構造旋回與大地構造年表

任紀舜，徐芹芹，鄧　平，肖黎微

中國地質科學院地質所， 北京 100037

構造旋回與大地構造年表

任紀舜，徐芹芹，鄧平，肖黎微

中國地質科學院地質所， 北京 100037

構造旋回的劃分是大地構造研究的基礎之一。但板塊學說興起以來， 一些學者基于均變論的哲學思想， 卻試圖拋棄構造旋回的概念。然而， 隨著時間的推移， 地球系統科學的提出， 大規模、多學科地學觀測， 人們已認識到突變與災變的重要性， 認識到漸變與突變相結合的螺旋式向前發展的旋回演化論， 才是更全面、更深刻地認識地質規律的有力武器。

構造旋回； 構造年表； 超大陸旋回； 角度不整合； 造山運動

In the study of geotectonics， a number of geologists are inclined to substitute the stratigraphic timescale for the tectonic cycle. However， the Phanerozoic chronostratigraphic chart framed according to biological stratigraphy does not fully agree with tectonic cycle and tectonic-magmatic event. This is because the chronostratigraphic chart is established on the basis of the study of the earth’s exogenesis characterized by the interaction between the lithosphere， hydrosphere， atmosphere and biosphere， whereas the tectonic cycle is the historical record of earth’s endogenesis characterized by the multisphere interaction of the crust， mantle and core，as well as different layers within them. Some scholars have used tectonic （tectonic-magmatic） events represented by isotopic ages instead of tectonic cycles in studying the geotectonics. However， the “event” is just a display of a single phenomenon， and the “cycle” is the illumination of process， which reflects the internal links between“events” and the essence of the evolution. In fact， the establishing of the Wilson cycle has bestowed new scientific connotations on the connections between tectonic cycles and tectonic events， which can serve as a shining example of handling the relationship between inheritance and innovation properly. Doubting about the synchroneity of the global orogeny， some scholars consider that it is impossible and unnecessary to establish a unified global tectonic timescale. Nevertheless， the dynamic activities of the earth as a whole should be substantially simultaneous. Within a mega-region under the control of a unified geodynamic system， the tectonic movements did not take place exactly at the same time in different places， but they were roughly simultaneous. The tectonic movements of the Caledonian and Variscan cycles in North America， Europe and Asia are basically comparable with each other， which can serve as a convincing proof. It is therefore held that， in accordance with the principle of priority， the early and late Paleozoic cycles can be called the Caledonian and Variscan （Hercynian）cycles， respectively.

The emergence of the theory of the supercontinent and supercontinent cycle has not only deepened the study of tectonic cycles， but also paved the way for establishing tectonic timescale. Some proposed supercontinent cycles， such as the Paleoproterozoic Columbia， Mesoproterozoic Rodinia， Neoproterozoic Gondwana and the Phanerozoic Pangea， could be used as the first-order time unit for the tectonic timescale. Each supercontinent cycle can be further divided into several cycles， such as the Pangea with the subdivision of the Caledonian and Variscan cycles.

It is believed that， like the Phanerozoic chronostratigraphic chart， the mega-regional or even global tectonic timescale will be established in the near future with the deepening of geological， geochemical and geophysical research and the more comprehensive and systematic observation of the solid earth system.

大地構造學研究中有兩個重要的因子， 一個是地球上各類地質構造單元， 如大陸、海洋， 山脈、盆地， 裂谷帶、造山帶、克拉通等的三維空間展布，另一個是地球各類地質構造單元在時間維的發展演化。因此， 建立大地構造演化的時間標尺， 歷來是大地構造學家首先必須關注的一個問題。歷史上著名大地構造學家， 從貝特蘭（Macel Bertrand）， 阿爾岡（Emile Argand）， 斯蒂勒（Hans Stille）到黃汲清， 都十分重視構造旋回或造山旋回的研究， 并把它作為闡述大地構造演化時間維的標尺。Bertrand（1887）在研究歐洲大地構造時， 提出加里東（Caledonian），海西（Hercynian）和阿爾卑斯（Alpine）三個構造旋回（造山旋回）； Argand（1924）在研究亞洲大地構造時，認為貝特蘭關于加里東、海西（華力西）、阿爾卑斯旋回之劃分適用于全球， 并以它們為時間標尺， 系統地論述了亞洲以至全球構造； Huang（1945）把加里東、華力西旋回用于中國， 并根據東亞地質的實際情況， 將阿爾卑斯旋回分為印支（Indosinian）、燕山（Yanshanian）和喜馬拉雅（Himalayan）三個旋回（亞旋回）， 完成了中國大地構造研究的奠基之作。之后，任紀舜（1987）又從全球構造分析， 論證了印支、燕山、喜馬拉雅旋回的劃分。

Hutton（1788）建立的地質旋回或構造旋回（Hutton， 1788年稱為地轉旋回（geostrophic cycle）），是現代地質學的基本概念之一（圖1）。構造旋回或造山旋回的劃分是研究大地構造歷史演化的基礎。隨著地質科學的發展， 人們對構造（造山）旋回的理解也已日益深化。從地球動力學角度看， 構造運動可分為擠壓（造山）型、引張（裂陷）型和剪切型三種類型。造山作用（orogeny）和裂陷作用（taphrogeny）相對應， 前者使地殼縮短， 形成造山帶等擠壓型構造；后者使地殼拉伸， 形成大洋裂谷帶和大陸裂谷帶等伸展型構造。剪切作用往往是與造山作用或裂陷作用同時伴生的一種構造作用， 形成轉換斷層或走滑斷層， 在地殼遭受擠壓或拉伸過程中起調節作用，一般不造成地殼的縮短或拉伸。

圖1　Hutton的地轉旋回（geostrophic cycle）， 即地質旋回的示意圖（據Tomkeieff， 1962）Fig. 1 Representation of the “geostrophic cycle” by Hutton， which is a simple diagram of geological cycle（after Tomkeieff， 1962）

在地史發展過程中， 從空間上講， 板塊會聚地帶的擠壓、褶皺、隆起， 必然伴隨著板塊裂離帶的引張、伸展、裂陷， 反之亦然， 中、新生代大西洋半球的引張、裂陷、膨脹和太平洋半球的擠壓、造山、收縮就是一個現實的例證。從時間上講， 相對緩慢的、漸進式發展的引張（或裂陷）作用往往與比較急劇的、突變式發生的擠壓（造山）作用交替出現，從而造成依次向前發展的構造旋回。大區域的裂陷作用與大陸的分裂和大洋的打開相對應， 而大區域的造山作用則與巖石圈板塊間的擠壓、碰撞作用密切相關。

1 地層年表與構造年表

地質旋回或構造旋回的發現， 是18世紀以來地質科學最重要的成果之一， 一直受到地學界的高度重視（Argand， 1924； 黃汲清和姜春發， 1962； 黃汲清等， 1977； 任紀舜等， 1980； Williams， 1981； 王鴻禎， 未發表）。但板塊構造興起以來， 一些學者， 在大地構造研究中， 主要是基于均變論（unifermitarianism）的哲學思想， 卻試圖拋棄造山旋回的概念。然而， 隨著時間的推移， 科學事實的進一步積累， 特別是地球系統科學（Earth System Science）思想的提出， 對全球變化（Global Change）大規模多學科觀測研究， 學者們已愈來愈認識到均變論思想的局限性， 認識到不能孤立研究個別因子， 必須研究地球系統， 并把地球系統看作是在宇宙空間不時受到外界干擾的開放系統， 認識到在地殼構造發展過程中， 突變與災變的重要性， 認識到漸變與突變相結合的螺旋式向前發展的旋回演化論（cyclic evolution）， 才是更全面地認識地質規律的有力武器。

地質作用的旋回性已廣泛應用于地學研究的各個領域， 如米蘭柯維奇旋回、侵蝕旋回、沉積旋回、巖漿旋回、造山旋回、成礦旋回、地球化學旋回、生物地球化學旋回以及氣候旋回等等。但是， 基于受造山旋回認識上某些偏見的影響， 一些地質學家在研究大地構造演化時， 卻常用地層年表代替根據造山旋回建立的構造年表。但是， 實際上， 構造年表與地層年表并不同步， 由板塊離散和會聚形成的構造（造山）旋回， 在時間上并不與以生物地層學研究為基礎的地層年表一致， 一些重要的造山運動并不恰好發生在地層年表的地層界線上， 而往往發生在某一地質時代之內。如華力西旋回的各次造山運動， 并不是發生在晚古生代各紀地層之間， 而是發生在泥盆紀、石炭紀、二疊紀內， 華力西造山旋回之結束也不是發生在二疊紀末， 而是大致發生在中、晚二疊世之間， 約260 Ma； 中國著名的燕山造山旋回， 主要造山運動不是發生在侏羅紀、白堊紀的某一地層界線上， 燕山旋回之結束也不是在白堊紀末， 而是在白堊世內部， 晚白堊世地層往往與古近紀地層連續沉積（任紀舜， 1987； Ren et al.， 1999）。

構造年表與地層年表的這種不一致或非耦合關系是顯而易見的， 究其根源， 地層年表主要是以古生物學和沉積學研究為基礎， 生物化石帶是確定地層相對年代的基本手段。盡管隨著同位素年代學的飛速發展， 在各地層單位之間陸續都標出了相應的同位素年代， 如寒武系底界為541 Ma， 三疊系底界為252 Ma（Cohen et al.， 2013）， 但地層劃分仍然是以古生物化石的研究為其主要手段。這就是說， 地層年表主要是在研究地球表生作用（exogenetic or surface processes）， 即巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈之間相互作用的基礎上建立的。而構造年表， 即構造旋回或構造-巖漿旋回的劃分則是以生物地層學、構造地質學、巖石學、地球化學以至地球物理學等方面的多學科綜合研究為基礎， 構造活動和巖漿活動過程之確立， 是劃分構造旋回， 建立構造年表的主要依據。也就是說， 構造年表主要是地球內生作用（endogenetic or internal processes）， 即固體地球各層圈殼、幔、核之間以及殼、幔、核不同層次之間， 多層圈相互作用之歷史紀錄。當然， 內生作用和表生作用之間亦相互作用、相互影響， 即表生作用中有內生作用之疊加影響， 內生作用中亦有表生作用的疊加影響。另外， 地球作為宇宙的一員，地外天體運行對地球運行過程可能產生的影響， 不論對構造年表還是地層年表的建立都是一個不可忽視的因素， 所以， 我們主張天地合一的地球動力觀。目前， 地質學家已經注意到大規模火山噴發和宇宙天體與地球碰撞可能是某一特定地質時間（如白堊紀末之恐龍滅絕）生物大滅絕的一個重要因素；構造旋回與銀河年之間的可能聯系等等（Williams，1981； Rampino and Stothers， 1984）。但總的說來， 目前在這方面的研究還很不深入， 知識還很貧乏。

因此， 我們認為在根據生物演化建立地層年表的同時， 還應根據構造-巖漿演化建立構造年表。只用地層年表來闡述構造演化過程， 是不符合客觀事物本身的發展規律的， 只有劃分構造旋回， 用構造年表作為構造演化的時間標尺， 我們才能更科學、更客觀地描述地球的構造演化過程。2014年， 國際地科聯公布的國際地層年表（International Chronostratigraphic Chart）實際上是地層年表與構造-巖漿年表之結合： 顯生宙主要是根據生物演化劃分的地層年表， 元古宙和太古宙基本上是根據構造-巖漿旋回劃分的構造年表。

2 構造旋回與構造年表之建立

板塊構造學說提出之初， Coney（1970）在Geological Society of America Bulletin發表“The geotectonic cycle and the new global tectonics”一文中， 一方面正確地用當時剛剛起步的板塊構造模型代替地槽學說的山脈形成模式， 另一方面卻不恰當地說要拋棄構造旋回這一術語。加之巖石、礦物同位素測年技術的快速發展和普遍采用， 因而使一些地質學家在大地構造研究中， 只用同位素年齡表示的構造事件（event）或構造-巖漿事件， 不使用構造發展的旋回性概念。然而， 用年齡表示的“事件”只是單個現象之呈現， 只是構造發展中的某一片段，旋回性則闡明過程， 反映事物發展中各事件（片段）之間的內在聯系， 反映事物演化的本質。因此， 我們說用板塊學說代替地槽學說解釋山脈之形成， 并不能否定造山旋回概念的正確性， 實際上， 威爾遜旋回的建立已十分雄辯地說明了構造事件與構造旋回之間的關系。在板塊活動的威爾遜旋回過程中，前期（相當于造山旋回的前造山階段）是板塊分裂、擴張， 發育裂谷-被動邊緣沉積序列， 基性巖漿活動，在擴張過程中形成從超基性巖、基性巖、基性火山巖到放射蟲硅質巖的大洋盆地序列； 后期， 是板塊會聚、擠壓造山（相當于造山旋回的造山階段）， 形成復理石-磨拉斯序列， 發育中酸性為主的鈣堿性巖漿活動； 在板塊碰撞后， 會聚作用晚期， 即晚碰撞階段（相當于造山旋回的后造山階段）， 堿性或偏堿性以及雙峰式巖漿活動則是一個重要的特點。再后，又進入一個新的威爾遜旋回演化過程。所以， 我們說威爾遜旋回的建立已為構造旋回賦予了全新的科學內涵。這也是地質科學發展過程中正確處理創新與繼承關系的一個光輝范例。

一些學者基于對構造運動全球同時性的質疑，認為建立全球統一的構造年表是不必要的， 也是不可能的。但是， 從全球構造和全球動力學觀點來看，地球作為一個整體， 其動力演化過程必然是受其統一的地球動力場控制的。在同一動力體系下， 構造運動在各地發生的時間雖然不一定完全同時， 但卻大致是同時發生的， 例如， 從阿帕拉契亞經歐洲到亞洲的古生代造山帶， 它們都是在古大西洋—瑞克洋—古亞洲洋動力體系控制下形成的。因此， 歐洲、亞洲、北美洲的加里東旋回的造山過程均起始于中奧陶世末期， 結束于泥盆紀之前。不論北歐的加里東造山帶， 還是亞洲的祁連造山帶或華南加里東造山帶， 志留系都是造山階段的復理石沉積， 志留紀與泥盆紀之間都有一個代表加里東造山過程已經結束的區域性角度不整合。歐洲和亞洲的華力西造山旋回也大致同步， 重要的造山作用發生在晚泥盆世和早石炭世晚期； 華力西旋回之結束都在晚二疊世之前（肖序常和湯耀慶， 1991； Ren et al.， 1999； Nance，2010； Nance et al.， 2010）。既然處于同一動力體系下，各地的造山過程大體是同步的， 我們就可以像建立地層年表一樣， 按照優先原則對全球的造山旋回進行統一命名， 將早古生代的構造旋回稱為加里東旋回， 晚古生代的構造旋回稱為華力西（海西）旋回，中新生代的構造旋回稱為阿爾卑斯旋回。

角度不整合被認為是認識和確定造山運動， 劃分造山旋回的重要標志之一， 但并不是所有的角度不整合都能代表一次重要的造山運動， 只有在地史發展過程中有重要作用的造山運動形成的區域性角度不整合， 即在一個相當大的區域內普遍存在， 能夠識別出的角度不整合， 才有大地構造意義， 才有劃分地史階段和構造旋回的意義。如中朝準地臺中元古代長城群之下的不整合， 華南加里東褶皺帶（造山帶）泥盆系之下的不整合都是良好的例證。過去認為， 一個區域性角度不整合代表一次造山運動，是擠壓作用的標志， 進一步觀察研究則證明， 不整合面以上的巖層， 在多數情況下， 一般并不是造山作用同時的沉積物， 而是造山后伸展階段或伸展后另一個大地構造階段的產物， 同造山之復理石-磨拉斯沉積往往是連續沉積， 并位于不整合面之下。例如Hutton（1788）發現的世界上第一個角度不整合（圖2）， 其下強烈褶皺的志留系復理石屬同造山階段沉積， 其上的泥盆系老紅砂巖早年曾被認為是加里東造山的磨拉斯沉積， 但進一步工作后則發現它并不是同造山之磨拉斯沉積， 而是造山后伸展盆地的沉積（Séguret et al.， 1989）， 因此， 這一不整合就具有雙重構造意義， 它既是志留系及更老地層遭受加里東造山運動之標志， 也是加里東造山旋回后造山伸展作用的結果。華南加里東造山帶與蘇格蘭加里東造山帶的情況類似。分布于湘西、桂北等地的志留系復理石代表加里東同造山沉積， 位于不整合面之下， 不整合面之上的泥盆系蓮花山—跳馬澗礫巖、砂巖也不是同造山之磨拉斯， 而是加里東后造山伸展作用之后的夷平面上的濱-淺海沉積（圖3）（Ren， 1991）。因此， 這一不整合也具雙重含義， 既標志著華南加里東造山作用之結束， 又代表華南一個新的構造旋回之開始。同理， 中朝克拉通（準地臺）長城群之下的不整合， 一方面標志著中條（呂梁）造山旋回之結束， 中朝克拉通（準地臺）基底之最終形成， 另一方面也代表地臺沉積蓋層發育的開始。

圖2　Hutton發現的世界上第一個角度不整合（照片源自Press and Siever， 1982）Fig. 2 The first angular unconformity in the world discovered by Hutton （photo from Press and Siever， 1982）Hutton于1788年， 在蘇格蘭東海岸貝里克郡Siccar Point發現該不整合， 泥盆紀的老紅色砂巖覆蓋在直立的志留紀雜砂巖之上Hutton （1788） discovered the unconformity， where the Devonian Old Red Sandstone beds lie atop vertical Silurian graywackes at Siccar Point， Berwickshire， on the east coast of Scotland

超大陸（supercontinent）和超大陸旋回（supercontinental cycle）研究的興起（Hoffman， 1991；Unrug， 1996； 王鴻禎， 未發表）， 深化了造山旋回的研究， 同時也為建立構造年表開辟了道路。目前已初步提出古元古代的哥倫比亞超大陸旋回， 中元古代的羅丁尼亞超大陸旋回， 新元古代的岡瓦納超大陸旋回和顯生宙的潘吉亞超大陸旋回， 其中260 Ma結束的潘吉亞（Pangea）超大陸旋回已為學者們所公認； 其它的超大陸旋回還正在深入探索之中。這樣，我們便可用超大陸旋回作為構造年表中最大一級的時間單位， 稱為巨旋回（megacycle）； 巨旋回之下，可進一步分為旋回（cycle）， 如潘吉亞巨旋回可分為加里東和華力西兩個旋回； 旋回又可以再分為亞旋回（subcycle）， 如阿爾卑斯旋回在東亞又分為印支、燕山、喜馬拉雅三個旋回或亞旋回等。

圖3　華南泥盆系—二疊系沉積示意剖面（據任紀舜， 1990）Fig. 3 Sketch section showing the Devonian-Permian sedimentation in South China （after REN， 1990）

大陸的分裂與聚合必然影響地球圈層結構的變化， 影響地球上海與陸、活動帶與穩定區的展布，影響海平面升降、洋流走向、海水中各種元素含量的變化等等。所以， 構造旋回與海平面變化、海水化學成分變化、大氣中和海水中氧含量變化， 以及地球演化中氣候濕熱、寒冷時期的交替等方面之間存在一定的耦合關系（Ren et al.， 1999； Lowenstein et al.， 2003； Krause et al.， 2004）（圖4）。通過地球科學的多學科觀測， 人們已逐步意識到地球物質運動應該是受統一的地球動力系統之制約。一些看來似乎不相關的自然現象， 實際上往往是互相關聯的， 它們在地球系統的物質運動中相互影響， 相互作用。

3 結語

“循環運動是宇宙間一切生命活動最本質的象征和模式”（布魯諾， 意大利哲學家， 1548—1600年），“循環運動是所有運動中最完美、最宏偉的運動”（亞里士多德， 古希臘哲學家， 公元前384—322年）。大至宇宙天體之螺旋式運動， 小至電子圍繞原子核的旋轉運動和DNA的雙螺旋結構， 無不證明先哲們的深刻認識。在數學上， 圓形是最穩定的， 螺旋式運動是最省力、最完美的運動形式。因此， 生命及萬物的演化， 必然是螺旋式向前發展的。我們相信， 隨著地質學、地球化學和地球物理學研究的深入， 隨著對固體地球系統和全球地質構造更加深入、全面、系統的全球性觀測研究， 隨著地球科學各學科， 特別是同位素年代學和生物地層學的發展，定年精度的不斷提高， 不久的將來我們將會像建立地層年表一樣， 建立起大區域以至全球的構造年表。

致謝： 在本文寫作過程中， 關于螺旋式運動曾請教中國科學院著名數學家陶仁驥教授和中國地震局地球物理研究所地球物理學家吳慶舉研究員， 使作者獲益匪淺， 謹致衷心謝意！

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey（Nos. 121201102000150009-01， 121201102000150009-02，and 12120115070301）.

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Tectonic Cycles and Tectonic Timescale

REN Ji-shun， XU Qin-qin， DENG Ping， XIAO Li-wei
Institute of Geology， Chinese Academy of Geological Sciences， Beijing 100037

The subdivision of the tectonic or geological cycle affords a basis for research on geotectonic evolution. However， since the emergence of plate tectonics， some scholars who adopt the philosophy of uniformitarianismhave tried to abandon the concept of tectonic cycle. Nevertheless， with the elapse of time， the appearance of earth system science， and the observations based on large-scale and multidisciplinary geoscience， people have got to know the importance of sudden and catastrophic changes in the course of crustal evolution， and recognized that the idea of cyclic evolution arguing that the structure of the earth crust develops cyclically and in a spiral-like manner with gradual and sudden changes in combination with each other is a powerful weapon for more comprehensive and profound understanding of the geological laws.

tectonic cycle； tectonic timescale； supercontinent cycle； angular unconformity； orogeny

P541； P542

A

10.3975/cagsb.2016.05.03

本文由中國地質調查局地質調查項目（編號： 121201102000150009-01； 121201102000150009-02； 12120115070301）資助。

2016-06-29； 改回日期： 2016-07-21。責任編輯： 張改俠。

任紀舜， 男， 1935年生。研究員， 博士生導師， 中國科學院院士。主要從事大地構造和區域地質研究。E-mail： renjishun@cags.ac.cn。

在大地構造研究中， 一些學者常用地層年表， 而不用構造旋回。然而， 以生物地層學為主要依據的顯生宙地層年表與構造旋回和構造巖漿事件并不完全耦合。這是因為， 地層年表是在研究地球表生作用， 即巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈之間相互作用的基礎上建立的； 而構造旋回則是地球內生作用， 即殼、幔、核以及殼、幔、核不同層次間多層圈相互作用的歷史記錄。一些學者在研究大地構造時， 只用同位素年齡表示的構造事件， 不使用構造旋回。然而， “事件”只是單個現象的呈現， 只是構造發展的片段， 旋回則闡明過程， 反映事物發展中各“事件”（片段）之間的內在聯系， 反映事物演化的本質。事實上， 威爾遜旋回的建立， 已為構造旋回和構造事件之間的聯系賦予了全新的科學內涵， 這也是地質科學發展過程中， 正確處理繼承與創新關系的一個光輝范例。一些學者由于對全球造山運動是否是同時性的質疑， 認為建立全球統一構造年表是不可能的， 也是不必要的。可是， 地球作為一個整體， 其動態活動應該基本上同時的， 在受同一地球動力系統控制的一個大區域內， 構造運動在各地雖然不是完全同時， 但卻大致是同時的。北美、歐洲、亞洲加里東、華力西旋回的各次構造運動基本上可以互相對比， 就是證明。既然如此， 我們就可以按照優先原則， 將早古生代的構造旋回稱為加里東旋回， 將晚古生代的構造旋回稱為華力西（海西）旋回。

超大陸和超大陸旋回的提出， 深化了構造旋回的研究， 同時也為建立構造年表開辟了道路。目前已初步提出古元古代哥倫比亞、中元古代羅丁尼亞、新元古代岡瓦納和顯生宙潘吉亞等幾個超大陸旋回， 這樣，我們便可以用超大陸旋回作為構造年表中最大一級的時間單位， 每個超大陸旋回又可進一步分為幾個旋回，如潘吉亞旋回可分為加里東、華力西兩個旋回。我們相信， 隨著地質學、地球化學、地球物理學研究的深入， 隨著對固體地球系統和全球地質構造更加深入、全面、系統的觀測研究， 不久的將來我們將會像建立顯生宙地層年表一樣， 建立起大區域以至全球的構造年表。