关于造山运动原理再探索
郭 宏 彬
摘 要:
地槽的初始造山回返、山前拗陷形成过程的造山带进一步抬升、山脉强烈升起时的逆冲推复、以及稳定地台内发生内硅铝造山运动等,全都是通过壳内水,沿断裂大量下侵造山带下部壳幔山根,引起地壳中下部与地幔表层,大量原固态物质熔融转变成岩浆,产生的底板垫托作用,以及中上层大陆地壳,在地极移动推动下进行漂移运动时,对已被大量熔融侵入岩浆加热的待造山抬升地壳,进行挤压褶皱逆冲推复等共同作用引起。所以岩浆活动抬升与大陆漂移的挤压作用效应,二者都是促使山脉升起的最根本动力。
1、前言
对于造山运动,现在已经提出的有三类模式[1],一是强调垂直地壳运动效应的早期地槽造山理论,二是只强调水平运动重要的板块构造造山学说,三是近年来提出的地体说、薄皮构造与厚皮构造理论、内硅铝造山理论、碎裂流说、滑线场理论等多成因造山学说。
但总观这些已有造山理论,全都存在许多很难解决重大难题,对此已有许多人做过详细剖析[1-4]。其传统地槽理论的存在问题,是只强调地壳垂直运动的重要性,忽略水平运动存在。
建立在板块理论基础上的造山学说,又变成了只强调水平运动重要性,而认为垂直运动完全是水平运动引起的次生现象。
我国地学前辈张文佑曾提出一种拉开——挤压式的造山理论[4],但他同样也没有很好解决,地壳沿什么层面和利用什么动力拉张挤压的问题,以及在拉张和挤压过程,如何形成造山带各种构造的问题[4]。
就是近年来新提出的各种造山理论,同样也都没有真正解决好造山运动的动力问题[1、3]。但根据本文的观点,不但造山运动中垂直运动与水平运动,那个更重要的争论,完全可以消除,而且张文佑理论中如何利用拉张挤压产生山脉构造的问题,也同样可以解决了。
和现在有一些理论相同,笔者模式同样也认为,造山运动即可在地槽性沉积海盆内发生,又可在硅铝质地台地壳内发生,二种模式各自的具体造山过程如下:
2、地槽海盆的形成与沉积
典型的地槽海盆内造山运动,确实应首先形成沉积地槽海盆,而造山带形成时的地槽海盆,也确实如传统理论认为的那样,存在类日本的岛弧——边缘海式,类大西洋二岸的边缘海式,以及像红海、地中海等的陆间海式。特别是大陆之间在过去时代造山带、裂谷带等强烈活动带壳幔山根位置上,因沉降--拉张或沉降——拉张分裂,而产生的类地中海式陆间海盆,以及类日本海式岛弧——边缘海,更是有利于形成强烈沉降沉积的优良地槽,地史时期的许多高大造山带,都是在这样的地槽海盆内沉积后造山升起的。
由于在笔者模式中,大陆移动漂移是一种间断性的运动,而且不存在任何海底扩强现象,从而就使的任何海盆,全都可以成为沉积地槽了。
地槽性海盆在形成后,就开始通过陆壳碎屑物质,生物沉积,化学沉积等不断沉积填充,特别是位于过去时代活动带壳幔山根上的边缘海或陆间海盆,由于一边沉积地壳一边缓慢沉降,所以可堆积巨厚的浅海沉积物,并且可由于下部洋壳基底的冷却沉降不匀,在沉积期间,就可使沉积地壳内产生大量初始差异运动断裂,而沉积物内孔隙水,则可沿这样断裂下侵地幔方向,通过引发壳幔矿物的与水合有关反应放热,就会引起岩浆在地壳下部大量形成,并沿断裂向上不断熔融侵入,与此同时在沉积地壳内,产生一些初始差异升降运动现象。
3、地槽的回返与造山山根的正确结构
地槽海盆在形成很厚沉积后,当新一轮大陆移动漂移发生时,就可由于大陆漂移时的挤压,引起造山运动发生了。
虽然大陆漂移挤压引起造山运动发生,不是什么新看法,但因在笔者的模式中,漂移的大陆仅仅是10—2Okm之间的大陆表层中上地壳,所以由于其的漂移挤压,引起一般不超过2Okm的沉积地壳内产生造山运动,远比现有的近百公里厚大陆岩石圈漂移挤压,但却仅仅在10-2Okm的沉积地壳内,引起造山运动的理论更合理。
地槽海盆的初始造山升起过程,首先是通过漂移大陆的挤压作用,引起受挤压海盆内沉积地壳,因发生褶皱而产生新断裂,或活化扩大地壳内原有差异升降成因断裂,在较短时间内再次引起沉积地壳内大量孔隙水,集中向断裂下部岩浆熔融形成区侵入,以引发壳幔矿物间的新与水合有关反应大量放热,从而就可在较短时间内,使大量原固态壳幔物质熔融变成岩浆。
由于固态物质转变成岩浆过程,其体积会增大5—10%[5],所以随地壳内一些断裂下部固态物质,大量转变成岩浆引起的体积膨胀,就可引起断裂部位上部地壳,因底板垫托发生托升[6]。与此同时生成的岩浆,向地壳上部的断裂内上侵,则会加热断裂周围地壳,以增加沉积地壳在受挤压作用下的易塑性与易褶皱性。
从而在新的大陆漂移挤压作用下,更有利于地壳产生褶皱,而地壳的褶皱进一步加强,因会加强地壳内断裂形成,与壳内水下侵引发的新岩浆活动,所以又会进一步增强沉积地壳,在大陆漂移挤压作用下的易褶皱性。
经过这样不断相互促进,就可以使的地槽海盆,在由于挤压引起的褶皱,和岩浆活动造成的底板垫托共同作用,最终发生初始造山回返了。
对于地槽造山回返与沉积地壳的褶皱有关,现在是没有人反对的,对于其同样也和地壳内物质,大量熔融形成岩浆的底扳垫托托升有关,现在却还很少有人认识到,但事实上这一点,才真正是最重要的地槽回返原因,而地槽海盆内沉积物的褶皱要想发生,也必须有大量岩浆不断在壳内形成与侵入,来不断加热沉积地壳,以增加地壳物质的易塑性,才可在大陆漂移的挤压作用下发生。
任何时代的褶皱现象,全都主要只在高热流的造山带范围内发生,一离开造山带,就不再发生明显的强烈褶皱,完全可证明这一点。
在造山运动过程,造山地壳的较下部,地壳物质转变成岩浆的规模是十分大的,从图1可以看出,在曾受到强烈抬升剥蚀的,小兴安岭与长白山一带海西造山地壳里,同造山期花岗岩,现在出露的面积极其广泛.
非花岗岩的造山期前沉积,与其它原因形成的更早地壳。相反倒变成了同造山期花岗岩海洋内的一个个残余孤岛.
这清楚说明在造山带上地壳的下部,造山期间是大部分地壳物质,全都应熔融转变成岩浆的。上地壳下部是这样,造山地壳中下部山根内,同样也是如此。
图2内北美落基山脉的造山山根结构,从图中可以看出,在非近期活动的稳定地壳内,全都存在很厚的 6.3-7.0公里/秒波速的中下地壳成份,但测号3下部的标准山根结构中下地壳内,却全部是由波速界于壳幔物质间的约7.4公里/秒左右物质构成,而且山根物质的下部,明显向下伸到 波速较高的地幔内,上地壳下部的波速,也和测号11-12间稳定地壳,完全不同的显著偏低至约6.0公里/秒。
为什么造山带中下地壳山根,会具有这样的结构呢?认为这种差异,在地球形成时就产生是没有道理的,最合理的结论是认定上述山根结构特征,是在造山作用中,由于中下地壳与地幔物质一起发生广泛熔融形成。而山根如是发生广泛岩浆熔融活动形成,自然上地壳下部的波速就会因此显著下降到6.0公里/秒,而原中下地壳和地幔顶部表层物质熔融混合,也自然会产生了约7.4公里/秒左右的波速成份。
在二侧中地壳,全都有6.3-7.0公里/秒物质,而在测号3下部山根内,却这样物质缺失,就主要是这样形成。
此外从图中还可看出测号7-8,比测号3下部的山根结构更深,所以这一位置应是更早时期落基山核部,曾发生强烈抬升的山根,而将图中的落基山主体,移到这一位置时,北美西部的海岸山脉等大陆边缘造山带,正好应停留在现在的加利福尼亚湾——盆岭省——圣安德列斯断烈一带,这也可证明上面论述正确,因为如后所述在大陆上新生造山带离去后,停留在原造山带山根上部的稳定地壳,由于山根内物质冷却,正是应演化成盆地、海盆、断裂等结构的。
而图中测号7-8间中地壳出现6.7公里/秒成份,正是因山根物质冷却结晶或熔离分异等造成。
至于其下地壳波速的极显著变低,则是沿测号7附近近期又有大量壳内孔隙水下侵,引发新强烈岩浆活动造成。
综合上述所有论述完全可证明,在正在活动的新生造山山根内,由原固态物质转变成的熔融近熔融物质厚度,应是十分巨大的,所以由于其形成过程的体积强烈膨胀,与大陆漂移产生的挤压褶皱作用相互结合,而引起原不断沉降的地槽海盆,发生强烈抬升造山回返,是完全可以做到的。
造山地壳在初步造山抬升回返时,总的来说高度可能仍然是相对较低的,所以随后如大陆继续漂移移动,使的初步造山回返的造山地壳,远离其造山升起时形成的中下地壳造山山根,停留到原稳定地壳的中下地壳基底上,则初步回返的造山带就趋于相对稳定,许多造山带在最初回返后,可以较长时间保持相对稳定和低矮状态[5],就是由于这样造成。
但如造山带在初步褶皱回返后,大陆的漂移移动,仅仅使造山山根移到造山带一侧边缘,或边缘的相邻外侧,或者保持了一定时期相对稳定状态的造山地壳,以后其边缘附近地壳,再次移到造山带等活动带的壳幔山根上,这时移到造山带等活动带山根上的,造山带边缘附近地壳,就会由于下部原活动带山根物质的冷却体积收缩,从而形成强烈沉降的山前拗陷盆地。
而拗陷地壳内大量孔隙水,则会沿造山带与拗陷地壳间的边缘断裂,大量向造山地壳下部地幔方向侵入,特别是山前拗陷盆地地壳,在与造山地壳相邻一侧,沉降较强情况下更是如此。
在下侵造山地壳下部后,因与造山地壳下部中下地壳内,未在近期发生与水合有关反应的深部壳幔物质,产生旺盛与水合有关反应发热,造成壳幔物质转变为岩浆体积膨胀,这样就会引起造山地壳不断发生抬升,而山前拗陷则因下部物质继续冷却,仍不断发生沉降的差异升降现象。
在这样的造山地壳不断抬升,山前拗陷则不断发生沉降的差异升降现象发生时,在不断抬升造山带上部,就会不断有物质大量剥蚀到相邻山前拗陷地壳上,从而产生从复理石、类复理石,到一般碎屑物质的沉积。
在这种山前拗陷沉积过程,大陆如随后再发生较小范围移动漂移,造成山根相对于造山带及相邻地壳再次发生移动,随后的山前拗陷性物质沉积盆地,就会在地表也再次发生移动。
5、造山运动中山脉可强烈升起与发生逆冲推复现象原因
在与造山带相邻的山前拗陷,发生较强沉降,甚至由于沉降与拉张等转变成海盆后,大陆如再发生漂移挤压,因下部不断有大量岩浆生成,而开始底板垫托抬升的造山地壳,其上部的结晶冷却坚硬地壳,就会具有受挤压向沉降山前拗陷地壳表面松散沉积物上逆冲推复,而山前拗陷下部冷却结晶坚硬地壳,则向造山带下部大面积熔融近熔融物质内挤压插入的现象。
在这样的山前拗陷下部冷却结晶地壳,向造山地壳下的熔融近熔融物质内挤压插入过程,造山地壳下的熔融近熔融物质,就会发生受挤压在水平方向减小宽度,而在垂直方向受压上升的现象,从而进一步对向拗陷盆地上部,进行逆冲推复的造山抬升地壳
在这种情况下,如果大陆漂移的方向,是由造山带指向山前拗陷方向,并且大陆移动漂移挤压的运动压力很大,而造山地壳下部,熔融近熔融物质的面积和厚度也都很大,则造山地壳就会在下部,不断受挤压强烈上升的熔融近熔融物质架托下,向拗陷地壳上进行较大距离的大幅度推覆[1.7]。并且造山带也会被抬升到较大的高度。
反之当大陆漂移是从山前拗陷指向造山带,并且造山地壳下部熔融近熔融物质,范围和深度也较小等,则造山地壳就只可向山前拗陷方向,进行进行很小范围的逆冲,而造山带在造山运动中的被抬升高度也相对较小了。
造山带在由于上述机制,形成薄皮推覆结构或厚皮结构过程,由于岩浆架托和地壳板片的相互叠置,就会使造山地壳发生较大幅度抬升,从而形成高大造山带了。
通过一次逆冲推复抬升后的造山带,如由于大陆较小范围漂移,使的停留在原活动带山根上的造山地壳周围,再次发生拗陷沉降,并在随后引起造山地壳,再次向拗陷区上部逆冲推覆,造山带的结构就会更进一步发生复杂化了。
例如瑞士阿尔卑斯造山带形成过程,可能就至少经历了新、老二个第三纪的逆冲推复造山现象。而在造山地壳不断发生逆冲推复造山抬升过程,由快速抬升造山带上部结晶岩石破碎而成的粗碎屑(或称为混杂堆积物)的沉积。图4中的喜马拉雅山也经历过类似的演化。4
6、地台内的内硅铝造山机制
在一次造山运动后,由于大陆的大幅度移动漂移,造山带等强烈活动带的山根,也可随后停留到大陆内的稳定地壳下,这时类似山前拗陷的断陷带,就会在大陆内部稳定地壳上形成,而断陷带的外部相邻地壳,则同样会由于断陷地壳向二侧相邻地壳下部输送水,从而在断陷地壳沉降的同时发生差异造山抬升。
断陷的大陆地壳表面,地台性沉积地层的厚度越大,越可向断陷地壳外缘的相邻地壳下部,大量输送壳内孔隙水,沉降地壳二侧相邻地壳,随后的抬升就会越强。而中间沉降拗陷地壳越发生不对称拗陷,通过断陷盆地沉陷较强一侧的边缘断裂,越有利于向外缘地壳下大量输送水,所以在引发外缘地壳下部的新岩浆活动后,其外侧相邻造山地壳,越有利于发生较强抬升。
而在随后的新大陆漂移挤压发生时,断陷拗陷外部的强烈抬升地壳,同样具有在大陆漂移挤压产生的上升岩浆托升下,向强烈沉降拗陷地壳上部逆冲推复的倾向,这样就会造成拗陷区外侧相邻地壳,由于逆冲推覆叠置发生更强烈的上升,从而形成常见的边缘山脉包围拗陷的盆——山式结构了。
拗陷区外侧边缘山脉,在发生一次这样的逆冲推覆造山抬升后,如由于大陆漂移移动的影响,而使的活动带原山根,随后又移到发生强烈逆冲推覆抬升的盆缘山脉。与相邻稳定地壳之间,并在二者间再次产生强烈断陷,在新的强烈大陆挤压过程,同样也会因二侧沉降盆地的坚硬结晶地壳,向造山抬升地壳下部熔融近深融物质内挤压,而被受挤压上升岩浆托升的造山地壳,向二侧沉降盆地方向发生强烈逆冲推覆,这时被二侧盆地相夹持的原地台性地壳,就会由于不断强烈逆冲推复,从而强烈上升成为内硅铝造山的高大造山带了。
从图3中大别山造山带的结构特点看,就可清楚看出大别山的造山升起,确实与二侧沉降地壳向申央挤压,及造山地壳向二侧沉降区逆冲推覆的陆内造山作用有关。另外像中亚的天山等,也都是这样造山升起的山脉。
不过对于地槽造山或内硅铝造山运动中,造山地壳可以由于岩浆托升和地壳挤压,而向沉降地壳方向逆冲推复覆,最有力的证据还是图5中的珠穆拉玛峰地区地质构造。从图中可以看出,从北峰到秋哈拉沟下部,全都存在喜山期含电气石花岗岩侵入体,并且在造山期,其下部的熔融近熔融物质,可能向北至少延伸到扎卡曲下部部位。
至少二条原本应近直线性延伸的推覆断层,全都从扎卡曲开始向南快速斜线上升,清楚说明在逆冲推复时期,从东绒布冰川到至少秋哈拉沟下部的岩浆物质,曾发生大幅度受挤压上升,包括现有珠穆拉玛峰的向南推覆地壳,就是因这些岩浆性熔融物质,受到挤压时上升托升,从而才得以向南侧的低喜马拉雅及锡伐利克沉降带方向,发生逆冲推覆的。
而北侧的扎卡曲,是受压上升熔融近熔融物质,与非熔融物质之间的过渡带,所以就在受挤压时,一侧地壳在受挤压上升岩浆类物质作用下不断强烈抬升,而另一侧相对上升较少了。这可能是二条推复断裂全都在这一位置上部严重弯曲的根本原因。
7、与造山运动有关的大陆分裂拼合及通过造山而增长扩大规律
由于所有的造山运动。全都是伴随大陆移动漂移发生,并且造山运动在大陆边缘的发生频率,远高于大陆内部的发生频率,所以如果不考虑大陆分裂及陆内造山的因素时,大陆的增长应是由陆核不断向外造山增长扩大的。这点从北美等大陆的地质图内可以清楚看出。但由于每一特定时期大陆漂移的方向,总是只主要指向某一方向,因而每一具体时期的大陆内造山带,就主要只在某一方向比较明显出现了。
例如晋宁运动时期,我国大陆当时的漂移,是主要指向现在的南方(相对于当时的地极而言是东方),因而当时的造山运动,就主要在华南一带发生了。而在特定时期现在分裂的二大陆,如果当时是拼合的,则他们之间就不可以有造山带的存在。例如波罗的和北美格陵兰之间,没有明显的晋宁期造山带,原因就是这样造成。
原来统一的陆块,如在新的大陆漂移时期分裂了,则原来大陆内的各种构造,就全会延伸到分裂后产生的新大陆边缘中断,像非洲和南美大陆的情况就是如此。而分裂的二陆块,以后又重新拼合,这时原分裂的二陆决块之间,就可产生新生造山带。
这时陆块内的地壳年龄分布,就会发生复杂化,例如非洲和北美之间,由于晋宁期和古生代的多次分裂拼合,就嵌入了一些不同年龄地壳。
拼合的大陆在分裂时,由于断裂的位置形成存在随机性,这样分裂的每一陆块边缘,究竟是存在最新造山带还是古老的陆核,也完全存在随机性了。这些是造成各大陆内地壳分布不具有规则性的根本原因。
8、讨论
关于造山运动到底怎么进行的问题,应该说不是一个新问题,虽然对此几百年来提出了许多不同解答理论,可直到现在还没有一种是真正正确合理,并被大家所公认正确的。而现在已经提出的各种观点,则全都是或只可解释个别造山带地质特征,或是只可解释少量一些已有造山带共性特征,而不能无一例外的合理解释所有造山带的所有一切共性和个性特征。
但作为一种真正正确系统理论,本来应该是可做到合理解释一切与之相关地质事实,而不被任何可信的与之有关地质事实所否定。所以造山运动到底如何进行的问题,现在仍然有待深入探讨。
但造山运动到底怎么样进行,毕竟是一个极其重大的地学基础问题,这一难题长期得不到解决,是会严重阻碍地质科学的全面进展的,所以笔者近年来通过对造山运动及与之有关地质问题进行反复深入探讨,首先建立起了一种,通过地球内矿物发生与水合有关反应放热,提供岩浆形成与地质演化所需热量的,符合地质演化实际规律的热动力来源理论。
又建立了大陆水平漂移运动动力由地极移动提供的,新大陆漂移动力观点,并且以这二者为基础,重建了一种以大陆中地壳与深海洋盆表面为滑移层面的,类魏格纳式新大陆漂移观点,这样自然而然也就解决了造山运动,到底怎么样进行的重大地质难题。
虽然笔者本人的观点,不是来自于任何名家的现成学说,但建立的这一新造山学说,事实上却几乎等于吸取了所有过去较成熟理论真正精华,并克服了几乎所有过去造山理论的存在难题。例如过去地槽造山理论中,关于地槽分类、地槽沉积方式、造山运动阶段等的正确论述,经过鉴别后,全都可成为笔者理论内容。
同样所有板块式造山学说与内硅铝造山学说中,关于地壳挤压褶皱与逆冲推复等的正确论述,在去除板块下插等不合理机制描述后,同样也和本文中的观点一致。
薄皮构造和厚皮构造等逆冲推覆结构,在现代造山带中是大量存在的,但这类结构形成的精确机理,却只有本文的论述,才可以全面系统的具体说明。
造山带内不同断块出露的岩石,往往会具有不同的放射性年龄,不同的古地磁特征,不同的沉积生物化石,所以现有的地体说,往往将一些造山带看成许多不同来源地体的嵌合体,但对于这些不同地体怎么样形成及运动聚集,却完全不可具体的合理说明。
但根据本文的论述来看,这样强烈的任意切割造山地壳的解释同样也无必要,因为在前述造山理论中,造山沉积地壳内,即会发生复杂的差异升降,又可以发生各种逆冲推复叠置等,因而根本不用将造山地壳不同地块切割成不同地体。就完全可以在现有造山理论基础上,合理解释造山带的一切不同特点断块镶嵌的特征了。
而注意到地球表面,存在许多与造山有关的波浪状分布规则抬升沉降带,是张伯声前辈的慧眼独具,并且地表各大陆内,不论是东西向还是南北向,全都存在许多这样的规则波浪带,例如喜马拉雅山→恒河沉降带,大兴安岭→东北平原,南欧山脉→地中海,扎格罗斯山→波斯湾→阿拉伯高原→红海谷地,
这些波浪状抬升沉降带,不但抬升带与沉降带总是相伴。而且抬升沉降带的大体地貌轮廓,也常常存在某些类似性,例如包括美索不达米亚和阿拉伯南部沉降平原的波斯湾沉降带,就和红海——亚丁湾沉降带的轮廓,几乎可精确叠合。
为什么会这样呢?同样也是只要应用笔者的正在形成造山带下部,存在与造山带形态相似山根,而造山带漂移离去后,移到原造山山根上去的大陆稳定地壳内,可以产生与造山带轮廓相似沉降带的理论,就可对前述大陆内存在轮廓相似抬升沉降带的现象,做出自然而又精确具体的解释。
造山运动存在多旋回性,则是黄汲清前辈的重要论断,但造山运动为什么会存在多旋回性呢,现在也不能说已经解释的一清二楚。但根据笔者理论,却同样可以应用造山带在不同时期,分别由不同部位造山地壳,停留在活动带山根上进行沉降与造山,从而对此做出十分具体的解释。
另外与建立现代板块构造理论有关的所有地球物理、地球化学等研究成果,如果进行正确,也都可以证明笔者理论正确。
总之,笔者本文内提出的新大陆漂移及相关地质演化观点,实际上几乎可以说是集中了现有各种主要地质演化理论全部合理成份,同时又克服了现有理论全部不足的全新系统学说,所以对于其的正确与否,希广大地学工作者都采全面验证检验,以便能够真正早日建立一种可信的全面系统地质演化理论。
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参考资料:http://www.ccoo.cn/blog/blogshow.asp?aid=10173