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贝尼奥夫地震带的证据
广东海洋大学
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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
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。
3 新理论对岛弧双层地震带的解释