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板塊俯沖帶 版權信息
- ISBN：9787030734594
- 條形碼：9787030734594 ; 978-7-03-073459-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
板塊俯沖帶 內容簡介
板塊俯沖帶是地球區別于太陽系其他行星的重要標志，是地球圈層相互作用的關鍵紐帶。它深刻影響了地球圈層之間物質和能量循環，對地球的宜居性演化起了重要作用。本書是中國科學院院士牽頭組織的學科發展戰略項目，首先闡述了板塊俯沖帶學科的科學意義與戰略價值，然后總結了學科發展的規律與研究特點，其次論述了發展現狀與發展態勢，再次闡明了發展思路與發展方向，*后提出了面臨的主要科學挑戰，并就未來學科發展給出了資助機制與政策建議。
板塊俯沖帶 目錄
目錄
總序 i
前言 v
摘要 ix
Abstract xxi
**章 科學意義與戰略價值 1
**節 板塊俯沖帶研究是地球科學的核心和前沿 2
一、板塊構造理論是20世紀地球科學的巨大成就 3
二、俯沖帶是板塊構造的核心 4
三、俯沖帶過程是地球圈層演化的核心機制 6
四、俯沖帶研究是多學科交叉典型領域 9
第二節 板塊俯沖帶研究極大地推動了地球科學的進步 12
一、促進了地質科學的發展 13
二、推動了地球物理學的發展 14
三、催生了內生與表生交叉研究的新領域 16
四、加速了高溫高壓實驗科學的新變革 19
五、夯實了比較行星學等新興學科的理論基礎 20
第三節 板塊俯沖帶是國家自然科學的關鍵交叉學科 22
一、在國家總體學科發展布局中的歷史定位 22
二、在國家總體學科發展布局中的當代定位 23
三、在國家總體學科發展布局中的未來定位 24
四、對國家中長期科技規劃和科技政策的支撐作用 25
第四節 板塊俯沖帶研究關系國民經濟與國家安全的戰略布局 27
一、俯沖帶相關礦床保障了國民經濟的發展 27
二、俯沖帶地質災害是國家安全和國家戰略布局的重要考量 28
第二章 發展規律與研究特點 30
**節 板塊俯沖帶的學科定義與內涵 30
第二節 板塊俯沖帶的研究歷史 34
一、國際板塊俯沖帶研究歷史 34
二、國內板塊俯沖帶研究歷史 40
第三節 本學科的發展規律和特點 43
一、學科發展動力 43
二、人才培養和人才隊伍特點 45
三、學科交叉狀況 46
四、成果轉化態勢 49
五、研究組織形式 50
六、資助管理模式 51
第三章 發展現狀與發展態勢 52
**節 本學科主要研究領域的發展狀況與趨勢 52
一、板塊俯沖帶類型 52
二、俯沖帶殼幔物質循環 68
三、俯沖帶巖漿作用與大陸地殼增生 83
四、俯沖帶成礦作用 100
第二節 國內板塊俯沖帶研究的優勢與薄弱環節 109
一、國內本學科的優勢領域及分析 109
二、薄弱環節的定性分析 113
第三節 學科建設與人才隊伍情況 115
一、總體經費投入與平臺建設情況 115
二、人才隊伍情況 116
第四節 重要舉措與存在的問題 117
第四章 關鍵科學問題、發展思路與發展方向 118
**節 未來學科發展的關鍵科學問題與挑戰 118
一、關鍵科學問題之一：俯沖帶結構 118
二、關鍵科學問題之二：俯沖帶過程 134
三、關鍵科學問題之三：俯沖帶產物 158
四、關鍵科學問題之四：俯沖帶動力學 183
第二節 學科發展的總體思路和發展目標 217
一、學科發展的總體思路 217
二、學科新生長點 217
三、學科發展目標 219
四、平臺建設 219
第三節 未來學科發展的重要研究方向 219
一、俯沖帶結構 219
二、俯沖帶過程 220
三、俯沖帶產物 220
四、俯沖帶動力學 220
第五章 資助機制與政策建議 222
**節 加強學科布局，明確學科戰略定位 222
第二節 推動學科交叉，加速地球系統科學建設 223
第三節 加快人才隊伍建設，服務國家發展戰略 224
一、緊缺人才的引進和培養 224
二、創新團隊建設 224
三、國際化人才 224
四、制度保障 225
五、復合型人才 225
第四節 鼓勵開展多方位國際合作與基礎設施建設，促進學科引領 225
參考文獻 227
關鍵詞索引 282
總序 i
前言 v
摘要 ix
Abstract xxi
**章 科學意義與戰略價值 1
**節 板塊俯沖帶研究是地球科學的核心和前沿 2
一、板塊構造理論是20世紀地球科學的巨大成就 3
二、俯沖帶是板塊構造的核心 4
三、俯沖帶過程是地球圈層演化的核心機制 6
四、俯沖帶研究是多學科交叉典型領域 9
第二節 板塊俯沖帶研究極大地推動了地球科學的進步 12
一、促進了地質科學的發展 13
二、推動了地球物理學的發展 14
三、催生了內生與表生交叉研究的新領域 16
四、加速了高溫高壓實驗科學的新變革 19
五、夯實了比較行星學等新興學科的理論基礎 20
第三節 板塊俯沖帶是國家自然科學的關鍵交叉學科 22
一、在國家總體學科發展布局中的歷史定位 22
二、在國家總體學科發展布局中的當代定位 23
三、在國家總體學科發展布局中的未來定位 24
四、對國家中長期科技規劃和科技政策的支撐作用 25
第四節 板塊俯沖帶研究關系國民經濟與國家安全的戰略布局 27
一、俯沖帶相關礦床保障了國民經濟的發展 27
二、俯沖帶地質災害是國家安全和國家戰略布局的重要考量 28
第二章 發展規律與研究特點 30
**節 板塊俯沖帶的學科定義與內涵 30
第二節 板塊俯沖帶的研究歷史 34
一、國際板塊俯沖帶研究歷史 34
二、國內板塊俯沖帶研究歷史 40
第三節 本學科的發展規律和特點 43
一、學科發展動力 43
二、人才培養和人才隊伍特點 45
三、學科交叉狀況 46
四、成果轉化態勢 49
五、研究組織形式 50
六、資助管理模式 51
第三章 發展現狀與發展態勢 52
**節 本學科主要研究領域的發展狀況與趨勢 52
一、板塊俯沖帶類型 52
二、俯沖帶殼幔物質循環 68
三、俯沖帶巖漿作用與大陸地殼增生 83
四、俯沖帶成礦作用 100
第二節 國內板塊俯沖帶研究的優勢與薄弱環節 109
一、國內本學科的優勢領域及分析 109
二、薄弱環節的定性分析 113
第三節 學科建設與人才隊伍情況 115
一、總體經費投入與平臺建設情況 115
二、人才隊伍情況 116
第四節 重要舉措與存在的問題 117
第四章 關鍵科學問題、發展思路與發展方向 118
**節 未來學科發展的關鍵科學問題與挑戰 118
一、關鍵科學問題之一：俯沖帶結構 118
二、關鍵科學問題之二：俯沖帶過程 134
三、關鍵科學問題之三：俯沖帶產物 158
四、關鍵科學問題之四：俯沖帶動力學 183
第二節 學科發展的總體思路和發展目標 217
一、學科發展的總體思路 217
二、學科新生長點 217
三、學科發展目標 219
四、平臺建設 219
第三節 未來學科發展的重要研究方向 219
一、俯沖帶結構 219
二、俯沖帶過程 220
三、俯沖帶產物 220
四、俯沖帶動力學 220
第五章 資助機制與政策建議 222
**節 加強學科布局，明確學科戰略定位 222
第二節 推動學科交叉，加速地球系統科學建設 223
第三節 加快人才隊伍建設，服務國家發展戰略 224
一、緊缺人才的引進和培養 224
二、創新團隊建設 224
三、國際化人才 224
四、制度保障 225
五、復合型人才 225
第四節 鼓勵開展多方位國際合作與基礎設施建設，促進學科引領 225
參考文獻 227
關鍵詞索引 282
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板塊俯沖帶 節選
**章 科學意義與戰略價值 板塊構造理論是人類理解行星地球整體運行行為的一座思想高峰，其重要性比肩相對論和量子力學之于物理學、DNA之于生命科學的意義，是20世紀*重大的科學理論之一（Zheng，2018）。在歷史沿革上，板塊構造理論由大陸漂移、海底擴張和巖石圈俯沖發展而來。板塊構造理論以地球整個巖石圈的活動方式為依據，建立了全球尺度的構造運動模式（Le Pichon et al.，1973；Cox and Hart，1986；Frisch et al.，2011；Livermore，2018）。板塊運動是地球內部的一級運行機制，也是地球充滿活力的重要象征。板塊運動既是地球內動力地質作用的結果，又反過來影響地球從表層到內部的演化進程。在20世紀60年代板塊構造理論建立之時，人們強調的是三個要素（Zheng，2021a）：板塊整體具有剛性行為、離散板塊邊緣海底擴張產生新的洋殼、匯聚板塊邊緣巖石圈俯沖使洋殼消亡。*近半個世紀的研究發現，剛性板塊邊緣在高溫下表現出韌性特點、離散板塊邊緣夭折的大陸張裂（rift）并不產生新的洋殼、匯聚板塊邊緣巖石圈俯沖產生不同性質的活動帶（Zheng，2018）。板塊邊界以活動帶為標志，其中變形、變質、地震和巖漿作用呈帶狀分布。越來越多的研究發現，板塊邊界活動帶既是巖石圈重力驅動的俯沖帶，也是軟流圈地幔浮力驅動的巖石圈張裂帶（Zheng，2021a）。 海底擴張、板塊俯沖和大陸漂移這三大要素“三位一體”構成了板塊構造（圖1-1）。海底擴張產生新的大洋巖石圈，而板塊俯沖使已有的大洋巖石圈消亡，在這個大洋巖石圈產生-消亡的鏈條上出現大陸漂移。盡管現代板塊邊界活動帶具有全球網絡性質（Hawkesworth and Brown，2018），但這個并不是認識和區分板塊構造與非板塊構造的重要標志。活動帶具有全球網絡性質屬于板塊構造，只具有局部網絡性質的活動帶也屬于板塊構造。板塊構造是通過剛性板塊的全球性運動來運行的，這些運行包括在板塊邊界發生的俯沖作用和張裂作用，并且通過不同類型的造山作用形成了活動帶（Cawood et al.，2018；Hawkesworth and Brown，2018；Zheng，2021b）。因此，并不是俯沖帶和張裂帶形成全球網絡才能作為板塊構造的判別標志。 圖1-1 板塊構造三大要素“三位一體”示意圖 板塊俯沖屬于自上而下的物質運動，海底擴張屬于自下而上的物質運動，大陸漂移是兩者之間的水平運動。在地球剛性外層，板塊俯沖與海底擴張這兩大類運動所涉及的巖石圈物質消亡和生長處于質量守恒狀態 板塊構造是地球區別于太陽系內其他類地行星的獨*標志。板塊構造在地球的出現，促進了地球表層與深部圈層的物質循環和能量傳輸。特別是碳、氮、硫和水等關鍵揮發分在地球深部的再循環，使地球逐漸演化為宜居星球，促進了生命的誕生和演化。板塊構造理論深刻揭示了地球內部的運作機理，是20世紀地球科學的巨大成就。盡管板塊構造理論起源于海洋地質學，但在過去50年中通過對大陸地質的研究，板塊構造理論得到了很大的發展（Kearey et al.，2009；Moores et al.，2013；鄭永飛等，2015；Zheng，2018，2021a）。因此，板塊構造理論的成功極大地促進了地球科學各方面的發展，從而成為地球科學，特別是固體地球科學領域的指導性學術思想。 **節.板塊俯沖帶研究是地球科學的核心和前沿 板塊構造理論的核心是俯沖帶，俯沖帶過程是地球圈層演化的核心機制。板塊俯沖是連接地球表生圈層和深部圈層的關鍵紐帶，對整個地球演化起到了關鍵作用。板塊俯沖帶與地球殼幔系統演化、礦產資源聚集、大氣和海洋的長期化學演化等重大地球科學問題都緊密相連，同時也是火山噴發和地震活動的主要場所，與人類的生存和發展密切相關。因此，對板塊俯沖帶的系統深入研究，不僅有助于理解地球內部運作機制及其表層響應，還對國民經濟和社會發展具有重要意義。板塊俯沖帶不僅是地球科學基礎研究的核心和前沿，而且攸關國家經濟社會發展全局。板塊構造研究極大推動了相關學科的進步，是自然科學的關鍵交叉學科，為國家安全和戰略發展提供了關鍵支撐。 一、板塊構造理論是20世紀地球科學的巨大成就 板塊構造理論認為，地球的外殼是由地殼與巖石圈地幔組成的，屬弱構造變形的剛性塊體。地球的巖石圈被許多大型斷裂或構造帶分割成若干塊體，即巖石圈板塊。剛性的巖石圈板塊位于軟流圈之上，并以大規模水平運動為主。地幔上涌產生的巖漿從洋中脊噴發，向兩側增生，形成對稱的磁異常條帶，構成不斷增長的大洋地殼，與下伏的巖石圈地幔一道構成大洋巖石圈板塊。大洋巖石圈向兩側運動到達板塊邊界，就沿俯沖帶俯沖消減，部分大洋巖石圈物質進入地幔。之后，幔源巖漿再次沿洋中脊對流上涌，形成新的大洋巖石圈，再次在俯沖帶俯沖消亡，從而構成了大洋巖石圈的產生-消亡演化旋回。 板塊構造由三個關鍵要素組成（Le Pichon et al.，1973；Cox and Hart，1986；Frisch et al.，2011；Livermore，2018）：①地球上剛性板塊的存在；②海底擴張使剛性板塊相互離散，產生新的洋殼；③巖石圈俯沖使剛性板塊發生匯聚，導致洋殼的消亡。在古板塊構造的識別上，很多學者將其鑒定性標志確定為巖石圈邊緣發生了俯沖作用。一方面，只有形成藍片巖相-榴輝巖相變質巖的冷俯沖帶才能作為現代板塊構造的標志（Stern，2005）；另一方面，板塊邊界既有俯沖作用也有張裂作用。在板塊構造之前是停滯層蓋構造（stagnant lid tectonics），缺乏活動層蓋構造（mobile lid tectonics）。從太古宙起地球上已經出現豐富的活動層蓋構造，但是板塊邊緣的熱性質和連通度在地球歷史上的不同時期存在顯著差別，板塊邊緣性質隨動力體制和地熱梯度的變化而變化（Zheng，2021a）。 自從20世紀60年代板塊構造理論建立以來，它不僅促使地球科學家思維方式發生重大轉變，而且給地球科學帶來了革命性的進展和突破。板塊構造理論的建立旨在認識地球內部運行機制。半個多世紀以來，該理論在地球科學的許多關鍵基礎科學問題上取得了舉世矚目的巨大成就（Le Pichon et al.，1973；Cox and Hart，1986；Oreskes，2003；Frisch et al.，2011；Livermore，2018；Zheng，2021a）。 首先，板塊構造理論不僅完美地解釋了大洋板塊從產生到消亡的全過程，而且成功描繪了現今全球構造格局。七大板塊的劃分進一步明確了地球現今的洋-陸格局。以鈣堿性安山質火山巖為代表的島弧巖漿活動與地震多出現在板塊邊緣或古板塊縫合帶，如環太平洋火山弧和地震帶。同時，板塊構造理論也為地球歷史上多次出現的超大陸（如古元古代時期的哥倫比亞超大陸、新元古代時期的羅迪尼亞超大陸、晚古生代時期的潘吉亞超大陸）提供了一種合理的動力解釋。 其次，由大洋板塊俯沖消亡建立起來的板塊構造理論不僅闡釋了大洋巖石圈從產生到消亡的威爾遜旋回，而且發現密度相對較小的大陸巖石圈板塊同樣能夠俯沖到地幔深度，從而形成以出現金剛石和柯石英為代表的超高壓變質帶，如中國東部的大別-蘇魯造山帶、西部的柴北緣造山帶。由大洋玄武巖研究揭示的地幔化學不均一性被認為是20世紀80年代以來地幔地球化學領域的重要發現之一，但其形成原因一直存在爭議。板塊構造理論為其提供了很好的解釋。板塊俯沖必然會將大洋或大陸巖石圈物質，特別是地殼物質帶入地幔，這是造成地幔化學不均一性的主要原因。 再次，20世紀90年代以來，礦床學研究的一個突破性進展是發現許多大型礦床的形成與大陸邊緣弧巖漿活動有關，如南美西海岸的銅礦帶、中國特提斯新生代銅礦帶。這些礦床多出現在大洋板塊俯沖-碰撞形成的造山帶內。因此，板塊構造理論給自然資源勘查帶來了新的突破。 *后，板塊構造理論成功地將地球各圈層的物質循環與能量交換聯系起來，如地核-下地幔-地幔過渡帶-軟流圈-巖石圈-土壤圈-生物圈-水圈-大氣圈，從而促進了地球系統科學的誕生。同時，板塊構造促進了地表與地球深部的物質循環和能量交換，特別是導致了碳、氮、硫和水等關鍵揮發分在地球內部與地表之間的循環，促使生命的誕生和演化，*終使地球逐漸演化為人類宜居的唯一星球。地質歷史上全球尺度的氣候變化也可能與板塊活動有聯系，如東亞季風的形成與板塊俯沖-碰撞導致的青藏高原的隆升有密切關系。 二、俯沖帶是板塊構造的核心 在大陸漂移學說和海底擴張學說的基礎上，20世紀60年代建立了板塊構造學說，并很快得到大部分地質學家的重視和認同。板塊構造理論認為，整個地球表層可以劃分為大小不等的剛性板塊，即包括大洋和大陸地殼及軟流圈以上的上地幔的巖石圈板塊，板塊之間發生持續不斷的大規模水平運動。在地質歷史中，不斷有大洋板塊的消亡和新的板塊形成，構成了大陸張裂-大洋產生-大洋俯沖閉合-大陸碰撞造山的威爾遜旋回（Wilson，1966，1968；Dewey and Spall，1975）。板塊運動也造成了大陸地殼的持續生長，以及超大陸的聚合和裂解。巖石圈板塊之間的邊界有三種類型（Condie，1997）：其一為匯聚型板塊邊界，即巖石圈板塊消亡的位置；其二為離散型板塊邊界，即洋中脊，為巖石圈板塊新生的位置；其三為使洋中脊錯位的轉換型板塊邊界或轉換斷層（圖1-2）。 圖1-2 三種類型的巖石圈板塊邊界 海溝-匯聚型板塊邊界、洋中脊-離散型板塊邊界、轉換斷層-轉換型板塊邊界作為離散型板塊邊界的洋中脊是被動的，洋中脊的形成是外力拉張撕裂造成的，軟流圈地幔降壓上升并熔融形成新的大洋地殼。板塊運動的主要動力來源是在負浮力作用下冷且密度大的大洋板塊在俯沖帶位置上重力下沉所引發的拖曳力（Forsyth and Uyeda，1975；Conrad and Lithgow-Bertelloni，2002）。因此，俯沖帶巖石圈板塊的下沉在板塊運動中起主導作用。 板塊俯沖帶的結構包括幾何形態、溫壓結構和地質結構（Zheng and Chen，2016）。俯沖帶過程包括變質作用、交代作用、巖漿作用、成礦作用等。由巖石圈俯沖和軟流圈上涌構成的自上而下和自下而上兩類運動體系，是板塊邊緣物質和能量傳輸的關鍵過程，使得地球成為與其他行星不同的、具有生命力的星球。因此，從板塊運動的動力來源，到地球內部的物質和能量的交換，俯沖帶在板塊構造系統中起主導作用。理解俯沖帶的結構和過程是板塊構造及全球構造理論的關鍵。 俯沖帶過程深刻影響大陸地殼的形成演化。大陸地殼的平均成分為安山質，與現代大洋弧的巖漿巖平均成分相近，因此大陸地殼的生長與俯沖帶巖漿作用密切相關。從地球早期到現代，隨著地球內部溫壓結構的變化，俯沖帶結構和巖漿成分也發生相應的變化。俯沖帶結構和過程及其巖漿作用的研究對于揭示大陸地殼的形成和生長過程具有重要意義。 俯沖帶在威爾遜旋回各階段都發揮著重要作用（Wilson et al.，2019；Zheng et al.，2019a）。威爾遜旋回可以劃分為大洋擴張期和閉合期（圖1-3）。擴張期代表大洋巖石圈的形成和發育，這一過程與相鄰地區的大洋板塊俯沖作用具有密切關系，持續的俯沖作用能夠造成弧后擴張，并進一步發育成新的大洋，如歐洲古瑞亞克洋（Rheic Ocean）的形成是巨神洋（Iapetus Ocean）俯沖過程中由弧后盆地逐漸發育而成的（Stamp.i and Borel，2002）。閉合期代表大洋巖石圈的消失和大陸巖石圈的形成，俯沖帶在古大洋消亡、大洋俯沖向大陸俯沖轉換、殼幔物質和能量相互作用、新大洋形成過程中發揮了關鍵作用。周而復始的大洋擴張和俯沖閉合造成了超大陸聚集和離散；陸內造山帶在拉張構造作用下的再活化是大陸張裂作用的表現形式，其中成功的張裂就是大陸裂解，而夭折的張裂就是陸內再造（Zhen
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