地球科学原理之十九 板块假说的问题及人类对岛弧的认识

来源:百度文库 编辑:神马文学网 时间:2019/12/08 11:55:04
作者:廖永岩 编辑:探矿者
有关冰川的地质作用的地球物理学方面的证据,我们主要介绍贝尼奥夫地震带方面的证据。在介绍这方面的证据前,我们先来对板块假说的真实性、人类对岛弧的认识过程进行分析。
1  板块学说及其存在的问题
板块学说,的确是20世纪的地球科学的最大成就,它对20世纪以前的所有地学资料,进行了综合,使以前很多零散的有关地球科学的资料,变成了一个资料系统。同时,板块学说,将地球看成一个系统,利用当时的地质资料,对这个地球系统进行了系统研究,并进行了科学推测。自人类研究地球以来,除板块学说以外,还没有那个学说是如此广泛和系统地对地球科学资料进行综合过。所以说,如果没有板块学说的出现,也就不会有随后的地球系统科学的出现。就哲学思想上来说,地球系统科学是板块学说的发展,是将板块学说系统科学观点的发杨光大。所以说,板块学说,是人类认识地球的一个重要里程碑。
板块学说,顾名思义,就是地球表面,可以分为很多板块,地球的构造运动,其实就是这些板块的运动和相互作用。构成地球表面的板块,既然是板块,就应该有边界。它的边界,主要由洋中脊这个板块形成边界,和岛弧等消减带,这个板块消亡边界共同构成。古地磁及其它证据都已清楚地证明,海底在扩张,海底扩张可以不断地产生海洋岩石圈。所以,洋中脊这个边界是不容质疑的,这也是得到绝大多数地质学家肯定的事实;而且,自板块学说建立初期的简单板块划分方案,直到近来复杂的板块划分方案,洋中脊这个板块边界都变化不大。有关洋中脊这个板块边界,很多地质问题都可用板块学说的理论进行解决,留给人们的疑问较少。而消减带则不然,问题多多。板块学说刚形成时,划分的板块数较少,整个地球划为6个板块(Heirtzler, et. al., 1968)。后来,板块越分越细,板块的数目越来越多(Heirtzler, et. al., 1968; Harland, et. al., 1982)。现在,整个地球被划分为12个板块(Hilgen, 1991)。尽管目前板块划分得越来越细,板块数越来越多,但一些板块内的运动状况仍不统一,仍具有进一步划细的必要。这本身就说明,划分板块的标准在不断地变化,划分板块的标准没有完全统一。而这些变化和不统一,完全是消减带确定的变化和不统一所造成的。消减带本来应存在于大陆和海洋的交接处,太平洋的情况就是这样。但是,大西洋的大陆和海洋的交接处,就没有消减带的形成。这就是说,太平洋,有板块的形成,也有板块的消减,但大西洋只有板块的形成,却没有板块的消减。印度洋有板块的形成,但却只有北方和东北方板块的消减,非洲大陆、澳大利亚和南极方向,目前还没有证据证明有明显的消减带的消减。而且,消减带的很多地质问题,都是不能用板块学说的理论加以解释的,例如:1,岛弧处为什么大洋侧主要是高压变质,而大陆侧主要是高热变质?2,为什么岛弧处会形成火山,而地球的其它处则不会形成,火山形成的机制是什么?3,岛弧处为什么会抬升,而岛弧后则会扩张?4,既然岛弧处的板块下插是造成板块运动的主要动力或主要动力之一,如日本岛弧和台湾岛弧的下插板块能拖动整个太平洋板块运动(洋中脊在东太平洋),但为什么其下插板块却是折曲的,即这种巨大的牵引力还拉不直下插板块本身?5,为什么很多俯冲带的地震带是双层的?即下插板块为什么是双层的?诸多的问题,这里只是略举一、二。所以,若板块学说有问题或错误,或者说板块学说会出问题,肯定问题会出在消减带上。若某些地质学家想保护或完善板块学说,肯定得从消减带入手。只要消减带的问题得到了妥善的解决,板块学说才会处于不败之地。反之,若某些地质学家,想推翻板块学说,另建一个新的理论,也必须从消减带入手。如能将本身就不太完善的消减带推翻,板块就缺了半个边,板块学说就只剩下洋中脊这一条线了,就不可能再成为板块了。
2  人类对岛弧的认识过程及其发展
在地槽学说作为地学主流学说的时代(板块学说出现前),因为岛弧旁有海沟存在,所以,当时的主流地质学家将其作为地槽看待。20世纪50年代开始,贝尼奥夫等人在研究海沟附近的地震时,发现了贝尼奥夫地震源带—岛弧下的中、小型地震震源呈带状分布(Benioff H., 1954; Wadati, 1935)。岩石圈下,为塑性较强的地幔。因为地幔的塑性,原则上,地幔处不会有地震发生。既然海沟处的岩石圈下还有地震源分布,这说明分布地震源处不是塑性较强的地幔,而是塑性较弱、刚性较强易发地震的地壳。这也说明,刚性较强、塑性较弱的地壳,插入了塑性较强、刚性较弱的地幔内。地震沿着下插的地壳发生。因为贝尼奥夫地震源带从海沟处,呈15°-60°下倾角(陶世龙等,1999),向岛弧下倾斜延伸,深可达600-700公里。如马里亚纳海沟,震源深度最深,达720公里(孙立广,2003)。所以,20世纪60年代,板块学派创立板块学说时,将洋中脊看成板块的发生边界,将贝尼奥夫地震源带看成是板块的消减边界,从而创立了板块学说。贝尼奥夫带,也被看成是板块学说得以成立的重要证据之一。
后来,随着计算机的应用、仪器精度的不断提高,确定地震震源位置的精度也不断提高。地质学家发现,某些贝尼奥夫带,并不是只有一个层带,而是两层带,这就是所谓的双层贝尼奥夫地震带。Sykes L. R. 在应用计算机处理地震资料数据时,就指出可能有双层地震带存在(Sykes, 1966)。Umino N. 和 Hasegawa A. 明确指出,日本岛弧下存在双层地震带(Umino and Hasegawa, 1975)。一开始,只在个别岛弧下发现双层地震带,当时的主流地质学家认为这可能是某些岛弧的个别现象。后来,随着确定震源的仪器和技术的不断改进和发展,人类确定震源位置精度的技术进一步提高,地质学家发现,绝大多数岛弧都有双层地震带 (Prevot, et. al., 1994; Hudnut and Taber, 1987; Engdahl and Scholz, 1977; Ratchkovsky, et. al., 1997; Samowitz and Forsyth, 1981;) ,只是有的岛弧的双层地震带特征稍有变化而已。这说明,只要确定震源的精度足够高,就会发现,贝尼奥夫带是由两层构成的。这也说明,从海沟向岛弧下倾斜下插的地壳,不是一层,而是两层,由两层地壳同时下插共同构成贝尼奥夫带。这种双层地壳同时下插形成贝尼奥夫带,用板块学说的理论,是无法进行解释的。很多地质学家,试图应用地球化学、地球物理等方面的知识对此进行解释,他们进行过努力,但都没有得到令人满意的结果。
那么,双层地震带到底是怎么一回事?且听下回分解。
未完,待续。
下回预告:地球科学原理之20  双层地震带的形成机制
参考文献:
孙立广. 地球与极地科学. 合肥: 中国科学技术大学出版社, 2003,  92-117, 216-233
陶世龙,万天丰,程捷. 地球科学概论. 北京: 地质出版社.1999, 89-100
Benioff H. Orogenesis and deep crustal structure: additional evidence from seismology. Geological Society of America Bulletin, 1954, 65: 385-400
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Harland W. B., Cox A. V., Llewellyn P. G, et. al. A geologic time scale. Cambridge: Cambridge University Press. 1982
Heirtzler J. R., Dickson G. O., Herron E. M., et. al. Marine magnetic anomalies, geomagnetic field reversals, and motions of the ocean floor and continents. Journal of Geophysical research, 1968, 73: 2119-2136
Hilgen F. J. Extension of the astronomically calibrated (polarity) time scale to the Miocene/Pliocene boundary. Earth and Planetary Science Letters, 1991, 107: 349-368
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Prevot R., Chatelain J. L., Roecker S. W., Grasso J. R. A shallow double seismic zone beneath the central New Hebrides (Vanuatu); evidence for fragmentation and accretion of the descending plate? Geophysical Research Letters, 1994, 21: 2159-2162
Ratchkovsky N. A., Pujol J., Biswas N. N. Stress pattern in the double seismic zone beneath Cook Inlet, south-central Alaska. Tectonophysics, 1997, 281: 163-171
Samowitz I R., Forsyth D. W. Double seismic zone beneath the Mariana island arc. Journal of Geophysical Research, 1981, 86: 7013-7021
Sykes L. R. The seismicity and deep structure of island arcs. Journal of Geophysical Research, 1966, 71: 2981-3006
Umino N. Hasegawa A. On the two-layered structure of deep seismic plane in northeastern Japan arc. Zisin, 1975, 27: 125-139 (In Japanese)
Wadati K. On the activity of deep-focus earthquakes in the Japan islands and neighborhoods. Tokyo Geophysical Magazine, 1935, 8: 305-325
(注:本“地球科学原理”系列,是根据廖永岩著,海洋出版社(2007年5月)出版的《地球科学原理》一书改编而来,转载者请署明出处,请不要用于商业用途)
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