中國變質大地構造研究及科學意義

郝國杰 ，王惠初，牛廣華，康健麗，郝爽

（1.中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，廊坊河北065000；2.國家現代地質勘查工程技術研究中心，廊坊河北065000；3.中國地質調查局天津地質調查中心，天津300170）

中國大陸主體自太古宙以來經歷了多個階段洋-陸轉換、陸殼增生和大陸碰撞聚集的不可逆演化歷程，形成了以陸塊區(qū)、大洋俯沖消減對接帶和造山系鑲嵌組成的復式大陸[1-3]，受到眾多地質學家的密切關注。多年以來，許多前寒武紀研究學者試圖探索和嘗試變質地質學研究解決中國變質巖及構造單元劃分等關鍵地質難題，探索板塊構造的啟動時間，研究變質巖建造構造及大地構造相與成礦作用的關系，尋找變質巖大地構造相鑒別方法和單元劃分標志。然而，這些工作明顯不同于傳統(tǒng)變質地質學開展的綜合性研究，而是更注重巖石大地構造學領域的新探索[4-5]，需要多學科和多方法的融合，創(chuàng)新研究方法和編圖思路開展系列研究工作。

1 研究概況

2006—2013年，在國土資源部和財務部的領導下，在省級國土資源主管部門支持和配合下，中國地質調查局組織直屬單位、省級及行業(yè)地質勘查單位165家3 700余人，全面開展了“全國礦產資源潛力評價”項目。該項工作是國土資源部在礦產資源領域部署的重要的國情調查，旨在通過系統(tǒng)總結地質調查和工作成果，全面掌握礦產資源現狀，科學評價未查明礦產資源潛力，滿足礦產資源規(guī)劃、管理、保護和合理利用的需要。然而，這項工作需要重新對全國成礦地質條件進行新一輪梳理和評價，需要創(chuàng)新基礎地質理論和編圖技術，因此，專門設立了“全國重要礦產成礦地質背景研究”項目，下設“全國變質巖區(qū)成礦地質背景研究”和“變質巖大地構造重大關鍵地質問題研究”課題，其目的是查明不同地區(qū)不同時代變質巖建造和構造特征，綜合研究其所屬大地構造相，分析區(qū)域成礦作用的大地構造環(huán)境與演化過程，解決中國變質巖大地構造劃分等重大關鍵地質問題，為成礦規(guī)律與礦產預測提供成礦地質構造環(huán)境與構造演化階段背景資料。

這項工作大致包括六個階段。一是構建新的工作思路，以板塊構造和大陸動力學理論為指導，以大地構造相研究方法分析成礦地質背景，以成礦地質構造要素為核心內容，以編制各類專題圖件為主要途徑開展成礦地質背景研究。二是編制成礦地質背景研究技術要求，包括了沉積、火山、侵入、變質、大型變形構造五大要素和大地構造相綜合研究等內容。三是開展全國性系統(tǒng)培訓，項目綜合匯總組專家對全國800余名技術人員就項目技術路線、工作部署、研究內容和研究方法進行了全面培訓。四是省級研究與編圖，通過分析和總結區(qū)域成礦地質背景與成礦地質作用特征，分幅編制各省1/25萬建造構造圖和預測區(qū)地質構造專題底圖，綜合形成了省級1/50萬大地構造（相）圖和成果報告。五是大區(qū)歸納匯總，在省級成礦地質背景研究、編圖和建庫基礎上，分析和總結區(qū)域成礦地質構造與成礦地質作用特征，編制大區(qū)成礦地質背景研究成果。六是全國綜合研究與成果編制，在變質巖石構造組合研究的基礎上，根據它們在不同時代和不同板塊構造環(huán)境中形成的地質背景，分析并確定其大地構造亞相、相、大相和相系，充分反映近20年來最新地質調查和專題研究成果，提出變質巖大地構造劃分方案，首次編制完成并出版了《中國變質巖大地構造圖（1/250萬）》及說明書，形成了綜合研究報告及數據庫。

2 研究思路

2.1 變質巖大地構造研究與分析方法

中國變質巖大地構造研究是以板塊構造和大陸動力學理念為指導，通過變質巖石學、變質建造、巖石構造組合研究和分析，結合地球物理和地球化學特征，綜合分析和確定大地構造相，探索它們形成時與板塊構造有關的大地構造背景，同時研究了主要變質地質構造單元的同位素年代學、重大地質事件、陸塊區(qū)和造山系的演化特點，進一步研究板塊離散、匯聚、碰撞、造山等過程的地質作用特征及演化過程。該項研究突出和強調了從全球洋陸格局和相互轉化視角恢復研究中國大陸在全球演化過程中的特殊地位，提出了現今中國大陸形成復雜鑲嵌與疊合結構特征的成因；突出和強調了多學科綜合研究劃分變質大地構造單元的核心理念，核心內容是應用大地構造相方法理論分析各級構造單元的地質構造環(huán)境和成礦地質背景[6]。

2.2 變質巖構造組合類型劃分

巖石構造組合是同一構造環(huán)境下形成的具有成因聯(lián)系的巖石集合體。變質巖構造組合具有相似變質作用和相同原巖形成構造環(huán)境的雙重屬性。地球早期具有特征的變質巖構造組合，如科馬提巖組合和TTG片麻巖組合。Windley（1981）曾根據巖石變質程度將太古宙巖石分為綠巖帶和高級片麻巖地體等兩種組合，并統(tǒng)稱為花崗巖-綠巖帶。Rollingson（2007）在此基礎上，增加了太古宙晚期的沉積盆地。實際上，英云閃長巖-奧長花崗巖-花崗閃長巖（TTG）是太古宙最主要的巖石構造組合之一，其分布面積可高達70%～80%，是太古宙最主要侵入巖[7-9]。

根據近年來的研究成果，針對中國陸塊區(qū)前寒武紀變質基底和造山系中變質巖構造巖石組合與大地構造相的關系，2015年時課題組共劃分出6大類38種變質巖巖石構造組合類型，近幾年根據研究和編圖工作深入，經修改、補充和完善，形成了6大類56種。6個大類包括：（1）陸核變質巖巖石構造組合，如麻粒巖-紫蘇斜長變粒巖-磁鐵石英巖、紫蘇花崗巖-紫蘇花崗片麻巖；（2）古弧盆系變質巖巖石構造組合，如斜長角閃巖-變粒巖-磁鐵石英巖組合、英云閃長質-奧長花崗質-花崗閃長質片麻巖（TTG）；（3）（古）裂谷變質巖巖石構造組合，如變質礫巖-變質砂巖-大理巖夾火山巖組合、變粒巖-淺粒巖-鎂質大理巖組合；（4）結合帶變質巖巖石構造組合，常出現蛇綠混雜巖、俯沖增生雜巖等組合；（5）高壓-超高壓變質帶變質巖巖石構造組合，如藍閃片巖組合、花崗片麻巖-榴輝巖組合；（6）被動陸緣變質巖巖石構造組合，如變質陸源碎屑巖-碳酸鹽巖組合和部分孔茲巖系[10]。

2.3 變質巖大地構造相單元研究與鑒別

中國三大陸塊，早期均經歷了前新太古代陸核形成→新太古代-元古宙的洋陸轉換、增生、碰撞聚集形成穩(wěn)定陸塊（即基底形成階段），中期在中-新元古代發(fā)生了碰撞后的裂谷事件（華北長城紀早期裂谷發(fā)展階段，揚子、塔里木南華紀裂谷發(fā)展階段），后期經碎屑巖“填平補齊”進入陸架碳酸鹽巖臺地穩(wěn)定的蓋層形成階段，為陸塊區(qū)地殼三大階段發(fā)展演化的基本規(guī)律。而絕大部分造山帶均為洋陸轉換中的弧盆系及其被卷入的基底殘塊（地塊）組成[11-16]。通過變質巖大地構造相研究、鑒別和厘定，可以揭示中國陸塊和造山帶結構組成及其演變和發(fā)展規(guī)律。

在全國大地構造單元劃分總體框架下，變質巖大地構造單元研究分五級開展，分別為巖石構造組合、亞相、相、大相和相系。

大地構造編圖的基本表達單位為巖石構造組合，在研究和劃分巖石構造組合的基礎上，進一步開展第四級大地構造亞相的研究、歸并和劃分，從而分析、對比、校驗相單元建立的合理性[17]，為變質巖大地構造相劃分提供依據。第四級大地構造亞相主要包括前新太古代陸核亞相、新太古代及古元古代古弧盆系四類亞相、古元古代及中-新元古代裂谷亞相等類型，是在第三級大地構造相中依據不同時代或不同構造位置劃分出第四級構造環(huán)境。陸塊大相劃分與鑒別標志見表1[1]。

前新太古代陸核為變質基底雜巖相，可分為由不同時代地質體組成的陸核亞相，如古太古代陳臺溝陸核亞相由始-中太古代白家墳、東山花崗片麻巖和陳臺溝表殼巖等組成，中太古代棲霞陸核亞相。

新太古代及元古宙的古弧盆系相可進一步劃分為古巖漿弧亞相、古島弧亞相、古弧后盆地亞相和古弧間盆地亞相，如根據古弧盆系性質及出露位置確定的遵化古巖漿弧、五臺古島弧。

元古宙裂谷亞相可根據盆地出露位置進一步再分為不同的裂谷亞相，如渣爾泰-白云鄂博裂谷相可進一步分為渣爾泰裂谷亞相和白云鄂博裂谷亞相。

2.4 變質地質事件演化與時空結構分析

本次工作一項重要創(chuàng)新是通過變質巖時空結構圖編制來反映每一個三級變質地質構造單元的地質演化。它是按照全國變質巖大地構造單元統(tǒng)一劃分方案，對各三級變質地質構造單元分別建立變質地質事件演化序列和時空結構圖，該圖表達內容包括變質巖石構造組合、巖漿侵入事件、變質作用、變形作用與成礦作用之間的相互關系，重點表達不同變質巖石構造組合所屬的大地構造環(huán)境（亞相或相），并劃分不同構造演化階段[4]。

3 構造單元劃分

3.1 劃分原則

變質巖區(qū)不同變質作用類型在時間上和空間上的分布可形成不同級別的變質地質構造單元。它們反映了這一區(qū)內變質作用的演化歷史。通過對變質巖石構造組合、變質相、變質時代、巖石地球化學及原巖建造的分析研究，或區(qū)分出地殼演化進程中變質旋回的特點，研究并確定其形成的大地構造環(huán)境（大地構造相）。變質地質構造單元可劃分為三級，主要原則如下。

Ⅰ級變質地質構造單元為變質域，指由不同變質期和不同變質作用類型的變質巖系按照一定規(guī)律所組成的地區(qū)，如華北變質域（對應華北陸塊區(qū)）。

Ⅱ級變質地質構造單元為變質區(qū)，指同一變質域內由遭受了類似變質作用過程的不同變質相帶的變質巖系組成的地區(qū)。如華北變質域內可劃分為陰山變質區(qū)（陸塊）、晉冀變質區(qū)（陸塊）和膠-遼-吉變質區(qū)（古弧盆系）等。

Ⅲ級變質地質構造單元為變質地帶，指在同一變質區(qū)內，屬同一變質期且構造環(huán)境相關的變質巖系組成的地區(qū)，如晉冀變質區(qū)（陸塊）進一步劃分出的冀東變質地帶（古陸核）、遵化-建平變質地帶（古巖漿?。?、五臺變質地帶（古島弧）等。

3.2 劃分方案

根據上述劃分原則和最新研究成果[18-25]，結合全國大地構造分區(qū)劃分方案[26]，將中國變質地質構造單元共劃分出一級變質域9個、二級變質區(qū)58個、三級變質地帶163個（圖1，表2）。

中國變質地質構造單元主要包括華北、揚子和塔里木三個主要陸塊區(qū)和天山-興蒙、秦-祁-昆、西藏-三江、華夏、菲律賓等六大造山系組成。陸塊區(qū)以華北陸塊區(qū)出露的變質地（巖）層時代最老、面積最大，而揚子和塔里木陸塊區(qū)大面積被中-新元古界及更年輕地層所覆蓋，因此中國大陸地質早期演化歷史主要根據華北陸塊區(qū)的研究成果厘定，而且華北與揚子、塔里木陸塊區(qū)的演化特點出現明顯差異。以顯生宙為主要發(fā)展階段的造山系與陸塊區(qū)顯生宙演化歷史相比較顯得更為復雜，各主要造山系洋盆的形成至封閉的過程，不僅造就了與陸塊區(qū)截然不同的地質產物，而且“焊接”了3個陸塊區(qū)，最終形成中國大陸現今的地質構造輪廓[27-28]。

4 編圖技術與方法

本次編圖充分借鑒了董申保院士1986年主編完成的中國第一代《中國變質地質圖（1/400萬）及其說明書》和《中國變質作用及其與地殼演化的關系》等系列成果[29]，也與中國第二代變質地質圖編制專家進行了許多有益的探討。更多是依據全國礦產資源潛力評價工作對變質巖成礦地質背景的需求，與沉積巖、火山巖、侵入巖、大型變形構造項目組共同研究和討論，形成了一套全新的思路和方法。

4.1 編圖思路

以板塊構造、大陸動力學和變質地質學理論為指導，以省級1/25萬實際材料圖、建造構造圖和1/50萬變質巖大地構造圖為基礎，通過對變質巖建造構造和巖石構造組合的綜合分析，總結不同時代、不同地質構造單元變質巖石組合形成的變質條件、形成時代、變質時代和大地構造環(huán)境（大地構造相或亞相），在圖面上著重表達為露頭尺度的大地構造相，反映不同變質地質構造單元內不同時代所處的大地構造環(huán)境和變質地質事件演化歷史，最終編制形成中國變質巖大地構造圖。

編圖力求反映我國前寒武紀不同地史階段中的重要地質事件，充分應用了近年超大陸研究成果，探索并根據編圖實踐提出了板塊構造啟動于新太古代認識，將中國變質巖區(qū)的動力學演化劃為前新太古代“陸核”、新太古代以來原板塊和新元古代以來現代板塊機制三大階段。

4.2 編圖原則

本次編圖堅持自主創(chuàng)新，既要符合全國礦產資源潛力評價的總體思路和我國現階段的工作實際，又要有利于進行國際對比和交流。主要原則有：

（1）變質地（巖）層填圖單位劃分與對比是編圖的基礎。

（2）變質巖石組合研究與劃分是變質巖大地構造底圖編制的前提。

（3）巖相學及副礦物研究是原巖恢復和構造環(huán)境判別的輔助手段。

（4）巖石地球化學資料分析是判別大地構造環(huán)境的重要依據。

（5）變質巖建造和構造是成礦地質背景研究的關鍵。

（6）巖石構造組合分析是大地構造相分析的重要手段。

（7）變質構造研究結合地球物理特征是確定變質地質構造單元邊界的主要方法。

（8）變質作用演化及變質作用時代研究是變質地質構造單元劃分的參考依據。

4.3 圖面設計

圖面設計力求主圖、輔圖、圖例及相關文字說明結構合理，配置得當，整潔美觀。

（1）主圖：主要內容包括變質巖石構造組合、大地構造環(huán)境（相或亞相）、原巖建造形成時代和變質時代、變質相（系）、特殊變質巖、大型變形構造、變質地質構造單元及代號（Ⅰ～Ⅲ級）?；揪巿D單位為變質巖巖石構造組合。

變質巖石構造組合按實際出露的范圍，用花紋表示；大地構造環(huán)境（相或亞相）用系統(tǒng)設計的顏色+代號表示，代號為英文編寫字母；原巖建造形成時代和變質時代用組合代號表示，如PtC（Pt1），括號內的時代代表形成時代為古元古代，括號前面的時代PtC代表變質時代為新元古代（元古宙劃分三個變質期，PtA代表了古元古代，PtB代表了中元古代，PtC代表了新元古代）；變質相（系）用數字表示；特殊變質巖用特殊的點單元符號表示；大型變形構造在圖面上主要為各類斷裂構造，按其性質表示；變質地質構造單元一級用大寫羅馬數字Ⅰ-Ⅻ表示，二級單元用大寫羅馬數字-數字編號表示，如Ⅰ-1代表額爾古納地塊，三級單元是在二級單元劃分的基礎上，再增加進一步細分的數字編號表示，如Ⅳ-1-10表示寬坪變質地帶[4]。

（2）輔圖：主要內容包括變質巖大地構造相時空結構圖、變質巖大地構造略圖和圖例等。

變質巖大地構造相時空結構圖是按照變質地質構造單元劃分方案，每一個一級單元分別建立一個時空結構圖，橫向上以三級變質地質構造單元為基本單位，縱向上按前中太古代、中太古代、新太古代、古元古代、中元古代、新元古代等構造演化階段劃分，根據出露的變質地（巖）層、變質深成侵入巖、變質相（系），所含礦種分別給出其所屬的大地構造相（或亞相）。

變質巖大地構造分區(qū)略圖按一級變質地質構造單元分別賦予一種顏色，分別表示了一至三級單元的邊界和編號，基本單元為三級變質地質構造單元。

5 主要認識與科學意義

運用板塊構造理念對全國范圍內變質巖的大地構造環(huán)境研究與劃分，對我們來說是一次探索性的嘗試，是全國礦產資源潛力評價成礦地質背景研究項目組、各大區(qū)和各?。ㄊ?、區(qū)）項目組專家共同努力的結果，對中國變質巖大地構造及成礦作用研究具有重要意義。

（1）首次創(chuàng)新編制出版了《中國變質巖大地構造圖》

總結了不同時代、不同地質構造單元變質巖石構造組合的形成時代、變質條件、變質時代和大地構造環(huán)境（大地構造相），著重反映了變質地質構造單元內不同時代所處的大地構造環(huán)境（相）和變質地質事件演化歷史，詳細劃分了Ⅰ級變質域、Ⅱ級變質區(qū)和Ⅲ級變質地帶，為編制全國大地構造圖和礦產資源潛力評價提供了變質地質資料和依據。

（2）探索建立了變質巖大地構造相鑒別和單元劃分標志

針對中國陸塊區(qū)前寒武紀基底和造山系中變質巖構造巖石組合與大地構造相的關系，共劃分出6大類56種變質巖巖石構造組合類型。變質巖大地構造相分五級開展研究，分別為巖石構造組合、亞相、相、大相和相系，并按陸塊大相、弧盆系大相和結合帶大相建立了大地構造相鑒別標志。在此基礎上，提出了以變質基底、新太古代-古元古代地質記錄、巖漿弧性質的巖石構造組合（如島弧火山巖、TTG及花崗巖-二長花崗巖-正長花崗巖等）、變質變形、關鍵地質事件、沉積蓋層及區(qū)域地球物理場特征為主的8項劃分標志。

（3）探討了早期板塊構造的啟動時間和運動機制

應用“原板塊機制”和“現代板塊機制”表述了地質歷史過程動力學機制之間的差異。通過分析和研究國際地學界對板塊啟動時間研究的動向和趨勢，結合中國已有的研究成果，傾向于新太古代出現了以水平運動為主導的板塊運動。其特點表現為板塊規(guī)模小、巖石圈厚度薄，通過小洋板塊不斷俯沖擴大規(guī)模，導致弧火山巖和TTG巖石組合成為古陸殼的主體。突出表現在巖石學記錄上，科馬提巖、條帶狀磁鐵石英巖（BIF）、蛇綠巖套、高壓麻粒巖（榴輝巖）等與現代板塊機制的地質記錄存在明顯差異[27-28]。

（4）綜合研究了特殊變質巖類及其構造意義

通過編圖和研究，表達了華北陸塊區(qū)孔茲巖帶、高壓麻粒巖帶和超高溫變質帶的新成果，匯總了陸塊區(qū)和造山系巖石構造組合、變質作用特征的差異，指出陸塊區(qū)特殊變質巖類的重要性及造山系中大量出現的超高壓榴輝巖和藍片巖帶的特殊“指示大地構造相”的重要地質意義[21]。

（5）探討了中國前寒武紀大陸形成的階段性和主要軌跡

探索了華北、揚子和塔里木陸塊區(qū)變質基底的大地構造相、分區(qū)和主要地質特征，總結了它們之間的異同。在此基礎上，探討了中國前寒武紀大陸形成的階段性和主要軌跡。指出中國三大陸塊區(qū)是通過新太古代洋殼不斷俯沖形成微型陸殼，并逐步生長為小型陸塊，之后又經過陸塊焊接（俯沖-碰撞）形成陸塊區(qū)。古元古代末期華北陸塊區(qū)形成了統(tǒng)一的大陸；中元古代是大陸伸展期，在華北陸塊內部和南北緣形成大規(guī)模的裂谷，但未出現與羅迪尼亞超大陸匯聚和裂解有關的強烈的-構造活動，揚子陸塊只有一些小規(guī)模的盆地；新元古代早期為活動大陸邊緣，青白口紀晚期又發(fā)生了陸內裂解，主要發(fā)生在揚子陸塊區(qū)和塔里木陸塊，在0.82 Ga弧陸碰撞形成統(tǒng)一的陸塊區(qū)。三大陸塊區(qū)的最終形成時間是非等時的，華北陸塊形成于約1.8 Ga前，而塔里木陸塊和揚子陸塊形成于約0.82 Ga，比華北晚近1.0 Ga[11]。

（6）為多種概念和方法相互融合開展綜合研究提供了范例

全國礦產資源潛力評價成礦地質背景和變質巖大地構造研究，是以沉積巖、火山巖、侵入巖、變質巖及大型構造變形五大要求為基礎，多學科綜合分析和研究判別一個構造區(qū)的大地構造相，進而探索不同地史演化階段巖石圈構造體制的轉換、增生、碰撞聚集演化歷程，匯聚并融合了各學科的研究成就的逐步實踐過程。而變質巖大地構造研究，既要依據古老沉積地層資料，也滲透了火山巖和侵入巖巖石構造組合與形成環(huán)境理念，同時還融合了大地構造、區(qū)域地球物理與成礦作用各類要素，最終完成了中國變質巖大地構造創(chuàng)新性成果。同時，形成了一支全國性的成礦地質背景研究大軍，這種工作方法和模式為今后開展全國性多學科綜合研究提供了范例。

致謝：本文承蒙恩師陸松年研究員的悉心指導，并以此文祝賀陸松年先生80華誕，感謝他多年的教誨和幫助。陸松年先生以開闊的研究思路、嚴謹的工作作風和勇于追求的科學精神，不斷組織和引領我們探索前寒武紀地球奧秘，取得了上述變質巖大地構造研究成果。同時，還要感謝全國礦產資源潛力評價成礦地質背景研究全國項目組及各省（市、區(qū)）項目組的各位專家。