第一章 科学意义与战略价值
板块构造理论是人类理解行星地球整体运行行为的一座思想高峰，其重要性比肩相对论和量子力学之于物理学、DNA之于生命科学的意义，是20世纪*重大的科学理论之一（Zheng，2018）。在历史沿革上，板块构造理论由大陆漂移、海底扩张和岩石圈俯冲发展而来。板块构造理论以地球整个岩石圈的活动方式为依据，建立了全球尺度的构造运动模式（Le Pichon et al.，1973；Cox and Hart，1986；Frisch et al.，2011；Livermore，2018）。板块运动是地球内部的一级运行机制，也是地球充满活力的重要象征。板块运动既是地球内动力地质作用的结果，又反过来影响地球从表层到内部的演化进程。在20世纪60年代板块构造理论建立之时，人们强调的是三个要素（Zheng，2021a）：板块整体具有刚性行为、离散板块边缘海底扩张产生新的洋壳、汇聚板块边缘岩石圈俯冲使洋壳消亡。*近半个世纪的研究发现，刚性板块边缘在高温下表现出韧性特点、离散板块边缘夭折的大陆张裂（rift）并不产生新的洋壳、汇聚板块边缘岩石圈俯冲产生不同性质的活动带（Zheng，2018）。板块边界以活动带为标志，其中变形、变质、地震和岩浆作用呈带状分布。越来越多的研究发现，板块边界活动带既是岩石圈重力驱动的俯冲带，也是软流圈地幔浮力驱动的岩石圈张裂带（Zheng，2021a）。
海底扩张、板块俯冲和大陆漂移这三大要素“三位一体”构成了板块构造（图1-1）。海底扩张产生新的大洋岩石圈，而板块俯冲使已有的大洋岩石圈消亡，在这个大洋岩石圈产生-消亡的链条上出现大陆漂移。尽管现代板块边界活动带具有全球网络性质（Hawkesworth and Brown，2018），但这个并不是认识和区分板块构造与非板块构造的重要标志。活动带具有全球网络性质属于板块构造，只具有局部网络性质的活动带也属于板块构造。板块构造是通过刚性板块的全球性运动来运行的，这些运行包括在板块边界发生的俯冲作用和张裂作用，并且通过不同类型的造山作用形成了活动带（Cawood et al.，2018；Hawkesworth and Brown，2018；Zheng，2021b）。因此，并不是俯冲带和张裂带形成全球网络才能作为板块构造的判别标志。
图1-1 板块构造三大要素“三位一体”示意图
板块俯冲属于自上而下的物质运动，海底扩张属于自下而上的物质运动，大陆漂移是两者之间的水平运动。在地球刚性外层，板块俯冲与海底扩张这两大类运动所涉及的岩石圈物质消亡和生长处于质量守恒状态
板块构造是地球区别于太阳系内其他类地行星的独*标志。板块构造在地球的出现，促进了地球表层与深部圈层的物质循环和能量传输。特别是碳、氮、硫和水等关键挥发分在地球深部的再循环，使地球逐渐演化为宜居星球，促进了生命的诞生和演化。板块构造理论深刻揭示了地球内部的运作机理，是20世纪地球科学的巨大成就。尽管板块构造理论起源于海洋地质学，但在过去50年中通过对大陆地质的研究，板块构造理论得到了很大的发展（Kearey et al.，2009；Moores et al.，2013；郑永飞等，2015；Zheng，2018，2021a）。因此，板块构造理论的成功极大地促进了地球科学各方面的发展，从而成为地球科学，特别是固体地球科学领域的指导性学术思想。
第一节.板块俯冲带研究是地球科学的核心和前沿
板块构造理论的核心是俯冲带，俯冲带过程是地球圈层演化的核心机制。板块俯冲是连接地球表生圈层和深部圈层的关键纽带，对整个地球演化起到了关键作用。板块俯冲带与地球壳幔系统演化、矿产资源聚集、大气和海洋的长期化学演化等重大地球科学问题都紧密相连，同时也是火山喷发和地震活动的主要场所，与人类的生存和发展密切相关。因此，对板块俯冲带的系统深入研究，不仅有助于理解地球内部运作机制及其表层响应，还对国民经济和社会发展具有重要意义。板块俯冲带不仅是地球科学基础研究的核心和前沿，而且攸关国家经济社会发展全局。板块构造研究极大推动了相关学科的进步，是自然科学的关键交叉学科，为国家安全和战略发展提供了关键支撑。
一、板块构造理论是20世纪地球科学的巨大成就
板块构造理论认为，地球的外壳是由地壳与岩石圈地幔组成的，属弱构造变形的刚性块体。地球的岩石圈被许多大型断裂或构造带分割成若干块体，即岩石圈板块。刚性的岩石圈板块位于软流圈之上，并以大规模水平运动为主。地幔上涌产生的岩浆从洋中脊喷发，向两侧增生，形成对称的磁异常条带，构成不断增长的大洋地壳，与下伏的岩石圈地幔一道构成大洋岩石圈板块。大洋岩石圈向两侧运动到达板块边界，就沿俯冲带俯冲消减，部分大洋岩石圈物质进入地幔。之后，幔源岩浆再次沿洋中脊对流上涌，形成新的大洋岩石圈，再次在俯冲带俯冲消亡，从而构成了大洋岩石圈的产生-消亡演化旋回。
板块构造由三个关键要素组成（Le Pichon et al.，1973；Cox and Hart，1986；Frisch et al.，2011；Livermore，2018）：①地球上刚性板块的存在；②海底扩张使刚性板块相互离散，产生新的洋壳；③岩石圈俯冲使刚性板块发生汇聚，导致洋壳的消亡。在古板块构造的识别上，很多学者将其鉴定性标志确定为岩石圈边缘发生了俯冲作用。一方面，只有形成蓝片岩相-榴辉岩相变质岩的冷俯冲带才能作为现代板块构造的标志（Stern，2005）；另一方面，板块边界既有俯冲作用也有张裂作用。在板块构造之前是停滞层盖构造（stagnant lid tectonics），缺乏活动层盖构造（mobile lid tectonics）。从太古宙起地球上已经出现丰富的活动层盖构造，但是板块边缘的热性质和连通度在地球历史上的不同时期存在显著差别，板块边缘性质随动力体制和地热梯度的变化而变化（Zheng，2021a）。
自从20世纪60年代板块构造理论建立以来，它不仅促使地球科学家思维方式发生重大转变，而且给地球科学带来了革命性的进展和突破。板块构造理论的建立旨在认识地球内部运行机制。半个多世纪以来，该理论在地球科学的许多关键基础科学问题上取得了举世瞩目的巨大成就（Le Pichon et al.，1973；Cox and Hart，1986；Oreskes，2003；Frisch et al.，2011；Livermore，2018；Zheng，2021a）。
首先，板块构造理论不仅完美地解释了大洋板块从产生到消亡的全过程，而且成功描绘了现今全球构造格局。七大板块的划分进一步明确了地球现今的洋-陆格局。以钙碱性安山质火山岩为代表的岛弧岩浆活动与地震多出现在板块边缘或古板块缝合带，如环太平洋火山弧和地震带。同时，板块构造理论也为地球历史上多次出现的超大陆（如古元古代时期的哥伦比亚超大陆、新元古代时期的罗迪尼亚超大陆、晚古生代时期的潘吉亚超大陆）提供了一种合理的动力解释。
其次，由大洋板块俯冲消亡建立起来的板块构造理论不仅阐释了大洋岩石圈从产生到消亡的威尔逊旋回，而且发现密度相对较小的大陆岩石圈板块同样能够俯冲到地幔深度，从而形成以出现金刚石和柯石英为代表的超高压变质带，如中国东部的大别-苏鲁造山带、西部的柴北缘造山带。由大洋玄武岩研究揭示的地幔化学不均一性被认为是20世纪80年代以来地幔地球化学领域的重要发现之一，但其形成原因一直存在争议。板块构造理论为其提供了很好的解释。板块俯冲必然会将大洋或大陆岩石圈物质，特别是地壳物质带入地幔，这是造成地幔化学不均一性的主要原因。
再次，20世纪90年代以来，矿床学研究的一个突破性进展是发现许多大型矿床的形成与大陆边缘弧岩浆活动有关，如南美西海岸的铜矿带、中国特提斯新生代铜矿带。这些矿床多出现在大洋板块俯冲-碰撞形成的造山带内。因此，板块构造理论给自然资源勘查带来了新的突破。
*后，板块构造理论成功地将地球各圈层的物质循环与能量交换联系起来，如地核-下地幔-地幔过渡带-软流圈-岩石圈-土壤圈-生物圈-水圈-大气圈，从而促进了地球系统科学的诞生。同时，板块构造促进了地表与地球深部的物质循环和能量交换，特别是导致了碳、氮、硫和水等关键挥发分在地球内部与地表之间的循环，促使生命的诞生和演化，*终使地球逐渐演化为人类宜居的唯一星球。地质历史上全球尺度的气候变化也可能与板块活动有联系，如东亚季风的形成与板块俯冲-碰撞导致的青藏高原的隆升有密切关系。
二、俯冲带是板块构造的核心
在大陆漂移学说和海底扩张学说的基础上，20世纪60年代建立了板块构造学说，并很快得到大部分地质学家的重视和认同。板块构造理论认为，整个地球表层可以划分为大小不等的刚性板块，即包括大洋和大陆地壳及软流圈以上的上地幔的岩石圈板块，板块之间发生持续不断的大规模水平运动。在地质历史中，不断有大洋板块的消亡和新的板块形成，构成了大陆张裂-大洋产生-大洋俯冲闭合-大陆碰撞造山的威尔逊旋回（Wilson，1966，1968；Dewey and Spall，1975）。板块运动也造成了大陆地壳的持续生长，以及超大陆的聚合和裂解。岩石圈板块之间的边界有三种类型（Condie，1997）：其一为汇聚型板块边界，即岩石圈板块消亡的位置；其二为离散型板块边界，即洋中脊，为岩石圈板块新生的位置；其三为使洋中脊错位的转换型板块边界或转换断层（图1-2）。
图1-2 三种类型的岩石圈板块边界
海沟-汇聚型板块边界、洋中脊-离散型板块边界、转换断层-转换型板块边界作为离散型板块边界的洋中脊是被动的，洋中脊的形成是外力拉张撕裂造成的，软流圈地幔降压上升并熔融形成新的大洋地壳。板块运动的主要动力来源是在负浮力作用下冷且密度大的大洋板块在俯冲带位置上重力下沉所引发的拖曳力（Forsyth and Uyeda，1975；Conrad and Lithgow-Bertelloni，2002）。因此，俯冲带岩石圈板块的下沉在板块运动中起主导作用。
板块俯冲带的结构包括几何形态、温压结构和地质结构（Zheng and Chen，2016）。俯冲带过程包括变质作用、交代作用、岩浆作用、成矿作用等。由岩石圈俯冲和软流圈上涌构成的自上而下和自下而上两类运动体系，是板块边缘物质和能量传输的关键过程，使得地球成为与其他行星不同的、具有生命力的星球。因此，从板块运动的动力来源，到地球内部的物质和能量的交换，俯冲带在板块构造系统中起主导作用。理解俯冲带的结构和过程是板块构造及全球构造理论的关键。
俯冲带过程深刻影响大陆地壳的形成演化。大陆地壳的平均成分为安山质，与现代大洋弧的岩浆岩平均成分相近，因此大陆地壳的生长与俯冲带岩浆作用密切相关。从地球早期到现代，随着地球内部温压结构的变化，俯冲带结构和岩浆成分也发生相应的变化。俯冲带结构和过程及其岩浆作用的研究对于揭示大陆地壳的形成和生长过程具有重要意义。
俯冲带在威尔逊旋回各阶段都发挥着重要作用（Wilson et al.，2019；Zheng et al.，2019a）。威尔逊旋回可以划分为大洋扩张期和闭合期（图1-3）。扩张期代表大洋岩石圈的形成和发育，这一过程与相邻地区的大洋板块俯冲作用具有密切关系，持续的俯冲作用能够造成弧后扩张，并进一步发育成新的大洋，如欧洲古瑞亚克洋（Rheic Ocean）的形成是巨神洋（Iapetus Ocean）俯冲过程中由弧后盆地逐渐发育而成的（Stamp.i and Borel，2002）。闭合期代表大洋岩石圈的消失和大陆岩石圈的形成，俯冲带在古大洋消亡、大洋俯冲向大陆俯冲转换、壳幔物质和能量相互作用、新大洋形成过程中发挥了关键作用。周而复始的大洋扩张和俯冲闭合造成了超大陆聚集和离散；陆内造山带在拉张构造作用下的再活化是大陆张裂作用的表现形式，其中成功的张裂就是大陆裂解，而夭折的张裂就是陆内再造（Zhen
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