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华南、华北板块是欧亚大陆的两个主要构造单元,这两个大陆板块的碰撞形成了世界上规模最大的超高压构造带—苏鲁-大别-秦岭-祁连超高压构造带,以及中国东部早中生代复杂的构造变形。对华南-华北大陆碰撞拼贴构造的研究无疑对重建欧亚大陆乃至整个地球地史时期的演化,具有十分重要的意义。
目前对华南-华北大陆碰撞拼贴方式仍存在激烈的争论,特别在大陆碰撞板块几何学和运动学的认识上,已发表的各方观点存在巨大的差异,甚至提出的构造演化模式明显相互矛盾。主要模式包括:Yin and Nie(1993)的华南楔入华北模式,Li(1994)的拆离模式,Zhang(1997,2000)的华北楔入华南-逃逸模式,Yokoyama(2001)的正面碰撞模式等。因此,为了更深刻地诠释华南-华北大陆碰撞和拼合过程,我们通过大陆碰撞的物理模拟实验,来重演华南-华北大陆板块碰撞过程,约束目前各种华南-华北板块碰撞模式的正确性,并为全面准确理解华南-华北大陆碰撞大地构造提供有力制约。
岩石圈板块变形本质上是物理-化学变化,尽管由于板块尺度大、变形时间长,使得岩石圈板块变形模拟难度较大并具有一定的不确定性,但是它无疑代表了板块构造研究的发展方向。板块碰撞物理模拟实验主要借助物理手段,从变形相似性角度,重塑岩石圈中各种构造现象发生、发展的过程与机制。板块碰撞实验模型建构由3个步骤组成:岩石圈流变剖面的建立,比例参数的选择,模型实验材料的选取。构造物理模拟最基本的原则就是自然原型与实验模型的比例统一。模拟实验可以检验理论模型的正确与否,同时还可以给实地研究提供深刻的启迪。目前板块变形物理模拟已经成为板块构造、特别是岩石圈上部脆性层复杂断裂形式研究的一种不可或缺的手段。
我们确定了华南-华北大陆岩石圈流变剖面为脆、塑互层的4层结构,进行了4组华南-华北大陆碰撞模拟实验,采用粉碎成74μm粒度的松散石英砂模拟大陆岩石圈的上地壳和上地幔(脆性层),采用硅酮油泥模拟下地壳和下地幔(塑性层),采用蜂蜜模拟软流层,模型的应变速率为10<-4>~s<-1>,模型的运动速度是3-6 cm/h。
4组实验中,2组实验用于验证Yin and Nie(1993)的假说,其余几组实验用于验证其它3种的假说。通过改变华南-华北的边界类型和楔入方向,再现了华南-华北大陆碰撞变形的演化过程,并结合最新的研究成果,对华南-华北大陆碰撞引起的构造变形进行了分析讨论。实验表明:无论何种状况,华南向华北楔入的可能性都不大:而华北向华南顺时针楔入,先垂直、后平行郯庐断裂,则能够客观地再现了中国东部早中生代的构造变形。华南-华北大陆的碰撞过程中,东部沿着郯庐断裂带伴随岩石圈块体的逃逸,并且华南板块在挤压作用下伴有走滑现象出现,碰撞挤压的后期华南板块开始分裂,并向自由空间方向逃逸。
结合最新的地球物理、地球化学研究成果,我们认为,华南-华北大陆的碰撞始于东部,而后以华北东南角为中心,顺时针旋转,大别以东的陆-陆碰撞造山作用是以华南向华北大陆深俯冲下插实现的。华南-华北大陆“剪刀式”闭合过程中,华北极块持续楔入到华南板块,使得华南在华北的碰撞尖端发生“颈缩”,断裂环绕华北东南角分布。