岩石大地构造学的几个实例

梁光河

lgh@mail.iggcas.ac.cn

1 岩石大地构造学概念

在板块构造说的形成和发展过程中，早就注意到了一些特定岩石组合产生在一定的大地构造（板块）部位、如蛇绿岩套、混杂堆积、双变质带等，就将它们作为识别板块缝合带的重要标志。由此出现了一个介于岩石学、大地构造学和地球化学之间的边缘学科—岩石大地构造学（Petrotectonics）。其主要目的是用岩石组合识别古板块碰撞的边界。

现代板块及其边界，在地震、热流、地貌等方面都有明显的标志。对于已经消减、变动的古板块，则只能通过地史中保存的地质记录（岩石）来识别边界并再造其构造史。迪金森（Dickinson）在上世纪七十年代提出了岩石构造组合（Petrotectonic assemblages）的概念，强调在一定的板块边界和大地构造环境中发育了特有的岩石组合。

我们脚下的大陆大多是多个地体或者被深大断裂围限的地块拼合而成的板块，在长期的地质演化历史上，它们不断裂离漂移又聚合，形成多个时期的超大陆板块。从这个意义上讲，板块构造说没有问题。板块构造存在的问题主要有两个，一是板块运动的动力机制问题，二是在板块划分中把陆壳和洋壳混淆在一起作为一个板块，存在实质性问题，因为二者无论从物质成分还是从厚度以及形成历史都相距甚远。 但板块构造说总结的各个板块的拼合过程以及所体现的岩石构造组合没有问题，能够在大陆漂移以及它们的拼合过程中得到验证。

2 古板块碰撞边界的岩石学特征

无论是古板块碰撞还是现代板块碰撞，从地形地貌上其特征就是形成造山带，从岩石学上看会出现特殊类型的岩石，如超高压变质岩带、蛇绿岩和混杂堆积、双变质带、埃达克岩等。它们都能在当前地球上找到典型实例。

2.1 超高压变质岩

将含有微粒柯石英、金刚石，变质压力在2.5GPa以上的变质岩石（榴辉岩、钙硅碳酸岩、硬玉石英岩、蓝晶石等）称为超高压变质岩（Ultrahigh-pressure metamorphic rocks）。一般认为它们是大陆碰撞后地壳深俯冲又折返到地表的产物。

这类岩石大多属于两个大型板块迎头相撞的结果，典型的例子是在240-220Ma期间，华北板块和扬子板块的碰撞形成中国的秦岭-大别-苏鲁造山带和其中的超高压变质岩。碰撞之前华北板块向南漂移，扬子板块向北漂移。它们迎头相撞后形成中国的中央造山带，即秦岭-大别-苏鲁造山带。最新的研究结果表明，原始的中央造山带应该是呈北西西向分布在中国的中部，将中国分为华南和华北，该造山带在新生代因郯庐断裂带发生大规模左旋走滑活动，才将秦岭-大别山-苏鲁造山带错开，水平断距超过600公里（图1）。

图1 秦岭-大别-苏鲁超高压变质带和中央造山带

2.2 蛇绿岩和混杂堆积

蛇绿岩（Ophiolite）传统上指由放射虫硅质岩、枕状熔岩和蛇纹岩化的超镁铁质岩构成的特殊岩石组合，是古洋壳消减后残存的碎块。蛇绿岩的存在，标志着古洋盆的消失，因此是鉴别古俯冲带和地壳缝合带的重要标志之一。大多数蛇绿岩都呈蛇绿混杂堆积状态保存，只有当蛇绿岩仰冲到刚性陆壳上时，才有罕见的较完整保存机会。

混杂堆积（Melange）是指经过强烈剪切、破碎和变形，难以识别的各种岩石的混合物。形成于板块俯冲带，原地形成的海沟沉积岩与俯冲的洋壳、地幔碎块刮下的远洋沉积物，经构造混杂而成，是板块俯冲消减带的一个重要标志。

也就是说，蛇绿岩和混杂堆积是识别板块（地体）拼合的重要标志，是追寻消失大洋和确定板块边界的最重要证据，这方面有很多典型实例。

关于蛇绿岩的成因，目前仍存在很多争议。新大陆漂移模型认为，大陆板块和地体自己会漂移，动力机制是其后面连续的伸展构造形成的造斜和沿斜坡产生的重力滑脱。蛇绿岩的形成分三步：

（1）  其原始形成于大陆漂移过程中，在大陆后面不断上涌的地幔，部分区域地幔上升到海底，地幔岩发生水岩反应形成蛇纹岩化的超镁铁质岩，同期形成枕状熔岩和含放射虫的硅质岩。这些岩石存在于古大陆漂移后形成的新洋壳浅部。

（2）  之后这些处于海相环境的洋壳区域沉积了含放射虫的海洋沉积物。

（3）  最后又有其他大陆板块（地体）在这些大洋区域发生漂移，像推土机一样把洋壳浅部蛇绿岩推向前方，与其他大陆板块碰撞拼合后，推覆到大陆板块之上，卷入到褶皱带中混杂堆积在一起。

（1）北美洲蛇绿岩和混杂堆积

在北美洲西部存在大量从太平洋西部和南部漂移而来的地体，它们在不同时期拼贴到北美洲克拉通上，形成了壮观的北美洲西部增生地体，它们由岛弧地体、古陆残片、古洋残片和海底沉积组成（图2）。这些地体之间存在数十条规模不一的蛇绿岩带，包括蛇绿岩、火山熔岩、高级变质岩及沉积岩，它们大多呈混杂堆积。

图2北美洲西部增生地体分布图

根据新大陆漂移说，这些蛇绿岩的成因机制与地体的漂移拼贴密切相关，它们应该是很多地体分别从太平洋南部和西部在不同时期漂移，最终拼贴到北美克拉通边缘形成的（图3）。这些地体在漂移过程中像推土机一样把原存在于太平洋洋壳浅部的蛇绿岩推覆到北美大陆板块之上，混杂堆积在一起。这个漂移过程不但能够得到岩石大地构造学证据的支持，也能得到古生物、深海钻探、古地磁以及海底磁异常条带等证据链的支持。

图3北美洲西部增生地体成因机制动画图（底图为NOAA海底地形地貌图）

（2）完达山蛇绿岩和混杂堆积

利用大陆板块漂移后留下尾迹和火山岛链的特征，可以很容易推断欧亚东缘诸多陆块的来龙去脉，并甄别出其漂移的先后顺序（图4）。图中实线框代表当前陆块的位置，虚线框代表其漂移前的位置，虚箭头指示其漂移路径，虚箭头上的数字指示其漂移顺序。在这些陆块分离漂移之前，包括堪察加、日本三岛（本州、四国、九州）、朝鲜半岛和海南岛，都是拼贴在欧亚东缘的陆块。而日本北海道和库页岛及锡霍特则是从赤道附近向北漂移而来。虽然图中通过虚箭头和数字给出了相对漂移顺序，但推测它们是大致同步漂移的，也就是说不会等一个陆块漂移完成之后第二个陆块才开始漂移。日本三岛虽然都是从华南大陆边缘分离漂移到当前位置的，但它们不是作为一个完整的地块漂移，本州岛单独漂移在前，四国和九州一起紧随其后漂移。依据是西南日本和东北日本以大地沟带为界，两侧构造发展史显著不同，西南日本的四国和九州岛存在多条变质带，而本州岛则不同。从图中也可以看出锡霍特地体（含完达山）和北海道地体是从遥远的南方漂移到当前位置的，锡霍特地体与欧亚的拼贴无论是在地形地貌上，还是在地质构造、地层、岩浆岩上都有证据支持，古地磁和古生物上也能提供证据支持，更重要的是在锡霍特地体西边界的完达山地区存在蛇绿岩带和混杂堆积。

图4 完达山蛇绿岩和锡霍特地体

（3）台湾和堪察加蛇绿岩

从图5的地形地貌图中，可以清晰地看出，台湾岛是由两个块体拼贴而成，台湾岛东南侧的长条形地块是海岸山脉，那是一个长条形陆块后期从南部菲律宾区域漂移过来与台湾拼合在一起的，证据是它们的拼贴处存在蛇绿岩和混杂堆积，这是板块拼合碰撞的标志性岩石组合。

从日本海区域裂解漂移到当前位置的堪察加陆块上也清晰地显示，它是由多个陆块拼合而成，其中较大的一个是图5中白色线条圈出的部分，它应该是在堪察加陆块主体向北东方向漂移过程中，一个陆块从太平洋区域向北西方向漂移，二者拼合在一起的产物。在这两个陆块的边界区域也存在蛇绿岩带和混杂堆积。

图5堪察加地体蛇绿岩和台湾东部海岸山脉地体蛇绿岩（据张旗等，2001修编）

（4）特提斯蛇绿岩

青藏高原的形成和隆升是多个大陆板块（地体）在不同时期从古特提斯洋向北漂移拼贴在欧亚大陆，并发生碰撞的结果，这些大陆板块（地体）除了著名的印度陆块，还有喜马拉雅陆块、拉萨陆块、羌塘陆块等。在它们中间存在蛇绿岩带（图6）。事实上，在古特提斯闭合过程中，在非洲大陆北漂过程中其北侧还存在很多陆块（地体），它们聚合在当前的特提斯带中，形成很多条蛇绿岩带。

图6特提斯蛇绿岩带分布图（苏本勋，2019）

2.3 双变质带

双变质带（Paired metamorphic belts）由日本学者Miyashiro(都城秋穗，1961）提出。是指空间上存在时代接近、相互平行、但变质特征截然不同（低温高压相系和高温低压相系）的成对区域变质带。双变质带的存在是地块拼贴俯冲的重要标志之一，低压带位于大陆一侧，沿岩浆弧分布，高压带则位于海沟附近。高压变质带常伴有蛇绿岩套（其年龄比变质时代老的多），与混杂岩共生，低压带中总体伴有安山质-花岗质深成岩和火山岩。

高压低温带：在海沟和海沟内壁附近，故发生高压低温变质作用，形成蓝闪石片岩（常简称蓝片岩），常和混杂岩、蛇绿岩共生，而绝少与花岗岩共生。特征矿物是蓝闪石、硬玉、硬柱石。

低压高温带：地热梯度>30°C/km，在火山弧部位，距俯冲带有一定距离，受板块俯冲压力较小，故发生低压高温变质作用，特征矿物是红柱石、矽线石片岩。

日本西南的九州和四国存在著名的北带和南带双变质带（图7），它们是如何形成的？传统上认为双变质带的形成是大洋板块在岛弧或大陆边缘之下俯冲的结果，高压带是冷的洋壳向陆壳之下俯冲所形成，而低压带的花岗岩和火山岩是由于俯冲的洋壳在深部发生部分熔融所产生。事实上这个说法是存在问题的。

图7日本西南双变质带区域和东海区域构造分布图（王鹏等，2012）

新大陆漂移说认为，日本九州和四国北带起源于华南大陆边缘的裂解漂移陆块,在漂移过程中遇到了南带至少3个微地块的漂移拼贴。从地形地貌图中尾迹上推测，南带3个微地块可能原位于日本南侧的四国海盆和帕里西维拉海盆之间，在锡霍特地块从赤道附近北漂过程中，碰撞并启动这3个地块向北西方向漂移，漂移后形成的尾迹就是大东海岭。它们与正在向北东漂移的北带陆块在琉球岛弧地区拼合碰撞，南带陆块和北带陆块碰撞过程中同步推动北带陆块，造成的挤压升温形成了双变质带（图8）。这种漂移拼贴轨迹不但能够从地形地貌图上看出，从地磁异常图上也十分清晰。

也就是说，日本西南部的双变质带成因与日本大陆板块的形成过程密切相关，日本三岛（本州、四国、九州）原位于中国东南部边缘海地区，在新生代初期欧亚东缘发生裂解，产生日本三岛微陆块并自动漂移，它们漂移后形成了琉球岛弧和东海盆地。在这个过程中还发生了微陆块（地体）的拼贴。这些微陆块之间的斜向拼贴过程产生了日本的双变质带。这个微陆块的拼贴碰撞过程也使东海盆地产生了褶皱和反转构造，并在琉球岛弧的北东向构造带上产生了一系列左行走滑断裂系统（冲断构造）。

东海盆地油气约90%储存于西湖凹陷的反转构造中，而反转构造的成因一直是一个谜，但从大陆漂移过程看，该反转构造的成因机制需要结合区域上陆块的漂移拼合总体考虑，同时也要考虑到琉球岛弧上的走滑断裂系统的形成和该区域的磁异常条带和地形地貌特征。

图8日本双变质带成因机制动画图

2.4 埃达克岩

埃达克岩（Adakite）指由年龄 ≤25 Ma的洋壳俯冲形成的一套岛弧岩浆岩系，由于这类岩石首次是在阿拉斯加阿留申群岛中的埃达克岛（Adak Island）发现并被确认的，因而被称之为埃达克岩。它是指形成于岛弧环境下高铝高锶而贫稀土的一种特殊类型的岩石组合,主要岩石类型包括岛弧安山岩、英安岩、流纹岩或英云闪长岩和奥长花岗岩，是板块拼合俯冲作用开始的标志。在太平洋沿岸，埃达克岩有多处分布（图9）。事实上这些埃达克岩分布区域，很多与蛇绿岩和混杂堆积以及双变质带重合，说明地体的拼合可以形成其中的一类或几类岩石组合。

图9环太平洋埃达克岩分布图

3 初步结论

上述典型例子说明岩石大地构造学与新大陆漂移说是吻合的，符合大陆漂移演化和碰撞规律，据此我们大致可以做出如下结论供讨论：

（1）  两个较大型大陆板块相向快速漂移发生碰撞，会形成超高压变质带。如中国的秦岭-大别-苏鲁超高压变质带。

（2）  一个较小大陆板块（地体）经长距离越洋漂移并拼贴在一个较大的板块上，会形成蛇绿岩带和混杂堆积。如北美洲西部的蛇绿岩带和混杂堆积。

（3）  一个较小板块（地体）漂移斜向拼贴在另一个较小板块（地体）上，会形成双变质带。如日本西南的双变质带。

（4）  在一个较小大陆板块（地体）拼贴在一个较大的板块上，形成年龄 ≤25 Ma，且较大板块正在发生相向漂移并向大洋迎冲，则可能会形成埃达克岩。如环太平洋的多个地区。

按照新大陆漂移的观点，蛇绿岩和混杂岩大多是大陆板块漂移过程中从洋壳推到缝合带的岩石组合；而超高压变质岩和双变质带是板块碰撞过程中温度压力变化产生的岩石变质现象；埃达克岩则是陆块拼合，陆壳加厚过程中，新生成的岛弧岩浆岩组合。它们都是大陆板块（地体）漂移相互碰撞的产物，是识别古板块边界的标志。