構造古地理學：揭示圈層動力過程整合的重要窗口

何登發(fā)

中國地質(zhì)大學 （北京）能源學院，北京100083

1 地球系統(tǒng)科學中的構造古地理

地球科學的 “主旋律”每隔20～30年發(fā)生1次大變革。20世紀60年代開始的 “主旋律”——板塊構造理論，研究地球固體圈層的運動規(guī)律，是20世紀自然科學的重大突破；導致了地球科學（當然包括構造古地理學）、礦產(chǎn)資源、能源、災害預測與防治等研究領域取得重大突破，極大地推動了人類文明的進步。20世紀80年代中后期開始的 “主旋律”——全球 （環(huán)境）變化，研究地表流體圈層運動規(guī)律，試圖解決日益突出的環(huán)境問題，使地球科學進入表層地球系統(tǒng)科學時代，取得了一批重要的科學認識，但尚未出現(xiàn)可與板塊理論媲美的科學飛躍。目前，地球科學正在響起的第3個 “主旋律”——圈層動力過程整合，應是地學下一個重大理論的突破口 （汪品先，2009；汪品先等，2018）。

地球系統(tǒng)是一個由地球固體—流體圈層相互作用、生命系統(tǒng)—人類活動干預下的巨復雜系統(tǒng)。固體圈層過程表現(xiàn)為板塊運動，板塊運動導致火山活動、變質(zhì)作用，釋放深部CO2，地球表面的硅酸鹽化學風化吸收CO2，二者構成地球一級碳循環(huán)，這個以碳循環(huán)為核心的 “自調(diào)節(jié)系統(tǒng) （地球大空調(diào)）”維持著地球宜居環(huán)境，是形成大氣圈、水圈、生物圈、沉積圈、巖石圈等圈層的根本原因。面對地球 “巨復雜系統(tǒng)”，研究者需要打破時空尺度、跨越固體—流體圈層，實施 “跨維過程整合”等科學理念變革，而圈層動力過程整合以關鍵新數(shù)據(jù)獲取、大數(shù)據(jù)支撐的 “數(shù)據(jù)—模式驅(qū)使科學研究體系 （Data-Model Enabled Science System）”為主要途徑 （王會軍等，2014；汪品先等，2018），標志著下一步地球科學研究范式的重大轉(zhuǎn)變。地球系統(tǒng)大數(shù)據(jù)具有海量、多源、異構、多時相、多尺度、高度復雜、非平穩(wěn)、非結構化等特點，為地球科學中的數(shù)據(jù)密集型研究提供了支持。這一轉(zhuǎn)變可能優(yōu)先體現(xiàn)在古地理學 （如DDE）之構造古地理學等學科上。

巖石圈板塊在不停地漂移、碰撞、俯沖，更換其在地球上的位置、深度、性質(zhì)；而氣候系統(tǒng)在不停地變化，控制著漂移大陸的環(huán)境、資源與災害，這樣固體地球與表層環(huán)境這2個四維 （時間+空間）運動系統(tǒng)之間通過一系列物理—化學—生物過程的相互作用，實現(xiàn)地球系統(tǒng)內(nèi)外鏈接，控制氣候—環(huán)境、資源與災害等，也相應控制著構造古地理環(huán)境的演變。

2 構造古地理研究現(xiàn)狀

構造古地理學是研究地質(zhì)歷史時期地理單元的構造屬性及其演變特征的科學，屬于大地構造學、沉積學、構造地質(zhì)學、地球物理學、地球化學與古地理學之間的交叉學科 （何登發(fā)等，2020）。地球表面的山川、流域與盆地等自然地理單元是內(nèi)、外動力長期作用的綜合結果，受巖石圈板塊水平運動與深部地幔動力學的聯(lián)合控制。因此，構造古地理學研究是在地球系統(tǒng)科學思想指導下，應用構造發(fā)展的活動論、演化論、階段論與轉(zhuǎn)換論觀點對自然地理單元的性質(zhì)與演化規(guī)律進行表征，遵循整體、動態(tài)與綜合分析原則。厘定構造古地理單元的邊界、屬性、組成、結構與演變，何登發(fā)等（2020）提出了“五定”工作方法。近年來，大數(shù)據(jù)與人工智能的迅猛發(fā)展為構造古地理學研究提供了新的學術思路，王成善院士等倡導的深時數(shù)字地球（DDE）大科學計劃為古地理學研究提供了新的研究范式；搭建數(shù)據(jù)化、標準化和智能化的古地理重建平臺是實現(xiàn)構造古地理研究 “過程復原”（process restoration）的重要途徑。構造古地理學是研究地表過程和能源、資源礦產(chǎn)分布預測的重要基礎。

構造古地理學研究，需要對古地理學單元進行邊界厘定、構造屬性判斷、成因機制分析以及演化過程重建等。目前，研究者多數(shù)從全球尺度、區(qū)域尺度和盆地或盆地內(nèi)尺度進行研究。

在全球尺度上，對板塊之間的離散、拼合、轉(zhuǎn)換等作用產(chǎn)生的古地理單元及其演化，和對地幔柱隆升、洋殼俯沖帶下降產(chǎn)生的構造效應與古地理單元的面貌及其變遷需要開展構造古地理研究，這是發(fā)展板塊構造、建立新全球構造觀的重要基礎資料，需要眾多科學家的長期積累。目前基于高精度的古地磁學分析方法建立了全球板塊運動的數(shù)據(jù)庫，建立了一系列的板塊運動學模型，時間維度上已經(jīng)推進到了太古代—元古代，試圖建立太古代的板塊構造圖像。而超大陸旋回理論的提出與完善，逐漸揭示了Nuna（Columbia），Rodinia，Gondwana和Pangaea等超大陸的聚斂與離散過程，再現(xiàn)了地球表面的巖石圈板塊的 “悲歡離合”。借助超大陸復原，也開始研究元古代以來的古氣候、古生態(tài)、大火成巖省、風化旋回等，并試圖開展5大圈層之間的耦合研究。地質(zhì)歷史時期的圈層動力過程整合研究是這一領域研究的焦點與熱點。全球尺度的構造古地理學為這一研究提供了板塊構造位置、物質(zhì)遷移、深部地質(zhì)過程響應及其相互作用機制分析的載體。

在區(qū)域尺度上，對造山帶與沉積盆地這2個巖石圈的基本構造單元深入研究，如對造山帶的隆升、剝蝕、擴展與沉積盆地系統(tǒng)的發(fā)育需要開展構造古地理復原，厘定它們的構造位置、彼此邊界、構造過渡與轉(zhuǎn)換關系，為理解地球表層多圈層相互作用與圈層動力過程整合奠立基礎。目前關于前陸盆地（撓曲盆地）體系（foreland basin system）的研究，將造山帶沖斷活動、構造—氣候聯(lián)合控制下的風化剝蝕、沉積搬運、撓曲沉降與沉積充填等過程業(yè)已有機結合起來，模擬盆地的形成演化歷史；對伸展盆地，建立了巖石圈尺度的深部構造作用制約下的盆地發(fā)育模型，如主動裂谷、被動裂谷、寬裂谷、被動大陸邊緣、重力構造（gravitational tectonics）等；對走滑盆地，將構造應力場、沉積可容空間形成與充填演化有機結合，結合盆地實例開展了大量實證研究。目前亟需在造山帶與沉積盆地的相互作用、相互轉(zhuǎn)換的時空與機制等方面開展深入研究。

在盆地或盆地內(nèi)部尺度上，對?。旮窬帧⒃矗瓍R系統(tǒng)、沉降－沉積中心變化、盆地疊置等開展研究，厘定構造－沉積分異類型、過程及其機制，恢復構造古地理演化歷史，為資源能源勘查突破、進一步提高礦產(chǎn)勘查開發(fā)效益服務。關于盆地內(nèi)部的構造古地理研究，從礦產(chǎn)資源利用的角度開展了大量探索，研究也最為深入，如石油、天然氣、煤、鈾、鋁土礦、鉀鹽、水資源等方面 （鄒才能等，2022）。在重建構造古地理單元的分布與演化歷史上取得重要進展，如對隆起、裂陷、臺緣帶、斜坡帶等的復原。近年來，對克拉通盆地的構造－沉積分異開展了大量研究，不僅發(fā)現(xiàn)了多種構造－沉積分異類型，也揭示了多類構造－沉積分異機制（何登發(fā)等，2022；汪澤成等，2023），如對四川、鄂爾多斯、塔里木等克拉通盆地元古代、早古生代盆地的構造分異研究。今后以沉積盆地為對象的構造古地理研究，將更加細化不同地質(zhì)時期的構造單元及其演化歷史，將構造活動、沉積充填與風化剝蝕有機結合揭示周緣板塊活動控制下的盆地沉降與隆升演變，剖析巖漿活動分布，探討周緣構造帶對盆地形成發(fā)育的影響。

3 研究實例

本期發(fā)表了與中亞大地構造格局、原型盆地恢復、華北地區(qū)大不整合面及其礦藏、盆地內(nèi)部構造單元與盆地邊界相關的5篇文章。在構造古地理領域進行了實證研究，期望為構造古地理學的探索提供新的窗口。

甄宇等的 《東疆地區(qū)石炭紀—二疊紀構造古地理與原型盆地演化》，針對中亞增生造山區(qū)的核心地段，充分結合油田鉆井與地球物理資料，開展石炭紀—二疊紀的大地構造環(huán)境、沉積充填、深部構造背景、地塊的構造位置、構造變形等綜合研究，復原石炭紀—二疊紀不同時期的構造古地理，厘定原型盆地的構成單元，揭示了盆地—造山帶系統(tǒng)的統(tǒng)一演化與耦合過程。

不整合面是開展構造古地理研究的重要抓手。在華北地區(qū)，奧陶系與石炭系之間的加里東期不整合面歷時長、分布廣、成因復雜，雖經(jīng)長期分析，仍存較多爭議。熊加貝等的 《鄂爾多斯盆地南緣奧陶系頂部碳酸鹽巖風化殼特征及其成因機制》應用測井地質(zhì)學、礦物學、地球化學等方法，對鉆井揭示的奧陶系頂部風化殼結構層進行精細厘定，這一研究拓展了風化殼及其古地貌的研究內(nèi)容與深度，同時，隴東地區(qū)風化殼鋁土巖的天然氣大發(fā)現(xiàn)與華北地區(qū)奧陶系風化殼鋁土礦的勘探突破，充分說明了開展這類研究的科學與實用價值。毛丹鳳等的文章 《鄂爾多斯盆地懷遠運動期不整合類型及其分布特征》，應用高精度反射地震資料，結合測井地質(zhì)學等方法，厘定了鄂爾多斯盆地區(qū)域分布的寒武系與奧陶系之間 （或馬家溝組底界）的懷遠運動，不僅為重新認識鄂爾多斯克拉通的構造性質(zhì)提供基礎，也為揭示盆地內(nèi)部隆起／坳陷轉(zhuǎn)換、構造－巖相帶發(fā)育特征與油氣聚集規(guī)律提供依據(jù)，為開展該盆地寒武系天然氣勘探指出新方向。

盆地內(nèi)部構造單元的分布與構造演化是揭示盆地系統(tǒng)發(fā)育、深部地質(zhì)背景與成因演變的重要窗口。殷樹錚等的文章 《準噶爾盆地西部坳陷帶二疊系構造—地層層序與盆地演化》，應用反射地震剖面與鉆探資料，開展斷層相關褶皺研究與不整合面定量解析，揭示了準噶爾盆地西部地區(qū)二疊系的充填過程，并厘定了構造屬性。這為目前正在瑪湖凹陷、沙灣凹陷與盆1井西凹陷等地區(qū)如火如荼地開展的巖性油氣藏與頁巖油勘探提供了參考依據(jù)，也為探索中亞增生造山帶內(nèi)部地塊、島弧拼合之后“過渡期”的演化歷史提供了參考資料。

盆地的邊界厘定是構造古地理研究的重要基礎。鄂爾多斯盆地東緣為呂梁山隆起，二者之間為晉西撓褶帶，長期以來認為其間邊界為離石大斷層。石婧等的文章 《鄂爾多斯盆地東部邊界的構造學分析：以石樓北區(qū)域為例》，基于新的鉆井與區(qū)域地質(zhì)大剖面資料，開展構造解析，厘定了鄂爾多斯盆地東緣的構造屬性，指出深部構造楔是淺層“晉西撓褶帶”的成因，這一新發(fā)現(xiàn)揭示了鄂爾多斯盆地東緣具有整體的良好保存環(huán)境，為該區(qū)煤層氣、海陸過渡相頁巖氣的勘探提供了重要參考，也為探討華北地區(qū)燕山期構造變形的樣式與機制提供了新的思路與方法。

4 展望

構造古地理研究目前在中國地學界已經(jīng)逐漸開展，任重而道遠。期望在以下7個方面取得進展，解決相應的7個問題：（1）不同地質(zhì)時期的板塊、陸塊、造山帶與盆地等的分布位置，即定位問題；（2）造山帶系統(tǒng)與盆地系統(tǒng)之間的構造邊界及其演變問題，即定界問題，包括各自的分布范圍及其變遷；（3）不同尺度的構造古地理單元的性質(zhì)及其轉(zhuǎn)變，即定性問題；（4）周緣板塊活動與深部地幔動力聯(lián)合控制下的構造古地理單元的成因機制問題，即定 “成因”問題；（5）圈層動力過程整合控制下的構造古地理演變問題，即定 “演化過程”問題；（6）基于地球大數(shù)據(jù)與大模型等方面的構造古地理重建方法學基礎問題，即 “研究方法”問題；（7）構造古地理演變對資源、能源與環(huán)境的控制與地球宜居性的問題，即 “實際應用”問題。