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北美洲大地构造演化简史 精选

已有 2575 次阅读 2021-7-17 11:53 |个人分类:大陆漂移|系统分类:科研笔记

北美洲大地构造演化简史

梁光河

 

1 北美洲区域构造演化历史

北美洲的大地构造格架比较简单,主要分为两大区域,一是位于中部和东部的北美克拉通(地盾)区域,二是位于西部的中新生代造山带区域(图1)。

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1 全球造山带分布图

北美洲的大地构造演化历史需要追溯到罗迪尼亚(Rodinia)的裂解开始,古生代初期劳伦(Laurentia)古陆已经从位于南半球的冈瓦纳大陆裂解出来并往北漂移,劳伦古陆主体是北美洲大陆和格陵兰大陆。古生代末期中生代初期(250Ma)劳伦古陆又与欧洲大陆、南美洲、非洲大陆拼合形成盘古(Pangea)超大陆,在大约200Ma北部的北美洲和欧洲联合大陆与南部的南美洲和非洲大陆发生裂解。中生代中晚期,北美洲大陆首先在135Ma与格陵兰大陆裂解,然后在中生代末期65Ma格陵兰大陆与欧亚大陆发生裂解。中生代到新生代,随着北美洲大陆裂离劳亚古陆,其向西漂移过程中,来自太平洋中西部的地体不断碰撞增生在北美洲西部,同时在漂移过程中也在其西部准周期性地发生造山后的伸展构造运动。如在白垩纪中晚期北美洲大陆就发生过陆缘裂解,在北美洲大陆西部中间形成了南北向广阔的海域。晚白垩到新生代,北美洲又不断与诸多太平洋区域漂移而来的地体发生碰撞,这些地体大部分来自太平洋中西部,少部分来自南美洲地区,最后一个较大来自南美洲的长条形地体大约于20Ma左右拼贴在北美洲大陆西侧,那就是圣安德列斯断裂带以西的地体。它们拼贴后随着北美洲大陆的向西漂移,不但发生陆陆碰撞,还发生了洋陆碰撞造山,在造山过程及造山后又发生了重力垮塌引起的伸展构造,目前伸展构造仍然活跃在北美洲大陆西部的盆岭省地区。

2 北美洲西部中新生代地体拼贴

新的大陆漂移模型说明,大陆板块在特殊情况下也可以只是上地壳发生了漂移,留下了下地壳在大洋板块中,如果二者都能够达到大陆板块漂移的临界厚度(约15Km),它们都可能自己产生驱动力,自发漂移,如果留下的减薄地壳厚度很小(如5km),就难以产生自发驱动力,它们往往表现为大洋中的海山隆起(大陆残片)。

根据大陆岩石圈力学强度和新大陆漂移模型,可以很容易推测,大陆板块在漂移过程中,主滑移面是下地壳和上地幔之间的Moho面,因为那是一个软弱层,但在大陆地壳中,软弱层不只这一个,在上下地壳中间至少还存在一个软弱层(康拉德面),大陆在重力滑脱过程中,可能沿着该软弱面发生漂移,体现为厚度较小的大陆板块。这说明全球大陆板块厚度是不一样的。通常来说,克拉通陆块厚度较大,造山带叠置地壳厚度增大,也存在较小厚度大陆板块,特别是陆缘裂解中的部分陆块。厚度较小的大陆板块漂移后形成的岛弧通常不会发生强震,比如锡霍特陆块、新西兰北岛陆块。这是由于厚度较小的陆块漂移过程中切割深度较小,形成的断裂主要发育在洋壳层次而没有深入到上地幔深处,所聚集的深部热流体不充分,断裂底部的温度也比较低,可能大多小于超临界水的温度374℃。而较厚大陆板块则不同,它们漂移后形成的岛弧带常常是强震带,比如勘察加陆块、日本北海道陆块、新西兰南岛陆块,这是由于这些陆块漂移后深切割形成了深大断裂,后期由于其他陆块漂移过程中产生洋壳和地壳热流体在深大断裂带发生减压相变隐爆而形成强震。

大陆裂解过程中可能会产生大陆地壳中上、下地壳的分离,大陆板块碰撞挤压,甚至挤出过程中,也可能发生陆壳和洋壳的混合。也就是说陆块不但厚度变化很大,而且主要成分也可能变化很大,有的陆块成分以上地壳为主,有的陆块成分以下地壳为主,还有陆块是陆壳和洋壳混合物为主,比如菲律宾陆块。

从漂移着的大陆板块前部由于地壳流上涌裂离的陆块,它们往往属于大陆边缘造山带裂离的块体,它们裂离后自发漂移,就成为较薄的能够漂移的陆块或地体(比如厚度15-20km左右)。太平洋中有一些薄的地块,就显示为地体特征自主漂移。

推测从目前在圣安德列斯断裂带以西的南北向长条形地块,其起源于南美洲西侧的大陆边缘,该长条形地块漂移过程中,仅上地壳部分漂移走了,留下了下地壳部分,被东侧的美洲大陆迎冲在其上,随着俯冲深度的增加部分熔融,发生重力分异,形成了南美洲西部当前的中深源地震带和大量超大型金属矿床。

如果一个只有上地壳物质薄的小地块与其它较大克拉通板块拼合,会迎冲在大板块之上并发生拼合(图2),显示为地壳的挤压吸收缩短,形成造山带,这方面典型的代表是北美洲西部,来自太平洋的诸多地体向东漂移拼贴在北美克拉通上。

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a是地体拼合前,b是地体拼合后

2薄小陆块漂移与大克拉通陆块拼合过程示意图

在北美洲西部存在大量从太平洋中西部和南部漂移而来的地体,它们在不同时期拼贴到北美洲克拉通上,形成了壮观的北美洲西部增生造山带,它们由岛弧地体、古陆残片、古洋残片和海底沉积组成(图3),图中a说明在中生代到新生代诸多从太平洋中漂移而来的地体拼贴并迎冲在北美洲之上,在地体拼贴过程中携带了一系列的蛇绿岩并形成混杂堆积,图中b说明北美洲大陆西侧的增生地体分布图。这些地体之间存在数十条规模不一的蛇绿岩带,包括蛇绿岩、火山熔岩、高级变质岩及沉积岩,它们大多呈混杂堆积。该图也说明北美洲向西运动过程中,存在一系列地体向东运动,它们碰撞后,较小较薄的地体拼贴在北美大陆上,形成当前统一的北美大陆向西漂移。

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a地体拼贴过程剖面图,b北美洲大陆西侧的增生地体平面分布图

3北美洲西部增生地体成因机制及分布图

根据新大陆漂移说,这些蛇绿岩的成因机制与地体的漂移拼贴密切相关,它们应该是很多地体分别从太平洋西部和南部在不同时期漂移,最终拼贴到北美克拉通边缘形成的(图4)。最终形成太平洋上主要呈东西方向展布的海底地形条带,特别是深海区,显示出不同深度的地体切割形成的不同深度的海盆。

图中的地体原始漂移位置用虚线表示,拼贴后的位置用实线表示。这些地体分3个部分:

1)位于南极洲边缘的裂解的多个陆块(编号12)从南向北首先快速漂移到北美洲,这些陆块主要是克拉通陆块,它们切割出一系列磁异常条带,漂移路径用白色虚线表示。

2)然后大量散布在太平洋中的地体(编号3-8)从中生代到新生代不断向东漂移并拼贴在美洲大陆上,其中两个较大地体(图中编号910的灰色半圆形地体)分别与南美洲北、南两侧的陆块碰撞并将它们推向大西洋区域,由于原位于南美洲北、南两侧的两个陆块是南美洲漂移运动过程中与两侧大陆板块塑性撕裂形成的下地壳陆块。因此来自太平洋中部的薄陆块与下地壳陆块发生碰撞并产生中源地震。漂移路径用白色实线表示。

3)最后一组长条形陆块(编号11)大约40Ma左右从南美洲西侧裂解出来向北漂移,它们大约20Ma最终拼贴到北美洲西侧,当前著名的圣安德列斯断裂带就是这个陆块向北漂移过程中其东侧的边界断裂,漂移路径用黄色实线表示。

这些地体在漂移过程中像推土机一样把原存在于太平洋洋壳浅部的蛇绿岩推覆到北美大陆板块之上,混杂堆积在一起。这个漂移过程不但能够得到岩石大地构造学证据的支持,也能得到古生物、深海钻探、古地磁以及海底磁异常条带等证据链的支持。

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4北美洲西部增生地体成因机制动画示意图图(底图为NOAA海底地形地貌图)

5给出了北美洲西部大地构造简图,其中a是圣安德列斯断裂带区域地质图,b是该区域三维构造概要图,该图也说明圣安德列斯断裂带的西侧是一个首先从太平洋西部漂移过来并拼贴在北美洲之上的陆块,之后长条形陆块才从南美洲漂移过来,其东边界就是著名的圣安德列斯断裂带,这个断裂带目前仍在活动中,说明长条形陆块仍在向北北东方向漂移。

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a圣安德列斯断裂带区域地质图,b该区域三维构造概要图

5 北美洲西部大地构造简图

3 北美洲向西运动的驱动力估算

我们知道北美洲大陆目前正向西漂移,但其漂移的驱动力有多大?一直没有定量的分析结果,我们可以通过最新的地震勘探资料进行定量估算。

美国全境近30年内相对均匀密集地布置了3600 个地震台网,这些地震台的技术参数为,频宽:0.005 Hz-150 Hz;台间距:70 km;记录时间:1-30 年。Liu&Gao2018)利用这些的观测记录,得到了横跨美国东西方向4条天然地震接收函数剖面,这4条剖面都清晰地记录了美国大陆下面的地壳和地幔内反射构造特征。反射波剖面上只有3个强反射界面,分别是Moho面、410Km660Km界面(图6)。而Moho面和410Km面之间的强振幅是Moho面反射波的多次反射(强噪音),不代表这个区域存在强反射。注意其中的Moho面变化特征非常明显,在N44N40最东侧Moho面存在向上倾斜的特征,而N48由于东端终止在大陆内部,Moho面在该区域近水平。而N34则仅存在极小的倾角,定性说明在N44N40应该在东侧沿Moho面存在较大的地壳自重滑移推力,而N34东侧滑移推力较小。

        注意地震接收函数剖面中,解释不出岩石圈底界面。只能解释出连续的Moho面反射层。Moho面反射波通常表现为一个最小相位子波(或接近零相位),最小相位子波包括一个最大振幅波峰和若干个较小续至波峰,过去有不少文章把这些续至波峰或波谷解释为岩石圈底界面是不正确的。由于岩石圈底界面是热界面、力学界面还是物性界面还存在争议,因此其底界面深度不同人不同研究方法差异巨大,比如北美克拉通岩石圈厚度有人给出180-240Km,还有人给出75Km。但对地壳和地幔的分界面(Moho面)争议较小。

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6 美国大陆天然地震台站布置图及接收函数剖面,上图是地震台站平面布置图,a b c d分别代表N48N44N40N34测线的接收函数剖面。

我们放大N40N34剖面100Km以上部分并进行分层地质解释(图7),解释的依据是以峰值即正振幅最大值对应的深度作为Moho面反射波深度,这样可以得到更清晰的定量分析结果。

从解释剖面看这两条剖面都显示出明显的上下结构,上面为大陆地壳,下面为上地幔。而每个剖面横向上又可以划分出两个区域,第一个区域是位于东部的北美克拉通区域,约占整个北美大陆的70%,平均地壳厚度约50Km,东部变形小,为较稳定的克拉通区域,西部变形大,为变形的克拉通区域,二者之间Moho面形态显著不同。第二个区域是位于北美西部的区域,大约占北美大陆的30%左右,该区域Moho面深度显著减小,平均厚度约30Km,推测它们是外来地体迎冲在北美大陆上的结果,为外来地体拼贴区域,该区域变形也比较强烈。该区域和部分变形的北美克拉通在新生代晚期又发生了造山后的伸展构造运动,形成了著名的盆岭省构造带。N40剖面东侧Moho面倾角约1.8°,根据重力滑移推力计算公式可得P1=9.8*2.7*50*sin(1.8°)= 41.6Mpa,而N34测线东侧Moho面倾角约为0.8°,其产生的推力为P2= 9.8*2.7*50*sin(0.8°)=18.5Mpa。这说明N40东侧的推力比N34大。它们共同作用驱动北美洲大陆向西漂移。但这个推力计算不全面,计算数值偏小,因为没有考虑到东侧被动大陆边缘盆地区域,那里应该能够产生更大的推力。

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aN40测线的解释结果,bN34测线解释结果

7 横跨美国大陆的两条接收函数剖面的地质解释。

北美洲东侧陆壳还包括被动大陆边缘沉积盆地及基底部分,这部分区域可以通过全球边缘海沉积厚度图约束其边界,从而可以得到图8,该图说明,重力滑移驱动力主要集中在大西洋一侧被动大陆边缘部分,这里Moho面倾角可达2.5°,在这个更新的模型中,北美洲东部能够产生高达58Mpa的重力滑移驱动推力。

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aN40测线的解释结果,bN34测线解释结果

8 横跨美国大陆的两条接收函数剖面的地质解释加东侧被动陆缘推测解释结果。

4 北美洲西部新生代晚期伸展构造

美洲西部在与地体陆陆碰撞及向西漂移过程中洋陆碰撞发生了科迪勒拉造山运动,造山后大约平均20Ma0-40Ma)就会发生一次大规模伸展运动(图9)。这个周期性运动过程,可以理解为:当碰撞造山隆起达到一个临界高度后就会发生重力垮塌形成的伸展构造,伸展构造发生后,又会继续挤压运动,开启下一个旋回的造山隆起,隆起到临界高度又发生另一个旋回的伸展构造。

事实上伴随着造山运动形成的地形隆升,重力滑脱形成的伸展构造趋势一直存在,重力滑脱构造运动类似一种滑坡现象,只要存在地形高差,这种趋势就存在。至于是否能够形成大滑坡,取决于高差大小、滑坡体和基底界面光滑程度、基底锁固段阻力以及是否存在流体润滑等等因素。

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9科迪勒拉山系造山后伸展构造运动示意图

北美盆岭省(The Basin and Range Province of North America)位于北美洲西部科迪勒拉高原地区,在新生代晚期发育了造山后的伸展构造运动,该盆岭省是以东西向伸展为主的大陆伸展区,伸展速率1-5 cm/yr,为覆于低速地幔上的减薄的地壳。该区域发育了一系列正断层,断层间块体掀斜谷地为地堑或半地堑,岭为地垒或掀斜块体的掀起端。单条断层位移一般8-10km,一些达15-20 km,总位移量60-300 km。热流是正常地壳的三倍,岩浆活动包括玄武岩和流纹岩。

10是北美洲西部盆岭省地形地貌图及伸展构造成因机制示意图,该图说明北美洲西部在新生代晚期至今发生了造山后的伸展构造运动,由重力垮塌造成的类似滑坡构造运动在地形地貌图上清晰可见。盆岭省宏观上表现为两个大的重力垮塌滑坡体,北部滑坡范围和南部滑坡范围大小相当,图中两个白色虚线范围给出了两个主要重力垮塌滑坡体范围。

从北美洲的地壳结构图看,重力垮塌主要分布在外来地体区域,包括部分变形的北美克拉通西侧区域,推测在外来地块和北美克拉通碰撞造山后,沿着二者接触带断裂发生了地幔熔融上涌,由此触发了大规模的伸展构造运动。目前的黄石公园内的热点就属于该伸展构造运动中的地幔上涌高点区。

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10 北美洲西部盆岭省地形地貌图及伸展构造成因机制示意图

5 结论

        古生代北美洲大陆和格陵兰大陆一起从南半球的冈瓦纳裂解并向北漂移,并与欧亚大陆拼合,中生代随着大西洋的裂解,北美洲先后与格陵兰大陆和欧亚大陆分离向西漂移。中新生代在北美洲大陆向西漂移过程中,与太平洋上漂移而来的诸多地体发生了拼合及碰撞造山,并同时产生了造山后的伸展构造运动,目前北美洲西部的盆岭省就是造山后的伸展构造运动的结果。通过地震接收函数得到的反射波探测结果,推测北美洲东部在Moho面产生的大陆漂移重力滑移驱动力约为58Mpa




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