大陸動(dòng)力學(xué)的物質(zhì)演化研究方向與思路

摘要：大陸動(dòng)力學(xué)是在當(dāng)代板塊構(gòu)造新的發(fā)展基礎(chǔ)上提出的重要科學(xué)問(wèn)題和研究領(lǐng)域。它從大陸尺度研究大陸形成演化和動(dòng)力學(xué)機(jī)制等基本問(wèn)題，其核心是把大陸作為一個(gè)獨(dú)立的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)來(lái)研究，通過(guò)研究大陸形成過(guò)程和演化歷史等各種基本問(wèn)題來(lái)闡明大陸與整個(gè)地球系統(tǒng)的相互作用。這里強(qiáng)調(diào)的是把大陸的研究放到演化的視野上來(lái)觀察和認(rèn)識(shí)。地球最早的物質(zhì)以及之后的演化都記錄在大陸巖石上，因此，大陸的物質(zhì)演化無(wú)疑是解開大陸動(dòng)力學(xué)之謎的基礎(chǔ)。在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)中國(guó)科學(xué)院學(xué)部聯(lián)合專項(xiàng)基金項(xiàng)目“板塊構(gòu)造與大陸動(dòng)力學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究”的支持下，提出了大陸動(dòng)力學(xué)的物質(zhì)演化研究方向與思路。

關(guān)鍵詞：大陸動(dòng)力學(xué)；板塊構(gòu)造；巖石學(xué)；演化；地殼；花崗巖；地?zé)崽荻?；洋陸轉(zhuǎn)換帶

中圖分類號(hào)：P311.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

板塊構(gòu)造是20世紀(jì)人類最重要的自然科學(xué)理論貢獻(xiàn)之一，并迅速成為地球科學(xué)的主流理論。板塊構(gòu)造很好地解釋了大洋問(wèn)題，較合理地解釋了洋陸過(guò)渡帶，但是在解釋大陸問(wèn)題時(shí)遇到困難，有人稱之為“板塊難以登陸”。大陸動(dòng)力學(xué)（Continental Dynamics）是1989年在美國(guó)地質(zhì)文獻(xiàn)中出現(xiàn)的新名詞，是在當(dāng)代板塊構(gòu)造新的發(fā)展基礎(chǔ)上提出的重要科學(xué)問(wèn)題和研究領(lǐng)域。大陸動(dòng)力學(xué)從大陸尺度研究大陸形成演化和動(dòng)力學(xué)機(jī)制等基本問(wèn)題，其核心是把大陸作為一個(gè)獨(dú)立的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)來(lái)研究，它通過(guò)研究大陸形成過(guò)程和演化歷史等各種基本問(wèn)題，闡明大陸與整個(gè)地球系統(tǒng)是如何相互作用的。

為了更好地研究大陸動(dòng)力學(xué)，2012年中國(guó)科學(xué)院學(xué)部與國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)聯(lián)合設(shè)立了由張國(guó)偉院士和楊文采院士負(fù)責(zé)的“板塊構(gòu)造與大陸動(dòng)力學(xué)”學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究項(xiàng)目。翟明國(guó)院士是該項(xiàng)目巖石與地球化學(xué)組的負(fù)責(zé)人，本文即是該項(xiàng)目的一部分研究成果。

1總體描述

（1）巖石是大陸演化的物質(zhì)記錄，記錄了大陸的起源、過(guò)程、變化和現(xiàn)狀。地球化學(xué)和同位素年代學(xué)是大陸物質(zhì)演化研究的重要手段，是現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)與地球科學(xué)融合交叉的范例之一。巖石學(xué)以及地球化學(xué)與構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地史學(xué)（含地層古生物）、地球物理學(xué)的結(jié)合，使得地球科學(xué)家們從成分、狀態(tài)、時(shí)間、空間等多維尺度進(jìn)行大陸演化的動(dòng)態(tài)變化體系研究成為可能。

（2）固體地球圈層的物質(zhì)演化研究明確地顯示出大陸演化的時(shí)控性與不可逆性。經(jīng)典地質(zhì)律條“將今論古”的“論”字將不再是簡(jiǎn)單的“類比”，而應(yīng)強(qiáng)調(diào)比較學(xué)的科學(xué)內(nèi)涵，現(xiàn)在的比較學(xué)研究雖然是初步的，但已經(jīng)前瞻性地觀察到大陸和地球從“生”到“死”的演化特征及其不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展規(guī)律。

（3）現(xiàn)代地球觀指導(dǎo)下的大陸物質(zhì)演化研究有可能進(jìn)一步揭示大陸自身的演化以及和海洋協(xié)同演化的奧秘。以花崗巖類的物質(zhì)演化和變質(zhì)溫壓體系的時(shí)代差異入手，探尋大陸從古到今演化的動(dòng)力學(xué)歷程，探討大陸內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)以及陸殼物質(zhì)/結(jié)構(gòu)的變化是否受控（繼承）于大陸形成以來(lái)的固體大陸巖石圈體系，分析發(fā)生在現(xiàn)代板塊邊緣或洋陸轉(zhuǎn)換帶的構(gòu)造作用對(duì)大陸的影響與改造的方式。這些研究是破解“板塊登陸”難題的鑰匙。

（4）固體地球科學(xué)（特別是大陸地質(zhì)科學(xué)）研究的是人類居住和賴以生存的地球大陸圈層，它的實(shí)踐性和綜合性是其他任何自然科學(xué)都不能比擬的。大數(shù)據(jù)時(shí)代給大陸地質(zhì)的研究帶來(lái)巨大沖擊、挑戰(zhàn)和空前機(jī)遇。

2重要研究方向

2.1大陸物質(zhì)成分演化

雖然一直存在“先有洋，還是先有陸”的爭(zhēng)論，但是目前地球上發(fā)現(xiàn)的最古老地殼物質(zhì)和巖石都是陸殼的。大陸的物質(zhì)成分有從富鈉質(zhì)到富鉀質(zhì)陸殼的鮮明運(yùn)動(dòng)軌跡和發(fā)展歷史，顯示了陸殼成熟化的多階段過(guò)程。很明顯，陸殼的形成、生長(zhǎng)、穩(wěn)定化和后來(lái)的洋陸相互作用記錄的海陸變遷是大陸演化乃至地球演化的核心內(nèi)容。

2.2大陸熱體制演化

地球早期是熾熱的星球已經(jīng)沒(méi)有大的爭(zhēng)議，地球隨著放射性物質(zhì)的衰變必將成為冷卻的類月星球。地球熱體制的演變伴隨著地球固體圈層的物質(zhì)分異狀態(tài)、大陸巖石類型組合的變化。地球熱狀態(tài)決定了不同深度地殼蠕變和剛性特征，必然決定了它們的運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)規(guī)律?，F(xiàn)代巖石學(xué)已經(jīng)能夠利用巖漿巖和深俯沖捕獲的深部巖石探針，以及利用變質(zhì)巖的變質(zhì)歷史來(lái)解讀不同地質(zhì)時(shí)期、不同深度地殼和巖石圈地幔的熱狀態(tài)。

2.3大陸構(gòu)造演化

大陸物質(zhì)成分以及熱體制的演化無(wú)疑為解開大陸構(gòu)造機(jī)制演化難題奠定了根基。從陸核形成到巨量陸殼生長(zhǎng)和克拉通化，再到現(xiàn)代剛性洋陸體制，大陸經(jīng)歷了前板塊構(gòu)造、初始板塊構(gòu)造、現(xiàn)代板塊構(gòu)造，也必將在未來(lái)走向后板塊構(gòu)造。地質(zhì)歷史上不同構(gòu)造體制的動(dòng)力學(xué)機(jī)制、板塊構(gòu)造的起始時(shí)間、板塊構(gòu)造對(duì)原有構(gòu)造體制（大陸內(nèi)部）的影響、是否存在大洋和大陸各自的支配性構(gòu)造體制以及洋陸轉(zhuǎn)換帶的構(gòu)造模型，都是大陸構(gòu)造演化的重要課題。

3關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

3.1陸殼起源問(wèn)題

（1）初始陸殼與古陸核：地球上最古老的巖石；初始地殼的形成時(shí)代；先有洋，還是先有陸；早期大洋的成分與狀態(tài)。

（2）早期陸殼的物質(zhì)成分：月球斜長(zhǎng)巖與早期巖漿分異事件的啟示；英云閃長(zhǎng)巖奧長(zhǎng)花崗巖花崗閃長(zhǎng)巖（Tonalitetrondhejmitegranodiorite，簡(jiǎn)稱TTG）巖漿與成因；TTG片麻巖隨時(shí)代的成分差異與原因；晚太古代巨量陸殼增生事件。

（3）早期陸殼的生長(zhǎng)方式與穩(wěn)定化：多期幕式陸殼生長(zhǎng)；綠巖帶與高級(jí)區(qū)；克拉通化與大陸巖石圈形成；太古宙/元古宙界限的地質(zhì)意義；由鈉質(zhì)到鉀質(zhì)的陸殼成熟化。

（4）大陸地幔演化及殼幔相互作用：硅酸鹽地球與巖漿海；前寒武紀(jì)大陸地幔地球化學(xué)；大陸地幔與大洋地幔的成分差異；克拉通型地幔與下地殼耦合；大陸地幔隨地質(zhì)時(shí)代的差異與演化。

3.2大陸熱狀態(tài)與熱體制

（1）地?zé)崽荻扰c地殼厚度：早期熱狀態(tài)；地?zé)崽荻入S時(shí)代的變化規(guī)律；早期地殼厚度與結(jié)構(gòu)；克拉通巖石圈的不穩(wěn)定和減薄機(jī)制。

（2）麻粒巖問(wèn)題：地體麻粒巖的成因與構(gòu)造樣式；麻粒巖地體的折返模式與穩(wěn)定克拉通的下地殼圈層；晚新太古代—古元古代熱狀態(tài)與高溫高壓變質(zhì)帶；剛性巖石圈的圈層與熱體制。

（3）地殼與巖石圈地幔的熱狀態(tài)：早期地殼的黏滯度與應(yīng)變；現(xiàn)代板塊邊界的巖石熱結(jié)構(gòu)；超深陸殼俯沖的變質(zhì)記錄；超高壓巖石的折返與地質(zhì)意義；超高壓變質(zhì)巖是否只發(fā)育在小尺度陸陸造山帶及其原因；俯沖陸殼和洋殼的循環(huán)；巖石圈地幔與地殼熱狀態(tài)的差異與相互作用。

（4）地球中年期——承前啟后的關(guān)鍵地質(zhì)過(guò)程：地球中年期新概念；地球環(huán)境構(gòu)造穩(wěn)定期；板內(nèi)巖漿與殼幔作用；非造山巖漿與礦產(chǎn)；地球化學(xué)參數(shù)與中年期大洋；超過(guò)1 000 Ma的特殊地質(zhì)過(guò)程；承前啟后的地球演化。

3.3地球歷史上的構(gòu)造機(jī)制轉(zhuǎn)變

（1）科馬提巖成因與地幔柱：科馬提巖的成因與時(shí)代特征；大陸裂谷與元古宙非造山巖漿組合；科馬提巖TTG巖石組合與鈣堿性火山巖鉀質(zhì)花崗巖組合的演化與控制因素。

（2）地殼層內(nèi)逆掩與板塊俯沖的差異和機(jī)制：早期地殼層內(nèi)逆掩構(gòu)造；鎂鐵質(zhì)—超鎂鐵質(zhì)火山巖的二次熔融； 高級(jí)區(qū)穹窿；綠巖帶與蛇綠巖問(wèn)題；高壓高溫麻粒巖與超高溫麻粒巖的溫壓梯度與抬升速率。

（3）構(gòu)造機(jī)制轉(zhuǎn)變：早期板塊構(gòu)造的起始時(shí)代與識(shí)別特征；前板塊構(gòu)造與初始板塊構(gòu)造的轉(zhuǎn)變；大氧化事件與條帶狀鐵建造（BIF）的時(shí)代性；是否在地質(zhì)歷史上曾有多個(gè)超大陸旋回及其界定。

3.4花崗巖與地學(xué)思維革命

大陸物質(zhì)的核心問(wèn)題是花崗巖問(wèn)題，但是花崗巖不能直接從地幔結(jié)晶出來(lái)，也難以用巖漿分異結(jié)晶來(lái)解釋巨量花崗巖地殼的形成?；◢弾r所凝聚的科學(xué)問(wèn)題是對(duì)板塊構(gòu)造最大的挑戰(zhàn)。將花崗巖從巖漿巖范疇跳躍到陸殼結(jié)構(gòu)的范疇是地學(xué)思維的革命。

（1）非板塊邊界的花崗巖成因：花崗巖產(chǎn)狀及其與地殼深度的關(guān)系；混合巖與陸殼活化；地質(zhì)時(shí)代與花崗巖系列演化的成因聯(lián)系與控制因素；大火成巖省與花崗巖省的非同步性。

（2）與板塊邊界相關(guān)的花崗巖成因：殼幔過(guò)程與花崗巖漿；花崗巖元素豐度與地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境的非耦合性；火成巖研究方法對(duì)花崗巖研究的局限性及其原因；洋殼的部分熔融及其相圖；超臨界流體的地質(zhì)作用。

3.5大陸與大洋的差異演化與洋陸過(guò)渡帶

洋陸板塊的相互作用是板塊構(gòu)造的經(jīng)典，是將大陸與大洋聯(lián)系的紐帶。大洋板塊對(duì)大陸板塊的俯沖以及俯沖地殼的拆沉是洋陸物質(zhì)和殼幔物質(zhì)循環(huán)的證據(jù)。洋陸過(guò)渡帶（轉(zhuǎn)換帶）的研究（特別是擺脫目前簡(jiǎn)單的弧溝盆體系的概念，深入探索在俯沖帶大陸一側(cè)的系統(tǒng)地質(zhì)過(guò)程）是理解板塊構(gòu)造的切入點(diǎn)。

（1）洋陸邊界的巖漿活動(dòng)：洋殼俯沖島弧弧后盆地系統(tǒng)；俯沖帶大陸側(cè)遠(yuǎn)程效應(yīng)；陸陸俯沖帶巖石相變與下沉、抬升問(wèn)題。

（2）洋陸轉(zhuǎn)換帶的物質(zhì)循環(huán)：顯生宙造山帶的地殼結(jié)構(gòu)；俯沖大洋巖石圈對(duì)數(shù)百千米之上大陸巖石圈的影響及其方式；拆沉作用以及陸殼循環(huán)的證據(jù)。

（3）遠(yuǎn)洋沉積物的物質(zhì)演化與洋陸變遷的關(guān)系：BIF沉積的地球環(huán)境；黑色頁(yè)巖的起始時(shí)代和地質(zhì)意義；孔茲巖系的時(shí)代與變質(zhì)特征。

3.6礦產(chǎn)資源與大陸同步演化

礦產(chǎn)資源作為特殊的巖石，不僅對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)意義重大，也敏感地記錄著地球系統(tǒng)的演化，是最具代表性的見證者。

（1）成礦作用的時(shí)代專屬性。

（2）重大前寒武紀(jì)地質(zhì)事件與成礦：3.8 Ga至古元古代的BIF沉積及其構(gòu)造意義；地球環(huán)境探針地質(zhì)演化中的鐵成礦系統(tǒng)；大氧化事件和石墨、鐵、硼成礦系統(tǒng)；裂谷與特殊成礦；地殼（水）參與循環(huán)和鉛爆發(fā)成礦。

（3）板塊構(gòu)造啟動(dòng)后的斑巖礦床：斑巖礦床形成的最早地質(zhì)時(shí)代；MoCu斑巖成礦的核心科學(xué)問(wèn)題；古生代中亞（興蒙）和秦嶺造山帶MoCu斑巖成礦與Cu斑巖成礦的安第斯型大洋俯沖帶的物質(zhì)循環(huán)差異。

3.7研究中國(guó)大陸的先導(dǎo)性課題

特殊的中國(guó)大陸處于三大造山帶的圍限下，地質(zhì)問(wèn)題很多，先導(dǎo)性研究有可能對(duì)全球大陸研究起到示范作用。

（1）華北克拉通多期陸殼演化：多期大陸增生的機(jī)制以及TTG片麻巖區(qū)與綠巖帶的關(guān)系；華北克拉通2.5 Ga克拉通化過(guò)程以及與超級(jí)克拉通的聯(lián)系；古元古代高壓超高溫變質(zhì)巖的構(gòu)造背景以及板塊構(gòu)造的啟動(dòng)；中—新元古代的持續(xù)伸展與多期裂谷事件的構(gòu)造意義以及超大陸旋回；華北克拉通中生代構(gòu)造轉(zhuǎn)折與殼幔交換。

（2）華南陸內(nèi)造山：江南古陸與華夏問(wèn)題；古生代陸內(nèi)造山帶；南嶺花崗巖區(qū)與陸殼改造；太平洋板塊對(duì)東南沿海的影響。

（3）中央造山系多階段大陸深俯沖：多階段大陸造山；小陸塊與深俯沖；超高壓巖石的折返難題；陸殼循環(huán)與底墊、拆沉。

（4）興蒙增生型造山：陸殼雙向增生；具地幔同位素特征的鉀質(zhì)花崗巖成因；特殊斑巖型成礦作用及其與安第斯成礦帶的比較。

（5）青藏高原——正在碰撞的大陸。

（6）峨眉山與塔里木地幔柱。

4研究熱點(diǎn)描述

4.1大陸地殼形成、生長(zhǎng)和再造

大陸地殼形成、生長(zhǎng)和再造是大陸巖石圈研究中最受重視的前沿領(lǐng)域之一。大陸地殼生長(zhǎng)的理論和研究?jī)?nèi)容主要包括陸殼起源和成因、生長(zhǎng)和演化過(guò)程、生長(zhǎng)速率和機(jī)制以及形成和演化模式。 近年來(lái)，國(guó)外通過(guò)精確的年代學(xué)和地球化學(xué)研究在地球早期歷史、陸殼物質(zhì)來(lái)源、陸殼增長(zhǎng)期次和主要增生方式、物質(zhì)的再循環(huán)和地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)等方面都取得明顯進(jìn)展，并向著地殼生長(zhǎng)的半定量和定量模式化研究方向發(fā)展。

根據(jù)地球上原始地幔樣品以及月球和太陽(yáng)系其他星球隕石的定年，推測(cè)地球的年齡約為4.57 Ga。目前，地球上發(fā)現(xiàn)的最古老巖石不是斜長(zhǎng)巖，而是TTG片麻巖[1]。顯生宙以來(lái)，類似TTG的巖漿雖然可在大陸巖漿弧的根部帶產(chǎn)生（如埃達(dá)克巖巖漿），但它們與太古宙TTG巖石在地球化學(xué)方面有明顯差別，數(shù)量也較少。由此也就產(chǎn)生了“先有洋殼，還是先有陸殼”的爭(zhēng)論，然而地球上至今沒(méi)有公認(rèn)的大于1.0 Ga的典型洋殼被發(fā)現(xiàn)。

太古宙TTG巖石的成因問(wèn)題是最前沿也是最困難的科學(xué)問(wèn)題?？岂R提巖漿的結(jié)晶分異晚期雖然可以產(chǎn)生TTG質(zhì)巖漿，但要分異出如此大規(guī)模的TTG巖石是很困難的。目前，較為流行的模式有：以地幔柱為基本模型，造成大火山巖省鎂鐵質(zhì)—超鎂鐵質(zhì)巖石的部分熔融；以板塊構(gòu)造為基本模型，洋殼俯沖導(dǎo)致地幔楔部分熔融產(chǎn)生玄武質(zhì)巖漿，所形成的玄武質(zhì)巖石在相對(duì)高壓條件下經(jīng)歷二次重熔形成TTG巖石，或俯沖洋殼直接發(fā)生分布熔融形成類似于埃達(dá)克質(zhì)的巖漿。然而，板塊構(gòu)造體系下的巖漿弧模式不能很好地解釋太古宙TTG巖石的巨量產(chǎn)出規(guī)模和缺少現(xiàn)代巖漿弧增生的特征。最早的陸殼巖石應(yīng)該形成在4.0 Ga之前，而后約3.8 Ga、約3.3 Ga、約3.0 Ga， 約2.8 Ga至2.7 Ga、約2.6 Ga至2.5 Ga可能是陸殼增生的幾個(gè)峰期。

太古宙綠巖帶常見的火山巖組合是超基性科馬提質(zhì)巖石、玄武巖及英安巖和流紋巖構(gòu)成的雙峰式火山巖組合，而現(xiàn)代巖漿弧的特征火山巖組合——安山巖在太古宙綠巖帶火山巖組合中所占比例卻很少，這是板塊構(gòu)造理論在解釋太古宙地殼形成方面所面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。此外，現(xiàn)代板塊構(gòu)造也不能圓滿解釋太古宙綠巖帶中科馬提巖的成因?？岂R提巖特征與現(xiàn)代洋島玄武巖（OIB）相似，其較高的MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)（高于18%）要求其地幔熔融程度至少達(dá)到40%，形成溫度在1 600 ℃之上。這么高的形成溫度在俯沖帶環(huán)境很難達(dá)到。

值得指出的是，古老的3.8 Ga西格陵蘭TTG片麻巖伴生有3.7～3.8 Ga的沉積巖和基性火成巖[2]。沉積巖中代表性的巖石組合是條帶狀鐵建造，它們是在有生物參與氧化的環(huán)境下形成的化學(xué)沉積巖，說(shuō)明在3.8 Ga之前已有水的存在，并在地質(zhì)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。盡管一些科學(xué)家堅(jiān)信能夠找到大于2.5 Ga的洋殼，但大洋的證據(jù)至今還沒(méi)有確定。也有一些科學(xué)家提出古老的大洋組成和現(xiàn)在大洋可能存在很大的差別，而且大陸是在初始陸殼、陸塊之間的小型海盆間完成大陸巖石圈的建立，因此，可能與現(xiàn)代洋殼很難從巖石學(xué)和地球化學(xué)角度進(jìn)行比對(duì)。

將2.5 Ga作為太古宙與元古宙的界限，其中的含義還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有揭示。此后的地球在2.2～2.4 Ga期間曾有一個(gè)200～300 Ma的靜止期，然后進(jìn)入氧化的地球環(huán)境，并且開始進(jìn)入類似于顯生宙的洋陸相互作用的板塊構(gòu)造體制。

中國(guó)對(duì)該項(xiàng)研究剛剛起步，還在跟蹤和模仿階段。以往的研究主要是從古老年齡或同位素地球化學(xué)和年代學(xué)示蹤角度探討地殼增長(zhǎng)期次。由于種種原因，不少年齡數(shù)據(jù)所代表的地質(zhì)意義存在較多疑問(wèn)。華北克拉通是世界上前寒武紀(jì)事件記錄最全的古老克拉通之一，中國(guó)學(xué)者有條件在該領(lǐng)域做出一定貢獻(xiàn)。

4.2TTG片麻巖與早期陸殼增生

TTG片麻巖組合是指主要由英云閃長(zhǎng)巖、奧長(zhǎng)花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖類巖石經(jīng)過(guò)變質(zhì)變形后形成的片麻巖。

TTG片麻巖主要由富鈉的斜長(zhǎng)石（鈉長(zhǎng)石/奧長(zhǎng)石）和石英組成，含有少量角閃石、黑云母和鉀長(zhǎng)石等。其巖石化學(xué)特征是：SiO2含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為64%～75%；CaO含量變化較大，為1.5%～4.5%；Na2O含量為3%～7%；K2O含量小于25%，但通常小于2%；w（K2O）/w（Na2O）值小于05；w（FeOT）+w（MgO） 值小于3.4%，w（FeOT）/w（MgO）值為2～3，Mg#值小于45。據(jù)Al2O3、SiO2含量將TTG片麻巖分為高鋁和低鋁兩類。TTG片麻巖具有微量元素高w（La）N/w（Yb）N值（大于15）和w（Sr）/w（Y）值（大于20）、高Sr含量（大于300×10-6）、低重稀土元素含量（Yb含量小于2×10-6）的特征；Eu和Sr無(wú)異常或正異常；TTG片麻巖還具有富集大離子親石元素（Rb、Ba、Sr）和虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素（如Nb、Ta、Ti）、低相容元素含量（Ni含量低于18×10-6，Cr含量低于40×10-6）的特征。絕大多數(shù)太古宙TTG片麻巖都具有正εNd、εHf值以及略高于地幔的氧同位素比值（δ（18O））特征。太古宙TTG片麻巖成分不僅有一定的變化范圍，而且隨著時(shí)間演化有一定的演變趨勢(shì)。從太古宙早期到晚期，TTG片麻巖SiO2含量有降低的趨勢(shì)，但w（CaO）+w（Na2O）值、w（MgO）值、Mg#值、w（Sr）值、w（Ni）值、w（Cr）值和稀土元素含量都有升高的趨勢(shì)。其中，w（·）為元素或化合物含量，w（·）N表示元素含量球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

全球出露的太古宙克拉通主要由長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖組成。平均來(lái)看，長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖超過(guò)太古宙地殼面積的2/3[34]。同位素地球化學(xué)資料證明，許多TTG片麻巖代表由地幔新生長(zhǎng)出來(lái)的陸殼。因此，大陸地殼生長(zhǎng)問(wèn)題在很大程度上是TTG片麻巖地體的成因問(wèn)題。從某個(gè)角度講，大陸形成之謎可以簡(jiǎn)化為TTG片麻巖形成之謎。

玄武巖巖漿的分離結(jié)晶不可能形成巨量的TTG片麻巖而沒(méi)有相對(duì)應(yīng)數(shù)量的其他類型巖石（如閃長(zhǎng)質(zhì)巖石）；如果是簡(jiǎn)單的分離結(jié)晶，那么會(huì)有比TTG片麻巖更多的超鎂鐵質(zhì)殘留相。地幔橄欖巖部分熔融則被證明只能形成玄武巖或者玄武安山質(zhì)巖石，即使是極低的部分熔融產(chǎn)生少量長(zhǎng)英質(zhì)熔體，也很難獲得與TTG片麻巖一樣的微量元素特征。雖然TTG片麻巖氧同位素以及流體活潑元素顯示出TTG片麻巖曾經(jīng)經(jīng)過(guò)低溫?zé)崴^(guò)程，但是僅僅是沉積物硬砂巖的部分熔融，很難產(chǎn)生TTG片麻巖這么富鈉的巖石類型。因此，鎂鐵質(zhì)巖石在高壓條件下部分熔融形成TTG片麻巖是目前最為流行的成因解釋，其難點(diǎn)是早前寒武紀(jì)主要火山巖是科馬提巖玄武巖組合，成分與目前建模的玄武巖不同，當(dāng)時(shí)的地?zé)崽荻取⒘黧w狀態(tài)等也不相同。特別令人難解的是，在TTG巖石中至今沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)任何鎂鐵質(zhì)巖石熔融殘留相的保留。到目前為止，關(guān)于TTG巖石的形成條件和構(gòu)造背景一直都在探討和爭(zhēng)辯當(dāng)中，很難確定哪一種模式能夠完全合理地解釋TTG巖石的成因以及早期地球的動(dòng)力學(xué)過(guò)程[57]。

今后需要進(jìn)一步研究的方向和內(nèi)容包括：①華北克拉通多期TTG片麻巖的形成機(jī)制；②增加TTG巖石系統(tǒng)的地球化學(xué)研究，對(duì)比晚太古代兩期TTG巖石的特征、物質(zhì)來(lái)源以及形成的構(gòu)造背景；③將太古宙高級(jí)區(qū)綠巖帶以及鎂鐵質(zhì)—超鎂鐵質(zhì)巖（科馬提巖）的巖石組合與TTG巖石的形成作為陸殼演化的基本物質(zhì)組成統(tǒng)一起來(lái)，理解大陸形成中的元素遷移和重組規(guī)律；④依據(jù)地球早期的熱狀態(tài)及動(dòng)力學(xué)過(guò)程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)以及數(shù)值模擬試驗(yàn)，探討太古宙TTG巖石的形成條件及背景。

4.3麻粒巖與早前寒武紀(jì)地殼熱體制

前寒武紀(jì)地殼要比現(xiàn)今熱，地?zé)崽荻瓤赡転槊壳?6 ℃～30 ℃。太古宙古陸的主要巖石構(gòu)造樣式是穹窿狀麻粒巖片麻巖地體（高級(jí)區(qū)）被向斜狀低級(jí)變質(zhì)—未變質(zhì)綠巖帶圍繞。這與顯生宙造山帶克拉通的構(gòu)造格局完全不同。太古宙麻粒巖的變質(zhì)壓力大多在中壓變質(zhì)的范圍內(nèi)（低于10.0 GPa），溫度大多在（800±50）℃，位于矽線石穩(wěn)定區(qū)。即使如此，太古宙麻粒巖形成的深度也在25～30 km之間。太古宙高級(jí)區(qū)的巖石大致有3類，即TTG片麻巖、輝長(zhǎng)巖以及變質(zhì)表殼巖。表殼巖需要有從地表進(jìn)入地殼深部的構(gòu)造機(jī)制，但是作為可能是造山帶的綠巖帶變質(zhì)很淺，說(shuō)明巖石沒(méi)有進(jìn)入深部地殼，因此，穹窿狀、面狀分布的太古宙麻粒巖地體俯沖模式很難建立。目前已有重力反轉(zhuǎn)、地幔柱加逆掩斷層等多種假說(shuō)。麻粒巖地體的成因與TTG片巖麻的形成并稱為陸殼早期演化的兩大難題。

翟明國(guó)等率先發(fā)現(xiàn)華北克拉通存在高溫高壓（HTHP）麻粒巖和高溫—超高溫（HTUHT）麻粒巖，并將它們視為探討早前寒武紀(jì)大陸演化和早期板塊構(gòu)造的關(guān)鍵課題[814]。它們的變質(zhì)大致可以分為峰期和中壓麻粒巖（角閃巖）退變質(zhì)期，變質(zhì)年齡分別為192～198 Ga和14～17 Ga。 HTHP麻粒巖主要是含石榴石的基性麻粒巖，以透鏡體或強(qiáng)烈變形的巖墻狀出露于片麻巖中。 HTUHT麻粒巖主要是富鋁變質(zhì)沉積巖系，俗稱孔茲巖系，其中有含假藍(lán)寶石和尖晶石等礦物組合，指示部分巖石的變質(zhì)溫度超過(guò)900 ℃。研究表明：①兩類麻粒巖在變質(zhì)的峰期溫度和壓力上有很大的重疊區(qū)間，都經(jīng)歷了一個(gè)近等溫—略升溫的降壓變質(zhì)；②兩類麻粒巖很有可能在峰期和隨后的降壓變質(zhì)階段是同時(shí)的或有關(guān)聯(lián)的；③HTHP和HTUHT麻粒巖的分布特征是線狀或面狀分布，仍有待進(jìn)一步查明；④高級(jí)變質(zhì)的麻粒巖代表了華北克拉通的最下部地殼，其變質(zhì)的溫壓體系以及巖石的剛性程度、分布特征、巖石組合以及抬升速率等具有與顯生宙明顯的不同。即使是高壓麻粒巖，也屬于中壓變質(zhì)相系。兩種麻粒巖的地溫梯度為每千米16 ℃～22 ℃，孔茲巖、假藍(lán)寶石麻粒巖的地?zé)崽荻染鶠槊壳?0 ℃～28 ℃，遠(yuǎn)高于顯生宙造山帶的每千米6 ℃～16 ℃，其抬升速率為0.33～0.5 km·Ma-1（每年0.33～0.5 mm），遠(yuǎn)低于喜馬拉雅造山帶的抬升速率（每年3～50 mm）和大別山含柯石英榴輝巖的抬升速率（每年3～5 mm）。

研究高級(jí)區(qū)和高壓麻粒巖的核心問(wèn)題仍然是高級(jí)區(qū)和高壓麻粒巖的出露機(jī)制及其構(gòu)造背景。從地球化學(xué)研究角度，可能有兩個(gè)方面比較重要：

（1）高級(jí)區(qū)侵入巖和變質(zhì)表殼巖的巖石成因與構(gòu)造背景。巖石成因的揭示是認(rèn)識(shí)這些巖石形成構(gòu)造背景的重要方面。近二三十年來(lái)，將高級(jí)區(qū)侵入體及變質(zhì)表殼巖與現(xiàn)今板塊構(gòu)造體制下形成的島弧或者大陸邊緣弧巖漿巖系列進(jìn)行對(duì)比，取得了突出的進(jìn)展。然而，這些研究仍然沒(méi)有很好地揭示為什么高級(jí)區(qū)的巖石單元與現(xiàn)今板塊構(gòu)造體制下的巖石系列存在差異。實(shí)際上，這些差異一方面可能與早期熱流體制有關(guān)，另一方面也可能受控于早期不同于現(xiàn)今的構(gòu)造體制。因此，一方面需要加強(qiáng)早期熱流體制下巖漿巖成因和實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)模擬研究，另一方面需要通過(guò)解析高級(jí)區(qū)與低級(jí)區(qū)以及高級(jí)區(qū)不同巖石單元之間的成因聯(lián)系，解析早期構(gòu)造背景。

（2）高壓麻粒巖變質(zhì)PTt軌跡的重建與抬升機(jī)制。高級(jí)區(qū)巖石PTt軌跡的恢復(fù)是揭示抬升過(guò)程的關(guān)鍵。存在的問(wèn)題包括：①變質(zhì)峰期條件的限定；②峰期前變質(zhì)過(guò)程的反演；③不同變質(zhì)階段時(shí)代的確定；④溫壓計(jì)校準(zhǔn)與熱力學(xué)參數(shù)的更新；⑤變質(zhì)巖的蠕變強(qiáng)度與應(yīng)變研究。這些課題都是多學(xué)科交叉研究的重要研究方向。

基于大量的巖石學(xué)、地球化學(xué)和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究，一些研究者認(rèn)為板塊構(gòu)造或地幔柱構(gòu)造，或者兩種構(gòu)造共同作用是控制高級(jí)區(qū)和高壓麻粒巖的動(dòng)力學(xué)背景，相關(guān)的地球化學(xué)工作非常多。然而，另有研究表明，高級(jí)區(qū)的整體抬升很難通過(guò)現(xiàn)今陸陸碰撞的模式得到解決，而可能與重力均衡、地幔上涌或者其他過(guò)程有關(guān)。兩類麻粒巖是否有成因聯(lián)系是今后研究中非常值得注意的問(wèn)題，深入研究將會(huì)對(duì)華北克拉通早期地殼演化和構(gòu)造、動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供豐富的資料和證據(jù)。此外，麻粒巖地體的蠕變強(qiáng)度與應(yīng)力狀態(tài)研究是地殼俯沖與抬升機(jī)制的重要限制因素，而中國(guó)目前對(duì)此基本沒(méi)有系統(tǒng)展開研究。

4.4大陸地幔演化及其地球化學(xué)特征

大陸巖石圈的形成與保存過(guò)程一直是固體地球科學(xué)重要的前沿科學(xué)問(wèn)題。根據(jù)地球早期分異理論[1519]，初始地殼（玄武巖殼）是原始地幔經(jīng)過(guò)高程度部分熔融形成的，其易熔組分（硅、鋁、鈣、鐵、全堿）噴出地表形成了地殼，而其難熔的橄欖巖部分就構(gòu)成了巖石圈地幔。因此，前寒武紀(jì)大陸克拉通型巖石圈地幔應(yīng)具有如下特征：①巖石圈年齡老，厚度大，通常大于200 km；②巖石圈主要由難熔的金剛石石榴石尖晶石相方輝橄欖巖和貧單斜輝石的二輝橄欖巖組成，其中橄欖石具有高的鎂橄欖石分子，故巖石圈地幔（密度約為3.0 g·cm-3）相對(duì)于下伏軟流圈（密度約為3.35 g·cm-3）輕，這就是古老克拉通型巖石圈能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定存在的根本原因；③地溫梯度低，即具有典型的前寒武紀(jì)地盾區(qū)地溫曲線；④在地球物理特征上巖石圈具有高的縱波速度；⑤在同位素組成上巖石圈具有相對(duì)富集的SrNd同位素組成。南非Kaapvaal克拉通金伯利巖中橄欖巖捕虜體的礦物學(xué)、地球化學(xué)和ReOs同位素研究進(jìn)一步證明了這一理論[2021]。前寒武紀(jì)大陸巖石圈地幔通常都遭受過(guò)多期不同來(lái)源熔體交代作用的影響，這就是其同位素組成相對(duì)富集的主要原因。地幔交代作用主要發(fā)生在80～100 km深度，交代礦物主要為金云母、鉀堿鎂閃石和富含不相容元素的鐵鈦氧化物，如阿瑪科礦、鍶鈦鐵礦族（LIMA）和磁鐵鉛礦族（YIHA）。這些礦物經(jīng)常與典型地幔交代組合，如云母角閃石金紅石鈦鐵礦透輝石組合（MARID）或鈦鐵礦金紅石金云母硫化物組合（IRPS）共生，反映了富K、Ba、Ti、Zr、Nb、稀土元素等不相容元素的小體積熔/流體對(duì)先前虧損的以方輝橄欖巖為主的巖石圈地幔的交代作用。而這些富含不相容元素的鐵鈦氧化物（尤其是LIMA和YIHA族礦物）在玄武巖攜帶的地幔橄欖巖捕虜體中不存在。

相反，典型大洋巖石圈地幔則具有完全不同的地質(zhì)地球物理特征：①巖石圈年齡輕，厚度小，通常小于80 km；②巖石圈主要由飽滿的尖晶石相二輝橄欖巖組成，其中橄欖石具有低的鎂橄欖石分子；③地溫梯度高；④在地球物理特征上巖石圈具有低的縱波速度；⑤在同位素組成上巖石圈具有虧損的SrNd同位素組成。

然而，地幔在演化過(guò)程中或許不需要在洋陸相互作用的轉(zhuǎn)換帶上發(fā)生。具有古老前寒武紀(jì)結(jié)晶基底的華北克拉通地幔橄欖巖捕虜體系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)[2224]：①華北巖石圈減薄前的確具有太古代克拉通型大陸巖石圈地幔；②華北巖石圈中生代時(shí)期通過(guò)與來(lái)自大陸和大洋深俯沖作用形成的殼源熔體的相互作用轉(zhuǎn)變成富集的巖石圈地幔；③華北巖石圈減薄后的晚白堊紀(jì)—新生代時(shí)期又通過(guò)與軟流圈來(lái)源的熔體相互作用轉(zhuǎn)變成主量元素飽滿、同位素虧損的“大洋型”巖石圈地幔。這說(shuō)明典型前寒武紀(jì)大陸克拉通型巖石圈地幔是能夠通過(guò)橄欖巖熔體反復(fù)交代反應(yīng)逐步轉(zhuǎn)變成具有“大洋型”巖石圈地幔特征的相對(duì)飽滿的地幔，該發(fā)現(xiàn)改變了地幔交代作用的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。地幔堆晶巖和熔體包裹體結(jié)合Li、Fe、Mg非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素研究證明，參與反應(yīng)的熔體是多來(lái)源的，不僅有大陸地殼物質(zhì)、大洋地殼物質(zhì)，而且有軟流圈來(lái)源的硅酸鹽熔體和碳酸鹽熔體。華北巖石圈地幔從古生代難熔富集的克拉通型巖石圈地幔轉(zhuǎn)變成新生代飽滿虧損的“大洋型”地幔。

不僅華北巖石圈地幔存在這種組成上隨時(shí)間的變化造成現(xiàn)今巖石圈地幔上老下新的特征，而且下地殼亦存在類似的情況?，F(xiàn)有研究證明：華北下地殼主體形成于太古代，但顯生宙存在多期以基性巖漿底侵作用為代表的下地殼改造事件，造成華北下地殼亦存在上部以長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖為代表的古老地殼，下部以鎂鐵質(zhì)麻粒巖為代表的年輕下地殼的現(xiàn)象。同時(shí)，巖漿底侵作用導(dǎo)致的下地殼熔融亦是形成華北東部中生代大面積花崗巖的重要原因[2528]。

以上描述的地幔成分、演化機(jī)制以及與下地殼的相互作用和耦合所提出的重大科學(xué)問(wèn)題是大陸地質(zhì)研究新的切入點(diǎn)。

4.5大陸與花崗巖問(wèn)題

花崗巖是大陸地殼的重要組成部分，是地球區(qū)別于太陽(yáng)系內(nèi)其他行星的重要標(biāo)志。從地質(zhì)學(xué)中的火成論與變成論的爭(zhēng)論開始，學(xué)術(shù)界在花崗巖研究方面獲得如下基本共識(shí)：①盡管不同層次大陸地殼成分會(huì)有一定程度的變化，但大陸地殼的總體成分是花崗質(zhì)的，這就決定了花崗巖是大陸地殼形成演化研究最重要的對(duì)象；②花崗巖在以地幔過(guò)程為主的大洋地殼中較少存在，表明其形成與地幔并不直接相關(guān)，因此，花崗巖主要是大陸地殼來(lái)源的，也就是目前花崗巖陸殼深熔論的由來(lái)；③花崗巖的形成主要是一種巖漿過(guò)程。盡管在很多情況下可以觀察到花崗巖與超變質(zhì)作用或混合巖化作用存在某種關(guān)聯(lián)，但深部物理化學(xué)條件的急劇變化是形成花崗巖漿的重要因素。

盡管對(duì)花崗巖的研究有百余年的歷史，但下面的問(wèn)題嚴(yán)重影響花崗巖研究的進(jìn)程：①花崗巖漿在其物理性質(zhì)上與玄武巖漿相差甚大，特別是其較高的黏度嚴(yán)重制約相關(guān)理論研究或模擬的進(jìn)行，同時(shí)導(dǎo)致對(duì)花崗巖成分多樣性的原因存在激烈爭(zhēng)論；②花崗巖侵位機(jī)制眾說(shuō)紛紜，學(xué)術(shù)界至今仍未提出廣為接受的理論模型來(lái)解釋花崗巖侵位所需要的空間；③以源巖為主要指標(biāo)的成因類型劃分研究進(jìn)展不大，相反以熱源為代表的巖漿形成物理化學(xué)條件研究受到重視。

由于上述原因，花崗巖研究在21世紀(jì)以來(lái)呈現(xiàn)幾個(gè)顯著的變化或態(tài)勢(shì)：①研究手段多樣化，除經(jīng)典的地質(zhì)學(xué)調(diào)查方法外，地球化學(xué)已廣泛應(yīng)用于成因研究，地球物理方法經(jīng)常被用以確定巖體的形態(tài)及大小，數(shù)值模擬被用來(lái)反演花崗巖可能形成的地質(zhì)過(guò)程等；②強(qiáng)調(diào)花崗巖更主要是大陸地殼演化的產(chǎn)物，而不僅僅是將花崗巖作為大地構(gòu)造演化的產(chǎn)物對(duì)待；③強(qiáng)調(diào)花崗巖與其他類型巖石共生的區(qū)域巖石學(xué)研究，而不僅僅是局限于巖體本身的解剖學(xué)研究，因而更重視通過(guò)巖漿形成的物理化學(xué)條件研究來(lái)建立花崗巖與區(qū)域重大地質(zhì)事件的聯(lián)系。

中國(guó)是花崗巖極其發(fā)育的國(guó)家，也是花崗巖研究的大國(guó)。未來(lái)中國(guó)花崗巖的研究應(yīng)在下述方面有所作為：①更加重視花崗巖基本問(wèn)題的研究，特別是在構(gòu)建花崗巖源區(qū)性質(zhì)及物理化學(xué)條件研究框架的基礎(chǔ)上，探討不同類型花崗巖形成的基本條件與形成過(guò)程；②研究不同構(gòu)造背景下或重要地質(zhì)過(guò)程中花崗巖形成的基本機(jī)制，如克拉通破壞（華北）、大洋俯沖（岡底斯與東昆侖）、大陸碰撞（喜馬拉雅）和地幔柱（峨眉山）等；③加強(qiáng)花崗巖與大陸地殼生長(zhǎng)關(guān)系的研究，特別是要重視地幔在熱和物質(zhì)兩個(gè)方面對(duì)大陸地殼生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)，研究花崗巖形成與地殼物質(zhì)回返地幔的關(guān)系；④以時(shí)代為線索，探討大陸形成演化過(guò)程中花崗巖成分及性質(zhì)的演變，如鞍山地球早期不同時(shí)代花崗巖的成分及其演變、華南不同時(shí)代花崗巖成分與地殼成熟度研究等。

4.6地?zé)崽荻入S地質(zhì)時(shí)代的演變以及地殼的剛性程度、蠕變強(qiáng)度

地球的熱狀態(tài)隨著地球的演化而變遷著，其冷卻與其他星球不同，表現(xiàn)為表殼部分（巖石圈）可以俯沖并返回到星體內(nèi)部。早期熾熱的地?zé)嵩鰷芈士赡芨哂诂F(xiàn)今2～3倍[2932]。太古代時(shí)期發(fā)育有迄今保存的最熱的熔巖科馬提質(zhì)巖漿，溫度可以達(dá)到1 600 ℃，可能代表著地幔熔融程度為30%～50%。廣泛發(fā)育于低級(jí)區(qū)（花崗綠巖帶）與高級(jí)區(qū)（灰色片麻巖區(qū)）的TTG巖系占據(jù)著太古代—古元古代早期地殼成分超過(guò)85%的體積，為這一時(shí)期地球內(nèi)部的高熱流值提供了依據(jù)，但其廣泛發(fā)育可以是俯沖巖片熔融所致或者與板塊構(gòu)造無(wú)關(guān)。TTG片麻巖卵形穹窿構(gòu)造區(qū)及環(huán)繞的表殼巖帶邊緣向斜構(gòu)造為太古代地殼發(fā)育區(qū)的基本宏觀構(gòu)造輪廓，而古元古代以來(lái)HTUHT麻粒巖的廣泛出現(xiàn)、裂陷槽與線性褶皺造山帶的發(fā)育展現(xiàn)出地球表層巖石圈向現(xiàn)代板塊構(gòu)造體制演變的結(jié)果。

部分由于受地球熱狀態(tài)的影響，地球歷史發(fā)展的不同階段表層（巖石圈，包括陸殼和洋殼）的組成、厚度、黏度、強(qiáng)度及巖石圈有效彈性厚度等都有著顯著的變化，并直接影響著巖石圈的形成與演化。太古代早期地球內(nèi)部的成分分異也同樣影響著地殼（洋殼）厚度、洋陸格局以及地殼（洋殼）在地幔（軟流圈）上的浮力，并可能阻止著板塊構(gòu)造的發(fā)育和開啟，同時(shí)也可能直接或間接地影響著地球淺部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的型式。盡管對(duì)于現(xiàn)代板塊構(gòu)造體制中公認(rèn)的以水平運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)著巖石圈甚至地幔物質(zhì)的流動(dòng)，但在地球早期表層物質(zhì)的狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)方式卻依然存在爭(zhēng)議。地球的熱狀態(tài)直接制約著地球表層物質(zhì)的力學(xué)與流變學(xué)表現(xiàn)，控制著巖石圈的有限彈性厚度、巖石圈板塊的俯沖深度，并且可能直接影響著巖石圈板塊構(gòu)造幾何學(xué)與動(dòng)力學(xué)[3339]。

迄今尚存爭(zhēng)議的包括了許多地球早期構(gòu)造格局及其成因機(jī)制等諸多話題。諸如地球表層何時(shí)出現(xiàn)板塊構(gòu)造；在地球早期熱狀態(tài)條件下板塊構(gòu)造的內(nèi)涵；早期板塊構(gòu)造的發(fā)育特點(diǎn)與現(xiàn)今板塊構(gòu)造之間的異同；板塊大小、早期板塊運(yùn)動(dòng)速率、板塊俯沖角度、俯沖深度以及俯沖帶幾何學(xué)（對(duì)稱俯沖、不對(duì)稱俯沖、平板俯沖）；板塊構(gòu)造出現(xiàn)前后，地球表層物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的方式及其變化；早期地幔的性質(zhì)及其對(duì)流格局；什么因素決定了地球演化的進(jìn)程中最終會(huì)出現(xiàn)板塊構(gòu)造，使地球成為迄今唯一具有板塊構(gòu)造格局的行星。

4.7洋陸過(guò)渡帶的物質(zhì)循環(huán)

洋陸轉(zhuǎn)換/耦合帶（也稱洋陸過(guò)渡帶）是地球系統(tǒng)的重要一環(huán)，是全球物質(zhì)、能量交換和傳輸最為激烈的地帶[4041]。該地帶物質(zhì)、能量從源到匯的傳輸、運(yùn)移、交換是地球深、淺部環(huán)境改變的重要方面，特別是海洋生物對(duì)C、N、P、S、O、H等元素在水體中的運(yùn)聚與不同深度層次的循環(huán)具有重要作用。洋陸轉(zhuǎn)換帶位于被動(dòng)陸緣，也是將大陸與大洋聯(lián)系的紐帶，是地球上物質(zhì)成分急劇變化的地帶之一，是物質(zhì)循環(huán)的重要場(chǎng)所[42]。洋陸俯沖帶位于活動(dòng)大陸邊緣，大洋板塊對(duì)大陸板塊的俯沖或大陸板塊向大洋板塊的俯沖類型的復(fù)雜性、大陸邊緣的分段性以及深部地質(zhì)過(guò)程的多樣性決定了洋陸俯沖帶物質(zhì)循環(huán)過(guò)程的復(fù)雜性。因此，有人提出“俯沖工廠”[4344]，但“俯沖工廠”并沒(méi)有概括大陸邊緣物質(zhì)循環(huán)過(guò)程的全部?jī)?nèi)涵，比如被動(dòng)陸緣的洋陸轉(zhuǎn)換帶也存在不同圈層之間的物質(zhì)循環(huán)。因此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)“裂解工廠”的原始創(chuàng)新研究，如熱液、冷泉等相關(guān)的物質(zhì)轉(zhuǎn)換與循環(huán)。此外，對(duì)活動(dòng)陸緣的洋陸轉(zhuǎn)換帶物質(zhì)循環(huán)的研究依然是國(guó)際地學(xué)前緣課題，特別是擺脫目前簡(jiǎn)單的弧溝盆體系的概念，深入探索在俯沖帶大陸一側(cè)的系統(tǒng)地質(zhì)過(guò)程是發(fā)展板塊構(gòu)造的切入點(diǎn)。當(dāng)前，洋洋俯沖帶的研究也是探索大陸起源的關(guān)鍵。為此，根據(jù)洋陸過(guò)渡帶的深、淺部地質(zhì)過(guò)程類型和從表及里的深度層次，有必要開展物質(zhì)循環(huán)相關(guān)的研究。

4.7.1洋陸過(guò)渡帶的巖漿工廠、變質(zhì)工廠與成礦工廠

洋內(nèi)弧形成與初始陸殼生成、巖漿工廠、變質(zhì)工廠是洋陸過(guò)渡帶物質(zhì)循環(huán)研究的熱點(diǎn)[43，4546]，對(duì)探索陸殼起源、大規(guī)模金屬成礦過(guò)程、大災(zāi)害成因等具有重要價(jià)值[4749]。洋陸轉(zhuǎn)換/耦合地帶的巖漿作用是復(fù)雜的，環(huán)境多變，種類復(fù)雜[50]。噴發(fā)過(guò)程與地史時(shí)期全球變化密切相關(guān)，侵入過(guò)程是金屬礦產(chǎn)資源形成的主控因素，具有重要的研究意義。主動(dòng)板塊邊緣的巖漿工廠不僅與俯沖深度相關(guān)，而且與上覆板片的物質(zhì)屬性關(guān)聯(lián)，洋內(nèi)弧以玻安巖為主，陸緣弧以安山巖為主[51]。而被動(dòng)陸緣的巖漿過(guò)程與裂解對(duì)應(yīng)，淺表以雙峰式火山噴發(fā)為特征[40]，巖漿量多少也與伸展程度相關(guān)，出現(xiàn)貧巖漿和富巖漿兩類被動(dòng)陸緣[40]；深部為底侵作用相關(guān)的侵入體，導(dǎo)致洋陸轉(zhuǎn)換帶出現(xiàn)高熱流；上、下地殼伸展量差異較大時(shí)，也可能出現(xiàn)陸幔直接出露海底的無(wú)地殼帶（狹義的洋陸轉(zhuǎn)換帶），此時(shí)該帶無(wú)巖漿作用，開展這方面研究對(duì)于海洋國(guó)土劃界非常重要。地幔柱則因時(shí)空分布的隨機(jī)性也可能作用于洋陸轉(zhuǎn)換/耦合地帶[40，52]，與核幔邊界相關(guān)。不論何種環(huán)境，所有新生物質(zhì)都是源自地幔，可見深部對(duì)應(yīng)的洋幔和陸幔的不同；除俯沖帶之外，這也是物質(zhì)跨圈層交換的重要型式之一，這個(gè)過(guò)程也是一個(gè)單向不可逆過(guò)程。

洋陸轉(zhuǎn)換/耦合地帶的陸地一側(cè)也有強(qiáng)烈體現(xiàn)[53]。例如，亞洲東部陸緣自顯生宙以來(lái)先后受到了古亞洲、（古）太平洋、鄂霍茨克洋以及特提斯洋俯沖的疊加、復(fù)合、改造、轉(zhuǎn)換等過(guò)程，經(jīng)歷了多板塊、多期次、多方向的構(gòu)造作用，導(dǎo)致亞洲東部經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造巖漿成礦熱事件[5455]。其中，中生代花崗巖的類型、空間分布、形成年齡與年齡分帶、成因及其形成地球動(dòng)力學(xué)背景的研究是了解亞洲東部及其陸緣中生代構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換、構(gòu)造遷移和多期洋陸轉(zhuǎn)換/耦合的關(guān)鍵所在。

與俯沖過(guò)程相關(guān)的典型變質(zhì)作用產(chǎn)物是雙變質(zhì)帶[40，56]，靠近海溝為高壓低溫變質(zhì)的藍(lán)片巖，島弧地帶為低壓高溫變質(zhì)帶。盡管榴輝巖主要是陸陸碰撞才常見的產(chǎn)物，但現(xiàn)今個(gè)別俯沖帶也出現(xiàn)榴輝巖剝露，而且地史期間陸緣增生造山帶更可能是榴輝巖形成的主要環(huán)境[57]，如新英格蘭（New England）造山帶、祁連造山帶和大別造山帶。對(duì)俯沖帶溫壓結(jié)構(gòu)及其時(shí)空變化的精細(xì)研究非常必要，地史時(shí)期洋陸轉(zhuǎn)換/耦合過(guò)程可從造山帶的變質(zhì)帶和變質(zhì)巖的時(shí)空分布來(lái)揭示，因?yàn)樽冑|(zhì)過(guò)程（包括退變質(zhì)）通常是不可逆的單向化學(xué)過(guò)程。此外，現(xiàn)今正在發(fā)生的俯沖帶熱結(jié)構(gòu)可有效結(jié)合層析成像技術(shù)等開展，通過(guò)耦合相變等過(guò)程和PTt軌跡的動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬可有效揭示其準(zhǔn)確的深部變質(zhì)動(dòng)力學(xué)歷程[5859]。

對(duì)變質(zhì)流體的研究已打破了變質(zhì)反應(yīng)為固相反應(yīng)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)[40]，洋陸轉(zhuǎn)換/耦合地帶富集載有重要溶解物質(zhì)的變質(zhì)流體，其在變質(zhì)交代作用、變質(zhì)礦物反應(yīng)、變質(zhì)組分遷移和變質(zhì)成礦作用中都起著重要作用。變質(zhì)流體成分的含鹽度、流動(dòng)性、滲透率和流體化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是變質(zhì)流體研究中的關(guān)鍵問(wèn)題，在俯沖帶不同深度界面上，流體的釋放和滲透作用驅(qū)動(dòng)的變質(zhì)作用受俯沖系統(tǒng)的地?zé)狍w系和斷裂體系控制[60]。

4.7.2洋陸過(guò)渡帶的殼幔物質(zhì)循環(huán)與地質(zhì)流體

地質(zhì)流體是洋陸轉(zhuǎn)換帶多圈層相互作用的紐帶，不同深度俯沖脫水脫碳脫硫相變產(chǎn)生流體的類型、過(guò)程、通量是揭示多圈層相互作用的關(guān)鍵[6162]；被動(dòng)陸緣洋陸轉(zhuǎn)換帶地質(zhì)流體更是油、氣、天然氣水合物成藏的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[63]，其形成、運(yùn)聚與分布是近海底多層次巖層與水圈相互作用的關(guān)鍵研究對(duì)象，而且其分布也與大型海底滑坡、海底熱液或冷泉密切相關(guān)。平面上，俯沖的大洋巖石圈對(duì)數(shù)百千米之上的大陸巖石圈物質(zhì)成分的影響方式和貢獻(xiàn)可揭示洋陸轉(zhuǎn)換帶影響的時(shí)空范圍；被動(dòng)陸緣洋陸轉(zhuǎn)換帶陸幔出露機(jī)制及其水巖相互作用與效應(yīng)、洋幔增厚過(guò)程與新生洋殼組成都是前沿科學(xué)問(wèn)題。在深度層次上，底侵或拆沉作用是洋陸轉(zhuǎn)換帶殼幔循環(huán)的顯著深部過(guò)程，其地球化學(xué)示蹤和地球物理探測(cè)的交叉和綜合研究成為前沿領(lǐng)域。在淺部層次上，俯沖侵蝕與增生是物質(zhì)淺部機(jī)械循環(huán)的過(guò)程，其對(duì)陸殼生長(zhǎng)貢獻(xiàn)量的評(píng)估還有待深化研究[49]。

4.7.3洋陸過(guò)渡帶的跨陸架源匯過(guò)程

跨陸架物質(zhì)輸運(yùn)含有重要的全球變化信息和油氣勘探價(jià)值[64]。傳統(tǒng)的沉積學(xué)、層序地層學(xué)主要側(cè)重盆地內(nèi)部沉積環(huán)境研究或盆山小系統(tǒng)的源匯過(guò)程揭示。現(xiàn)今沉積動(dòng)力過(guò)程的研究也都是區(qū)域尺度，特別是以河口海岸研究為主，因而現(xiàn)代沉積動(dòng)力學(xué)模擬也主要集中在淺水區(qū)源匯過(guò)程的構(gòu)建和模擬，且側(cè)重水介質(zhì)為主的源匯過(guò)程研究。近期，隨著鋯石定年技術(shù)發(fā)展和碎屑鋯石年齡譜的運(yùn)用，古源匯過(guò)程研究得到發(fā)展，也被用于陸塊—微陸塊親緣性建立和超大陸重建、板塊重建[40，65]。但是，深水區(qū)或跨陸架的源匯過(guò)程依然處于發(fā)展階段，需要物理海洋等多學(xué)科大交叉，涉及各種邊界流、海水分層運(yùn)動(dòng)、環(huán)流、內(nèi)波、濁流、深海底流等動(dòng)力過(guò)程[66]。此外，全球除水介質(zhì)之外的源匯過(guò)程還未被重視，如火山物質(zhì)通過(guò)大氣環(huán)流向深海的搬運(yùn)、沙塵暴引發(fā)的細(xì)小顆粒物向深海的搬運(yùn)。這些動(dòng)力學(xué)模擬需要結(jié)合深海高精度地層、深海古生物地層學(xué)、地震海洋學(xué)、深海物理海洋環(huán)境、古環(huán)流、古氣候、古大氣循環(huán)研究，并急迫需要開展多學(xué)科（如地球化學(xué)示蹤）證據(jù)約束下的全球尺度數(shù)值模擬。

4.7.4地史時(shí)期的洋陸過(guò)渡帶物質(zhì)循環(huán)的差異

洋陸轉(zhuǎn)換/耦合地帶的大氣圈、巖石圈、軟流圈到生物圈兩兩之間的界面無(wú)疑都是全球尺度物質(zhì)變異的分劃性界面，是物質(zhì)輸運(yùn)、轉(zhuǎn)換需要跨越的一個(gè)地帶，可提供給相關(guān)研究一個(gè)良好場(chǎng)所。顯生宙造山帶中洋陸轉(zhuǎn)換帶的識(shí)別與物質(zhì)循環(huán)隨時(shí)間變化特征的研究有助于認(rèn)識(shí)和對(duì)比現(xiàn)今洋陸過(guò)渡帶的物質(zhì)循環(huán)過(guò)程和殼幔演化歷史[67]，豐富板塊構(gòu)造和大陸構(gòu)造內(nèi)涵，特別是分析地史期間特定的物質(zhì)循環(huán)事件對(duì)探討陸殼增生具有重要理論意義。此外，強(qiáng)烈的物質(zhì)循環(huán)伴隨著重要的礦產(chǎn)形成[41]，因而也具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，如BIF沉積的地球環(huán)境，黑色頁(yè)巖的起始時(shí)代和地質(zhì)意義，變質(zhì)泥質(zhì)巖（孔茲巖）系的時(shí)代、變質(zhì)與相關(guān)成礦特征等。

4.8地球中年期的地質(zhì)過(guò)程與意義

從1.8 Ga（古元古代Statherian紀(jì)）直至約700 Ma（新元古代Cryogenian紀(jì)），甚至更年輕到Ediacaran紀(jì)末的顯生宙界限，長(zhǎng)達(dá)至少1.0 Ga的歷史時(shí)代被稱為地球中年期[68]。地球從形成到現(xiàn)在大約有4.6 Ga，推測(cè)還有4.5～4.6 Ga的生命期（數(shù)據(jù)源自歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士2010年學(xué)術(shù)報(bào)告），大約總共有100 Ga的生命期。地球到18 Ga時(shí)已經(jīng)有約2.8 Ga的年齡，進(jìn)入地球中年期。地球中年期的含義遠(yuǎn)不至于此，它在地球演化史上具有重要的轉(zhuǎn)折意義。前寒武紀(jì)地質(zhì)的研究已經(jīng)將2.5 Ga作為太古宙與元古宙的界限，之前是被厘定陸殼的巨量增長(zhǎng)期和穩(wěn)定（克拉通化）期，此后的1.8～2.5 Ga早元古代是一個(gè)充滿神秘的時(shí)期，大致可能有的是250～300 Ma的構(gòu)造靜止期（雪球事件？），然后被大氧化事件跟隨，并且全球可能發(fā)育了類似于顯生宙造山帶的活動(dòng)帶事件，推測(cè)是初始板塊構(gòu)造的啟動(dòng)期，稱為Nuna或Columbia超大陸。然而，從Nuna或Columbia超大陸形成后，直至約750 Ma的全球性裂谷事件，使得Rodinia超大陸裂解，從而使地球處于一個(gè)獨(dú)特的演化歷史階段。

華北克拉通經(jīng)歷了古元古代晚期的變質(zhì)事件（呂梁運(yùn)動(dòng)或中條運(yùn)動(dòng)）之后，開始進(jìn)入地臺(tái)演化階段，從此時(shí)起開始了裂古系的發(fā)育與演化[6974]。裂谷系可大致分為南、北兩個(gè)在地表沒(méi)有完全連接的裂陷槽和北緣、東緣各一個(gè)裂谷帶。在華北南部的裂陷槽稱為熊耳裂陷槽，熊耳群雙峰式火山巖最古老的巖漿年齡在178 Ga至約18 Ga之間，向上的中—新元古代地層有汝陽(yáng)群、洛峪群等。華北北部的裂陷槽稱為燕遼裂陷槽，主要由長(zhǎng)城系、薊縣系和青白口系組成。中—新元古代（1.8～5.4 Ga）的巖漿作用可以分為4期：①1 780 Ma至約1 800 Ma的熊耳群火山巖和廣泛侵入古老變質(zhì)基底的約1 780 Ma基性巖墻群；②非造山侵入巖（斜長(zhǎng)巖奧長(zhǎng)環(huán)斑花崗巖斑狀花崗巖）的同位素年齡

在1 670 Ma至約1 700 Ma之間，以及分布在長(zhǎng)城系團(tuán)山子組和大紅峪組的鋯石UPb年齡為1 620～1 680 Ma，晚于熊耳群火山巖；③在原青白口系下馬嶺組的斑脫巖以及侵入下馬嶺組的基性巖席中，得到130～1 320 Ma的鋯石和斜鋯石UPb同位素年齡，在東緣裂谷的沉積巖中也有年齡為1 400 Ma和1 000～1 300 Ma的碎屑鋯石；④在中國(guó)華北以及朝鮮中—新元古代地層中，已經(jīng)識(shí)別出年齡約900 Ma的基性巖墻。此外，對(duì)華北北緣的白云鄂博群、狼山—渣爾泰群和化德群的研究證實(shí)在華北北緣的裂谷系與燕遼裂陷槽具有相同的層序與沉積歷史，其中在渣爾泰群中識(shí)別出年齡約820 Ma的火山巖。值得注意的是，華北克拉通自古元古代末至新元古代經(jīng)歷了多期裂谷事件，但是期間沒(méi)有塊體拼合的構(gòu)造事件記錄，沒(méi)有造山帶型礦床，反之大量發(fā)育與斜長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)巖有關(guān)的鈦鐵礦和與裂谷有關(guān)的噴流沉積（SEDEX）型礦床，說(shuō)明華北在這個(gè)地質(zhì)時(shí)期處于“一拉到底”的多期裂谷過(guò)程。這對(duì)于理解華北中—晚元古代的演化歷史以及該時(shí)期全球構(gòu)造具有重要意義。

一些新的研究進(jìn)展證實(shí)，華北在地球中年期的特征與全球其他大陸具有相似性?？梢詫⑦@些地質(zhì)特征歸納如下[7578]：①在漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)代缺乏被動(dòng)大陸邊緣的形成，這與Nuna和Rodinia超大陸的形成過(guò)程一致；②全球性的BIF沉積缺失，直至新元古代的雪球事件；③古海水中沒(méi)有記錄有意義的Sr異常，碎屑鋯石也沒(méi)有εHf（t）值異常；④在這個(gè)時(shí)期缺乏磷礦沉積，而在18 Ga之前和750 Ma之后磷礦沉積以及與之密切相關(guān)的黑色頁(yè)巖沉積都很普遍也很重要，這明確指示了海洋和大氣圈層的化學(xué)條件在地球中年期是更穩(wěn)定的；⑤與800 Ma之后的蒸發(fā)盆地發(fā)育以及海水鹽度相對(duì)降低而言，這個(gè)時(shí)期的海水鹽度相對(duì)較高；⑥地體型斜長(zhǎng)巖及其相關(guān)巖體（包括A型花崗巖、斜長(zhǎng)花崗巖、斜長(zhǎng)紋長(zhǎng)紫蘇花崗巖套、低價(jià)鐵含長(zhǎng)石花崗巖、鈦鐵礦花崗巖，奧長(zhǎng)環(huán)斑花崗巖等元古宙特有的巖體）在該期（10～18 Ga）大量發(fā)育；⑦造山帶型礦產(chǎn)和火山塊狀硫化物礦床分布十分有限，沉積型錳礦和層狀沉積型銅礦缺失。所有這些都表明，在地球中年期長(zhǎng)達(dá)10 Ga或更長(zhǎng)的時(shí)間里，地球以穩(wěn)定的環(huán)境和演化為特點(diǎn)，穩(wěn)定的巖石圈表現(xiàn)出與前、后地質(zhì)時(shí)代不同的引人注目的巨大變化。一系列地質(zhì)現(xiàn)象的時(shí)間分布似乎與地幔的長(zhǎng)期冷卻有關(guān)，大量的侵入體進(jìn)入地殼并使上覆大陸巖石圈加厚，下伏地幔仍舊是熱的并足以引發(fā)加厚地殼下部的廣泛熔融。

地球中年期的地質(zhì)過(guò)程和機(jī)制都還有待于進(jìn)一步研究。如果年齡約75 Ga的地幔柱與超大陸裂解事件直接與此后的岡瓦納大陸以及Pangea大陸的形成有關(guān)，是否標(biāo)志著地球中年期的結(jié)束以及現(xiàn)代板塊構(gòu)造的正式啟動(dòng)[79]，這無(wú)疑是大陸構(gòu)造的關(guān)鍵研究課題之一。

5結(jié)語(yǔ)

本文強(qiáng)調(diào)的是把大陸的研究放到演化的視野上來(lái)觀察和認(rèn)識(shí)。地球最早的物質(zhì)以及之后的演化都記錄在大陸巖石上，因此，大陸的物質(zhì)演化無(wú)疑是解開大陸動(dòng)力學(xué)之謎的基礎(chǔ)。這個(gè)新的研究思路是在豐富的研究資料基礎(chǔ)之上提出的，有待于更多專家學(xué)者的積極討論、批評(píng)、指正和補(bǔ)充，甚至推倒重來(lái)，為中國(guó)在大陸動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域做出積極貢獻(xiàn)而努力。

李獻(xiàn)華、張宏福、吳福元、趙國(guó)春、劉俊來(lái)、李三忠等參予了論文的撰寫。本文的發(fā)表以期得到同行專家的批評(píng)與討論，以便能夠更好地凝練大陸動(dòng)力學(xué)的發(fā)展方向和前導(dǎo)性課題。論文以個(gè)人名義署名是想要表明，對(duì)于大陸物質(zhì)演化的研究是新的研究思路和新的研究方向，并不成熟，還需要進(jìn)一步調(diào)研和完善，如果論文有錯(cuò)誤的地方，應(yīng)由署名者個(gè)人負(fù)責(zé)。

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