大地构造学(岩石圈研究进展)
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超深钻钻探表明，地壳内部可能不存在康拉德面 （硅铝/硅镁）－－－科拉半岛设计15km，钻至 11.5km结束，原预测的7km深处的康拉德面并不 存在，在该深度以下仍为斜长片麻岩、花岗片麻 岩和角闪岩 ，只是随着深度增加角闪岩夹层增多。 而不是“玄武岩层” 剥露到地表的麻粒岩相下地壳成分往往以长英质 片麻岩、麻粒岩为主体。 很多新的火山岩携带的大量下地壳包体往往也以 长英质片麻岩、麻粒岩为主体。
提出当代构造地质学所面临的4 个重 大课题（超越板块构造研究的方向） (1) 板块构造: 流变学与大陆造山作 用; (2) 丢失的联结: 从地震到造山作用; (3) 大地构造、气候和地表系统的动 态相互作用; (4) 地球和生命的协同演化
大陆构造研究中几个需要思考的方面 （一） 大陆板块与大洋板块的物性差异 1、大洋岩石圈板块呈刚性特征, 而大陆岩石圈具有非刚性特征, 相对于大洋岩石圈板块, 大陆岩石圈板块在强度上要软弱一些. 2、相对大洋板块而言, 大陆岩石圈的组成和物性变化很大, 不 像大洋板块具有上述物质组成的相对均一性, 大陆岩石圈的组成缺 乏一个共同的成因方式. 大陆岩石圈的组成上部是由非均一成分和 具有复杂构造和热演化史的不同块体拼合而成, 因而它们具有不同 的强度. 大陆下地壳的性质因地而异,不同的性质造成了复杂多样的 效应与结果。 （二）大陆下地壳与地幔的相对强度 目前, 地壳和地幔的强度对岩石圈性质所作的贡献的相对大小 仍不清楚. 软弱的和富含流体的下地壳的想法在过去15 年间主导了 大陆构造研究.即大陆岩石圈的“三明治”或“五明治”结构。然而, 现在新的研究认为大陆岩石圈是由软弱的中地壳和强的下地壳组成, 并且下地壳的强度可能超过其下伏的地幔。这些论点是基于由地震 分布和地形负载的弹性厚度作出的推断。因为缺乏其他佐证, 这样 的推断是间接的并具有假定性。
（三）大陆变形的流变学特点
由于大陆与大洋板块力学性质的差异, 导致了 它们构造变形的不同. 大洋板块表现了在俯冲带的 相对单一的消减作用, 采取的主要是刚性的变形方 式. 而大陆的非刚性特点, 造成了宽广的大陆造山 带内广布式变形和内部构造, 主要表现为流变学行 为与方式. 除了考虑介质材料的力学性质之外, 流 变学研究将时间因素引入变形力学. 从广义上讲,流 变学包含了所有随时间变化的变形力学. 而流变学 行为即是在时间因素起作用的条件下的变形方式. 在应力保持不变的的条件下, 变形强度随时间增强. 这一变形的力学方式是大陆与大洋板块变形的最 大不同。
Ranalli和 Murphy (1987)建立 的七种岩石 圈流变学剖 面模型
Jackson（2003）的岩石圈流变学力学强度模型
三、岩石圈的成分结构
陆壳成分结构的传统认识
硅铝层
上 地 壳 地壳 岩石圈 下地壳 上地幔固体表层
硅镁层
莫霍面
地幔橄榄岩
软流圈（低速层）
对陆壳成分结构的新认识 （主要针对下地壳成分）
• 地球物理证据： 广泛存在低速层 和高导层。 大陆岩石圈存在 “三明治”结构。
2、岩石圈横向的不均一性 • 不规则的多边形结构（陆块构造） 多级次（10-8~108）的强变形带围绕弱变形域而 构成的网结状构造。 • 壳内低速层的不连续 • 全球统一的软流圈是否存在？ 岩石圈之下的软流圈一般为低速层，但有些大 陆没有观测到软流圈的低速层。 岩石圈纵横向上的不均一性的发现其意义在于： • 大陆构造是极为复杂的，其成因机制也是复杂 的——提出了大陆动力学的研究方向 • 对经典板块构造理论提出了质疑
Jackson（2003）的岩石圈流变学力学强度模型
（五）构造—沉积—地貌—气候 协同演化研究
构造地质学－沉积学－构造热年 代学－构造地貌学－气候学的紧 密结合
美国： “构造地质学和大地构造学的 新航程(New departures in structural geology and tectonics)” 构造研讨会 中确定的超越板块构造研究的4个重大方 向之一 (1) 板块构造: 流变学与大陆造山作 用; (2) 丢失的联结: 从地震到造山作用; (3) 大地构造、气候和地表系统的动 态相互作用; (4) 地球和生命的协同演化。
四、超越板块构造 （Beyond Plate Tectonics）
超越板块构造产生背景
1. 对大陆地质的研究，大批的高精度定量数据的涌现和相关理念的 长足进步，例如： 地表位移：以全球定位系统( GPS) 和合成孔径干涉雷达( InSAR) 为手段的大地测量技术 深部结构：地震层析技术 时间约束：精确的热年代学测年技术和宇宙成因同位素测年技术 等。 2.作为地质科学带头学科的构造地质学面临着新的发展机遇，出现 一些新的学科生长点： 大陆地质构造理论的创新(涉及造山带形成的深部机制,力学过程, 地壳和岩石圈地幔结构等) 大地构造与人类居住环境关系(比如, 构造与气候以及地球表面过 程相互作用关系) 的研究 大地构造演化对生物演进的制约研究 地震发生与长期地壳构造变形的关系研究等.
太古代地 盾区岩石 圈厚度比 以前认为 的深得多， 超过 300km， 甚至达到 400－ 600km。
• 壳内高导低速层的解释
• 显生宙盖层与结晶基底的界面 • 上地壳的低速层与含水和岩石破碎 有关——来自俄罗斯科拉半岛超深 钻的观测资料 • 下地壳中包含的沉积岩层 • 地壳深处水平层状的物质流动层 • 下地壳的部分熔融岩浆
岩石圈研究新进展
——超越板块构造
一、岩来自百度文库圈的纵向和横向不均一性
1、岩石圈的纵向不均一性 • 对岩石圈的经典理解——刚性的固体板块 • 超深钻和地球物理探测发现： 岩石圈存在垂向的分层性 • 构造证据：不同规模、不同层次的层间滑动 断裂，如变质岩区普遍存在的顺层韧性剪切 带（一定层次）、固态流变构造、大型伸展 剥离断层和逆冲推覆构造
因此，美国的一批构造地质学家和大地构造学家根据地球科学 发展的潮流, 于2002 年9 月在美国科罗拉多州丹佛市召开了 题为“构造地质学和大地构造学的新航程(New departures in structural geology and tectonics)”的构造研讨会. 在此次 研讨会中, 美国构造地质学家和大地构造学家在相继提出大 陆动力学和21世纪地质科学基础研究的机遇等基础上, 首次 明确指出板块构造理论模式不适合于大陆地质, 并提出超越 板块构造（Beyond Plate Tectonics）概念。
二、岩石圈的力学性质—岩石 圈的流变分层性
• 传统的岩石圈流变学分层性
均一的地壳 ——以石英为代表的流变学行为 均一的上地幔 ——以橄榄石为代表的流变学行为
新探测研究发现： • 大陆岩石圈的地壳层中和上地幔内部均发现有明显的 低速层存在，结构复杂。
• 超深钻钻探表明，地壳内部可能不存在康拉德面（硅 铝/硅镁）－－－科拉半岛设计15km，钻至11.5km结束， 仍为TTG而不是“玄武岩层” • 三明治式的多层流变模型 存在一个或多个塑性强度低的或不能干的层分隔开 具有脆性破裂特征的强度高或能干的层。这种三明治 式的多层流变结构是地壳（岩石圈）厚度、岩石学特 征、温度等物理状态的函数。
欧洲：欧洲合作研究计划
——Top Europe and Thermal Europe介绍
List of Funded Collaborative Research Projects (CRP s)
• Spatial and Temporal Coupling between Tectonics and Surface Processes during Lithosphere Inversion of the PyreneanCantabrian Mountain Belt (PYRTEC) • Timescales of Sediment Dynamics, Climate and Topographic Change in Mountain Landscapes (SedyMONT) • Plate Re-organisation in the Western Mediterranean: lithospheric causes and topographic consequences (TopoMed) • Continental Plateaus and Tectonics-Climate Interactions (VAMP) • The Scandinavian Mountain Chain: deep processes (TopoScandiaDeep)
因此，陆壳的下地壳成分可能仍以长英质或花 岗质成分为主。
大陆岩石圈成分的不均一性
大陆岩石圈的组成和物性变化很大，缺乏一
个共同的成因方式，大陆岩石圈的组成上部是 由非均一成分和具有复杂构造和热演化史的不 同块体拼合而成，因而它们具有不同的强度。 大陆下地壳的性质因地而异，不同的性质造成 了复杂多样的效应与结果，诸如活动断裂带的 宽度、造山带高度、沉积盆地以及被动大陆边 缘的下沉速度的差异等.
（四）大陆变形中的流体作用
大陆变形中的流体作用值得重视, 因为大陆岩石圈与流体和熔体 的相互作用可以大大改变其流变学结构, 而我们对流体存在的效应 和作用过程还知之甚少. 实验研究表明矿物中微量含水组分对改变 岩石圈流变学行为的重要性。极少量的水都会对岩石的延展性和 摩擦力产生作用。如：
发育完整的走滑断裂(如圣安德列斯断裂) 的内部各带要比典型 的地壳岩石软得多, 而断裂带内流体压力的增大是这种软弱性的可 能原因。 脆-韧性过渡变形似乎与断裂作用中的流体作用密切相关, 这种 关系体现在影响断层和寄主岩石的正负膨胀变形机制上。 颗粒粒度减小和岩石与断层泥的混合改变了断层寄主系统的渗 透性。 流体迁移影响颗粒接触部位的溶解、运移和胶结物的沉淀。
两种可能模型： 1、大陆地幔岩石圈相对强硬, 因 此它以板块形式消减, 而软弱的、 具浮力的地壳被遗留在后形成加 厚的造山带 2、地幔岩石圈的行为的更像流 体. 地幔回流可能卷入了一个稳 定的对称或非对称的下降流, 或 者幕次式的水滴状回流。 陆—陆碰撞的不同地幔回流方式 的数字模型 (a)大陆岩石圈地幔以板块方式俯 冲消减; (b)具有幕次式的水滴状脉动的 对称回流. 变形轨迹网络显示聚集主密度, 箭头表示相对速度矢量
• From Source to Sink: integrated natural hazard assessment through the quantification of mass transfer from mountain ranges to active sedimentary basins (SourceSink) • Refined European Sea Level Estimations by Combining Altimetry, Tide Gauges, Hydrographic and Other Data Sets with Improved Regional GIA Modeling and Tailored Regional GRACE Gravity Field Models (RESEL-GRACE) • Mantle Forcing of Earth Surface Evolution in Europe and the Mediterranean: from past to present (Topo-4D) • The Topographic History of the Alps and its Tectonic and Climatic Drivers (TOPO-ALPS) • Coupled Climatic/Tectonic Forcing of European Topography revealed through Thermochronometry (Thermo-Europe)
3.大陆地质研究的深入对传统板块构造理论在解释大陆地 质方面提出质疑和挑战.比如：
两个大陆间的大洋板块俯冲消减之后, 两相碰撞的大陆块体的地 壳部分和其深部会采取什么方式继续造山活动 深部过程和拆沉与底侵作用在大陆造山过程中的效应 大陆中、下地壳的相对强度 大陆变形所采取的力学方式及物理化学机制
提出当代构造地质学所面临的4 个重 大课题（超越板块构造研究的方向） (1) 板块构造: 流变学与大陆造山作 用; (2) 丢失的联结: 从地震到造山作用; (3) 大地构造、气候和地表系统的动 态相互作用; (4) 地球和生命的协同演化
大陆构造研究中几个需要思考的方面 （一） 大陆板块与大洋板块的物性差异 1、大洋岩石圈板块呈刚性特征, 而大陆岩石圈具有非刚性特征, 相对于大洋岩石圈板块, 大陆岩石圈板块在强度上要软弱一些. 2、相对大洋板块而言, 大陆岩石圈的组成和物性变化很大, 不 像大洋板块具有上述物质组成的相对均一性, 大陆岩石圈的组成缺 乏一个共同的成因方式. 大陆岩石圈的组成上部是由非均一成分和 具有复杂构造和热演化史的不同块体拼合而成, 因而它们具有不同 的强度. 大陆下地壳的性质因地而异,不同的性质造成了复杂多样的 效应与结果。 （二）大陆下地壳与地幔的相对强度 目前, 地壳和地幔的强度对岩石圈性质所作的贡献的相对大小 仍不清楚. 软弱的和富含流体的下地壳的想法在过去15 年间主导了 大陆构造研究.即大陆岩石圈的“三明治”或“五明治”结构。然而, 现在新的研究认为大陆岩石圈是由软弱的中地壳和强的下地壳组成, 并且下地壳的强度可能超过其下伏的地幔。这些论点是基于由地震 分布和地形负载的弹性厚度作出的推断。因为缺乏其他佐证, 这样 的推断是间接的并具有假定性。
（三）大陆变形的流变学特点
由于大陆与大洋板块力学性质的差异, 导致了 它们构造变形的不同. 大洋板块表现了在俯冲带的 相对单一的消减作用, 采取的主要是刚性的变形方 式. 而大陆的非刚性特点, 造成了宽广的大陆造山 带内广布式变形和内部构造, 主要表现为流变学行 为与方式. 除了考虑介质材料的力学性质之外, 流 变学研究将时间因素引入变形力学. 从广义上讲,流 变学包含了所有随时间变化的变形力学. 而流变学 行为即是在时间因素起作用的条件下的变形方式. 在应力保持不变的的条件下, 变形强度随时间增强. 这一变形的力学方式是大陆与大洋板块变形的最 大不同。
Ranalli和 Murphy (1987)建立 的七种岩石 圈流变学剖 面模型
Jackson（2003）的岩石圈流变学力学强度模型
三、岩石圈的成分结构
陆壳成分结构的传统认识
硅铝层
上 地 壳 地壳 岩石圈 下地壳 上地幔固体表层
硅镁层
莫霍面
地幔橄榄岩
软流圈（低速层）
对陆壳成分结构的新认识 （主要针对下地壳成分）
• 地球物理证据： 广泛存在低速层 和高导层。 大陆岩石圈存在 “三明治”结构。
2、岩石圈横向的不均一性 • 不规则的多边形结构（陆块构造） 多级次（10-8~108）的强变形带围绕弱变形域而 构成的网结状构造。 • 壳内低速层的不连续 • 全球统一的软流圈是否存在？ 岩石圈之下的软流圈一般为低速层，但有些大 陆没有观测到软流圈的低速层。 岩石圈纵横向上的不均一性的发现其意义在于： • 大陆构造是极为复杂的，其成因机制也是复杂 的——提出了大陆动力学的研究方向 • 对经典板块构造理论提出了质疑
Jackson（2003）的岩石圈流变学力学强度模型
（五）构造—沉积—地貌—气候 协同演化研究
构造地质学－沉积学－构造热年 代学－构造地貌学－气候学的紧 密结合
美国： “构造地质学和大地构造学的 新航程(New departures in structural geology and tectonics)” 构造研讨会 中确定的超越板块构造研究的4个重大方 向之一 (1) 板块构造: 流变学与大陆造山作 用; (2) 丢失的联结: 从地震到造山作用; (3) 大地构造、气候和地表系统的动 态相互作用; (4) 地球和生命的协同演化。
四、超越板块构造 （Beyond Plate Tectonics）
超越板块构造产生背景
1. 对大陆地质的研究，大批的高精度定量数据的涌现和相关理念的 长足进步，例如： 地表位移：以全球定位系统( GPS) 和合成孔径干涉雷达( InSAR) 为手段的大地测量技术 深部结构：地震层析技术 时间约束：精确的热年代学测年技术和宇宙成因同位素测年技术 等。 2.作为地质科学带头学科的构造地质学面临着新的发展机遇，出现 一些新的学科生长点： 大陆地质构造理论的创新(涉及造山带形成的深部机制,力学过程, 地壳和岩石圈地幔结构等) 大地构造与人类居住环境关系(比如, 构造与气候以及地球表面过 程相互作用关系) 的研究 大地构造演化对生物演进的制约研究 地震发生与长期地壳构造变形的关系研究等.
太古代地 盾区岩石 圈厚度比 以前认为 的深得多， 超过 300km， 甚至达到 400－ 600km。
• 壳内高导低速层的解释
• 显生宙盖层与结晶基底的界面 • 上地壳的低速层与含水和岩石破碎 有关——来自俄罗斯科拉半岛超深 钻的观测资料 • 下地壳中包含的沉积岩层 • 地壳深处水平层状的物质流动层 • 下地壳的部分熔融岩浆
岩石圈研究新进展
——超越板块构造
一、岩来自百度文库圈的纵向和横向不均一性
1、岩石圈的纵向不均一性 • 对岩石圈的经典理解——刚性的固体板块 • 超深钻和地球物理探测发现： 岩石圈存在垂向的分层性 • 构造证据：不同规模、不同层次的层间滑动 断裂，如变质岩区普遍存在的顺层韧性剪切 带（一定层次）、固态流变构造、大型伸展 剥离断层和逆冲推覆构造
因此，美国的一批构造地质学家和大地构造学家根据地球科学 发展的潮流, 于2002 年9 月在美国科罗拉多州丹佛市召开了 题为“构造地质学和大地构造学的新航程(New departures in structural geology and tectonics)”的构造研讨会. 在此次 研讨会中, 美国构造地质学家和大地构造学家在相继提出大 陆动力学和21世纪地质科学基础研究的机遇等基础上, 首次 明确指出板块构造理论模式不适合于大陆地质, 并提出超越 板块构造（Beyond Plate Tectonics）概念。
二、岩石圈的力学性质—岩石 圈的流变分层性
• 传统的岩石圈流变学分层性
均一的地壳 ——以石英为代表的流变学行为 均一的上地幔 ——以橄榄石为代表的流变学行为
新探测研究发现： • 大陆岩石圈的地壳层中和上地幔内部均发现有明显的 低速层存在，结构复杂。
• 超深钻钻探表明，地壳内部可能不存在康拉德面（硅 铝/硅镁）－－－科拉半岛设计15km，钻至11.5km结束， 仍为TTG而不是“玄武岩层” • 三明治式的多层流变模型 存在一个或多个塑性强度低的或不能干的层分隔开 具有脆性破裂特征的强度高或能干的层。这种三明治 式的多层流变结构是地壳（岩石圈）厚度、岩石学特 征、温度等物理状态的函数。
欧洲：欧洲合作研究计划
——Top Europe and Thermal Europe介绍
List of Funded Collaborative Research Projects (CRP s)
• Spatial and Temporal Coupling between Tectonics and Surface Processes during Lithosphere Inversion of the PyreneanCantabrian Mountain Belt (PYRTEC) • Timescales of Sediment Dynamics, Climate and Topographic Change in Mountain Landscapes (SedyMONT) • Plate Re-organisation in the Western Mediterranean: lithospheric causes and topographic consequences (TopoMed) • Continental Plateaus and Tectonics-Climate Interactions (VAMP) • The Scandinavian Mountain Chain: deep processes (TopoScandiaDeep)
因此，陆壳的下地壳成分可能仍以长英质或花 岗质成分为主。
大陆岩石圈成分的不均一性
大陆岩石圈的组成和物性变化很大，缺乏一
个共同的成因方式，大陆岩石圈的组成上部是 由非均一成分和具有复杂构造和热演化史的不 同块体拼合而成，因而它们具有不同的强度。 大陆下地壳的性质因地而异，不同的性质造成 了复杂多样的效应与结果，诸如活动断裂带的 宽度、造山带高度、沉积盆地以及被动大陆边 缘的下沉速度的差异等.
（四）大陆变形中的流体作用
大陆变形中的流体作用值得重视, 因为大陆岩石圈与流体和熔体 的相互作用可以大大改变其流变学结构, 而我们对流体存在的效应 和作用过程还知之甚少. 实验研究表明矿物中微量含水组分对改变 岩石圈流变学行为的重要性。极少量的水都会对岩石的延展性和 摩擦力产生作用。如：
发育完整的走滑断裂(如圣安德列斯断裂) 的内部各带要比典型 的地壳岩石软得多, 而断裂带内流体压力的增大是这种软弱性的可 能原因。 脆-韧性过渡变形似乎与断裂作用中的流体作用密切相关, 这种 关系体现在影响断层和寄主岩石的正负膨胀变形机制上。 颗粒粒度减小和岩石与断层泥的混合改变了断层寄主系统的渗 透性。 流体迁移影响颗粒接触部位的溶解、运移和胶结物的沉淀。
两种可能模型： 1、大陆地幔岩石圈相对强硬, 因 此它以板块形式消减, 而软弱的、 具浮力的地壳被遗留在后形成加 厚的造山带 2、地幔岩石圈的行为的更像流 体. 地幔回流可能卷入了一个稳 定的对称或非对称的下降流, 或 者幕次式的水滴状回流。 陆—陆碰撞的不同地幔回流方式 的数字模型 (a)大陆岩石圈地幔以板块方式俯 冲消减; (b)具有幕次式的水滴状脉动的 对称回流. 变形轨迹网络显示聚集主密度, 箭头表示相对速度矢量
• From Source to Sink: integrated natural hazard assessment through the quantification of mass transfer from mountain ranges to active sedimentary basins (SourceSink) • Refined European Sea Level Estimations by Combining Altimetry, Tide Gauges, Hydrographic and Other Data Sets with Improved Regional GIA Modeling and Tailored Regional GRACE Gravity Field Models (RESEL-GRACE) • Mantle Forcing of Earth Surface Evolution in Europe and the Mediterranean: from past to present (Topo-4D) • The Topographic History of the Alps and its Tectonic and Climatic Drivers (TOPO-ALPS) • Coupled Climatic/Tectonic Forcing of European Topography revealed through Thermochronometry (Thermo-Europe)
3.大陆地质研究的深入对传统板块构造理论在解释大陆地 质方面提出质疑和挑战.比如：
两个大陆间的大洋板块俯冲消减之后, 两相碰撞的大陆块体的地 壳部分和其深部会采取什么方式继续造山活动 深部过程和拆沉与底侵作用在大陆造山过程中的效应 大陆中、下地壳的相对强度 大陆变形所采取的力学方式及物理化学机制