作者:李瑜 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2014-8-1 16:31:25
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原国际地科联主席张宏仁谈燕山运动始末

 

从国际地质科学联合会卸任以后,张宏仁大大地松了一口气:“终于能静下心来搞搞‘燕山运动’了,这一天,我等了20年”,他说。

老地质学家们通常都收藏有自己所珍惜的矿物、岩石标本。可在张宏仁家中,受到珍视的却是一块普通的燧石。也就是人们所熟知的打火石。

然而,对于张宏仁而言,这块石头却是千金不换的。因为,它不仅见证了自己多年来探索“燕山运动”真相的漫长心路历程,更是中国大陆地质结构变迁与格局演化的一道珍贵铁证。

石头里的大事件

砾岩,是由岩石碎屑形成的沉积岩当中粒度最粗的一类。研究砾岩要注意区分两种不同的年龄。一是砾岩形成的年龄;二是形成砾石的岩石的形成年龄。

“这块燧石采自侏罗纪龙门组的地层(距今约1.6亿年),而龙门组砾岩中这块燧石砾石原本应来自元古界雾迷山组硅质白云岩(形成于13亿年前)。”采访中,张宏仁向《中国科学报》记者娓娓道出了奇石的身世与来历:“我是在和渠洪杰在永定河右岸离军庄不远的铁道边采样时发现它的,确实是一块非常难得的样本。”

可以说,跟地质打了一辈子交道的张宏仁是见过“大世面”的,然而,他为何会对一块普通的石头如此津津乐道?

张宏仁解释说,在中生代侏罗系的龙门组砾岩(1.6亿年前)中出现元古界雾迷山组硅质白云岩和燧石的砾石(距今约13亿年)。说明在1.6亿年以前曾发生过重要的造山运动,使得原来埋在地下深处的,13亿年前形成的雾迷山组地层被逆断层推到地表,经受剥蚀,形成砾石,砾石再沉积到龙门组中。这一现象可以与地质史上的一件大事相关联,它改变了当时的地质地貌,使得相邻地段间的地层构造发生了巨大变化。“就好像一块多层的夹心蛋糕,发生了断块变形,其中有的断块被大幅度抬高上升,这样一来,原来在深部的地层就会很自然地裸露出来。”

张宏仁所说的大事件,便是“燕山运动”。近20年来,无论身处何地,身居何位,它都是张宏仁的一个心结。

2014年7月,《中国科学报》记者随张宏仁前往北京西山门头沟,寻访“燕山运动”的踪迹。

北京西山地区是中国地质研究的发源地,这里也是“燕山运动”一词的发源地,保存着较为丰富的地质记录。

途中,张宏仁告诉记者,燕山运动是晚中生代期间发生在中国东部的一次最重要造山运动。在此之前的十多亿年的地质历史时期,北京地区和整个华北地台都处于相对稳定阶段,地层间并无角度不整合。然而,上窑坡组含煤碎屑岩沉积之后(距今约1.6亿年以上),华北地台突然遭受了一次打击,使本来相对完整的华北地台被剪切成一系列北东向或北北东向的条带状断块,北京平原区断块的基底也是这些条带状断块之一。

此外,“在我国东部,包括松辽盆地在内许多重要地质构造都与当年的燕山运动有着千丝万缕的联系,从某种程度而言,它是今天中国东部地区地理格局形成的重要原因。”张宏仁介绍说。

大家争鸣的年代

1926年,著名地质学家翁文灏在东京泛太平洋科学大会上发表了题为《中国东部的地壳运动》的文章,首次提出了“燕山运动”的理论假说。他认为,由于前白垩纪的不整合在中国东部广泛分布。若将它与海西造山期相比则年代太年轻,若与喜马拉雅期相比,则又过于古老,然而,这一运动对中国东部局部构造确有影响,并足以给予一专门名称。“鉴于它首次在北京西山被认出,而那里的地层证据也研究得最好,所以,提议将他称之为燕山运动。”张宏仁解释说。由此可见,当年翁文灏所说的燕山,并不是现今地理教科书上所指的燕山,实际上指的是北京西山。

在此前,由叶良辅执笔编写的《北京西山地质志》认为燕山运动发生的时间为“髫髻山岩系(指北京或华北地区距今1.6亿年~1.45亿年左右的一套地层)沉积之前”。

随后,翁文灏进一步细化为:“燕山运动年代应限于北京西山的九龙山系(距今1.6亿年~1.45亿年左右的一套地层)与髫髻山系之间。”翁文灏提出的关于燕山运动的概念,很快得到了中国地质学界的热烈响应,并为大家所接受。

“翁文灏认为在髫髻山岩系沉积之前,曾发生过重大的变形和剥蚀,这个认识是正确的。”但张宏仁同时认为,他将燕山运动年代定于九龙山系与髫髻山系之间,难免过于仓促了。“这也长期影响了人们对于燕山运动的正确认识。”

在此后的很长一段时间内,诸多地质学者均把注意力放在了按照槽台假说对燕山运动的分期上,或者按照板块学说解释燕山运动的成因。

“对于代表燕山运动的”主要不整合面何在?“这一重要问题,人们长期以来缺乏统一的认识。”张宏仁遗憾地说。

拨开“雾迷”

上世纪70年代初,张宏仁所在的北京市地质局开始对北京地热资源展开调查。“当时,我们在平原打了一系列钻孔,发现大片地区从元古界雾迷山组(距今约13亿年)上部开始,直到侏罗系上窑坡组(距今约1.6亿年)乃至以上,竟然缺失了几千米的地层!”张宏仁说。

根据当年所掌握的资料,张宏仁发表了题为“燕山事件”的文章,沿用了翁文灏关于燕山运动发生时间的说法。然而,囿于种种原因,张宏仁始终没有解开当年对翁文灏有关燕山运动发生时间说法的怀疑。

2009年,在中国地质调查局和地质力学研究所的支持下,张宏仁开始了“燕山运动的再研究”。而他最为关心的,无疑是还是那个老生常谈的问题——“不整合面”。

燕山运动的主要不整合面为何如此难以确定?张宏仁告诉记者,在稳定的条件下,地层会一层接一层地沉积下来,形成的地层是相互平行的。如果在地层形成后受到地壳运动而产生变形,则通常会使原有的地层褶皱。经过一段时间的风化剥蚀,地层层面与水平面会以不同角度相交。此后如果再有新的沉积覆盖上去,就可以看到上、下两套地层的产状不一致,以一定的角度相交,这又被称为角度不整合。

“角度不整合是检验一个地区是否经受过强烈造山运动很好的标志。”然而,张宏仁话锋一转:“燕山运动是一个世界上少见的特例,当年它所产生的变形,只有断裂,没有褶皱,也就是说,它没有角度上的不整合,这就给燕山运动的确定带来了极大困难。”

为了验证当年对燕山运动不整合面的确定,张宏仁和他的同事在北京西山踏勘了一系列剖面。一次试图进入九龙驾校后山寻找合适的地层露头,发现上山的路被驾校挡住了。正在与门卫协商的时候,回头一看:与九龙驾校相反的一面,居然是一处出露极好的地层剖面。 “这里正是九龙山南坡。”张宏仁告诉记者,无意间发现的剖面不仅与当年《北京西山地质志》中所附的剖面图相当,也与王竹泉等1933年编写的《京西门头沟煤田》一文中所附的剖面图位置大体一致,“这为接下来的对比工作创造了极好的条件。”

经过几番勘察,张宏仁等人在这里找到了想要的证据。他们发现,九龙山南坡剖面中含煤碎屑岩之上的第一层砾岩(即龙门组底部砾岩)含有燧石砾石和硅质白云岩砾石,这些砾石显然来自本地区附近大量出露的元古代地层。

“这说明当时附近的一些断块,(如今天北京平原区是在的断块)元古界已抬升到地表,其岩层风化后的碎屑物沉积保存在龙门组砾岩中。”张宏仁判断,这应是超大规模逆断层作用的结果,它使得侏罗系含煤碎屑岩层与元古界之间的古生代和早中生代地层被剥蚀殆尽。“从被剥蚀掉的地层厚度可以推断,逆断层的垂直断距可达4000余米。”

张宏仁告诉记者,这一发现也与翁文灏当年提出的两个“不整合准则”相印证。

尽管有找到了“燕山运动”中争议已久的不整合面,但张宏仁和他的同事们并未就此止步,他们又在此基础上进一步确定了构造运动发生的时间限制。

“下伏在砾岩之下的最新地层年龄说明断裂发生时间不早于其沉积时间,砾石层则限定了断裂活动开始的最晚期限。”望着眼前“泾渭分明”的裸露岩石剖面,张宏仁解释说,燕山运动逆断层发生的时间应在中侏罗世煤系(上窑坡组)之后和煤系之上第一层砾岩(即龙门组砾岩)底部之前(该时间不晚于距今1.6亿年)“由于两组之间再没有更小的地层划分,这是层序地层学所能达到的最高分辨率。”

那么,按照张宏仁的这一推断,当年翁文灏确定的“燕山运动年代应限于北京西山的九龙山系与髫髻山系之间”就应修改为:“燕山运动开始的年代应限于北京西山的上窑坡组和龙门组之间。”

更为重要的是,龙门组砾岩作为燕山运动主不整合面标志还有着普遍意义。

“事实表明,这一现象在整个华北地块乃至华南地块都普遍存在。”张宏仁举例说,与北京西山可对比的还有辽宁西部的北票一带到河北秦皇岛一带北票煤组和上覆的海房沟组砾岩。山西大同的大同组和上覆的云冈组砾岩。此外,燕山西部的尚义盆地和中西部的下花园盆地、太行山构造带内的宁武-静乐盆地也具有同样的地质特点。

今日燕山,谁与争鸣?

找到了争论不休的“不整合面”,确定了构造运动的时间限制,在朋友和家人眼中,这次,张宏仁真的算是圆梦了,然而,他自己却高兴不起来。因为张宏仁发现,今天关注燕山运动的人已经越来越少。“燕山运动”研究的繁荣过往,很可能一去不返。

“板块构造学说风靡全球之后,人们便试图用其来解释燕山运动,但进展却并不顺利。”张宏仁认为,原因在于中国大陆远离欧亚和太平洋板块边界,而且,从迄今为止能够恢复的板块运动历史看,也找不到任何一个大地构造事件能和燕山运动挂钩。

“尽管人们又创造了‘板内构造’这个新名词,但它也并未解决任何问题。”张宏仁无奈地说。

在燕山运动地质构成的因果关系层面,张宏仁更为认同翁文灏的观点。“燕山运动中的‘绪动’是中国东部大地构造面貌发生重大折转的真正原因,没有‘绪动’,就没有后继的地壳变动或地台活化。”

他进一步指出,从组成中国大陆东部岩石圈的材料来看,它们并不具有特别的脆性,所以,也就很难解释燕山运动缺乏褶皱所表现出来的极高脆性。

“材料力学也许能够帮助我们解释这种奇怪的现象。”张宏仁举例说,按照马克斯韦尔模型,材料的力学行为可以用互相串联的减震器和弹簧来模拟:当应变速率较小时,能量主要消耗在减震器上,反之,如果应变速率过高,减震器会来不及反应,一旦超过弹性极限,岩石就会破裂。

“这也是为什么肉身的鸟儿能够把金属制成的飞机撞出一个洞的原因,因为两者的相对速度非常快。”张宏仁强调,“如果我们的推理是正确的,那么燕山运动的‘绪动’一定是一次地质历史上极为罕见的、速率极高的应变,或者说是一次突发的外来撞击造成的结果。”

采访中,张宏仁一再呼吁,“我们不能被一种学术思想所局限,百家争鸣是学术昌明的前提。”

也许,这项研究还不尽完善,结论也还有待深入探讨,但在张宏仁看来,这都不是问题的关键。“我真的希望能够有更多的年轻人参与到这项研究当中,为其注入新鲜的血液。”

 
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