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造山运动与褶皱山脉成因探析

投稿时间:2017-10-06 16:23 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

爬山登高眺望,峦麓起伏叠荡。远近峰谷相似,曾否鬼斧神将?近年来对于地质史上的造山运动与褶皱山脉相关的迷团越搅越浑,其成因仍是学界不断争论的热点。本文依据先前提出的岩石圈分层形成之思路,认为只有最上层的花岗层是在遍布全球表面,并在当地通过密度分化及冷凝产生,而其下的玄武层及橄榄层都是先在大洋中脊裂隙由上涌的相应岩浆冷凝产生,而后逐渐从洋脊向两岸推进漂移,并复插广布于花岗层之下而成。地质史上褶皱山脉的大规模造山运动发生在最早的花岗层与玄武层的推覆重迭期。

一、造山运动的能量来源

地震、火山爆发、造山运动、裂谷酝酿[1]等重大地质事件的能量都是来自于板块运动。对于板块运动的能量来源,至今众云不一。作者认为,在大的地质演化进程中,整个地球都处于缓慢地降温和冷却的过程中。也就是说,大趋势是降温,内热外散。由于在内部还没有固化的地墁(甚至地核)中,存在密度不同的各组分的分化,密度小的物质上浮,如图-1中向上的红箭头所示;密度大的下沉,如向下的黑箭头所示。上浮的轻流质行至固态岩石圈底部时受阻而积累形成软流层,尔后沿岩石圈底面由低处向高处(或由压强大的向压强小的区域)缓慢流动,如图-1中的大致水平方向的红箭头所示。这就像天上的降水落到地面上汇成江河而流向大海一样,有重力足够,并不再需要什么额外的其它能量来源。

软流层中的轻流质首先从大洋的中间最深处的洋脊开始,沿板块的底面向大洋两岸缓慢流动,如图-2中的水平红箭头所示,驮曳并撕裂着大洋板块向两岸漂移。这种轻流质的分化和上浮,在整个地球表面,大尺度分布是均匀的,因此产生的驮曳力与板块面积成正比。板块越大,驮曳漂移力越大。地球上海洋板块的面积远大于陆地板块,因此大块头的海洋板块挤压并潜插入小块头的陆地板块之下成为必然。另外,地球自转离心力产生的离极向赤漂移力,地球公转近日点不对称造成的背日潮汐[2]及月潮共同引起的由南回归线涌向北回归线的漂移力,以及角动量守恒引起的陆西洋东的漂移分化力,一起构成了地球板块运动的四大漂移力[3]。本质上,这些驱动力都是来自地球的内热外散,通过岩石圈以下各物质的密度分化所表现的复杂的运动形式。如果将来,地球内部全部被冷凝为固态,上述地质活动自然就会慢慢消失。


二、早期的环形火山与古地盾的形成

在早期仅单层的花岗岩质的冷凝成岩过程中,一方面由于岩浆的粘滞性及热扩散速度的滞后性,另一方面,由于冷凝成岩是一种体积缩小及表面积减小的过程,必然对岩层之下的岩浆造成一种额外的收缩压力,从而产生错动或火山喷发,造成最原始的单层的花岗质地壳厚度不均。整个厚度服从阿基米德定律,就像大海上漂浮的冰山,上面露出的越多,岩层越厚,底面向下突出的也越深。中等尺度上比较厚的区域形成地球上最早的古地盾(克拉通)胚胎,因为还没有露出泛海的海面而暂称为古地盾胚胎。岩层较厚、较深的底部的轻流质向周围扩散,使得这种区域的活火山减少,岩层地质活动趋于相对稳定。

在这些古地盾胚胎周围,单层的花岗壳比较薄的地方,在壳下汇聚了更多的轻流质,火山活动密集并且剧烈,这时形成的火山多为环口的锥台形。此时的地形地貌全然不同于今天的褶皱山脉。这些火山区域同样遵从阿基米德定律,上面是零散遍布的锥台式火山,底面是零散遍布的与上部火山相对应的向下突起(疙瘩或环唇形)。每座火山与每个古地盾胚胎虽然形成机理相同,但其区域的大小不能相比。古地盾胚胎是构成地壳的宏观组成部分,而单个火山是构成地壳的微观组成部分。由于比较深厚的古地盾胚胎之下的轻流质流向周围,汇聚成了古地盾胚胎周围的火山区域,所以,今天我们看到起伏迭荡的广漠山区总是与周围的某个古地盾(后来发育成盆地或平原或高原)相间并存。这一相伴现象早已被陈小华等人注意到[4]

三、褶皱山脉形成时的造山运动

待到自洋脊形成的玄武层推进至花岗层的火山区域的底部时,由密度分化而成的花岗质岩浆已经基本冷凝完成。如图-3所示,每个火山底部都冷凝成一个同质的花岗岩疙瘩或环唇。此时上部的花岗层的上表面散布着锥台式的众多火山,下表面是起伏不平的与上表面火山相对应的疙瘩或环唇。相比之下,在花岗层下面由洋脊推进过来的玄武层的上表面大尺度上是相对平滑的,但也很可能保留了某些在洋脊形成时的坚硬的玄武质的海底火山突起。当玄武层板块遇到上层的花岗质板块底面的疙瘩群时,会产生一定的阻力,上、下两个起伏不平的疙瘩面错纵相间,同时将这些疙瘩向前和向上推起,在上部花岗质板块的上表面形成位移和隆起,每个疙瘩形成一条隆起。当附近的一群,通常几个疙瘩在向前的推进中,一起被底部的玄武板托起时,在地面上将看到一个新生山脉的山脊出现。这很可能就是我们今天看到的“E”字形或“丰”字形褶皱山脉的形成过程。

按本文的思路,如今的褶皱山脉的每个山峰或隆起附近的地下,必然隐藏着一个原始的锥台形火山的种子。通常情况下,这种原始火山种子已经被褶皱山脉在形成过程中的隆起所破坏,有些被上面的海水沉积岩所掩盖,在今天的地表并不明显。不过偶尔也有发现,在山东潍坊地区的昌乐西南,就有一当地比较著名的火山口遗迹。它是当地人在采石中发现的,完全是花岗质的,火山口形状非常明显。

四、山高与花岗岩层厚度的关系

花岗岩的密度大致为2.9 g/m3与玄武岩的密度3.1 g/m3相差大致1/15。在小范围内的山峦区域,山顶与山谷之间的高程差通常为几百米的量级,除了板块边缘及大区域裂谷以外,超过千米的比较少见。考虑500~1000米的高程差和1/15的岩石(或岩浆)的密度差,按阿基米德定律计算,当年成山时的上部花岗层厚度至少为7.5~15千米。这个深度也是今天浅源地震通常震源深度的一个大致范围。如果不考虑山顶沉积层的风化流失和山谷的淤积升高,褶皱山脉的峰谷通常具有几百米之差完全在此预料之中。其对应的当年造山运动时的花岗质厚度,则为已经固化的花岗层漂浮于仍为液态的玄武岩浆之上,厚度起伏不一,总体服从阿基米德定律。例如,现今山顶到山谷之间800米的高程差,当年的固态花岗层平均厚度至少为12千米。其中有400米高出地面,而在固态的花岗层板块的底部界面,有另外的400米向下突出到玄武岩浆中。

五、第三层的橄榄岩层的推进不形成大规模的褶皱造山运动

现在人们习惯上把上部花岗质和下部的玄武岩质构成的双层岩石圈称为地壳。当玄武岩层在花岗层之下遍布于全球时,越是古地盾或大陆区域,双层岩石圈越厚的原始板块格局已经形成。由于下层厚重的玄武岩的隔挡作用,在古陆区域内部的火山活动明显减少,板块内部的地质构造相对趋于稳定。

构成地球岩石圈的第三层也是在洋脊最早形成,然后慢慢推布到全球。通常第三层的橄榄岩层被视为上地墁的组成部分,而非地壳。当橄榄岩层推进到陆区时,陆区的双层岩石圈地壳已经厚到几十、乃至上百公里。这么厚的岩层,既使在玄武层底面仍存在火山疙瘩,当橄榄岩层到来时,也已经不能在疙瘩区顶破厚厚的岩石圈在地面隆起为褶皱山脉。因此,形成褶皱山脉的大规模的造山运动,只有可能发生在复插于花岗层之下的玄武层的推进过程中。第三层橄榄岩层的推进只发生大尺度上的地质变形及板块边缘区域的剧烈地质活动。

参考文献:

1. 王孝恩. 东非大裂谷的成因探析. 中科院科学智慧火花. 2017-07-20

2. 王孝恩. 潮汐成因探析,中科院科学智慧火花.  2017-04-14.

3. 王孝恩. 从四种驱动力探析南、北半球各大板块的扭转漂移.中科院科学智慧火花. 2017-07-21。

4. 陈小华 造山运动与力学的关系,中科院科学智慧火花. 2015-02-04.