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第19章 你了解地壳和地幔吗(1)

在分析地球表层的构造过程时,必须以构成地球表层各种岩体的时空划分为依据。有关日本列岛诸岩体的时空划分也将采用同样的原则。

也许和构造地质学研究对象有点脱节,然而,不容忽视的是,地球内部尤其是地幔的构造和运动,对地球表层的构造过程起着决定性的影响。

地壳构造单元论

1.地壳构造单元的划分依据

地壳构造单元的划分是综合地形、地质等各方面特征进行的,各特征间有着密切的内在联系。地形上有大陆和大洋的大的划分,还有山脉、岛弧、大洋底等小的划分。因为这些分类不是单纯的地形特征,而是地质时代以至现代的地壳变动结果的表现。从本质上讲,它们是受控制地壳变动的地球深部各种变动所制约。因此,地形的划分基本上也是和地质构造,即地壳构造的划分是一致的。地壳构造的第一级单元是大洋和大陆,然而大陆还包括大陆棚及大陆坡的海域。两大单元相比较可以发现,大洋地形起伏较小,大陆地形起伏较大,构造也较复杂。

有关地壳构造单元,如下表的划分。当然,这种分类的差异在地壳的垂直断面上也表现突出,即大陆地壳的厚度为20~70公里,并可分为以下三层,最上层为沉积岩层,厚度因地而异,其下为厚约20~30公里的花岗岩层,最下部为厚约10~20公里的玄武岩层。大洋地壳则很薄,厚仅5~20公里,其上部为极薄的沉积层,下部为大面积的玄武岩层。大洋地壳一般缺乏大陆地壳中所见的花岗岩层,即使有也很薄,总厚度仍不超过20公里。

大陆地壳稳定区地盾地台(卓状地)台向斜台背斜活动带地槽、造山带断陷槽准地台岛弧地沟带

大洋地壳边缘海海沟、海槽海岭、海隆大洋盆地-大洋火山岛

2.大陆地壳

大陆地壳主要为花岗岩层,其下为玄武岩层,二者一般呈过渡状态,有时也有突变现象。花岗岩质地壳的大部分由前寒武纪的花岗岩和变质岩组成,其上叠加有上古生代后的各类岩石。玄武岩层是由高压状态下的基性--酸性各类岩石组成。

大陆地壳包括现在的陆地和浅海地区,根据现在地壳运动的强烈程度又可分为稳定地块和活动带。

(1)地盾(shield):指稳定地块中的前寒武纪活动带,是前寒武纪后除有微量的升降运动外,几乎没有地壳变动的地区。前寒武纪由于几次构造运动而形成地盾构造,是由变质岩、深成岩及受弱变质的沉积岩组成。由于长期的侵蚀作用,曾经是活动带的深部构造暴露出来。地盾有的和古生代后的活动带相连接,有的和地台相结,并与地台基底相连接,这类地区的地壳厚度约40公里。

(2)地台(platform):指稳定地块中古生代以来不断缓慢地沉降,在前寒武系上沉积了巨厚的沉积物,没有经历明显的变动,构造平缓的区域,因为地台沉积层的隆起,形成巨大的挠曲,穹隆及背斜等称台背斜(anticlise);反之沉降作用形成巨大的平缓盆地和向斜构造等称台向斜(synclise)。

北美中部是地台的一例,在加拿大地盾前寒武系基底之上,沉积有古生代以至中生代的地层,并形成波长100公里至数百公里的穹隆及盆地构造,沉降部的地层厚度达3000~9000米。俄罗斯地台也是地台的一个典型实例,其北侧和波罗的地盾相接,沉积了厚达万米的古生代地层,构造平缓。

蒙受古生代以来造山运动的造山带,在以后逐渐稳定并缓慢沉降,构造平缓沉积物发育的地区,也称之为“地台”。如欧洲的巴黎盆地、伦敦盆地等,就是海西造山运动以后开始稳定的地区,从古生代来到第三纪的沉积物最厚达3 000米,呈平缓的盆状构造的沉积盆地,也是一种台地类型。意味着每次变动都有地台增加。

亚渊地壳厚度分布图(单位:公里) (Cummings,and Shillar,1971) 细断线,不准确,粗断线,大致数字。

(3)地槽-造山带(geosyhcline-orogenic belt):现在地球上构造变动最活跃的大山脉及岛弧,是中生代中期开始的阿尔卑斯地槽造山运动,或其后各种变动活动的地带,这类地带一般可分为阿尔卑斯-喜马拉雅构造系及环太平洋构造系。前者位于大陆地壳内部,后者位于大洋地壳和大陆地壳间,是地槽变动或造山运动活跃的地带。这里虽然概括划分为阿尔卑斯-喜马拉雅构造系和环太平洋构造系,但在这一系列的变动中,还可分出很多本质不同的转折期。对于地槽和造山运动的详细划分有着不同的意见。有人认为地槽变动和造山运动是本质不同的两种变动,地槽中有的能转化成造山带,有的则不能转化成造山带(别洛乌索夫,1979)。正如造山运动本身名称所表示的,造山运动是一种隆起成山的过程,这种看法是正确的,因为造山过程中的巨大隆起必然伴随有花岗岩化作用和变质作用等大规模内在过程。

地槽的变动、造山运动自前寒武纪以来已经发生过10次以上,它与地台情况类似,不同地质时代的地槽、造山带发生的位置当然与上述中生代中期以后的地槽、造山带不同。在地槽、造山带中,厚约10~20公里的沉积物变形显着,有不同变质程度和变形程度的变质岩,及侵入其中的花岗岩等,这一地区地壳厚度可35~40公里。

(4)断陷槽(aulacogen):指前苏联学者沙特斯基(Shai ski,1946)首先报道的俄罗斯地台中的变动带。这一地带首先是发生每边数十公里的陷落盆地,其后陷落不断扩大,逐渐转化为地槽式沉降,断陷槽中的沉积物厚达数千米。陷落盆地发生后,产生剧烈的火山活动、褶皱、变质作用以及花岗岩的侵入等一系列变动,从这种意义而言,与地槽的发展有相同之处。最近,板块构造理论利用这一概念,认为断陷槽是大陆漂移时在大陆分裂部分产生的,有的还把在大洋扩大域的海岭部分中产生的早期构造也包括在断陷槽内。也有人根据断陷槽发现于隆起程度较大的地盾和地台区,认为原来地槽底部有类似断陷槽的构造发育,其后由于隆起量大的地槽或沉降幅度较小的地槽受剥蚀而呈现目前的地貌(藤田,1978)。如果这种解释是正确的,那么,在地槽内也应首先有造成陷落的具某种规模的隆起运动,然后形成断陷槽。

目前,除俄罗斯地台外,在西伯利亚地盾周边,北美五大湖地区、澳大利亚东部以及欧洲等各大陆都发现有不同地质时代的断陷槽。于是,从元古代到古生代前期的断陷槽也为大家所熟知。

(5)准地台(地洼、semi platforrn):从环太平洋带到喜马拉雅山北麓的中国天山和帕米尔等地区,是古生代-中生代前期受造山运动而稳定的地台化地带。但自中生代中期开始,又发生新的变动。剧烈的断层运动形成陷落及湖泊,同时有大规模的酸性岩浆作用。这种变动在白垩纪、老第三纪及新第三纪持续不断,现在仍有升降运动,这种地区称为“准地台”。别洛乌索夫(1964)把这类变动称为地台的活化。陈国达(1959)所称的“地洼”变动也应属于准地台范畴。

准地台区的地壳厚度各处不一,变化十分明显,最薄处只有20公里左右,而天山和帕米尔地区达70公里以上,是地壳最厚的部分。准地台可以视为与地槽同时发展的大陆中的变动带。也许还能区分出中生代前的类似准地台。

(6)岛弧(island arc)和陆弧(1and arc):所谓岛弧,是指大洋中成弧状分布的列岛。虽然大部分岛弧都集中于西太平洋,但其他大洋也有其踪迹,如大西洋中有中美的安的列斯岛弧和南美的桑德韦奇岛弧,印度洋中有巽他岛弧等。地中海的克里特和意大利等也显示出和岛弧相似的构造。

岛弧中发育有新第三纪-第四纪的火山带,活火山、死火山及休眠火山集中分布,与岛弧平行的大洋侧发育有海沟或海槽、大陆侧有日本海、鄂霍茨克海、东海等具有大洋地壳的边缘海发育。

陆弧也有海沟及火山带发育,虽然与岛弧有着同样的特征,但是没有边缘海。陆弧见于太平洋东侧一带,靠大陆一侧边缘海虽不发育,但有低洼地,且靠大洋一侧海沟及海槽缺如。

岛弧可以分为两类,一类是在新生代以前的古褶皱带基础上,于新第三纪以后产生的第一次岛弧,一类是在古褶皱带不发育地带的新第三纪以后产生的第二次岛弧(Beloussov and Rubich,1960)。日本列岛的本州、硫球弧等属于前者,千岛弧、伊豆-马利亚纳弧等属于后者。但是,千岛弧和伊豆-马利亚纳弧等因有薄层大陆型地壳及其构成岛弧的古老时代岩浆岩、变质岩称“第二次岛弧”,在新第三系之下还可能隐伏着时代更老的造山带。

如上所述,岛弧和陆弧的活动虽受新第三纪以后的变动所制约,但也不能割断与中生代中期开始的阿尔卑斯旋迥前半期变动的联系。于是,岛弧-陆弧的发生虽可追溯到中生代中期,但最明显的活动期仍是绿色凝灰岩地槽活动期及岛弧活动期。

(7)大裂谷(rift):非洲东部、红海、北美西部盆地山脉区、欧洲莱茵地区、西伯利亚的贝加尔等地区,是以狭长陷落盆地或雁行状陷落盆地为特征的裂谷发育带。在这些裂谷带中,常见有玄武岩及火山碎屑岩与陆相沉积物同时沉淀,从沉积物年代判断,裂谷发生于白垩纪后。因为裂谷周缘呈隆起的地形,所以有人解释为,在裂谷陷落前,曾有过以裂谷为中心的大规模隆起运动,也有人认为隆起运动是在陷落后。

大裂谷下的地壳一般较其两侧的大陆地壳薄,热流量也比两侧的大陆为大,因此也有人认为,裂谷正好相当于地幔热对流的上升口。关于大裂谷地壳较薄的原因有三种解释,一种解释认为是地幔的对流,大陆地壳向两侧引张而使地亮变薄,板块构造说支持这种观点;一种解释认为是地球膨胀,地壳被引张变薄;第三种解释认为,由于地幔内产生的透镜状膨胀体的出现,地壳大规模向上弯曲,地壳上部被剥蚀,进而产生断裂,由于引张的结果地壳陷落,并受到来自地幔的热作用发生物质的相变化。研究者以为第三种解释可取。

大裂谷的活动,可以认为是与中生代以后发生的区域变动(如地槽-岛弧变动)相对应的地盾、地台以及海岭中的特殊变动。

3.大洋地壳

大洋地壳在大陆边缘水深2 000米附近,与大陆地壳呈水平方向北渐变关系。总之2 000米深度内地区称之为“浅海”,这一地区原来为大陆所占据。大洋地壳占地球表面总面积的三分之二,与大陆地壳相比,情况不明的部分甚多。但大洋地壳的表面起伏不大,地员构造简单以及地壳组成的大部分形成于中生代以后的较新地质时代等特征已为公认。

大洋地壳的厚度一般为5~20公里,在大洋岛屿及海岭等处最厚。自上而下可分为三层,据深海钻探等探查结果,第一层为未固结的沉积物;第二层一部分为沉积岩及火山岩;第三层为基性--超基性岩,虽然未经钻探证实,但一般认为是由玄武岩蛇纹岩及角闪岩等构成。第二层的一部分岩石以侏罗纪,尤其是白垩纪后的岩石为多。此外在太平洋、大西洋及印度洋等海底也发现有前寒武纪和古生代的岩石。

(1)边缘海(marginal sea):四面或三面为浅海大陆地壳所包围的大洋地壳部分称边缘海。边缘海中,有白垩纪时曾为陆地的墨西哥湾,第三纪曾为陆地的日本海和鄂霍茨克海,中新世后期曾为陆地的地中海和黑海,都是产生于曾为陆地的边缘海。关于边缘海大洋地壳的产生,目前已有几种假说。一种假说认为,曾经是大陆的地壳被破坏,发生陷落,引起基性岩的侵入形成大洋地壳(别洛乌索夫,1960)。一种假说认为,曾为大陆的地壳因隆起遭受剥蚀,只有下部地壳保存,沉降而成为今日的大洋地壳(牛来,1966,溱,1973)。另一种假说就是吸取板块构造理论的假说,认为,今日的日本列岛曾和大陆相连接,以后在分裂扩张过程中,基性岩浆溢出,形成今日的大洋地壳。还有一种假说主张,地球自形成以来,大洋地壳一直保持着现在的分布状态。

(2)海沟(trench)和海槽(trough):海沟和海槽平行于岛弧分布,自岛弧侧其深度逐渐增加,一般可达6 000米以上,最大可超越10 000米。海沟或海槽后向大洋侧深度渐减,逐渐向大洋盆地过渡。海槽深度小于海沟,为深及4 000米以上的狭长凹地。海沟和海槽宽为25~120公里,长达350~4 500公里,其中几乎没有沉积物,或者只有很薄的沉积物,但波多黎各海沟和南海海槽中有相当厚的新生代沉积物。一般认为,现在海沟的形成时期很新,是在新第三纪或其后产生的。

(3)海岭(oceanic ridge)和海隆(oceanic rise):海岭和海隆是连续分布于大洋底的大规模山脉,与大洋盆地洋底的高差可达4 000米以上,其宽度可达200~500公里。海岭中轴部地沟发育,两侧为起伏剧烈的地形。没有上述复杂地形的山地称为“海隆”,海岭地质构造复杂,出露有玄武岩、镁铁质--超镁铁质深成岩类及变质岩等。因此,海岭中有大洋地壳的第二层出露,但在大西洋、印度洋及太平洋等海岭曾采到前寒武纪岩石。

沿海岭及与其直交发育的断裂带中已知有地震和火山活动,由于海岭附近热流量大,故称之为地壳变动激烈的场所。海岭的莫霍面下有低速层发育。在大海岭和岛弧等地区的莫霍面下虽然也发现了低速层,但这些地区都是现在已知的变动带,因此,有人认为这种低速层是与相关变动带的发现有密切关系。海岭两侧还有与其长轴方向平行的地磁异常带发育。这种地磁带的出现虽然解释为与海岭地壳第二层附近的岩石有关,但其实质尚不清楚。关于地磁异常带的成因虽然已有几种解释,其中之一是海底扩张说,进一步引申则成为板块构造说的基础。根据这种观点,认为地磁异常带反映了古地磁方位的正反,并且以海岭为中心在两侧对称分布,越向外侧地磁的年代越老,这是造成海岭的岩石从海岭中心涌出,并在那里一分为二,逐渐向两侧移动而形成的。另一种观点则与之不同,认为古地磁异常的排列是在海岭隆起过程中,从外测向内侧逐渐发生裂缝,侵入裂缝的岩浆岩记录了当时的古地磁情况造成的(Dillon,1974)。还有人认为,古地磁并不都是以海岭为轴对称分布的(别洛qng乌索夫,1977)以及这种古地磁是前寒武纪的磁性岩石(Meyekhoff and Meyer hoff,1975)。

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