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中国大地构造演化简史 精选

已有 2990 次阅读 2021-7-17 11:49 |个人分类:大陆漂移|系统分类:论文交流

中国大地构造演化简史

梁光河

 

摘要:中国大陆是由塔里木、华北、华南为主体的多个陆块拼合而成,古生代多个古陆块分散漂移在大洋中;中生代多陆块早期汇聚造山,后期造山后伸展;新生代西部汇聚,东部裂解漂移。

1前古生代中国古陆块漂移

中国大陆的演化和全球超大陆聚合裂解密切相关,研究表明中国主要是由三个较大克拉通地块组成,它们形成于震旦纪之前,在震旦纪时期,华北陆块和华南陆块相距甚远,它们分别从罗迪尼亚超大陆(Rodinia Supercontinent)裂解出来,作为独立的陆块分别漂移自大洋中,而塔里木陆块还处在超大陆板块的西北缘(图1)。到寒武纪(520Ma)的时候,塔里木陆块已经从冈瓦纳大陆分离出来(图2),这个时期劳亚古陆向北漂移,冈瓦纳古陆仍是整个大陆主体。因此古生代中国大陆并没有形成一个统一的整体,这时,华北、华南、塔里木三个陆块都游离在劳亚和冈瓦纳两个古大陆之外,独自漂移在泛大洋中,各个陆块都沉积了大量海相沉积岩。

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1 震旦纪(600Ma)全球古板块再造图(李江海等,2013

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2 寒武纪(520Ma)全球古板块再造图(李江海等,2013

2中生代中国陆块汇聚-挤压造山运动

古生代和中生代之交的约2.5亿年前,全球板块已经汇聚成为盘古大陆(Pangea)。印支运动(257-205Ma)时期超大陆已经开始发生裂解,但中国大陆的主体(塔里木板块、华南板块和华北板块)却在此时期聚合在一起形成了中国大陆的框架,其外围南边的印支板块和加里曼丹板块在向北漂移与中国大陆主体发生碰撞(图3)。华北和华南的碰撞主要发生在240-220Ma,在侏罗纪中国大陆的约四分之三完成了拼贴,形成了中国大陆的雏形。之后羌塘板块、拉萨板块、印度板块等先后从南向北漂移并与欧亚大陆拼贴,才最终形成今天的中国大陆板块。

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3 中生代(203-179Ma)全球古板块再造图

侏罗纪时期,以大西洋裂解为标志的盘古大陆已经开始大规模裂解,这时候中国大陆主体才完成整体汇聚。在165Ma左右,西伯利亚板块顺时针旋转并向南运动,蒙古- 鄂霍次克洋自西向东呈剪刀状关闭,直至早白垩世完全关闭,形成蒙古- 鄂霍次克造山带(图4)。这个时期欧亚大陆同时向东运动,东南亚诸多块体向北运动,东亚各个陆块完成了大汇聚。该时段中国华北和华南大陆四面受到挤压,形成了广阔的欧亚东部造山带,中国的地形地貌特征是东高西低,与现在的西高东低的地貌特征完全相反。

欧亚东部在完成了造山运动后,又发生了中生代晚期(135-90Ma)的造山后大规模伸展构造运动。也就是说中生代早期中国大陆主要陆块汇聚,挤压造山运动起主导作用,中生代晚期是伸展构造运动起主导作用。135-90Ma时期的造山后伸展构造运动形成了中国东部很多串珠状中生代断陷盆地,其中的主伸展期在120Ma左右,这个时期也是胶东金矿的主成矿期。90Ma之后至65Ma期间随着欧亚板块的继续向东漂移,由于与太平洋洋壳的碰撞,使得中国东部发生了轻微的挤压褶皱作用,这个挤压作用在松辽盆地能够得到很好体现。

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4 侏罗纪(160Ma)全球古板块再造图(李江海等,2013

3中生代晚期中国造山后伸展构造形成机制

中生代中国的大地构造可以通过板块碰撞造山和造山后伸展垮塌的一个构造运动过程来解释,无论华北和华南都一样。都经历过造山汇聚和造山后伸展减压花岗岩大规模侵位(图5)。

中生代造山后的伸展构造造成了大规模岩浆活动和成矿作用,比如形成了胶东金矿和中国中东部大多数金矿,还形成了诸多中生代陆相沉积盆地,如合肥盆地、胶莱盆地以及华南的多个山间盆地。

通过青藏高原、美洲西部科迪拉山系和非洲东部的地质历史研究发现,在大陆板块漂移过程中,无论发生陆陆碰撞造山或洋陆碰撞造山,都会发生周期性的伸展构造运动。在碰撞造山运动过程中,虽然下地壳以下的深部一直处于挤压环境中(图5c),但地壳中浅层可能发生非严格周期性的伸展构造活动,大约平均20Ma0-40Ma)就会发生一次大规模伸展运动。这个周期性运动过程,可以理解为:当碰撞造山隆起达到一个临界高度后就会发生重力垮塌形成的伸展构造,伸展构造发生后,又会继续挤压运动,开启下一个旋回的造山隆起,隆起到临界高度又发生另一个旋回的伸展构造,整体受力环境表现为“挤压-伸展-挤压-伸展”的周期性运动过程,总体趋势是伸展强度越来越弱。

事实上伴随着造山运动形成的地形隆升,重力滑脱形成的伸展构造趋势一直存在,重力滑脱构造运动类似一种滑坡现象,只要存在地形高差,这种趋势就存在。至于是否能够形成大滑坡,取决于高差大小、滑坡体和基底岩石物性差异(界面)大小、基底锁固段阻力以及是否存在流体润滑等等因素。

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5 碰撞造山后伸展构造引发的降压熔融和花岗岩形成机制示意图,其中MBL代表机械边界层;TBL代表热边界层

这种造山后的伸展构造有两种机制解释,一种是造山带重力垮塌模式,另一种是拆沉模式。造山带重力垮塌模式包括以下阶段:(1)造山带挤压缩短,(2)造山带产生不稳定的根部,(3)造山带达到一定高度后发生重力扩散(垮塌),(4)最后形成伸展构造(6)。

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6 碰撞造山后伸展构造重力垮塌模式示意图

拆沉模式包括以下构造演化阶段:(1)造山带俯冲增厚,(2)俯冲地壳和岩石圈地幔拆沉,(3)软流圈的上涌,(4)岩石圈的反弹形成伸展构造(7)。

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7 碰撞造山后伸展构造垮拆沉模式示意图

4新生代中国西部汇聚东部裂解漂移

中生代晚期欧亚东缘的伸展构造在欧亚东部区域产生了一系列裂谷盆地,它们也是新生代中国大陆裂解的基础背景。新生代随着印度板块的北漂并和欧亚发生碰撞,在中国西部由于碰撞挤压形成了大规模的造山运动,随着青藏高原的隆升和印支、华南、华北板块的挤出作用,在大西洋北部裂解作用下,欧亚板块整体东漂,欧亚东缘陆块的挤出方向变化很大,印支地块向东南挤出,华北地块向北东方向挤出,在欧亚东缘就形成了类似雨伞被撑开的南北拉伸效应。伴随着欧亚板块的东漂,在中国东部(包括整个欧亚东缘)发生了陆缘裂解和微陆块的漂移,形成了西北太平洋一系列的岛弧(图.8)。

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8 欧亚东缘陆缘裂解成因机制示意图

根据新大陆漂移模型,很容易理解大陆漂移过程中陆缘裂解的成因机制。首先在大陆板前部形成山脉,这就是造山过程;之后伴随着洋壳的俯冲,越来越多的含水矿物进入深部,造成更多的部分熔融物质上涌,它们在大陆板块前部A的区域上涌,形成造山后的伸展构造(图9);最后随着该伸展构造进一步发展,可以造成前缘陆块裂解,裂解后的微地块如果足够大,也会主动发生漂移,形成岛弧。其实大陆板块是不同时期的陆块拼贴而成,这个裂解往往发生在造山带中的陆块拼贴部位。也往往发生在前期伸展构造形成的裂谷区域。

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9 新大陆漂移过程中形成的陆缘裂解示意图,a是裂解前,b是裂解后。

新的大陆漂移模型和板块构造对陆缘裂解的解释是一致的。板块构造把这个裂解过程解释为弧后伸展和弧后盆地的形成过程(图10)。图中a 是板块构造对弧后盆地的解释,b是新大陆漂移模型对弧后盆地的解释,说明陆缘裂解后形成的陆块也可以在地幔上涌形成的莫霍面斜坡上发生重力滑移,该图对应新大陆漂移模型c中的黑框部分,bc模型中大陆漂移前部陆缘裂解中期阶段的状态,相当于造山后的伸展阶段。

但在裂解距离更大甚至裂解出洋壳的情况下,板块构造难以合理解释,因此板块构造又补充提出俯冲带后撤模式,用于解释岛弧裂解漂移更远的情况,但俯冲带后撤缺乏理论依据和实证,更无法解释微陆块裂离后的横向漂移,如日本陆块从华南裂离后向北东方向漂移。

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10 板块构造和新大陆漂移模型对弧后盆地形成过程对比,a是板块构造对弧后盆地的解释,b是新大陆漂移模型对弧后盆地的解释,该图对应c中的黑框部分,c是新大陆漂移模型。

因为地球上各个相邻地块的运动是相互作用的,因此在考虑中国东部伸展构造形成过程中,应该把南海、东海、黄海和渤海一起考虑。南海东海盆地分别是海南岛和日本裂解漂移产生的拉分盆地,欧亚漂移前缘发生地壳流上涌,造成前端微陆块裂解,之后漂移。这些微陆块包括海南岛、日本、朝鲜半岛(图11)。

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11 中国东部新生代陆缘裂解成因机制示意图

新生代不但欧亚东部发生了大规模陆块裂解漂移,欧亚东南部的中国南海区域也发生了大规模裂解漂移,原位于中国华南附近的海南岛、南沙、加里曼丹、菲律宾和台湾地块等都伴随着南海的扩张(实为陆块的单向裂解漂移)从欧亚板块东南部裂解,并分别以不同的速度不同的方向漂移到当前的位置。

由于中生代在欧亚板块东缘产生了上万公里的造山带和高原山脉。因此欧亚东缘的裂解过程与传统的造山后形成的伸展构造运动模式有所差异,由于欧亚东缘存在古高原山脉,其体积和重力更大,因此在青藏高原隆升后的向东伸展过程中,东部高原地块首先向东滑移形成边界断裂,然后分离出东部高原断块(图12a),最后它们又发生主动漂移,形成了欧亚东缘的一系列岛弧。日本的裂解漂移形成了琉球岛弧,勘察加的裂解漂移形成了千岛岛弧等等。实际陆缘裂解过程很复杂,因为欧亚大陆也是由多个陆块在不同时期拼合形成的,因此欧亚大陆陆内具有强烈的不均匀性,各个陆块无论物质组成还是厚度以及力学性质各不相同。

这种重力滑脱的陆缘伸展模式在不同的地区由于地质结构和力学性质的差异,表现出不同的运动速率和特征,比如朝鲜半岛的裂解漂移拉开了黄海盆地,还没有拉出洋壳,相当于图12b阶段正在伸展中,古高原陆块和欧亚大陆之间仅仅存在降压上涌的地幔,拉分盆地陆壳基底还连在一起,还没有拉出洋壳。而日本陆块相当于图12c阶段伸展后已经漂移走的高原断块,后面留下了琉球岛弧。

南海则不同,那里加里曼丹等陆块在裂解后已经拉开南海洋壳,形成了南海的洋中脊和一些列海山,相当于图12c阶段中右下角的断块漂移状态,那里已经是伸展后的阶段,南海已经停止扩张,实际上是加里曼丹陆块和菲律宾陆块的漂移转向所致。南海的形成是欧亚大陆边缘陆块裂解后单向拉伸所形成,该图说明南沙和加里曼丹陆块在裂离后自带动力,沿着倾斜莫霍面漂移出去。

特别值得注意的是这种伸展构造还会受到外力的综合作用影响,印支地块的挤出是受印度欧亚碰撞影响,红河断裂带是其北边界,在挤出过程中伴随青藏高原造山后的伸展重力滑移作用,造成的结果是沿红河断裂带从西北到东南方向,走滑断裂的错动距离不一样,越往东南方向走滑距离越大,进入南海后,走滑距离更大。特别是南沙和加里曼丹等陆块漂移后,拉伸量更大。

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12青藏高原造山后欧亚东缘造山带的伸展构造运动示意图

新生代中国东部整体处于伸展裂解过程中,目前华北仍在伸展沉降过程中,这可以通过华北新生代盆地的沉积过程、当前的地面沉降和地裂缝分布范围得到体现。

事实上,除了上述大陆漂移过程中前缘地壳流上涌形成伸展构造,形成了欧亚东缘的初期裂解。随着印度-欧亚碰撞形成的青藏高原隆升,推测青藏高原在在45-24Ma期间,青藏高原已经隆升足够的高度,形成了从西到东的地形逐渐降低的地貌形态,印度板块的俯冲抬升了欧亚板块的莫霍面,造成了欧亚东缘莫霍面向东倾斜,由于欧亚东部是由多个地块或断块组成的,因此在这些陆块沿莫霍面重力滑移过程中,欧亚东缘由于存在中生代高原山脉,山脉地块厚度更大更重,滑移力更大,因此在陆缘发生了更强劲的裂解,其中3条剖面线可以描述新生代该区域宏观格局构造运动过程。图13为欧亚东南缘地形地貌图及3条剖面线位置图,图14为欧亚东南缘三条剖面线构造格架示意图,其中测线A-A’切割了青藏高原、鄂尔多斯、华北、渤海、黄海和朝鲜半岛,在青藏高原的挤出作用下,由于鄂尔多斯克拉通深度大阻力大,其运动速度较慢,从而在青藏高原和鄂尔多斯地块之间形成了挤压褶皱带和强震带。而华北陆块运动速度相对快于鄂尔多斯地块,因此在其交界处撕裂形成了汾渭地堑,朝鲜半岛从华北华南裂解后运动速度更快,在其拉力作用下,撕开了黄海、渤海和华北盆地。这个过程也使得华北和黄海地壳强烈减薄。

测线B-B’切割了青藏高原、四川盆地、华南、华夏和台湾岛,在青藏高原的挤出作用下,由于四川盆地克拉通深度大阻力大,其运动速度较慢,在青藏高原和四川盆地地块之间形成了著名的龙门山挤压褶皱带和强震带。在65-5Ma期间华夏和华南陆块运动速度快于四川盆地地块,因此四川盆地到华南和华夏陆块上拉开形成了诸多北东方向展布的拉分盆地。但在5Ma之后,随着台湾陆块向北西方向漂移对华夏和华南形成了挤压,同时伴随着风化剥蚀过程,使得华南陆块上早期形成的新生代盆地被强烈剥蚀,只剩下局部存在。

测线C-C’切割了青藏高原、华南、海南岛、南海和加里曼丹,在青藏高原的挤出作用下,华南向东南方向运动。在65-15Ma期间加里曼丹和南沙地块向东南方向的快速运动,拉出了北部湾和琼东南等新生代盆地。特别是在33-15Ma拉出了南海洋壳,使得南海地幔上涌。在15Ma之后伴随着加里曼丹地块的左旋和菲律宾陆块的转向并向北漂移,南海基本上停止了扩张。在加里曼丹和南沙地块裂解漂移过程中,南海两侧陆块被拉伸减薄并拉出海南岛陆块和西沙地块,它们之下仍是减薄的陆壳与华南相连。拉伸主要在下地壳塑性部分,拉断主要发生在上地壳部分。拉出来的海南岛、西沙和中沙地块类似布丁构造呈现似椭圆形状。

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13 欧亚东南缘地形地貌图及3条剖面线位置图

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14 欧亚东南缘三条剖面线构造格架示意图

        总之,中国东部新生代陆缘裂解的动力机制是两个方面综合作用的结果,一个方面是,在新生代早期欧亚板块向东漂移造成的陆缘地壳流上涌,形成伸展构造,使得欧亚东缘发生初始裂解。另一方面是,在新生代中晚期,随着青藏高原的隆升,使得欧亚东缘发生了造山后的重力垮塌,陆缘最外侧地块裂解后漂移,撕开了渤海、黄海、东海以及南海。

5 结论

中国大陆是由多个陆块拼合而成,主要包括塔里木克拉通、华北克拉通、华南克拉通三大主体以及其他众多微陆块,在古生代及之前,它们大多还漂浮在南半球或赤道附近区域,沉积了大量海相地层。中国大地构造演化可以简单地描述为:古生代多个古陆块分散漂移在大洋中;中生代多陆块汇聚造山及造山后伸展;新生代西部汇聚东部裂解漂移。

 

参考文献:略




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