0 引言
作为世界屋脊的青藏高原被誉为地球南极、北极之外的第三极,以其海拔高、地壳厚、面积大、纬度低、块体多、变形强、隆升快、时代新、现象典型等特征,成为现今大陆上最庞大、最宏伟、最年轻、最典型、最完整、最神奇的大陆构造单元,集中体现了大陆动力学的重大前沿科学问题,被认为是研究全球构造的窗口,是开展地球系统演化、多圈层相互作用,发展板块构造学说并建立新的地学理论的天然实验室和最佳场所,是打开地球动力学大门的一把金钥匙
[1⇓-3]。在某种程度上说,青藏高原的理论创新将引领正在孕育之中的地学革命的新方向。此外,青藏高原是我国最有潜力的战略性矿产资源的接替基地,地震、滑坡、泥石流的天然实验场和全球环境气候变化的启动器和敏感实验室。
青藏高原处于冈瓦纳大陆与欧亚大陆之间的特提斯洋岩石圈消亡、洋-陆转换、弧-陆碰撞、弧-弧碰撞的关键部位,其形成演化是中新生代以来地球科学中最重要的构造事件之一,它影响着全球,在全球构造中具有举足轻重的地位,特别是对北半球的气候变化及欧亚地区地形地貌演变有重要的影响
[3]。青藏高原在漫长的地质构造演化过程中,记录了地球深部作用、圈层相互作用和物质、能量交换作用的信息
[4-5]。青藏高原的形成机制、新生代快速隆升及其对地形地貌、生态环境、地震灾害、成矿汇储、生烃聚油、导能敛热等效应一直是国际地球科学研究领域关注的热点和前缘性课题
[6]。印度与欧亚板块的碰撞是整体碰撞,还是先东、西构造结碰撞,还是先中部碰撞,这些与东构造结、西构造结的成生及范围有何关系;青藏高原新生代是作为一个整体快速隆升,还是具有从西到东、或由北向南差异性的快速隆升也成为地质学家非常关注的焦点,其热隆的机制是什么。要解决好这些科学问题,先要明确青藏高原的真正的构造地貌范围,到底哪些构造单元是属于青藏高原,哪些现象代表了青藏高原快速整体隆升引起的效应。
本文从青藏高原的构造地貌范围出发,划分了青藏高原内部构造单元结构,重新确立了青藏高原在全球构造中的地位,归纳总结其构造演化及热隆演化机制,综述评价其隆升及远程各种效应。在前人研究基础上提出了几点关于青藏高原研究中应着重强调和重点研究内容,以起到抛砖引玉的作用。
1 青藏高原的范围及其在全球构造中的地位
青藏高原是构造运动作用形成的,是全球巨型的、典型的、具有举足轻重的构造地貌单元。构造地貌由前苏联学者提出,是指反映地壳运动和地质构造形迹的地貌,也就是由于年轻的内动力地质作用直接或间接造成的地球表面一种动态的、积极活跃的地貌
[7-8]。对研究区构造地貌进行研究是非常重要的,这是因为前人对于青藏高原崛起与喜马拉雅造山带的隆升研究往往只注重隆起与环境变化及内部机制与动力,但现今的社会发展要求,我们的科研应注重与人类更为密切,对人类活动带来更大影响的方面,如构造地貌的研究
[8];而青藏高构造地貌特征及演化是其各种远程效应的基础。青藏高原在全球构造中的地位及其构造地貌范围一直是个争议的话题。
1.1 青藏高原的范围
青藏高原是一个地貌名词,由于其主体位于我国青海和西藏两省而得名。从全球地势图上看(
图1),青藏高原犹如一面展开的红旗,雄踞全球之巅,是当之无愧的“世界屋脊”。
然而,关于青藏高原的构造地貌边界却还没有定论,不同人根据实际研究工作划分了不同的边界。目前主要有以下4种划分方案:
(1)泛青藏高原,指西起帕米尔高原,东部延伸到龙门山断裂带,北抵阿尔金山脉,南至喜马拉雅主前缘逆冲断裂带(MFT)的隆起区域。
(2)盆山原青藏高原,“盆-山-原”由马宗晋等
[9]提出,与大洋中“沟-弧-盆”相类比。该观点反映出大陆板块内部构造的复杂性及其与周边盆地的密切相关性,有利于研究盆山构造间的相互耦合、相互转换关系,但高原不好掌握,高原除去山以外只有一些小盆,怎么能称为原?
(3)大地貌构造青藏高原,指西起喀喇昆仑山,沿阿尔金山—祁连山与河西走廊边界至六盘山沿松潘地块,向南折转至龙门山—贡嘎山,再沿安宁河断裂—则木河断裂—小江断裂一线向南延伸,后转向西南至东构造结,最后沿低喜马拉雅断裂带直达西构造结。
(4)小地貌构造青藏高原,基本轮廓与上述大地貌构造青藏高原方案基本一致,但考虑到祁连山向东不好连,所以把柴达木盆地和青藏高原区分开来,认为柴达木盆地不属于青藏高原。后来1∶5万区域地质调查填图时,基本解决了与西秦岭的连接问题。从地势上看,柴达木盆地是被群山环抱的一个小盆地,是高原隆起过程中相对沉降部分, 盆地底部与周边山体的高差不大,海拔高度远高于河西走廊,因此完全可以归属于青藏高原。
在这4种划分方案中,本文拟采用大地貌构造青藏高原划分方案。该方案与《青藏高原及邻区地质图》非常吻合,也与我们前期的研究结果较为相符。这样划分后,在构造地貌上,青藏高原构造地貌单元西北接塔里木盆地,东北接华北平原,东靠四川盆地,南邻恒河平原,西达阿姆河盆地。青藏高原的整体范围如
图2[9-10]中所示,最为醒目的是处于其西部的地貌,古称“葱岭”的帕米尔高原(Pamir)。它海拔在4 500 m以上,比青藏高原平均海拔高出一千多米,被称为高原中的高原(也称“原中原”)。
1.2 青藏高原与东西半球划分
1.2.1 划分东西半球的意义
地球不是个完美的球体,存在明显的非对称性。从整体上看,北半球突起,以大陆为主,是陆半球,南半球凹陷,以大洋为主,是水半球。因此,以赤道作为南北半球的分界基本上没有争议。
然而,关于东西半球的划分争议则很大。近年来,人们通过地震方法发现地球内部有两个超级地幔树,被命名为Jason 和Tuzo
[11],其中Jason 的投影中心位于太平洋中央,Tuzo投影中心位于非洲西海岸。研究表明,两个超级地幔树互相独立,又互相影响,控制着全球构造宏观运动与基本构造格架间。由于两个超级地幔树在纬度上相差不大,呈近东西向排列,因此必然存在近南北向的地质与地球化学分隔面,进而存在一条近似连续的界线将全球分为东西两部分。根据作者前期的研究表明,这一分界线大体上会出现在亚洲大陆的青藏高原周边。因此,对东西半球界线的讨论还将关系到青藏高原的归属问题。
1.2.2 东西半球的划分依据和结果
在前人的研究中,关于东西半球的划分方案一般分为3种。第一种是地理学上的,考虑各国时间日期变更的0°和180°经线方案,把东经0~180°称作东半球,其余为西半球。第二种是地图学上的,考虑到地图制图过程中尽量避开陆地、减少切割国家疆域的西经20°和东经160°经线方案,把主要包含亚欧非大陆的半球称作东半球,把南北美洲所在的半球称作西半球。需要注意的是,东西半球的划分并没有平分全球大陆和大洋,也没有分出大陆半球和大洋半球。
第三种是大地构造学上的,由马宗晋先生提出的东西经90°经线方案(
图2中黑色虚线),将0°经线所在半球称作大西洋半球,180°经线所在的半球称作太平洋半球。马先生的方案大致考虑到了界线两侧的地壳结构、新构造、地势、地震等特征
[9,12],然而该界线切割了西伯利亚大岩浆岩省、巴颜喀拉地块等重要地质体,不利于两侧构造演化规律的凝练和总结。
近年来的研究表明,南北构造带是中国境内沿贺兰山、六盘山、龙门山、横断山脉走向的重要的地质、地球物理分界。1956年,张文佑先生讲中国区域构造课时曾说到:“这段锯齿状的南北向构造带非常重要,它是追踪两组剪切节理发育起来的,它把中国分为两个部分。东侧以伸展为主,盆地为伸展成因;西侧以挤压为主,盆地也是挤压型的。”1960年以来,本文作者之一的杨巍然先后在云南、甘肃、内蒙古、俄罗斯等地沿着该构造带一直追寻到俄罗斯贝加尔湖附近,均发现有着明显西侧以挤压为主、东侧以伸展为主的构造现象。本文作者在与俄罗斯伊尔库斯克工业大学及克拉斯雅尔斯克地质局召开的学术交流会上征求了关于南北构造带北行的意见。他们提出3种意见:其一是沿叶尼塞河至北海(西线);其二是翻山后一直向北延伸至北冰洋(中线);其三是沿贝加尔湖东北侧向鄂霍茨克海延伸(东线),绝大多数人主张中线。
综上所述,南北构造带及其向南北两侧延伸,北起北冰洋,南至太平洋,总体上围绕东经105°经线穿越了整个亚洲大陆(
图2中浅蓝色虚线是我们追寻出来的线),两侧地质、地球物理等特征差异明显。因此,本文作者在编制全球大地构造图时,采用东经105°所在经线大圆作为划分东西半球的分界线,该线以东为东半球,以西为西半球。
1.3 青藏高原在全球构造中的地位
青藏高原在全球的构造位置极为特殊。首先,它位于全球东西、南北半球交点的西北角。其次,它本身即为横跨欧亚非大陆的东西向构造带的一部分,向东与秦岭—大别山构造带相连,印支期构造的北线和中线联通太平洋,向西与伊朗高原—喀尔巴阡山—阿尔卑斯山构造相接,延伸到大西洋,形成全球最宏伟的东西向大陆构造带。再次,它面积广,厚度大,是全球构造的中流砥柱。另外,青藏高原的远程效益向南可达印度洋,向北可达贝加尔湖,并延伸至北冰洋。因此,青藏高原也是亚欧非大陆联系太平洋、北冰洋、印度洋、大西洋等四大洋的纽带和交点。也就是说,青藏高原处于全球最大、最重要的南北向构造和东西向构造的交汇处,其内部的帕米尔高原更是区域构造的中流砥柱,在规模宏大、气势磅礴的构造演化中似定海神针般岿然不动,是发展和超越板块构造理论,建立新的大地构造学说的必研之地。
2 青藏高原形成演化
青藏高原的形成演化一直是地学界关注的焦点,学者们提出了陆内俯冲模式、斜向分片增厚-侧向挤出逃逸模型,双向俯冲多元驱动机制、隧道流(渠流模式)、楔状挤出模式、纵向伸展模式、岩石圈地幔拆沉模式以及重力扩展和垮塌模式等多种形成演化模式
[13]。我们认为,印支期、燕山期和喜山期是青藏高原形成演化最关键的3个阶段,而在这复杂的演化过程中,地球内部的热能是关键的动力,而帕米尔高原是关键的纽带。
20世纪70年代初,我国石油地质专家朱夏先生在多次著文和报告中提出印支运动是变格运动的新概念,并分析了控制油气盆地形成发展的构造机制,认为印支(或海西)运动以前和以后分别属于两种不同机制的根本变化,并借用M.V.Bubnoff的“变格运动”(piktyogenese)一词来表示这种改变。本文作者之一的杨巍然查阅了印支半岛的情况,这里构造形迹不明显,二叠系与三叠系界线不清楚,出现有PT地层单位。不仅如此,在中国其他地方也有此现象,这可能就是朱夏先生被迫加上(或海西)的原因吧。殷鸿福院士建立的PT金钉子剖面中,PT产状也是一致,但三叠纪的沉积、岩浆活动、地球化学、古地磁特点等与二叠纪完全不同,从理论上支持了朱夏先生印支运动是变格运动的观点。因此,我们以朱夏先生的变格运动为指导,首先寻找这一带是否有印支运动,追寻它与后来构造运动的必然联系。我们发现,青藏高原中的帕米尔高原是一个完美的印支期热穹窿。
根据任纪舜1∶500万地质图和对照其他地区印支运动研究情况,结合以前工作成果,本文完成一张热穹窿区域地质图(
图3)
[14]。笔者认为,帕米尓高原深部是重力异常柱,是区域强震活动的策源地,是青藏高原构造演化中的中流砥柱。帕米尔穹窿的热能越集越多,转化为应力、应变力叠加到重力能上,使异常重力能柱下沉到600 km深度。同理,4个洋盆同步受到挤压形成构造带,它们整体构成了青藏高原的物质基础。
当喜山期印度陆块碰撞时,俯冲有限,导致这些物质反向逆冲到现在的高度。3条洋盆向东延伸形成印支期的造山带。我们可以从3个不同的时空和形成机制来描述青藏高原的形成和发展,即以热隆升为主导的印支-燕山期构造带(北区)、以印度陆块碰撞为主导的喜山期碰撞构造带(南区)和以深源地幔树的分枝上升导致的青藏高原整体隆升。
许志琴院士对帕米尔热穹窿做了很多工作,认为帕米尔片麻岩穹窿代表来自下地壳同时发生的岩浆、变质和变形作用的记录,其最初的形成与雅鲁藏布江新特提斯大洋岩石圈板片向北俯冲到拉萨地体之下有关,并叠加了新特提斯洋关闭后陆-陆碰撞阶段的多期岩浆事件。帕米尔片麻岩穹窿的出露,表明该地区经历了大幅度的抬升,与新特提斯洋俯冲有关的弧岩浆的根部已经裸露
[15]。
帕米尔高原是一个印支期形成的热穹窿构造,穹窿的核部在穹窿的西南角,以Ar
2-3岩体、Ar
3-Pt
1花岗片麻岩为核心,周边为Pt
1-Pt
2、Pt
3环绕(
图3),许志琴院士所提供的片麻岩群示意图(
图4a)应该是帕米尔窿东北角的Pt片麻岩组的花边褶皱,其片麻岩穹窿的结构示意图(
图4b)很完美地把二者结合起来了。
青藏高原由印支运动拉开了序幕和开启了征程,分两个地区3个阶段。南、北区以拉萨构造带和羌塘地块间的龙木错断层为界。3个阶段分别为:北区帕米尔高原热穹窿(印支期为主体)形成,分别向东西和南扩展;印度陆块碰撞(依序形成拉萨、喜马拉雅造山带及北区老构造活化带);2.6 Ma以来,地幔树的3个分枝进入青藏高原深部并使青藏高原整体隆升。
2.1 青藏高原印支期形成演化
帕米尔高原是青藏高原印支运动的中心,有4条构造带与之有关(
图5)
[14⇓-16]。第一条从帕米尔高原顶部沿塔里木陆块北界约E40°经北山、索仑、林西,从东北平原底部通过后一直进入日本海。第二条从帕米尔高原东部沿喀拉昆仑山、昆仑山、秦岭-大别山,被郯庐断裂错形后,进入渤海。第三条从帕米尔高原东南角向东生长,基本上沿着现代金沙江的位置向东延伸,当碰到松潘地块和华南陆块时逐渐转为南北向而到印支运动命名地——印度支那半岛。
帕米尔热隆向东扩张形成3条先开后合的构造带,向西扩张形成一条,向南形成羌塘地块。索仑—林西构造带,即印支构造带,二叠、三叠纪的地层是一致的,但沉积岩特点不同,变质变形年龄为(223.14±1.75) Ma,早中三叠世同碰撞过铝质花岗岩淡色二长花岗岩年龄为(246.7±5.5) Ma,斜长花岗岩年龄为(233.7±12) Ma,二云二长花岗岩年龄为234.14 Ma。 这条线很重要,它是中国陆块(塔里木陆块、华北陆块)与西伯利亚陆块的分界线,相当于特提斯洋与欧亚大陆的分界线。它虽然不在青藏高原上,但它是直接与帕米尔地块相连,和青藏高原有亲缘关系。
2.2 青藏高原古近纪—新近纪形成演化
古近纪,印度大陆与中国大陆的碰撞是惊天动地的地质构造事件,形成了雄伟的喜马拉雅造山带。
印支运动建立了青藏高原的基本格架,完成了喜山运动。青藏高原燕山造山不明显,这是因为三叠纪以后没有大洋(仅有残留盆地),只有陆内造山带;由于冈底斯地块活动性强烈,可以称之为陆间造山带,是先压后张的陆间造山带。杨巍然等的研究
[17⇓-19]表明燕山怀柔汤河口初步建立的陆内造山带的动力是内因(热隆起),这样就很好理解青藏高原隆升时,印度大陆的强烈碰撞为喜马拉雅造山提供动力,但青藏高原整体隆升时间较晚,7~3 Ma以后的造山是属于陆内造山,应该是热隆。青藏高原在本阶段的演化可概括为挤压(碰撞)—伸展(拆离)—整体热隆。
这次挤压高峰期约为50~30 Ma,与此伴生的榴辉岩、花岗岩等非常发育。稍后,应力松弛,形成著名的藏南拆离系。青藏高原整体性隆升后在重力作用下,向两侧滑动并形成滑来峰,以南向为主。靠近山体底部,由于重力扩张而形成小型推覆构造,如喜马拉雅山与龙门山。在这个阶段的演化过程中,能量是物质基础,能量是动力机制;热能和势能成为主导因素,并且能量可以单方向转换,即势能可以转换成热能
[10,20],当高原隆升到一定高度后,重力势能就转化成热能,热能叠加在势能之上引起更大的变形和更加快速的隆升(
图6)
[21]。
中新世早期—末期
[22⇓⇓-25],来源于深部的地幔热物质体(热流体)开始呈火炬状向上运移,青藏高原软流圈重新调整,出现新的软流圈的热隆起,加厚的下地壳发生热软化,中下地壳顺层汇聚了大量热物质体;高原南部构造体制发生了转换,高原内部及南部开始发生伸展松弛,在早期形成的挤出体外侧发生了水平伸展拆离,藏南一系列滑来构造体形成,并伴随大量的淡色花岗岩浆上涌。中新世中期,由藏南拆离系伸展拆离作用控制的快速冷却,前后冷却速率的明显转折变化指示了剥蚀驱动机制的转变,高原伸展体制开始向东西向伸展转换
[26-27];中新世晚期
[28],地幔深部火炬状热物质持续快速上升,藏南岩石圈热汇聚熔断拆沉减薄,软流圈大量热流体上涌,青藏高原开始整体上升,在高原核部一系列以南北向为主的正断层开始活动,而在高原周缘地区向外逆冲扩展,早期形成的部分逆冲断层开始活化。上新世中晚期
[27,29],在喜马拉雅弧形造山区,由于前缘端一系列逆冲断层的强烈活动及后缘端正断层的强烈活动,从而在弧形造山区形成了典型的断片构造,断片体在两种断层作用下向上快速挤出,从而在弧形断片区形成了一系列挤出隆起山脉,弧形区包括珠穆朗玛峰在内的全球最高的7座8 000 m以上的高峰形成
[30],全世界10座超过8 000 m的高峰其中有7座均在此断片中形成(
图4)。弧形断片区7座高峰以及整个高原隆升到一定高度,发生重力均衡调整,重力负异常,陆内重力拆离滑覆,形成5个伸展滑覆构造(
图5);地幔热流-气候联动造成青藏高原再一次整体快速上升
[28,31];在高原内部强烈走滑拉张、南北向伸展热隆构造系统形成,并在其中以温泉、火山等形式释放出大量的热;而在高原周缘形成强烈走滑挤压,从而形成以高原核部为中心的外凸形构造格局,此时高原整体构造-地貌形态最终定型。
2.3 青藏高原第四纪形成演化
第四纪地幔树上升,有3个分枝进入青藏高原之下(
图7)
[32]。前期在地幔热隆升作用下形成的以伸展为主的阶段。期间,以帕米尔为代表的地幔枝呈火炬状向上运移,调整青藏高原软流圈,出现软流圈热隆起,下地壳热软化,中下地壳顺层汇聚大量热物质。青藏高原南部构造体制发生转换,青藏高原内部及南部开始伸展松弛,先期挤出体外侧发生水平伸展拆离,形成藏南系列滑覆构造体,并伴随大量的淡色花岗岩浆上涌。青藏高原开始整体上升,以南北向为主的一系列正断层开始活动,青藏高原周缘地区向外逆冲扩展,早期形成的部分逆冲断层开始活化。随着地幔枝的持续快速向上生长,藏南岩石圈热汇聚熔断拆沉减薄,软流圈大量热流体上涌。在演化后期,青藏高原隆升到一定高度,发生重力均衡调整,陆内滑覆
[10]。高原内部强烈走滑拉张,南北向伸展热隆构造系统形成,以温泉、火山等形式释放出大量热能(
图6,
7)。高原周缘形成强烈走滑挤压,喜马拉雅带的挤出造山更是把深埋地下的基底岩系突破,寒武系—白垩系的盖层直冲云霄,使得这里集中了地球超过8 000 m以上的高峰中的七座,最终导致青藏高原整体上升造成现在所见的构造地貌景象(
图6)。
3 青藏高原形成演化的动力模型和机制分析
板块构造观点认为在水平推力和垂向重力拉的作用下板块俯冲,并将地幔对流来作为板块俯冲的根本动力。自从大陆岩石圈“果酱三明治”结构(jelly sandwich lithosphere)提出以来,大陆岩石圈可能存在软弱的下地壳成为研究热点,有学者甚至认为这些软弱的地壳具有大尺度的流动性,并逐步将板块构造理论引入对青藏高原的形成演化分析中,认为青藏高原的隆起是由印度板块和亚欧板块的碰撞挤压和深俯冲导致的。
实际上,虽然印度陆块从位于南半球的冈瓦纳大陆裂解并漂移到当前位置已得到普遍认可,但陆壳的驱动力从大陆漂移学说提出至今一直存在争议。大量研究表明,地壳仅存在非常有限的俯冲,并不存在深俯冲带,所谓的地幔对流至今未发现可靠证据,因为其根本不存在
[17]。因此,有部分学者认为从大陆岩石圈多层性和力学强度不均匀性表征看,应该抛弃传统“果酱三明治”构造模式,建立超越板块学说的新的构造观。板块,特别是陆壳是不可能深俯冲和对流的,其在地球物理性质上表现出来的差异,更大可能是能量转换过程的非均匀性导致的。热能和重力势能是地球构造演化中最重要的两种能量,重力势能使物质向地心聚集,与物质的质量有关;热能则使物质向地表升腾,与温度有关。前期,我们曾探讨过势能和热能相互转换的机理,并建立了一个势能(引力)和热能(排斥力)转换和对流的模型
[17],而青藏高原正好是展示能量转换的一个完美实例。
3.1 以帕米尔为中心的印支期动力模型
通过前文对帕米尔高原的构造解剖,我们认为帕米尔热穹窿对青藏高原的影响主要发生在印支期,至燕山期影响逐渐消亡。根据前人资料,我们以帕米尔高原为代表,建立了印支期青藏高原演化的深部动力机制模型(
图8)
[33]。其中,
图8b是参考南北向切过帕米尓高原的壳幔三维P波层析成像结果
[33-34],红色为低速异常区,蓝色为高速异常区。检测板显示该剖面在各深度的反演结果均良好,尤其是在440~710 km深度的上地幔到过渡带内没有出现分辨率显著变差的现象。因此,可通过该剖面一览帕米尔高原深部构造的全貌。该剖面显示,现今帕米尔高原下部存在直径约200 km、深度约600 km的高速体,高速体两侧则为向上隆起的低速异常体。
图8a是结合前文论述以及地球物理资料绘制的示意图,颜色指示的意义与
图8b相同。
早期,发源于外核的地幔热流体打破了帕米尔地区原有的物质和能量的平衡,形成了巨大的高密度、高温、高压、低速的地幔热隆。地幔热隆导致莫霍面逐步向外围倾斜,在重力作用下发生侧向滑脱,形成地幔隆起-莫霍面倾斜-重力滑脱的连锁反应
[35]。因此,在早期地幔热隆的不断抬升起代表了核幔物质相对地心的离心运动,上覆陆块的侧向滑脱代表了岩石圈物质的水平向伸展(
图8a)。从能量的角度看,这一过程完成了热能从核幔深部向地壳浅层的传导,热能处于支配地位,起主导作用。
前人研究表明,相同势能条件下,具有热流变结构的地区更易于产生形变,而实验证明应变能可以转化为热能
[36]。晚期的帕米尔地幔热隆逐渐衰弱,重力势能则不断得到积累,当重力势能突破热能并占据支配地位后,热隆体在垂向上转为向下(向心)运动,重力势能在易发生流变的部位逐渐转换为应力应变能和热能。热能又驱使两侧物质熔融、上升,形成新的、规模相对较小的软流圈热隆(
图8b)。与此同时,上覆地块向帕米尔中心剧烈收缩,把之前分散的块体聚集起来,在水平方向形成挤压和走滑。
概括起来,帕米尔高原印支期的构造演化,早期以热能为主驱动力,表现为垂向上的离心运动和水平方向的伸展运动;晚期以重力势能为主驱动力,表现为垂向上的向心运动和水平方向的挤压运动。
3.2 以喜马拉雅构造带为中心的新生代陆陆碰撞动力学分析
新生代印度板块与欧亚板块的陆陆碰撞是地球演化史上一次非常重要的地质事件,也是造就青藏高原及其南缘的喜马拉雅构造带的关键因素。新生代,青藏高原以喜马拉雅构造带为中心进行了陆内各种演化。喜马拉雅构造带的形成与新生代印度板块与欧亚板块的持续碰撞挤压及造山后的伸展拆离有关,是多种运动形式(水平运动-垂直运动)和多体制(挤压-伸展)转换下、不同阶段的地壳运动导致。在这复杂多阶段的演化过程中,来源于地核内部的热物质体不断向上运移,在不同的圈层界面发生多次水平运移,即热物质从地球深部向地球浅部运移时发生了多次的垂-平转换过程,引起不同圈层、不同层次的“挤压-伸展”转换
[13]。新生代早期,青藏高原内部伸展松弛,软流圈重新调整,热流体向上运移,出现新的软流圈的热隆起,加厚的下地壳发生热软化,中地壳顺层汇聚了大量热物质体,在早期形成的挤出体外侧发生了水平伸展拆离,形成主拆离面、主滑脱面并伴随一系列滑来构造体形成(
图5,
6)。中新世,藏南岩石圈拆沉减薄,软流圈大量热流体上涌,重力均衡调整,陆内滑覆,地幔热流-气候联动造成青藏高原整体快速上升,高原周缘形成强烈挤压,高原内部强烈拉张,沿南北向发生热流上涌,出现了南北向地堑中的温泉等高地热异常特征
[13,31,35],并形成了多个伸展变质热穹窿体(
图5)。构造和气候联动因素引起的强侵蚀双重作用导致周缘异常高海拔山系的形成,季风加强,周缘山系及盆山结构的最后成型,地幔热流体的上涌、地壳多阶段多体制的伸展(逆冲)以及重力均衡调整作用造就了珠峰及整个青藏高原现今的构造地貌特征
[13,28]。
3.3 晚期青藏高原整体隆升的动力学分析
最新的地震学研究显示,地幔上升流呈树形结构,底部为细长的树干(尾),上部为由众多枝杈组成的树冠
[37-38]。其中,名为Tuzo的超级地幔柱在青藏高原深部形成了3个枝杈
[39],西侧一枝在地表的投影位于帕米尔高原,中间一枝位于藏北可可西里附近,东侧一枝位于若尔盖—甘孜一带(
图7)。地幔枝导致区域软流圈隆起,下地壳软化,热物质不断顺层向周边中、下地壳汇聚堆积,为青藏高原的形成提供雄厚的物质基础。因此,可以认为青藏高原正是在这三个地幔枝的共同托举下完成的,地幔热隆所提供的、源源不断的热能是青藏高原隆升的根本动力来源。
4 青藏高原的远程效应分析
青藏高原的隆升及其形成演化是欧亚板块新生代最令人瞩目的地质事件,其直接影响到岩石圈浅部及地壳表层与人类生存发展息息相关的地形地貌、能源、资源、生态、环境和灾害等,产生了具有举足轻重的近区及远程效应。3个远程效应分别是贝加尔湖裂谷、汾渭裂谷以及东非三叉裂谷的形成。青藏高原的形成在欧亚板块上南、北分别形成了两个醒目的新生代裂谷:贝加尔湖裂谷和汾渭裂谷。由于印度板块与欧亚板块的碰撞而形成了相对高的地势,而在印度板块南形成相对较低的地势。强化了大西洋裂谷带的活动,向西形成阿曼裂谷带,东非裂谷带活化以及亚西湾裂谷带,加速了三叉裂谷的形成。现今大陆区非洲的东非裂谷、欧洲的贝加尔湖裂谷和亚洲的汾渭裂谷3个显著发育的裂谷带,均表现出地壳伸展、岩石圈拆离、软流圈底辟上涌和高热异常等特征,这可能是大陆碰撞远程效应触发的
[40]。
东非裂谷位于非洲大陆,是典型的大陆内部裂谷(
图9)。其成因与深部作用热幔柱构造有关。热幔柱和板块构造是地球内部两种不同的对流模式,在很大程度上各自独立活动,它起源于核幔边界,新升起的热幔柱有一个巨大的球状顶冠,可引起地壳上隆和流溢玄武岩火山作用,并且可以造成区域变质作用和地壳熔融以及不同规模的地壳伸展
[41]。
天山—贝加尔活动构造带(
图9)是青藏高原形成演化远程效应导致贝加尔裂谷形成的纽带,发现在这个部位的70~250 km的深部有一条北东向的密度、速度陡变带,它是新生代的冷地幔和热地幔的交界带,与浅部构造存在立交关系,对亚洲大陆的现今构造运动和应力场具有重要的控制作用。正是这个上地幔的物性陡变带,在它与岩石圈上部断裂带的交切部位,引起了古老断层局部地段的活化和地震。这个带的地震是一种因为深浅构造不同而产生的结构性地震,性质上为大陆内缘地震
[42]。裂谷深部存在高温驱动的流体和热循环,其与板块运动密切相关
[41]。贝加尔裂谷是现今大陆内部最年轻的大陆裂谷之一,岩石圈断裂的位置及其陡倾穿过地壳并在北东侧形成地堑的形态(
图9)。由图可见,岩石圈断裂位于贝加尔地堑北侧,穿过莫霍面,地堑宽度只有 30 km左右
[40]。贝加尔地堑下方莫霍面隆起约 6 km,指示玄武质岩墙的底侵,这种情况也出现在大兴安岭深反射地震剖面上。贝加尔地壳剖面说明,大陆内岩石圈断裂不一定源于区域应力场的不均衡,也可能为大陆碰撞等其他因素
[41]。贝加尔裂谷的深部结构不是壳下岩石圈被热的软流圈物质机械代替的过分简单的模式,而是青藏高原形成的远程效应下,裂谷区的岩石圈强烈的构造热活化,软流圈底辟上隆、熔体侵入,还可引起十分不均一的高热流异常场
[41]。贝加尔裂谷系与中国东部的伸展作用是同时发生的。贝加尔裂谷系的伸展构造特征与中国东部断陷盆地和火山作用以及汾渭裂谷系有很多相似之处,且它的许多特征介于二者之间,呈过渡状态,都是青藏高原形成的远程效应导致的岩石圈伸展
[43]。
由于印度板块快速向北的漂移以及与欧亚大陆持续的汇聚碰撞作用不仅造成了青藏高原的快速隆升,从而对中国西部盆山原构造格局的形成以及古生态环境的演变产生了深刻的影响
[3,44];而且这种持续的碰撞作用的远程效应,引起横断山断裂带—龙门山断裂带—六盘山断裂带—贺兰山断裂带传导性的强烈活动,引起鄂尔多斯地块开始逆时针旋转
[35,45],汾渭裂谷西侧的地块向北运动;而太平洋板块向欧亚板块深俯冲,也引起了华北板块东部地块逆时针旋转
[46],汾渭裂谷东侧的地块向南运动,从而导致汾渭裂谷构造应力场发生了明显转换,汾渭裂谷开始伸展裂陷
[47-48]。汾渭裂谷两侧的大型右旋剪切力偶及软流圈底辟、地幔上隆作用下,地幔热物质向上运移,莫霍面以下的物质逐步形成似层状、透镜状高温熔融体,这种熔融体不仅引起汾渭地堑带下地壳物质过高的增温,也为岩石圈强烈减薄提供了热动力;下地壳物质过高的增温引起莫霍面及居里等温面弧形突起。
青藏高原的形成还引起其内部各种能源效应。如青藏高原被塔里木、柴达木、鄂尔多斯、四川等含油气盆地所环绕,这些前陆盆地盆山耦合带发育的大规模逆冲推覆构造带是十分重要的油气富集场所。青藏高原内部羌塘中生代海相盆地和新生代陆相盆地(如伦坡拉盆地)也有较好的油气生成环境。青藏高原的形成还引起其内部各种资源效应。青藏高原大规模成矿作用主要发生在板内构造环境,青藏高原南部具有极好的板内铜铁多金属成矿环境,17~15 Ma的峰期热隆伸展作用导致主期大规模铜铁多金属成矿
[49]。在板内下地壳层流加厚、岩浆形成、流体活动和上地壳热隆伸展、构造减薄、岩体就位的环境下发生金属成矿大爆发。中国东部及青藏高原东部(如玉龙斑岩型铜矿床)、“三江”地区、秦-祁-昆带的主期成矿作用基本上也是板内伸展构造环境。此外,青藏高原热隆伸展提供了丰富的地热资源,如当雄-羊八井地堑地热带分布有那曲、谷露、羊八井、羊易等高温温泉,定结-申扎地堑地热带分布中扣乌、萨迦等中、高温温泉,另外还有阿里朗久温泉等。青藏高原的形成还引起其内部各种生态环境资源效应。青藏高原隆升对中国、亚洲乃至全球的环境变化带来深远的影响
[50-51]。高原隆升最直接的效应就是影响全球和区域的气候变化、植被生态环境和冰冻圈改变。青藏高原快速均衡隆升对中国地貌格局演变、季风系统、生态环境变化、生物分区演变、中国西部冰川、荒漠、沙漠、戈壁、黄土环境形成演化过程,湖盆与湿地演化,长江和黄河等巨型水系变迁等均有影响。青藏高原的形成还引起其内部各种灾害效应。青藏高原地壳活动和快速隆升导致大型地质灾害频繁发生
[52⇓-54]。中国大陆2次大于8.5级的巨震都发生在青藏高原(1920年12月16日海原8.5级地震和1950年8月15日墨脱8.6级地震)。此外,1951年11月18日当雄8级地震和2001年11月14日东昆仑8.1级地震都与青藏高原大型活动断层有关。位于全球阿尔卑斯—喜马拉雅地震带的青藏高原地壳平均厚度一般为60~80 km,以浅源地震为主,下地壳基本上没有地震,地震震源多集中在15~40 km的深度范围,其中30~33 km深度是一个震源深度优势层
[55]。此外,2000年4月9日世界罕见的高差达3 350余米的易贡大滑坡和青藏高原与周边盆地过渡带大范围的泥石流频发区是青藏高原隆升和地貌巨变的产物。地质灾害除受天文、气候等因素制约外,主要是地质构造问题,大陆板内地震与大陆动力学过程密切相关。青藏高原地震呈弥散状分布,并且板内多震强震区是年轻的地壳加厚区。因此,一定要搞清青藏高原及邻区地质灾害的分布、类型和成因以及青藏高原及邻区不同区带地震迁移规律和机制,有效地监控和预报青藏高原大陆动力学过程中形成的地质灾害。
5 讨论与建议
5.1 印支运动的命名和穿时问题
印支运动命名地是印支半岛,在我国广泛发育,青藏高原就起源于印支运动。在欧洲称为旧西末利运动,在帕米尔、高加索地区统称为旧西末利运动,而在阿尔卑斯地区称为新西末利运动(发生于侏罗纪),并常把它与喜马拉雅联系起来称阿尔卑斯—喜马拉雅造山带。现在情况很清楚,喜马拉雅是印度陆块和亚洲大陆新生代碰撞形成的,阿尔卑斯造山带是与大高加索直接相联,可以把它看成是印支造山带穿时现象,没有必要叫新西末里运动,统称西末里运动就可以了。
5.2 印支运动起止时间和起止类型
20世纪60年代杨巍然在研究加里东造山带结束方式时,发现祁连山和长江中、下游的加里东造山带结束方式完全不同,祁连山的志留系和泥盆系呈明显不整合,泥盆系为磨拉石建造,而长江中、下游造山带的志留系和泥盆系没有角度不整合,泥盆系为稳定的石英砂岩建造。因而,划分出结束方式分别为激进式和渐进式
[56-57]。同理分析青藏高原印支期的情况,整个青藏高原二叠系和三叠系都是连续沉积,这也说明了青藏高原印支运动的形成和结束都属于渐进式的。
5.3 青藏高原是研究各类造山带的最佳基地
我们将全球构造分为大陆、大洋和洋陆转换带3类造山带,青藏高原中存在此3类造山带。青藏高原北缘的祁连山加里东造山带就是古中国大陆和古特提斯洋之间的一个标准大陆边缘造山带;青藏高原北部的塔里木陆块原来是古中国大陆的一部分,它的北面还有一条索仑—林西印支期构造带。所以,它是中特提斯洋中的一个大岛屿,它的南面还有柴达木、松潘等许多小岛屿。
这些洋岛、海山构成了中特提斯洋中的岛弧造山带。新生代印度大陆与亚洲大陆的碰撞形成世界上最雄伟的喜马拉雅造山带。以前的造山带都是热能引起的先开后合的造山带,而喜马拉雅造山带是先合后开的类型。潘桂棠先生最近提出两个新的观点:青藏高原研究中一是要通过对洋岛与海山/洋底高原的分析来研究洋陆造山带和洋陆的转换;二是要通过大陆中洋壳俯冲增生杂岩带的分析来研究洋陆之间的关系。
5.4 喜马拉雅造山带东西构造结的确定
王谦身等
[58]详细分析了帕米尔高原五条山的形成演化,并进一步聚集而形成西构造结,得到重力资料验证,但它是地貌构造结。吴双鹏等
[59]虽然将基性麻粒岩圈出而建立东构造结,但它是岩石学构造结。地貌学、岩石学与构造学关系非常密切,但不能等同。因此,我们从构造学观点探索东西构造结的划分。它是一个构造单位与另一构造单位转换时出现的一条构造带,这里也是应力集中带,往往表现为强烈的构造活动和岩石坚硬的特点。比如西构造结,我们选择了坚硬的太古宙地层,它的边界除南界为岩性边界外,其余都是断层,非常理想(
图6)。东部也是坚硬的元古宙地层,所有边界都是断层,只有东南角一小块被第四系覆盖,这个构造结也包含了吴双鹏等
[59]认为的岩石学构造结全部面积。
5.5 帕米尔高原四维动力学模型的探索
我们不支持板块构造的深俯冲和地幔对流,但很欣赏板块工作者把地质、地球物理、地球化学结合起来做出的实际成果。本文强调的是重力(吸引)能、热能(排斥)在旋转运动的统领下相互依存、相互对立、相互转换并达到新的平衡。所以,选择了帕米尔高原这个物探工作做得很好的实例进行动力学分析,由于它是先开后合,所以各种信息保存得非常完整,经综合分析建立了一个四维动力学模型。
青藏高原起源于变格的印支运动,以帕米尔高原为中心形成先伸展(开)后挤压(合)的造山带,与此同时向东、西两侧扩展,形成4条同样性质的开合构造带,为青藏高原奠定了雄厚的物质基础。新生代印度陆块和亚洲陆块的碰撞,先后形成了冈底斯、喜马拉雅两条先压后伸展的开合造山带,喜马拉雅造山带雄居世界之巅,它是青藏高原的核心,并一直向北扩张至祁连山,完成了青藏高原形成之大业。
最后提两点建议。第一点建议:朱夏先生提出印支运动是变格运动很有理论意义和实用价值,在石油寻找开发、矿产分析、地震灾害等方面都初显成效,建议有关同仁进一步整理总结并宣传推广。深入探讨变格的含意、演化规律,共同为地球科学发展多做贡献。第二点建议:希望有关方面在青藏高原组织多学科联合研究水的形成演化作用。水是神奇而重要的,它布满地球的所有圈层,它是生命的源泉,它具有气、液、固三态,可以相互转换,转换的本身就是地壳运动的动力之一,比如固体瓦斯或干冰变成气态后体积增加1 000倍。青藏高原集中存在大量的水,水的三态齐全,而且三态是处于动态之中。因此,此项目既方便可行,又有深远意义。
感谢评审专家及编辑在审稿过程中对本文提出的宝贵修改意见。
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