前寒武纪 揭秘晚前寒武纪

晚前寒武纪构造密码解释

——访中国地质调查局地质力学研究所研究员张栓红

近日，国家自然科学基金委员会正式公布了2017年度国家杰出青年科学基金。中国地质调查局地质力学研究所研究员张栓红以“晚前寒武纪大地构造”为资助方向，成为近三年来唯一上榜的国土资源部研究员。为此，记者走访了研究员张栓红。

探索超大陆聚合的古老密码

国家杰出青年科学基金是我国自然科学界公认的高含金量科研项目。主要支持在基础研究方面取得突出成绩的青年学者选择自己的研究方向进行创新研究。评估过程非常严格，平均资助率不到10%。今年正式资助的198个项目中，地球科学系只有21个名额。获得其资助，一方面是对申报科学家过去的科研成果和其本人、其团队、其所在单位的科研能力的认可；另一方面，展示了申报项目在地学研究领域的前沿。

那么，基金资助的晚前寒武纪大地构造研究将解决什么样的地学问题呢？

简单来说，就是寻找晚前寒武纪大陆裂解的记录，揭示哥伦比亚超大陆的裂解过程和深部动力学背景，探讨其对成矿和古环境演化的意义。

哥伦比亚是地球历史上最古老的超大陆。在地球漫长的演化过程中，至少形成了三个超大陆，分别是20亿~ 13亿年的哥伦比亚超大陆、12亿~ 7亿年的罗迪尼亚超大陆和3亿年的盘古大陆。

众所周知，前寒武纪是地球形成演化史上最长的地质时代。在地球近46亿年的历史中，5.42亿年前是一个重要的分水岭。此后，地球上出现了大量生物，所以之后的时期称为显生宙，显生宙的第一个地质时代是寒武纪。寒武纪之前漫长的地质时期称为前寒武纪。前寒武纪地质学研究的是地球漫长的演化历史，比寒武纪大约早40亿年。地球大陆80% ~ 90%以上形成于前寒武纪，矿产资源丰富。因此，解读前寒武纪地质历史对人们进一步认识、利用和保护地球具有重要意义。

显生宙以来，也就是寒武纪，出现了许多超大陆重建和裂解的迹象，科学界对此心知肚明。而前寒武纪，没有繁荣的生物世界留下的丰富化石，也没有人类社会灿烂的文明。此外，地壳的翻天覆地的变化引起的地表地质记录的翻天覆地的变化，使得人们找到历史真相的机会极其罕见。因此，不同的科学家对重建和破解的过程进行了争议。因此，地质历史上以大规模基性岩浆活动为代表的大火成岩省和大陆边缘裂谷沉积在超大陆裂解和重建研究中具有重要意义。

张栓红认为，“显生宙盘古超大陆裂解的记录对于认识晚前寒武纪大陆裂解的过程具有非常重要的参考意义，是认识晚前寒武纪大陆裂解的金钥匙，其中一个关键的“地质密码”是华北克拉通北部的廖燕火成岩省。

“管中窥豹”也许能揭示全局

哥伦比亚超大陆是20亿~ 18.5亿年的造山带汇聚太古代克拉通形成的元古代超大陆。这个超大陆在14亿~ 12亿年间开裂，逐渐转变为罗迪尼亚超大陆。

作为世界上最古老的克拉通之一，华北克拉通长期以来被认为在16亿到3亿年间非常稳定，自然很少有人想到它与哥伦比亚超大陆裂解的关系。

然而，张舜鸿等人的研究只是将华北克拉通与哥伦比亚超大陆裂解联系起来。

早在2001~2002年，张栓红及其同事在野外工作中就发现承德地区中元古界下马岭组有3~4个辉绿岩层，可稳定延伸数百公里，但更新地层中没有辉绿岩层。这种输出关系与以前认为这些岩层形成于中生代的认识相矛盾。随后，张栓红等人通过系统的变质玄武岩测年、连续多年的野外地质调查和实验室分析及实验研究，确定华北克拉通北部廖燕地区约13.2亿年前存在一个基本大火成岩省，并将其命名为“廖燕大火成岩省”。

更重要的是，盐辽基性大火成岩省在形成时代、产状、岩性组成、地球化学特征等方面与澳大利亚北部麦克阿瑟盆地的Derim Derim-Galiwinku基性大火成岩省有着明显的成因联系——不仅时间相同，而且这两个地区的中元古代沉积地层也有惊人的相似性。这表明在哥伦比亚超大陆重建期间，华北克拉通的东北部与北澳大利亚克拉通的北部相邻，而廖燕和德里姆德里姆-加利温库可能属于一个被大陆解体分开的统一大火成岩省。他们指出，哥伦比亚超大陆存在13.8-13.0亿年的全球裂谷，导致了它们的大规模裂解，即华北克拉通从哥伦比亚超大陆裂解而来，以13.2亿年的基性火成岩省为标志，廖燕基性火成岩省从德里姆-加利温库基性火成岩省分离出来。这一重建方案也得到以前古地磁结果的支持。

2016年8月，第七届国际岩壁大会在北京召开，主题为“岩壁:大陆架重建的关键”。期间，张栓红应邀在华北廖燕火成岩省组织野外路线调查，并向美、德、瑞典、南非、澳洲等国同行介绍其最新研究成果，引起强烈反响。他还与大火成岩省国际专业委员会主席理查德·恩斯特(Richard E. Ernst)建立了合作关系，促进了中国地质调查局和澳大利亚北领地地质调查局在中元古代沉积地层和澳大利亚北部大火成岩省对比领域的合作研究。

如今，张栓红的研究成果越来越受到国际国内同行的关注。在他自2004年以来发表的58篇论文中，有38篇被纳入SCI，其他引用率普遍较高。下一步，他希望通过更多的工作和克拉通的对比，揭示哥伦比亚超大陆的裂解过程和深部动力背景——寻找“除澳大利亚外，其他克拉通中是否存在燕、辽同时期的大火成岩省和隆起”、“燕、辽大火成岩省和隆起形成的深部动力背景是什么”、“中元古代大火成岩省和黑色页岩矿床之间有什么联系”等科学问题的答案。

恢复大规模成矿事件指导找矿

让记者大跌眼镜的是，听起来，近年来国际地质学界对高温大火成岩省的一些研究，不仅“冷”，而且“热”。

所谓大火成岩省，是指地球历史上的一次大规模板内岩浆事件，其特征是在100万年至500万年的时期内，巨大的岩浆快速喷发。由于它的形成与地球深部的动力学过程密切相关，它可以捕捉到大陆增生、大陆解体、环境变化、生物灭绝、成矿元素迁移富集等重要信息。

张栓红告诉记者，与基性岩有关的金属矿床与大火成岩省与火成岩碳酸盐岩有关的稀土大规模成矿关系密切。那么，13.2亿年前华北地区是否存在与如此大规模的幔源岩浆作用相关联的大规模成矿事件？

白云鄂博矿床位于华北克拉通北缘，是世界上最大的轻稀土矿床，也是中国最大的铌矿床和钍矿床。白云鄂博稀土铌矿床产于中元古代火成岩碳酸盐岩中，受褶皱构造和层位控制明显。为了确定白云鄂博矿床的成矿模式，需要合理解释白云鄂博矿区多年地质勘查揭示的火成岩碳酸盐岩和稀土铌矿床受层位和褶皱构造控制的事实。

前人虽然在白云鄂博矿区进行了大量的调查研究工作，但对火成岩碳酸盐和稀土矿床的形成时代、成因和构造背景一直存在较大争议。由于稀土矿床与火成岩碳酸盐岩关系密切，准确测定火成岩碳酸盐岩的年龄是了解白云鄂博超大型稀土矿床成因和构造背景的关键。

张栓红等人通过改进传统的取样方法，成功地从白云鄂博火成岩碳酸盐岩中分离出大量同一岩浆期结晶的锆石，并测定白云鄂博火成岩碳酸盐岩和稀土铌成矿作用形成于约13亿年前，揭示白云鄂博超大型稀土铌矿床的形成与约13亿年前火成岩碳酸盐岩的侵位有关。此外，白云鄂博火成岩碳酸盐和稀土矿化的形成时间与华北北缘廖燕火成岩省的形成时间相近，其形成可能与华北克拉通北缘从哥伦比亚超大陆裂解有关。这一新的研究成果为认识白云鄂博超大型稀土矿床的成因、时代和构造背景提供了重要依据，对矿区深部及外围矿产资源的勘探也具有重要的参考价值。此外，有趣的是，张栓红等人还发现了白云鄂博富稀土铌白云石接触交代形成的约3亿年前的白云石。这是世界上首次在火成岩碳酸盐岩中发现的交代变质白云石，对于了解接触交代作用影响下的火成岩碳酸盐岩中变质白云石的成因机制和白云鄂博矿床的后期改造具有重要的科学意义。

另一个引人注目的研究是关于黑色页岩和大火成岩省之间的关系，具有全球意义。研究表明，被基岩侵入的最上层是一套以黑色页岩为主的沉积组合，前者为中国廖燕地区的下马岭组，后者为澳大利亚北部的罗珀群，黑色页岩富含有机质和微量元素，对油气资源和新兴战略矿产具有重要意义。

让基础研究成为科技创新的源泉

张栓红所在的地质力学研究所是国内外知名的老地质研究机构。李四光先生创建地质力学学科和地质力学研究所以来，地质力学研究始终与国家和人类发展的需要密切相关，充分体现了科学理论对地质实践的基本支持和方向。

张栓红告诉记者，科学是人类认识和改造世界的基础，是解决全人类诸多共同挑战的根本途径，而基础理论创新往往是技术创新的动力。可能有些地质理论研究在短时间内看不到效益，但可能会改变人类认识资源和环境的视角和能力。

现在，刚刚43岁的张栓红，当了5年的博士生导师，成为国土资源部古结构改造创新团队负责人。10年来入选国土资源部“百人计划”和第一批中国地质调查局。“青年地质人才计划”和“高层次地质人才计划”先后获得“国土资源部优秀青年科技人才”、“第十四届青年地质科技奖-金锤奖”和“黄青年地质科学奖”这也从一个方面体现了中国地质调查局对基础研究和相关人才的高度重视。

实践认识永无止境，理论创新永无止境。人类社会要想不断进步，就必须不断了解规律，不断推进理论创新、实践创新等方面的创新。也许，中国地质调查局越来越重视基础地质研究的原因是充分认识到基础研究是地质调查局科技能力的重要体现，也是推动地质科技进步的关键。

对于张栓红来说，国家杰出青年科学基金资助的项目是一种荣誉，也是一种鞭策。他愿意静下心来，继续他在“晚前寒武纪大地构造学”研究领域的跋涉，感受那个寂静的远古时代解开科学之谜的美好与神奇。

本报记者:周飞飞、杨健、张朝岳

2017年11月15日

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