從地殼上地幔構(gòu)造看大陸碰撞作用(下)

楊文采,于常青

“大地構(gòu)造與動(dòng)力學(xué)”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所, 北京, 100037

內(nèi)容提要: 本篇討論陸-島碰撞、地體拼合和復(fù)理石建造等大地構(gòu)造作用。根據(jù)碰撞陸塊的尺度可將大陸碰撞分為陸-陸碰撞、陸-島碰撞和島-島碰撞三種不同級(jí)別。大陸碰撞的強(qiáng)度與碰撞陸塊邊緣的形狀有關(guān)。在陸塊邊緣的凸出部碰撞最為劇烈,形成巖石圈變形極為劇烈的碰撞造山帶。在小陸塊兩側(cè)或凹入部碰撞不易發(fā)生,形成沉積巨厚的復(fù)理石建造。如果多個(gè)陸塊在會(huì)聚時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度不大,碰撞不大劇烈,這種碰撞稱為地體拼合. 地體拼合屬于巖石圈擠壓力較小而作用期較長的造陸作用,以蒙古-鄂霍次克帶為代表,洋陸轉(zhuǎn)換帶巖石圈大部分成為增生的大陸。地體拼合過程分以下4個(gè)階段：1, 雙向俯沖形成島??；2, 洋-島俯沖擴(kuò)展洋陸轉(zhuǎn)換帶；3, 幔源巖漿底侵,洋陸轉(zhuǎn)換帶巖石圈向大陸巖石圈演化；4, 地體拼合造陸,大陸增生。大陸碰撞發(fā)生時(shí)不發(fā)生碰撞的部位板塊會(huì)聚產(chǎn)物具復(fù)理石建造特征。復(fù)理石盆地是被洋殼俯沖推擠成陸的顯生宙洋陸轉(zhuǎn)換區(qū),以巨厚深水濁流沉積及等深流沉積為特征。大陸巖石圈碰撞作用分為以下五類：裙邊碰撞,裸碰撞、弱碰撞、無碰撞和碰撞走滑,碰撞的特征參數(shù)各不相同,其中只有裸碰撞在力學(xué)上屬于彈性碰撞。

1 導(dǎo)言

上一篇評(píng)述分析了大陸碰撞作用中強(qiáng)烈碰撞的兩類類型：裙邊碰撞和裸碰撞(楊文采, 于常青, 2014),本篇繼續(xù)討論大陸碰撞中另兩種類型,即地體拼合和復(fù)理石建造,它們分別對(duì)應(yīng)大陸碰撞帶中弱碰撞和無碰撞的情況。長數(shù)千千米的大陸碰撞帶中,大陸凸出部分發(fā)生強(qiáng)烈碰撞,大陸凹入部分不發(fā)生強(qiáng)烈碰撞,但是這里仍然有強(qiáng)烈的地質(zhì)作用和變形發(fā)生,研究弱碰撞和無碰撞區(qū)段的地質(zhì)作用機(jī)制才能對(duì)大陸碰撞有全面的了解。

大陸碰撞作用是板塊構(gòu)造學(xué)說的主要支柱之一。板塊構(gòu)造學(xué)說認(rèn)為 (Davis et al.,1983; James, 1989; Moores and Twiss,1995; Jolivet and Hataf 2001; Stern, 2002; Rogers, J, W., 2004; Fowler, 2005; Leeder and Perez-Arlucea, 2006;),大陸碰撞帶是大洋封閉的產(chǎn)物,即大洋板塊幾乎全部俯沖消散,而大陸板塊繼續(xù)移動(dòng)造成的陸殼與陸殼擠壓碰撞的結(jié)果。在前兩篇評(píng)述中討論了洋—陸轉(zhuǎn)換的作用過程及其產(chǎn)物(楊文采, 宋海斌, 2014)。在前一篇評(píng)述中討論了強(qiáng)烈碰撞造山帶的作用過程及其產(chǎn)物,問題是洋—陸轉(zhuǎn)換帶巖石圈轉(zhuǎn)化為大陸巖石圈并非一定要經(jīng)過強(qiáng)烈碰撞,弱碰撞甚至沒有碰撞也可以將洋—陸轉(zhuǎn)換帶巖石圈轉(zhuǎn)化為大陸巖石圈。除了碰撞造山之外洋—陸轉(zhuǎn)換帶轉(zhuǎn)化為大陸還有那些演化的機(jī)制? 不經(jīng)陸—陸碰撞作用如何把洋—陸轉(zhuǎn)換帶轉(zhuǎn)化為大陸,完成大陸增生？這些問題在將本文討論。

大陸碰撞指從大洋閉合并開始在大陸邊緣凸出部接觸碰撞,直到大洋完全封閉、大陸巖石圈聯(lián)成一體的全過程。當(dāng)兩個(gè)大陸邊緣開始接觸時(shí),大地構(gòu)造體制從洋—陸轉(zhuǎn)換變?yōu)榇箨懪鲎病Ｓ捎趦蓚€(gè)大陸塊碰撞的強(qiáng)度正比于碰撞陸塊的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度(見本文第5段),因此可根據(jù)碰撞陸塊的尺度將大陸碰撞分為陸—陸碰撞、陸—島碰撞和島—島碰撞三種不同級(jí)別。三種作用的擠壓期長短、作用規(guī)模和作用后果大不相同。大陸碰撞的強(qiáng)度還與碰撞陸塊邊緣的形狀有關(guān)。在陸塊邊緣的凸出部應(yīng)力集中,碰撞最為劇烈,形成巖石圈變形極為劇烈的碰撞造山帶。在陸塊邊緣的凹入部碰撞不易發(fā)生,形成沉積巨厚的復(fù)理石建造。如果多個(gè)陸塊在會(huì)聚時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度不大,碰撞不大劇烈,這種碰撞稱為弱碰撞, 相應(yīng)作用為地體拼合,以蒙古—鄂霍次克帶為典型代表。陸—島碰撞和島—島碰撞時(shí),如果碰撞陸塊的尺度較小,比較多見地體走滑旋轉(zhuǎn),形成扭動(dòng)構(gòu)造和以平錯(cuò)斷裂發(fā)育為特征的構(gòu)造體系,如滇西三江地區(qū)。

2 陸—陸碰撞和陸—島碰撞

從物理學(xué)的角度看, 陸—陸碰撞的沖量取決于漂移板塊的質(zhì)量和速度。面積為幾百萬km2的克拉通接觸可造成沖量很大的碰撞,作用期一般在100Ma以上,形成雄偉的碰撞造山帶。陸—陸碰撞時(shí)沖量大,而碰撞前板塊運(yùn)動(dòng)動(dòng)能并不一定大,這是由于板塊質(zhì)量大而運(yùn)動(dòng)較慢,在板塊碰撞時(shí)起決定作用的是慣性力。

陸—島碰撞不是大陸巖石圈板塊之間的碰撞,指面積在百萬km2以下的陸塊與大陸之間發(fā)生的碰撞。這里的島指洋—陸轉(zhuǎn)換帶中的大陸碎片或火山島弧。陸—島碰撞的起因主要為大洋俯沖,在洋—陸轉(zhuǎn)換的后期就己開始發(fā)生(楊文采, 宋海斌, 2014)。陸—島碰撞作用期一般在100Ma左右,典型例為晚古生代塔里木地體與歐亞大陸的碰撞。洋—陸俯沖作用過程中,大洋板塊俯沖于大陸板塊或者島弧底下,島弧與大陸隨后發(fā)生碰撞。從菲律賓板塊內(nèi)的巖石圈結(jié)構(gòu)看,洋盆下方的洋殼向另一個(gè)洋殼俯沖,俯沖帶上方有地殼明顯增厚的海山,它們也是島,例如夏威夷群島。洋殼向廣義的“島”下方的俯沖可稱為洋—島俯沖。洋—島俯沖使洋盆消減,如果洋盆的另一側(cè)為被動(dòng)大陸邊緣,當(dāng)洋盆消減時(shí)便會(huì)發(fā)生陸—島碰撞(見圖1a)。澳洲是大陸,北邊的新幾內(nèi)亞是個(gè)島,現(xiàn)今陸―島碰撞正在這里發(fā)生。和陸—陸碰撞不同的是,陸—島碰撞沖量經(jīng)常不大,這是由于“島”質(zhì)量較小所致。洋—島俯沖使洋盆消減,如果洋盆的另一側(cè)也是“島”,當(dāng)洋盆全消減時(shí)便會(huì)發(fā)生島—島碰撞(見圖1b)。島—島碰撞指面積在幾十萬km2以下的洋—陸轉(zhuǎn)換帶巖石圈之間發(fā)生的碰撞。作用期一般在50Ma左右,典型例為加拿大西海岸的地體群,它們是島—島碰撞的產(chǎn)物。大多數(shù)情況下島—島碰撞沖量更小。廣義的“島”后來隨洋—陸轉(zhuǎn)換帶增生為大陸之后,早先稱為“大陸地體”。

陸—陸碰撞、陸—島碰撞和島—島碰撞這三種不同級(jí)別的碰撞作用后果大不相同,地殼拆離、變形和變質(zhì)作用程度及規(guī)模相差很大。圖2為五種大陸構(gòu)造單元碰撞作用比較示意圖。Pc為擠壓地應(yīng)力,T為增生作用時(shí)間尺度。圖中表示,陸—陸碰撞巖石圈擠壓力最大,擠壓力作用期最長。陸—島碰撞巖石圈擠壓力減小,擠壓力作用期變短。島—島碰撞巖石圈擠壓力不大,擠壓力作用期較短。

圖1 陸—島碰撞(a)和島—島碰撞作用(b)圖解Fig. 1 Illustration cartons showing continent-to-island (a) and island-to-island (b) collision models

陸—島碰撞與陸—陸碰撞不同之處除沖量小作用期變短外,還由于“島”的體積小質(zhì)量小,當(dāng)擠壓地應(yīng)力方向不垂直于碰撞塊體邊緣時(shí),“島”易于發(fā)生旋轉(zhuǎn),并在四周產(chǎn)生走滑斷層,使碰撞沖力轉(zhuǎn)化為大陸拼合作用中常見到的走滑旋動(dòng)調(diào)整摩擦力。這就是上一篇評(píng)述中提到了的大陸碰撞中的第五種作用類型：碰撞走滑,它指由陸—島或島—島碰撞引起地塊走滑扭動(dòng)旋轉(zhuǎn)形成摺皺斷裂系的作用過程。李四光先生最早注意到這衶類型的構(gòu)造,并命名為扭動(dòng)構(gòu)造(李四光,孫殿卿等, 1999)。不過,這里討論的碰撞走滑作用形成的走滑扭動(dòng)構(gòu)造,大概只屬于李先生講的扭動(dòng)構(gòu)造的一部分。

圖2 五種大陸構(gòu)造單元碰撞作用的比較Fig. 2 Illustration of comparison between five different continental collision typesFc—擠壓地應(yīng)力; t—大陸增生作用時(shí)間尺度; 1—俯沖期地體拼合；2—復(fù)理石建造；3—島—島碰撞；4—陸—島碰撞；5—陸—陸碰撞造山 Fc—compression stress; t—time scale for continental accretion； 1—terrains amalgamation during subduction；2—flysh formation； 3—island—island collision；4—continent—island collision；5—continent—continent collision and orogeny

討論碰撞走滑作用可以塔里木克拉通地塊與亞歐大陸碰撞為例,根據(jù)詳細(xì)古地磁測(cè)定和古生物資料得到的不同時(shí)期地塊的定位示如圖3 (賈承造等, 1995; 劉訓(xùn)等, 1997; 肖序常等, 2007;楊文采,2009)。塔里木地塊原本位于南緯20°左右的岡瓦納大陸,寒武紀(jì)開始漂移。由圖可見,在寒武紀(jì)岡瓦納大陸東部的北緣,發(fā)生大陸裂谷事件,其結(jié)果是塔里木地塊分離出來,并向西北方向快速漂移到北半球古亞洲洋中。漂移的速度到早奧陶紀(jì)加大,到志留紀(jì)漂移速度減緩,在石炭紀(jì)與亞歐大陸碰撞時(shí),位置在北緯30°左右。碰撞后塔里木地塊開始右旋,到現(xiàn)今幾乎旋轉(zhuǎn)了90°,長軸方向從南北向轉(zhuǎn)為東西方向。相應(yīng)地盆地四周廣泛發(fā)育了阿爾金等走滑斷裂體系。對(duì)于島—島碰撞,巖石圈碰撞沖力轉(zhuǎn)化為走滑旋動(dòng)摩擦力而消減的碰撞走滑作用,出現(xiàn)更為普遍。

圖3 塔里木地塊古地理位置復(fù)原圖 (據(jù)方大鈞原圖修改, 見賈承造等, 1995)Fig. 3 Reconstruction of paleo-geographic positions of the Tarim Basin (modified from Fang Dajun, see Jia Chengzao et al., 1995)

中國之西北在早古生代位于古亞洲洋南沿,是當(dāng)時(shí)陸—島碰撞和島—島碰撞的主要發(fā)生地區(qū)之一。圖4為中國西北古生代陸—島碰撞和島—島碰撞演化示意圖。在早古生代時(shí)期,古亞洲洋和古特提斯洋中存在著一系列的陸塊,主要有塔里木地塊,羌塘地塊,和柴達(dá)木地塊等,它們可稱為“島”。根據(jù)地層、巖漿活動(dòng)、生物區(qū)系以及古地磁資料,這些陸塊之間的相對(duì)位置表示在圖4a。到早古生代末,隨著古亞洲洋中的古祁連洋的閉合,華北克拉通與柴達(dá)木通過陸—島碰撞拼合,見圖4b。古亞洲洋中的古阿爾金洋分隔了華北和塔里木陸塊,在石炭紀(jì)后,古阿爾金洋封閉,華北和塔里木克拉通陸塊通過陸—島碰撞拼合。三疊紀(jì)時(shí),中國北方的一系列陸塊已經(jīng)拼合成了一個(gè)完整的大陸,見圖4c。亞歐大陸以南屬特提斯洋的范疇,華南、羌塘、拉薩、岡底斯等陸塊均位于這個(gè)洋盆之中?，F(xiàn)今的青藏高原便是特提斯洋中這些陸塊島—島碰撞和陸—島碰撞的產(chǎn)物。

圖4 中國西北古生代陸—島碰撞和島—島碰撞演化示意圖(據(jù)劉訓(xùn),1997,原圖修改): (a)奧陶紀(jì) 時(shí)不同地體位置; (b)石炭紀(jì)時(shí)期不同地體位置; (c) 三疊紀(jì)時(shí)期不同地體位置Fig. 4 Reconstruction of paleo-geographic positions of terranes of northwest China(modified from Liu Xun, 1997): (a) paleo-geographic positions of terranes in Triassic Period in Ordovician Period; (b) paleo-geographic positions of terranes in Triassic Period in Carboniferous Period, and (c) paleo-geographic positions of terranes in Triassic Period圖中構(gòu)造單元代號(hào)：SI—西伯利亞板塊；KS—哈薩克斯坦—準(zhǔn)噶爾板塊；TA—塔里木板塊；NC—華北板塊；SC—揚(yáng)子—華南板塊；QL—北—中—南祁連地體；KL—北昆侖地體；QD—柴達(dá)木微板塊；MZ—馬鬃山地體；DH—敦煌地體；JQ—酒泉地體；QL—北—中南祁連地體；QD—柴達(dá)木微板塊；NK—北昆侖地體；SK—南昆侖地體；BH—巴顏喀喇地體；QT—羌塘地體; GN—岡底斯—拉薩地體；IN—印度板塊 圖中構(gòu)造單元代號(hào)：SI—Sibria plate；KS—Kazakhstan—Junggar plate；TA—Tarim plate；NC—North China plate；SC—Yangtze—South China plate；QL—North—Central—South Qilian terrane；NK—North Kunlun terrane；QD—Qaidam microplate；MZ—Mazong terrane；DH—Dunhuang terrane；JQ—Jiuquan terrane；SK—South Kunlun terrane；BH—Bayanhar terrane；QT—Qiangtang terrane; GN—Gangdise—Lhasa terrane；IN—India plate

陸—陸碰撞改變?nèi)虼箨懛植嫉母窬?而陸—島碰撞改變的是洋陸轉(zhuǎn)換帶的分布格局。和陸—島碰撞相似,島—島碰撞也是由洋殼消減引起的,改變的只是洋—陸轉(zhuǎn)換帶或大洋內(nèi)部的局部格局。與陸—島碰撞不同的是,島嶼之間的碰撞帶短且彎,而且常常位于多個(gè)板塊的交匯接合處,反映了該處應(yīng)力大小和方向變化大的特點(diǎn),起到了大板塊空隙填補(bǔ)轉(zhuǎn)換的作用。現(xiàn)今位于東南亞—澳大利亞北緣之間的巽它島弧就是板塊空隙填補(bǔ)轉(zhuǎn)換作用的例子。在西太平洋陸緣,島弧突出的部位,乃是島—島碰撞發(fā)生之處。陸—島碰撞與島—島碰撞多為弱碰撞, 其結(jié)果是地體拼合。

3 地體拼合與蒙古—鄂霍次克帶

地體拼合(Terrain amalgamation) 為發(fā)生在大陸碰撞帶內(nèi)碰撞作用較弱地段的地質(zhì)作用的總稱。大陸碎塊、島弧等經(jīng)陸—島或島—島碰撞匯聚,鑲嵌于大陸邊緣或拼合成較大的地體,使大陸增生。地體拼合作用可在地體邊緣形成褶皺帶、地殼拆離構(gòu)造帶或走滑斷裂系。位于中亞的蒙古—鄂霍次克碰撞帶,就是中生代地體拼合作用和大陸增生的典型產(chǎn)物。地體拼合屬于巖石圈擠壓力較小而作用期較長的造陸作用。在板塊匯聚時(shí),大陸碎塊、島弧等或者相互碰撞拼合形成較大的地體,或者與大陸碰撞鑲嵌于大陸邊緣,使大陸增生。地體間或大陸與地體間多有洋陸轉(zhuǎn)換帶殘余,由于受擠壓登陸的洋陸轉(zhuǎn)換帶巖石圈充斥著裂縫裂隙和水分,成為下方幔源巖漿底侵的有利通道,因此地體拼合后幔源巖漿活動(dòng)經(jīng)常比較活躍。幔源巖漿底侵并逐漸分異不僅增加了大陸地殼的體積,而且熔鑄了不同屬性的拼合地體,使新生的大陸巖石圈逐漸呈現(xiàn)剛性。

東北亞的大地構(gòu)造略圖示如圖5 (Dobretsov et al., 1995; 洪大衛(wèi)等, 2000; Warren, 2009;Parfenov, 2009; 任紀(jì)舜等, 2012),含有太古代地核的西伯利亞克拉通和中朝克拉通,圖中用綠色塊表示。其它主要的克拉通型地體包括布列亞—佳木斯(Bureya—Jiamusi) 地體、科累馬地體和蒙古—鄂霍次克地體,屬于元古代增生的克拉通型地體,圖中用黃色塊表示。布列亞—佳木斯克拉通型地體從中國黑龍江省至俄羅斯遠(yuǎn)東布列亞河地區(qū),它在構(gòu)造上包含了松遼盆地,西界應(yīng)當(dāng)為大興安嶺東沿。佳木斯克拉通結(jié)晶基底由前南華系麻山群深變質(zhì)雜巖和黑龍江群綠片巖系組成,有2.539Ga 的同位素年齡數(shù)據(jù)。近年來在寒武系中發(fā)現(xiàn)的三葉蟲化石屬種,可以與西伯利亞的三葉蟲對(duì)比,說明它可能是從西伯利亞克拉通裂解出來的。

圖5 東北亞大地構(gòu)造略圖(Warren et al., 2009)Fig. 5 Tectonic map of northeast Asia, showing tectonic units around Mongolia—Okhotsk collision belt (source：Warren, 2009)

圖5中大陸上的白色區(qū)域主要對(duì)應(yīng)中生代的洋—陸轉(zhuǎn)換帶。蒙古—鄂霍次克地體拼合帶包含原先的蒙古—鄂霍次克地體和兩側(cè)寬闊的古洋—陸轉(zhuǎn)換帶。圖中用深灰色塊表示其中典型的古洋—陸轉(zhuǎn)換洋的出露區(qū)。蒙古—鄂霍次克地體拼合帶還有面積巨大的晚古—中生代巖漿巖出露,圖中用不同顏色的字母“V”表示。東北亞的東部屬于太平洋構(gòu)造域,隨太平洋早期的俯沖也產(chǎn)生中生代火山巖帶,但是分布地理位置和走向都與蒙古—鄂霍次克巖漿巖帶不同,易于區(qū)分。

圖6 根據(jù)古地磁測(cè)定恢復(fù)的蒙古—鄂霍次克洋的封閉過程(Van Der Voo et al., 1999): (a) 侏羅紀(jì)的蒙古—鄂霍次克洋; (b) 早白堊紀(jì)蒙古—鄂霍次克洋完全閉合Fig. 6 Closing the Mongolia—Okhotsk ocean from about 150Ma to 100Ma (Van Der Voo et al. 1999)SIB—西伯利亞克拉通; MON—蒙古地體; NCB—華北克拉通; SCB—華南—揚(yáng)子克拉通; INC—印支地體; SH—南海; EUP—?dú)W洲板塊; KAZ—哈薩克斯坦地體 SIB—Siberia craton; MON—Mongolia terrane; NCB—North China Craton; SCB—South China—Yangtze craton; INC—Indochina terrane; SH—South China sea; EUP—Europe plate; KAZ—Kazakhstan terrane

古生代蒙古—鄂霍次克洋是古亞洲洋的東段,它是古亞洲洋最后閉合的區(qū)域。古亞洲洋的西段發(fā)育于古生代,位于塔里木克拉通型地體、哈薩克斯坦克拉通型地體和西伯利亞克拉通之間,到三疊紀(jì)大部分己經(jīng)閉合。東段的蒙古—鄂霍次克洋在中生代早期還沒有閉合,圖6表示根據(jù)古地磁測(cè)定恢復(fù)的蒙古—鄂霍次克洋的封閉過程 (Randolph et al., 1991,1992; Van Der Voo et al. 1999),蒙古—鄂霍次克洋閉合在晚侏羅紀(jì)。圖6 b 顯示早白堊世蒙古—鄂霍次克洋完全閉合; 圖6a 顯示侏羅紀(jì)蒙古—鄂霍次克洋的寬度大約在700km左右。

古亞洲洋構(gòu)造域(Palao-Asian tectonic domain)指在古亞洲洋形成演化和最后封閉過程渉及的大地構(gòu)造區(qū)域。早先認(rèn)為,它是一個(gè)發(fā)生在古生代的構(gòu)造域 (見圖7a),薩彥—額爾古納碰撞帶、天山—興安碰撞帶等都屬于古亞洲洋構(gòu)造域(李春昱等,1982)。如圖6所示,古亞洲洋東支的最后封閉過程發(fā)生在中生代早白堊世的蒙古—鄂霍次克帶。圖7b顯示了古亞洲洋構(gòu)造域天然地震分布。地震觀測(cè)表明,現(xiàn)今蒙古—鄂霍次克帶仍然是板內(nèi)地震頻繁發(fā)生的地區(qū),說明這里巖石圈地幔在經(jīng)歷大陸碰撞之后,還遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)克拉通化。

圖7 古亞洲洋構(gòu)造域大地構(gòu)造略圖(a)(李春昱等,1982)和天然地震分布圖(b)Fig. 7 Tectonic map of Palao-Asian ocean domain (a) and distribution of earthquakes around Mongolia—Okhotsk collision belt

圖8 蒙古—鄂霍次克帶地質(zhì)圖(任紀(jì)舜等, 2012)Fig. 8 Geologic map around Mongolia—Okhotsk collision belt

圖9 古亞洲洋構(gòu)造域碰撞帶花崗巖的來源與年齡 (據(jù)Jahn B-M, 2004)。Fig. 9 Origin and ages of magma along Paleo-Asian tectonic domain (source: Jahn B-M, 2004)

圖10 古亞洲洋構(gòu)造域碰撞期花崗巖的幔源成分 百分比(據(jù)Jahn B-M, 2004)Fig. 10 Percent of mantle-origin magma in post-collision magmas along Paleo-Asian tectonic domain (source: Jahn B-M, 2004)

蒙古—鄂霍次克帶地質(zhì)圖見圖8 (任紀(jì)舜等, 2012),圖中紅色與紫紅色的區(qū)域都是晚古—中生代巖漿巖出露分布區(qū),出露面積巨大。江博明教授(Jahn B-M, 2004)最早用同位素地球化學(xué)方法對(duì)古亞洲洋構(gòu)造域碰撞帶花崗巖的來源與年齡進(jìn)行了研究,示如圖9。由圖可見,古亞洲洋構(gòu)造域碰撞帶花崗巖的源來自虧損地幔,成巖年齡主要在300～160Ma期間。而在外蒙古和貝加爾地區(qū),即蒙古—鄂霍次克帶地區(qū),成巖年齡主要在270～160Ma期間。圖10顯示古亞洲洋構(gòu)造域花崗巖的幔源成分百分比。由圖可見,古亞洲洋碰撞帶花崗巖的幔源成分百分比測(cè)定結(jié)果在30%～100%之間。而在蒙古—鄂霍次克帶中心地區(qū),花崗巖的幔源成分在70%～100%之間。由此可推斷,侏羅紀(jì)的蒙古—鄂霍次克洋閉合前后發(fā)生過規(guī)模巨大的幔源巖漿作用,使亞歐大陸南北焊合成統(tǒng)一板塊。同時(shí)西伯利亞克拉通和中朝克拉通之間寬闊的洋—陸轉(zhuǎn)換帶和原先的蒙古—鄂霍次克地體被幔源巖漿的衍生物質(zhì)充填或交代,形成顯生宙最大規(guī)模的大陸增生地殼。

圖11 蒙古—鄂霍次克帶演化與大陸增生模式(據(jù)Jahn B-M, 2004修改)Fig. 11 Evolution stages and continental accretion process along Mongolia—Okhotsk collision belt (source: Jahn B-M, 2004)

江博明據(jù)此得到了顯生宙蒙古—鄂霍次克帶演化與大陸增生模式,見圖11。圖11a顯示研究區(qū)二疊紀(jì)的地殼上地幔剖面,古亞洲大洋板塊南北兩側(cè)雙向俯沖在進(jìn)行中。北側(cè)的俯沖在西伯利亞克拉通南緣形成溝弧體系和洋—陸轉(zhuǎn)換帶,南側(cè)的洋—島俯沖在洋盆邊緣形成溝弧盆體系,并不斷增大原先的陸殼型“島”的巖石圈。在大洋盆地下方,地幔巖漿底侵也在進(jìn)行,大洋下地殼被改造,巖漿分異形成了玄武質(zhì)和云英閃長質(zhì)巖漿。圖11b顯示研究區(qū)早三疊世的地殼上地幔結(jié)構(gòu),蒙古—鄂霍次克洋北側(cè)俯沖結(jié)束,洋內(nèi)的洋島俯沖向南擴(kuò)展,洋陸轉(zhuǎn)換帶擴(kuò)寬。圖11c顯示研究區(qū)晚三疊世的地殼上地幔剖面,洋內(nèi)的洋島俯沖向南擴(kuò)展的同時(shí),源自軟流圈的幔源巖漿的底侵、分異,使島弧帶和原先的元古代大陸碎片焊合,并逐漸碰撞拼合成新生大陸。圖11d顯示研究區(qū)晚侏羅世地殼上地幔結(jié)構(gòu),在洋內(nèi)的洋島俯沖向南擴(kuò)展的同時(shí),幔源巖漿的底侵使島弧帶(如圖中標(biāo)注“大陸地殼”處及兩側(cè))逐漸弱碰撞拼合成新生大陸。蒙古—鄂霍次克洋俯沖后期,發(fā)生規(guī)模巨大的幔源巖漿作用,洋陸轉(zhuǎn)換帶在擴(kuò)寬,巖石圈不斷增厚,同時(shí)上升成陸。在東南方的大興安嶺島弧帶亦已形成。圖11e顯示蒙古—鄂霍次克洋閉合后(白堊紀(jì))地殼上地幔剖面,洋—陸轉(zhuǎn)換帶全部上升成陸,幔源巖漿的底侵仍在進(jìn)行。

圖11c—e展示了多個(gè)地體拼合型的弱碰撞造陸作用過程,特點(diǎn)為碰撞期巖石圈擠壓力較小而作用期較長。由于受擠壓登陸的洋陸轉(zhuǎn)換帶巖石圈充斥著裂縫裂隙和水分,成為下方幔源巖漿底侵的有利通道。幔源巖漿底侵并逐漸分異不僅增加了大陸地殼的體積,而且焊合了不同屬性的地體,使新生的大陸巖石圈呈現(xiàn)剛性。

雖然在本研究區(qū)深反射地震剖面十分稀少,已有地球物理資料對(duì)上述地體拼合造陸作用演化模式是認(rèn)可的。例如,認(rèn)為蒙古—鄂霍次克洋俯沖結(jié)束前后發(fā)生規(guī)模巨大的幔源巖漿作用,在東南方的大興安嶺島弧帶深反射地震剖面已反映出來。圖12為過大興安嶺巖石圈反射地震剖面,和常見的碰撞造山帶莫霍面反射不同,大興安嶺不僅不存在山根,而且還向上突起,表明這里的碰撞帶與典型造山帶不同,發(fā)生過強(qiáng)烈的幔源巖漿上涌作用。字母“S”注記巖石圈地幔內(nèi)反射為向上拱的弧形反射體,也反映幔源巖漿上涌(楊文采,陳志德, 2005)。

由上述分析可認(rèn)為,地體拼合作用過程可分為以下四個(gè)階段：① 雙向俯沖形成火山島弧；② 洋—島俯沖擴(kuò)展,洋陸轉(zhuǎn)換帶擴(kuò)寬；③ 幔源巖漿底侵,洋陸轉(zhuǎn)換帶巖石圈向大陸巖石圈轉(zhuǎn)化；④ 地體拼合造陸,大陸增生。

從以上討論可知,蒙古—鄂霍次克型的陸—島碰撞和大陸增生有以下特點(diǎn)：① 弱碰撞 ,碰撞時(shí)板塊沖量與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較小 。② 原來的地體緩慢碎裂,有大量大陸增生的空間,使碰撞后幔源巖漿容易大規(guī)模侵入。 ③ 原洋陸轉(zhuǎn)換帶升陸后大部分保留拼合為增生地體。 ④ 完全升陸后巖石圈應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)為拉伸,仍有劇烈火山噴發(fā)及巖漿侵入, 并形成中亞侏羅紀(jì)盆地群。 ⑤ 陸島碰撞和大陸增生歷時(shí)約200Ma 。

4 從洋陸轉(zhuǎn)換帶到復(fù)理石建造

圖12 大興安嶺巖石圈反射地震剖面,字母“M”注記莫霍面反射,字母“S”注記巖石圈地幔內(nèi)反射(于常青提供)Fig. 12 Deep seismic reflection profile across Great Hinggan mountain range, “M” denotes the Moho discontinuity, “S” denotes refractions within the uppermost mantle

圖13 川甘青復(fù)理石盆地及周邊大地構(gòu)造略圖Fig. 13 Tectonic map of Songpan—Garze flysch basin 箭頭示中新生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)方向; arrows indicate stress directions in Cenozoic

大陸碰撞發(fā)生時(shí),原來小板塊的兩側(cè)和陸緣凹入的邊緣海不一定發(fā)生碰撞,但可以看到大量板塊俯沖作用引起的變形和其它作用痕跡,因?yàn)檠髿じ_是板塊會(huì)聚的普遍特征。在板塊會(huì)聚帶中,發(fā)生洋殼俯沖而未發(fā)生碰撞的構(gòu)造首推復(fù)理石建造。中國大陸川甘青三省交匯地區(qū),就是一個(gè)規(guī)模巨大的復(fù)理石盆地 (張國偉等,1988,2001,2004;張二朋等, 1991; 許志琴等,1992; 殷鴻福,1992; 楊逢清等,1994; 杜子圖等,1998,楊文采等,2005,2008; 馬永生等．2006)。本節(jié)討論川甘青復(fù)理石盆地的地殼屬性和形成機(jī)制。這個(gè)地區(qū)過去稱為“松潘甘孜造山帶”,但范圍還包括甘南、青海東及川西北的出露巨厚三疊紀(jì)陸緣相沉積地層的地區(qū)(見圖13),比以往所說的“松潘—甘孜構(gòu)造帶” 范圍大,稱為“川甘青復(fù)理石盆地”更加準(zhǔn)確。

圖14 川甘青復(fù)理石盆地及周邊地質(zhì)略圖Fig. 14 Geologic map of the Songpan—Garze flysch basin

圖15 川甘青復(fù)理石盆地與加拿大地盾、揚(yáng)子克拉通和青藏高原地殼波速結(jié)構(gòu)比較圖(數(shù)據(jù)源于中國地質(zhì)調(diào)查局公布的GGT剖面)Fig. 15 Crustal P-wave velocities of the Songpan—Garze flysh basin, comparing with typical Canada shield, Yangtze cratons and Qinghai—Xizang Plateau(Data from GGT setctions of China Geological Survey)

張國偉等(2001,2004)對(duì)西秦嶺—松潘大陸構(gòu)造屬性與邊界斷裂、結(jié)點(diǎn)位置都作出了詳細(xì)的界定。研究區(qū)呈不規(guī)則倒三角形狀,面積接近20萬平方千米, 大部分出露三疊紀(jì)沉積巖,僅中部(西秦嶺的延長部分)表現(xiàn)為古生界隆起帶,出露有從寒武紀(jì)到泥盆紀(jì)的地層(圖14),但巖漿活動(dòng)不發(fā)育。從圖14可以看出,研究區(qū)東北部(甘南)主要出露早三疊世陸緣碎屑巖,產(chǎn)狀較陡。西北部(青海東南)主要出露中三疊世碎屑巖,而南部(川西北)主要出露晚三疊世海陸交互相沉積巖,產(chǎn)狀一般較為平緩。三疊紀(jì)巖石類型主要為砂巖,泥巖(部分變質(zhì)為板巖)、泥晶灰?guī)r和凝灰?guī)r等。根據(jù)馬永生等的報(bào)導(dǎo)(2006),中石化2004年在若爾蓋地區(qū)鉆探紅參1井,所鉆層位為上三疊統(tǒng)侏倭組和雜谷腦組,總深度達(dá)6000 m以上,巖石均為灰色細(xì)砂巖與深灰色泥巖,主要反映了活動(dòng)大陸邊緣斜坡盆地相的濁流沉積。與地表觀測(cè)相同的是,隨鉆探度加大而且地層變老,巖層的傾角加大,地層逐漸變?yōu)槎竷A。

楊文采等 (2005,2008)把該區(qū)的地殼組構(gòu)與鄰近的克拉通和造山帶作一比較。研究區(qū)東南方的四川盆地是揚(yáng)子克拉通的一部分,其地殼地震P波速度用圖15中的綿陽線表示。工區(qū)西部的巴顏喀拉山P波速度用達(dá)日線表示,而川甘青復(fù)理石盆地的地殼速度結(jié)構(gòu)用龍日線表示。圖中的粗黑線為北美加拿大地盾的地震波速結(jié)構(gòu),可以作為全球地殼組構(gòu)比較統(tǒng)一的參照。由圖15可見,作為揚(yáng)子克拉通代表的綿陽線位于加拿大地盾線的上方,形態(tài)基本一致,說明揚(yáng)子地臺(tái)的屬性是克拉通性質(zhì),不同的只是成熟度不如加拿大地盾,因此各層厚度稍薄而已。代表青藏高原的達(dá)日線分層不明顯,層內(nèi)波速遞增斜率大,上、中、下地殼每一層的厚度都明顯增大,反映了印度和歐亞板塊碰撞使青藏高原地殼縮短加厚的特征。而代表川甘青復(fù)理石盆地的龍日線基本上介于綿陽線與達(dá)日線之間,既不屬于克拉通類型,也不屬于青藏高原型。

從上述比較可知,復(fù)理石盆地的地殼波速結(jié)構(gòu)是一種單獨(dú)的類型,即“復(fù)理石盆地型”。這種類型的特點(diǎn)包括：① 上地殼分兩層,上層為波速較低的沉積巖層,厚度可達(dá)7 km,波速小于6.0 km/s；下層為經(jīng)過變質(zhì)形成的結(jié)晶基底,波速6.0～6.2 km/s。② 中地殼為正常波速(6.3～6.5 km/s),但厚度較大,可達(dá)20 km以上。③ 下地殼波速從6.6 km/s隨深度上升到7.3 km/s,厚度亦增加到20 km以上。上地殼上層同時(shí)代沉積巖厚層形成和中下地殼增厚都與復(fù)理石盆地形成時(shí)洋殼的俯沖有關(guān)。在深反射地震剖面上,地殼內(nèi)由于擠壓形成的拱弧構(gòu)造十分發(fā)育(楊文采等, 2005b)。

世界上的復(fù)理石盆地都位于被洋殼俯沖推擠成陸的顯生宙洋—陸轉(zhuǎn)換區(qū)域。復(fù)理石盆地構(gòu)造演化也可分為四個(gè)階段：① 洋殼俯沖階段；② 深水濁流沉積及等深流沉積階段； ③ 陸坡受擠壓凸起并使沉積加劇階段；④ 大洋封閉地殼被推擠隆升階段,詳見圖16。

在石炭紀(jì)晚期古特提斯洋分隔了華北、揚(yáng)子和塔里木這三個(gè)克拉通。在三疊紀(jì)古特提斯洋的閉合形成了秦嶺—大別造山帶以及中國大陸的主體。不過,在羌塘陸塊與揚(yáng)子克拉通之間有一個(gè)缺口,在這個(gè)缺口處不存在從南向北的沖撞,因此這里沒有發(fā)生碰撞,形成的就是川甘青復(fù)理石盆地。川甘青復(fù)理石盆地的構(gòu)造演化過程可以用圖16的卡通來描述。在華北克拉通南緣下方,古特提斯洋殼在二疊紀(jì)開始向北俯沖(圖16a)；在這一階段由大陸輸送來大量巖石碎屑,遍布在大陸架、大陸坡和大陸麓,形成了早三疊世的厚層碎屑巖。到中三疊世,由于大別—秦嶺造山帶的碰撞開始了,洋殼向北俯沖的速度大為減緩,開始了大陸坡的沖刷侵蝕,進(jìn)入深水濁流沉積及等深流沉積階段。在深水區(qū)的大陸坡屬于多種力量作用下的欠穩(wěn)定系統(tǒng)。由于陸坡的坡度常大于3°～ 5°,而且坡積物尚未固結(jié)成巖,因此在重力、海流和地震作用下頻繁發(fā)生垮塌與滑塌,引發(fā)海水中懸浮物含量加大及湍流發(fā)育(圖16b),這就是所謂的“深水濁流”。根據(jù)固相物體的尺度大小,深水濁流又可分為泥石流、碎屑流、懸浮夥粒流及細(xì)濁流等,經(jīng)搬運(yùn)沉積后形成的巖石統(tǒng)稱深水濁流沉積巖,實(shí)際上是一組沉積巖組成的巖套, 如海底扇沉積巖套,海溝相沉積巖套等。

圖16 松潘—甘孜復(fù)理石盆地的構(gòu)造演化過程示意圖(楊文采等,2008):(a)洋殼俯沖,相當(dāng)于原先的地槽發(fā)育階段；(b) 深水濁流沉積及等深流沉積階段; (c) 陸坡凸起,復(fù)理石盆地發(fā)展高潮階段; (d) 大洋封閉地殼縮短推擠成高原Fig. 16 Tectonic reconstruction map of Songpan—Garze flysh basin： (a) subduction of paleo-Tethyan ocean plate; (b) deep sea sedimentation; (c) uplifting of the continental slope; (d) closing the seas and uplift on the surface caused by compression between Eurasia and Qiangtang plates

進(jìn)入晚三疊世(圖16c),大陸坡因長期受擠壓而發(fā)生拱曲隆起,形成了位于白龍江以北的西秦嶺余脈的隆升及早古生代地層的出露,同時(shí)也加劇了大陸坡的侵蝕和深水沉積的速度,復(fù)理石盆地的發(fā)展進(jìn)入高潮。陸坡凸起沉積加劇階段經(jīng)常發(fā)生頻繁海底火山噴發(fā),形成多層凝灰質(zhì)砂巖等特別的海底火山噴發(fā)沉積巖套。此后,沿大別—秦嶺造山帶的碰撞作用已進(jìn)入晚期,古特提斯洋從東向西逐漸封閉。在侏羅紀(jì),隨著新特提斯洋的擴(kuò)張和印度次大陸的向北推移,羌塘—昌都地體并入歐亞大陸(圖16d),來自南方的擠壓使盆地地殼增厚和褶皺變形,把川甘青復(fù)理石盆地推擠成高原,并逐漸變成今天看到的面貌。

5 大陸碰撞帶的類型

由這兩篇評(píng)述可見,大陸碰撞作用可以造山(碰撞造山帶)也可造盆(復(fù)理石盆地),大陸碰撞的不同地段碰撞有強(qiáng)有弱,大陸碰撞帶的作用產(chǎn)物便有不同的類型 (楊文采, 2005c, 2009,2014; Yang Wencai, 2003,2009,2014)。

大陸碰撞把克拉通陸塊結(jié)合起來,結(jié)合部可形成世界級(jí)的碰撞造山帶,碰撞造山帶就是現(xiàn)今追蹤大洋封閉的“指紋”。阿爾卑斯—喜馬拉雅造山帶在碰撞時(shí)大陸緣發(fā)育有廣泛的洋陸轉(zhuǎn)換帶,這種碰撞稱為裙邊碰撞 (skirt-plate collision),由于洋陸轉(zhuǎn)換帶巖石圈剛性不強(qiáng),在物理學(xué)上屬于非彈性碰撞或粘滯性碰撞,大洋消減與碰撞造山過程屬于周期較長的巖石圈演化過程,其周期可達(dá)幾億年。在上篇中已提到過由大洋板塊俯沖作用形成的顯生宙俯沖增生巖片(subduction—accretion wedge),上面又分析了由碰撞增生雜巖(accretion—collision complexes)所組成的碰撞增生楔。因此,典型的裙邊碰撞造山帶包含位于沖撞大陸邊緣的碰撞增生楔、以蛇綠巖套為標(biāo)志的縫合線、和位于被撞大陸邊緣的俯沖增生楔。

裙邊不發(fā)育的大陸碰撞稱為裸碰撞(nude-plate collision),以大別蘇魯造山帶為代表,物理學(xué)上屬于彈性碰撞。裙邊碰撞和裸碰撞在大陸拚合時(shí)都有強(qiáng)烈的碰撞發(fā)生,而只有輕微碰撞的大陸拼合稱為地體拼合作用,地體拼合作用的產(chǎn)物稱為大陸增生拼合帶(accretion collage)。由于古海岸線是曲折的,在碰撞造山帶中,陸塊的突出部發(fā)生強(qiáng)烈的碰撞和地殼縮短,形成所謂的“山結(jié)”；而在陸塊的凹洼部不發(fā)生碰撞,形成復(fù)理石盆地,碰撞帶內(nèi)復(fù)理石盆地與洋陸轉(zhuǎn)換帶增生楔會(huì)聚隆升相關(guān)聯(lián)。實(shí)際上,碰撞帶可以根據(jù)相關(guān)地質(zhì)作用的不同分類,見表1。

表1 碰撞帶類型與作用產(chǎn)物一覽表Table 1 Types of continental collision processes and corresponding tectonic

表1把大陸巖石圈碰撞作用分為以下五類,即裙邊碰撞,裸碰撞、弱碰撞、無碰撞和碰撞走滑。屬于彈性碰撞的裸碰撞在力學(xué)的規(guī)律稱為動(dòng)量定理。從物理學(xué)的角度定量地看碰撞的基本規(guī)律是有意義的,因?yàn)槎康囊?guī)律才是準(zhǔn)確的。板塊碰撞時(shí)起決定作用的是慣性力,陸―陸碰撞時(shí)沖量很大。 巨大的沖量由諸多地質(zhì)作用化解：如巖塊的變形、斷裂、走滑、摩擦、動(dòng)力變質(zhì)和熔融等。

“碰撞”在物理學(xué)上指的是物體間作用力很大而作用時(shí)間很短的一種物體接觸過程。度量碰撞作用力大小的量叫沖力F,平均沖力的大小定義為:

其中t0為碰撞開始時(shí)間,t1為碰撞結(jié)束時(shí)間。沖力隨時(shí)間的積累量稱為沖量:

I=Fav(t1-t0)

(1)

碰撞是兩個(gè)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,碰撞前后物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用動(dòng)量描述。動(dòng)量定義為質(zhì)量m和速度V的乘積。動(dòng)量定理表為：在碰撞系中,碰撞物體的沖量的增加等于同一時(shí)段內(nèi)動(dòng)量的增加：

(2)

式中i為碰撞系中物體之編號(hào)。此式表明,大陸碰撞沖量與大陸板塊質(zhì)量成正比,而質(zhì)量與大陸板塊尺度成正比,因此在討論碰撞造山時(shí)要考慮尺度。這就是陸—陸與陸—島的主要區(qū)別之一。

以前有人把碰撞分為“硬碰撞”、“軟碰撞”及“碰撞逃逸”三種不同類型。硬碰撞指碰撞沖量很大的碰撞。主要發(fā)生在大陸板塊邊緣的凸出部,在碰撞時(shí)單位面積上承受的沖量十分巨大,造成強(qiáng)烈的變形,與表1中的裙邊碰撞及裸碰撞相當(dāng)。軟碰撞指沖量很小的碰撞,碰撞逃逸指小陸塊周邊為走滑斷裂包圍,大陸碰撞后由于走滑斷裂作用,小陸塊被走滑“逃逸”。陸—島碰撞常常與碰撞逃逸相關(guān)聯(lián)。把碰撞分為“硬碰撞”、“軟碰撞”及“碰撞逃逸”三種不同類型不涉及巖石圈結(jié)構(gòu),因此筆者不采用這種分類。

在表1的碰撞類型中,只有裸碰撞才能假定它近似服從彈性碰撞的規(guī)律(2)。裸碰撞過程的分期與作用參數(shù)見表2。彈性碰撞指碰撞過程中動(dòng)能守恒的一類碰撞。設(shè)物體a與b的質(zhì)量分別為ma與mb,以下角標(biāo)“1”表示裸碰撞前的時(shí)間,這是表2中的第一階段,物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用動(dòng)量描述。下角標(biāo)“2”表示裸碰撞發(fā)生的時(shí)間,屬于表2中的第二階段,作用規(guī)律用能量守恒與動(dòng)量守恒定理描述。物體A與B碰撞的動(dòng)能守恒定理表為：

(3)

動(dòng)量守恒定理表為

Ma(Va1-Va2)=Mb(Vb1-Vb2)

(4)

上兩式相除得:

Va1+Va2=Vb1+Vb2

或

Va2=-Va1+[Vb1+Vb2]

(5)

(5)式說明彈性碰撞后物體a反彈必定發(fā)生,反彈速度比碰撞前速度減小并反向。對(duì)于裸碰撞作用而言,反彈作為一個(gè)不能急視的環(huán)節(jié),雖然時(shí)間短暫,也必須當(dāng)作一個(gè)階段對(duì)待,(5)式是表2中的第三階段作用規(guī)律。

表2 裸碰撞過程分期與作用參數(shù)一覽表Table 2 Parameters involved in the nude-plate collision process

表3 碰撞類型分期特征參數(shù)一覽表Table 3 Parameters of collision processes at different stages

持續(xù)俯沖為裸碰撞作用第四階段,裸碰撞反彈之后,由于處于板塊會(huì)聚的大環(huán)境中,大陸A再次相對(duì)大陸B(tài)陸—陸俯沖。我們不能再用彈性碰撞的作用規(guī)律描述陸—陸俯沖,但可以用一個(gè)粗糙的非彈性碰撞模型來了解這個(gè)階段持續(xù)俯沖的速度。假定大陸A為質(zhì)量較小、運(yùn)動(dòng)速度較大的沖撞板塊,大陸B(tài)為質(zhì)量較大、運(yùn)動(dòng)速度較小的被撞板塊。非彈性碰撞時(shí)沖撞要考察阻滯,有動(dòng)能損失,動(dòng)量守恒定律變?yōu)?

ema(Va1-Va2)=mb(Vb2-Vb1)

(6)

其中0

|Va2-Vb2|<|Va1-Vb1|

(7)

將減小的比率定義為:

(8)

則有e=1時(shí)為彈性碰撞;e=0 時(shí)為無反彈碰撞,即碰撞后沒有反彈。如果只考察e=0的無反彈碰撞,類比后碰撞的持續(xù)俯沖,有碰撞后兩物體粘合聯(lián)為一體：

|Va2-Vb2|=0,

或：V=Va2=Vb2

上式代入(6)式,對(duì)于無反彈碰撞的持續(xù)俯沖有：

Mb(Vb1-V)=0

或V=Vb1

(9)

說明大陸a碰撞后持續(xù)俯沖速度趨近于碰撞時(shí)被撞大陸b較小的運(yùn)動(dòng)速度,(9)是表2中的第四階段作用規(guī)律。

從以上公式可知,陸—陸碰撞的沖量取決于漂移板塊的質(zhì)量和速度。面積為幾百萬km2的克拉通可能造成沖量很大的碰撞。假定印度板塊碰撞前的平均運(yùn)動(dòng)速度為12 cm/年,而碰撞后降為5 cm/a,則由牛頓第二定律可計(jì)算出碰撞時(shí)印度板塊的平均慣性力大于3.9×1012N,與板塊俯沖的拖曳力大致相同。由于碰撞時(shí)間很短而且物體間作用力很大,因此大陸碰撞可造成巖石圈劇烈形變。碰撞后板塊運(yùn)動(dòng)慣性力大部分衰竭,后碰撞持續(xù)俯沖的力源,如俯沖大洋板塊拖曳力或新生大洋擴(kuò)張推力,可能仍舊存在,使碰撞造山過程進(jìn)入陸—陸俯沖階段。現(xiàn)今還在進(jìn)行的喜馬拉雅山脈隆升顯示了碰撞造山晚期階段的陸—陸俯沖。

6 結(jié)論

(1) 當(dāng)大陸邊緣開始接觸時(shí),大地構(gòu)造體制從洋—陸轉(zhuǎn)換變?yōu)榇箨懪鲎?。由于大陸碰撞的?qiáng)度正比于碰撞陸塊的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度,因此可根據(jù)碰撞陸塊的尺度將大陸碰撞分為陸—陸碰撞、陸—島碰撞和島—島碰撞三種不同級(jí)別。三種作用的擠壓期長短、作用規(guī)模和作用后果大不相同,地殼拆離、變形和變質(zhì)程度及方式都有差別。

(2) 大陸碰撞的強(qiáng)度也與碰撞陸塊邊緣的形狀有關(guān)。在陸塊邊緣的凸出部碰撞最為劇烈,形成巖石圈劇烈變形的碰撞造山帶。在小陸塊兩側(cè)或凹入部碰撞不易發(fā)生,形成沉積巨厚的復(fù)理石建造。如果多個(gè)陸塊在會(huì)聚時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度不大,碰撞不大劇烈,這種碰撞稱為地體拼合。

(3) 地體拼合屬于巖石圈擠壓力較小而作用期較長的造陸作用,以蒙古—鄂霍次克帶為代表,洋陸轉(zhuǎn)換帶巖石圈大部分成為增生的大陸。地體拼合過程分以下四個(gè)階段：① 雙向俯沖形成島??；② 洋—島俯沖擴(kuò)展洋陸轉(zhuǎn)換帶；③ 幔源巖漿底侵,洋陸轉(zhuǎn)換帶巖石圈向大陸巖石圈演化；④ 地體拼合造陸,大陸增生。

(4) 大陸碰撞發(fā)生時(shí)不發(fā)生碰撞的部位板塊會(huì)聚產(chǎn)物具復(fù)理石建造特征。復(fù)理石盆地是被洋殼俯沖推擠成陸的顯生宙洋陸轉(zhuǎn)換區(qū),以巨厚深水濁流沉積及等深流沉積為特征。

(5) 大陸巖石圈碰撞作用分為以下五類：裙邊碰撞,裸碰撞、弱碰撞、無碰撞和碰撞走滑,碰撞的特征參數(shù)各不相同,其中只有裸碰撞在力學(xué)上屬于彈性碰撞。