翟明國深耕華北克拉通前寒武紀保持世界領先

2019-05-31 21:55:30 来源: 嘉峪关信息港

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  据ESI基本科学指标数据库2016年4月的统计,华北克拉通前寒武纪地质研究在全球地球科学领域(Geosciences)504个研究前沿(Research Front)中排名第3,在我国所有学科自然科学基础研究领域44个研究前沿中排名第1。这是该领域研究连续数年在并在中国的基础研究中排名首位。翟明国和其相关团队骨干成员,在2013、2014和2015年连续获得三项国家自然科学二等奖。

  在有關學術會議上了解到,國家973項目前寒武紀重大地質事件與成礦取得重大進展:在北秦嶺構造帶發現冥古宙-古太古代地殼物質;進一步證實華北克拉通新太古代存在兩期重要的陸殼生長事件;揭示華北克拉通地殼生長隨地質歷史變化呈階段性增長特點;古元古代極端變質事件證實地球構造機制發生重大變化,預示早期板塊構造啟動

  2012年,由翟明国院士挂帅,国家973项目华北克拉通前寒武纪重大地质事件与成矿启动实施,经过创新团队3年时间的通力合作与刻苦奋战,如今已取得多项重要突破。

  华北克拉通

  克拉通是大陆地壳上长期稳定的一种构造单元,1936 年由德国地质学家施蒂勒正式定义。保存着地球30多亿年历史秘密的克拉通,一直是地球科学领域的热点前沿课题。

  在全球所有的克拉通中,华北克拉通算不上是很大的一块,但却是极为重要的一块。作为世界上的古老陆块之一,与其他克拉通相比,华北克拉通有着更为复杂、多阶段的构造演化,记录了几乎所有的地球早期发展的重大构造事件,并在中生代又发生了改造与破坏。这为理解陆壳的形成与演化提供了难得的实例。

  根据已有的地质资料,华北克拉通 90% 的陆壳是在早前寒武纪形成的,绝大多数形成于中-晚太古代。

  中国科学院地学部院士翟明国是国内研究前寒武纪地质的代表性人物、学科领头人。

  长期以来,他和他的团队致力于华北地区的克 拉通演化的研究,成果丰硕。其研究领域前寒武纪地质与变质地质学,是一门很基础、很古老的学科,是地质学 基础之基础,对人们进一步认识地球、 利用地球、保护地球有着很重要的影响。

  翟明国曾指出,由于新太古代末的全球克拉通化(克拉通化,就是稳定大陆形成的过程)之后,地球的演化历史出现了一个漫长的寂静期,其间没有火山活动,没有构造运动,因此华北克拉通早期演化的研究,对太古宙与元古宙间的分界,具有重要意义。同时,他表示,我国华北地区在地质学上有自身特色。首先,华北地区在地质上超过38 亿年,这是我国境内保存较好的古陆块,其历史之久远,在全球范围内也不多见。其次,华北地区构造演化复杂、岩石类型多样、地质记录完整,使其在前寒武纪地质与变质地质学研究上极具特点。

  近年来,我国对华北早前寒武纪的研究已取得多项令国际同行折服的成果,引起了国际同行的密切关注。在学术界,对华北早前寒武纪的研究,成为国际关注的前沿热点。

  聚焦前寒武纪地质演化和成矿作用

  据了解,华北克拉通前寒武纪重大地质事件与成矿项目是华北大陆边缘造山过程与成矿研究项目的延续,课题拟定截止时间是2016年12月。

  翟明国表示,前寒武纪重大地质事件集中表现为新太古代大陆地壳的巨量生长和稳定化、古元古代地球环境的突变和大氧化事件、古元古代全球性板块体制建立及超大陆的形成和演化。

  这些重大地质事件造就了全球前寒武纪绝大部分矿产资源,也主导了华北克拉通前寒武纪地质演化和矿产的形成。翟明国说。

  据其介绍,华北克拉通前寒武纪重大地质事件与成矿项目主要致力于:(1) 准确厘清华北克拉通重大地质事件与成矿序列,查明金属元素巨量聚集与克拉通演化的耦合关系;(2) 揭示华北前寒武纪优势矿产的元素富集机理,并与国外典型克拉通的地质演化成矿作用进行对比,创建符合华北陆壳生长、构造体制转变和环境突变特点的前寒武纪成矿理论;(3) 查明华北前寒武纪优、劣势矿产的类型、富集机理和资源潜力,为国家紧缺矿产布局提供科学依据,结合远景评价和地球物理勘查示范,实现找矿预测的重大突破。

  翟明国表示,通过对国内外研究现状和发展趋势的分析,我们认识到发展前寒武纪优势矿产成矿理论,是国际矿床研究的重大前沿性科学问题,而解决前寒武纪地质演化过程和重大地质事件对成矿元素巨量聚集的控制机理,则是面向国家需求急待解决的关键科学问题。另外,华北克拉通前寒武纪地质演化与全球典型克拉通的对比,以及矿床类型、成矿机理、矿产的赋存方式和分布规律等方面异同的研究,既是建立华北克拉通前寒武纪成矿理论的需要,也是区域矿产资源潜力评价与找矿的突破口。

  项目创新点

  围绕项目总体目标和关键科学问题,翟明国带领的创新团队以华北克拉通前寒武纪重大地质-成矿事件序列为主线,确定了五大研究内容、6个课题。

  这五大研究内容分别是:(1)华北克拉通前寒武纪重大地质事件的性质与时空格架;(2)新太古代地壳大规模生长过程中的成矿效应;(3)表生矿床成矿作用对表生环境突变和大氧化事件的响应;(4)大陆裂解-聚合过程对成矿作用的制约机制;(5)优势矿产的时空分布规律、成矿系列与找矿预测。

  总体上,项目有以下创新点:

  在当前国内外学者聚焦于显生宙成矿作用或造山-成矿研究的热潮中(如我国已有资源领域的973项目),本项目选择占据地球演化史85%以上的前寒武纪开展研究。前寒武纪历史漫长、复杂,大规模成矿作用与地壳形成和演化各历史阶段发生的重大地质事件紧密相伴,并具有突发性、全球性特点。

  华北克拉通前寒武纪重大地质事件与成矿项目,通过研究解决重大地质事件中元素巨量迁移聚集成矿的机理和规律,把握前寒武纪成矿的总体规律,体现了在关键科学问题选择方面的创新。

  与世界前寒武纪克拉通相比,华北克拉通前寒武纪成矿存在暴富暴贫现象,这本身就是一种特色,而已有的成矿理论无法对其进行圆满解释,这为科学研究提供了难得的机会和天然实验室。本项目将这一特色成矿现象与华北克拉通地质演化的复杂性、特殊性结合起来研究,致力于揭示这一特色成矿的原因、机理和过程,应属研究选题方面的创新。

  前寒武纪地质演化和成矿作用具有时代上的不可逆性,条带状含铁建造(BIF)铁矿和兰德式金铀砾岩矿床就是典型案例,目前国际上基于显生宙矿床建立的成矿理论不能简单地运用到前寒武纪成矿作用研究中。本项目注重研究前寒武纪矿床及其成矿地质作用,在研究内容上具有自身特色,也有利于实现成矿理论研究的创新。

  以上问题涉及大陆的起源演化、物质循环和早期构造体制等重大科学问题,研究选题具有挑战性和原始创新。

  阶段性成果逐渐呈现

  自项目启动以来,项目团队开展了大量的地质调查、样品分析测试等工作,每个课题均取得了多方面的研究进展。

  华北克拉通地壳生长和演化研究取得重要进展。

  团队中的第五春荣博士等首次获得了北秦岭地区冥古宙-古太古代锆石,并证明它们为地球形成初期地壳物质的衍生物。冥古宙有地质记录的标本在地球上极为罕见,这些矿物或岩石的样品均十分珍贵,人们可借助这些残存的矿物或岩石样品探索地球初的形成和演化历史。翟明国介绍。

  研究中,项目团队进一步确认了华北克拉通新太古代存在两期重要陆壳生长事件。其中,太古宙地壳于亿年大量生长,25亿年则既有新生地壳的生长又有古老物质的循环。

  此外,课题组对鄂尔多斯盆地结晶基底的研究证实,25亿年整个华北已发生克拉通化成为一体,并在其后经历了相同的构造演化过程。对现代河沙碎屑锆石的研究,揭示了华北克拉通地壳生长随地质历史变化呈阶段性增长的特点。而通过确定冀西北地区剖面相关岩石单元的地质关系,课题组还初步构建了冀西北晚太古代陆壳二维结构模型。

  陆壳增生与BIF铁矿的关系研究取得创新认识。

  张连昌等和万渝生等研究表明,华北BIF铁矿主要形成于新太古代晚期,其形成时代与早前寒武纪岩浆活动的时间基本一致。同时,研究显示,鞍本地区BIF的形成与古老大洋的氧化状态变化有关,与早期岩浆活动或地壳增生作用具有成因联系。

  大氧化事件(GOE)的两阶段模式和菱镁矿成因的新认识。

  全球性冰川事件缘于氧气冷室气体增多和甲烷二氧化碳温室气体减少,这作为大氧化事件的标志已成学界共识,休伦冰川事件则被认为是GOE的标志和组成之一。

  课题组通过收集、汇编古元古代含冰碛岩沉积建造的地层学与年代学资料,厘定休伦冰川事件具全球性,时间为亿年。同时,在一些新认识的基础上课题组提出了大氧化事件的先水圈后气圈的两阶段氧化模型,即25亿年开始生物光合作用增强,亿年期间(成铁纪)水圈逐步氧化,全球性苏必利尔型BIF发育;23亿年之后,水圈氧化之后,大气圈开始快速充氧,甲烷和二氧化碳减少,全球气候变冷。

  为弄清楚菱镁矿的成因,课题组对大石桥菱镁矿带和莱州菱镁矿展开了地质学、地层学、同位素和元素地球化学等多项研究,确认了其属于多因复成矿床。

  古元古代活动带构造与成矿研究。

  项目组对古元古代活动带构造的研究显示,古元古活动带很可能代表了裂谷-俯冲-碰撞的构造过程,其规模与现代板块相比要小得多,裂谷还不具有现代大洋特征,但横向的块体相互作用已有明确的变质记录。硫化物型的铜矿床出现,显示了壳幔相互作用。

  华北中-新元古代多期裂解事件及成矿效应。

  基本上确定了中新元古代多期裂解事件的基本框架,研究表明多期裂解事件的性质、规模和差异等对认识中新元古代成矿专属性具有重要的意义。

  在这一研究领域,我们的课题组同志厘清了多个学科问题,确定了华北克拉通北部中元古代中期岩浆岩为一套与裂谷有关的双峰式岩浆组合,其形成与华北克拉通与华北克拉通的多期伸展-裂谷活动相关;发现和厘定了多期岩墙-岩床群,显示了在稳定大陆环境下的地壳与地幔的成熟耦合过程,以及现代壳幔格局和洋陆格局的终形成,提出了地球中年纪(Earth Middle Age)的地质概念这些认识有助于深化学科认知和后期研究的开展。翟明国说。

  资源潜力评价与浅层地球物理探查示范。

  资源潜力评价是此次课题开展的主要目标之一,而浅层地球物理探查示范对探索新的探查方法、技术手段,进而大面积推广有积极意义。

  通过探索、研究,课题组圈定了辽东成矿远景区。初步建立了铁矿成矿系列,为更加系统地总结华北铁、铜、铅锌、稀土等优势矿产成矿类型、控矿因素和成矿系列,建立优势矿种区域成矿与找矿模型,并集成一套适合华北优势矿种深部或隐伏矿的找矿预测与资源潜力评价方法体系,在典型地区实施地球物理勘查示范,课题组做了多种尝试,并取得多项进展。

  据翟明国介绍,项目团队的研究还表明,华北克拉通绿岩带主要形成于新太 古代早期和晚期,其25亿年地质事件与全球相比表现得更完整;华北太古代绿岩带 BIF 形成峰期和陆壳增生有很好的时代一致性;课题组还在我国首先发现了古元古代 C同位素正漂移,初步确定了地质地球化学地层标志;在华北古元古代构造格局及高压 -( 超 ) 高温麻粒岩的 成因等方面的研究也取得了重要突破。

  在刚刚过去的2015年,他们还研究确定了全球地壳演化沉寂期23 亿年之末的岩浆活动在华北克拉通南缘有广泛发育;证明华北克拉通古元古代早期存在一期与伸展裂解有关的碱性花岗岩浆活动;厘定了华北冀北地区 25 亿年浅变质火山岩的物质组成和时空演化关系;对赋存稀土矿床的白云鄂博群的时代归属、物质来源和地层进行了重新划分;查明了华北克拉通西北缘的中元古代成矿带的叠置 关系;对华北克拉通 27 亿年地质体时空分布、组成特征进行了系统总结。

  这些成果构成了项目团队研究路上一道道靓丽的风景,也给予了研究人员前行的动力。

  2016 年是关键的收官之年和新一轮研究的启动之年

  时间似白驹过隙。2016 年将是非常关键的一年。在前 4年多的研究中,华北克拉通前寒武纪重大地质事件与成矿项目取得了多项突破,项目团队的创新实力也得到了较充分的展现。

  据了解,该项目由中国科学院地质与地球物理研究所翟明国院士亲自挂帅,担任首席科学家。中国科学院地质与地球物理研究所在国内外地学界享有很高的学术地位,地球物理学家赵九章先生和地质学家侯德封先生等都曾是这个研究所的成员员。

  此外,团队中还集合了来自中国地质大学(北京、武汉)、北京大学、西北大学、中国科学院其它研究所和中国地质科学院等其他高等学府、院所的专家学者,包括杰出青年基金获得者7 人、青年基金获得者2人和数位长江学者、万人计划等国内有声誉的学科带头人。

  这支队伍整体来看,学科齐全,搭配合理,学风严谨踏实,勇于创新,乐于奉献,团结协作,具有很强的战斗力。

  项目开展至今,除了取得了一系列理论研究和成矿预测研究成果,还培养了一批中青年学术带头人和年轻创新人才,为增强前寒武纪基础地质与矿产资源研究输送了后备力量,提升了学科的创新能力。

  另外,项目实施过程中,以4个国家和6个部门重点实验室为依托,多部门结合,多学科交叉,组成了优势互补、强强联合的技术支撑体系和实验设备,可使实验、观测数据精确可信,进而保证了项目的顺利实施,并获得高水平研究成果。

  多种形式的学术交流活动、 华北克拉通前寒武纪重大地质事件与成矿专题的设立、原始数据的公布和共享等也取得良好效果。

  翟明国表示,2016 年是非常关键的一年。我们将对照任务书全力做好收官工作。我们还要将2016年作为新的开局之年。

  据了解,翟明国院士和他的团队正在酝酿筹划建立大陆起源、演化与早期地球环境国际研究中心,目标是认识早期大陆热体制与动力学机制,揭示陆壳生长等,形成具有重要国际影响的前寒武纪地质、环境和生命等学科交叉融合的学术高地。

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