引用本文
何登发, 李德生, 王成善, 刘少峰, 陈槚俊. 活动论构造古地理的研究现状、思路与方法* [J]. 古地理学报, 2020, 22(1): 1-28.
He Deng-Fa, Li De-Sheng, Wang Cheng-Shan, Liu Shao-Feng, Chen Jia-Jun. Status,thinking,and methodology of studying on the mobile tectono-palaeogeography[J]. Journal Of Palaeogeography, 2020, 22(1): 1-28.  
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活动论构造古地理的研究现状、思路与方法*
何登发1, 李德生2, 王成善1, 刘少峰1, 陈槚俊1
1 中国地质大学(北京),北京 100083
2 中国石油勘探开发研究院,北京 100083

第一作者简介 何登发,男,1967年生,1995年毕业于中国石油勘探开发研究院,获博士学位,现为中国地质大学(北京)教授,博士生导师,主要从事含油气盆地构造分析。E-mail: hedengfa282@263.net。

收稿日期:2020-01-08 网络出版日期:2020-02-01
基金项目:*国家自然科学基金重点项目(编号:41430316)资助.
摘要

古地理学是研究地质历史时期地球表面的自然地理的综合性科学,构造古地理学是研究地质历史时期地理单元的构造属性及其演变特征的科学。地球表面的山川、流域与盆地等自然地理单元受岩石圈板块水平运动与深部地幔动力学的联合控制。自然地理单元及其演变是内、外动力长期作用的综合结果。活动论构造古地理思想是在地球系统科学的活动论、演化论、阶段论与转换论观念下的自然延伸。整体、动态、综合分析是活动论构造古地理研究的基本方法;确定构造古地理单元的边界、属性、组成、结构与演变的“五定”原则是工作的具体步骤;搭建数据化、标准化和智能化的古地理重建平台是研究的重要途径。基于活动论构造古地理思想的原型盆地分析,是对原型盆地进行复位、复原与复变,揭示原型盆地的时—空结构;而活动论的源-汇系统分析是在地球系统观指导下的深、浅部结合的全链条、全过程综合研究。活动论构造古地理是研究地表过程和能源、资源矿产分布预测的重要基础。

关键词: 古地理; 板块构造; 活动论; 构造古地理重建; 地球系统; 大数据平台
中图分类号:P531 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2020)01-0001-28
Status,thinking,and methodology of studying on the mobile tectono-palaeogeography
He Deng-Fa1, Li De-Sheng2, Wang Cheng-Shan1, Liu Shao-Feng1, Chen Jia-Jun1
1 China University of Geosciences (Beijing),Beijing 100083, China
2 PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Beijing 100083, China

About the first author He Deng-Fa,born in 1967,obtained his Ph.D. degree from PetroChina Research Institute of Exploration and Development in 1995.Now he is a professor of China University of Geosciences(Beijing)and is engaged in structural analysis of petroliferous basins. E-mail: hedengfa282@263.net.

Fund:Financially supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 41430316)
Abstract

Palaeogeography is an integrated science to study the physio-geography on the Earth surface during the geologic history. The tectono-palaeogeography is thus the science to study the geo-tectonic character and evolutionary process of the geographic units during the geologic history. Such physio-geographic units as the mountains,the catch areas,the routing systems,and the sedimentary basins are controlled by the coupling between the horizontal movements of the lithospheric plates and the vertical processes of the deep mantle. The thought on the mobile tectono-palaeogeography is the natural extension of the mobile,the evolutionary,the stage,and the transitionary concepts of the Earth system science. Its methodologies of its basic utilization is strengthened on the integrated,dynamic,and the comprehensive analyses. To define such five aspects as the boundary,attribute,composition,architecture,and the evolution is the critical steps,and the measures to build up the platform in a way of digitized,standardized,the automatic intelligent is an important course to realize it. The proto-type basin analysis based upon the thought on the mobile tectono-palaeogeography is to restore the real location,the initial status,and the practical process,and to disclose the spatial-temporal frameworks of the proto-type basins. The accordingly source-to-sink analysis is to study the all aspects,and the full processes under the guidance of the Earth system thought. The mobile tectono-palaeogeography is the key basis for the exploring the surface processes,and the appraisal of the energy,the resource,and the ore deposits.

Keyword: palaeogeography; plate tectonics; mobilism; reconstruction of tectono-palaeogeography; Earth system; big data platform
1 概述

古地理学研究地质历史时期地球表面的自然地理, 既描述地球过去的大陆轮廓、纬度、地形起伏、气候、生物等, 也对岩石圈、大气圈、生物圈和水圈历史面貌进行综合研究, 涉及古生态、古环境、古气候、古海洋以及古生物等方面, 是一门综合性的地球科学(冯增昭, 2003, 2016; 陈洪德等, 2017)。构造古地理学是研究地质历史时期地理单元的构造属性及其演变特征的科学, 通过研究地质历史时期的构造作用过程, 了解自然地理演化的基本规律, 为古地理学的一个重要分支。

构造古地理学是研究地球系统随时间演变的重要基础, 是揭示宜居地球、行星之间相互作用的一个重要途径。同时, 构造古地理学是资源、能源勘查的重要依据, 在油气行业获得广泛应用, 例如板块构造与古地理制图业已成为地质家、勘探家深入剖析边远地区含油气系统形成与发育特点的重要工具(Scotese, 2009)。

板块构造理论建立以来, 板块构造模拟与古地理重建获得了飞速发展。反映这些概念演替的是一系列全球或区域的古地理图不断诞生。古地理图是古板块构造重建与古气候重建的基础, 借此可以复原全球的构造演化历史, 了解地球的过去、现在与将来(冯增昭, 2016); 古地理图是古气候模型的基础, 依据古气候模型可以预测烃源岩、储集岩的时— 空分布, 从而提高油气勘探成功率。

但回溯过去, 对大陆与大洋盆地的形态已了解了多少?对长期剥蚀的山链与古浅海的解释精度怎样?板块构造革命50年来, 对地球究竟了解了什么?真正知道了多少?地学界应该将研究努力聚焦于哪里?

开展古地理重建, 可以反演地球表面系统过去的状态, 为地质学、地理学、海洋学和气候学等研究提供了一个理想的框架约束, 为地球系统的整体演化研究奠定重要基础; 可以更好地认识现代地理环境的本质特征, 预测未来地理环境演变的趋势, 并提出合理利用、改造环境的科学对策, 为宜居行星的发展趋势做出预测; 对某一地质时期全球、某些区域、某个地区的古地理研究(如古地貌、古水深、古水温、古盐度、古水化学成分、沉积物组成及粗细变化和搬运方向等要素), 有助于揭示油气、煤矿、铀矿和有关的残积风化矿床以及地下水等矿产资源的成矿规律、形成条件和分布规律, 指导矿产资源、能源分布的预测与勘探开发(王成善等, 2010; 陈洪德等, 2017; Hou et al., 2018)。

将地球作为一个整体的、复杂运行的系统, 是当今地球科学的主要趋势。在这一背景下, 思考构造古地理重建的内容、思路与方法乃是一种必然。如何利用大数据重建“ 深时、原位、原型” 的活动论古地理, 揭示地球动力学机制是目前地球系统科学研究的重要方向。

在回顾、分析构造古地理研究现状的基础上, 剖析目前研究存在的主要问题; 提出了活动论构造古地理研究的基本内容、分析思路与方法; 探讨了活动论构造古地理指导下原型盆地复原与源-汇系统重建的方法。

2 研究现状
2.1 板块构造理论之前的构造古地理研究

在板块构造理论提出之前, 占统治地位的大地构造理论是槽-台理论。基于地槽、地台的研究, 也不乏至今仍闪耀光辉的构造古地理重要概念。

Suess(1909)提出了特提斯洋和冈瓦纳大陆的概念, 是今天地学研究的热点领域。Haug(1900)编制了标有非洲— 巴西古大陆— 澳大利亚— 印度— 马达加斯加古大陆的世界地图, 可以看作古地理重建的鼻祖。Wegener(1912)提出了大陆漂移学说, 诞生了第1张泛大陆古地理再造图, 是活动论构造古地理的开山之作。

中国的地质学家根据中国地质构造特点进行研究。在20世纪20年代葛利普(1923— 1928)的《中国地质史》中出现了中国最早的古地理图。1945年, 黄汲清在《中国主要地质构造单位》中, 编制出了寒武纪、加里东泥盆纪、华力西二叠纪、燕山白垩纪和喜马拉雅期的中国构造古地理图5幅, 勾绘出了这些地质构造阶段的海陆分布轮廓。这些图是中国构造古地理图的开端。其中, 加里东、燕山运动对古地理面貌的重大影响现今逐渐被揭示出来(赵越等, 2004)。谢家荣(1948)的《古地理为探矿工作之指南》是中国第1篇公开指明古地理在矿产资源预测和勘探工作中的指导作用的文章。刘鸿允(1955)以古生物地层学方法编制出了《中国古地理图》, 讨论了中国各地质时代沉积地层的古地理轮廓, 具有开创意义。卢衍豪等(1965)应用古生物学、岩石学方法, 编制出以“ 组” 为单位的8幅中国寒武纪岩相古地理图, 对寒武纪构造-沉积环境的认识迄今仍有重要参考价值。

2.2 板块构造理论诞生以来的构造古地理研究

2.2.1 岩石圈板块水平运动框架下的构造古地理研究

2.2.1.1 板块构造理论与板块重建

板块构造理论的诞生史实际上是构造古地理概念的演变史, 或者说活动论构造古地理概念的提出史。 Wegener在1912年出版了《大陆和海洋的形成》, 提出了大陆漂移说; 基于古地磁学研究, Hess和Dietz在20世纪60年代初期提出了海底扩张假说; 1967— 1968年, McKenzie和Parker(1967)、 Le(1968)和Morgan(1968)在大陆漂移学说和海底扩张学说的理论基础上, 根据大量的海洋地质、 地球物理、 海底地貌等资料, 联合提出了板块构造学说, 即探讨地球刚性外壳(岩石圈)如何运动和再循环的理论。 板块构造学说认为全球大致可分为6大板块, 这些板块漂浮于软流层之上, 板块交界处地壳运动活跃, 板块内部则较为稳定, 从而较好地解释了火山和地震带的分布以及不同地形单元的形成。 在过去50年间板块构造理论得到不断发展, 为地球科学提供了一个统一的格架(Zheng and Zhao, 2019)。 20世纪90年代兴起的大陆动力学理论正试图解决板块构造在大陆地质研究中的合理应用和发展, 30年来, 大陆动力学领域出现了滑移线场、 大陆深俯冲、 变质核杂岩、 全球超大陆、 板块拆离、 陆内变形等新的概念, 合理解释了大陆内部诸多复杂的地质现象, 弥补了板块构造学说的不足。

基于精确定位的古地磁学, 再现环境的古气候学、古生态学、岩相学, 可以定量揭示板块的活动特点, 如板块边界、古海岸线、古陆高程等, 据此涌现出了一批板块构造的模拟者。代表性人物有:

1)剑桥大学的Alan Smith 自1965年以来开始模拟板块构造。据古地磁学、地质学研究成果, 他认为板块构造起源于元古代(Smith, 1976)。

2)得克萨斯大学的Chris Scotese 自1973年以来开始的PALEOMAP项目, 使用整体的、多学科的、地球系统科学方法来模拟板块构造、古地理与古气候, 从而更好地理解边远地区的地质与含油气系统的发育。

3)芝加哥大学的David Rowley在1984年开始模拟板块构造, 其古地理图集项目成果丰富。1985年, 他根据古地磁、植物地理、地层与构造资料复原了石炭纪的板块格局、古地理与古气候, 指出华南、羌塘、印支等地块来自冈瓦纳大陆北缘; 1988年, 开展了北大西洋— 北极地区晚侏罗世至今的板块运动学重建, 厘定了北美与欧亚大陆之间的海底扩张始于110 Ma(Rowley and Lottes, 1988); 1996年, 探讨了印度板块与欧亚大陆之间的穿时碰撞(Rowley, 1996)。

4)澳大利亚悉尼大学的Mü ller自1990年以来的GPLATES项目, 研究全球洋盆磁异常条带的年龄(Mü ller et al., 1997); 探讨泛大陆裂解以来全球尺度的板块重组与大洋盆地演化(Nicky et al., 2016); 依据地质与地球物理约束分析了澳大利亚与南极的分离与海底扩张(Mü ller et al., 2007)。

5)瑞士洛桑大学的 Stamplfi的板块重建研究组成就斐然。他根据板块边界的动态变化和复原的综合大洋磁异常条带年龄, 建立了古生代与中生代的板块构造模型(Stampfli and Borel, 2002); 重建了阿尔卑斯构造域的板块构造, 尤其是华力西— 阿尔卑斯旋回的构造演化(Stampfli and Kozur, 2006)。据长期积累, 洛桑大学建立了600 Ma以来的全球板块构造模型, 揭示了潘吉亚(Pangea)泛大陆的形成过程, 尤其是将源自冈瓦纳大陆的(微)地块“ 放回” 其初始位置(Stampfli et al., 2011)。Vé rard等(2015a)基于构造模式(洋底年龄、洋壳生成与俯冲速率、构造活动性)与化学及古气候指标(CO2, 87Sr/86Sr, 冰川证据、海平面变化)分析, 建立了显生宙的地球动力学演化模式。Vé rard 等(2015b)提出了3D古地理重建的系统方法, 包括据沉积物计算海洋深度、大陆高程的方法(包括地表起伏的定量化)。

近20年来, 开发了一系列板块重建软件, 如GMAP(Torsvik and Smethurst, 1999), PaleoMac(Cogné , 2003), PLACA(Matias et al., 2005), SPlates(Torsvik et al., 2006), GPlates(Boyden et al., 2011), PMTec(Wu et al., 2015), 可进行数据处理与可视化。Matias等(2005)开发了PLACA程序, 适用于刚体板块构造复原, 磁极的最佳拟合, 断裂带、火山岩分布等的恢复; 其“ 正演” 模型可以做常规的板块复原, 并将大洋中脊作为动态的段落进行处理; 在其“ 改进” 模型中, 可以进行磁极拟合, 并确定其置信度。Wu等(2015)基于MATLAB工具开发了PMTec软件, 该软件面向学界公开, 适合于依据古地磁数据建立视极移曲线(APWP), 从而进行绝对板块运动学重建。

Scotese和McKerrow(1990)认为, 全球板块模型的质量取决于3个方面: (1)输入的数据(可被所有研究人员共享); (2)应用的软件技术(ArcGIS), 如PlateTracker(PALEOMAP项目组使用的), PaleoGIS(Rothwell 研究组使用的), GIS技术在古地理重建中可以方便地加层, 从而建立古地理的3D模型, 可进行3D模型分析, 如河流流域体系; (3)制图方法, 如板块轮廓、全球旋转模型。

2.2.1.2 古地理重建

在全球板块构造模型的基础上, 开展了全球或区域的古地理重建。古地理重建是通过解释岩石记录对沉积岩相与环境的时代分布进行制图。古地理模拟的代表性人物有:

1)Peter Ziegler:使用传统方法, 开展欧洲、北美与北极圈的构造古地理复原。晚年研究欧洲新生代的裂谷体系、成因机制, 以阿尔卑斯前陆为例研究板内变形的力学机制。

2)Christopher Scotese: Scotese在1975— 1976给出了全球古大陆再造图。他在PALEOMAP项目中应用古高程模型。在数字高程模型中, 古地理图的水平分辨率为1° × 1° , 垂直分辨率为40 m, 时间分辨率为最近的层序边界与最大洪泛面, 岩性数据以阶为准。Scotese项目组2001年完成了《地史图集》, 2008年完成了从前寒武纪至新生代的48张古地理图。可以时间切片方式三维动态显示1100 Ma 以来全球板块的运动历史。

3)Cook于1988年完成了《澳大利亚古地理图(寒武纪)》。

4)Dercour等的环特提斯项目, 1993年出版了《特提斯古环境图集》, 对从大西洋到帕米尔的特提斯带的地质演化、尤其是对侏罗纪、中新世的古地理、古环境等进行了系统总结。

5)Cope等(1992): 出版了英国的《古地理和岩相图集》。

6)Hall(2002):基于计算机复原, 建立了东南亚、西南太平洋新生代的板块构造演化模型, 特别强调45 Ma, 25 Ma 与5 Ma的构造事件。

7)Ron Blakey: 开展数字化处理, 1997年编制出《美国西南部古地理》。

8)Paul Markwick(Getech): 从等高线中得到PaleoDEM模型。

9)Csontosa(2004)应用古地磁学、古生物地理学、构造地质学方法, 开展地体(Alcapa, Tisza, Dacia与Adria等)分析, 精细地复原了喀尔巴阡山地区中生代的构造过程。

10)Handy等(2010):利用反映大洋扩张与俯冲的地质、地球物理记录进行了阿尔卑斯特提斯复杂的板块构造演化重建, 包括一系列微地块(如Adria, Iberia, Alcapia, Alkapecia, Tiszia等), 复原了131~84 Ma、84~35 Ma、35~0 Ma的3个阶段的演化过程。

11)Metcalfe(2013): 对冈瓦纳离散与亚洲的增生进行研究, 提出了东特提斯构造与古地理的演化路径。

古地理重建是一项强数据依赖型的研究工作, 用以约束的数据越多, 重建的结果越接近真实。随着地球科学与计算机科学的深度交叉融合, 古地理研究的范式已由传统的地质卡通模式图导向向地质大数据融合挖掘导向转变, 研发数据化、标准化和智能化的古地理重建平台是当前的发展趋势。

2.2.1.3 全球构造古地理重建

关于全球板块构造、古地理演化及其重建已开展了长期研究。近年来, 开展了不同地质历史阶段的板块构造古地理复原, 较为突出的成果体现在:

1)Zhao等(2018)、Li等(2019)一批学者对全球超大陆的聚散开展了研究, 基本建立了哥伦比亚、罗迪尼亚、潘吉亚3个超大陆的聚散模型。哥伦比亚超大陆于2.0~1.8 Ga大陆聚合, 1.8~1.3 Ga边缘发生增生, 1.6~1.3 Ga内部发生拉张, 约1.27 Ga最终裂解。Zhang等(2012)基于古地磁、岩浆岩等的研究复原了1780~1400 Ma的古大陆位置, 称其为Nuna超大陆(即哥伦比亚超大陆)。罗迪尼亚超大陆1.1~0.9 Ga大陆聚合, 900~750 Ma边缘发生增生, 750~600 Ma发生裂解(图 1)。潘吉亚超大陆形成于250 Ma以来, 将于250 Ma之后再次聚合。

图 1 580~530 Ma 全球板块构造格局重建(据Zhao et al., 2018)
Adamastor(Khomas)洋在580~550 Ma穿时闭合, Mawson洋在550~530 Ma闭合, 分别形成达马拉和Kuunga造山带。冈瓦纳大陆最终形成。华北、华南、塔里木、阿拉善、柴达木、中秦岭等中国大陆(微)地块介于冈瓦纳大陆与西伯利亚— 劳伦大陆之间Fig.1 Plate tectonic pattern of the Earth during 580~530 Ma(after Zhao et al., 2018)

2)Domeier(2016)根据构造、古生物地理、岩相学等进行了早古生代亚皮特斯洋与瑞克洋的板块构造复原, 以10 Ma为单位再现了早古生代的板块构造演化历史(图 2, 图 3, 图 4)。东亚地区在早古生代, 主要涉及原特提斯洋与古亚洲洋的演化, 原特提斯洋于500~420 Ma闭合。

图 2 据现有板块模型的寒武纪和早奥陶世3个时期的古地理重建(据Domeier, 2016, 有修改)
上行表示重建图, 表示了板块边界(蓝色=俯冲带; 绿色=转换边界; 红色=扩张脊)及一些主要特征; 下行给出了单个板块(以不同颜色表示)及其时间相关的板块速度场。边界虚线表示的外部边界是一任意周长, 表示了所用模型的外部范围。缩写: AM=Armorican 地块, CA=Carolinia, CH=Clew 湾-Highland 边界杂岩, CU=Cuyania, DW=Dashwoods 微陆块, EA=东Avalonia, FA=Famatina 弧, GA=Ganderia, IB=伊比利亚, LB=Lushs Bight 洋内弧, MV=Midland谷— 南Mayo地体, MX=Mixteca-Oaxaca 地块, PA=Penobscot 弧, PI=东部山前带, SK=Sunnhordland 和 Kö li 推覆杂岩, WA=西AvaloniaFig.2 The Cambrian and Early Ordovician palaeogeographic reconstructions from the presented plate model for three different times (modified from Domeier, 2016)

图 3 据现有的板块模型, 中晚奥陶世3个时期的古地理重建(据Domeier, 2016, 有修改)
PV=Popelogan-Victoria弧.【其他符号说明见图2】Fig.3 Middle-Late Ordovician palaeogeographic reconstructions from the presented plate model for three different times(modified from Domeier, 2016)

图 4 据现有的板块模型, 志留纪3个时期的古地理重建(据Domeier, 2016, 有修改)
ES=东Svalbard.【其他符号及说明见图2】Fig.4 Silurian palaeogeographic reconstructions from the presented plate model for three different times (modified from Domeier, 2016)

3)对于晚古生代的构造古地理复原: Seton 等(2012)开展了400 Ma以来全球大陆、大洋盆地重建; Domeier和Torsvik(2014)建立了晚古生代(410~250 Ma)的全球板块构造模型, 可以看作全-板块尺度的构造古地理成果; Young等(2019)基于地表运动学与所预测的下地幔结构, 给出了晚古生代410 Ma至今板块边界闭合的全球板块构造与俯冲带的运动学模型(图 5, 图 6)。东亚地区, 古亚洲洋在晚古生代末期自西向东闭合, 西段、中段与东段分别闭合于310~280 Ma, 280~265 Ma和260~245 Ma。而东古特提斯洋北支(勉略洋盆)于早泥盆世(420~380 Ma)开启, 石炭纪— 早二叠世达最大规模, 晚二叠世开始俯冲消减, 中晚三叠世闭合, 形成中国大陆主体(张国伟, 1988; 张国伟等, 2013)。

图 5 410~310 Ma间每隔20 Ma的全球板块构造重建(据Young et al., 2019)
表示了洋盆与大陆板块的分布。大陆范围以绿色阴影区近似。蓝线表示俯冲带, 三角形示仰冲板块; 紫色线表示洋中脊与转换断层。缩写(红: 洋壳; 黑: 大陆): PAN, Panthalassa 洋; RHE, 瑞克洋; PTE, 古特提斯(Paleo-Tethys)洋; AAB, Arequipa-Antofalla 洋; MIA, 勉略洋; LIZ, Lizard 洋; LAU, 劳亚; GON, 冈瓦纳; VT, 华力西地体; SIB, 西伯利亚; AMU, Amuria; KAZ, 哈萨克斯坦; CTO, 中天山; TRM, 塔里木; NCB, 华北; SCB, 华南; ICB, 印支; PAT, Patagonia。a-c为泥盆纪重建图; d-f为石炭纪重建图Fig.5 Global plate reconstructions between 410 Ma and 310 Ma at 20 Ma intervals showing the distribution of major ocean basins and continental plates(after Young et al., 2019)

图 6 290~190 Ma间每隔20 Ma的全球板块构造重建(据Young et al., 2019)
NTE, 新特提斯(Neotethys)洋; MOO, 蒙古— 鄂霍茨克(Mongol-Okhotsk)板块. 【图中其他符号及说明同图5】g-h为二叠纪重建图; i-k为三叠纪重建图; l为早侏罗世重建图Fig.6 Global plate reconstructions between 290 Ma and 190 Ma at 20 Ma intervals showing the distribution of major ocean basins and continental plates(after Young et al., 2019)

4)Morra等(2013)给出了200 Ma以来地表板块构造演化的镶嵌图案(图 7)。再现了太平洋、非洲、欧亚等板块每隔20 Ma的运动学图案。

图 7 地球表面190 Ma以来的镶嵌格局(据Morra et al., 2013)
深灰代表大板块。强非均一的镶嵌格局由大的暗色(太平洋或伊左奈崎)板块环绕小的灰色板块构成(如50 Ma), 均一的镶嵌格局由均一灰色构成(如110 Ma)。绿色边界线代表汇聚边界, 红色边界线代表扩张边界Fig.7 Earth surface tessellation for the last 190 Ma(after Morra et al., 2013)

5)李江海和姜洪福(2013)系统地绘制了全球古板块再造图、 古地理环境恢复图、 沉积岩相图、 烃源岩分布图、 主要古生物分布图等系列图件。

6)Zhao 等(2018)基于全球超大陆与东亚大陆聚散的研究建立了750 Ma以来突显东亚各组成陆块位置的板块构造复原系列图。这些陆块基本在220 Ma聚合(图 8)。

图 8 东亚大陆的构造格架(据Zhao et al., 2018)Fig.8 Schematic map of East Asia showing major continental blocks and bounding sutures(after Zhao et al., 2018)

7)张光亚等(2019a, 2019b)应用全球岩相古地理图编图新方法, 系统编制全球现今地理位置13个纪或世关键时间点的岩相古地理图, 结合古板块恢复成果实现古构造位置下的原型盆地和岩相古地理恢复。

2.2.1.4 中国古地理重建

基于大地构造观, 中国开始了古地理重建的长期积累与研究。中国大地构造区划与大地构造形成演化的研究已有百余年的历史, 不同学派具有不同的观点和划分方案。相对而言, 以黄汲清先生的多旋回构造观、李春昱先生的板块构造观和王鸿祯先生的历史大地构造观为指导思想的大地构造划分方案, 是集中国地质构造之大成, 影响既广泛且深远。尤其是先生们的三大构造域划分理念、板块边界厘定和构造演化阶段划分, 奠定了大地构造格架划分和演化过程认识的基础。应用板块构造理论开展中国的构造古地理研究, 代表性成果有:

1)王鸿祯系列著作: 1985年出版了《中国古地理图集》, 包括古地理图、古构造图、生物地理图、气候分带图等系列图件, 该图集以大地构造学的理论为指导、以大量的区测资料为基础编制而成, 是中国构造古地理学的代表作, 为中国古地理学研究奠定了基础。王鸿祯等(1990)出版了《中国及邻区古生代生物古地理及全球古大陆再造》, 在理论上体现了构造古地理和生物古地理的研究成果, 也包括岩相古地理内容, 系统地表达了对中国地壳在地质历史中的地理发展和构造演变基本过程的认识。

以晚三叠世古地理图为例(图 9), 该图是据35年前的资料编制的, 目前仍然是中国最全面的一张古地理图。如对鄂尔多斯原型盆地的表示, 晚三叠世延长期为最大湖泛期, 围绕湖盆周边发育4个物源的河流— 三角洲沉积体系, 在湖盆发育最大时期形成厚层湖盆中心重力流沉积体系; 构造古地理格局决定原盆地分布与源、储组合关系; 截至2017年9月, 中石油长庆探区累计探明石油储量45.22× 108 t, 资源探明率达46.9%(含延长油矿探明15× 108 t); 在2019年, 在长7烃源岩层段, 发现了10× 108 t级的庆城页岩油大油田。又如四川盆地须家河组沉积期, 须一段至须三段发育有海湾相, 须四段至须六段逐渐转为陆相; 须家河组气藏形成和富集主要受须家河组烃源、构造、主河道砂体3个因素控制; 已发现气田30个, 含气构造8个, 三级储量9865× 108 m3。再如准噶尔盆地, 晚三叠世为统一的大型克拉通内坳陷盆地, 上三叠统白碱滩组中期是三叠纪湖盆范围最大的时期, 发育扇三角洲和辫状河三角洲两类沉积体系, 盆内未见边缘相带; 西北缘、乌伦古局部及南缘发育扇三角洲平原— 前缘— 滨浅湖— 半深湖沉积体系; 东部发育扇三角洲前缘、辫状河三角洲前缘— 滨浅湖— 半深湖沉积体系; 截至2017年10月, 在玛湖凹陷已发现三级石油地质储量12.4× 108 t, 成为世界第一大砾岩油田, 目前玛湖地区尚具备再发现10× 108t储量的资源条件; 产能建设顺利推进, 目前已建产能136× 104t, 已计划建产能1015× 104t。

图 9 中国晚三叠世古地理图(据王鸿帧, 1985; 有修改和简化)Fig.9 Late Triassic palaeogeographic map of China(adapted from Wang, 1985)

2)崔克信(1986): 在《中国自然地理》古地理分册的下册中以“ 构造运动为纲” 的思路编制了8幅小比例尺不同地壳运动时期的海陆分布图, 断代的新元古代震旦纪、早古生代和晚古生代古地理图各1幅。

3)刘宝珺和许效松(1994): 以“ 构造控制盆地、盆地控制沉积” 和构造活动论思想, 研究了南方海相盆地的沉积相和古地理, 恢复和重建了不同地质历史时期的古地理单元, 引领了中国新一代岩相古地理学研究的发展。

4)潘桂棠等(2001): 基于与东南亚、西太平洋等实际地质对比, 提出了青藏地区多岛海(洋)构造古地理格局学术思想。

5)万天丰和朱鸿(2007): 根据中国大陆及邻区的古生代和三叠纪古地磁数据, 复原了中国各陆块在全球大陆中的位置, 探讨了它们的运动学特征。

6)马永生等(2009): 出版了《中国南方构造— 层序岩相古地理图集(震旦纪— 新近纪)》。以层序的动态充填过程为主线, 揭示了盆地的构造— 层序岩相古地理演化。

7)郑和荣和胡宗全(2010): 出版了《中国前中生代构造— 岩相古地理图集》, 系统展示了海相地层的分布。

8)肖文交等: 开展了中亚增生型造山带的长期研究, 提出了哈萨克斯坦、蒙古山弯构造的演化模型。中亚造山带是全球最大的显生宙增生型造山带, 在古生代至中生代早期经历了多俯冲带、多方向的复式增生造山作用(Xiao and Santosh, 2014; Xiao et al., 2015)。综合蛇绿混杂岩、增生杂岩和岛弧岩浆岩时空演变特征, 新疆北部古生代存在多岛海的构造古地理格局(Wang et al., 2003), 中亚地区蕴藏着重要的金属矿产和油气资源。

9)张国伟、赵国春、黄宝春等开展了《东亚大陆聚散》研究, 如Zhao等(2018)给出了东亚大陆主要地块在750 Ma以来的演化路径。

2.2.1.5 应用古地理研究

以矿产资源勘探尤其是油气勘探为目的的古地理研究, 应用岩相学、古生态学、沉积学方法, 辅以大地构造背景分析, 是中国地质界古地理研究的一个主要特色。以资源勘探为导向的应用古地理研究有不断向更小的空间尺度和时间尺度的精细岩相古地理编图方向发展的趋势(冯增昭等, 1988, 1990; 冯增昭, 2004; 陈洪德等, 2017)。 主要代表有:

1)冯增昭自20世纪70年代后期至今, 采用单因素分析多因素综合作图法, 先后编制了下扬子地区华北、鄂尔多斯、塔里木等不同地区及全中国多层位的岩相古地理图, 该方法的核心是定量化, 引领了定量古地理编图的发展(冯增昭等, 1988, 1997; 冯增昭, 2016)。

2)关士聪等(1984)完成并出版了《中国海陆变迁、海域沉积相与油气》。该书列出了中国中— 晚元古代(长城纪— 震旦纪)到三叠纪海陆分布及海域沉积相图20幅, 海陆变迁图5幅, 着重论述了海陆变迁、海域沉积相与油气的关系, 并分析了中国海相油气远景。

3)李思田(1988)完成的含煤盆地岩相古地理编图研究, 是以服务于某种矿产勘探的应用古地理研究的典范。

4)许效松等(2004)重建了中国各陆块在显生宙几个主要时段的相对位置分布, 探讨了四川盆地、鄂尔多斯盆地和塔里木盆地的古地理环境特征和油气资源效应。

开展国家油气专项研究20年多来, 中国古地理编图研究在岩相古地理、生物古地理、构造古地理等方面进展很大(汤良杰等, 2000; 何登发等, 2005, 2007; 许效松等, 2005; 林畅松等, 2011; 李英强等, 2013; 李皎和何登发, 2014; 邵东波等, 2019; 胡明毅等, 2019), 对塔里木、准噶尔、四川、渤海湾、柴达木等盆地的古地理研究进行到以组、段为编图单元的阶段, 对有的地层(如前述延长统、须家河组等)达到了四级层序体系域编图的精度。

2.2.2 地幔垂直运动框架下的构造古地理研究

太平洋板块内部的夏威夷火山岛链的形成, 被认为是热点(地幔柱)的作用。 全球大火成岩省非常发育, 形成包括大陆溢流玄武岩在内的非板块运动形成的火成岩, 超大规模岩浆涌出, 造成气候急剧变化, 被认为是恐龙等生物大灭绝的主要原因之一。 这种大火成岩省被认为与地幔柱密切相关(Ernst, 2014)。 俯冲到核幔边界的洋壳具有均匀的轻重矿物分布, 其矿物颗粒相对较小; 矿物颗粒慢慢长大, 并在黏度低的地方逐渐发生轻重矿物分离; 矿物发生分离, 轻矿物部分具有比周围地幔低的密度, 开始上浮; 而重矿物部分将仍停留在核幔边界(CMB), 这样形成了地幔柱。 地幔柱假说认为靠近地核的那部分地幔会形成一个升腾的热柱, 当其上升到岩石圈底部时, 地幔流向由垂直上升变为向外扩散形成具有火山活动特征的热区(孙卫东, 2019)。

地幔内部热对流, 相对运动的数个板块构成其热边界层, 它们之间将发生相互作用。这一假说将浅部岩石圈的水平运动和深层地幔的垂直运动结合在了一起。虽这一假说仍未被广泛接受, 但南太平洋和非洲的上涌超级热柱, 中亚存在的下沉超级冷柱, 已通过地震层析成像证明。地震层析技术反映深部物质的密度差异, 从而反映出温度、化学的非均一性。板块俯冲至670 km, 甚至到2850 km; 引起地幔柱上升, 从而形成全地幔对流。地幔对流系统是表面板块剪切运动的动力; 岩石圈板块是对流的浅层表现, 岩石圈板块的近地表运动与地幔对流系统是有联系的(Anderson, 1982)。

全球存在板块型式和地幔柱型式的2种对流, 板块型式对流即上部冷的热边界层驱动的对流, 地幔柱型式对流即下部热的热边界层驱动的对流。下地幔巨型地幔柱的活动是全球大地水准面起伏的主要原因。浮力分析是讨论地幔流动的重要基础。

地幔对流是驱动地球各种动力学行为的引擎, 直接或间接导致了几乎所有大尺度的构造和地质活动(Davies, 1999)。地幔对流也会对岩石圈施加垂向的应力, 使地表产生起伏, 这一起伏称为动力地形。动力地形是“ 响应地幔内部流动产生的地表垂直位移” (Richards and Hager, 1984)。重力场揭示大地水准面高度的异常。从全球尺度来看, 剔除岩石圈的影响之后, 动力地形一般在300~500 m(Cazenave, 1989)。全球大地水准面2° 的变化是50 m(Hager et al., 1985)。

地表地形主要受均衡地形— 地壳和岩石圈厚度及密度横向不均匀导致的地形所控制, 但动力地形是窥探深部地幔动力学的重要窗口。通常用2种方式来约束它的空间分布和振幅: 一种是通过从观测地形中去除沉积物、地壳厚度等岩石圈的均衡贡献来估计, 结果称作残余地形, 它可能只是动力地形的近似; 另一种是通过地幔对流模型来预估, 也叫预测动力地形。

小尺度动力地形的存在早已被认识到, 例如20世纪70年代讨论的夏威夷热点链旁数百至上千千米的隆起。 但对于大尺度(5000~10000 km以上波长)动力地形是否存在, 它的振幅和空间分布等问题, 2种方法一直存在显著差异。 如根据预测动力地形, 全球最低值在东南亚区域, 其幅度可达-1 km甚至更低, 但残余地形给出的估计为正或接近于0 m(Flament et al., 2013)。 Yang等(2017)通过对合成地形及观测重力场的系统分析指出, 动力地形长期存在争论很大程度上来自于残余地形估计的不准确性, Hoggard等(2016)使用低精度的残余地形污染了其获得的高精度数据, 其目前稀疏分布的高精度残余地形数据可以有效地推测出长波长动力地形的分布, 其结果和长期以来预测动力地形在空间分布和振幅上均一致。

Davies 等(2019)对Yang 等(2017)的工作进行了验证和扩展, 认为深部和浅部的地幔对流都对地表地形有重要影响; 他们使用基于贝叶斯估计的自动相关性拾取的方法来执行正则化反演过程, 计算残余地形功率谱。长波长残余地形的振幅范围为0.8± 0.1 km, 与Yang 等(2017)使用同样阶数得到的数值(-860~900 m)基本一致; 从I=2阶到I=30阶, 地形功率谱的变化降了一个数量级, 他们认为这证实了短波长、低振幅残余地形的存在。深部和浅部的地幔对流都对地表地形有重要影响, 残余地形的长波长成分由深部的地幔对流控制, 短波长成分主要取决于岩石圈结构和最上层的地幔对流; 只有仔细地分离和消除地球岩石圈厚度和密度变化引起的均衡效应, 才能从观测记录中提取与对流有关的动力地形的短波成分。Davies等(2019)的工作已充分揭示了短波长动力地形的特点。然而, 准确约束短波长动力地形需要地幔对流模型预测和残余地形估计2个方向的共同进步, 这取决于建立更为可靠的地幔密度和黏度结构模型以及更精确的地壳及岩石圈的厚度与密度分布。

小规模对流有关的动力地形, 与洋/陆边界的边缘— 驱动效应有关; 大陆岩石圈之下小尺度对流, 这种长度尺度的大陆表面的动力地形波动可以解释沉积盆地的地层层序特征。

板块俯冲相关的动力地形, 在弧后地区动力沉降可达300 m。动力地形对全球构造古地理有重要影响。地形隆起构成物源区, 负动力地形形成坳陷型克拉通盆地。克拉通盆地可与热点相关, 也可能与冷点相关。大陆表面的动力隆起形成穹窿、可产生放射状水系。动力地形是影响海平面长周期变化历史与大陆内部海侵的一个重要因素。

2.2.3 岩石圈板块水平运动与地幔柱垂直运动相结合的全球构造模型及构造古地理研究

板块构造理论较难解释大陆内部的地貌、地震、新构造与沉降史。板内环境岩石圈的整体强度受它的热— 构造年龄与继承性构造的重要影响。大陆岩石圈具有复杂的流变学特点; 岩石圈的力学拆耦/分层特点对地球深部与地表过程之间的相互作用有明显控制。例如, 岩石圈的流变学分层制约着古克拉通块体的保存, 地幔柱— 岩石圈相互作用的地表显示以及对“ 动力地形” 的总体影响; 大陆岩石圈俯冲的启动(连接造山变形与板内变形的纽带), 也可能受到地幔柱— 岩石圈相互作用的促进; 岩石圈褶皱作用对沉积盆地的形成及相应的差异垂直运动的控制, 也受到岩石圈的流变学分层的制约。目前, 仍然缺乏将地幔动力学与大陆变形和盆地发育相结合的完美解释, 例如世界范围克拉通盆地的地层层序发育, 寒武纪— 早奥陶世、晚白垩世的海侵成因。

在全球构造模型中, 目前已有将岩石圈板块运动与地幔柱耦合作用相结合的趋势, 提出了新框架下的威尔逊旋回概念(Wilson, 1965; Heron, 2019)(图 10): 阶段1, 超大陆通过超级下降流聚合; 阶段2, 初始俯冲停止, 在超大陆边缘形成新的俯冲带; 阶段3, 地幔回流和大陆绝热引起的上地幔加热作用产生陆下的深地幔柱; 阶段4, 地幔柱促进超大陆裂解。

图 10 岩石圈板块运动与地幔柱耦合作用的威尔逊旋回(据Wilson, 1965; Heron, 2019)Fig.10 A cartoon of coupling between the mantle plumes dynamics and the lithospheric plate movement in the wilson cycle(after Wilson, 1965; Heron, 2019)

在板块构造模拟与古地理重建中, 新的方法不断涌现。Stuart等(2012)提出了4D板块的概念, 主要基于高分辨率资料, 可以叠加到4~8层数据。以前的板块复原模型不考虑板块的变形。Gurnis等(2018)提出了刚体板块连续变形与演化的全球构造重建的新方法, 变形区镶嵌于三角网中, 从而可以计算变形及其变化, 这一模块放在Gplates交互式平台上。对北美西部新生代构造、南美大西洋边缘中生代构造、东南亚新生代构造的复原表明, 这一方法是研究大陆变形的有效工具。Peace等(2019)应用GPlates建立了北大西洋南部200~0 Ma的多期变形的板块构造模型。

Burov和 Gerya(2014)基于地幔— 岩石圈相互作用, 提出了考虑岩石圈流变学的全三维数字模型, 大陆流变学结构和板内应力在控制地幔柱之上的动力地形、地幔— 岩石圈相互作用和大陆裂解过程方面有重要作用。地幔/岩石圈相互作用, 流变学结构与板内应力的相互作用产生2类地貌演变方式: (1)对常见的流变学分层岩石圈(热— 构造年龄50~500 Ma), 地貌表现为短波长(λ < 50, 100, 350 km), 较地幔流动波长(λ =1000 km)小很多。在很弱的已有远场应力作用下, 地貌也因断层与裂谷的形成而变得强烈不对称; (2)在年轻而弱的(年龄小于50 Ma)、或老而强的(700 Ma以前的, 地盾)板块条件下, 动力地形表现出“ 传统” 特点, 即与大规模地幔流动有关。

2.3 研究存在的问题

自板块构造理论创立以来, 全球板块构造模拟和古地理重建一直是国际地学界研究的热点。在以前寒武系为基底的地球板块分布及显生宙以来的板块漂移历史, 显生宙以来全球岩相古地理及古板块位置, 新元古代晚期(距今650 Ma)以来全球古板块、古地理和古气候历史重建等方面已较为成熟(图 1至图 9)。在古生代全球构造演化和古板块重建、板块及其边界属性、板块运动分析及其相互作用(图 2至图 6), 中新生代以来全球洋、陆分布及其板块运动学复原方面愈来愈精细(图 7, 图 8)。特定区域的古板块、古地理再造及其对矿产资源的控制研究方面日益深入(图 9)。探究岩石圈板块与地幔的相互作用的构造模型越来越多(图 10), 对动力地形的影响越来越受到关注(图 11)。

图 11 地幔— 岩石圈相互作用与动力地形发育的三维模拟(据Burov 和Gerya, 2014)
第1行为三维动力地形, 第2行为地幔柱/岩石圈相互作用模型。UC=上地壳; LC=下地壳; ML=岩石圈地幔。
a— 普通静止岩石圈模型的长波长响应; b和c— 分层流变学岩石圈模型, 其中b为无远场作用力的初始响应, c为有远场作用力时的响应。λ 1< 30~50 km, λ 2< 100~150 km, λ 3< 250~350 kmFig.11 3D modelling of mantle-lithosphere interactions and dynamic topography(after Burov and Gerya, 2014)

上述研究加深了对地球历史、现今地球表面海洋、陆地、盆地、山脉形成演化及其矿产、能源、资源意义的认识和理解。虽然知识在逐步增加, 但赖以重建的地质、地球物理数据变化并不大。全球板块构造与古地理重建的研究组还不多, 他们关于板块位置及古地理随时间变化的看法有一致性吗?这些研究组解释的差异在什么地方?如何定量评判已经知道的与不知道的?下列问题日益受到关注:

1)长期演化盆地的复原: 因沉积盆地易保存, 沉积记录反映了地质历史时期的岩相、沉积环境、古生态、古气候、古地理格局。但中国的沉积盆地活动性强, 后期改造明显, 沉积记录间断, 对其进行解释会有一定的片面性, 需开展原型盆地复原。

2)造山带的古地理恢复: 造山带(物源区)因隆升剥蚀, 难以得到地质历史时期的古地理信息(图 9中未能复原造山带的古地形)。如: 高程分布, 流域体系, 古地貌, 古气候带, 地质体分布, 古构造属性等。沉积物源综合分析法(岩石学、古水流、碎屑锆石年龄、地化等方法), 古高程计(氢、氧稳定同位素法), 低温热年代学方法(AFT/ZR裂变径迹法, ZR U-Th/He法), 多尺度构造平衡法(地壳、岩石圈尺度的构造平衡, 复原断层、地质体在不同时期的位置), 地质解析法(不同地质体的构造属性)等不同方法解释的精度与综合应用需要不断加强。

3)源-汇体系的流域/搬运体系重建: 这是重建构造古地理格局的纽带, 在以前的重建图中未见。例如陆— 洋体系(控扇)、被动大陆边缘体系、活动大陆边缘体系、陆— 湖体系(控砂)、断陷湖盆体系、拗陷湖盆体系等的复原。

4)山(高地)— 流域(渠)— 盆(低地)完整的构造古地理系统复原: 重建地质历史时期的构造古地理系统, 复原其演变过程, 是地球科学的首要任务。

5)全球尺度的精细活动论构造古地理重建: 目前已出版的构造岩相古地理图多局限于某些地区、国家或区域, 全球范围的构造岩相古地理研究仍较缺乏; 全球尺度的构造岩相古地理恢复、古地理单元划分较粗略, 多为示意性描绘海陆分布, 或是针对某些地质历史时期, 尚未实现全球无缝化、精细化和系统性的编图; 所编图件大多局限于现今构造位置, 还不是活动论的图件。

6)应用构造古地理编图: 目前没有涵盖全球所有含油气盆地等基本构造单元的、系统展现前寒武纪以来各个地质时期关键节点的岩相古地理精细编图(张光亚等, 2019a, 2019b); 对全球古位置岩相古地理演化认识概念性、探讨性多, “ 活动性” 体现不充分; 对全球构造岩相古地理演化及其对矿产资源、能源分布控制作用认识欠深入。

3 活动论构造古地理研究内容、思路与方法
3.1 活动论构造历史观

一个自然系统的基本属性包括: 为一个没有清晰边界的开放系统; 不能精确刻画; 初始条件不能同时被测定; 能量和物质持续流动, 物理和化学特性非常量、非均一; 向一个方向运动时引起抗衡运动的“ 反馈” 机制; 通常具有“ 混沌” 特性; 影响计算和预测的能力。地球是一个动态复杂系统, 表现在: 地球作为一个系统, 地球的所有部分都在运动; 地球的每一个组成部分都卷入循环, 这些循环是相互联系的, 并相互反馈; 在短时间尺度, 创立一个远离平衡的稳定状态。在更长的(数千万年)时间尺度上, 地球系统在进化; 地球既与太阳系有关, 也与地质和生物系统有关; 地球有一个起源的时间, 并最终会结束。

从地球这一行星系统出发来理解其构造性质, 主要有以下4点:

1)活动论构造观: 地球为一从内核到外层空间多圈层耦合的地球系统, 地球不同圈层处于运动之中。地球表层的岩石圈板块处于运动之中, 即板块构造(观); 地球深部与浅表之间物质不断交换, 存在深俯冲与地幔柱, 二者构成全地幔尺度的威尔逊旋回。同时, 还需要从宇宙的时、空四维视野观察理解探索太阳系行星系统中的行星地球的实质与规律。

2)演化论: 太阳的寿命大约100× 108 a, 年龄约50× 108 a; 地球的年龄46× 108 a, 地球诞生后8× 108 a才出现最简单的生命。地球的历史在不断递进发展。45.5× 108 a以来, 地球分异演化, 形成各个圈层; 圈层由低级向高级不断演替与发展。

3)阶段论: 地球的演化是分阶段进行的。演化过程划分为一系列阶段: 太古宙、元古宙、古生代、中生代、新生代; 不同阶段的“ 过程” 、“ 实质” 根本不同, 表现为间断与连续。

4)转化论: 不同演化阶段之间发生转换。不同“ 质” 的阶段之间实现时— 空变换、过程转换; 运动体制的变换、变革是实现转换的基本方式, “ 灾变” 、“ 突变” 与“ 渐变” 相间隔。

新的构造观的哲学基础是“ 活动论构造历史观” , 即地球是活动的、不断演变发展的, 发展是分阶段的递进演变, 不同阶段之间发生“ 变革” 转换, 实现“ 时代” 更迭。新的地球构造观是构建统一整体行星地球系统如何运作的大地构造观及其理论体系, 地球流变学和深部地质与深部构造及其动力学是其重要基础。流变学是时空所有尺度上控制变形运作的地球物质基本属性。

3.2 活动论构造古地理的概念

构造古地理是地球演化史、生物演化史、气候演化史重建的基础; 是油气、煤、盐类、水资源、金属矿产等勘查的重要依据。板块构造理论对地质科学的许多领域产生了革命性的影响, 也催生了活动论古地理(孙枢, 2005b)。基于活动论构造— 历史观, 活动论构造古地理的涵义在于: (1)地球表层的地貌形态、地理格局, 如山川、江河湖海, 是构造、气候、水动力、生物等因素作用的综合体现。(2)构造— 地貌/地理单元有明显的时— 空属性, 随着时间, 随着构造、气候、沉积、深部等的背景(环境)变化而逐渐演变。(3)盆— 山格局、盆内隆— 坳(凹)格局是构造— 地貌(地理)的基本表现形式。(4)沉积盆地的形成、演化最直观地体现为构造古地理(貌)的演变与发展。(5)构造古地理格局的继承、变迁、更迭与改造, 控制了沉积盆地的发生、演化、能源与资源矿产的分布。

活动论构造古地理概念下的沉积盆地(图 12), 其属性为: (1)沉积盆地、克拉通、造山带是岩石圈的基本构造单元。造山带与沉积盆地相互独立, 存在物质、能量交换, 在地质历史时期又相互转换。(2)岩石圈板块的水平运动、深部地幔的作用是沉积盆地形成的根本因素。(3)隆起区(造山带、地盾等)— 物源区的风化剥蚀、(河流、风、冰川等的)搬运、沉积区的堆积充填等外动力地质作用, 与盆地区沉降、隆起区的均衡隆升等内动力地质作用构成(软流圈层之上)岩石圈尺度的循环(Matenco and Andriessen, 2013), 为地球表层的构造圈相互作用的基本机制。(4)构造圈的内、外动力的互馈地质作用是沉积盆地演化的基本原因。

图 12 活动论构造古地理的研究内容与技术方法Fig.12 Study content and technique methods for mobile tectono-palaeogeography

3.3 活动论构造古地理的研究内容

将克拉通与造山带相结合的早期的古地理研究, 是一种区域古地理研究。活动论古地理研究是把沉积盆地、克拉通与造山带这3个岩石圈的基本单元相结合, 考察它们随时间的演变, 从而是一种演化的构造古地理概念。孙枢(2005b)曾强调指出中国的活动论古地理研究要进入造山带, 区域研究要把克拉通和造山带结合起来。

自然地理特征包括海洋、陆地的分布特征, 大陆块体的轮廓和纬度, 地形(隆升剥蚀区和沉降沉积区)的分布及气候、生物等信息。常见的地理单元如隆起剥蚀区、冲积区、湖泊区、滨海区、浅海区、滨浅海+盐沼、三角洲、岛弧、半深海— 深海区、海底扇等单元。古地理是研究地质历史时期自然地理特征的科学, 如洋、陆格局与大陆运动轨迹, 盆、山分布及其转换, 以及资源分布特点。主要有3个研究内容(图 12): (1)山脉: 地质历史时期的山脉主要是物源区, 研究的方法包括地势分析与高程分析。需要注意的是, 山脉形成之前可以是不同类型的盆地, 如被动大陆边缘盆地、弧前、弧后、大洋盆地等, 甚至可以是陆内裂谷盆地或克拉通内坳陷盆地。山脉的变形过程及其对盆地的作用也是研究的重要内容。(2)盆地: 地质历史时期的盆地主要是沉积区。研究的方法包括水深分析、沉积物分散方式、沉降分析等, 盆地分析的方法较为完善。同样需要注意的是, 盆地形成之前可以是不同类型的造山带, 造山带的伸展垮塌是形成盆地的一种主要方式, 众多的克拉通盆地位于早期的造山带之上, 沉积盖层底部的区域不整合面之下常为高级变质岩系或结晶岩系, 指示了长期的克拉通化过程。(3)流域: 地质历史时期的流域主要是搬运体系, 研究的方法包括岩相、古生态、沉积体系分析。基于气候、剥蚀、沉积、水动力等互馈机制建立了流域体系的演化模型。

构造古地理研究则是在此基础上揭示古地理单元的构造属性与演变历史(图 12), 包括: (1)古地理构造单元划分: 依据地质属性划分上述地理单元的地质结构单元, 如依据断裂带、隆起带、最大海侵边界、海泛面等, 厘定构造单元之间的边界并对其进行几何学与运动学解析, 考察它们随时间的变化特点。(2)古地理单元的构造属性: 依据构造应力场厘定古地理单元是处于挤压、拉张、走滑应力环境, 例如造山带有挤压、拉张或走滑环境, 这些环境在不同地质时期发生演化、转换, 如造山后出现伸展垮塌。被动大陆边缘盆地可以形成重力构造系统, 前缘挤压、后缘伸展、中间出现泥岩或岩盐层的连锁。还需厘定它们所处的热构造环境, 如高、中、低地温场。地幔柱上升区常形成热构造穹窿; 下降区形成冷点, 形成坳陷盆地。(3)古地理单元的构造演化: 建立古地理单元的演化序列, 如伸展— 挤压、挤压— 拗陷— 伸展、挤压— 走滑— 伸展等不同动力学演变方式; 考察古地理单元物质构成上的叠加, 或空间界面上的复合与叠加, 区域性不整合面常是不同期古地理单元的叠加界面。建立构造演化模式, 提出古地理单元的演化框架、演化模型, 如建立造山带的演化模型、盆地的成因模型; 从4D角度建立不同尺度的(板块、区域、盆地、构造带/单元等级次)构造古地理演化模式。

构造古地理图是表述上述概念的关键图件, 不同时间节点的构造古地理图是基于活动论构造古地理思想表述古地理演化的最高方式(李思田, 2006)。

古地理图是某个时期某个范围内各种地质地理现象特征的具体体现(刘鸿允, 1955; 刘宝珺和曾允孚, 1985; 冯增昭, 2016)。基于地层、岩相、生物、构造等资料重建古地理图(板块构造重建), 探讨古地理演化中的构造作用过程、隆升— 剥蚀与沉降— 沉积过程、古海洋、古气候与古生态演变, 进而揭示矿产资源分布的控制因素, 例如含油气系统的烃源岩、储集岩发育的气候、地貌、水体等控制因素。

3.4 活动论构造古地理的研究思路与方法

关于活动论构造古地理的研究方法已有大量探索, 例如:

1)Sun等(1991)论述了中国的印支造山带与东特提斯洋的消亡之间的时空关系, 是中国早期关于特提斯构造域大地构造演化研究的重要成果; 孙枢等(1998)指出盆地动态演化研究的必要性, 并强调沉积盆地、造山带古地理研究要紧密结合(孙枢, 2005a); 近来强调“ 深时” 研究的重要性(孙枢和王成善, 2009), “ 深时” 是指地球从46亿年前形成之初演化到260万年前第四纪开始的漫长地质历史时期, 深时地球经历了冰室气候和温室气候的交替, 深时古地理概念的提出丰富了活动论古地理的内涵。

2)吴根耀(2003)提出了造山带古地理学的研究思路与方法。在吴根耀(2005)提出的盆地分析中“ 原地的古地理重建与非原地的古地理重建相结合且以后者为主” 的原则基础上, 对造山带地区或经受过造山运动改造的地区开展古地理研究, 尽可能客观地复原地史期间的海陆面貌和盆、山格局, 来重建区域的构造古地理演化。其关键是给定时间约束后, 在现存区域地质记录的蛛丝马迹中寻找“ 消失” 了的构造古地理单元, 发现后期“ 出现” 的构造古地理单元, 厘定断裂活动对古地理重建的制约。大陆地块的解体、沉没、俯冲、剥蚀、冲断— 推(滑)覆作用、地体增生、走滑作用、碎裂和被卷入年轻造山带等都可能导致古地理单元的变形与变位。

3)王成善等(2010)以青藏特提斯为例提出了活动古地理重建的思路和基本研究内容。具体思路是: 在古地理重建数据库和古地理重建模拟系统开发的基础上, 依据古地磁学运动轨迹研究古大陆位置, 结合古构造和古生物对青藏高原喜马拉雅(印度北缘)、拉萨、东和西羌塘地体的古大陆位置进行复位; 利用深部地球物理、地表地质断裂证据, 借助生物古地理资料, 对古大陆和盆地的边界、规模予以限制; 利用变形缩短率、构造平衡剖面恢复技术等对原型盆地进行复原; 在沉积和生物环境识别划分基础上, 编绘基于古大陆重建的岩相和生物古地理图; 进一步通过沉积学、沉积地球化学、古生物有关方法和技术, 对古海洋海水参数特征、海洋气候参数进行分析研究, 探讨古地理和古构造格局控制下的古海洋、古气候条件与盆地、储集岩和烃源岩的形成环境。强调古地理重建是现代地质科学的集成, 是一项复杂的系统工程。这一学术思路突出表现在他领导的正在世界范围开展的全球古地理重建项目中。

4)何登发等(2015a)基于盆、山结合思路提出了活动论古地理重建的技术方法。在古地理研究基础上, 依据古地磁学运动轨迹恢复古大陆位置, 对原型盆地进行复原, 编制基于古大陆重建的岩相和生物古地理图, 进一步通过沉积学、沉积地球化学、古生物有关方法和技术, 对古海洋海水参数、气候参数进行分析研究, 动态探讨古地理演化及其控制下的古海洋、古气候条件与生、储、盖的关系。应用这一方法, 复原了四川盆地及周缘不同地质时期的构造一古地理环境, 揭示了古地理环境的巨大变迁。

5)刘少峰和王成善(2016)提出了板块构造古地理重建思路、内容和方法。将全球板块构造古地理模型与基于物理特性的地幔和岩石圈有限元模型相结合, 将动力地形与地幔活动过程研究相结合, 指出古地理重建和地球动力学研究中应遵循的“ 定时、定位、定向和定型” 的原则。

6)张光亚等(2019a, 2019b)探讨了全球岩相古地理图的编制方法。基于全球4981个地质单元前寒武纪以来各地质时期(纪或世)的岩相古地理等地质特征分析, 系统编制全球现今地理位置13个纪或世关键时间点的岩相古地理图, 结合古板块恢复成果实现古构造位置下的原型盆地和岩相古地理恢复。

基于上述基础, 以及长期在塔里木、四川、鄂尔多斯等盆地及秦岭、天山等造山带的研究实践, 我们提出了活动论构造古地理研究的5个基本步骤, 简称为“ 五定原则” : 确定构造古地理单元的边界(定界、定块); 确定构造古地理单元的属性(定时、定性); 确定构造古地理单元的组成(定貌、定相); 确定构造古地理单元的结构(定位、定向); 确定构造古地理单元的演变(定带、定型)。

3.4.1 确定构造古地理单元的边界

确定构造古地理单元首先需要定界与定块。构造古地理单元以不同性质、不同规模的构造带为边界, 具有不同的构造属性、不同基底物质组成、不同构造演化历史。其边界与规模的确定是开展构造古地理重建的基础。

构造古地理单元具有不同的级次, 如板块、微板块、地块及微地块、地体等。板块边界具不同类型, 有俯冲带、缝合带、洋中脊、转换断层、其他类型断层等。构造边界具有级次性。板块、微板块的边界为缝合线、韧性剪切带等(图 8); 地块、微地块的边界为断裂带、地壳变化带、洋陆过渡带。

构造古地理单元的边界具有复合与演化性质。在横向上多条边界相连与复合(图 8); 构造古地理单元的边界发生随时间演变, 包括断裂带的构造反转, 板块边界性质的转换, 如由拉张演变为挤压。

现代板块构造重建采用连续闭合板块多边形理论, 通过建立全球绝对坐标系统, 模拟和表达板块形态、大小变化和位置变化。

板块边界的位置和演化依据现今发育的板块边界、岛弧、岩浆弧、缝合带和主要断层的位置及其随时间变化的地质证据确定。板块、陆块或地块在地质历史时期以不同的、相互独立的和不断运动的构造边界围限, 它们的形状、大小乃至边界的构造属性均在不断发生变化。为了重建和描述板块或陆块这种变化, Gurnis等(2012)提出一种构建“ 连续闭合的板块多边形” 的方法揭示板块的动态变化, 采用一系列板块边界构建板块多边形, 确定不同板块边界的欧拉旋转极, 多边形随时间演化并保持闭合。描述板块边界运动的欧拉极可用GPlates软件中板块构造重建模型模拟获得。每一板块边界具有一组特定功能属性, 如俯冲带边界包括了俯冲极性、俯冲角度、活动时间等。Seton等(2012)和Mü ller等(2016)基于板块运动模型构建了全球200 Ma和230 Ma以来的动态的闭合板块多边形, 从而精细地重建了全球板块构造演化。

确定连续闭合的板块多变形的几何形态与规模, 赋以地质信息, 达到定“ 块” 的目的。

3.4.2 确定构造古地理单元的属性

确定构造古地理单元需要明确其存在的时间(定时)与性质(定性)。

建立精细的构造古地理单元赋存的时间格架是正确恢复构造古地理单元位置及其演化的关键。基于生物地层学、同位素地质年代学, 对构造古地理单元的边界及其内部的地质体进行时代判定与测年, 目前已经是较为成熟的方法。依据区域不整合面的分布、时限等划分构造旋回, 包括巨旋回、超旋回、旋回等, 厘定构造古地理单元发育的时限, 具体经历了哪几个构造演化阶段, 经历的构造发展期次, 是对构造古地理单元进行“ 定时” 的关键。以沉积盆地而言, 盆地演化阶段、幕次可以根据盆地内部不整合面、岩浆活动、同构造沉积、构造沉降等进行综合分析确定。

厘定不同时间/阶段之下构造古地理单元(板块、地块、地体等)的构造性质(定性), 是建立地质历史时期相应构造古地理单元演化序列的基础。确定上述连续闭合的多边形“ 构造板块” 的地质属性需要多种地质资料的融合分析。构造体制有挤压、伸展、走滑等不同; 应力环境多变, 构造古地理单元的构造应力场从边缘到内部存在变化, 例如从挤压到走滑到伸展, 发生应力状态的变化; 热体制有热、温、冷等不同, 受岩石圈厚度及大地构造位置制约。大地构造部位有板内、板缘、板间等变化, 构造背景有裂谷、坳拉槽、海沟、俯冲带、克拉通内、前陆等不同。这一步的难点是确定不同时限的构造古地理单元性质, 它们以区域不整合面为界, 构造属性常常发生转换, 例如被动大陆边缘转为前陆环境, 挤压造山带转为造山后伸展等。

由于在地质历史时期构造古地理单元之间可以发生复合, 例如几个地体联合成一个较大的地体, 地体增生于地块或板块边缘, 地体沿走滑断层大规模滑移, 不同原型盆地在横向上联合形成一个大型盆地等等, 这时对构造古地理单元的“ 定性” 也需要及时改变。

3.4.3 确定构造古地理单元的组成

在确定了构造古地理单元的边界、性质之后, 需要进一步厘定构造古地理单元的次级组成单元(构造单元划分)、物质组成(岩相、生物相)、各单元的以及整体的外部形态(古地貌、古地形)等, 即定相、定貌。

构造古地理单元的内部结构划分依据主要断裂带、地层尖灭带、岩相变化带、最大洪泛面、古隆起等综合进行划分。视强调的重点, 有时需要进行取舍。例如盆地的构造单元划分, 需要考虑不同地质时期的关键事件、地层分布、构造变形分布、岩浆岩的发育情况等进行厘定。全球海平面变化周期是一重要参考依据, 全球海平面高位期(如Ediacaran阶、Stage 4阶、Termadocian阶、Aeronian阶、Givetian阶、Tournaisian阶、Roadian阶、Norian阶、Bathonian阶、Aptian阶、Turonian阶、Bartonian阶、Langhian阶)与低位期的厘定对陆、海分布, 盆地层序及体系域分布有参考意义。

构造古地理单元的物质组成为岩相及赋存于岩石中的生物相。沉积岩、岩浆岩、变质岩的岩相划分已有成熟方法。岩相组合是常用的表达方式, 如张光亚等(2019a, 2019b)在全球岩相古地理编图中, 将岩相组合归并为22种。

构造古地理单元的地形地貌是特定时期内、外动力的综合效应。目前主要依据中低温热年代学、碳氧同位素等古高程分析、地壳厚度分析、沉积环境分析等确定古地形。

应用中、低温热年代学分析, 碳团簇同位素, 氢、氧同位素分析等古海拔高程校正技术, 可探索典型山脉— 盆地系统的剥露— 埋藏史和典型山脉或区域的隆升过程及可能的古高程。如对青藏高原的隆升时期、古高程的分析, 应用同位素古高程计得到的结果已较为精准。

根据均衡原理据地壳厚度变化可以恢复地形。大陆构造的变化主要表现在陆壳的水平运动和垂直运动上, 水平运动主要体现在块体的位移、走滑和旋转上, 垂直运动主要体现在地壳厚度的变化上。地壳厚度与地表地势之间存在一定的对应关系, 按照地壳均衡原理, 地壳厚则地势高, 地壳薄则地势低。现今的中国地势, 渤海等浅海平台地壳厚度大多小于30 km, 华北平原地壳厚度在30~40 km之间, 太行山以西地壳厚度大于40 km, 青藏高原地壳厚度大于50 km。地壳加厚形成的高原和山脉, 对气候、生物、环境会产生明显的影响。如晚中生代的中国东部高原对于东亚地区晚侏罗世— 早白垩世的气候、环境施加影响(张旗等, 2007); 晚侏罗世— 早白垩世, 中国东部存在南北气候的分野, 北部为温湿环境, 发育热河生物群, 盛产煤和石油; 南部为干热环境, 发育建德生物群, 局部出现沙漠化(张旗等, 2007)。地势高低对各种金属和非金属矿产的赋存有指示意义, 厚地壳和薄地壳产出的矿产不同, 厚地壳出现金、铜矿, 薄地壳出现钨锡、铀、铅锌矿及石油和煤等。地势从高到低为山脉和高原、地脉和山地、平原和丘陵和海台四级。张旗等(2013)据此提出了不同地势单元的判别标志。

古地势图主要恢复古代地势分布, 高地指示地壳加厚, 而低地表明地壳为正常厚度或减薄区。张旗等(2013)根据不同类型花岗岩、金铜钨锡等矿床及古地理图资料编制完成了中国三叠纪地势图(图 13), 三叠纪中国可能存在5个高地, 即华北高原、北山山脉、羌塘— 秦岭山脉、龙门山山脉和湖南山地; 三叠纪的东北、北疆、华北和华南则为低地。上述山脉(地脉、山地)主要发育在晚三叠世, 是陆块挤压碰撞的产物。这与目前对三叠纪构造古地理的认识非常吻合, 晚三叠世是中国大陆拼合的最重要时期。

图 13 中国三叠纪古地势图(据张旗等, 2013)Fig.13 Triassic palaeotopographic map of China(after Zhang et al., 2013)

地质学综合分析古地形的进展表现在:区域性或全球性的古地形重建主要还是通过沉积学、古生物学、构造地质学等古沉积环境、构造环境分析对古地形进行恢复。不同沉积环境的岩相和岩石类型反映的古地形和古水深不同(Scotese, 2009; 刘少峰和王成善, 2016)。开展前述的岩相地质填图可以约束相应的古高程、古水深(表 1)。在盆地分析中, 以地震资料为基础的古地貌恢复研究, 即“ 地震古地貌学” , 已成为沉积地质和盆地分析领域的一个新方法。盆地地貌演变是对区域构造背景、盆地的构造格局及其演化的响应。

表 1 不同古地理环境的海拔高程范围(据Scotese, 2009; 刘少峰和王成善, 2016) Table1 Elevation ranges of different palaeogeography environments(after Scotese, 2009; Liu and Wang, 2016)

近年来, 提出了沉积通量模型恢复物源区古地势的方法。在地质时间框架下, 古流域最大地势高度R可通过BQART模型进行估计(Syvitski and Milliman, 2007)。沉积通量Qs可通过对沉积体积进行等时约束获得(Whitchurch et al., 2011)。河水流量Q可通过水力学方法获得(Bhattacharya et al., 2016), 也可根据地貌学经验公式由流域面积A直接计算(Syvitski and Milliman, 2007)。流域面积A可通过古地理重建(Galloway et al., 2011)、流域地貌比例关系(Hovius, 1996)、古水力学参数比例关系(Davidson and North, 2009)等方法获得, 古温度T可通过古生物或氧同位素等方法获得(Chen et al., 2013)。

根据上述方法, 厘定了构造古地理单元不同部位在相应时间间隔的古地形、古水深, 可以建立“ 古数字高程模型” , 重建后的数字高程和水深数据的每一个高程网格可利用全球板块模型旋转回至其在地质历史时期相应的位置。

3.4.4 确定构造古地理单元的结构状态

在确定了构造古地理单元的组成之后, 可以厘定它们在空间结构上的保存状态, 即定位与定向。

定位是指构造古地理单元的各个组成单元的空间展布。大的尺度, 如造山带与沉积盆地分布; 中等尺度, 如地盾、隆起与坳陷的格局; 小的尺度, 如凸起与凹陷、洼陷的分布状态。如在东南亚地区, 岛弧、弧后洋盆组成复杂的多岛洋(海)格局, 表现为一种复杂的镶嵌图案; 而在西太平洋地区, 弧后盆地因俯冲带后撤, 呈带状展布。在中亚增生造山区(带), 多岛洋格局较为常见, 它们在后期被强烈改造。在造山带, 因不同时期作用力方向的变化, 各个构造带可以呈雁列状、弧形, 甚至大角度斜向叠加或正交叠加, 背斜、向斜相交分布; 如在川东地区出现“ 宽向斜、窄背斜” 的隔档式褶皱带, 而在湘鄂西地区出现“ 宽背斜、窄向斜” 隔槽式褶皱区, 二者以齐耀山为界有序分布。在盆地内部, 隆— 凹格局是构造古地理单元的基本表现形式, 可以出现“ 一列隆起、一列坳陷” 相间的带状组合, 或出现中部“ 穹窿状” 隆起、四周环绕坳陷的环带状组合, 也可能不同时代隆起叠加形成的“ L” 型组合(如鄂尔多斯盆地中央古隆起), 还可以出现“ 棋盘状” 复杂的镶嵌构造格局(如准噶尔盆地东部隆起)(何登发等, 2005)。“ 定位” 是依据不同次级构造单元的接触方式(如推覆、冲断、正断层、走滑断层等)、岩相变化等综合厘定其最终“ 保存定位” 方式。

定向是厘定“ 各构造和古地理要素的原始走向和倾向” 。由于后期构造强烈, 这一步骤在保存较好的沉积盆地中容易开展; 但在造山带尺度, 由于山系可以大幅度逆冲、旋转, 通常较难确定地质时期的构造走向, 需要开展精细的构造解析与古地磁学研究。如准噶尔盆地西北缘的扎伊尔山, 是在众多呈NW向的山脉中, 唯一1条NE走向的山脉, 其成因已有多种模式, 但非均一逆冲与大幅度旋转已经被证实(何登发等, 2018), 其与哈萨克斯坦山弯构造的关系有待进一步厘定。对北美西部圣安德列斯走滑断裂体系, 其盆— 山面貌与构造走向明显存在大规模的旋转、移位。不同时期盆地原型的方位可以出现较大变化, 如酒泉盆地, 晚白垩世断陷呈NNE向, 控制了烃源岩的分布; 而新近纪— 第四纪前陆盆地呈NWW向, 前陆断层相关褶皱背斜带控制了圈闭发育; 显然, 不同期的构造古地理单元面貌与方位截然不同。精细的盆地分析与构造解析是“ 定向” 分析的关键。

3.4.5 确定构造古地理单元的演变过程

复原构造古地理单元的演化过程, 厘定其演化的最终状态, 包括定带与定型研究。

构造古地理单元的演化过程, 大到板块构造模拟, 小到造山带、沉积盆地的演化, 更小到凹陷、背斜与向斜的形成过程。应用平衡地质剖面方法可以复原盆地乃至造山带尺度的演化过程; 应用盆地模拟方法可以复原盆地3D空间的演化, 包括其体积的变化。

定带是确定构造古地理单元的气候、流域分带, 在烃源岩分布、资源预测中较为实用。在不同层系岩相古地理复原图上可以叠加古气候分带。古气候带的界线可以根据板块构造复原图的古纬度、具有气候指示意义的岩相组合(如冰碛岩指示寒带、

蒸发岩指示干旱带), 综合分析前人研究成果和全球不同地质时期古气候研究成果予以厘定(张光亚等, 2019a, 2019b)。特殊岩性如微生物岩对地质历史转折期的古海洋、古气候恢复常有重要意义。典型盆地的关键层段目前已开展了大量的古气候研究, 例如松辽盆地嫩江组沉积过程中的古环境、古气候已通过沉积学、古生物学、稳定同位素和有机地球化学等方法进行了重建, 秦健铭等(2019)利用沉积物元素地球化学特征和τ Na-MAT 转换方程重建古温度的方法恢复了松辽盆地LD6-7井嫩江组一段和二段沉积时期的陆表古温度为14.2 ℃, 为温室— 亚热带气候, 表明元素地球化学方法也是一种行之有效的方法。

定型是指构造古地理单元遭受改造后的最终状态。对于大型克拉通而言, 其沉积末期的状态基本就是定型状态, 后期改造微弱, 即使有改造也只发生在边界部位, 如北美克拉通, 内陆地区后期构造影响较小。但对于欧亚大陆南部或东亚地区, 后期改造异常强烈, 大陆定型期晚, “ 定型” 分析就显得非常必要。例如, 青藏高原在晚新生代形成, 由于其向周缘的逐渐扩展, 环绕其形成了一系列前陆、侧陆盆地, 构成了环绕其分布的巨型盆— 山系统, 这些盆— 山系统定型于3 Ma以来, 现今仍在形成之中。其北缘塔里木、柴达木、河西走廊带上新世以来急剧沉降, 堆积了巨厚沉积物; 其东北缘与东南缘的鄂尔多斯、四川盆地则处于隆升剥蚀之中。又如在中亚增生造山带形成了巨型的哈萨克斯坦、蒙古等山弯构造。

4 讨论
4.1 活动论构造古地理框架下原型盆地分析

原型盆地的形成与后期改造研究是在油气勘探实践的基础上提出来的。朱夏(1965, 1983, 1991)基于“ 两种运动体制” 的概念提出了原型盆地分析的系统方法(3T-4S-4M)。

原型盆地是相应于盆地发展的某一个阶段(相当于一个构造层的形成时间), 有相对稳定的大地构造环境(如构造背景与深部热体制), 有某种占主导地位的沉降机制, 有一套沉积充填组合, 有一个确定的盆地边界(何登发等, 2004)。活动论构造古地理框架下的原型盆地分析强调: (1)整体观: 认识盆地, 要从盆地的整体构造-沉积格局出发, 避免局部或片面认识; (2)动态观: 不同地质历史时期的盆地, 其成因、面貌、充填物质等不同, 认识不同时期的盆地, 是把握盆地发展过程之必需; (3)过程观: 不同地质历史时期的盆地, 因运动体制(构造体制+热体制≈ 边界条件)变化, 发生复合、叠加, 形成了新结构类型的盆地。因此, “ 原型盆地分析” 是以钻井、地震、岩心、地质露头为资料基础, 以构造动力学分析为主线, 结合沉积相、沉积充填史、构造演化史、地层残留厚度等, 应用构造学、沉积学、生态学、地震— 沉积学等方法综合探索其原始沉积面貌、形成机制及后期剥蚀改造过程。具体需要开展后期构造筛分; 厘定古(大地)构造背景; 恢复地层厚度(残余、剥蚀、沉积厚度), 剖析沉积相、充填序列, 复原原始的沉积建造; 重建古地理、古气候、古生态环境; 解析构造变形, 研究同构造沉积(生长地层); 揭示岩浆岩的深部背景; 复原构造-沉积环境; 分析原型盆地实体、复合与叠加过程。

关于原型盆地分析方法, 可以简化为3个方面: (1)复位: 原型盆地发育期的大地构造位置, 包括板块所在位置(古地磁法), 大地构造部位(板内/板缘; 陆内/陆缘); (2)复原: 恢复原型盆地的结构、充填序列, 剖析其性质; 包括: 几何形态(边界, 地貌/隆— 坳), 充填物质(相), 构造变形(断裂/褶皱, 结构变化), 和沉降机制(地温体制, 沉降范围); (3)复变: 即原型盆地的叠加、改造过程, 包括叠加过程(改变或新生)与叠加结构(分层, 分块, 分段, 分带)。

可将多旋回沉积盆地构造古地理与深层原型盆地分析的技术思路总结于图 14中。

图 14 多旋回沉积盆地构造古地理与深层原型盆地分析思路Fig.14 Analytical thinking of tectono-palaeogeography and deep prototype basin of multicycle sedimentary basin

4.2 活动论构造古地理框架下源-汇系统分析

“ 源-汇” 系统研究是目前国际研究热点, 是活动论构造古地理研究的一个重要方面, 也是原型盆地分析的重要内容, 它们之间是内在统一的。

源-汇系统是沉积物从物源区经地表风化侵蚀形成到最终沉积在相邻的冲积平原、大陆架和深海平原所经过的一组相互联系的地貌单元, 包括沉积物从造山带物源区经冲积平原及浅海大陆架最终到达深海盆地的全部过程(MARGINS Office, 2003)。源-汇系统古地理要素主要包括完整源-汇系统的分布范围、沉积环境、地貌地势、流域水系形态及其演化特征(徐长贵, 2013; 林畅松等, 2015; 邵龙义等, 2019)。源-汇系统受岩石圈板块运动与深部地幔动力学的联合控制(图 15), 构造地貌、古气候变化和沉积作用影响其具体发育。因此, 对其研究需要应用地球系统科学的整体分析思想。

图 15 源-汇系统的深部控制(据 Matenco and Andriessen, 2013)Fig.15 Deep-control of source to sink systems (after Matenco and Andriessen, 2013)

源-汇系统是从地貌演化角度、活动论古地理角度认识地质历史、破译沉积记录中的地貌演化与地史变迁信息(MARGINS Office, 2003; Allen, 2008)。“ 源-汇” 系统研究包含了盆— 山耦合过程动力学、物源分析、沉积体系分散样式等多个方面。“ 源-汇” 系统分析是在同位素年代学方法有效约束下, 将物源区的构造、剥蚀作用和沉积物搬运方式, 及最终沉积物堆积样式作为完整的动力学系统, 对控制该系统内、外因相互作用及其产生结果开展综合分析, 以阐明“ 源-汇” 系统不同要素相应发生的地质事件。

目前关注并热烈开展的“ 深时” 古地理重建的关键, 就是利用源-汇系统各要素之间的内在联系恢复未保存下来的源-汇系统要素(邵龙义等, 2019)。根据地球科学中“ 将今论古” 的思想, 可认为源-汇系统中各地貌要素、古水力学参数及沉积物分配等比例关系在不同时空尺度具有普遍适用性, 从而能够根据保存下来的地层记录重建古代的流域面貌。

物源区母岩组成分析与沉积区物质分散及沉积响应分析是源-汇系统研究的2个基础。现代先进的实验技术(如锆石U-Pb)测年方法的发展为其精准研究提供了时间约束。目前对大陆内部湖泊、大陆边缘、洋— 陆边缘等初步建立了源-汇系统的分析框架, 并将其空间分类与沉积盆地构造分类相联系(表 2)。

表 2 洋陆边缘源-汇系统空间分类与沉积盆地构造分类方案对比(据邵龙义等, 2019) Table2 Spatial classification of source to sink systems and tectonics of sedimentary basins between land and ocean(after Shao et al., 2019)

统一的源-汇系统概念结合了山链的剥蚀与剥露、 搬运、过去与现今沉积区的沉积作用。这些过程受到岩石圈板块运动及深部地幔动力学的影响。控制参数之间的内在相互作用只能通过对整个系统的综合研究得到。

4.3 活动论构造古地理框架下能源与资源分布预测

构造古地理格局控制烃源岩、储集层、盖层的发育及油气富集(Klemme and Ulmishek, 1991; 何登发等, 2015b; 张光亚等, 2019a, 2019b)。全球不同层系烃源岩形成的油气所占比例具有明显的差异(图 16), 分别为前寒武系占0.6%、寒武系占1.0%、奥陶系占1.9%、志留系占2.5%、泥盆系占2.0%、石炭系占9.4%、二叠系占2.5%、三叠系占5.0%、侏罗系占15.8%、白垩系占32.8%、古近系占15.8%、新近系占10.7%。白垩系是全球最主要的烃源岩层系, 其次是侏罗系和古近系, 这与超大陆裂解、海平面上升、广泛海侵有关。

图 16 与不同层系生储盖层相关的储量分布图(地质年代据ISC)(据张光亚等, 2019b)Fig.16 Reserves distribution by the age of the different source, reservoir, and cap rocks(the geologic age is by ISC)(after Zhang et al., 2019b)

全球油气储集层的沉积相类型有较大变化(图 16), 浅海相储集层控制储量占全球油气可采储量的59.9%, 河流相占13.4%, 三角洲相占11.1%、半深海— 深海相占10.3%。浅海相储集层主要分布于上二叠统、上侏罗统、下白垩统、上白垩统、渐新统和中新统。河流相储集层主要分布在下白垩统、中新统。三角洲相储集层主要分布于中新统、渐新统。半深海— 深海相储集层主要分布于中新统、上侏罗统、下白垩统。

全球泥页岩为盖层的油气藏数量及油气储量最多, 侏罗系、白垩系、古近系和新近系油气藏绝大多数为泥页岩盖层。碳酸盐岩盖层的油气藏总数次之, 主要分布于上泥盆统— 石炭系、白垩系和古近系及新近系; 蒸发岩盖层分布较少, 主要发育于上二叠统— 上侏罗统以及中新统, 蒸发岩特别是盐岩盖层控油气的能力最强, 古大陆形成及裂解早期阶段蒸发盐岩盖层较发育(图 16)。

非常规油气资源沉积富集也是全球性或区域性构造与海(湖)平面升降、火山活动、气候突变、水体缺氧、生物灭绝/辐射、重力流等多种地质事件沉积耦合的结果(邹才能, 2011; 牟传龙等, 2016; 贾承造, 2017)。全球构造古地理研究也将为非常规油气资源勘探开发奠定基础。

5 结论

1)古地理学是研究地质历史时期地球表面的自然地理的综合性科学, 构造古地理学是研究地质历史时期地理单元的构造属性及其演变特征的科学。地球表面的山川、流域与盆地等自然地理单元受岩石圈板块水平运动与深部地幔动力学的联合控制。自然地理单元及其演变是内、外动力长期作用的综合结果。

2)活动论构造古地理思想是在地球系统的活动论、 演化论、 阶段论与转换论概念下的自然延伸。 整体、 动态、 综合分析是活动论构造古地理研究的基本方法。 确定构造古地理单元的边界、 属性、 组成、 结构与演变的“ 五定” 原则是工作的具体步骤。

3)基于活动论构造古地理思想的原型盆地分析, 是对原型盆地进行复位、复原与复变, 揭示原型盆地的时— 空结构; 而活动论的源-汇系统分析是在地球系统观指导下的深、浅部结合的全链条、全过程综合研究。

4)活动论构造古地理是能源、资源矿产分布预测的重要基础。

致谢 本文在成文过程中, 得到张国伟、贾承造、翟明国、杨树锋、马永生、赵文智、邹才能、赵国春、肖文交等院士的指导与帮助。在与刘树根、陈洪德、郭安林、李三忠、刘波、袁选俊、樊太亮、侯明才等教授的交流中受益匪浅。在此谨致谢忱。

(责任编辑 郑秀娟 李新坡 张西娟)

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