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西特提斯新生代构造演化

2021年02月23日   维加斯新闻报
梁光河

1 问题提出

    东特提斯域主要包括印度-欧亚碰撞以及产生的东南亚构造运动区域,而西特提斯域更是现代地质的发源地,也是近期大地构造研究关注的重点领域。新生代阿尔卑斯是非洲和欧洲之间的陆陆碰撞造山带。强烈的造山作用使大量前中生代基底出露地表。阿尔卑斯造山带最典型的构造样式是推覆构造,所以现今山体是由多个推覆体叠置组成(袁四化等,2020)。这些地块之间及其内部都经历了白垩纪以来大规模的走滑推覆,形成了复杂的叠瓦状构造,近几年开展的碎屑锆石物源对比分析更倾向于认为在古生代期间这些基底地块处在东非边缘。

    西特提斯区域微陆块众多,俯冲、碰撞构造复杂,同时发育大规模挤压缩短和拉张伸展作用。西特提斯中欧洲南部有三个著名的半岛,分别是伊比利亚半岛、亚平宁半岛和巴尔干半岛,它们大致对应西班牙、意大利和希腊(图1)。它们是怎样形成的?为什么有的区域没有地震,有的地方又有强震?这是本文研究的重点,新大陆漂移假说可以合理解释西新特提斯域新生代构造演化。

2 西特提斯新生代构造演化框架

    在前中生代,西特提斯域内诸多微陆块是从非洲东侧或北侧裂解漂移而来,它们拼贴在欧亚大陆南侧并形成早期的造山带。新生代以来,随着印度和欧亚碰撞,非洲、阿拉伯和欧亚碰撞,这些碎陆块成了夹持在两大刚性板块中间的破碎带,白垩纪到新生代早期随着大西洋的裂解,这些碎陆块随着欧亚大陆向东漂移,随着印度欧亚45Ma碰撞造山后的青藏高原剧烈隆升,挤出作用逐渐增强,在24Ma左右发生了青藏高原垮塌(造山后的伸展过程)更强劲的挤出效应,不但在东侧挤出了印支地块和东南亚岛弧等,在西侧也沿着新特提斯构造带挤出了诸多碎地块(图2),在阿尔卑斯造山带基底形成了从东到西逐渐降低的总体格局,即从喜马拉雅-伊朗高原-土耳其高原-地中海到大西洋,在欧亚大陆南缘的陆块拼贴带区域的莫霍面形成一个东高西低的大斜坡,因为东部该莫霍面被印度板块的俯冲抬起,而西部被非洲大陆的迎冲压到更深处。在新生代晚期随着红海的打开,阿拉伯板块向北漂移,使得土耳其地块受到更大的挤压力。

3 强震区和无震区成因分析

    大西洋两侧是无震区,但唯独欧洲西南部的大西洋海域是个例外,那里历史上多次发生8级以上地震,对欧洲现代文明的发展产生了重要影响,为什么独独这里的洋壳上会发生地震?这个地震区位于伊利比亚地块的西侧,而伊利比亚地块的东侧也是洋壳,而这里却没有强震发生,它们同处于非洲和欧洲大陆的碰撞汇聚带上,构造环境和岩性都一样,地震强度却大为不同,为什么?另外一个强震区域是土耳其到意大利的区域,为什么这里却又有强震频繁发生?特别是意大利不但地震频发,火山也是频频爆发,其驱动因素是什么?

    地震和大地构造环境密切相关,通常较大陆块漂移的前方是强震区,而后方是无震或弱震区,如日本陆块向东漂移,其东侧地震频发而西侧无强震。随着土耳其地块的挤出推力作用,在特提斯西部也发生了“挤出+漂移”现象,如图3所示,在24Ma之前,伊比利亚半岛、亚平宁半岛和巴尔干半岛作为一个整体随着大西洋裂解,与欧亚大陆一起向东漂移;24Ma之后,随着印度欧亚碰撞的效应,特提斯西段在非洲和欧亚大碰撞的环境下,因为这个碰撞还没有完全拼合在一起(中间还有地中海),造成了特提斯西段地幔的整体隆升,产生了大量地壳流体的上涌,使得伊比利亚半岛、亚平宁半岛和巴尔干半岛与土耳其地块裂离,并向西漂移,土耳其区域的现代GPS测量表明这个漂移方向是正确的。

    在“被动挤出+主动漂移”过程中撕出了爱琴海(只是撕出了上地壳部分),由于伊利比亚地块的向西漂移,在其后部形成了新的地中海西段。土耳其地块中西部相当于土耳其地块漂移的前缘,造成了从亚平宁半岛、巴尔干半岛到土耳其中西部区域的强震带(图中右侧红色虚线圈内)。而伊比利亚地块目前的向西漂移,造成了大西洋地区的强震带,这也是大西洋洋壳地区唯一的8级地震高发区(图中左侧红色虚线框区)。

    强震区为什么仅仅限于伊利比亚的西南部,而不是整个西部?推测伊利比亚地块在东西方向“拉抽屉”式漂移过程中,有两个大型剪切带,分别位于其南北两侧,剪切带呈东西向,这两个剪切带也是伊利比亚地块漂移的边界。它们发育大量深大断裂,但形成强震需要两个条件,除了深大断裂带,更重要的是存在深部高温高压地壳流,这些高温高压地壳流往往集中在大陆板块漂移的前部,在该地区,随着特提斯域内诸多微陆块的挤出和漂移,推测绝大部分高温高压地壳流被挤出的区域是伊利比亚地块南部的东西方向通道。这个区域“深断裂+富集地壳流”同时存在,形成了目前超过8级的强震高发区。而土耳其中西部的爱琴海周边区域,是土耳其陆块和地壳流的挤出区域,还不缺乏深断裂,因此形成了另外一个强震区和火山爆发区。意大利火山频发的原因是:亚平宁地块向西漂移撕裂过程中,俯冲下去的含水物质在陆块前方形成的了岩浆上涌,同时巴尔干地块和土耳其地块的漂移也间接地提供了丰富的地壳流和压力,使得该区火山和地震频发。

    事实上,伊比利亚到土耳其的西特提斯段,都是非洲板块北漂的前部,都能形成深部高温高压地壳流,这个区域也不缺乏大断裂,为什么伊比利亚半岛到亚平宁半岛却几乎没有地震发生,形成了一个巨大的无震区?那是因为伊比利亚地块在24Ma至今向西漂移,在该区域形成了拉伸环境,也就是说该区域处于伊比利亚板块漂移的后方,整体是一个伸展环境,没有聚集足够强度的深部地壳流,因此就没有较强地震发生。

4 地球物理和地质证据

    伊比利亚地块24Ma之前向东漂移,24Ma之后向西漂移,其结果势必会在其西南海域的洋陆接触带区域产生反转构造,即24Ma之前是正断层发育区,24Ma之后以逆冲断层发育为主,使得早期的正断层发生反转,产生反转逆冲断层。是否有确凿证据?实际上该区域的人工反射地震勘探(图4)也的确证实了这个推论(Fernando et al.,2006),即24Ma之前的正断层发生了反转。图中a是24Ma之前的拉伸状态,表示伊比利亚向东漂移形成的被动大陆边缘盆地,b是24Ma之后挤压状态,表示伊利比亚向西漂移形成的主动大陆边缘状态。而伊比利亚地块西部发育大量逆冲和剪切构造带也能够得到地质证据的支持(Simancas et al.,2013)。伊比利亚半岛至亚平宁半岛中间的地中海区域是24Ma以来新形成的大洋地壳,完全可以用伊比利亚半岛向西漂移后新形成的大洋地壳来合理解释。

    现代GPS测量也表明,伊比利亚陆块相对于欧洲大陆在向西运动,并伴随右旋(Khazaradze et al.,2014)。之所以右旋,是因为大量地壳流从其南侧的直布罗陀海峡区域向西流出,对伊比利亚陆块南侧施加了更大的推力。

5 讨论

    本文简化了欧亚大陆和非洲大陆边界,其实在文中以北的阿尔卑斯山脉也是多个地块在前中生代拼贴而成的古造山带,它们在新生代也受挤出运动的影响,发生了向西的大规模运动,并使得山脉发生扭曲变形缩短。巴尔干半岛和亚平宁半岛在北部地块集合体的带动下,整体向西漂移,对它们也产生了巨大拉力,在这个过程中拉脱了这两个半岛中南部大拐弯处的地块的上地壳部分,使得其下地壳碎块发生了拆沉,形成了两个近东西方向分布的中源地震带。

    推测阿尔卑斯山脉可能在新生代早期随着印度欧亚碰撞,已经开始了缓慢向西蠕动,后期的大规模漂移发生应该发生在50-24Ma之间,其前方的地壳流可能影响到大西洋区域的冰岛附近,使得冰岛东西两侧发生了地幔上涌,甚至推动了格陵兰的向西漂移,进一步拉开了北大西洋。也就是说,北大西洋的裂解和打开,就是格陵兰地块从欧洲大陆裂解后向西漂移形成的。北大西洋打开之后,冰岛作为一个微克拉通陆块(只有下地壳部分,主体陆壳在水下,厚度约38Km,覆蓋了数千米厚的玄武岩和流纹岩)才从南方向北漂移到当前位置。

6 小结

    由于非洲和阿拉伯两大刚性板块的向北漂移,同时北部受到欧洲西部相对刚性板块的阻挡,东部受到印度板块挤出构造的影响,产生的深部地壳流被限制在类似两堵刚性墙之内,发生了地壳流整体向西流动,这个运动是被动挤出,被动挤出给伊比利亚陆块施加了一个初始推力,使得诸多碎地块、包括伊比利亚陆块随之发生主动漂移。新大陆漂移模型能够合理解释这个构造演化过程。 “被动挤出+主动漂移”模式可以合理解释比利亚半岛、亚平宁半岛和巴尔干半岛新生代的漂移演化,以及爱琴海的形成机制,也能合理解释其中的两个强震区和一个无震区。

    从东特提斯演化过程和西特提斯演化过程,我们发现它们遵从同样的演化模式,那就是“被动挤出+主动漂移”,南海的演化就是中国华南大陆首先发生了陆缘被动挤出,之后发生了陆缘裂解,最后裂解出来的诸多陆块(包括南沙陆块、菲律宾台湾陆块和加里曼丹陆块)发生了主动漂移,单向漂移撕出了中国南海。无论东西特提斯新生代大规模挤出活动发生在45-24Ma,峰值挤出活动时间都是24Ma。

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