地球的收缩模式

如题所述

收缩力作用于地球的整个阶段无疑都使地球表现为体积的收缩。为了分析问题的方便,现将地球在收缩力作用下发生收缩运动的过程分为四个阶段,即体积缩小的初始阶段,周长、表面积减小阶段,收缩力持续增大作用阶段,收缩力持续减小作用阶段。

1.体积缩小的初始阶段

地球体积缩小的初始阶段,是指地球从受收缩力作用开始,到地壳缩短之前的阶段。这是一种理想的阶段,实际上无法判断。

图4-12 塔里木盆地西北缘柯坪造山带构造恢复情况(据蔡东升等,1996)

甲—东西向平面断裂恢复;乙—BB′平衡剖面;丙—CC′平衡剖面

即使不考虑温度、物态对物体压缩效应的影响,由于地壳的绝对厚度远小于地球其他层圈的厚度,所以,在同一收缩力作用场的作用下,相等的时间内,地壳的缩短量远小于其他层圈的缩短量累加值。那么,在地球缩小的初始阶段(假定没有地壳的断裂或者形变),就会在岩石圈和软流圈之间形成一个空腔层(参见图4-13)。如果将空腔的内球和外球壳形成内接,就会在内接点的对应侧,出现大体积的空缺,使外层岩石圈形成悬空状态,从而形成了地壳发生收缩运动的环境。

图4-13 地球收缩的初始阶段示意图

a—地球收缩时各层圈都将产生缩小量,岩石圈的缩小量是其他层圈缩小量的千分之几;b—当这些缩小量在一侧富集时,形成了大量的空腔。粗线代表收缩前,虚线代表收缩后

2.周长、表面积缩小阶段

周长、表面积缩小阶段,是指地壳开始大范围出现压应断裂,到地壳停止大范围出现压性断裂的阶段。这一阶段实质上包含了后面即将谈到的两个阶段。

任何的破碎都是在地壳的最脆弱处发生的,地壳板块的结合处无疑是最易破碎处(图4-14)。当地球收缩,在岩石圈下产生体积空腔后,地壳在其自身重力作用下,将压力向球壳的四周传递,并在压力遇到受力易碎处,形成水平方向的压缩力(图中放大虚框内)。板块1与板块2之间的压缩效应可分为6种(见图4-15)。

图4-14 地壳板块的结合处为地壳收缩的优先点,重力可以转变成水平压力

图4-15中所列各种并没有包含地壳缩短方式的全部,仅仅是罗列了发生在板块之间的几种大型的使地壳缩短的方式,如图4-16所列方式以及发生在板块内部的小型逆断裂等均未加以考虑。

——上举式。这是一种大陆和大陆之间的碰撞方式。一般地,由于大陆和大陆在结合处具有相等或相近的厚度,使得水平压力的受力面积相等,在结合面上形成“僵持”;另外,地球的球体外形使结合面两侧的陆块保持上凸状态,因此,在压力的持续作用下,陆块与陆块最先跟从的方向为向球外突出,即上举。上举变形描述的只是大陆与大陆因地球收缩导致形变的初步,紧随其后的是岩石破碎、断裂,岩层沿断裂面的滑动等,极易造成上举的结束。

图4-15 地球收缩时板块间所体现的压缩方式示意图

a—上举式(高耸山脉);b—下沉式(海沟);c—入覆式;d—包嵌式;e—推叠式;f—铆钩式;A—原板块结合处

图4-16 印度-欧亚大陆之间的碰撞过程示意图

——下沉式。也是一种大陆和大陆之间的碰撞方式。如果下沉式发生在收缩力持续增加阶段,则下沉式为上举式的继续;如果下沉式在收缩力持续减小阶段产生,则下沉式的结果可能是海沟的一种。

当下沉式作为上举式的继续时,其形成机制是这样的:当A两侧岩层上举,岩层所受作用力超过岩石的最大载荷发生断裂,造成地壳的第一次缩短,缩短量为断裂段的长度。在收缩力的持续作用下,主体段将继续相向靠拢,理论上将发生第二次上举,但是,因为第一次上举的最后结果形成了断裂后的岩石堆积,其产生的重力压力改变了A处的初始边界条件,造成了A两侧板块结合带呈下凹态势,从而导致了陆块与陆块的下沉式出现。

引人注目的印度-欧亚板块的碰撞过程,其实包含了上举和下沉的发展过程;尽管之前可能有其他形式的板块间的碰撞,但那已不是陆块和陆块之间的碰撞(见图4-16)。

——入覆式。这是一种厚的板块1和薄的板块2发生碰撞体现最多的一种方式。在结合面上,薄壳的承压面小于厚壳的承压面,因而,薄壳的压应力大于厚壳的压应力(图4-17),在持续的压力作用下,薄壳就像一把尖刀,轻松地插入或切削厚壳,最后形成薄壳潜入、厚壳上覆的“入覆式”地壳缩短模式。一般地,洋壳较陆壳薄,所以在板块的碰撞过程中,洋壳总是在陆壳之下出现。

——包嵌式。也是一种厚的板块1和薄的板块2发生碰撞的方式。与入覆式不同之处在于薄壳没有切削厚壳,也不是潜入到厚壳底下,而是嵌入到厚壳之中,将厚的板块分成上下两部分,形成厚壳包着薄壳,薄壳嵌入厚壳的包嵌式地壳缩短模式。其承压分析同入覆式。

图4-17 薄壳板块和厚壳板块碰撞时的承压分析

——推叠式。当A两侧板块物性相差较大时,板块碰撞就会产生一侧较另一侧更易破裂形变,从而形成推叠式的地壳缩短模式。这是自然界较发育的一种模式。

——铆钩式。这是一种收缩力持续减小阶段产生的板块碰撞模式,它是推叠式发育不全的产物。当收缩力使地壳碰撞发生了形变后,持续的收缩力越来越小,以后所产生的压力形成慢慢释放的状态,以至不能更加改变岩石,形成了铆钩式。

3.地球周长改变量持续增大阶段

地球周长改变量持续增大阶段,是指地壳开始大范围出现压应断裂,到老地层不断出现在新地层之上,陆块运移速度迅速并持续增加的阶段。由于收缩力的持续作用,地壳内部物质的收缩量与“空腔”在单位时间内形成的体积均越来越大,于是导致了地球固体表层的承压力,与地壳的形变强度也越来越大。板块间在完成最初的几种模式接触碰撞后,为适应越来越大的地壳缩短量,即产生强烈的、急促的变形,加之地壳主体的不断跟进,使原本破碎的断块不断地向外逃逸,从而形成老地层的接连暴露、飞来峰等。此阶段为地壳缩短的黄金时段。在此时段,那些完成了入覆式碰撞的板块相对运动,体现出洋壳的急速减退,陆块运移速度迅速加大。如果是封闭的或具有狭窄出口的海洋,此时会形成海进的假象。这种假象的持续时间有半个地球收缩期到整个地球收缩期那么长,并且只有等下一次的地球膨胀运动时才会消失,接着又会造成新的假象。

4.地球周长改变量持续减小阶段

地球周长改变量持续减小阶段,是指老地层不再覆盖新地层,板块运移速度不再迅速提升,到地壳停止大范围出现压性断裂的阶段。

在这一阶段里,地壳的弯曲变形幅度由强变弱,并渐渐消失。体现在山区地貌上的特征是,由推覆断裂或大型逆掩断裂边缘到盆地边缘均是幅度逐渐变小的背斜带,而最后生成的背斜两翼甚至没有断裂。如准噶尔盆地的南缘山前褶皱带,昆仑山北缘山前褶皱带等,都是本阶段的产物。

综上所述,如果选定一个切面,确定了在这个切面上需要计算的时代地层,那么在满足了计算前提条件下,就可分析出这个切面的地壳收缩包含了上举式、下沉式、推叠式、铆钩式和板内褶皱与逆断裂几种地壳的缩短方式。通过计算,分别获得了各种方式的地壳缩短量△L1,△L2,△L3,△L4,△L5(参见图4-18),于是地壳在这次收缩运动中周长总收缩量及地壳收缩前的长度便可求得。

图4-18 地球周长的收缩方式示意图

L—地球收缩前的周长;L′—地球收缩后的周长;△L—地球周长收缩量

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