何登發(fā)

中國地質(zhì)大學 （北京）能源學院，北京100083

1 地球系統(tǒng)科學中的構(gòu)造古地理

地球科學的 “主旋律”每隔20～30年發(fā)生1次大變革。20世紀60年代開始的 “主旋律”——板塊構(gòu)造理論，研究地球固體圈層的運動規(guī)律，是20世紀自然科學的重大突破；導(dǎo)致了地球科學（當然包括構(gòu)造古地理學）、礦產(chǎn)資源、能源、災(zāi)害預(yù)測與防治等研究領(lǐng)域取得重大突破，極大地推動了人類文明的進步。20世紀80年代中后期開始的 “主旋律”——全球 （環(huán)境）變化，研究地表流體圈層運動規(guī)律，試圖解決日益突出的環(huán)境問題，使地球科學進入表層地球系統(tǒng)科學時代，取得了一批重要的科學認識，但尚未出現(xiàn)可與板塊理論媲美的科學飛躍。目前，地球科學正在響起的第3個 “主旋律”——圈層動力過程整合，應(yīng)是地學下一個重大理論的突破口 （汪品先，2009；汪品先等，2018）。

地球系統(tǒng)是一個由地球固體—流體圈層相互作用、生命系統(tǒng)—人類活動干預(yù)下的巨復(fù)雜系統(tǒng)。固體圈層過程表現(xiàn)為板塊運動，板塊運動導(dǎo)致火山活動、變質(zhì)作用，釋放深部CO2，地球表面的硅酸鹽化學風化吸收CO2，二者構(gòu)成地球一級碳循環(huán)，這個以碳循環(huán)為核心的 “自調(diào)節(jié)系統(tǒng) （地球大空調(diào)）”維持著地球宜居環(huán)境，是形成大氣圈、水圈、生物圈、沉積圈、巖石圈等圈層的根本原因。面對地球 “巨復(fù)雜系統(tǒng)”，研究者需要打破時空尺度、跨越固體—流體圈層，實施 “跨維過程整合”等科學理念變革，而圈層動力過程整合以關(guān)鍵新數(shù)據(jù)獲取、大數(shù)據(jù)支撐的 “數(shù)據(jù)—模式驅(qū)使科學研究體系 （Data-Model Enabled Science System）”為主要途徑 （王會軍等，2014；汪品先等，2018），標志著下一步地球科學研究范式的重大轉(zhuǎn)變。地球系統(tǒng)大數(shù)據(jù)具有海量、多源、異構(gòu)、多時相、多尺度、高度復(fù)雜、非平穩(wěn)、非結(jié)構(gòu)化等特點，為地球科學中的數(shù)據(jù)密集型研究提供了支持。這一轉(zhuǎn)變可能優(yōu)先體現(xiàn)在古地理學 （如DDE）之構(gòu)造古地理學等學科上。

巖石圈板塊在不停地漂移、碰撞、俯沖，更換其在地球上的位置、深度、性質(zhì)；而氣候系統(tǒng)在不停地變化，控制著漂移大陸的環(huán)境、資源與災(zāi)害，這樣固體地球與表層環(huán)境這2個四維 （時間+空間）運動系統(tǒng)之間通過一系列物理—化學—生物過程的相互作用，實現(xiàn)地球系統(tǒng)內(nèi)外鏈接，控制氣候—環(huán)境、資源與災(zāi)害等，也相應(yīng)控制著構(gòu)造古地理環(huán)境的演變。

2 構(gòu)造古地理研究現(xiàn)狀

構(gòu)造古地理學是研究地質(zhì)歷史時期地理單元的構(gòu)造屬性及其演變特征的科學，屬于大地構(gòu)造學、沉積學、構(gòu)造地質(zhì)學、地球物理學、地球化學與古地理學之間的交叉學科 （何登發(fā)等，2020）。地球表面的山川、流域與盆地等自然地理單元是內(nèi)、外動力長期作用的綜合結(jié)果，受巖石圈板塊水平運動與深部地幔動力學的聯(lián)合控制。因此，構(gòu)造古地理學研究是在地球系統(tǒng)科學思想指導(dǎo)下，應(yīng)用構(gòu)造發(fā)展的活動論、演化論、階段論與轉(zhuǎn)換論觀點對自然地理單元的性質(zhì)與演化規(guī)律進行表征，遵循整體、動態(tài)與綜合分析原則。厘定構(gòu)造古地理單元的邊界、屬性、組成、結(jié)構(gòu)與演變，何登發(fā)等（2020）提出了“五定”工作方法。近年來，大數(shù)據(jù)與人工智能的迅猛發(fā)展為構(gòu)造古地理學研究提供了新的學術(shù)思路，王成善院士等倡導(dǎo)的深時數(shù)字地球（DDE）大科學計劃為古地理學研究提供了新的研究范式；搭建數(shù)據(jù)化、標準化和智能化的古地理重建平臺是實現(xiàn)構(gòu)造古地理研究 “過程復(fù)原”（process restoration）的重要途徑。構(gòu)造古地理學是研究地表過程和能源、資源礦產(chǎn)分布預(yù)測的重要基礎(chǔ)。

構(gòu)造古地理學研究，需要對古地理學單元進行邊界厘定、構(gòu)造屬性判斷、成因機制分析以及演化過程重建等。目前，研究者多數(shù)從全球尺度、區(qū)域尺度和盆地或盆地內(nèi)尺度進行研究。

在全球尺度上，對板塊之間的離散、拼合、轉(zhuǎn)換等作用產(chǎn)生的古地理單元及其演化，和對地幔柱隆升、洋殼俯沖帶下降產(chǎn)生的構(gòu)造效應(yīng)與古地理單元的面貌及其變遷需要開展構(gòu)造古地理研究，這是發(fā)展板塊構(gòu)造、建立新全球構(gòu)造觀的重要基礎(chǔ)資料，需要眾多科學家的長期積累。目前基于高精度的古地磁學分析方法建立了全球板塊運動的數(shù)據(jù)庫，建立了一系列的板塊運動學模型，時間維度上已經(jīng)推進到了太古代—元古代，試圖建立太古代的板塊構(gòu)造圖像。而超大陸旋回理論的提出與完善，逐漸揭示了Nuna（Columbia），Rodinia，Gondwana和Pangaea等超大陸的聚斂與離散過程，再現(xiàn)了地球表面的巖石圈板塊的 “悲歡離合”。借助超大陸復(fù)原，也開始研究元古代以來的古氣候、古生態(tài)、大火成巖省、風化旋回等，并試圖開展5大圈層之間的耦合研究。地質(zhì)歷史時期的圈層動力過程整合研究是這一領(lǐng)域研究的焦點與熱點。全球尺度的構(gòu)造古地理學為這一研究提供了板塊構(gòu)造位置、物質(zhì)遷移、深部地質(zhì)過程響應(yīng)及其相互作用機制分析的載體。

在區(qū)域尺度上，對造山帶與沉積盆地這2個巖石圈的基本構(gòu)造單元深入研究，如對造山帶的隆升、剝蝕、擴展與沉積盆地系統(tǒng)的發(fā)育需要開展構(gòu)造古地理復(fù)原，厘定它們的構(gòu)造位置、彼此邊界、構(gòu)造過渡與轉(zhuǎn)換關(guān)系，為理解地球表層多圈層相互作用與圈層動力過程整合奠立基礎(chǔ)。目前關(guān)于前陸盆地（撓曲盆地）體系（foreland basin system）的研究，將造山帶沖斷活動、構(gòu)造—氣候聯(lián)合控制下的風化剝蝕、沉積搬運、撓曲沉降與沉積充填等過程業(yè)已有機結(jié)合起來，模擬盆地的形成演化歷史；對伸展盆地，建立了巖石圈尺度的深部構(gòu)造作用制約下的盆地發(fā)育模型，如主動裂谷、被動裂谷、寬裂谷、被動大陸邊緣、重力構(gòu)造（gravitational tectonics）等；對走滑盆地，將構(gòu)造應(yīng)力場、沉積可容空間形成與充填演化有機結(jié)合，結(jié)合盆地實例開展了大量實證研究。目前亟需在造山帶與沉積盆地的相互作用、相互轉(zhuǎn)換的時空與機制等方面開展深入研究。

在盆地或盆地內(nèi)部尺度上，對隆－坳格局、源－匯系統(tǒng)、沉降－沉積中心變化、盆地疊置等開展研究，厘定構(gòu)造－沉積分異類型、過程及其機制，恢復(fù)構(gòu)造古地理演化歷史，為資源能源勘查突破、進一步提高礦產(chǎn)勘查開發(fā)效益服務(wù)。關(guān)于盆地內(nèi)部的構(gòu)造古地理研究，從礦產(chǎn)資源利用的角度開展了大量探索，研究也最為深入，如石油、天然氣、煤、鈾、鋁土礦、鉀鹽、水資源等方面 （鄒才能等，2022）。在重建構(gòu)造古地理單元的分布與演化歷史上取得重要進展，如對隆起、裂陷、臺緣帶、斜坡帶等的復(fù)原。近年來，對克拉通盆地的構(gòu)造－沉積分異開展了大量研究，不僅發(fā)現(xiàn)了多種構(gòu)造－沉積分異類型，也揭示了多類構(gòu)造－沉積分異機制（何登發(fā)等，2022；汪澤成等，2023），如對四川、鄂爾多斯、塔里木等克拉通盆地元古代、早古生代盆地的構(gòu)造分異研究。今后以沉積盆地為對象的構(gòu)造古地理研究，將更加細化不同地質(zhì)時期的構(gòu)造單元及其演化歷史，將構(gòu)造活動、沉積充填與風化剝蝕有機結(jié)合揭示周緣板塊活動控制下的盆地沉降與隆升演變，剖析巖漿活動分布，探討周緣構(gòu)造帶對盆地形成發(fā)育的影響。

3 研究實例

本期發(fā)表了與中亞大地構(gòu)造格局、原型盆地恢復(fù)、華北地區(qū)大不整合面及其礦藏、盆地內(nèi)部構(gòu)造單元與盆地邊界相關(guān)的5篇文章。在構(gòu)造古地理領(lǐng)域進行了實證研究，期望為構(gòu)造古地理學的探索提供新的窗口。

甄宇等的 《東疆地區(qū)石炭紀—二疊紀構(gòu)造古地理與原型盆地演化》，針對中亞增生造山區(qū)的核心地段，充分結(jié)合油田鉆井與地球物理資料，開展石炭紀—二疊紀的大地構(gòu)造環(huán)境、沉積充填、深部構(gòu)造背景、地塊的構(gòu)造位置、構(gòu)造變形等綜合研究，復(fù)原石炭紀—二疊紀不同時期的構(gòu)造古地理，厘定原型盆地的構(gòu)成單元，揭示了盆地—造山帶系統(tǒng)的統(tǒng)一演化與耦合過程。

不整合面是開展構(gòu)造古地理研究的重要抓手。在華北地區(qū)，奧陶系與石炭系之間的加里東期不整合面歷時長、分布廣、成因復(fù)雜，雖經(jīng)長期分析，仍存較多爭議。熊加貝等的 《鄂爾多斯盆地南緣奧陶系頂部碳酸鹽巖風化殼特征及其成因機制》應(yīng)用測井地質(zhì)學、礦物學、地球化學等方法，對鉆井揭示的奧陶系頂部風化殼結(jié)構(gòu)層進行精細厘定，這一研究拓展了風化殼及其古地貌的研究內(nèi)容與深度，同時，隴東地區(qū)風化殼鋁土巖的天然氣大發(fā)現(xiàn)與華北地區(qū)奧陶系風化殼鋁土礦的勘探突破，充分說明了開展這類研究的科學與實用價值。毛丹鳳等的文章 《鄂爾多斯盆地懷遠運動期不整合類型及其分布特征》，應(yīng)用高精度反射地震資料，結(jié)合測井地質(zhì)學等方法，厘定了鄂爾多斯盆地區(qū)域分布的寒武系與奧陶系之間 （或馬家溝組底界）的懷遠運動，不僅為重新認識鄂爾多斯克拉通的構(gòu)造性質(zhì)提供基礎(chǔ)，也為揭示盆地內(nèi)部隆起／坳陷轉(zhuǎn)換、構(gòu)造－巖相帶發(fā)育特征與油氣聚集規(guī)律提供依據(jù)，為開展該盆地寒武系天然氣勘探指出新方向。

盆地內(nèi)部構(gòu)造單元的分布與構(gòu)造演化是揭示盆地系統(tǒng)發(fā)育、深部地質(zhì)背景與成因演變的重要窗口。殷樹錚等的文章 《準噶爾盆地西部坳陷帶二疊系構(gòu)造—地層層序與盆地演化》，應(yīng)用反射地震剖面與鉆探資料，開展斷層相關(guān)褶皺研究與不整合面定量解析，揭示了準噶爾盆地西部地區(qū)二疊系的充填過程，并厘定了構(gòu)造屬性。這為目前正在瑪湖凹陷、沙灣凹陷與盆1井西凹陷等地區(qū)如火如荼地開展的巖性油氣藏與頁巖油勘探提供了參考依據(jù)，也為探索中亞增生造山帶內(nèi)部地塊、島弧拼合之后“過渡期”的演化歷史提供了參考資料。

盆地的邊界厘定是構(gòu)造古地理研究的重要基礎(chǔ)。鄂爾多斯盆地東緣為呂梁山隆起，二者之間為晉西撓褶帶，長期以來認為其間邊界為離石大斷層。石婧等的文章 《鄂爾多斯盆地東部邊界的構(gòu)造學分析：以石樓北區(qū)域為例》，基于新的鉆井與區(qū)域地質(zhì)大剖面資料，開展構(gòu)造解析，厘定了鄂爾多斯盆地東緣的構(gòu)造屬性，指出深部構(gòu)造楔是淺層“晉西撓褶帶”的成因，這一新發(fā)現(xiàn)揭示了鄂爾多斯盆地東緣具有整體的良好保存環(huán)境，為該區(qū)煤層氣、海陸過渡相頁巖氣的勘探提供了重要參考，也為探討華北地區(qū)燕山期構(gòu)造變形的樣式與機制提供了新的思路與方法。

4 展望

構(gòu)造古地理研究目前在中國地學界已經(jīng)逐漸開展，任重而道遠。期望在以下7個方面取得進展，解決相應(yīng)的7個問題：（1）不同地質(zhì)時期的板塊、陸塊、造山帶與盆地等的分布位置，即定位問題；（2）造山帶系統(tǒng)與盆地系統(tǒng)之間的構(gòu)造邊界及其演變問題，即定界問題，包括各自的分布范圍及其變遷；（3）不同尺度的構(gòu)造古地理單元的性質(zhì)及其轉(zhuǎn)變，即定性問題；（4）周緣板塊活動與深部地幔動力聯(lián)合控制下的構(gòu)造古地理單元的成因機制問題，即定 “成因”問題；（5）圈層動力過程整合控制下的構(gòu)造古地理演變問題，即定 “演化過程”問題；（6）基于地球大數(shù)據(jù)與大模型等方面的構(gòu)造古地理重建方法學基礎(chǔ)問題，即 “研究方法”問題；（7）構(gòu)造古地理演變對資源、能源與環(huán)境的控制與地球宜居性的問題，即 “實際應(yīng)用”問題。