决的问题。作者认为板块水平运动是致使地壳挤压缩短和加厚、形成造山带的主要驱动力；而在板块离散边界（包括大洋中脊）垂直上升流所形成“地貌”上的山链，被称为“伸展造山带”，不应属于经典“造山带”的范畴。关键词：洋-陆俯冲；陆-陆碰撞；俯冲带；地幔柱；造山作用；大陆动力学地球分为地台（稳定地块）、地盾（地台中古老基底岩石）、造山带和盆地等构造单元。造山带博大广瀚、类型多样、造山过程和成因机制十分复杂，占全大陆球面积的40％的造山带是地球科学经久不衰的研究主题。板块构造学说认为，地球的历史是一个大洋扩张到大洋闭合的历史，称之为“威尔逊旋回”，即从板块离散到板块汇聚经历了洋壳扩张、洋-陆俯冲、陆-陆碰撞和陆内造山的过程（图1）。图1 从洋壳扩张、洋-陆俯冲到陆-陆碰撞的造山过 大陆造山带，作为地球上的主要线型或弧型地带，大部分分布在全球的大陆汇聚板块的边缘，几乎发育在地球整个地质历史时期，构成穿越时空隧道的全球大陆造山带的构架。大陆造山带的经典含义是指由于大陆地壳岩石在板块俯冲-碰撞的巨大挤压应力下，遭受强烈变形、变质和熔融作用、地壳发生大规模缩短、加厚和隆升而形成的地带。造山带包含了曾经堆积在海洋环境的不同类型的岩石，显示了平行造山带分布的独特沉积相、变形样式、岩浆岩类型和变质模式，这些特征是通过一个、多个或者幕式的构造热事件而保存在造山带中。造山带在规模上的差异性可以通过造山带中大陆岩石圈的强度、热历史与时间制约的差异，以及影响这些差异的造山过程来解释。如：相对冷和刚性的大陆岩石圈的应变趋于局部化，形成较窄的造山带（100～400km宽），如新西兰的南阿尔卑斯造山带；而相对热和软弱的大陆岩石圈的应变趋于非局部化，形成超过1000km宽度的造山带，如世界上规模最大的“喜马拉雅-青藏高原”巨型复合碰撞造山带。大陆岩石圈的强度及流变学的差异和变化一般受制于地壳硬度、变形程度和厚度等因素，以及岩浆作用、变质作用、沉积作用与剥蚀作用。Dewey et al.（1970）根据造山带的构造背景曾将造山带分成三种类型：洋-陆俯冲的安第斯型造山带、陆-陆碰撞造山带和弧-陆碰撞造山带。由于弧-陆碰撞造山可视为洋-陆俯冲增生造山的早期阶段，而陆内造山带的存在又引起了关注，因此Cawood（2009）将全球造山带分为三种基本类型：增生型、碰撞型和陆内型。增生造山带形成在大洋板块连续俯冲的地方，碰撞型造山带形成在具有浮力的大陆岩石圈相互碰撞的环境。陆内造山带位于大陆内部，远离活动的板块边缘，往往是板块碰撞的远程应力效应所致（图2）。这种经典的分类被大多数学者采纳及应用至今。图2 三种主要类型造山带（碰撞型、增生型和陆内型）的示意剖面 （A）—碰撞型造山带（威尔逊旋回的结束）：在具浮力的陆壳达到俯冲带时在俯冲带的端点造山；（B）—增生型造山带：在继续俯冲时造山；（C）—陆内型造山带（非“A”型俯冲）：通过克拉通内部的收缩来回应远程应力的作 位于板块边缘的增生造山带产生在洋-陆俯冲的增生环境，如科迪勒拉（Cordilleran）造山带，环太平洋安第斯（Andean-Miyashiro）和阿尔泰（Aitai）型造山带。位于印度-非洲板块与欧亚板块之间的“喜马拉雅”造山带，是世界上规模最大和最新的经典陆-陆碰撞造山带。碰撞造山带的例子还有古生代形成的欧洲华里西碰撞造山带和乌拉尔碰撞造山带、北美阿帕拉契加里东碰撞造山带，以及中元古代的格林威尔造山带、古元古代的Trans-Hudson造山带、Ketilidian造山带、Capricorn造山带和Limpopo造山带。陆内造山带是在大陆内部岩石圈表层、远离活动板块边界、由水平挤压应力作用形成的地壳加厚变形带。例如中亚天山新生代造山带、澳大利亚中部的Petermann新元古代-早古生代造山带和华南早古生代造山带。本文将重点介绍洋-陆俯冲增生造山带和陆陆碰撞造山带的结构、成因、造山过程以及造山动力学，讨论洋-陆增生造山到陆陆碰撞造山的演化。21世纪以来，“伸展造山带”概念的提出强调了岩石圈俯冲和软流圈上涌的垂直运动。认为大洋板块的后退（即后退式增生造山）产生弧后盆地扩张及沉积物的充填，导致伸展的造弧过程，形成“伸展增生造山带”；继而又有学者将板块离散边界深部垂直上升流引起的“地幔柱”和“变质核杂岩”以及造山后期的形成的“片麻岩穹窿”等构造归诸于“伸展造山带”或“深熔造山带”。洋-陆俯冲的增生造山带形成在洋内和大陆边缘的汇聚板块边界，它们由大洋俯冲带、增生杂岩、岩浆弧、弧前和弧后盆地等结构单元组成。增生杂岩包括大洋Morb物质，海山、洋岛玄武岩、碳酸盐台地和深海沉积物，这些物质合并在一起，最后被海沟浊积岩所覆盖。增生杂岩的一部分可以俯冲至地幔深度，在区域上遭受低温-高压／超高压的变质作用，继后可以从～60km深度折返地表，并插入到浅层的增生杂岩中。与此同时，大量的长英质岩基组成的岩浆弧形成在大陆边缘一侧。洋-陆增生俯冲形成全球最大规模“元素加工厂”，产生了“弧-沟-盆”体系和大量的岩浆、火山，以及弧前和弧后盆地沉积、双变质带、大型矿床和地震带等（图3）。洋-陆俯冲的增生造山一般需满足以下条件：①受俯冲岩石圈的几何学、速率和年龄影响，俯冲的上部板片处于挤压应力状态；②汇聚板块的解耦使挤压应力传送到上部板块的内部。俯冲带研究表明，当大洋岩石圈以高会聚速率俯冲，并具有年轻的、薄的和热的大洋岩石圈的底侵时，俯冲板块的倾斜度减小，上伏板块的挤压应力加强；相反，老的、厚的、冷的和高密度的大洋岩石圈沿着深海沟俯冲形成高角度的毕鸟夫带时，上伏板块由于地幔局部熔融形成弧后伸展。太平洋周缘的环太平洋山系是现代最典型的洋-陆俯冲的增生型造山带。根据俯冲的大洋岩石圈的年龄和相对上伏板片的绝对运动获得的俯冲带的两个端元类型：一个是太平洋东侧的智利型俯冲带，它与年轻、薄的、热的和大洋岩石圈的低角度俯冲有关，上伏的南美板片处在强烈挤压域状态；另一个为太平洋西侧的马里亚纳型俯冲带，它与老的、厚的、冷的和高密度的大洋岩石圈沿着深海沟俯冲有关，形成高角度的毕鸟夫带，上伏大陆板片由于地幔局部熔融形成弧后伸展域状态（图4）。但是这种因果关系也不是绝对的。例如，安第斯洋-陆增生造山带内部存在结构和演化上的差异。研究发现自北向南，其地壳缩短量的减少，与板块的年龄和汇聚速率无关。最主要的影响因素可能是海沟处板间的解耦强度，以及大陆板块内部的结构和流变学特征。图3 岛弧系统的示意剖面 图4 根据俯冲和底侵的大洋岩石圈的年龄和相对上伏板片的绝对运动获得的俯冲带的端元类型 Royden（1993）根据汇聚板块边界形成的洋-陆俯冲造山带中板片驱动的方式，将俯冲带分为“后退式”和“前进式”两种类型。后退式俯冲带指逐渐远离大陆板块活动的俯冲带；而前进式俯冲带是指向大陆板块不断靠拢的俯冲带（图5）。如欧洲的Apennines和Hellenides造山带是形成于后退式俯冲带有关的伸展环境；而南美的安第斯造山带是与前进式俯冲带相关的上部板片挤压的环境。实质上，发育在大陆边缘的很多增生造山带的长度、宽度、高度和活动时限是变化的。一般情况下，前进式的俯冲带形成的增生造山带表现为地形高、剥蚀量大、发育中-高级变质作用、后碰撞汇聚时间长、前渊盆地的沉积相为磨拉石，而且造山通过地形来补偿；而后退式俯冲带形成的增生造山带表现为地形低、剥蚀量小、低级变质作用、后碰撞汇聚时限短、前渊盆地的沉积相为复理石，而且造山通过俯冲负载来补偿。实际上，弧后扩张盆地产生在下板片倒退速度（Vr）大于上板片倒退速度（Vo）时；而前进式增生造山是指下板片倒退速度（Vr）小于上板片倒退速度（Vo），造成弧后盆地的地壳缩短和加厚（图5）。图5 增生造山带的类型 后退式增生造山：指下板片倒退速度（Vr）大于上板片倒退速度（Vo），形成弧后扩张盆地；而前进式增生造山指下板片倒退速度（Vr）小于上板片倒退速度（Vo），形成弧后盆地的地壳缩短和加厚. 在洋-陆俯冲的增生造山过程中，由于大洋的收缩，作为洋内俯冲的大洋岛弧“地体”和大陆地体碎片物质不断向大陆边缘靠拢和贴近，当它们到达俯冲带及大陆边缘的前沿时（即大洋壳向大陆壳转换），大陆岩石圈的正向浮力减慢了大洋岩石圈的俯冲速度，并把海沟锁住，即在大洋关闭前的收缩过渡阶段初期形成弧-陆碰撞造山带。弧-陆碰撞造山带一般规模小和寿命短（大约5～20Ma），是大洋收缩和闭合过程中的过渡阶段，继后出现的以岩浆添加、沉积作用、拉伸盆地和地壳变形为特征的完整的洋-陆俯冲增生造山带，则可以持续更长的时间。重塑安第斯俯冲造山过程，发现安第斯山脉自晚白垩世以来先后拼贴了Ameime, Mande 和Bauda火山弧组成的洋岛地体，表明东太平洋中曾经存在晚侏罗世-古新世的多洋岛，并发生过多次洋内俯冲，继后与南美大陆西缘逐渐拼贴，发生多重增生和碰撞（图6）。另一些例子是澳大利亚北部的帝汶-班达造山带、台湾造山带和巴布亚新几内亚造山带。澳大利亚北部的帝汶-班达造山带提供了弧-陆碰撞早期阶段演化的典例。3Ma之前，印度-澳大利亚大洋岩石圈向北俯冲在爪哇（Java）海沟之下，俯冲形成了帝汶-班达火山弧和延伸＞700kM深度的、向北倾斜的毕尼奥夫带；在3～2Ma期间，俯冲作用携带澳大利亚大陆岩石圈与帝汶-班达弧碰撞，其中一部分向南逆冲在澳大利亚大陆边缘。向下俯冲的澳大利亚大陆斜坡止于俯冲带，使前陆部分和澳大利亚大陆边缘未俯冲的地壳盖层变形，形成由褶皱-逆冲断裂组成的弧-陆碰撞造山带（图7）。图6 安第斯俯冲-增生造山带的演化模式 图7 澳大利亚-班达弧陆碰撞带剖面示意图，显示澳大利亚大陆岩石圈与帝汶-达弧碰撞，岛弧中的一部分向南逆冲在澳大利亚岩石圈之上. 陆-陆碰撞造山带在地球表面形成最壮观的地质景象。如喜马拉雅造山带、秦岭造山带、阿帕拉契造山带、加里东造山带、欧洲阿尔卑斯造山带、乌拉尔造山带、新西兰南阿尔卑斯造山带以及许多地球早期的元古代造山带。这些造山带由于碰撞板块的大小、形状、强度、结构、几何学、运动学、热历史，以及前碰撞构造历史的不同，产生不同配置的演化模式。陆-陆碰撞的构造主要受大陆地壳的控制。与高密度的洋壳不同，低密度的大陆地壳不易往下俯冲，容易造成地壳上部岩石的增厚、缩短以及隆升，形成山脉。回眸大陆动力学30年，在陆-陆碰撞造山带的研究中重要进展主要表现在以下主要方面：①碰撞造山带热结构的揭示；②造山带不同类型构造样式的厘定；③大陆深俯冲和快速折返；④垂直上升流在造山过程中的作用等。世界上不同的陆-陆碰撞造山带的热结构有明显差异，可以划分为热碰撞造山和冷碰撞造山等不同类型。前者显示了在碰撞造山带中出露的岩石曾经进入深部中-下地壳的“构造-变质-岩浆”热体制中，后期经历折返、隆升和冷却过程；如喜马拉雅造山带核心部位的高喜马拉雅结晶岩系（GHS）由中-下地壳的高级变质岩组成，并有高温韧性变形和大量局部熔融的岩浆物质侵位，是热碰撞造山的产物。而冷碰撞造山指形成在中-上地壳的浅部冷环境，只表现为地壳岩石的强烈的变形，而缺乏岩浆活动以及高温变质作用，如低喜马拉雅造山带和南秦岭印支造山带。Santoshetal.（2010）根据造山带的热历史划分为三种类型：①冷造山带；②热造山带；③超热造山带（图8），图中极端热和极端冷的两个极端位置形成的造山带在地球上不可能出现。图8 根据P-T的空间显示的造山带分类 图中内容包含0Ma，100Ma，和200Ma板片的地热梯度、干的和湿的玄武岩固溶体，以及来自地球历史中不同时空的不同造山带中变质岩石的P-T资料和平均的热梯度。同时显示了以低热梯度为特征的造山带是沿着俯冲带形成，典型例子为Franciscan造山带 根据碰撞造山带的构造要素的几何学特征，可以将造山结构分为不对称和对称两类：陆-陆碰撞形成的造山带一般具有不对称结构，因其在水平非同轴剪切作用下形成。造山带中发育的逆冲断裂系列具有朝向一个方向迁移和聚敛的特征。典型例子如喜马拉雅造山带。自印度-亚洲碰撞（～55Ma）以来，喜马拉雅造山带的主要地体单元之间的边界具有向北倾斜和向南聚敛的特征。但是在18Ma喜马拉雅后陆（雅鲁藏布江缝合带一侧）形成了具有向南倾斜和向北聚敛的特征的“反向大逆冲断裂”（GCT），这种特殊结构的出现可能反映了大陆壳在造山过程中被改造，被新的弱化带所叠置；另一种可能是，向北聚敛的构造反映了岩石圈中剪切解耦作用，即在近水平最大挤压应力下，产生30°～45°方向上的两组理论剪切面。也有少量造山带的结构几乎是对称的，譬如在早古生代Lauretia和Baltica板块碰撞形成的斯堪的亚（Scandian）造山带，Scotland一侧呈现向WNW聚敛，而Scandinavia一侧向ESE聚敛的特征，构成了一条“双向聚敛造山带”（doubly vergentorogen）。以下通过不对称造山带的构造样式进一步了解陆-陆碰撞造山带的结构。“褶皱-逆冲-滑脱型”造山是在水平非同轴剪切作用下地壳强烈挤压收缩形成的不对称造山带。在造山过程中基底和盖层之间的解耦（滑脱）作用造成盖层中发育不对称、以褶皱-逆冲为特征的“铲式”构造样式，与盖层和基底之间的滑脱剪切带相连接，构成“褶皱-逆冲-滑脱”型造山构造样式，有时伴随花岗岩侵位。如阿尔卑斯外带、比利牛斯南带、加拿大南科迪勒拉造山带的“褶皱-逆冲-滑脱”型造山构造样式。中国大陆的南秦岭造山带、松潘甘孜造山带中也存在此类造山样式（图9）。最近我们发现，在特提斯-喜马拉雅造山带的底部寒武-奥陶纪地层中存在一条近水平的滑脱剪切带，发育含夕线石-石榴石-黑云母的高温变质相矿物组合，强烈局部熔融形成的淡色花岗岩，糜棱岩以及自北向南的剪切应变。这条大型韧性剪切带的初始年龄为～49Ma，与其上部～50Ma形成的中生代盖层中的铲式褶皱-逆冲系统相伴随。这表明特提斯-喜马拉雅造山带作为为一种不对称“褶皱-逆冲-滑脱型”造山带，在整个喜马拉雅造山带中首先崛起。图9 松潘-甘孜印支褶皱-逆冲-滑脱造山带的立体模式 Pt3—新元古代结晶基底；PZ-T—古生代-三叠纪地层；Ｙ5—中生代花岗岩；La—拉伸线理；S1—劈理 作为喜马拉雅碰撞造山带的核部，高喜马拉雅的岩石曾经历了高级变质作用、强烈韧性变形和局部熔融。它位于两个刚性地体（特提斯喜马拉雅和低喜马拉雅）之间中下地壳的一条粘性的、被流体充填的隧道中。隧道的上界为“藏南拆离断层”（STD），这是一条在向南剪切指向的逆冲断层基础上，重新活动的向北下滑的正断层。下界是“主中逆冲断层”（MCT）（图10），STD和MCT的同时活动（～27～16Ma）成为高喜马拉雅挤出的主因。一些学者用“地壳隧道流”的模式解释高喜马拉雅造山带的形成。隧道流是以两个刚性板片为边界的充满粘性流体的管道，板片之间的粘性流体在剪切和压力（或者平均应力）梯度的作用下在管道内变形。经典隧道流存在的主要标志有：①“隧道”内粘度很低，大规模部分熔融，形成混合岩化和侵入的花岗岩；②应变主要集中于具有透入型面理构造的强烈变形带的隧道内；③隧道中物质流动以挤出为主，上下边界同时活动且剪切旋向相反，上边界为正断层（剪切带），下边界为逆断层（剪切带）；④上边界的运动指向反转：早期俯冲（Couetteflow）和晚期伸展（backflow）；⑤变质作用下边界倒转，上边界正常。图10 高喜马拉雅的隧道流模式 隧道流模式反映始新世-渐新世早期的隧道流阶段，中新世早期-中期的折返阶段 GHC—高喜马拉雅；TH—特提斯-喜马拉雅；LH—低喜马拉雅；MCT—主中冲断层；MHT—主喜马拉雅逆冲断层；STD—藏南拆离断层；ＩＹS—印度-雅鲁藏布江缝合带. 斜向碰撞和走滑断裂是造山带的一个重要过程，近30年来在造山带中大量走滑断裂的发现使斜向碰撞引人关注。当一些造山带或者造山带的主体部分显示了两个刚性大陆的相对运动的方向与俯冲带垂直时，发生正向碰撞，又称“硬碰撞”。但是很多情况下，平行造山带的大量走滑断裂的产生，反映了大陆板块之间的斜向碰撞，产生了“非硬碰撞”或者“软碰撞”的效应。这也就形成了与斜向碰撞有关的走滑域，可以称为“挤压转换域。研究表明，汇聚板块相对运动的角度发生变化，由平行转为斜交运动时，形成挤压转换造山带，如扎格罗斯挤压转换造山带、昆南挤压转换造山带、新西兰南Alpine挤压转换造山带等。在斜向碰撞及大型走滑断裂的滑移过程中形成的挤压转换的构造样式，大致可以分为两类：一类发育与走滑断层近于平行褶皱系列的造山样式，如喜马拉雅西侧的恰曼左行挤压转换带和东侧的实皆右行挤压转换带；另一类为走滑断层将两侧呈高角度相交的造山带分开，形成“Z”字型的构造样式，如阿尔金左行走滑断裂带将东侧的祁连造山带与西侧的北阿尔金造山带分开约400km，两侧的造山带均为含有超高压变质带的早古生代造山带；NE-SW向的郯庐左行走滑断裂将苏鲁-大别超高压变质带与早中生代造山带分为东侧的苏鲁带与西侧的大别带两部分。中国大陆中部的古特提斯北支洋盆的残余洋壳构成“东昆仑-阿尼玛卿蛇绿岩带”，由于该洋盆的闭合呈现斜交式汇聚，即东面苏鲁-大别-秦岭造山带的南、北板块在早三叠世（240Ma）先碰撞，西面东昆仑南部（昆南）在中三叠世后碰撞，导致在东昆仑印支碰撞的边界上叠置了大型东昆仑左行走滑构造。根据对昆南走滑断裂带两侧地层褶皱轴的统计，得出褶皱轴的总体方向为SE110°～140°，挤压方向为NNE-SSW，其中东段挤压方向30°～45°E，西段为20°～30°E，表明挤压方向与古板块俯冲带的走向呈45°～70°夹角，因此松潘甘孜地体是斜向俯冲在东昆仑地体之下。东段在NE-SW方向的挤压应力下，松潘甘孜地体往NE方向俯冲在东昆仑地体之下造成NE-SW向的阿尼玛卿叠复岩片，具有向SW的造山极性，表现正向汇聚的特征；而西段的东昆仑走滑断裂带反映了挤压应力方向为NNE-SSW，为地体之间的斜向汇聚及俯冲的结果，呈现挤压转换带的特征。大规模的走滑运动致使两个地体之间的缝合带中的蛇绿岩和混杂岩堆积残片在西段消失。松潘甘孜和东昆仑地体碰撞后，其板块边界的西段总体以左行走滑的形式表现出来，南昆仑和松潘甘孜一并构成一条挤压转换造山带（图11）。图11 与东昆仑走滑断裂有关的印支期“东昆仑-巴颜喀拉”挤压转换造山带和南昆仑挤压转换造山带主应力分布与地壳缩短方向示意图 ＱL—祁连地体；EKL—东昆仑地体；SPGZ—松潘甘孜地体；ＱT—羌塘地体；EKLＦ—东昆仑走滑断裂 研究表明，约60～50Ma开始小印度板块与大亚洲板块碰撞形成的“斜向弧形“喜马拉雅造山带，是世界上海拔最高的弧形造山带。从西端的阿富汗-巴基斯坦边界延伸到东端的云南-缅甸边界，全长2600km，宽度300km。造山带的形成是冈瓦纳大陆裂解后的新特提斯洋盆关闭的结果。在喜马拉雅斜向弧形造山带形成过程中，印度和亚洲两板块在碰撞前的面（体）积差异以及相对运动的角度对造山带几何学影响很大。实际上，小印度板块相对大亚洲板块各地段的汇聚速率的不一致，致使小印度相对大亚洲作顺时针旋转运动，而并非严格直交。这造成造山带主带具有斜向弧形几何学特征，并在喜马拉雅东西两端，由于印度板块的嵌入形成东端的南迦巴瓦（Nanga Barwa）构造结和西端的南迦帕尔巴特（Nanga Parbat）构造结。同时，印度板块的嵌入（嵌入节点）致使青藏物质在东、西构造结发生旋转（图12）。在青藏高原东南缘，腾冲地体基底和泥盆-石炭纪沉积盖层之间产生中新世的滑脱剪切带，并与两侧走滑剪切带相耦合；与此同时，拉萨地体向南东挤出（大规模逃逸）也与走滑剪切带链接，形成“走滑-挤出-滑脱”复合造山模式，构成“侧向挤出（或逃逸）造山带”（图13）。图12 青藏高原构造格架图 图13 青藏高原东南缘走滑-挤出-滑脱复合构造模式 （A）—青藏高原东南缘腾冲地体中新世滑脱与走滑的链接；（B）—青藏高原东南缘拉萨地体向南东挤出（逃逸）与走滑的链接 对于造山带而言，我们不仅要考虑岩石圈水平运动导致的板块俯冲和碰撞，还应该考虑垂直上升运动及其在造山中的作用。在造山过程中广泛存在的“片麻岩穹隆”穹隆由核部花岗岩或者混合岩化花岗岩以及幔部变质岩组成，是中下地壳热动力学过程产生的、与岩浆作用（或混合岩化作用）密切相关的穹状构造。片麻岩穹隆几乎出露在所有的折返造山带中，其形成经历从垂直上升的地壳流导致岩浆上涌的挤压收缩机制到岩浆体侵位的顶部伸展机制的转化过程，反映了所在地区地壳的大幅度抬升与地壳上升流有关。研究表明，川西花岗-伟晶岩型锂矿赋存在“片麻岩穹隆”的构造样式之中。在研究松潘-甘孜造山带南部雅江-马尔康片麻岩穹隆群的基础上，Xu Zhiqin et al.（2015）提出伴随松潘-甘孜造山带大规模印支期挤压造山事件，发生大量的上升流引起的地壳重熔和220～200MA的“S”型花岗岩侵位，使冷地壳转变为热地壳，形成以中生代花岗岩为核部、三叠纪变质深海沉积岩为幔部，并伴随巴罗式高温变质作用（夕线石-蓝晶石-十字石-红柱石-石榴子石-黑云母-绿泥石-绢云母变质相带）的片麻岩穹隆构造（图14）。最新研究表明，马尔康片麻岩穹隆形成于印支期挤压造山的变质岩折返后期，是与～200～190MA自北向南伸展的马尔康拆离剪切带有关的“变质核杂岩”构造。多种机制被用来解释折返造山带中片麻岩穹隆的形成，早期强调密度反转导致的瑞利-泰勒系数的不稳定性和底辟流体的作用；自拆离断层被发现之后，许多经典的片麻岩穹隆被发现形成于伸展环境下，并被定义为变质核杂岩；其后，垂向粘度差异导致的不稳定性也被认为是关键影响因素。Whitney et al.（2004）认为片麻岩穹隆的形成是在深部挤压应力下，垂直上升的地壳流导致岩浆上涌和侵位，造成穹隆顶部伸展的转化过程。总体而言，对于片麻岩穹隆的形成，目前主要观点如下：①不同世代的褶皱间相互叠加；②重力驱动的底辟作用；③地壳减薄相关的低角度拆离断层；④地壳通道流；⑤下地壳挤压和上地壳伸展的综合效应等。那么，到底是什么导致了造山带中挤压应力向伸展应力的转换以及上升流的出现？岩浆如何从上升转换至就位？岩浆中的流体、热传导以及构造变形在残余熔体上升过程中起到什么样作用？都是需要进一步探讨的问题。图14 松潘-甘孜造山带雅江片麻岩穹隆群中长征片麻岩穹隆（A）和甲基卡片麻岩穹隆（B）构造剖面图 3.1 洋-陆俯冲增生造山到陆-陆碰撞造山在空间上的转化从全球板块运动来看，陆-陆碰撞和洋-陆俯冲沿着整个特提斯巨型造山带呈交替结构展布，自西向东为：地中海与欧洲大陆的洋-陆俯冲形成Anatolia增生带，阿拉伯板块与西亚板块的碰撞形成扎格罗斯陆-陆碰撞造山带，阿拉伯海俯冲在中亚板块之下形成由Markran俯冲增生杂岩组成的洋-陆俯冲增生造山带，印度-亚洲陆陆碰撞形成喜马拉雅碰撞造山带，东印度洋向东南亚大陆之下的洋-陆俯冲形成苏门答腊增生杂岩带（图15）。东印度洋向东南亚的洋-陆俯冲开始于55Ma，主要活动时间为30～23Ma，正好相当于滇缅-印度支那复合地体的向南挤出时间。东印度洋板块向东南亚的洋-陆俯冲造成的弧后扩张为青藏高原物质向南逃逸提供了自由的空间。图15 巨型特提斯造山带中洋-陆俯冲和陆-陆碰撞造山带的分布图 1—地中海与欧洲的洋-陆俯冲形成Anatolia挤出构造；2—阿拉伯板块与西亚陆-陆碰撞形成扎格罗斯造山带；3—西印度洋（阿拉伯海）与中亚大陆的洋-陆俯冲形成Makran俯冲增生带；4—印度-亚洲碰撞形成喜马拉雅造山带；5—东印度洋与中南亚的洋-陆俯冲形成苏门答腊俯冲增生带和青藏高原东南缘的挤出地体 因此，从陆-陆碰撞到洋-陆俯冲在空间上的转换是控制印度-欧亚板块碰撞过程中从挤压到走滑构造转换的基本原因。3.2洋-陆俯冲增生造山到陆-陆碰撞造山在时间上的转换一些造山带经历了俯冲-碰撞的全过程，形成俯冲-碰撞的复合造山带，冈底斯-喜马拉雅复合造山带则是“从洋-陆俯冲到陆-陆碰撞造山”在时间上转化的典例，包含新特提斯洋消减、俯冲增生和印度-亚洲碰撞造山全部记录。因此我们可以通过冈底斯造山带的解析，来重塑一个洋-陆俯冲增生造山到陆-陆碰撞造山的转换。位于青藏高原南部的拉萨地体之上的冈底斯造山带，全长2500km，西接帕米尔Kohistan和Ladakh岩浆带，东连腾冲岩浆带，北以班公湖-怒江缝合带与羌塘造山带相隔，南以印度斯-雅鲁藏布缝合带与喜马拉雅造山带毗邻。冈底斯造山带的俯冲增生造山表现为白垩纪弧后和弧前盆地遭受地壳缩短、加厚，形成以“裙皱-断裂和自北向南剪切的基底滑脱”为特征的拉萨弧后盆地变形，以及以“扇形褶皱-断裂系”为特征的日喀则弧后盆地变形。在大约90～62MA期间，冈底斯俯冲造山造成的地壳缩短和加厚之后，又经历山体隆升-剥蚀和构造地貌的夷平阶段，被69～40Ma花岗岩侵入和大面积近水平的62～45Ma林子宗群火山岩席不整合覆盖，形成冈底斯初始高原（图16），因此，冈底斯俯冲-增生造山向陆-陆碰撞造山转换的阶段，引发大规模岩浆爆发以及导致冈底斯初始高原的形成，这是冈底斯造山带的一个重要特征。图16 冈底斯俯冲-碰撞型山脉的构造演化示意图 自印度-亚洲碰撞，特别是40Ma以来，以近E-W向北倾的逆冲断裂系、走滑断裂系和近N-S向裂谷系为代表的陆内断裂体系叠置在冈底斯俯冲增生造山带上。在南北挤压、东西向伸展塌陷作用以及嘉黎-高黎贡右行走滑断裂（32～21Ma）的制约下，冈底斯带的物质向东及南东逃逸，并伴随大规模碰撞成矿作用。18Ma以来冈底斯南缘南倾的大反冲断裂（GCT）使特提斯-喜马拉雅地体向北倒覆在冈底斯造山带之上。造山带的理论、概念和大量研究成果为我们提供了广阔的全球视野，历经200年研究的造山带依然是地球科学经久不衰的研究主题，是板块构造和大陆动力学关注的重心。大陆动力学的发展给予了我们新的机遇，去重新审视大陆造山带的物质组成、结构、造山类型、流变学、造山过程及造山动力学。面对大陆动力学新的挑战，我们提出以下几个重要问题，作为造山带研究的前瞻内容和未来趋势予以思考和重视：活动的大陆造山带是一个非平衡的开放系统，造山过程是一个能量消耗过程。在造山过程中，由于构造和岩浆作用将热量传导至地壳浅层，流体和熔体的迁移使元素（包括放射元素）的重新分配。在这些过程中“变形-变质-深熔“的自组织作用和相互转换是控制造山带中地壳的演化和分异的关键。其中，剪切变形与变质作用通过流体迁移和应变能以及矿物属性与承载机制转换；变质作用和地壳熔融通过矿物组合转变和熔体-矿物反应相互转换；剪切变形与地壳熔融通过熔体弱化和剪切生热相互转换，而转换的核心是热导率（图17）。至于以热导率为核心的变形、变质和深熔自组织系统如何调节造山带地壳能量的耗散，将地壳内部的能量释放出来，仍是个重要的未解之题。图17 造山过程中变形-变质-深熔作用的相互关系示意图 造山带的研究表明，汇聚造山带的热动力条件可以为地壳深熔提供足够多的热量。熔体的出现会将地壳软化到一定程度。在造山过程中部分地壳处于部分熔融状态，不仅将其和俯冲岩石圈板片解耦，并且会让深埋藏的地壳折返。地壳熔融、熔体分离、挤出、上升和侵位不可避免地与构造的发生与发展有关，在岩石圈中能量耗散基本机制之下，如何理解部分熔融地壳的性质和合理评估地壳中熔体的作用极为重要。地震反射、广角反射、宽带远震研究和大地电磁等资料，指示造山带地壳中存在反射亮点，即低速带和低阻层，如青藏高原的藏南地区地壳15～18km深处存在一个由半连续的水平花岗质侵入体组成的熔融层或“水层”（water bed），说明上地壳被下面的低速层所支撑，并向低速层加载重力。物质作侧向流动成为必然结果。这也被用以解释在液压的粘性地壳之上保持如此之高的青藏高原的原因。这一理论虽然得到许多地质证据的支持，但是，“水层”模型是否应用于其他造山带，仍然是个争论问题。譬如，一些学者认为，位于青藏高原东缘的龙门山的形成和2008年汶川大地震的爆发，是与新生代地壳隧道流从青藏腹地进入东缘龙门山有关。但研究表明，龙门山构造带内，被上侧龙门山拆离剪切带和下侧映秀-北川逆冲断裂所夹持的向SE倾伏的“挤出构造楔”，形成于白垩纪，经历了新生代的抬升和上隆，与新生代地壳隧道流无关。不同造山带出露不同体积的花岗岩，富含大量沉积岩的造山带为花岗岩岩浆的产生提供了可能。例如，阿巴拉契亚造山带、华里西造山带、秦岭造山带和松潘甘孜造山带为富含花岗岩的造山带。在松潘-甘孜造山带中，巨厚（10～15km）的三叠系含云母和黏土矿物的深海沉积岩中被大量中生代花岗岩侵位，并伴随锂铍铌矿元素富集。在造山带演化中，岩浆上升和侵位的过程和机制一直处于争论之中。有学者认为，从部分熔融的地壳中提取熔体的速率、岩浆上升和侵入速率要比先前预想的快得多；有人认为，造山带中大规模的剪切带发生的剪切增温引起造山带上部的泥质岩发生部分熔融；但是当造山带含有不同地壳组成的古老基底时候，大量花岗岩岩浆作用却不太可能发生，如斯堪的纳维亚加里东造山带和中阿尔卑斯造山带。上述两种截然不同状况引起人们对于造山带中花岗岩的大量涌现或严重匮乏原因的追究及探讨。研究表明，大陆弧岩浆的生长与侵位并不是均一连续的过程，而是呈现阶段性、峰期性特征，即幕式岩浆作用。弧岩浆峰期与岩浆平静期相比，岩浆增生速率显著增强，易于发生岩浆聚集，继而形成大的岩基，如科迪勒拉造山带中生代大陆弧的幕式弧岩浆作用。幕式岩浆作用可能是由弧外事件和／或弧内循环引起的相互联系的构造作用引发。沿弧走向和跨弧走向的变化和不对称性岩浆、构造和地球化学历史提供了重要的制约因素来评估这些鲜为人知的驱动机制。研究发现，在大陆边缘的洋-陆俯冲增生造山带中，大量熔体的扰动以及多幕的岩浆活动形成以大规模弧岩浆带为代表的新生地壳。例如，根据基岩锆石和碎屑锆石的U-PB年龄数据指示岩浆作用强度，美州西部的科迪勒拉造山带古-中生代大陆弧的幕式岩浆作用具有明显的幕式特征（图18）。传统的观点认为弧岩浆的生成以伸展背景为主，因为巨大的岩基的形成需要很大的空间。然而，越来越多的研究发现，很多弧岩浆形成于挤压背景下，岩浆所需的空间可以通过地壳的上部抬升、地壳下部或侧面物质向下运移来提供，这个过程伴随着显著的地壳加厚。研究发现这些具有阶段性、峰期性的弧岩浆带岩浆作用与深部动力学过程密切相关。藏南冈底斯岩浆带弧岩浆演化具有显著的幕式作用特点，岩浆峰期主要为100～80Ma和65～45MAa两期，中间间隔一个岩浆平静期（80～65Ma）。此外，在弧岩浆作用的峰期，冈底斯地壳有显著加厚，表明弧岩浆侵位对地壳加厚有重大贡献。普遍认为幕式花岗岩浆活动与深部动力学过程密切相关，但究竟驱动因素是构造活动、还是特定的地幔事件或俯冲板片的几何学变化，仍是一个长久以来困扰人们的问题。图18 科迪勒拉造山带中生代大陆弧的幕式岩浆作用示意图 以基岩锆石（BA）和碎屑锆石（DZ）U-PB年龄数据指示岩浆作用强度 流变学是研究物质流动规律的科学，岩石圈流变学在造山带形成和演化过程中的重要性尚需进一步探明。大陆在构造挤压作用下如何成山？在板块碰撞造山过程中，承载水平挤压应力的是上地壳、中地壳、下地壳还是岩石圈上地幔？造山带如喜马拉雅山脉究竟能升多高？青藏高原隆起到什么高度才在其东南缘和东缘发生地壳的挤出逃逸？在侧向静岩压力梯度作用下青藏高原深部地壳是否（或为什么）可以形成大规模或者局部的隧道流？碰撞的远程效应如何控制陆内造山，应变何时何地局部集中，又何时何地大面积弥散？地壳各个深度层次岩石的流动强度如何随地热结构与时间变化？在造山带中流变学如何控制熔体迁移？熔体的出现又如何改变地壳的流变学性质？流变学如何制约软弱地壳与俯冲板片之间相互解耦，又如何促使造山带从几何学-运动学研究向造山动力学的跨越？这些问题都亟待进一步解答。近30年来，板块构造与大陆动力学的最突出的进展表现在汇聚板块边界板块俯冲带的研究上。板块俯冲带包括洋／洋俯冲或洋-陆俯冲的大洋俯冲带和陆／陆俯冲的大陆俯冲带两种类型（图19）。大洋俯冲带伴随海沟、火山弧和地震带产生，形成小规模的高压（HP）变质带，尽管没有发现超高压（UHP）岩石，但是全球地震层析的新成果揭示大洋岩石圈板块组成的地震波高速体可以深（超深）俯冲于大陆岩石圈板块之下，穿越圈层结构，越过400～660km深的地幔过渡带，甚至抵达2800km的核幔边界，变质岩石学和矿物学研究表明，在板块汇聚边界大陆岩石圈可以俯冲到150～300km深度形成大规模的超高压变质带，然后低密度的陆壳物质快速折返回浅部地壳，被形容为一个“入地狱，返回天堂”的旋回。如在阿尔卑斯造山带、大别-苏鲁造山带、挪威西片麻岩省先后发现UHP的标志，包括柯石英、金刚石、超硅石榴子石、先存斯石英的出溶结构和斯石英假象、石榴石和辉石的出熔结构等。随着中国大陆科学深钻（CCSD，5158m）在苏鲁超高压变质带的实施（2001～2005），中国地学家们在中国大陆超高压变质带的发现取得重大突破，继大别-苏鲁后，在北秦岭、柴北缘-南阿尔金、西藏松多等多处发现超高压变质岩石。在超高压变质带和大陆深俯冲的研究方面，包括大陆俯冲带的俯冲深度、变质作用和P-T-T演化、深俯冲过程的流体体制、元素迁移及活动性、俯冲与折返的动力学机制，和俯冲隧道的壳-幔相互作用等取得重要的进展。图19 制约大陆俯冲带（阿尔卑斯型）与大洋俯冲带（太平洋型）形成和折返构造背景的示意剖面图 另一方面，近年来在蛇绿岩中发现金刚石等超高压、超还原矿物，暗示地幔柱也可以把俯冲到地幔深部的物质通过上升流带到浅部，导致蛇绿岩中保留金刚石和深地幔矿物。因此，俯冲带和地幔柱，作为地球上的两个超级构造单元，提供了穿越地球层圈物质和能量交换的通道（图20）。诚然，自上而下（超）深俯冲（挤压性）和自下而上的（超）地幔柱（伸展性）不是一个概念，但是它们的结合研究是探索全球单层壳-幔大循环假说与板块驱动力的新方向，俯冲带和地幔柱不仅提供了穿越层圈的物质和能量交换的通道，也驱动了对地球宜居性至关重要的水循环和碳循环，是研究地球物质组成和动力学演化的重要窗口，也是统领造山带研究的大思路。图20 地球单层壳幔循环模型示意图。俯冲带和地幔柱在模型中作为物质输送的通道，贯穿地壳、上地幔和下地幔 在造山带的研究中，一些学者提出了“伸展造山带”的新类型，包括板块汇聚边界的“伸展增生造山带”和板块离散边界的“裂谷造山带”。“伸展增生造山带”的概念由Collins（2002）提出，他认为由于海沟后撤和大洋板片的回卷，产生弧后盆地扩张及沉积物的充填，导致伸展的造弧过程（即后退式增生造山）。事实上，由于伸展增生造山带经历多次重复的地壳缩短增厚事件，已经很难分辨原有的伸展历史（尽管包含了玄武岩的裂谷盆地）。自21世纪以来，一些学者将沿着板块离散边界形成的洋中脊、大陆裂谷也归于由于地幔柱造成的伸展造山带。Santosh et al.（2008）认为当超级地幔柱上升时，大陆地壳在一定的范围内隆升成山，如东非裂谷在2000km范围内隆起2～3km。东非裂谷作用发生于地幔柱顶部的中心之上，当地幔柱抵达碳酸盐化大陆岩石圈地幔时，热和二氧化碳使岩石圈地幔发生部分熔融，熔体侵位使下地壳遭受高温变质，形成超高温（UHT）变质岩。上地壳由于倾向相反的铲式正断层的作用，形成“伸展式造山带”（图21）。最近，Zheng Yongfei et al.（2017）提出形成于岩石圈减薄的拉张环境的造山带新类型，即“裂熔造山带”（Rifting orogen），这种造山带继承叠加在挤压型造山带之上，是先存造山带在岩石圈减薄和软流圈上涌作用下发生活化的产物，是洋盆形成的先兆，标志着新一期威尔逊旋回的开始；因而，“裂熔造山带”可以发展为洋中脊或者弧后盆地，这种造山和增生造山和碰撞造山为同级别的基本造山带形式之一。图21（A）核部为片麻岩穹隆的不对称变质核杂岩构造图；（B）在一个大陆裂谷的离散板块边界形成的对称式伸展造山带的示意剖面（以现今的非洲裂谷为例） 笔者认为，在造山带地壳缩短和加厚的大环境产生的局部地壳减压和伸展条件，致使地壳上升流形成的片麻岩穹隆（如北喜马拉雅的拉轨刚日片麻岩穹隆群和松潘甘孜片麻岩穹隆群）或变质核杂岩、平行造山的伸展断裂（如喜马拉雅的藏南拆离系STD）和垂直造山的裂谷系（藏南裂谷系），有别于在板块离散边界（大洋中脊或大陆裂谷带）的岩石圈伸展作用形成的地幔柱、裂谷盆地和变质核杂岩。前者是威尔逊旋回中板块汇聚阶段应运而生的结果，后者为威尔逊旋回起点的离散阶段的产物。地壳或地幔的上升流可以造成地貌上的高地或山脉，但是与水平运动为主造就的经典的“洋-陆增生造山带”、“陆-陆碰撞造山带”和“陆内造山带”不能等同。大陆造山带的形成和演化经历了洋-陆俯冲-陆-陆碰撞-陆内造山的过程，并促成从洋-陆俯冲到陆-陆碰撞造山在时空上的转换和演化。本文回顾了不同大陆造山带特征的差异，进而讨论弧形造山带结构、特殊几何学造山带和走滑造山带的运动学、动力学和造山动力学，并强调了俯冲带在造山带及全球构造研究中的重大意义。本文提出了造山带前瞻研究的几个重要问题：造山过程中的能量消耗及自组织行为、地壳熔融在造山过程中的重要性、造山带中花岗岩的侵位与幕式花岗岩浆活动、造山带片麻岩穹隆的成因以及造山带中岩石圈流变学性质的主控因素。作者认为，俯冲带和地幔柱作为地球上的两个超级构造单元，提供了穿越层圈的物质和能量交换的通道，是统领造山带研究的大思路。致谢：本文写作过程中，作者与尹安、李献华、孙卫东、李忠海、肖文交和朱文斌等教授进行有益讨论。感谢张淼、马泽良和高建国在成文过程中帮助绘制图件。引用本文：许志琴，郑碧海，王勤.2021.从洋-陆俯冲到陆-陆碰撞：回眸与展望.地质学报，95（1）：75～97。 导读评论和排版整理等：《覆盖区找矿》公众号.
|
