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探析海沟与岛弧之成因

投稿时间:2017-03-25 12:13 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

徐列明先生曾于本栏目发文[1],质疑板块构造理论与海沟沉积物之间的矛盾。徐先生观察问题的眼光非常敏锐,并且分析问题也显聪慧。对徐先生发现问题和提出问题的能力本人很是欣赏,只是对其海沟与岛弧形成机理的观点不能苟同。

一、   海沟的形成

徐先生文章开头就指出;“依据板块构造理论,洋脊两侧的海床以对称扩张方式产生的新洋壳,不断推向两侧海岸方向,洋壳板块遇到陆壳的阻挡,由于洋壳密度大、在强大驱动力下俯冲于陆壳下地幔中,从而形成海沟。于是海沟又成为洋壳向下俯冲、潜没于陆壳板块的地形地貌证据。”我认为板块理论的总体思路是对的,不过太笼统,缺少细化。

本人在此前的几篇文章中已经指出,三层岩石圈是分层形成的。这一思路能很好的理解造山运动[2],海湾及盆地的形成[3]。只有岩石圈的原始的第一层(花岗层)是在全球的各地经冷凝固化而成。第二层玄武岩和第三层橄榄岩都是在洋中脊形成,尔后经洋底海床扩张,慢慢潜伏而复插于上层岩层之下并推布到陆区。

第一层花岗岩由自然冷凝而成,其厚度服从阿基米德定律。即,最原始的只有一层的花岗地壳,地上越高的地方,地下越深,岩层越厚,成镜像对称。在陆地的古地盾(克拉通)区花岗层最厚,也最深。当第二层玄武层洋底板块推进到某一古地盾之下时,其前沿就要向下俯冲。俯冲时,越向下岩浆密度越大,温度越高,本身变软,遇到的阻力也越大,因此前沿变厚,推进变慢。其结果,花岗岩层越厚的地方,玄武岩层也越厚。

当在大陆边缘遇到的花岗岩层比较薄时,玄武岩层并不需要明显的向下俯冲,几乎平推就能潜伏于第一层之下。因此,像徐先生说的“洋壳板块遇到陆壳的阻挡”,“俯冲于陆壳下地墁中”的现象并不代表岩石圈的第二层玄武岩层形成的大多数情况。如果玄武岩质的洋壳板块刚推进到大陆边缘,就俯冲下插到地墁中,那么,大陆的内陆纵深地区的岩石圈中的玄武岩层就形不成了。因此,在洋壳板块向陆壳岩层底部推进时,尤其是岩石圈第二层的推进,大多数都是以潜伏平冲推进为主,而潜伏俯冲推进只是在遇到像克拉通或盆地、海湾等比较厚重的上层时才会发生。而更普遍的应该是平冲和俯冲的过渡形式。

离洋脊最近的海沟应该是最新的断裂缝,其沉积物是比较新的,不会超过2亿年。并不像徐先生说的,是洋壳形成一遍2亿年的N倍。

徐先生还想到,当洋壳潜入陆壳之下时,像生锈的钢钉打入硬质木头或水泥地时,会把剥落的铁锈留在外面那样,将洋壳上的沉积物留在海沟处。我们认为,海沟只是洋壳岩层的断裂缝,并非潜入陆壳之下的入口处。真正能把沉积物残留下来的地方,应该是潜伏平冲的入口处。我想印度大陆的形成就应该属于此种情况,它就应该是印度洋海相沉积物与上层陆壳的复合物。印度大陆靠近青藏高原的许多地质构成物就应该是徐先生所说的“从钢钉上脱落下来的铁锈”。因为印度大陆同属于印度洋板块,并且一起不断地潜伏平冲插入青藏高原的上层陆壳之下,而不是俯冲。或者说,虽然具有稍微的俯冲角度,但基本上还应该算潜伏平冲模式。当然,当平冲插入的距离太大时,由于插入部分受热变软及密度差的影响,也会发生断裂和折沉现象,这些都可能发生在我国青藏高原的地下。

同样的情况也可能发生在太平洋的东海岸。不过,太平洋东海岸的情况应该属于平冲与俯冲的过渡式。作为岩石圈第二层的最早的玄武岩层,是以潜伏平冲插入美洲西海岸的上层的花岗岩的岩层之下。当深入到美洲内地遇到类似克拉通的陆区时,前锋才开始俯冲变厚。因为俯冲区已经深入到美洲内地,在洋区并未产生多大的弯曲张力。所以在那一地质时期,在太平洋东海岸附近并没有发生海床断裂,也没有形成海湾和岛弧。

随着玄武岩层洋区板块的推进,其前沿在美洲的内陆纵深区域受阻增厚变慢,增厚的区域也逐渐由内陆向海岸扩展,也就是增厚区从前沿向后扩展,甚至扩展到洋陆交界处。当作为第三层的橄榄岩层再俯冲插入到美洲西部海岸时,就已经由平冲过渡到了俯冲。由于俯冲产生的弯曲张力使洋壳海床发生断裂。所以在太平洋东海岸附近形成的断缝——海沟就比较年轻。在那里脱落的“铁锈”自然也就比较少。

总之,我们认为海沟并不是底层板块在上层板块之下向下潜伏俯冲的产物和证据,而是在推进过程中前端遇阻时才向下俯冲;由于前沿向下俯冲产生的弯曲张力使其更刚性的中后部产生断裂而形成的裂缝。这样作为裂缝的海沟的沟下或沟底新冷凝形成的岩石的年龄比海床更年轻,就很好理解了。海沟沉积物的多少及沟中岩石年龄与沟两边的海床岩石年龄也就没有必然的相关性,但有一点是肯定的,就是海沟比海床肯定要年轻的多。

如果在某一洋陆交界处经过了第二和第三层岩石圈的推进重叠,并且发生过两级或两级以上的俯冲后断裂而产生多道海沟,那么离大陆越远,离洋脊越近的则会越年轻。如太平洋西北海岸的日本以东海沟就比冲绳海沟要年轻的多。

二、   岛弧的形成

岛弧的形成与海沟有关,往往相生相随。当第二或第三层岩石圈板块随洋底扩张,推进到近岸区域遇到海湾、或级连的盆地或克拉通等那些比较厚重的上层岩石板块时,发生角度比较大的潜伏俯冲插入。在前沿区变厚变慢,而在后中区的海洋区则产生向上凸起的弓形弯曲张力。当张力超过岩石板块的强度限制时就会发生断裂。

我用老家烙的大锅饼,做过实验。这种大锅饼有一、两厘米厚,表面比较硬,里面比较软,可形像地代表上硬下软的大洋岩壳。我们用一只手握住饼的主体,试从边上掰下一小块。如果用另一只手的拇指压在上面用力向下掰,掰下的那块就是弧形,弧形凸的一面是向饼心的,凹的一边则向着饼边。如果我们想让掰缝成为直的,两只手的上、下就都必须成直形用力掰才行。这个实验结果与岛弧的弯曲方向是一致的。

这说明,凡是有岛弧的地方,我们就能用数学作图法找出其假想的圆心所在地。这个圆心就是我们向下用力的那个拇指的位置。它一定对应着一个海湾,或者盆地,或者克拉通区域的中心。例如,山东半岛与辽东半岛所在的岛弧,它们的圆心就在渤海湾与华北克拉通的连线上。并且越靠近海洋,岛弧的曲率半径就越大。

洋底板块在洋陆交界区断裂,并不意味着洋块推进的停止,而是表明推进遇到了很大的阻力,速度变慢。太平洋西海岸众多岛弧及海湾的形成,表明太平洋板块在向西的推进中,遇到了巨大的欧亚大陆的阻力,而其洋底扩张的动力主要作用到了太平洋东岸。所以,现在太平洋底板块向美洲大陆之下的潜伏插入速度一定快于在西海岸向亚洲大陆的插入。

我国东部沿海岛弧比较明显的还有台湾群岛。而我国东部沿海的江苏、上海及浙江区段上这种岛弧效应明显变弱,说明在这一方向上,比在渤海湾及台湾方向上,太平洋板块在下层向亚洲大陆的插入所受的阻力相对较小。其玄武岩层及橄榄岩层向西向欧亚大陆的中心的推进更加顺利,更加深入,可能沿长江方向直到四川盆地。

地球上的海洋面积远大于陆地面积,大洋板块之下的软流层中轻流质从洋脊深处向两岸缓慢流动,拖曳了洋底的撕裂及洋底板块的扩张。这种扩张力是巨大的,它驱动着洋底岩层潜伏插入陆壳之下,形成重叠的三层岩石圈。这种下层在陆区的推进,其前沿就像一座正在平移的大坝,它推动了聚集在它前面的软流层中的轻流质,从大陆的边缘不断向大陆的中心区流动。它可能是大陆板块岩石圈之下软流层中轻流质流动的一种重要方式,它对地震的影响也是重要的。20170325

参考文献

1、徐列明,海沟是洋壳板块俯冲形成的吗?中科院科学智慧火花,2015年5月20日.

2、王孝恩,岩石圈分层形成的可能性与造山运动. 2016-11-1

3、王孝恩,海湾与盆地的成因探析(20170317投稿)