高等构造地质学(第4卷知识综合与运用)

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第1章 山脉与造山带
　　自地质学发端以来，山脉就是人们关注的焦点，特别是20世纪之前，地质学只研究陆地上的山川和岩石。地槽理论通过地槽回返来解释山脉的形成，又称造山作用（orogeny）。板块构造理论将板块边界划分为三种类型，在不同的板块边界，乃至板块内部均形成了高耸的山脉。那么，何为山脉？何为造山带？常常被混用，似乎是一种含混不清的概念。本章通过对山脉和造山带的研究历史和特征的剖析，来澄清山脉与造山带两个概念的含义与区别。
　　1.1 研究历史
　　山脉（mountain chain）是地球表面上常见而引人注目的地貌特征。然而，在人类早期文明社会中，人们在山与水两者之间，更偏重于对水，对江、河、湖、海的观察与研究，因为水与人类的衣食住行的关系更为密切。唯一的例外是人们对火山的关注。火山的拉丁名称来自罗马神话中冶铁之神伍尔坎（Vulcan）。古希腊学者毕达哥拉斯（Pythagoras，580B.C.～500B.C.）述及火山是燃烧的山，由于燃烧的洞穴由此及彼地转换，火山位置不断迁移。亚里士多德（Aristotle，384B.C.～322B.C.）则把火山和地震都看作是地下风造成的。奥古斯都（Gaius Octavius Augustus，古罗马帝国开国皇帝）时期（63B.C.～23B.C.）的希腊地理学家斯特拉博（Strabo，63B.C.～21A.C.）写出了17卷巨著《地理学》。他认为山脉的隆起有两类：一类是与地震有关的突然隆起；另一类是范围更大的缓慢隆起。最早对山脉做出广泛陈述的古籍是我国的《山海经》。据历史学家、历史地理学家谭其骧考证，山经部分成书时代是战国时期（403B.C.～221B.C.）。其中《五藏山经》部分，不仅描述了一些山脉的高程、形态，还描述了由这些山脉发源的河流，山脉中生长的植物、动物以及山脉中的矿产等。如在《山海经 西山经》中对太华山的描述：“又西六十里曰太华之山。削成而四方，其高五千仞，其广十里，鸟兽莫居。有蛇焉，名曰肥。”“又西八十里曰符禺之山。其阳多铜，其阴多铁，其上有木焉，名曰文茎。”“符禺之水出焉，而北流注于渭。其兽多葱聋，其状如羊而赤鬣。其鸟多，其状如翠而赤喙，可以御火。”可以说，《五藏山经》是世界上系统描述山脉的最早的典籍。
　　阿拉伯学者阿维森纳（Avicenna，980～1037年）在他的《论山岳的成因》一书中，发展了斯特拉博的见解。阿维森纳认为，地震使陆地上升，形成岛与山，变成山岳；风和水的侵蚀，造成深谷，使原来相连的陆地被切割成高山和深谷。
　　由上述史料可以看出，现代地质学诞生之前，对于山脉的研究只限于对其形态的描述和对其隆升成因的探索。然而，由于对山脉内部构造缺乏了解，这些成因论断的依据不足，不具有普遍的解释意义，构不成“范式”（参阅**卷第1章）。因此，一些学者把山岳研究的早期阶段称为“形貌学研究阶段”。
　　古生物地层学研究是现代地质学形成的基础，而产业革命引起工业快速发展转而对矿业的促进，则是对地质学诞生的召唤。矿山多见于山区，连续的地层也只有在露头良好的山区才能见到。于是，地质学的先驱们奔向山脉，山脉的结构和山脉的形成时代等问题进入了早期地质学家思考的范围。
　　丹麦人斯坦诺（Nicolaus Steno，1638～1687年）的De Solido intro SolidumNaturaliter Contento Prodromus Dissertations（《受固体自然过程控制的固体》）是**本系统描述造山理论的书，也是现代地质学的开端（Miyashiro et al.，1982）。水成论的奠基人魏尔纳（Abraham Gottlob Werner，1750～1817年）注意到，山脉构造的核心是结晶岩石（花岗岩、片岩和片麻岩），边缘则是较年轻的沉积岩。这是对山脉构造的早期分析。火成论的支持者、实验地质学的创始人，英国物理学家霍尔（James Hall，1761～1832年）用实验证明了山脉中的褶皱构造是挤压成因的。德国著名地貌学家洪堡（Alexandervon Homboldt，1769～1859年）则认为岩浆侵入导致造山带核心的结晶岩推开了当地的沉积岩，并形成了褶皱和断裂。1842年，美国地质学家罗杰斯兄弟（H. D. Rogers，1808～1866年；W. B. Rogers，1804～1882年）绘制了阿巴拉契亚（Appalachia）的地质图。1843年，他们指出，山脉的上升隆起是构造应力引起的，而不是火山作用造成的。
　　19世纪中叶是山脉研究从形貌学转向内部构造的转型时期，进入了内部构造、大地构造和形成机制的研究阶段，也是现代造山理论发展的高峰期。欧洲阿尔卑斯（Alps）山和北美洲阿巴拉契亚山是这一时期山脉研究的核心地带，固定论的地槽回返造山说和活动论的碰撞造山说分别在这两条山脉的研究中创立。1843年，美国的丹纳（James Dana，1813～1895年）在“论大陆的起源”中指出，地球的冷却收缩引起大陆边缘的断裂与褶皱，而山脉呈北东和北西走向是沿着地壳最容易破裂的方向。1852年，法国的艾利 德 鲍蒙（Elie de Beaumont，1798～1874年）在三卷本的《论山系》中，运用冷缩说论述了山脉褶皱的成因，提出山脉隆升是缓慢的，但全球具有同时性。1853年，瑞士的施图德（Bernhard Studer，1794～1872年）和林思（Arnold Escher von der Linth，1801～1872年）完成了38万分之一的瑞士地质图，并出版了二卷本的《瑞士地质》作为地质图的说明书，**次对瑞士阿尔卑斯山的内部构造作了总括说明。1857年，美国地质学家，“地槽说”的创始人霍尔（James Hall，1811～1898年）在纽约自然科学技术协会上作主席致辞时提出，地壳中有狭长的地带，不断接受沉积物而下沉，以致堆积了巨厚的沉积。这些地带就是褶皱形成山脉的地方。
　　霍尔关于原始的狭长的巨厚沉积带的构想，得到了丹纳的支持。丹纳把这种狭长带称为地槽（geosyncline），并运用地球冷缩说解释了地槽的成因和地槽演变为山脉的机制与过程，使“地槽说”成为当时比较完善的大地构造假说。1900年法国的奥格（Emil Haug，1861～1927年）首次把地槽说引入欧洲，并把地壳单元划分为活动的地槽系和稳定的大陆区——地台（platform）。由此，地槽说在世界上流行起来。
　　在地槽说进入欧洲之前，对阿尔卑斯山的研究已经促使具有欧洲特色的山脉研究和大地构造研究理论成熟起来。1875年，奥地利的休斯（Eduard Suess，1831～1914年）发表了著名的论文“阿尔卑斯的成因”。文中首次将造山带的构造几何学、运动学和动力学区分开来。论文以观察的事实证明阿尔卑斯山系不是由于中央地块的垂直隆升造成的，而是由于比垂直作用力大得多的水平力造成的，观察证明整个阿尔卑斯山都是由南向北进行逆掩冲断运动的。文中还指出，现在复理石的位置已经不是原来沉积的地方，而是发生了巨大的位移。休斯还把这些几何学、运动学与动力学解释扩展到对侏罗山（JuraMountain）、喀尔巴阡（Carpathian）山和亚平宁（Apennines）山脉的解释。休斯的这篇划时代论文引起了构造学研究的变革，被奉为造山带研究的经典之作，标志着造山运动研究经典时期（史称Suess-Heim 时期）的开始。休斯也因此被称颂为“地质学上永不磨灭、最有创见的思想家和最伟大的综合分析家”（Miyashiro et al.，1982）。
　　休斯的文章之后，瑞士的海姆（Albert Heim，1849～1937年）于1878年发表了有关变形力学的著名著作（Untersuchugen über den Mechanismus der Gebirgsbildung imAnschluss an die geologiesche Monographie der T di-Windg llen-Gruppe），提出水平缩短是造山的主因。通过对格拉鲁斯双重褶皱的研究，海姆还提出了岩石变形是固态流动的见解，并提出了诸如褶皱（fold）、剪切（shear）、节理（cleavage）、应变（strain）和化石（fossil）等许多地质术语。1884年，法国人伯特朗（Marcel Bertrand，1847～1907年）发表了关于格拉鲁斯和阿尔卑斯北部盆地构造的论文（Rapports de structure des Alpes de Glaris et dubasin huiller du Nord），提出了推覆构造概念，并指出格拉鲁斯不是双重褶皱，而是向北运动的巨大推覆体（图1.1）。1919年，中国地质学家翁文灏博士于《地质汇报》第1号发表了“大青山南部逆掩断层”一文，紧跟国际研究前沿。推覆体的概念是解开造山带几何图像的钥匙，也是运动学分析的基础。
　　1883年，休斯发表了《地球的面貌》。这部巨著是世纪之交对全球地质研究的概括，提出了造山幕的概念；同时，该书以恢宏的气度阐述了世界各大洲的造山带，提出环太平洋型和特提斯型两大类造山带的特点，成为迄今关于划分两大类造山带的经典。
　　在19世纪，尽管已经出现了起源于美洲和欧洲的两个大地构造学派，但他们之间并没有剧烈的论战。进入20世纪，奥格（1900）把美洲构造学派的地槽说引入欧洲后不久，1912年，魏格纳（Alfred Wegener，1880～1930年）发表了“大陆的成因”（Die Entstehung der Kontinente，1912年）和“大陆与海洋的成因”（Die Entstehun derKontinente und Ozeane，1915年），矛盾变得激化起来。欧洲地质学会甚至做出决议：不准许在课堂上讲授魏格纳的大陆漂移说。然而，追求真理的科学家，必然追求学术的自由和思想的自由。瑞士大地构造学家阿尔冈（Emile Argand，1879～1940年）不仅坚持在课堂上为学生们讲解大陆漂移的新概念，而且在1922年的第13届国际地质大会上发表了“亚洲的大地构造”的著名演讲，阐述了活动论大地构造的主要理论。在提交的大会论文（La tectonique de 1’Asie，Bruxelles，Publ. Cong. Int. de Geol.，13e session，1922年）中，他绘制了冈瓦纳大陆（Gondwana）的复原拼合图，并推断了亚洲大陆的拼合与离散历史；他论证了印度与亚洲大陆碰撞和喜马拉雅造山带的形成，并绘制了印度向欧亚大陆之下俯冲的剖面图。在此论文中，阿尔冈还编绘了2500万分之一的亚洲大地构造图，表示出造山带和基底的构造特征。1927年，南非地质学家杜图瓦（Alexander du Toit，1878～1948年）发表了“南美洲与非洲的地质对比”一文，用古生物、地层、沉积和岩石学多种证据论证了南美与非洲由于大西洋张开而裂离。1937年杜图瓦出版了他的著作《我们的游弋的大陆》，以大量的地质、古生物和古气候证据论证了大陆的漂移。以魏格纳和阿尔冈为代表的活动论，是休斯思想在逻辑上的延续，以均变论和“将今论古原则”阐述地球构造过程，史称Wegener-Argang学派。
　　图1.1 瑞士格拉鲁斯阿尔卑斯和法国北部煤盆地构造剖面图（据Bertrand，1884；转引自李继亮手稿资料）
　　奥格（1900）把美洲构造学派的地槽说引入欧洲之后，在欧洲兴起了新的地槽学派，即收缩论或固定论，其代表人物是德国的史蒂勒（Wilhelm Hans Stille，1876～1966年）和奥地利的考伯尔（Leopold Kober，1883～1970年），史称Kober-Stille 学派，与美洲构造学派的Dana-Le Conte 派一脉相承。考伯尔关注大地构造的空间特点，他把地球表面分为克拉通区和造山区。造山区通过造山作用演化为克拉通区。他又把克拉