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仇勇海的博客

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1970年中南矿冶学院地球物理勘探专业毕业后留校任教,从事电法勘探的教学和科研工作。1984年获得国家自然科学基金的资助,该项目“电流场与金属矿晕”1989年获中国有色金属工业总公司科技进步三等奖。1997年晋升为教授。“铜电解液净化工业生产试验”1999年获国家有色金属工业局科技进步三等奖。2000年获得政府特殊津贴。著作:地电化学基础及应用,译著:自然电场法文集,均为中南工业大学出版社出版。

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日本3.11大地震的启迪 大洋中脊的孕育、扩张、消亡  

2011-03-22 21:43:49|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1、全球地震带及地震成因

地震的震中集中分布的地区,且呈有规律的带状,叫做地震带。全球地震带如图1所示。世界上的地震主要集中分布在三大地震带上,即:环太平洋地震带、欧亚地震带和大洋中脊地震带。

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 图1    全球地震带

环太平洋地震带是全球许多板块间的接触带。沿北美洲太平洋东岸是太平洋板块与北美板块接触带,南美洲的哥伦比亚是科科斯板块与加勒比板块接触带,秘鲁和智利是纳斯卡板块与南美板块接触带,新西兰东部海域是太平洋板块与印度板块接触带,裴济、印度尼西亚、菲律宾等是太平洋板块与菲律宾海板块接触带,我国台湾省、琉球群岛、日本列岛是太平洋板块与欧亚板块接触带。这个地震带是全球地震活动最强烈的地带,全球约80%的地震都发生在这里。

欧亚地震带主要分布于欧亚大陆,从印度尼西亚开始,经中南半岛西部和我国的云、贵、川、青、藏地区,以及印度、巴基斯坦、尼泊尔、阿富汗、伊朗、土耳其到地中海北岸,一直还伸到大西洋的亚速尔群岛,发生在这里的地震占全球地震的15%左右。

大洋中脊地震带分布在太平洋、大西洋、印度洋中的大洋中脊一带。

在此,我们特别要指出,东非裂谷地带是一个地震频发的地区,和大洋中脊地震带的地震情况类似,仅仅是规模、范围小一些而言,见图1东非高原。

 

无论是大陆地壳还是大洋地壳,当它们下部的软流圈升高时,地壳厚度将减小(图2)。在冰块与水的接触界面,由于水的温度上升,冰发生溶解;因水的浮力面上升,冰块厚度减小的同时冰块将下沉;在岩石圈与软流圈的接触界面,由于软流圈中物质温度升高,使得岩石圈中的底部物质发生熔融,岩石圈的厚度减小,岩石圈中脆性岩石层在重力作用下发生破裂,引起地震的同时岩石圈下沉(图5)。

大洋中脊地震带的地震成因是:处于重力与浮力动态均衡状态的地球岩石圈中底部的物质发生熔融导致该地带浮力减小。

在太平洋的东南海岸附近,不仅有智利、秘鲁深海沟,而且在南美洲大陆板块的西部形成了陡立的安第斯山脉(图6右下侧棕色部分);在太平洋的西北海岸附近,不仅有日本深海沟,而且在欧亚大陆板块的东南侧形成了日本群岛。

由图6可见,由于大西洋中脊的扩张,推动北美洲向西漂移。北美洲已经覆盖在北部古太平洋中脊的上方,因此,太平洋东北海岸的落基山脉具有相当的宽度。

把两块冰叠加在一起,上面的冰块将抬升,而下面的冰块则全部沉浸在水中。板块漂移产生的水平构造力使得大洋板块俯冲到大陆板块之下,相当于把两块冰叠加在一起。由于大洋板块深插到大陆板块之下,且已进入软流圈之中,由此产生的浮力将使大陆板块抬升。

在此,我们把大洋板块称为“冷硬包体”,把岩石圈底部的熔融物质称为“热软包体”。当岩石圈中存在“冷硬包体”或“热软包体”时,岩石圈的重力均衡被破坏,便要发生地震。

虽然构造地震发生在地壳浅部的脆性岩石层中,但产生地震的真正原因是由于岩石圈深部大质量物体的转移所致。

 

2、大洋中脊扩张

大洋中脊地震带分布在太平洋、大西洋、印度洋中的大洋中脊一带。

地震观测表明,在大洋中脊的中央裂谷一带,不仅经常发生地震,而且还释放热量。

大洋中脊是地壳最薄的地方,软流圈中的高温熔岩从这里流出,遇到冷的海水凝固成岩。软流圈中的物质从大洋中脊涌出形成了新的海底山脉,并且推动板块向两侧水平运动。地质学家研究确定,这里就是产生新洋壳的地方。较老的大洋底,不断地从这里被新生的洋底推向两侧,更老的洋底被较老的洋底推向更远的地方。如图2所示。

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图2     岩石圈构造示意图 

当较薄的大洋板块俯冲到较厚的大陆板块之下时,由于部分大洋板块已深深插入到软流圈而熔融,通过热对流,软流圈中的物质再次从大洋中脊涌出。

大西洋中脊的山峰呈锯齿形,它们分布在大西洋中部,大致与东西两海岸线平行,从大西洋靠近北极圈的冰岛出发,向南延伸经大西洋的中部,弯曲延伸到南极附近的布维岛,差不多从地球的最北端,一直延伸到地球的最南端,呈“S”型,长达约16 000km。平均宽度约1 500一2 000km不等。这条高山巨大的规模,远远超过世界陆地上的任何山脉,如图3所示。人们已查明,大西洋中脊,从洋底测量起,其高度平均约为2000m,如果与相邻的海盆相比,它的相对高度达2000~3000m,极为巍峨壮观。在一些地方,这些洋脊的峰顶甚至钻出海面,像有名的冰岛。大西洋中脊亦称大西洋海岭。

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图3    大西洋中脊全貌

由于大西洋中脊向两侧扩张,在它的东部,欧洲与非洲向东漂移;在它的西部,南美洲、北美洲向西漂移。现代的大西洋中脊正处在茁壮成长的扩张阶段。

大西洋中脊是由大陆裂谷演化而来,因此,它分别与东北方向、东南方向、西北方向、西南方向的欧亚板块、非洲板块、北美洲板块、南美洲板块连接,大洋与大陆之间没有深海沟,不存在大洋板块俯冲到大陆板块之下的问题。大西洋海底地形如图4所示。

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图4    大西洋中脊海底地形图

在大洋中脊的峰顶,沿轴向还有一条狭窄的“V”字形地堑,叫中央裂谷,宽度约30—40km,深度大约1 000—3 000m。它把大洋中脊的峰顶分为两列平行的脊峰,如图5所示。 

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图5    中央裂谷示意图

随后,人们在印度洋和太平洋也相继发现了大洋洋中脊,如图6所示。

印度洋中脊呈“入”字形分布。西南的一支绕过非洲南端,与大西洋中脊连接起来;东南走向的一支绕过大洋洲以后,与东太平洋海隆的南端相衔接。这两支洋脊在印度洋中部靠拢,在印度洋北部合二为一,并向西北倾斜,构成了“入”字形,成为印度洋“骨架”。

太平洋洋中脊有些特殊,它不在太平洋中间,而偏于太平洋的东侧。它从北美洲西部海域起,向南延伸作弧形走向,转向秘鲁外海,向南接近南极洲,通过南太平洋,然后折向西绕过澳大利亚,与印度洋洋脊的东南支衔接起来。

三大洋的洋中脊是彼此互相联结的一个整体,是全球规模的洋底山系。它起自北冰洋,纵贯大西洋,东插印度洋,东连太平洋海隆,北上直达北美洲沿岸。全长达75 600km,相当陆地山脉的总和。

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图6     全球洋底地貌图

太平洋板块俯冲到欧亚大陆板块、南美洲板块、北美洲板块之下。环太平洋地震带深海沟非常发育,例如:阿留申海沟(美国阿拉斯加)、大深海沟(加拿大西部)、中美海沟(墨西哥西部)、秘鲁—智利海沟(秘鲁、智利西部)、邦提海沟(新西兰东部)、汤加—克马德克海沟(斐济群岛东部)、维提阿泽海沟(所罗门群岛东南方)、玛丽安娜海沟(菲律宾东部)、日本海沟(日本东部)。玛丽安娜深海沟深达海平面下11 035m;汤加—克马德克深海沟长度为2 575km,深度达到10 630m。

 

3、大洋中脊的孕育

地质学家认为,大约在3 000万年以前,由于大陆漂移运动而形成了东非裂谷。如图7、图8所示。

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图7    板块运动示意图

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图8    东非裂谷带

东非大裂谷南起赞比西河的下游谷地,向北延伸到马拉维湖北部,并在此分为东西两条。东面的一条是主裂谷,穿越坦桑尼亚中部的埃亚西湖、纳特龙湖等,经肯尼亚北部的图尔卡纳湖以及埃塞俄比亚高原中部的阿巴亚湖、兹怀湖等,继续向北直抵红海和亚西湾,全长5000多公里。西面的一条经坦噶尼喀湖、基伍湖、爱德华湖、艾尔伯特湖等一直延伸到苏丹境内的白尼罗河,全长1700多公里。由于这条大裂谷在地理上已经实际超过东非的范围,一直延伸到死海地区,因此也有人将其称之为“非洲——阿拉伯裂谷系统”。

从整个非洲大陆来看,东非大裂谷是全非洲最高的地带,属东非裂谷高原区,总面积500多万平方公里,占非洲面积的1/6多,非洲的几座海拔在4500米以上的高峰,全部分布在这个自然区内,其中有著名的乞力马扎罗山、埃尔贡山等。裂谷东侧的肯尼亚山,海拔5199米,是非洲第二高峰。

东非大裂谷还是一座巨型天然蓄水池,非洲大部分湖泊都集中在这里,大大小小约有30来个,例如阿贝湖、沙拉湖、图尔卡纳湖、马加迪湖、马拉维湖、坦噶尼喀湖等。这些湖泊呈长条状展开,顺裂谷带呈串珠状,成为东非高原上的一大美景。

东非裂谷是世界上最大的裂谷带,有人形象地将其称之为“地球表皮上的一条大伤痕”。东非裂谷裂谷宽约几十至200公里,深达1000至2000米,谷壁如刀削斧劈一般,裂谷两侧,断壁悬崖,山峦起伏,如图9所示。 

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图9    东非裂谷 

全球板块漂移如图10所示。非洲和阿拉伯半岛之间的红海正在扩张。我们说,东非裂谷目前尚处于孕育阶段,而红海是刚出生的大洋中脊。红海也可以看作为印度洋中脊向东北方向的延伸。

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 图10     全球板块构造

4、大洋中脊的消亡

当喷发出的岩浆温度降到其中所含的铁磁性矿物的“居里点”以下时,火山岩中的铁磁性矿物被当时当地的地磁场所磁化,从而使岩石获得磁性。温度继续降到常温以后,一部分磁性被保留下来。这样的磁化过程叫热磁化,由此获得的剩余磁性叫热剩磁。

由于同一时期生成的岩石不管其处于地球上的哪一部分,它们所获得的磁性都是由当时的地磁场所决定的,彼此相关联,且具有全球一致性。因此,可以通过各种古地磁参数,如偏角、倾角、古极位置和古纬度等的测定,推算出各岩石之间在时间、空间上的相互关系。根据磁异常作出的海洋等时线如图11所示。 

在地球上任何地方,相同年代生成的岩石所获得的磁化的方向与当时当地的地磁场方向基本上是一致的。由这些磁化方向推算出的磁极位置就是当时的地磁极位置,而且所有岩石的磁化方向应该对应同一个磁极位置。如果某些岩石在磁化以后,地理位置发生了变化,如发生了板块的漂移,或在原地发生了水平面内的转动,那么保存在岩石内部的磁化方向也将随之改变其空间方位。因此,从磁化方向的易位可反推板块地理位置的变动。

随着深海钻探和海洋磁测的发展,发现大洋中脊两侧对称地排列着正、反极性相间的磁异常条带,这正是地磁场极性频繁倒转的证据。极性倒转地层的研究不仅促进了地层学的发展,而且也为海底扩张学说的建立奠定了基础。海底扩张学说得到古地磁的定量证实。

由全球洋底地貌图、海底磁异常作出的海洋等时线图可见,在太平洋板块与科科斯板块接触带的北部,太平洋中脊已经插入到南美洲的下部。在图5世界洋底地貌图中,在中美海沟北端的太平洋中脊的东翼已经消失了;在图9海底磁异常作出的海洋等时线图中,该太平洋中脊的古地磁不具有对称性,并且数据缺少了一半。

由于北部太平洋中脊已经被北美洲覆盖,大洋中脊的核心部位“中央裂谷”完全把关闭。因此北部太平洋中脊已经走向消亡。

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图11   由海底磁异常作出的海洋等时线(据海茨勒)

太平洋中脊的海底山脉不如大西洋中脊的海底山脉“宏伟壮观”的原因,或许与太平洋中脊的年龄有关。大洋中脊形成以后,由于海水的长期浸泡,特别是受到“洋流”的冲刷,所以和大陆上岩石的风化剥蚀作用类似,海底山脉受到海水的浸蚀而变得矮小。

特别注意到位于阿拉伯海和亚丁湾之间的“入”字形印度洋中脊的最上方,该部分年轻的印度洋中脊的扩张(见图3、图6、图7),使得印度半岛向东北方向推进,不仅造就了宏伟的喜马拉雅山脉,而且是我国青藏高原屡次发生大地震的主要原因(另文探讨)。

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