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第5章 你想知道地壳结构吗(1)

地壳的结构是有变化的

地球的表面分成大陆和海洋两部分,这是早已为人们所熟知的。而且大陆和海洋并非固定不变,有时会出现相互转换,这一事实也被古代的一些学者注意到了。但这些自然现象仅限于表象,内在的机制仍不得其解。自从西欧的产业革命发生以后,人类对矿产资源的需求日益迫切,于是,欧洲、北美大批掘金者向山区进军,掀起开发矿业的高潮,与山石打交道的机会逐渐增多,对地球本身问题深入探索研究,大到地球的来历,小至矿物晶体形态的特点,无不感兴趣。

当此之际,有些科学家提出了这样的疑问:大陆上为什么有高山、平原、盆地之分?为什么有些山岳内的岩层褶皱得十分剧烈,而有些山岳的岩层平平地躺卧?有些山体内由大量的火成岩组成,而有些山体见不到火成岩,遍布沉积岩层?等等。研究者联想到莫非各地的地壳结构有所不同?其中的奥妙何在?100多年来大批地质学家纷纷围绕着地壳的构造问题进行研究。

1859年,美国地质学家J?霍尔在调查研究北美的阿帕拉契亚山脉时,发现那里的古生代地层厚度达万米,褶皱异常剧烈,与相邻不远的平缓起伏的地层厚度相比,相差10倍之多。这些由强烈褶皱且巨厚的岩层组成的山脉,分布在狭窄而呈条状的地带内延伸,而平整厚度不大的地层分布在宽阔的地区,两者相比反差很大,这又是为什么呢?他反复考虑后认为:地球表面可能存在狭窄的长条形槽状凹地,如阿帕拉契亚山脉最先接受沉积的地方,当后来地壳发生运动时,巨厚的岩层出现褶皱,运动强烈,褶皱也剧烈,最后抬升形成山脉。到1873年,另一位地质学家丹纳补充了霍尔的研究,认为长条形的凹槽地属于浅海沉积环境,不过凹槽在持续沉降,所以浅海相的岩层变得十分巨厚。他还将这个凹槽地形称为“地槽”,是山脉的摇篮。

就在这个时候,欧洲的地质学家休斯与奥格却认为地槽是深海沉积环境。

到1885年,休斯注意到霍尔曾经提过的相邻地槽之侧广袤达几百万平方公里、近等轴状或多边形地区的地质特点,构造简单,地层厚度较小,常呈平丘缓岗地形,他认为这是地壳运动比较平和的稳定区、称之为“地台”。

自此以后,地质学家就接受了霍尔与休斯对地壳结构的解释,认为地球的大陆部分由地槽与地台两种不同的构造单元组成。以我国为例,整个秦岭、淮河以北的华北地区及其邻近的东北南部、朝鲜半岛大部与西北东部就属于地台区。这里从古生代(甚至元古代晚期开始)直到现在,都属于地壳的稳定区,未曾经历过剧烈的地壳运动。地形上也只是一片广阔的平原或高原,其间虽然也有山脉,但未见绵延千万里、高耸入云的山岳。与相邻的秦岭、天山、祁连山、兴安岭相比,后者则完全是另一番形态,狭低的山脉,延伸可达几千公里,高度可达雪线以上,甚至有现代冰川。凡是地壳剧烈运动导致的强烈褶皱与岩浆侵入的痕迹均历历在目,不少岩层均遭到变质作用。如果再追究一下这些山脉发生地壳运动的时间,可以发现古生代的不同时期均有所表现,说明它们并非稳定地区,而是活动地区。

如果推而广之,就世界范围而论,北美的加拿大、俄罗斯平原、西伯利亚平原、北欧的芬兰、瑞典一带、澳大利亚、非洲内陆、南美洲的巴西及其邻近地区、南极洲等地均属于稳定的地台区;而许多着名山系,如安第斯山脉、乌拉尔山脉、阿尔卑斯山脉、喀尔巴阡山脉、高加索山脉、喜马拉雅山脉、洛基山山脉以及许多岛链地区都属于活动的地槽区。

研究者还认为:地球早期,确切地说地壳形成的初期阶段,活动性十分明显,几乎到处是火山喷发,地震摇晃,造山运动的特点无处不见,完全是一派地槽面貌,地质学家称之为“泛地槽”。后来,在大海般的泛地槽中间出现若干岛屿状的稳定性的地台,称之为“原始地台”。随着地质历史的发展,原始地台逐渐扩大,地槽范围则相对缩小。也就是说,在地台周围的地槽,经过地壳运动的洗礼,都变成山脉,归附于地台的周围,这就是地台逐步扩大的由来。

以地槽--地台的发展为主导思想的地壳构造理论,在60年代前几乎风靡了半个世纪。但许多地质学家在研究时,仍不免对它们的某些问题发生诸多怀疑或感到解释不大满意。比如:

一、当地台形成以后,就不会再有什么变化,甚至不可能转变为地槽。换句话说,何处是地台,何处是地槽,固定以后就不会再有变化。即使有变化,最多只限于若干小型的变化,不会再出现本质的变化,这符合自然界的规律吗?

二、在阐明地槽--地台发展历史时,讲不出它们的本质因素,也无法解释为什么地槽是长条形的,而地台是块体状的?

三、各个地槽或地台的发展过程可以讲得清楚,但无法说明各个地槽或地台之间的关系问题。特别是强调地壳的垂直运动、忽视大规模的水平运动时,更难以讲清两者的关系问题。

四、“地槽--地台学说”建立在大陆地质资料的基础上,而忽略了比大陆面积更大的海洋地质资料,所以,对海洋地质发展史的特点几乎未能涉及。这样了解全球的地壳构造显然是不全面的。

五、运用今天所获得的“现代地质资料”去阐明过去的地球历史十分困难,地质学上着名的“将今论古”的原则在“地槽--地台学说”中难以运用。因此,地质学家们不满足于地槽--地台那样固定论的思路去观察地球,他们进一步追究地壳构造的实质性问题是很自然的事。

活动论的前言后语

20世纪60年代中期开始,由于海底磁异常带的不断发现,大洋中脊地质资料的不断丰富,海底扩张事实受到地质学家们的重视,对地壳构造的新构思也就日趋活跃。例如1965年加拿大地球物理学家威尔逊在研究海洋地质构造时,发现大洋中脊被一系列横向断裂带所切割,其间距离约为50~300公里。这种断裂带与中脊的轴线垂直,表面一看,颇似中脊形成后被后来的平移断层错开,但仔细观察,这种断层却是由中脊轴部向两侧的海底扩张所引起的,于是他把这种新发现的断层类型命名为“转换断层”。再深入观察时,发现洋底的中脊与中脊、中脊与海沟、海沟与海沟之间都是由转换断层连接起来的,而且洋中脊、海沟、转换断层这三种地质构造都属于地壳的活动构造带,以地震的频繁出现为主要特征。这种活动构造带没有终端,它们连绵不断地从一种活动带转换为另一种活动带,直到封住自己的端部。这样,整个地壳(岩石圈)并不是连续完整的圈层,而是由这种活动带首尾相接所分割形成大小不一的块体,称为“岩石圈板块”,简称“板块”。

大洋底的转换断层

1968年,法国地球物理学家勒皮雄根据大量新资料分析后提出地壳是由板块构成的学说,称之为新的全球构造理论。这个理论认为,固体地球表面是刚性和黏性都比较大的岩石圈,厚度约50~150公里,而大洋底部的岩石圈的厚度不到10公里。岩石圈下面是厚约100~200公里的脆性和黏性都较小的软流层。岩石圈被一些活动带(洋中脊、海沟、岛弧和大断层)切割成若干大小不同的板块。全球大致划分为欧亚板块、非洲板块、印度洋板块(或印度板块、印度-澳大利亚板块),太平洋板块、美洲板块、南极洲板块六大板块。这些板块沿岩石圈与软流圈的界面在地幔对流作用下作大规模的水平(漂移)运动,全球构造大规模相对运动是地壳运动的最基本的因素。这些板块的边界不一定正好是海陆边界,例如北美板块除包括北美大陆外,还包括大西洋中央裂谷(大西洋的洋中脊)以西的半个大西洋,同时,其西部边界还包括了西伯利亚最东部的楚科奇地区;又如太平洋板块,虽然基本上是在洋底范围,但其东部边缘包括了旧金山附近圣安德列斯断层以西的狭长陆地和加利福尼亚半岛。各板块的划分依据是同一块体内的地层分布、地质构造,地球物理资料等都是相对的。

总之,板块是稳定区的地壳构造,其内部没有剧烈的地壳运动,地势相当平坦,类似于地台区,而板块周边的狭长地带是强烈的地壳运动发生区,地势反差极大,类似于地槽区。板块与地台相比,最大的区别在于能活动,在地质历史时期曾发生过多次漂移,这也就是活动论者最基本的出发点。如欧亚板块与印度板块的关系:在三叠纪以前,印度板块原是南半球贡瓦纳大板块的一部分,三叠纪以后,从贡瓦纳板块分裂出来,并向北漂移,到早第三纪时,越过赤道,并与欧亚板块相撞,促使喜马拉雅山形成,于是,印度板块与欧亚板块联结在一起。

世界板块构造图(勒皮雄1968)

后来的板块研究者在勒皮雄的基础上再进一步分出若干,如1983年司多坎将全球划分为12个板块,还有划出几十个的。他们是怎样划分板块的?各板块的边界又有什么样的特征呢?一般说来,海洋里的板块边界主要有洋中脊、海沟、地震活动带。在陆地上则有高大的山系、蛇绿岩套(一种深海沉积与来自上地幔的蛇绿岩的混杂岩)、混杂岩组成的断层带、大型的断裂带等。

最近几十年来,通过海洋地质、古地磁、大陆边缘的电脑拼接技术、深部岩石的分布、地震带的分布等多门类科学研究证明:海底裂谷的诞生与海底的扩张是洋中脊向两侧推移的结果;地壳的表面是由若干大小不同的板块组合而成的,板块会随着洋中脊的分裂扩大而漂移,即所谓海底扩张一板块构造-大陆漂移组成了地学革命的“三部曲”。

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