揭秘晚前寒武纪

解译晚前寒武纪大地构造密码

——访中国地质调查局地质力学所张拴宏研究员

日前，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资助项目，中国地质调查局地质力学研究所张拴宏研究员以“晚前寒武纪大地构造”为资助方向，成为近3年来国土资源部系统唯一一名上榜者。为此，记者走访了张拴宏研究员。

探寻超大陆聚合的远古密码

国家杰出青年科学基金项目是我国自然科学界公认含金量较高的科研项目，主要支持在基础研究方面已取得突出成绩的青年学者自主选择研究方向开展创新性研究，其评审过程十分严格，平均资助率不超过10%，在今年正式资助的198个项目中，地球科学部只有21个名额。获得其资助，一方面意味着对申报科学家以往科学成就，以及他本人、所在团队和单位科研能力的认可；另一方面，则显示了申报项目在地学研究领域的前沿性。

那么，基金支持的“晚前寒武纪大地构造”研究将解决怎样的地学问题？

简单地说，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及深部动力学背景，探讨其对成矿及古环境演变的意义。

哥伦比亚大陆是目前认为地球历史上最为古老的超大陆。在地球漫长的演化过程中，至少形成了3个超大陆，包括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3亿年以来的潘吉亚大陆。

众所周知，前寒武纪是地球形成与演化史上最为漫长的一个地质时代。在地球近46亿年的历史中，距今5.42亿年是一个重要的分水岭，从那时起，地球出现了大量的生物，因而那以后的时段，通称为显生宙，而显生宙的第一个地质时代，就是寒武纪。寒武纪之前的漫长地质时期被人们称为前寒武纪。前寒武纪地质学研究的就是比寒武纪更古老的约40 亿年漫长的地球演化历史。地球大陆的80%～90%以上，是在前寒武纪形成的，并且赋存着丰富的矿产资源。因此，解读前寒武纪的地质历史，对人们进一步认识地球、利用地球、保护地球，有着十分重要的意义。

显生宙，即寒武纪以来，超大陆重建、裂解的标志非常多，所以科学界也对此认识得比较清楚，但在时间更加久远的前寒武纪时期，由于没有繁荣生物世界遗留下的丰富化石，更没有人类社会的灿烂文明，加上地壳多次巨变对地表地质记录翻天覆地的改造，可供人们寻找历史真相的信息便极为稀少，因而不同科学家对重建及裂解过程争议很大。因此，地质历史时期以大规模基性岩浆活动为代表的大火成岩省及大陆边缘裂谷沉积，在超大陆裂解及重建研究中具有非常重要的意义。

张拴宏认为，“显生宙潘吉亚超大陆裂解的记录对于认识晚前寒武纪大陆裂解的过程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，而关键的 “地质密码”之一就是华北克拉通北部的燕辽大火成岩省。

“管中窥豹”或可揭示全局

哥伦比亚超大陆是由20亿~18.5亿年的造山带将太古宙克拉通汇聚在一起而形成的一个元古宙的超大陆，这一超大陆在14亿~12亿年期间发生了裂解并逐渐转化为罗迪尼亚超大陆。

作为全球最为古老的克拉通之一，华北克拉通长期被认为在距今16亿~3亿年期间非常稳定，自然也很少有人联想到它与哥伦比亚超大陆的裂解有什么关系。

然而，张拴宏等人的研究，恰恰将华北克拉通与哥伦比亚超大陆裂解联系在了一起。

早在2001~2002年，张拴宏与同事在野外工作中便发现：承德地区中元古代下马岭组内存在3~4层辉绿岩床，可稳定延伸上百公里，但在更新的地层中却没有。这种产出关系与前人主要认为这些岩床形成于中生代的认识是矛盾的。而后，通过系统的斜锆石测年及多年持续不断的野外地质调查及室内分析实验研究，张拴宏等人确定在华北克拉通北部燕辽地区存在一个距今13.2亿年左右的基性大火成岩省，并将其命名为“燕辽大火成岩省”。

更为重要的是，燕辽基性大火成岩省在形成时代、产状、岩性组成及地球化学特征方面均与北澳大利亚麦克阿瑟盆地内13.2亿年的Derim Derim-Galiwinku基性大火成岩省有着非常明显的亲缘性——不仅时间相同，而且这两个地区中元古代沉积地层也有惊人的相似性。这说明，在哥伦比亚超大陆重建中，华北克拉通北东部与北澳大利亚克拉通北部是相邻的，而燕辽及Derim Derim-Galiwinku有可能属于一个被大陆裂解所分开的统一的大火成岩省。他们提出，哥伦比亚超大陆中存在13.8亿~13.0亿年全球性裂谷并导致其大规模裂解，即：以13.2亿年基性大火成岩省为标志，华北克拉通从哥伦比亚超大陆发生了裂解，燕辽基性大火成岩省与Derim Derim-Galiwinku基性大火成岩省相分离。这一重建方案也得到了前人古地磁结果的支持。

2016年8月，以“岩墙群：超大陆重建的钥匙”为主题的第七届国际岩墙会议在北京召开。期间，张拴宏受邀组织了华北燕辽大火成岩省的野外路线考察，为来自美国、德国、瑞典、南非、澳大利亚等国家的同行现场介绍了自己的最新研究成果，引起了强烈反响，并与国际大火成岩省专业委员会主席Richard E. Ernst达成了合作关系，促成了中国地质调查局与澳大利亚北领地地质调查局在北澳大利亚中元古代沉积地层及大火成岩省对比领域的合作研究。

如今，张拴宏的研究成果获得了国际国内同行越来越多的关注，在他2004年以来发表的58篇论文中，有38篇被SCI收录，并普遍拥有较高的他引率。下一步，他希望通过更多克拉通的工作及对比，揭示哥伦比亚超大陆的裂解过程及深部动力学背景——为“与燕辽同期的大火成岩省及抬升是否在除澳大利亚外的其他克拉通存在”“是什么深部动力学背景形成了燕辽大火成岩省及抬升”“中元古代大火成岩省与黑色页岩沉积有何联系”等科学问题寻找答案。

还原大规模成矿事件为找矿指路

让记者意外的是，听上去有些高冷的大火成岩省研究近年来在国际地学界非但不“冷”，而且很“热”。

所谓大火成岩省，是指地球历史中，以巨量岩浆在100万~500万年期间内快速喷发为特征的大规模板内岩浆事件。由于它的形成与地球深部动力学过程有着密切的联系，因而从它身上可以捕捉到大陆增生、大陆裂解、环境变化、生物绝灭、成矿元素的迁移和富集等重要信息。

张拴宏告诉记者，大火成岩省与基性岩有关的金属矿床及与火成碳酸岩有关的稀土等大规模成矿有着密切关系。那么，华北地区距今13.2亿年如此大规模的幔源岩浆活动，是否伴生有大规模成矿事件？

位于华北克拉通北缘白云鄂博矿床是世界最大的轻稀土矿床，也是我国最大的铌矿床及钍矿床。白云鄂博稀土—铌矿床就赋存于中元古代火成碳酸岩内，这些火成碳酸岩明显受褶皱构造及层位控制。要确定白云鄂博矿床的成矿模式，首先需要合理解释白云鄂博矿区多年地质调查及勘探所揭示出来的火成碳酸岩及稀土—铌矿床受层位及褶皱构造控制的事实。

虽然前人在白云鄂博矿区开展了大量的调查及研究工作，但关于火成碳酸岩及稀土矿床的形成时代、成因及构造背景一直有很大争议。由于稀土矿床与火成碳酸岩密切共生，准确测定火成碳酸岩的时代是认识白云鄂博超大型稀土矿床成因及构造背景的关键。

张拴宏等人通过改进传统的选样方法，成功地从白云鄂博富稀土—铌火成碳酸岩中分选出了大量同岩浆期结晶的锆石，并测得白云鄂博火成碳酸岩及稀土—铌矿化形成于13.0亿年左右，揭示了白云鄂博超大型稀土—铌矿床的形成与13.0亿年左右的火成碳酸岩侵位有关。而且，白云鄂博火成碳酸岩及稀土矿化的形成时代与华北北缘燕辽大火成岩省相接近，其形成可能与华北克拉通北缘从哥伦比亚超大陆的裂解有关。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、时代及构造背景提供了重要依据，对矿区深部及外围矿产资源勘查也有重要的参考价值。另外，很有意思的是，张拴宏等还从白云鄂博富稀土—铌白云岩中发现了由于接触交代而形成于3.0亿年左右的斜锆石。这是世界上首例在火成碳酸岩中发现的交代成因的斜锆石，对于认识受到接触交代影响的火成碳酸岩中斜锆石的成因机制及白云鄂博矿床的后期改造作用具有重要科学意义。

另一个备受瞩目的研究是关于具有全球普遍意义的黑色页岩与大火成岩省的关系。研究显示，无论是燕辽基性大火成岩省，还是澳大利亚Derim Derim-Galiwinku基性大火成岩省，其岩床侵入的最顶部层位均为一套以黑色页岩为主的沉积组合，前者为我国燕辽地区的下马岭组，后者则为北澳大利亚的Roper群，而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的成藏成矿意义。

让基础研究成为科技创新的源动力

张拴宏所在的地调局地质力学研究所，是一所国内外知名的老牌地质科研机构。从李四光先生创立地质力学学科和创建地质力学研究所起始，地质力学研究始终紧扣国家需求和人类发展需要，充分体现了科学理论对地质实践的基础支撑和方向指引作用。

张拴宏告诉记者，科学是人类认识世界、改造世界的基础，是解决全人类诸多共同挑战的根本出路，而基础理论创新往往是技术创新的原动力。或许一些地质理论研究短时期看不到效益，但却有可能改变着人类认识资源环境的视角和能力。

如今，刚刚43岁的张拴宏已当了5年的博士生导师，成为国土资源部古构造重建创新团队负责人，并在近10年中先后入选国土资源部“百人计划”、中国地质调查局首批“青年地质英才计划”及“高层次地质人才计划”，获得了“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”“黄汲清青年地质科学技术奖”等一系列闪光的荣誉。这也从一个侧面反映了中国地质调查局对基础研究及相关人才的高度关注。

实践认识没有止境，理论创新也没有止境。人类社会要想不断进步，就得不断认识规律，不断推进理论创新、实践创新，以及其他各方面的创新。或许，中国地质调查局之所以越来越注重基础地质研究，正是充分认识到了基础研究是地调局科技能力显示度的重要表现，也是推进地质科学技术进步的关键所在。

对张拴宏而言，国家杰出青年科学基金资助项目的获得是荣誉，更是鞭策。他愿意静下心来继续自己在“晚前寒武纪大地构造”等研究领域的艰难跋涉，从那个寂静无声的远古时代中感受破解一个个科学之谜的美好与奇妙。

本期记者：周飞飞、杨健、张超越

2017年11月15日

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