地球动力系统-板块构造(2)

二、板块构造与地质作用

（一）板块构造与岩浆作用

　　岩浆作用分侵入作用和喷出作用。喷出作用是侵入作用进一步发展到地表的结果。所以，喷出作用的活动特征与规律往往是岩浆作用的体现。现代活火山已知共有523座（其中455座在陆地上，68座位于海底），而死火山则多得无法统计。这些火山在地理位置上分布是很不均匀的，呈狭长的火山带分布，主要集中在以下3个带：

　　（1）环太平洋火山带  集中分布于太平洋西缘和北缘的岛弧及东缘的沿岸山脉，占世界活火山的3/5，火山活动频繁而强烈，素有“火环”之称。

　　（2）阿尔卑斯（地中海）-喜马拉雅-印度尼西亚火山带  此带横贯欧亚大陆南部，向西延入大西洋中脊，东南端与环太平洋火山带相接，有活火山百余座，占世界活火山的1/5。

　　（3）大洋中脊及大陆裂谷火山带  主要包括太平洋、印度洋、大西洋洋中脊及红海、东非裂谷带等。

　　对比上述3个火山带与板块边界的分布就不难得出结论，岩浆活动的空间分布主要集中在板块的边界附近。不仅如此，板块的边界活动还控制着岩浆活动的成分、来源及成因机制等特征。

　　在分离型板块边界的大洋中脊，主要为基性的岩浆活动，出现大规模的裂隙式火山喷溢，熔岩溢出的方式主要为平静式（如冰岛拉基火山）。大洋中脊实际上是全球最大的火山活动带，沿在脊轴部到处都可以见到新鲜的火山岩，近年来沿中脊轴带采得的大量火山岩的同位素年龄一般不超出第四纪。洋中脊岩浆的起源位于轴带下方的地幔软流圈中。由于中脊轴部的拉张作用，导致其下压力降低，从而使物质的熔点降低，超基性的软流圈物质分熔出基性的玄武质岩浆，在压力梯度的驱动下沿中脊轴部裂隙上涌。一部分岩浆溢出海底，形成枕状熔岩，构成洋壳第二层；另一部分岩浆未到过地表，以基性岩墙或岩体的形式冷凝成洋壳的第三层。在大陆裂谷系发生的岩浆活动具有与大洋中脊类似的特征。

　　汇聚型板块边界包括俯冲边界和碰撞边界两种情况，实际上碰撞边界是俯冲边界进一步发展的结果。俯冲板块边界的岩浆活动以中、酸性为主，也有部分基性活动，其中以中性活动为典型代表。这里的岩浆活动均发育于海沟轴部靠大陆或岛弧一侧。环太平洋火山带正是这种俯冲边界附近的火山活动，其火山活动以中、酸性特别是中性安山岩类为主，多为中心式喷发，且因岩浆粘度较大、富含挥发分常表现出强烈爆发性质。俯冲地区岩浆的起源一般较深，大多为幔源和壳幔混源，且与板块的俯冲活动紧密相关。当大洋板块向大陆板块之下俯冲到一定深度（一般＞80km）之下时，由于地热增温、板块俯冲的摩擦增温及压力的增高，使原来洋壳中的含水矿物（如蛇纹石、角闪石及沉积物等）发生大量的脱水，这种热液水降低了岩石熔点的温度，使得原来的洋壳发生部分熔融，分异出富硅、铝和碱（K、Na、Ca）的岩浆，这种岩浆由于质轻、体积膨胀和富含挥发分而上升。其在向上的运移过程中，还会进一步同化围岩，最终到达地壳上部形成以中性为主的岩浆活动。当大洋板块俯冲完毕、大陆与大陆发生碰撞时（即碰撞边界），岩浆活动的特征又发生了明显变化。这时期主要为酸性的岩浆活动，岩浆来源主要是地壳本身的局部重熔。其成因大多是由于强烈的碰撞与聚敛作用，使岩石强烈变形、岩块（或岩片）大量冲断推覆，在机械剪切热、地热及流体等因素的联合作用下地壳发生局部重熔而形成。

（二）板块构造与变质作用

　　板块活动与变质作用之间有着紧密的联系。在分离型板块边界的洋脊轴部附近，由于岩浆不断上涌形成新的洋壳，因而具有较高的地热梯度及热液作用，使先形成的洋壳岩石发生中—低级变质作用，并随海底扩张分布于整个洋底，都成秋穗（1971）称之为“洋底变质作用”。在平错型板块边界，则主要为动力变质作用。例如圣安德烈斯转换断层就发育一条宽达几公里的动力变质岩带。接触变质作用常常与板块活动引起的岩浆作用伴随。但变质作用中最主要的还是区域变质作用，这种变质作用与汇聚型板块边界的活动关系密切。

　　区域变质作用大致可分为高压、中压和低压3种类型。在板块的俯冲边缘，当大洋板块沿海沟向下俯冲时，冷的洋壳及上覆沉积物也随之向下牵引，这样在海沟及海沟靠大陆的内壁附近，就出现了很低的地热梯度和热流值；另一方面，这个地方具有较大的板块俯冲动压力和上覆岩层的重力这样就形成了高压低温的变质环境。所以，在海沟近陆侧可出现以蓝片岩为代表的高压型区域变质作用。在离海沟稍远的火山岛弧地区，板块俯冲导致活跃的火山和岩浆活动，其热流值与地热梯度相当高，创造了高温、低压的变质条件，因而常形成含红柱石、夕线石等矿物的低压型区域变质带。例如，在日本就并列地展布着3对高压和低压变质带，研究表明它们是在不同地质历史时期板块俯冲的背景下形成的。必须指出，上述两类区域变质作用都与中压型区域变质作用呈过渡关系。当大洋板块俯冲完毕、大陆与大陆强烈碰撞时，则可发生更加广泛的区域变质作用。

（三）板块构造与地震及岩石变形的关系

　　地震是现今构造运动的一种表现形式，其分布、类型及成因都与现代板块活动有密切关系。世界上的地震主要集中分布在如下3个地震带上。

　　（1）环太平洋地震带  这是一条地震活动最强的地震带，全球约80％的浅源地震、90％的中源地震以及几乎全部深源地震都发生在这个地震带内。所释放的地震总能量约占全球地震释放能量的76％。该带地震活动的特点是：地震带宽度大，地震频次高，地震震级大（达8.9级），浅源、中源、深源地震由海沟向大陆一侧有规律分布，构成贝尼奥夫地震带。很显然，环太平洋地震带的分布与环太平洋板块俯冲带相一致，贝尼奥夫带与向下俯冲的板片相一致。过去，人们虽然相信浅源地震是由岩石破裂（或断层）所引起的，但对于中、深源地震的成因一直没能解决，因为按一般情况理解的话，在几百公里的地下深处，岩石已具很强的塑性，不可能发生脆性破裂并引起地震。但板块构造对这一问题作了成功的解释，并得到震源机制资料的验证。当冷的刚性岩石圈大洋板块沿海沟向下俯冲时，由于其下插速度较大，深部物质来不及对它马上加热、同化，因此这种刚性的下插板块常常可以到达很深的地方仍保持较强的弹性或脆性。这样，在俯冲产生的机械力的作用，俯冲板块内部发生断裂和变形，便可以产生中、深源地震。

　　（2）阿尔卑斯（地中海）-喜马拉雅-印度尼西亚地震带  该带为世界上第二大地震带，地震释放总能量约占全球的22％。地震活动的特点是：地震带宽度很大，震中很分散；地震频次较高；基本上是浅源地震，深源地震很少，中源地震分布在局部地段。很明显，这个带的分布与欧亚板块与非洲板块和印度板块的碰撞边界（印度尼西亚处为俯冲边界）相一致。板块碰撞造成了比较宽的岩石强烈变形带，因而形成了较强、较宽的地震活动带。由于局部地段具有俯冲性质或保存有俯冲板块的残片以及碰撞后大陆板块之间的陆内俯冲等原因，使这个带存在一些震源较深的地震。

　　（3）大洋中脊及大陆裂谷地震带  该带主要沿大洋中脊的中央裂谷附近及转换断层分布，在大陆上则是沿狭长的裂谷系分布，延伸长达60  000km，但地震带宽度窄，全部为浅源地震，地震活动频次及震级均不及上述两地震带。该带的地震活动主要与分离型板块边界及一些转换断层有关。

　　由此可见，板块边界是地震发生的主要场所。各类板块边界的地震活动特点见表9.1。

表9.1  各类板块边界的地震活动特点

　　板块构造学说认为，板块内部是比较稳定的，岩石变形一般较弱，通常以大面积的长期而舒缓的升降运动为主（即造陆运动）；板块边缘是构造活动强烈的地带，在分离型及平错型板块边界附近，岩石变形以断裂为主，但在汇聚型板块边界附近，岩石变形异常强烈，同时伴随强烈的岩浆活动与变质作用，常常可以形成高大的褶皱山系（即造山运动）。

　　事实上，晚近地质时期形成的年青褶皱山系，皆展布于板块汇聚边界。环太平洋山系发育于太平洋周缘的汇聚板块边界，其山系的形成主要是由板块的俯冲作用形成，以北美西部的科迪勒拉山系及南美西部的安底斯山系为典型代表；阿尔卑斯—喜马拉雅山系展布于欧亚板块与非洲板块及印度板块的碰撞边界附近，其形成与大洋板块俯冲完毕之后，大陆板块与大陆板块之间发生的强烈碰撞作用有关。不仅如此，现在大陆内部的一些较古老的巨型褶皱山系（如天山、祁连山、阿帕拉契亚山脉等），也都是在一定地质历史时期的板块俯冲、碰撞作用下形成的，这些山系两侧的大陆可能曾经是远隔重洋的，只是由于洋壳的不断俯冲消亡，大陆逐渐靠近，并导致碰撞，同时在两者之间形成了褶皱山系。

（四）板块构造与表层地质作用

　　发生在地壳表部的表层地质作用与地表的地形及气候条件直接相关。但是，地表地形轮廓的形成及演变受构造运动的制约，与板块活动关系密切；而且板块活动也能引起地表自然条件和气候的变化及变迁。

　　在不同的地形条件下发育不同类型的表层作用，大陆及山地风化、剥蚀作用强烈，而低洼的盆地及海洋是沉积作用的主要场所。地表最主要的剥蚀源地是高大的褶皱山系，而这些山系的形成一般与汇聚型板块边缘的俯冲、碰撞有关（见前述板块构造与岩石变形的关系）。地表最重要的沉积盆地是大陆裂谷系盆地和海洋，它们的形成也是板块活动演化的结果。大陆裂谷系是大陆内部出现的一些大规模的线性、拉张断陷型盆地，地貌上常表现为一系列大型深陷的湖泊，如东非裂谷、贝加尔裂谷等。从统一的大陆板块发展成为大陆裂谷系盆地，一般与岩石圈板块的相背分离运动及热的软流圈物质上涌有关，即具有与洋中脊类似的动力学环境，因此大陆裂谷可视为洋脊发育的胚胎期。如果大陆裂谷沿分离的方向继续发展，则沉积盆地进一步变大、变深，中间部位出现新生洋壳，成为狭窄的原始海洋，如非洲与阿拉伯半岛之间的亚丁湾—红海即属于这种情况。沿着这个方向继续发展（即海底扩张），便可形成宽大的海洋，如大西洋就是这种情况，这种时期的大洋常具有宽广的大陆架、大陆坡及大陆基，是地表沉积最发育的场所，可形成巨厚的沉积物。这种大洋边缘尚未出现海沟，大陆与大洋一侧同属一个板块，称为被动大陆边缘。随着海底扩张的不断进行，被动大陆边缘处的洋壳发生断裂，并向大陆之下俯冲，形成海沟，这种具有海沟的俯冲边缘称为主动大陆边缘，现今的太平洋就是这种情况。这时期的大洋开始衰退、萎缩，由于俯冲作用，在大陆边缘可形成高大的山系，成为重要的剥蚀物源地区。随着俯冲作用的进行，大洋最后消亡，大陆与大陆碰撞，形成巨大的褶皱山系，成为陆上剥蚀的主要场所。如果有些地区碰撞尚未进行彻底，还可保留某些残留海盆，如现今的地中海即是。由此可见，沉积环境与剥蚀环境的形成与演变，与板块的活动是分不开的。上述从大陆裂谷发展到大洋并进一步发展成为造山带的演化过程，反映了大洋形成与消亡的一般规律，被称为威尔逊旋回。

　　板块运动在引起地形巨变的同时，还会引起自然条件和气候的变化，导致表层地质作用的营力类型及特点发生变化。例如，在汇聚边缘形成的高大山系，当其从雪线以下升至雪线以上时，就会出现冰川环境，于是便会从原来的以风化、流水等地质作用为主转变为以冰川地质作用为主，如我国的喜马拉雅地区在第四纪就发生过多次冰川活动。不仅如此，地形巨变还影响到其周围地区的外力地质作用，如一些学者认为，新生代后期喜马拉雅山和青藏高原的升起，阻挡了印度洋向北吹的潮湿空气，是使中亚广大地区成为荒漠的重要原因。此外，板块的整体水平运动可以引起大陆古地理纬度的变化，从而使气候环境发生变迁，导致表层地质作用的特点发生变化，例如原来在极地以冰川地质作用为主的大陆，如果漂移到低纬度地区，将会变为以风化、流水等地质作用为主。

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