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第21章 你了解地壳和地幔吗(3)

在与大陆相连的日本列岛太平洋侧边缘部分,侏罗纪以后形成了上述的日高、北上外缘、四万十等地槽。与此同时,在其后背地的日本列岛、日本海域,亚洲大陆东部等所谓准地台区域,自侏罗纪、白垩纪开始,发生并发展了特殊的地壳变动。变动的特征是,首先发生剧烈的断层,出现湖沼性陷落盆地,继之有中性-酸性火山作用及酸性岩浆的侵入。这类中酸性火山喷出物统称为“浓飞流纹岩”。日本列岛的这个变动称为“广岛变动”,中国大陆地区的这个变动称为“燕山运动”。

5.绿色凝灰岩地槽区和岛弧变动区

绿色凝灰岩地槽分别发育在本州弧、千岛弧、伊豆-马利亚那弧、琉球弧的内侧,也就是分布在大陆侧或菲律宾海侧。其中变动量较大地区包括本州弧内侧,伊豆-马利亚纳弧与本州弧的交叉部。这些部分是名副其实的地槽,沉降量大,变质作用和花岗岩活动也强烈。其小丹泽地区的绿色凝灰岩地槽中有剧烈的造山运动、大规模变质作用、花岗岩的侵入以及强烈的褶皱和隆起现象。其他地区的绿色凝灰岩地槽是否经历过名副其实的造山运动,尚无定论。东北日本东西剖面图(石和田等,1977)

日本列岛新第三系和第四系的地质构造分区图 绿色凝灰岩变动和优地槽变动模式的比较图(藤田,1978)

绿色凝灰岩地槽区还可单纯地根据火山活动的强烈程度分为:初期岩浆活动明显的内侧带和活动不明显的外侧带,前者称“绿色凝灰岩区”,后者称“非绿色凝灰岩区”。

现以典型的东北日本为例,论证绿色凝灰岩地槽的发生和发展。绿色凝灰岩地槽的发生期,由于地幔上隆产生深部断裂,东北日本被分割成平行岛弧方向的宽约50~100公里的断块。其中,上凸断块的地壳中产生许多岩浆库,由于它们的上拱作用,地表形成大量火山性陷落盆地。同时,地壳开始沉降,海水不断浸入,在沉降剧烈的湖底和海底开始了初期火山活动,沉积了巨厚的火山碎屑岩。

进入中新世中期的最大沉降期后,沉降中心向日本海沿岸和浅海底的断块迁移。在这些部分的断块中,初期火山活动较弱,表现为冒地槽特点,是褶皱构造主要发育的地区。同时在断块的边缘通过早期深部断裂有基性岩浆岩的侵入和喷出,岩石组合除没有超基性岩外,其余与日高地槽等所见的蛇绿岩相似的基性侵入岩极为发育。

中新世后期,绿色凝灰岩地槽几乎全部隆起,地槽实际上是消亡了(藤田,1972)。日本列岛在全新世以后,绿色凝灰岩地槽区以及更广泛的区域里发生和发展了新的地壳变动,称“岛弧变动”。

岛弧变动期中,日本列岛又为新的地幔上隆生成的断裂分割为边长数公里~100公里以上的断块,其中一些断块陷落,掀斜发育而成沉积盆地。造成变动期断块化的断裂,常常是以控制绿色凝灰岩地槽断块化的断裂再活动的形态出现,典型地区为新泻沉积盆地和中部-近畿地方的濑户内沉积盆地。但上述两期的断裂并不完全一致,有时由于岛弧变动的断块边界断裂运动,也引起绿色凝灰岩地槽的地层及以后新地层发生褶皱和断层。

以上论述了不同地质时代构造区的特征。从发展史的角度看来,至少可以说日高地槽后的所有构造区相互间有着不可分割的关系(铃木等,1978;藤田,1979)。也就是说,在中生代中期,太平洋侧有日高、北上外缘、四万十等地槽发生的广岛变动,大陆侧有准地台的燕山运动。老第三纪-新第三纪,太平洋侧有绿色凝灰岩地槽,大陆侧的准地台中有大规模的陷落盆地形成;全新世以后,太平洋侧有包括海沟在内的岛甄变动,准地台的大陆侧有大规模的造盆地运动。以上三次大的变动都是发生在大陆和大洋边界附近的一系列变动,涉及宽度可达3 000公里,因此可以认为其原因在于与此深度相当的深部变动。

你了解地幔吗

如前所述,地球表面是由各种构造单元构成的,各构造单元的地壳厚度及速度结构都不相同。下面将探讨各构造单元的差异所涉及的深度问题,然后讨论可能对构造运动起重要作用的低速层的结构和分布,进一步阐明包括日本列岛在内的构造运动十分活跃的岛弧深部构造。

1.地幔构造的地区性差异

近年来,从体波和面波的分析确认,大陆和大洋的上地幔构造不同(金森,1970)。例如,洋底50公里以下S波的低速层极为发育,而大陆S波的低速层很薄,有的地带还缺乏此层。有人指出,在大陆地区上,下地幔的速度差异很小。这些结果主要是根据面波的反射求得的,并被地球自由振动观测结果证实。

以下讨论稍深部的深部构造。在深源地震的谱相中经常记录到ScS波,这是S波从地核表面反射折回的地震波,解析这种波形并比较大陆和海洋区的S波走时曲线,发现这种波在海洋的走时要多5秒左右(Sipkin and Joroan,1975)。赛普肯和乔丹(Sipkin and Jordan,1975)在分析了上述成果和面波反射资料后指出,大陆和大洋构造的差异可深及400公里以上的深度,并设想这种差异可深及整个上地幔即1 000公里以上的深度。

下面是有关大陆和海洋区域各构造单元的上地幔构造问题。地台和造山带构造单元的地震波速度结构差异一般可深及200公里(金森,1971)。例如,日本及美国西部构造运动活跃的年青造山带内,可见P波的速度小于8.0公里/秒的低速部分,并有明显的低速层分布,而在亚洲中部及美国中部构造运动不活跃的地台区域,P波速度却大于8.0公里/秒。美国中西部构造运动中等程度的地区,P波速度结构也是居于中间。

下地幔较之上地幔变化小,地区性的差异也较小,因此要查明下地幔的地区性差异就很困难(金森,1970)。但是,最近有人指出下地幔也有地区性差异。乔丹和林恩(Jordan and Lynn,1974)在分析了南美深源地震走时后指出,在加勒比海下深400公里至1 100公里的地幔中,地震波速比周围快百分之一左右。朱利安和森厄普塔(Julian and Sengvpta,1973)解析通过地球内部不同途径的深源地震走时异常(与杰弗里斯?布伦的标准走时差相比较)后指出,下地幔存在范围达1 000公里的速度异常区域。根据他们的研究结果表明,在千岛和阿留申群岛的下地幔较浅处地震波速快,夏威夷西北地区的下地幔虽有地震波速快的地区,但夏威夷群岛附近的下地幔地震波速慢,中美洲周围的下地幔地震波速快。

亚历山大和菲尼(Alexander and Phinney,1966)研究地核附近的P波折射后指出,更深部也存在地震波速度结构的地区性差异。例如,太平洋下的地核一地幔边界附近的速度结构就与北大西洋及非洲的速度结构不同。

综上所述,近年来已经大量论及到自上地幔深及下地幔的深部构造问题。但是,有关大陆和大洋?造山带和地台?以及造山带为更小的构造单元相对应的深部构造问题,仍是今后有待研究的课题。

2.地幔的低速层

古登堡于1939年虽然提出了在上地幔中也存在较上下层位的地震波速较小的层位,因为这是单纯地通过解析一般走时曲线不能定论的问题,所以,长期以来未能被确认。但是根据面波的频散、地球自由振动、走时曲线斜率等资料的详细解析,以及对地震波振幅和振动数等的讨论,低速层的存在已无疑问,并且明确了低速层的分布具有地区性的特征。

这种低速层在海洋下位于50公里以下的深部,大陆区位于100公里左右的深度,说明低速层在海洋位置较浅,而在大陆位置较深。但大陆区低速层一般发育不好,似乎不是普遍存在。例如:据自帕米尔高原通过天山、阿尔泰山、萨颜岭山脉至贝加尔湖的人工地震资料,这一地区似乎没有低速层的存在(Alekseev等,1973)。

据报道,上地幔中的这种低速层不仅只有一层,有的地区有三层与普通速度层成互层(Kind,1974)。同样,在西太平洋已观测到有两层低速层存在(Nagumo等,1981)。

在此以前,塔拉卡诺夫(Tarakanov,1971)指出,千岛群岛和日本列岛地区的60~80公里、110~150公里,220~300公里及400公里附近,有比其上下层的P波速度较小的速度层存在,不仅是P波的速度问题,共振幅也与地震的规模有关,也就是说,地震的在规模这种低速层部分变小,或者不发生地震。

现在,人们把低速层之上的最上部地幔和地壳合称为“岩石圈”,而把其下的低速层称为“软流圈”,岩石圈的厚度在大洋底平均为70公里,大陆的一部分地区有的可达200公里。日本列岛和千岛群岛等第三纪-第四纪的变动带(绿色凝灰岩地槽区)下,莫霍面下面直接为低速层。同一低速层在北美西部的盆地山脉区也有类似的情况。因此,这些地区的岩石圈厚度只有30公里左右。

大陆岩石圈认为是浮在所谓软流圈上漂移,从这一观点出发,低速层的构造及其发展形式是关键的问题。特别是如果大陆内有不存在低速层(软流圈)的场所,则对板块构造说,尤其是对不考虑“地球膨胀说”的“大陆漂移说”将是不利的资料。

3.岛弧的地幔构造

已经查明,位于大陆和海洋交界的岛弧,具有与深源地震面相关的特殊地幔构造。即在深源地霞面附近,地震波速较其周边领域约快6%,地震波的吸收也小。然而,关于这种高速低吸收域及地壳间的楔形领域,则地震波速既慢且吸收也大(宇津,1967;Oliver and Isacks,1967;宇津,冈田, 1968)。这种低速高吸收域,在日本列岛分布于从火山带东缘附近到内侧的广大地区,但在内侧各处的分布似乎并不均一(铃木,1975)。事实说明地震波速度结构是与地质构造单元对应变化的。

有人根据小笠原群岛附近发生的地震震源位置,在北美西部蒙塔那州地震观测所的观测有系统位移的事实提出,小笠原群岛630公里深处的不连续面呈向东10°左右倾斜的模式(Davies and Sheppero,1972)。

事实说明,岛弧是以内侧的边缘海与大陆为界,岛弧与边缘海构造上的差异至少可达海源地震面附近。也就是说,从北海道到桦太地区以及本州中部等地区,深源地震面的等深线是横切地质构造从太平洋侧向大陆侧逐渐变深分布。然而与深源地震的发生相关的断层走向,则与鄂霍茨克海、日本海等边缘海的外缘平行并且与日高造山带的方向平行(铃木,1979)。上述事实说明,边缘海及造山带是以与其外缘或其走向略成平行的,深及深源地震面的垂直深部断裂为边界。

还有证据说明,岛弧内大的地质构造单元具有深及地壳或上地幔相当深度的根。例如,绿色凝灰岩地槽区,有数十公里广范围的前第三纪基底岩石出露,其周边一般都以断裂与新第三系为界,沿断裂还有各种岩浆岩的侵入。这一地区发生的地震,无论是壳内地震或是100公里以上的深部发生的地震,都集中于基底的周边区域。而且当100公里以上的深部发生地震活动时,其上的壳内地震也有活动的趋势(铃木,1975)。这些都说明,基岩出露区域的根至少可达上地幔的深源地震面附近。还有实例说明,从P波初动分布求得的断层走向与地质构造单元的边界平行。如在宽约30~40公里的东京湾周边地区,40公里深度以上的地震断层面走向就平行于东京湾外缘。

岛弧整体的深部构造模型为震源图(宇津,1977)

事实说明,上述各构造单元至少显示,地震发生的深度是有根据存在的。

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