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第10章 构造圈构造不均匀性与地球和宇宙起源力相互作用

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第10章 构造圈构造不均匀性与地球和宇宙起源力相互作用第10章 构造圈构造不均匀性与地球和宇宙起源力相互作用 第10章 构造圈构造不均匀性与地球和宇宙 起源力相互作用 第19卷第4期 2005年12月 内陆地震 INLANDEARTHQUAKE V01.19No.4 Dec.2005 第1O章:1001—8956(2005)04—0372—20 第10章构造圈构造不均匀性与地球和 宇宙起源力相互作用 众所周知,在地球整个历史过程中发生了一系列构造过程,如大陆形成和运动,山脉和盆 地形成,火山活动和地震过程等.已经证实,这些过程形成和发展中地球自...

第10章 构造圈构造不均匀性与地球和宇宙起源力相互作用
第10章 构造圈构造不均匀性与地球和宇宙起源力相互作用 第10章 构造圈构造不均匀性与地球和宇宙 起源力相互作用 第19卷第4期 2005年12月 内陆地震 INLANDEARTHQUAKE V01.19No.4 Dec.2005 第1O章:1001—8956(2005)04—0372—20 第10章构造圈构造不均匀性与地球和 宇宙起源力相互作用 众所周知,在地球整个历史过程中发生了一系列构造过程,如大陆形成和运动,山脉和盆 地形成,火山活动和地震过程等.已经证实,这些过程形成和发展中地球自转不均匀性起非常 大的作用.地球旋转状态变化决定了地球椭球的扁率,当地球形状收缩变化时,发生子午线弧 和纬线弧长度变化共轭,引起地壳层内特殊的切向应力椭圆,而纬线半径和矢径的共轭变化就 是造陆运动. 构造圈由稳定的和活动的不均匀层组成.现代地球动力学中地球内部能量源作用相当大, 运动是由地球内部能量源引起的,主要导致地球膨胀.宇宙因素引起的陕速"运动叠加到这种 "缓慢"运动上,因而,宇宙因素起到构造活动调节器作用,从外面进入介质的大部分能量耗损 在岩石物理特性变化和岩石破裂上,也就是说,损耗在物理力学过程上.由于发生 构造物质转 换,从而形成新的不均匀性. 10.1旋转状态和地壳构造不均匀性 现代地壳由古老地台(断块)及把它们划分开的褶皱带组成.在大陆的晚阿尔卑斯构造内, 主要有4个全球断裂系统,即近纬向(通常是逆掩断层,纵向平移断层少有),近经向(正断层和 开断层,横向平移断层少见),斜向的北西右旋和北东左旋平移断层断裂系统.后者形成尺度相 当大的断裂带,其中最巨大的沿大陆对角线切割,波罗的斯克一伊朗(右旋平移断层)和俾路支 斯坦一西伯利亚(左旋平移断层)应变集中带就是这样的断裂带,它们形成欧亚大陆的"巨大对 角线"和交汇于伊朗断裂交叉点区.……这些横贯大陆的斜向剪切带,控制着阿尔卑斯应变的 把新构造地台与阿尔卑斯造山作用地区分开,晚阿尔卑斯运动沿这些剪切带扩展, 的运动学状 态符合经向压缩和大陆陆壳收缩的状况.通过整个地球与赤道成45.延展的全球剪切应变带 是最巨大的晚阿尔卑斯断裂系统.与临界纬线类同,可识别出地球椭球体极压缩变化产生的 "临界经线"(见图2.3).现代全球裂隙(断裂网),线性位错网的普遍性及其相对于地球自转轴 的规律取向都由旋转本质的统一全球弹性应力场所决定(见图2.2). 因此,地球构造和巨大地形及现代地球动力学特征,可以用地球演变中重力和旋转力起重 要作用的理论观点解释.在这个假设中认为:?地球体积会变化;?地极压缩强度会变化;? 赤道压缩强度会变化;?地球自转和速度变化产生的离心力和切向力起主导作用. 由于这些 力对地面的总作用,大陆块体分为具有西经75.,东经15.和东经105.轴向子午线的大地水准 面的3个区域("大陆型星球"),而第4个区域(西经165.轴向子午线)主要是海洋. 4期第1O章构造圈构造不均匀性与地球和宇宙起源力相互作用373 火山活动与全球地壳破坏作用带空间重合也是旋转力和内力相互作用的后果.例如,在大 陆巨大构造中,阿尔卑斯一亚洲造山带占有特殊地位,高大山脉,强烈地震源和火山喷发都位 于这个造山带. 10.2天山地震成因带的现代地球动力学模型 根据积累的资料判断,亚洲大陆主要地震活动发育于中亚山带范围内,其中包括天山地震 成因带,发生地震的震中区域位于中亚山带和西伯利亚地台,太平洋和印度半岛之间.中亚山 带是巨大的不均匀层,它不仅含有地震构造史还含有现代地震学(反映地球动力学)极为重要 的信息.这个巨大不均匀性试验场,不仅 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现出而且继承着地球面貌变换的构造运动. 地质地球物理和地震学资料分析表明,地震源的空间分布具有重要规律性,表现出震源与 正在发育的年轻构造不均匀性紧密相关. 地震成因带"叠加"在古老(显生代)构造上,地震震中区域的构造图式和"显生代构 造"图式没有完整继承性,最新构造局部地发展着显生代活动带,而且,此时古老图式明显 地得到改造. 目前,关于造山作用过程本质有两种观点.根据第一种观点,现代山带形成与垂直运动紧 密相关,中亚山带开始形成于构造运动的最新阶段.众所周知的岩石圈板块构造的第二种观点 认为,地幔对流引起的水平运动是山带形成的主要机理,构造运动和过程以大陆漂移,海底扩 张,转换断层形成为基础,地面活动层(岩石圈)和下伏粘性层(软流层)在最新全球构造概念中 起关键作用. 根据这两个观点,地球动力学过程是地球固有发育的后果并由内因引起.还有相反的观点 认为是外部(宇宙)能量源作用,按照这个观点宇宙力作用引起地球动力学过程. 研究表明:第一,地球动力学过程发生于显着不均匀性的介质内,这种不均匀性具有不同 尺度和形状,在构造圈结构和发育中起着作用I第二,在不均匀介质内,相对高强度断块是积累 应力的承压构造,它们开始具有附加位能;第三,时空上引起过程的能量源按波强度和波长是 分散和不同的,最后,在时间过程中发生地球动力学过程,呈现离散特性. 地球和月球内部发生自然现象的新资料推进了地球动力学方面的新思想产生和理论研 究,据此,地球内力和地面力形成是岩石圈不均匀性运动的必需条件. 地球受反向因素作用.地球构造一方面在重力作用下趋向最小位能的稳定位置,另一方面 受制动地球自转的外力影响.处在均衡状态的系统,对弱外力作用不会起明显反应,对于处在 不均衡状态的构造圈不均匀层,响应过程和初始信号的动力学差异可达几十个量级.外力作用 激发地球振动的固有频率,按我们见解,宇宙因素促进深部过程发展,并调制过程运动学.作者 发展的地壳内离散不均匀性形成和动力学理论被最新地质和地球物理资料所证 实.地球地质 史的最新(新构造)阶段始于500—1000万年前.在阿尔卑斯构造运动期,全球断裂作用过程 增强是由于地球膨胀(地球体积增大)所致,根据计算,中生代后地球直径增加了70. 在喜马拉雅一天山活动带地区的中生代一新生代旋回,发生了深部异常热物质强烈上升 和最大热释放,地幔上部高密度的地球物理不均匀层是这些"深部物体"的代表.在地球总体膨 胀的背景上,……在上新世和人类时代,周期性增强,持续的近经向压缩的强烈逆掩应变形成 374内陆地震19卷 了兴都库什,帕米尔,喀喇昆仑,喜马拉雅高大构造,近经向的总体压缩还发展了天山,昆仑山 和秦岭等构造. 在地球膨胀过程占优势的中生代旋回伴随着上地幔体积增长,这是由于地幔挤入体中地 层上升所致,向上运动的物体带有热量,地幔围岩内温度升高,体积增大,这些热柱作用导致山 系,其中包括天山,似乎"漂移"在"热"地幔上.地壳的普遍隆起是深部物质扩张结果,构造单元 的分异运动就发生在这个背景上,构造单元沿新形成的或活化老断裂相对位移的规模决定地 面的最新(现代)构造图式.亚洲地区,观测到兴都库什一帕米尔一喜马拉雅和天山地震区构造 层范围内最强烈的地球物理现象.在构造运动最新期,地壳巨大隆起形成山间盆地和盆地分隔 的高耸山脉.图1O.1为地壳和上地幔的地球动力学模型.由图可知,造山带比地台的地壳厚 度大25—3Okm. 量 1En 饮 (1)目(2)匿盈避篷耍圜(3)吕.1--6...0(4)llttM 图10.1天山,帕米尔和喜马拉雅造山带系统构造圈地球动力学模型 (1)地壳和地幔速度模型(VP,单位km/s);(2)构造圈密度模型(P,单位g/cm.);(3)强烈地震源;(4)莫霍界面 在天山南界剖面上部集中的热对流传递时向上扩展,到达天山和哈萨克地盾的北界. 根据地幔特征判断,伊犁盆地和马莱萨拉山支脉是造山带向哈萨克地盾的过渡带.从地幔 的综合模型可见,近垂直热流(热柱)分支向上运动时分成若干部分,其中之一到达北天山断块 并集中到高温地幔异常的地壳主剖面上,这个异常分布在塔拉斯山脉的北部,包括昆格山脉和 外伊犁山脉.在所研究的天山交叉点,发现引起造山带南界和北界地壳底部异常高热 (1100?)的两股地幔热柱.塔里木板块剖面南部"活动"地幔显着增厚与地壳主剖面穿过板 4期第1o章构造圈构造不均匀性与地球和宇宙起源力相互作用375 块西部边缘楔形部分有关.在南天山和北天山地区,地壳高温作用深度达2O一3Okm. 特别应注意上地幔的构造,地幔速度模型证明地幔的复杂多相结构,实际上排除了以经典 最新构造观点对模型的地球动力学解释的可能性. 兴都库什,帕米尔,喀喇昆仑,喜马拉雅,天山巨大的梯级穹窿一直延续,目前以速度达 1—1Omm/a增长.在这种情况下,从外部到达地幔活动层和稳定不均匀层的能量转换机理不 一 样,在热柱(挤入体)发育的轴向地带附近,过去曾表现出物质的最大上升运动,而在目前条 件下发生外来能量,地震活动性和一系列其他现象的最大集中情况.由于造山带地区相对于部 分毗连断块以较大速度向上运动,造山带在上部得到扩展,向邻近不均匀层推进,挤入体从轴 向区中心向边缘带推移发育. 如以前指出,现代构造运动实质归结于岩体塑性和断裂过程,在这样的运动条件下,根据 总动量守恒定律,总动量矩应守恒.如果相同体积,但具有不同质量7n和.的两个物体处于 运动形成应变波,那么IDV一ID.V..式中ID为密度,为物体运动速度.因而,这个规律要求在 外力作用下具有低密度的物体运动速度要大于高密度物体运动速度. 构造不均匀层的垂直运动主要取决于内生能量源(地幔物质流或能量管道).侵入地幔上 层的"地幔挤入体"形成水平运动,方向从南向北,其后果是为地球物理不均匀性形成创造了条 件,地震资料证明了这一点.最近100年,喜马拉雅一天山地区的强烈地震震源带"定位局 部"——"地幔震源"位于"深部能量管道"地区,随着远离帕米尔造山带向北,地幔地震活动性 明显衰减,在天山造山带范围内仅形成"地壳"地震源. 因此,地球上地幔构造变化与地球内和宇宙因素于内部形成的热能积累的周期进入量和 减弱有关.集聚最大能量的构造不均匀层形成现代火山活动和强烈地震震源带,即 火山带和地 震带.在内能积累"衰减"的构造不均匀层范围内形成弱地震震源带.正是宇宙成因能量的地 区性分布调制了地球内部的地震过程状态,这由震源分布资料所印证. 在地壳范围内,大多数震源分布于地壳上部(深O一1Okm),在地壳中部(深15—25km) 有震源密集的第二层,第三层分布于地壳基底附近.在地幔内识别出震源密集最大的2个地震 成因层,其深度分别为6O一12Okm,5o0—6o0km.对亚洲和天山山系的地壳和地幔,震源分布 保持着同样的规律性.对太平洋水域发生的地震也具有类似的震源"分层性"特征. 10.3构造不均匀性尺度 不均匀性尺度在很大范围变化,形成等级序列,服从厶+/LK规律.式中,因子K既与 岩石物理化学特性有关,也与各个块体形成方式有关,介于2—5范围变化. 在构造中特别要注意深部不均匀层——岩浆成因的地质界面——线性延伸数千公里的界 面构造…….在太平洋超级区域,下列地带是这种地质界面:东亚火山成因带(8100km),太平 洋岛屿带(2200km),西美洲侵入体火山带,后者由科迪勒拉(6400km),中美洲(4200km) 和安第斯(7400km)3个环带构成.波罗的斯克一伊朗地震带和非洲一西伯利亚地震带横贯 地球大陆部分.地面上分散的地貌断块分为全球,区域和局部断块.可用相关指数ln2/ln3— 0.63定量地表征相邻地貌构造断块的尺度. 天山地震带宽度55O一6o0km时,长度达3000km.天山地震带地壳内的不均匀尺度在 376内陆地震l9卷 较大范围内变化,划分出宽3o0—350km,长达1o00—1200km不均匀性带.例如塔拉斯一 费尔干纳剪切带从西北方的克拉套隆起延伸到东南方的塔里木地台.在这些不均匀性范围内 又分出尺度(50—1o0)×(300--500)km的不均匀性带,它们从北西向南东和从南西向北东 取向. 天山地震成因带的断裂根据长度分为4级,第1级断裂是长度大于600km的大构造, 第2级和第3级断裂相应长度为3o0—6o0km和150—3o0km,其他所有构造都列入第4级 断裂. 因此,在地球构造圈内有不同的不均匀性,无论是不均匀性形成的条件,还是自然的不均 匀性,自身本质为划分出有鲜明轮廓的离散分类的不均匀性创造了客观上存在的界面.在这种 情况下,构造不均匀性的相似性及其并列从属性基本上没有改变,换言之,断裂的新系统发生 于每一相继构造活化过程中. 10.4构造不均匀性现代动力学 根据我们发展的理论,地球上地幔构造形成过程,虽然由内能引起,但受宇宙(地球外)力 配置和调制,同时,每一不均匀层似乎具有独立的"驱动"力,其运动带有差异特征.不均匀层的 顺序性和系统(结构)在空间上没有改变,但随时间变化,即在现代动力中起变化.最新构造运 动,地震动态,地面位移和应变,地球物理场变化可作为构造格架不同单元活动性标志,可以得 到最新运动和现代动力学概念. 10.4.1最新运动 包括最近1万年的全新世时期可以查明地壳上部的构造不均匀性.天山地震成因带地壳 是巨大的破裂和活动不均匀带,其内识别出稳定向上或向下运动方向不变的巨大断块,但活动 性随时间变化.我们指出,现代运动是晚第三纪一第四纪(最新)构造运动期的组成部分,地壳 所有构造重建都与这种构造运动有关.表现出垂直运动和水平运动. 10.4.1.1垂直运动 中亚地区最新期在海西期后准平原地台上形成了高大山脉和盆地系统.构造图式重建过 程中发生了地壳的性质变化,表现为地壳往下增长(形成"山根")和基性岩化(玄武岩层厚度增 加).山脉增长和地壳往下增厚,看来是同步的. 根据现有资料,山脉隆起及山间盆地和地堑的拗陷从晚第三纪一第四纪构造运动期开始 (近25o0—3000万年),其量达8—10km,而断块位移速度为0.1—0.3mm/a. 根据深部地震测深资料,可以获得对地壳厚度增加速度量级的认识.例如,中哈萨克斯坦 地区地壳厚度等于40—45km,当过渡到天山造山带时,地壳厚度增加到60—65km,因此,在 最新构造阶段构造重组引起的地壳厚度增加约为20km,这证明厚度平均增长速度为0.6— 0.8mm/a. 10.4.1.2水平运动 水平应变量e从10一一10变化.从地貌构造两侧翼向其中心部分,越接近塔里板块水平 应变增加.在准噶尔造山带系统,多数观测点e一,z?10一,而在北天山和南天山e值达 4期第1O章构造圈构造不均匀性与地球和宇宙起源力相互作用377 ,z?10一.如果认为,应变从晚第三纪一第四纪构造运动期开始,那么地壳构造不均匀性的应变 速度平均量级为每年1O,一1O(10一1O一14S--1). 因为在水平压缩条件下褶皱形成时垂直分量占优势,那么垂直应变速度大于水平应变速 度1—2个量级.构造运动总矢量上升的陡角(70.--90.)也证明近垂直褶皱形成运动的优势, 大于8O.有明显优势,这是逆断层型构造发育的结果. 因此,造山作用最新阶段的天山地区发育着垂直运动和水平运动,垂直运动速度的卓越量 介于0.1一O.3mm/a,水平运动应变具有1O优势量级. 作者文献中曾用3个指标估计新构造运动强度.第1指标是固结基底累积位移幅度 (H),第2指标是地壳相邻断块的位移量,第3指标是断块相对于最大沉降的位移幅度.把 在假设无量纲数值单位的情这3个参数的乘积假设称谓构造不均匀性的地震势, 况下,表示 的地震势值范围从1O一9o0变化.因此,分析得到的图像可以查明各个区域上地震势数值分 布的某些特性(图略).于是,其最小值(达30单位)属于新构造的稳定区(地盾边缘和盆地 最小下沉地段),在最新阶段这些地区的总隆起不超过1km,而相邻断块的相对位移少有达 到0.5km,在这一背景下识别出的异常达5O单位.地震势的最大值位于地貌形成断裂地带, 上升的活动断块与盆地深部沉降地段的交接部位发生在这些断裂上,这里出现的15O一35O, 35O一4o0,4o0—9o0单位的等值线显着密集.这些数值取决于相邻断块固结基底 面上升和下 降地段的位移幅度. 北天山和准噶尔山系属于地震带之列,但地震活动水平不一样.对比阿拉木图和准噶尔 断裂带的地震势图像可见,各个地段上新构造运动活动性是相同的(这两种情况下地震势达 150—250单位).这就证明,这些参数作为最新阶段原生准平原的总位移,相邻断块的位移量 和断裂带原生面的位移幅度,在列举的地区实际上是一样的,意味着这些地区的地震成因应 该是相近的.' 10.4.2地球半径的现代脉动 地球膨胀划分出3个主要阶段,这就是太古代一早元古代,晚元古代以及中生代一新生 代.现代地球膨胀速度为10,cm/a.由内能决定的这种膨胀,由于地球自身运动与周围天体 有关而受到扰动,在太阴太阳潮汐应变时,固体地壳隆起几十厘米. 外部因素使地球形变,这在地球的应力状态上反映出来.随着内部能量的积累,这些因素 改变了构造过程和地球物理过程的发展规模.内部因素和外部因素作用的相反位置并不重要, 当内外因素引起的应变彼此间叠加,处于正相位或反相位"作用"的时刻才是重要的. 在阿尔卑斯造山带的现代地幔和地壳形成中,物质交换具有很大意义,地球的现代"呼 吸"产物,其中包括流体参与交换.流体成分中有碳,氢,氧,氮和其他气体,高温流体沿 深大断裂上升,广泛地发育于阿尔卑斯造山带显现的地区.在中生代一新生代发生了地壳破 裂和拉伸的强大过程(图1O.2),流体流动引起岩石变质作用.也就是说,在流体作用下发生 地幔和地壳的构造物质转换,因而地幔和地壳体积膨胀.毫无疑义,当地幔内脱气作用产物 体积增长的那些年代,构造物质转换过程发生就比较强烈,显然,这在很大程度上取决于外 源到达地球体内的能量... 现试图解释在地壳现代动力学和地球物理过程中反映出的地球半径变化.地球物理场依 378内陆地震19卷 赖于地球体积,于是,重力加速度g=GMR_.,地磁场H=~eoaAR.弹性波传播速度,应变等都 与地球半径有关.地球自转速度也与半径相关,?一0.33MR..无论速度?还是地球物理场 因而,地球半径随时间变化(脉动)结论合乎逻辑.在近200年,都受到短时变化作用, 地球半径 最强烈变化发生于19世纪末,当时在32.5年期间半径增量达25cm,沿半径扩张的平均(有 效)应变e=AR/R=3.9×10,,而应变速率=e/一1.2×10,/a.假设地壳作为弹粘性体 图1O.2天山地震成因带北东部的地壳演化模型 (1)地壳I(2)上地幔I(3)地壳内(波导层)低地震波速度区,(4)过渡带I(5)莫霍界面的假设初始位置, (6)无震区莫霍界面的现代位置I(7)莫霍界面位移方向I(8)地幔内流体流动方向,(9)地壳内波导层厚度 增长方向I(10)由于地质层局部熔化可能下沉的地区I(11)新形成的地壳I(12)预料成为波导层的地壳地段 应变(麦克斯韦尔体应变定律),可以估计应力量级,即 一 (一?E一). 式中,7为有效粘滞性,为应力变化速率,E为杨氏模量.粘滞性与弹性特征有关. r/=t?.式中,t为时I;-j;为北天山断块地壳的剪切模量,等于3.8×10ng/cm?S..由此得到 r/=3.75×10.泊,杨氏模量E=9.2×10ng/cm?S.当日持续时间差为7×10-3S时,地球自 转速度发生最大变化,地壳内主应力降为8.4mbar.把得到的地球物理特征量代入上式,我们 得到应力值=12×10,bar. 地壳膨胀的力不仅促进新裂隙形成,而且也促进地球"呼吸"增强——从地幔上升到地壳 的物质量增加.这些过程发生规模和强度取决于膨胀过程引起压力间的关系变化和岩石静压 力,也取决于各个地段对地球内可变温压条件的易变形(孕育)程度.在阿尔卑斯造山地带,地 4期第1O章构造圈构造不均匀性与地球和宇宙起源力相互作用379 壳破碎和易变形程度高,非常小的温压条件变化可以导致明显地球物理后果. 裂隙形成和裂缝被流体充填对岩石物理特性影响不一样.流体带有热能,在岩石热导性下 降的分界面附近,热积累并形成热储层,由于温度上升发生构造物质转换,形成新地层(北天山 造山带主要是波导层类型的地层).计算表明,在热流体存在情况下,岩石再矿化作用发展比较 快(在1O一1O0年期间).再矿化作用过程,特别是花岗岩化过程伴随着体积增加,剩余应力增 加,其在时间上超前粘性松弛过程,这就导致应力降(构造滑动),因而使地震活动性活跃.换言 之,热能产生的内生力在最新地貌构造运动中起主要作用.热能变换成机械能(岩 石膨胀)和物 理化学能(成分演变,岩石物理特性变化),表现为断块沿周围断裂上升,这时断块位移速度增 加到1—5cm/a. 另一方面,从深部上升的流体"填充"孔隙和裂隙,随着岩石流体饱和,电阻率减少而速度 增加,看来,可用这个效应解释地球强烈膨胀年代观测到速度的异常变化.流体定向流 动导致双地电层形成,在这种情况下,裂隙间发生的电势差就激发了地电流,随后形成磁场,它 叠加到地球的地磁场上,引起地磁场局部异常.此外,地磁场中电导介质(有流体通道的地壳) 变化时产生的感应电流可能是地磁场变化源.发生的局部磁场取决于地球自转速度,在这种情 况下,外源引起的地磁场变化将使地壳内或更深部感应的内源地磁场"变异". 地球半径脉动是全球效应,因而,在地震活动区深部过程的构造后果和地球物理后果将同 步地表现出来,当然,在地震活动区地震活动性增加时期也相近. 10.4.3地壳构造不均匀性的现代运动 把近几百年发生在地球内部的地面运动和应变理解为现代运动.现代运动伴随着断裂破 坏和新的构造形成,地面地貌变化和地壳断块位移,这一切都属于"缓慢"运动.还有第二类型 的地面现代运动,它们由人类活动,地下水,太阴太阳潮,气象因素所引起,其存在时间不同于 构造(缓慢)时间,是不持续的且属于陕速"运动. 目前,阿尔卑斯地区具有地壳活动特性,山脉隆起发展,速度为1mm/a,山脉绝对标高达 8—9km,具有山间盆地和地堑的沉陷和凹陷标志,沉陷量为1O一12km,这些地区 的另一特点 是在其内和周围系统有被水充注成内陆海的深凹陷. 古老地台受到现代水平和垂直运动作用,测得水平位移每年数厘米,不同地区这些速度不 一 样,最大速度(11—18cm/a)是地台及其集中于赤道区(距赤道?40.)隆起的各个地区所固 有的特性.极向(经向)板块移动速度很小(1—7cm/a),东太平洋隆起居位移速度之冠,达 18.3cm/a,这是软流圈物质强烈进入所引起,中大西洋山脉移动速度不超过3cm/a. 目前积累的资料证明,地面现代垂直运动反映出地壳的断块结构.在中生代一新生代褶皱 活动区出现断块的相对分异位移和显着位移,在天山和准噶尔山脉地区,速度达4—6mm/a. 总体上,中生代一新生代活化区,地面沉陷速度不超过2—3mm/a. 已证实地面垂直运动与古老地面地形有关,地形愈高,隆起速度愈大,新构造运动表现弱 的地区就没有显着垂直运动.从北天山现代垂直运动速度图(图略)可见,地壳所有构造单元都 经受了垂直运动作用,可是,构造单元的运动速度不一样并随时间显着变化,速度比较小的有 克罗亚断块(O.5—2mm/a)和舒伊斯科耶断块(2—3mm/a).在奇利克断块和北天山断块地 区速度明显增加并上升下降交替,与其毗邻的库尔缅特地区和奇利克过渡带也是这样,例如 380内陆地震19卷 1972年奇利克断块地面运动速度为13mm/a,而北天山为4mm/a.根据北天山断块的垂直位 移特征,奇利克地区是地壳的最大异常单元,垂直运动有不同方向特性. 根据运动方向,北天山断块内可划分出若干地区.例如,乔纳一克明复向斜和阿拉木图盆 地地区,近6—8年以速度2—6mm/a运动为优势,是地面沉陷,在它们之间分布的外伊犁复 背斜,这一期间以速度1—2mm/a隆起,在这种情况下,垂直运动随时间变化过程中外伊犁复 背斜和阿拉木图盆地结合地带表现出周期性,其中发现"长期"和"短期"分量."缓慢"运动具有 方向特征,外伊犁山脉隆起的年均速度为2mm/a,在缓慢运动背景上观测到地面有速度达 30—60mm/a的快速位移,这种异常位移出现于1967--1970,1975,1979年. 天山地震成因带构造不均匀的垂直运动,主要取决于内生能量源,看来,侵入到岩石圈的 地幔物质流造成水平运动,根据图10.3判断,水平运动方向不仅从南向北,而且从北向南,在 接近莫霍界面时,上升运动物质……必然向横向变换,在构造期过程中上升物质形成的构造反 映出地幔动力学活动主要地区的空间再分布.时间和强度上变化的宇宙因素将激活这种运动, 其后果为地球物理不均匀性形成创造了条件. O 天山:盆地 伊塞克湖.—————一l;伊犁盆地准噶尔!巴尔喀什阿拉套:盆地 :二:生醢螽:二二二:::二:E ?-'I丽 图1O.3天山地震成因带岩石圈构造不均匀层现代运动的原理图 (1)轴向区上升运动(2)深部能量源引起的构造不均匀层的位移方向,(3)挤入体,侵入岩体发育区, (4)上地幔,(5)莫霍界面,(6)地壳下部,(7)地壳上部,(8)地壳显着位移地带,(9)地壳 显着位移方向,(1O)宇宙能量源作用下构造不均匀层的位移方向 于是,天山地震成因带地壳不均匀性受到垂直运动的差异性作用.克罗亚断块面位移速度 比较低和单向,北天山,舒伊斯科耶,莫伊恩库姆斯克,克拉套断块面呈上升趋势,而奇利克断 块呈下沉趋势. 10.5现代动力学的构造后果和地球物理后果 lO.5.1地壳裂缝 岩石裂缝是现代地球动力学过程活动强度和规模的"活标本",指标.岩石最大应变期其中 包括有裂缝形成的脆性应变期与最大强烈构造运动期相一致.从岩石圈线性构造方向研究可 以得出,其中大多数形成几何上规律的全球裂缝网(也称谓破裂网络,稳定断裂网络或地壳主 断裂系统,地壳运动区和不同规模区域构造线及地貌学的综要节理等),这是裂隙, 合,它们相 4期第10章构造圈构造不均匀性与地球和宇宙起源力相互作用381 对地球自转轴规律分布,可见,在自身成因中,方向和运动学与旋转性质的全球应力有关. 构造裂缝是岩石位错.根据裂隙走向玫瑰图认为,裂隙分布并非杂乱无章,而通常有最常 见的一些方向,并且这些裂隙系统保持自己走向,与成分,构造位置,年代和裂隙破裂岩石总走 向无关. 地面卫星影像上表现出的线性区是岩石圈裂缝巨型构造构成的总影像,通过新构造活化 机制的景观和地形反映出来.对区域构造线走向分析表明,裂缝构造所形成网的异 常规律,对 中纬度和低纬度而言,巨裂缝斜向系统相对正交系统表现出明显优势,甚至在地质构造中近纬 向(天山,高加索)或近经向(乌拉尔,上杨山脉,滨海地区)断裂占优势地区的情况下,斜向区域 构造线仍占优势.巨裂缝新构造活化的这种选择与晚造山运动应力场对固结大陆岩石圈的作 用特性,尤其沿最大剪切应力方向形变的岩石圈的作用特性有关. 全球裂缝的普遍特性是各向走向稳定,相对地球形状对称的断裂系统通常归并到双裂缝 系统——正交(沿纬线和经线取向)和斜向(北西向和北东向)系统. 在天山地区,主压缩应力轴沿方位角约350.走向,而相应拉伸应力轴则沿方位80.取向. 换句话说,在这一地区压缩轴呈近经向,而拉伸轴呈近纬向,同时两轴近水平.第三纪地层裂缝 最明显表现的应力场为压缩轴经向取向和拉伸轴纬向取测量可确定3种应力场, 向,两轴近水 平.因为在第三纪地层内可形成仅作用于第三纪末一第四纪的应力场,可以确信,这种应力场 反映出的地区地壳的应力状态与第三纪末一第四纪构造活动性增强有关.另外2种应力场表现 较弱,其拉伸轴取向北方向,就是说,与全地区压缩方向成锐角.这些应力场发生在中部,可能与 局部隆起增长有关,而边缘部分这些应力场与盆地及其周围隆起的构造运动的速率不同有关. 研究前寒武纪,古生代,中生代和新生代岩石裂缝后认为,地质史中拉伸应力场主轴总体 上保持自身取向,但符号不止一次地变化,在大多数情况下,相应构造发育最新期的应力场表 现十分明显,与整个研究区所有年代岩石的地区总应力场相一致.近经向压缩变换成近经向拉 伸的周期取决于研究区的自身构造位置.压缩轴和拉伸轴的水平位置表明受地球旋转状态变 化制约. 全球裂缝成因与地球自转速度和潮汐应变变化与引起的地球形状应变有关.剪切压缩应 力形成325.和350.走向以及彼此成70.的断裂系,而拉伸应力形成110.角及平均方位305.和 55.的共轭剪切断裂系. 1O.5.2现代期地质介质破裂离散性 天山地震成因带地区广泛发育的地震构造形变证明地壳现代面貌形成的持续过程.地震 构造形变的意思是表示不同规模地貌的异常形态(阶地,堑壕,串珠盐泽盆地等).地震源(据计 7.6)与许多地貌构造反常有关,这种关系表明,这是深大断裂分割的算震级达7.0— 巨大构造 板块内大量断块和地块的震动过程,这种过程跟随着1条或若干条深大断裂的位错,应该认 为,有相当长的时段. 地壳构造不均匀层的震动过程是在内生和外营能量源作用下发生的,因而,震动不均匀层 与它们相互作用机制和现代构造后果将是不一样的.. 1O.5.2.1位错过程是地壳构造不均匀层滑动的结果' 在地壳演化最新阶段确定的地形体均衡随时间而破坏.比较详细地研究了北天山地区地 382内陆地震19卷 壳上部的事件,发现这里抗剪瞬时强度超过岩石静压力,这种趋势出现深度达20 —25km,而 且r(最大剪切应力)与(最大法向应力)之比随深度不均匀变化.这为每一水平层应力应变场 特征形成积累了一定的条件,在一级近似中可将地壳作为塑性介质,所以,在这种介质内均衡 应力应变状态应满足库仑条件. 由此,我们研究了具有平面水平应力场的上地壳应力应变状态的发育,当深度达20km, r/a>l时,剪切应力占优势,这为应力应变状态形成积累了一定条件.此外,不稳定应变与其性 质无关,始终局限于薄层.为此,垂直厚度25km的上地壳分成厚度为5km的5个水平层,各 层为1—5km,6—10km,l1—15km,16—20km,21—25km. 在对北天山地区地震源区演变的研究过程中,按每一深度层识别出具有环状形态的震源 并且,直线断裂从切向向密集带,水平面尺度从4O一5Okm到8O一1OOkm变化, 环状分布,环 状裂隙穿透深度从1—15km,直线裂隙穿透深度从6—25km.环状裂隙可以解释介质中有特 征线性尺度的构造单元存在.在42.一43.和75.一76.构造单元地区,在水平压缩应力作用下的 构造单元似乎被分裂成两半. 激发震源密集于环状裂缝的外面,因为,应变时圈层是最稳定的形状,在这种构造截面中 心r趋向零,可是在边缘上剪切应力达到最大值.据此,环状裂缝内面将取向最大切向应力作 用的方向,而主应力成内摩擦角度(,多数研究者认为为30.一35.. 鉴于地壳体荷载强度从北向南增加,水平面上的法向应力将与经线成东2O.角.我们指出 了上地壳岩体内应力应变场线性滑动线的发育和每一层内的主裂隙(图略). 在研究北天山地区K>6.0震中分布密度时得到确认,在1年时间段内,事件发育稳定取 向r和主压缩应力法线方向的拉伸应力盯的作用方向. 在分析水平裂缝发育几何形状时,证实它们与地面的"剩余"体有关,也就是说,地壳内近 垂向构造的稳定作用的线性均衡系统,使裂缝组合到有起伏的上地壳内,每一系统由"重的" (高峰,山隘)和"轻的"(高地,平原,峡谷)力臂组成,整个系统的平衡靠深部裂缝实现.无论地 面圈环还是深部环状裂缝乃是一个整体并处于稳定平衡状态.地面和深部环直径差异决定于 垂直滑动面的线性尺度. 环状系统稳定原理是重力臂和轻力臂的平衡. 在分析16—2Okm水平层应力应变场发育时发现场分成为两部分,纬度43.5.以北水平 面具有31.角的剪切应力占优势,以南42.7.一43.5.地区近纬向60km内地震状况以54.角发 育. 滑动线与不同r的交叉点正好位于邻近外伊犁和昆格山脉结合部位附近42.57和76.51 地区.这个地区地面上出露的地貌构造经受了最大水平应变作用.由于内磨擦角差异,这里发 生了两种效应即随温度增长的岩石软化和水平应力场作用且相互叠加.分析42.--44.N和 75.一80.E地区的地震(1807—1998年>14.5地震)时发现,事件发展相对这个点有确定序 列,滑动异常线与成54.角(表略). 我们认为,直线系统自身延伸相交于若干环形裂隙,这就提高了环形和直线结构同 时活动 的可能性,这可能和已经进一步导致了?16大事件的发育.因此,直线系统是比较危险的, 并且巨大震源集中于系统的两端或其垂直面邻接位置. 因此,对上地壳震情发育的评估,能够识别地壳应力应变状态变化与早先形成地形均衡破 坏(古地应力破坏)相关的情况. 4期第1O章构造圈构造不均匀性与地球和宇宙起源力相互作用383 在地壳上部具有呈水平走向的断裂破坏环形带和直线带,它们与断裂破坏上方集聚的地 面物质一起是与垂线成角的统一系统. 水平面的滑动相对主应力作用物理场具有角度31.和54.的两组直线系统交叉点是强烈 地震的主源.一 线性系统的均衡保证了右盘和左盘相对重力中心的力矩平衡,等于断层盘长度与裂缝上 端垂线顶点的标高之乘积.系统与所有点彼此相关,因此,一个点的变化就破坏了相邻点的平 衡. 10.5.2.2地质介质破裂离散性是构造不均匀层与宇宙起源力相互作用的结果 理论研究得出,在具有多重谐波的周期过程中,地壳构造单元的特征尺度也应该是多重 的.据此,造山带,断块,断裂和地层等是经受断裂应变作用的构造单元.应强调指出,在变化 的重力和电磁场作用条件下,"原始"构造单元(不均匀层)具有独立运动和差异运动特性. 早先产生的不均匀层,受到外力和内力作用,因而发生相互差异"滑动",伴随着任一程度 的断裂. 构造不均匀层既沿垂线(近垂线)也沿横向发生运动.应变分布和波的穿透深度计算表明, 实际上地球的整个深度都受到太阳一太阴因素的作用,因而在地球内部效应的力学中发生断 裂,伴随一系列构造和地球物理过程.在这种情况下,"原始"不均匀面适从新的平均曲率.由 于原始错动带变动,其尺度和物理力学特征都经受进一步变化,固体断裂时出现大范围效应, 效应表现出的强度与固体几何尺度的关系为 P?V一. 式中,为特征断裂体积,其幂指数与结构缺陷因次有关;一6/(3--D),其中.D为因次分位 值分类,O?D?3.强度特性离散大的不均匀物质相应的m值小,当m值大时,可以把物质当 作具有大量小缺陷的准均匀介质. 如果具有特征尺度的物体破裂是通过微裂缝扩展发生,可由关系式 ?廊 得出破裂应力估计.这里为地面能量密度,E为弹性模量.根据文献资料,当?e:时,物 体初始单元破裂.这里为特征应力,o-C为构造单元破裂应力.对给定平均荷载 dIn(ac/a) 口c—z一—. 断块尺度z<L,这里z—L/.如果口c<‰,断裂不会发生;如果口c>‰,那么具有 口c[‰,口c]的所有单元都可能断裂.当因次少于2时,构造破裂具有最小可能性,并当tT.~- 6il#z叫时表现出破裂可能. 于是,当应力a~acl'z一.时,物体破碎成较小断片(不均匀性).由此式得出,随着断块 (不均 匀性)尺度增加,t7值增长.另一方面,地壳内受外力作用的不均匀层尺度是波长的函数.由计 算得出周期波穿透深度达1000km或大于1000km. 1)地壳内区域地球物理不均匀层的形成 地球物理研究揭示出地壳岩石圈的不均匀性,如地震震源带,波导层和高导层.因而,一方 384内陆地震19卷 面证明了地壳不仅是断块介质,而且是成层介质.另一方面确证,现代地球动力学过程中也发 现特殊的"成层性".在较短时期内,不均匀界面在空间上会发生变化. 低弹性特征的不均匀层(波导层)低弹性特征(波速和s,弹性系数等)的不均匀层 出现于全球各地区,并且具有近水平或近垂直取向的不均匀性.地壳内近水平不均匀层(波导 层)位于1O一2Okm和25—3Okm深度上.特征是波导层上缘深度与构造年代无关. 地壳内波导层取决于介质的构造破坏程度,介质的间断破裂是外来到达地球内部的能量 变换结果.现代发生的运动使破裂继续和发展,这在构造活动断裂带和波导层带出现高热场得 以印证."冷"不均匀层在波导层上和下分布. 高电导率不均匀性高导层(3—2oQ?m)既在近地面也在1o一15km,2o一25km,4o一 45km,75—9okm,16o一20Okm,27o一29okm深部分布.地壳现代介质中,一是松软结构岩 石,即断裂破坏地带的岩石具有低电阻特征;二是处在地台和浅水条件下通过结晶岩石"破坏" 形成的沉积岩都具有低电阻特征.这些岩石中不仅电导率而且热导率都下降.应注 意到温度 达10OO一2000.C和压力达15—2Okbar时保持岩石物理特性演变.因而可以认为,高导层是 现代位错带,或换言之,类似近水平和近垂直的断裂破坏带的异常高电导率首先反映出不同深 度构造复合体破裂和松软程度,看来,这就说明不同年代构造层的"近水平性"和"叠加性".电 导率变化达1个量级对孔隙度影响不大,然而,在1O_.一1O叫Q?cm叫范围内变化伴随着孔 隙度显着变化,因此,位错带的粘滞性降到1O?一1O"泊 2)构造圈构造动力学中惯性过程作用 构造圈由断块和成层介质组成.断块尺度,地球物理层(软流层,波导层,高电导层,地震活 动层等)深度和厚度在相当范围内变化,而且它们的分布有一定规律. 近年来,在北天山地震成因带地区,对地壳的结构,成分和现代运动学所进行的研究表明, 外力对地质过程发展起重要作用.地壳及其周围大气圈构成一个统一的动力学系统,其各分量 彼此相互作用,随时空发展,外力主要作为这个系统的现代"快速"构造和地球物理过程的"驱 动"力,由于外力变化改变了地球形状,地球自转速度和全球大气运动速度.理论研究证明,大 气圈是电磁能传递的中间环节,从外面"传递"到地球内部的能量进行耗损,从而形成了地球构 造单元,因而也由于耗损使"原始"层和断裂的构造形成,即新的地球物理不均匀层形成. 由计算得到的关系式得出,在多重谐波的循环过程中,地壳构造单元的特征尺度也应是多 重的,可以把断块和断裂尺度,构造地质层尺度,波导层厚度等作为这样的构造单 元,并且,长 周期谐波参与较深波导层形成,波导层厚度应较大,实际上也观测到波导层厚度的增加.因此 假设与太阳活动性有关的较长周期谐波存在,那么就可判断,实际上地球整个深度都受到太阳 一 地球耦合作用,可见,从这个观点来看,就比较可信地解释地球内部结构,同时注意到外部作 用机制. 当然,模型概念只是对太阳一地球内部耦合实际本质的一级近似,可是,这种简化模型可 以指出外生谐波的离散性和多重周期性如何使相应波导层分布离散,断块尺度离散,地质层分 布离散等,即构造圈结构离散. 3)位错带几何特征变化 岩石承压,在断块断裂面水平运动情况位错是岩石粘性剪切过程,由于这个过程, 下,剪切 过程厚度 4期第1O章构造圈构造不均匀?
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