地球科学的“主旋律”每隔20~30年发生1次大变革。20世纪60年代开始的“主旋律”——板块构造理论, 研究地球固体圈层的运动规律, 是20世纪自然科学的重大突破; 导致了地球科学(当然包括构造古地理学)、矿产资源、能源、灾害预测与防治等研究领域取得重大突破, 极大地推动了人类文明的进步。20世纪80年代中后期开始的“主旋律”——全球(环境)变化, 研究地表流体圈层运动规律, 试图解决日益突出的环境问题, 使地球科学进入表层地球系统科学时代, 取得了一批重要的科学认识, 但尚未出现可与板块理论媲美的科学飞跃。目前, 地球科学正在响起的第3个“主旋律”——圈层动力过程整合, 应是地学下一个重大理论的突破口(汪品先, 2009; 汪品先等, 2018)。

地球系统是一个由地球固体— 流体圈层相互作用、生命系统— 人类活动干预下的巨复杂系统。固体圈层过程表现为板块运动, 板块运动导致火山活动、变质作用, 释放深部CO₂, 地球表面的硅酸盐化学风化吸收CO₂, 二者构成地球一级碳循环, 这个以碳循环为核心的“ 自调节系统(地球大空调)” 维持着地球宜居环境, 是形成大气圈、水圈、生物圈、沉积圈、岩石圈等圈层的根本原因。面对地球“ 巨复杂系统” , 研究者需要打破时空尺度、跨越固体— 流体圈层, 实施“ 跨维过程整合” 等科学理念变革, 而圈层动力过程整合以关键新数据获取、大数据支撑的“ 数据— 模式驱使科学研究体系(Data-Model Enabled Science System)” 为主要途径(王会军等, 2014; 汪品先等, 2018), 标志着下一步地球科学研究范式的重大转变。地球系统大数据具有海量、多源、异构、多时相、多尺度、高度复杂、非平稳、非结构化等特点, 为地球科学中的数据密集型研究提供了支持。这一转变可能优先体现在古地理学(如DDE)之构造古地理学等学科上。

岩石圈板块在不停地漂移、碰撞、俯冲, 更换其在地球上的位置、深度、性质; 而气候系统在不停地变化, 控制着漂移大陆的环境、资源与灾害, 这样固体地球与表层环境这2个四维(时间+空间)运动系统之间通过一系列物理— 化学— 生物过程的相互作用, 实现地球系统内外链接, 控制气候— 环境、资源与灾害等, 也相应控制着构造古地理环境的演变。

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, 属于大地构造学、沉积学、构造地质学、地球物理学、地球化学与古地理学之间的交叉学科(何登发等, 2020)。地球表面的山川、流域与盆地等自然地理单元是内、外动力长期作用的综合结果, 受岩石圈板块水平运动与深部地幔动力学的联合控制。因此, 构造古地理学研究是在地球系统科学思想指导下, 应用构造发展的活动论、演化论、阶段论与转换论观点对自然地理单元的性质与演化规律进行表征, 遵循整体、动态与综合分析原则。厘定构造古地理单元的边界、属性、组成、结构与演变, 何登发等(2020)提出了“ 五定” 工作方法。近年来, 大数据与人工智能的迅猛发展为构造古地理学研究提供了新的学术思路, 王成善院士等倡导的深时数字地球(DDE)大科学计划为古地理学研究提供了新的研究范式; 搭建数据化、标准化和智能化的古地理重建平台是实现构造古地理研究“ 过程复原” (process restoration)的重要途径。构造古地理学是研究地表过程和能源、资源矿产分布预测的重要基础。

构造古地理学研究, 需要对古地理学单元进行边界厘定、构造属性判断、成因机制分析以及演化过程重建等。目前, 研究者多数从全球尺度、区域尺度和盆地或盆地内尺度进行研究。

在全球尺度上, 对板块之间的离散、拼合、转换等作用产生的古地理单元及其演化, 和对地幔柱隆升、洋壳俯冲带下降产生的构造效应与古地理单元的面貌及其变迁需要开展构造古地理研究, 这是发展板块构造、建立新全球构造观的重要基础资料, 需要众多科学家的长期积累。目前基于高精度的古地磁学分析方法建立了全球板块运动的数据库, 建立了一系列的板块运动学模型, 时间维度上已经推进到了太古代— 元古代, 试图建立太古代的板块构造图像。而超大陆旋回理论的提出与完善, 逐渐揭示了Nuna(Columbia), Rodinia, Gondwana和Pangaea等超大陆的聚敛与离散过程, 再现了地球表面的岩石圈板块的“ 悲欢离合” 。借助超大陆复原, 也开始研究元古代以来的古气候、古生态、大火成岩省、风化旋回等, 并试图开展5大圈层之间的耦合研究。地质历史时期的圈层动力过程整合研究是这一领域研究的焦点与热点。全球尺度的构造古地理学为这一研究提供了板块构造位置、物质迁移、深部地质过程响应及其相互作用机制分析的载体。

在区域尺度上, 对造山带与沉积盆地这2个岩石圈的基本构造单元深入研究, 如对造山带的隆升、剥蚀、扩展与沉积盆地系统的发育需要开展构造古地理复原, 厘定它们的构造位置、彼此边界、构造过渡与转换关系, 为理解地球表层多圈层相互作用与圈层动力过程整合奠立基础。目前关于前陆盆地(挠曲盆地)体系(foreland basin system)的研究, 将造山带冲断活动、构造— 气候联合控制下的风化剥蚀、沉积搬运、挠曲沉降与沉积充填等过程业已有机结合起来, 模拟盆地的形成演化历史; 对伸展盆地, 建立了岩石圈尺度的深部构造作用制约下的盆地发育模型, 如主动裂谷、被动裂谷、宽裂谷、被动大陆边缘、重力构造(gravitational tectonics)等; 对走滑盆地, 将构造应力场、沉积可容空间形成与充填演化有机结合, 结合盆地实例开展了大量实证研究。目前亟需在造山带与沉积盆地的相互作用、相互转换的时空与机制等方面开展深入研究。

在盆地或盆地内部尺度上, 对隆-坳格局、源-汇系统、沉降-沉积中心变化、盆地叠置等开展研究, 厘定构造-沉积分异类型、过程及其机制, 恢复构造古地理演化历史, 为资源能源勘查突破、进一步提高矿产勘查开发效益服务。关于盆地内部的构造古地理研究, 从矿产资源利用的角度开展了大量探索, 研究也最为深入, 如石油、天然气、煤、铀、铝土矿、钾盐、水资源等方面(邹才能等, 2022)。在重建构造古地理单元的分布与演化历史上取得重要进展, 如对隆起、裂陷、台缘带、斜坡带等的复原。近年来, 对克拉通盆地的构造-沉积分异开展了大量研究, 不仅发现了多种构造-沉积分异类型, 也揭示了多类构造-沉积分异机制(何登发等, 2022; 汪泽成等, 2023), 如对四川、鄂尔多斯、塔里木等克拉通盆地元古代、早古生代盆地的构造分异研究。今后以沉积盆地为对象的构造古地理研究, 将更加细化不同地质时期的构造单元及其演化历史, 将构造活动、沉积充填与风化剥蚀有机结合揭示周缘板块活动控制下的盆地沉降与隆升演变, 剖析岩浆活动分布, 探讨周缘构造带对盆地形成发育的影响。

本期发表了与中亚大地构造格局、原型盆地恢复、华北地区大不整合面及其矿藏、盆地内部构造单元与盆地边界相关的5篇文章。在构造古地理领域进行了实证研究, 期望为构造古地理学的探索提供新的窗口。

甄宇等的《东疆地区石炭纪— 二叠纪构造古地理与原型盆地演化》, 针对中亚增生造山区的核心地段, 充分结合油田钻井与地球物理资料, 开展石炭纪— 二叠纪的大地构造环境、沉积充填、深部构造背景、地块的构造位置、构造变形等综合研究, 复原石炭纪— 二叠纪不同时期的构造古地理, 厘定原型盆地的构成单元, 揭示了盆地— 造山带系统的统一演化与耦合过程。

不整合面是开展构造古地理研究的重要抓手。在华北地区, 奥陶系与石炭系之间的加里东期不整合面历时长、分布广、成因复杂, 虽经长期分析, 仍存较多争议。熊加贝等的《鄂尔多斯盆地南缘奥陶系顶部碳酸盐岩风化壳特征及其成因机制》应用测井地质学、矿物学、地球化学等方法, 对钻井揭示的奥陶系顶部风化壳结构层进行精细厘定, 这一研究拓展了风化壳及其古地貌的研究内容与深度, 同时, 陇东地区风化壳铝土岩的天然气大发现与华北地区奥陶系风化壳铝土矿的勘探突破, 充分说明了开展这类研究的科学与实用价值。毛丹凤等的文章《鄂尔多斯盆地怀远运动期不整合类型及其分布特征》, 应用高精度反射地震资料, 结合测井地质学等方法, 厘定了鄂尔多斯盆地区域分布的寒武系与奥陶系之间(或马家沟组底界)的怀远运动, 不仅为重新认识鄂尔多斯克拉通的构造性质提供基础, 也为揭示盆地内部隆起/坳陷转换、构造-岩相带发育特征与油气聚集规律提供依据, 为开展该盆地寒武系天然气勘探指出新方向。

盆地内部构造单元的分布与构造演化是揭示盆地系统发育、深部地质背景与成因演变的重要窗口。殷树铮等的文章《准噶尔盆地西部坳陷带二叠系构造— 地层层序与盆地演化》, 应用反射地震剖面与钻探资料, 开展断层相关褶皱研究与不整合面定量解析, 揭示了准噶尔盆地西部地区二叠系的充填过程, 并厘定了构造属性。这为目前正在玛湖凹陷、沙湾凹陷与盆1井西凹陷等地区如火如荼地开展的岩性油气藏与页岩油勘探提供了参考依据, 也为探索中亚增生造山带内部地块、岛弧拼合之后“ 过渡期” 的演化历史提供了参考资料。

盆地的边界厘定是构造古地理研究的重要基础。鄂尔多斯盆地东缘为吕梁山隆起, 二者之间为晋西挠褶带, 长期以来认为其间边界为离石大断层。石婧等的文章《鄂尔多斯盆地东部边界的构造学分析: 以石楼北区域为例》, 基于新的钻井与区域地质大剖面资料, 开展构造解析, 厘定了鄂尔多斯盆地东缘的构造属性, 指出深部构造楔是浅层“ 晋西挠褶带” 的成因, 这一新发现揭示了鄂尔多斯盆地东缘具有整体的良好保存环境, 为该区煤层气、海陆过渡相页岩气的勘探提供了重要参考, 也为探讨华北地区燕山期构造变形的样式与机制提供了新的思路与方法。

构造古地理研究目前在中国地学界已经逐渐开展, 任重而道远。期望在以下7个方面取得进展, 解决相应的7个问题:(1)不同地质时期的板块、陆块、造山带与盆地等的分布位置, 即定位问题; (2)造山带系统与盆地系统之间的构造边界及其演变问题, 即定界问题, 包括各自的分布范围及其变迁; (3)不同尺度的构造古地理单元的性质及其转变, 即定性问题; (4)周缘板块活动与深部地幔动力联合控制下的构造古地理单元的成因机制问题, 即定“ 成因” 问题; (5)圈层动力过程整合控制下的构造古地理演变问题, 即定“ 演化过程” 问题; (6)基于地球大数据与大模型等方面的构造古地理重建方法学基础问题, 即“ 研究方法” 问题; (7)构造古地理演变对资源、能源与环境的控制与地球宜居性的问题, 即“ 实际应用” 问题。

(责任编辑 郑秀娟 张西娟)