构造地质学科的成就与前景

——构造地质学与地球动力学专业委员会

　　【编者按】“十一五”是我国地质行业各部门认真贯彻落实《关于加强地质工作决定》的五年，也是地质行业大发展的五年。

　　“十一五”期间正是我国历时12年“地质大调查”收官验收之年，12年来共完成1：25万、1:5万区调1040幅，1:100万海洋地质图2幅；完成160万km2多目标区域地球化学调查填图；10个山地丘陵县市的地灾调查与区划填图，全国地下水资源第二轮评价等基础调查工作。特别是青藏高原1：25万区调工作的完成，宣告了我国陆域中比例尺区域的全面覆盖，使我国区域地质调查工作程度得到显著提高。

　　“十一五”期间，我国地质找矿取得重大突破。全国新发现固体矿产地近2500个，其中大型以上规模约450个，新增石油地质储量56亿吨、天然气3万亿方、新增煤炭资源储量3380亿吨、铁矿71亿吨。在资源开发强度不断加大的情况下，煤、铁、铜、铝、铅锌和金等大多数大宗重要矿产保有资源储量仍实现了较快增长，其中煤增长了26％，铜增长了19％，铝土矿21％，铁9％，铅23％，金33％。

　　“十一五”期间，我国地质科学研究也是硕果累累。地质行业获得国家三大奖共90项，其中：特等奖2项，一等奖3项，二等奖77项，发明奖；省部级奖约500项；在国内外发表论文约10万余篇，其中，在国外刊物发表约1万篇左右。在《Nature》和《Science》发表论文24篇，占中国本土科学家发表论文12.83%。有18人被增选为两院院士。上述成果有力的推动了地质学科的进展。学会网站将陆续摘登本次会议之精华，供广大会员和地质工作者参阅。（学会秘书处，2011.7.4）

　　一、构造地质学在地质学研究中的地位和作用

　　构造地质学是地质学分支学科之一，主要研究组成岩石圈的各种地质体的构造现象、组合型式及其形成和发育规律。一般根据其研究对象和研究内容的差异，将构造地质学区分为狭义构造地质学和广义构造地质学。前者主要是对小区域或中、小尺度地质体的各种构造变形、变位现象，如褶皱、断裂、面理、线理等构造现象进行识别、描述和成因分析。具体研究内容包括：各种构造的几何学形态、产状、规模、组合及其空间关系和发展过程；各种构造的发生条件和形成机制；并进而探讨产生这些构造的构造运动方向、方式、强度和动力学过程。而广义构造地质学的研究对象大到岩石圈的结构及地壳的巨大单元，如岩石圈板块、和大洋、山脉和盆地等的形成和发展；小到岩石内部组构的细微变化，乃至矿物晶格位错，几乎涉及从10-8－108cm不同空间尺度的构造现象。

　　本文所阐述的“构造地质学科”系采用广义构造地质学的概念范畴。

　　二、十一五我国构造地质学科主要研究进展

　　“十一五”期间，中国地质学会构造地质学与地球动力学专业委员会于2008年组织召开了《第四届全国构造大会》，并分别于2008年（中国科学院地质与地球物理研究所，北京）、2009年（西北大学，西安）、2010年（广州地球化学研究所，广州）和2011年（南京大学，南京）组织召开了四届《全国构造地质与地球动力学学术研讨会(构造论坛)》，对于近年我国构造地质学与地球动力学领域获得的新进展和重要成就进行了交流，并对于我国构造地质学领域近年拟待解决的重大科学问题进行了探讨和总结。研究方向集中在华北克拉通破坏、华南大地构造及演变、中亚造山过程与燕辽构造带、青藏高原隆升与构造-岩浆作用及成矿效应、造山带与深俯冲、盆山耦合与油气开发、构造成矿与矿产资源、活动构造、地震与自然灾害等方面。近年来的主要进展有以下几方面：

　　1.动力学研究向纵深发展

　　板块构造学说面临的上述众多挑战，很多是源于对构造的研究。板块构造理论框架建立之后，国际上先后实施的“地球动力学计划”、“国际岩石圈对比计划”，掀起了研究和识别上的混杂岩、蓝片岩、蛇绿岩、古裂谷和古岛弧的高潮,并据此进行了古板块再造，使板块构造基本理论在地质构造演化研究中的应用得到进一步加深。同时也发现，源于大洋岩石圈研究的板块构造基本理论所不能解释的众多地质构造现象。正是由于所遇到的越来越多的令人费解的问题，在过去十多年来固体地球科学基础理论研究的焦点又集中在阐明地质特征、形成与演化过程方面。1980年代末以来许多国家或国际组织先后提出并实施的固体地球科学研究计划当中，动力学成为其中重要的科学研究目标之一。2002年，受美国国家科学基金会资助，全美26位著名构造地质学者研讨，于2003年春在斯坦福大学地球科学学院网页上公布了名为“构造地质学与大地构造学的新起点（New Departures in Structural Geology and Tectonics）”的。其中提出了需要关注和重点研究的四个大的科学命题，即：（1）超越板块构造：流变学与造山作用；（2）丢失的联系：从地震到造山作用；（3）构造、气候与地球表层过程之间的动力相互作用；（4）地球与生命的协同演化。可以看出，这些重要科学命题都与动力学研究息息相关，并可看作是动力学研究的延伸与细化。

　　我国开展动力学相关研究几乎与国际同步。20世纪90年代初, 我国地学界对开展中国动力学研究问题展开了热烈讨论, 并将动力学作为优先研究领域列入国家九五有关基础研究的战略规划之中。为推动我国动力学研究, 科学技术部设立了科学钻探、现代地壳运动观测网等重大科学工程和青藏高原形成演化及其环境、资源效应、深俯冲作用等国家重点基础研究发展计划项目; 中国科学院、国土资源部和中国地震局等部门也针对动力学问题部署了相关的大型观测、调查和研究项目, 特别是近年来, 国土资源部组织了中国深部探测工程（东海钻探和汶川地震钻探工程，许志琴等，2006，2009, 2010）, 并启动了相关的技术和试验研究。国家自然科学基金也陆续设立了大批与动力学有关的重大和重点研究项目。国家自然科学基金委地球科学部在地球科学部十五发展战略中将动力学正式列为7个优先发展领域之一, 并在十一五发展战略中进一步延伸为地球深部过程与动力学（姚玉鹏、张进江，2011）。5. 12汶川强震发生后, 国家自然科学基金委员会组织了一批紧急启动的基金项目, 2008年下半年, 迅速启动了与我国地区科学家就集集强震与汶川强震进行对比研究的两岸合作研究项目及汶川大地震孕育、发生的动力学及致灾机理研究重大研究项目。汶川地震断裂带科学钻探工程于2008年11月6日启动，瞄准地震断裂发震机理，并为未来开展科学预报、预警提供基础数据和科学依据。与此同时，克拉通破坏重大研究计划的实施，将我国东部地区中新生代岩石圈演化研究推向了国际地球科学的最前沿（丁佳，2011）。

　　2.构造、地表过程和气候之间耦合关系研究得以深入

　　造山带的隆升受构造作用主导，构造作用通过地表隆升和地势增加影响局部气候特征（如地形降雨），甚至改变大尺度的气候格局。然而近年来的研究表明，构造与气候之间并非单向关系，气候因素（主要为降雨和冰川作用）通过地表剥蚀，在剥蚀区产生应力集中和均衡作用进而诱发并维持构造抬升。气候-构造响应过程为深部岩石的剥露及地貌演化等提供了新的机制，成为当前国际地球科学研究的前沿和热点。美国自然科学基金委地球科学部将“构造、气候和地表系统的动态相互作用”列为当前构造地质学科的四大主题研究领域之一，而欧洲最近也正在实施一项大型科研计划——Thermo-Europe，开展以阿尔卑斯山脉为主体的欧洲山带气候-构造响应为中心的多国合作研究，以探索气候与构造动态相互作用下的地表过程。近年来我国学者也十分关注气候-构造耦合作用对造山带隆升剥露及地貌发展演化的作用，特别是对诸如青藏高原东、西构造结、喜马拉雅造山带等一些抬升剥露和地貌演化十分迅速的地区开展了卓有成效的探索（李勇等，2005；郑德文等，2006；石许华等，2008；王猛等，2008；陈建军等，2008；刘静等，2010；Wang An et al., 2010; 王岸等，2010）。

　　气候通过剥蚀作用与构造发生耦合观点的发展得益于构造模拟研究（Willett，1999；Whipple and Tucker, 1999；Beaumont et al., 2001）。构造模拟的结果表明，造山带的演化是在气候与构造及其动态相互作用控制下的产物，气候因素以地表剥蚀作用为纽带影响和控制构造作用，而构造作用通过地形地貌影响和控制地表剥蚀作用及气候变化；气候、地表剥蚀与构造作用动态相互作用的理想终极状态是彼此达到稳态，构造隆升与地表剥蚀相互抵消，造山带地形地貌从而保持稳定。

　　关于气候-构造响应的时间和空间尺度以及响应阈值等方面目前还在探索当中，取得的分歧甚至多于共识。通过岩石剥露研究（Thiede et al., 2004；Grujic et al., 2006）获得的气候-构造响应发生的时间尺度一般为Ma 级别；最近雅鲁藏布江下游河谷地貌分析表明响应时间尺度在0.065-0.420 Ma之间（陈建军等，2008a），而西瓦里克山河谷地貌在全新世阶段达到稳态平衡（Lave and Avouac, 2000；Kirby and Whipple, 2001），表明气候-构造响应发生在10ka 的时间尺度上；更有甚者，现代降雨资料与剥蚀速率的比对分析表明气候-构造可以在数十年尺度上甚至季节尺度上响应（王猛等，2008；Bettinelli et al.,2008）。 

　　地表剥蚀作用构成气候-构造响应的纽带，河流切蚀作用作为地表剥蚀作用基本方式之一（Burbank et al., 1996；Godard et al., 2006），因而对检验和分析气候-构造响应具有重要意义。当前对河道下蚀速率（Burbank et al., 1996；Kirby and Whipple, 2001；程绍平等，2004；赵希涛等，2007；Gabet et al., 2008；Seong et al., 2008；杨达源等，2008）以及河道地貌响应（Howard et al., 1994；Kirbyand Whipple, 2001；陈彦杰等，2006；陈建军等，2008a, 2008b；Wang et al., 2009）方面已经开展了广泛研究，特别是在河流动力方面，提出了具有广泛实用性的基岩河道切蚀动力模型（DL 模型）(Howard and Kerby, 1983；Kirby and Whipple, 2001；陈彦杰等，2006），将地表剥蚀作用与河谷地貌及降雨条件联系起来，有效进行定量化分析，成为地表作用过程和地貌分析的重要工具。

　　这方面的研究重要进展之一为青藏高原新构造及晚新生代古大湖研究。中国地质调查局 1：150 万青藏高原新构造与地质灾害图项目通过编图和系统研究, 阐明了青藏高原形成与构造变形的关系。获得了青藏高原最主要的构造变形期发生在上新世晚期早更新世的可靠证据。证实西昆仑地区西域砾岩的沉积时代为3~ 1百万年。西域砾岩属于快速堆积的山麓冲洪积扇相沉积。它的出现与区域同时期的构造变形密切相关。高原西北缘的磷灰石裂变径迹分析及其热历史模拟揭示了区域地貌陡坡带上新世以来的快速冷却剥蚀, 特别是3~ 1 百万年以来的快速冷却剥蚀, 剥蚀深度达5 千米以上, 这进一步说明了西域砾岩的物质来源, 同时暗示: 陡坡带的形成是青藏高原抬升的重要过程。通过河流研究高原构造地貌的演化是近期国际地学研究的热点和亮点。这项研究通过克里雅河构造地貌的分析证实: 现今克里雅河的历史始于1. 1百万年; 前克里雅河流域地貌演化的起源不超过上新世阿图什组沉积期。这是人类第一次完整地认识一条河流及其水系地貌的发育历史。早更新世至中更新世早期塔里木盆地应当存在一个大湖。在黄河源扎陵湖、鄂陵湖地区发现高出现今湖面335 米的湖相地层。青藏高原主体可能在中更新世早期前后才抬升进入冰冻圈。这项系列成果对于区域环境变化的研究和减灾工作都有重要意义（赵越等，2008）。

　　3.区域构造与应用构造研究进展显著

　　（1）罗布莎蛇绿岩型铬铁矿中发现超高压地幔矿物群, 开启了在地表研究深部地幔的窗口中国地质科学院地质研究所的专家在罗布莎蛇绿岩型铬铁矿中发现超高压地幔矿物群, 开启了在地表研究深部地幔的窗口。从罗布莎蛇绿岩型铬铁矿中发现了呈斯石英假象的柯石英, 从锇铱矿中发现了原位金刚石包体, 从橄榄岩中发现了罗布莎矿、曲松矿、雅鲁矿、藏布矿一组地幔新矿物。同时, 在俄罗斯极地乌拉尔铬铁矿中也发现了金刚石等地幔深部矿物组合, 证实了特殊的地表岩石具有保存深部地幔矿物的可能性（杨经绥等，2007）。

　　（2）南秦岭主要构造岩带形成时代研究新进展。南秦岭从甘肃的康县、徽县到陕西的略阳、勉县、留坝、城固、洋县、石泉、汉阴旬阳一带，广泛分布一条由白水江群、三河口群和人河坝群组成的志留系岩带，该带岩石类型多变，构造类型复杂，时代不明。通过研究在变质哑地层中发现众多微体化石，为重新厘定地层时代提供了重要依据，使南秦岭的地层时代有了比较清晰的轮廓（王宗起等，2009）。

　　（3）推覆构造研究在福建找矿中的应用取得突破项目在系统收集和研究前人工作的基础上，结合近年来深部找矿的成果，通过对福建省区域地质构造演化、岩石圈三维结构及基本特征、推覆构造的特点、组合型式、形成时代推覆方向、推覆距离等研究，结合区域构造演化特征，探讨了推覆构造的形成机制；同时系统研究了推覆构造对内、外生矿产的控制作用，总结了近年来以推覆构造为指导所取得的找矿成果，对福建地区下部深部找矿工作具有重要的指导意义（福建省地矿局闽西地质大队，2010）。

　　（4）青藏高原深部物质流动方式的多样性机理研究。通过对青藏高原的壳幔结构及物质状态的综合研究，发现高原深部物质流动受深大断裂控制，且流动方式存在多样性。研究推断印度板块经历过板片拆离以及高角度向低角度俯冲的转变，发现青藏高原中下地壳存在大尺度规律分布的异常低速区及两条巨大的中下地壳低阻异常带，提出了东西马拉雅构造结地区岩石圈“双地壳流+ 边界剪切”变形的新模式，提出了软流圈驱动的藏东逃逸与四川盆地相互作用的新模型（白登海等，2010）。

　　（5）应用构造地质学继续深入发展

　　构造地质学新理论和新技术方法在矿产资源、工程建设、自然灾害的预测预报，环境保护等领域的应用继续取得进展，对国民经济发展和其他学科的推动作用更加明显。在“十一五期间实施的“全国媒体资源潜力评价”项目中，以板块构造和地球动力学为指导，深入开展构造控煤作用的研究。合大地构造单元和赋煤单元特征，划分了全国赋煤构造单元；建立了控煤构造样式分类系统，对找煤预测和煤炭资源开发起到重要指导作用（曹代勇等，2010）。

　　（6）构造地质学基础理论及其应用得当长足进展。最大有效力矩准则自2004年发表6年来, 不断受到国内外同行的注意, SCI引证累计17次。十一五期间，结合科研项目与生产实践，深化、拓宽了准则的内涵和和意义的认识：1）结合柴达木与塔里木盆地的油气勘探实践，提出石油部门总结的“两断夹一隆”模式实际上为最大有效力矩准则控制下的大型共轭膝褶带；2）挑战流行30余年挤出构造的滑移理论，指出挤出构造中的大型走滑断层并不沿塑性力学的滑移线，而是沿最大有效力矩方向；3）原创提出测定运动学涡度的伸展褶劈理或C’法，深化韧性剪切带领域的研究；4）提出最大有效力矩准则中的54.7°或109.4°为一尺度和材料不变量，适用于加载速率快于材料粘性松弛速率的应变局部化的大应变变形域。

　　三、我国构造地质学近期亟待解决的十个重要科学问题

　　(1) 青藏高原生长的方式与过程。包括两个最基本的原因：板块构造-动力学天然实验室，构造-气候的耦合。

　　在《青藏高原生长》重大研究计划建议书中提出了8个核心科学问题：①印度与欧亚碰撞的启动时间、过程和方式。②青藏高原生长前的构造-古地理格局。③青藏高原深部结构、物质组成与现今地貌的耦合关系。④青藏高原生长的深部热状态与壳幔演变。⑤高原生长的方式与时空坐标。⑥高原生长的应力状态和运动特征。⑦青藏高原生长的动力学机制与模拟。⑧青藏高原生长与全球构造演化。

　　(2) 中亚造山带的造山过程。中亚造山带具有的特征：十分巨大的面状造山拼贴体；经历了10亿年来多期次俯冲碰撞；显著的显生宙生长；强烈的壳幔相互作用；强烈的中新生代改造；造就了丰富的资源、能源。

中亚造山带存在的关键科学问题包括：多期次俯冲碰撞的方式、时限及其增生；壳幔相互作用机制及其对能源、资源的制约；强烈的中新生代改造与构造-气候相互作用。

　　(3) 喜马拉雅造山带的造山过程。喜马拉雅造山带作为最年轻最典型的碰撞型造山带，存在的问题有：①碰撞与造山的关系；②造山过程的阶段性；③造山作用与伸展作用的关系；④造山与变质、岩浆作用的关系；⑤剥蚀对造山作用的影响。因此它的研究蕴含中新的造山理论。

　　(4) 华南陆内变形或陆内造山过程及机制。

华南自新元古代以来经历了复杂演化，发育了数千公里的变形带，发生了强烈的结构重建与成分重组，远离板块边界的陆内变形。具有以下问题：地质表征与地球物理精细结构；变形样式与时序；与周缘构造的耦合关系；先存构造属性与格架的影响；变形-岩浆-深部过程如何联系；陆壳流变学性质。

　　(5) 岩石圈流变行为及其对变形的制约。包括以下问题：①横向与纵向流变学性质不均一如何影响特征的变形；②壳-幔解耦及下地壳流变学性质的地球动力学意义；③岩石圈不同圈层“弥散”或“集中”应变，机制，影响因素；④流体作用与岩石变形、流变学性质的关系；⑤岩石流变学背后准确的物理和化学机制；⑥如何将快速的实验应用于慢速的自然；⑦变质与变形的关系及其对流变学各向异性的影响。

　　(6) 构造过程对能源、资源的制约。构造环境、构造作用、构造样式对于资源、能源的形成、运移与富集的影响与制约。

　　(7) 构造与重大地质灾害事件的关系。近几年是否为灾害频发期？需要探讨的问题包括：重大地质灾害与构造格局的关系；重大地质灾害的地质控制因素；重大地质灾害的孕育机制及发生机理。

　　(8) 板块构造的起源及地壳形成与演化。关键问题有：古构造格局的重建；前寒武纪构造演化的特殊性；板块作用的起始时间及起始机理。

　　(9) 叠合盆地多期盆-山耦合和盆-山转换过程。我国大型含油气盆地属典型叠合盆地，经历了长期复杂的形成演化过程，构造改造强烈，原型盆地难以恢复，演化动力学条件不明晰。其科学问题包括：①叠合盆地形成演化的动力学过程分析和盆地原型恢复；②叠合盆地多期盆-山耦合和盆-山转换过程研究；③叠合盆地形成演化的深部构造过程；④叠合盆地关键变革期和构造-热事件耦合；⑤叠合盆地构造改造过程和差异构造变形机理。

　　(10) 构造与气候及地表过程的相互作用。关键的问题有：①构造与剥蚀-沉积的关系；②构造地貌和气候的相互作用；③如何从地貌与沉积中定量分离气候与构造信息；④气候与构造耦合的时间尺度、耦合的门限值；⑤不同时间尺度内的地貌动态定量重建。