4.4 新构造
4.4.1 概述
苏联地质学家B.A.奥布鲁切夫在《新构造的动力及造型》一文中提出:“对发生在第三纪末和第四纪前半期的最年轻运动所造成的地壳构造称之为新构造。近半个世纪以来,对许多地区的研究揭示出了这些运动广泛分布,且在现代地貌形成中具有实质性意义,因此,有必要将其从阿尔卑斯构造旋回中独立划分出来。”他给予“新构造”一词以新的内容,认为:“新构造为第三纪以来各种类型的地壳运动所造成的在现代地形形态上所显示的地壳构造。”随后苏联地质学家H.H.尼古拉耶夫(1959)认为:“新构造运动是第三纪晚期至今的构造运动,并决定了地球表面现代地形的基本轮廓。”国际第四纪研究联合会全新世研究组,1982年提出,新构造运动学是研究大地测量参考面的运动和变形及其机制、地质成因、应用意义和未来趋势的科学。由此可见,新构造运动时间定义并不统一。后来将一些地区年轻的地壳变形称作活动构造。活动性构造不仅使海岸升降、河流改道、地貌错移和变形,而且与火山地震活动也十分密切。活动构造研究虽然强调更短时期的构造运动,如晚更新世以来甚至千年以来的时段,但并不排斥更长的时段,如数百万年到数十万年有关构造过程的研究,因为活动构造是继承新构造而发展。可以说,活动构造与新构造形式基本相同。
其实新构造运动与老构造运动的运动并无本质的差别,所不同的是新构造运动在空间分布、强度、周期方面都有自己的特点,它运动的结果总是在地形地貌上或物理地质现象上,不同程度地表现出来。这样便于人们通过观测和测量研究地壳运动形成、发展过程的机理研究,并根据其运动规律预测新构造运动的发展趋势及未来变化。这无疑对于各类工程建设特别是大型工程区域稳定性评价和地震预测都具有十分重要的意义。
构造错断地貌变形在地表直接表现出来,其形态特征和和沉积结构分析是辨别断层活动的主要方法。地貌的水平和垂直错距反映断层活动的幅度,如不同年代的地貌错幅不等是断层多期活动的结果,通过测年方法可以取得被错断的地貌年龄,从而可以计算断层活动的平均速率和断层活动对间隔时间。这对于预测地震发生的时间、地点和强度具有重要意义;对各类工程的地基稳定性评价、地质灾害防治也有重要价值。
活动性构造是在晚新生代以来形成的,这一时期的构造活动按其运动方向分为垂直运动和水平运动。垂直运动使地形产生高低变化,表现为上升的山地、丘陵或高原,下降的平原或盆地;间歇性上升的运动形成阶梯状地貌,如山麓台地,河流阶地等。地壳水平运动使山谷和山脊发生水平错移。
大范围的水平运动是地壳发生挤压或拉张。从全球构造看,挤压区形成大陆边缘的孤岛、大陆上的褶皱山系和高原;拉张区成为大洋中脊、大裂谷和断陷盆地等。大洋中脊有来自地幔垂直上升的岩熔到洋底地壳下部转为水平流,在洋底产生扩张,这种运动进一步推动地壳板块相互运动,引起板块边缘的俯冲、隆升、错断和火山活动,在板块内部产生挤压而形成的大型褶皱和断裂。
活动性构造地貌受构造活动的多期叠加而变得更为复杂,例如一条断层多次活动,不仅使断层崖增高,在断层崖下段形成的崖坡比上段崖坡的角度大,断层崖的坡形成转折状的凸形坡,坡麓形成多层的崩积楔;如沟被断层多次活动错断,则表现为不同时代的沟谷地貌错幅不等,时代越老错幅越大。
在一个构造应力场中,除受主应力作用形成的一些破裂和变形外,还派生一些次生构造形成一些派生构造地貌。例如,在一个主应力场中可派生一些拉张应力区和挤压应力区,形成相应的断陷和隆起。
4.4.2 关于新构造运动时限
对新构造运动发生的时限大致有以下几种观点:
(1)第四纪时期发生的构造运动是新构造运动。
(2)从第三纪开始至现代的构造运动为新构造运动。
(3)新第三纪和第四纪前半期发生的构造运动是新构造运动。
(4)新构造运动不给予时间限制,只要是造成现代地形基本特点的构造运动都叫新构造运动。
目前大多数学者认为,新构造运动是新第三纪以来所发生的地壳运动,其中有人类记载以来的构造运动称为新构造运动(H.H.尼古拉耶夫,1955)。由新构造运动所造成的地层、地貌和构造变形叫做新构造(即新的地质构造)。在工程地质领域常用的活动构造,强调的是现今仍在活动的构造,它的运动常能引发地震的发生。
4.4.3 垂直与水平运动
新构造运动类型的划分,目前尚无统一的标准。但是根据新构造运动应力来源及其地表效应,地质垂直运动和水平运动是新构造运动最基本的类型,其他运动(如褶皱运动、断裂运动、旋转运动、火山活动、地震活动等)是这两种基本运动的具体表现形式和作用结果。
4.4.3.1 垂直升降运动
地壳的垂直升降运动是新构造运动的最明显、最易于观察和研究的形式,如河谷地带的谷中谷现象、多级河流阶地、多级夷平面和多层溶洞等。大面积范围内,地壳的升降运动往往是不均匀的,常见情况有:中间抬升幅度大,边缘相应较小,称为大面积拱形抬升运动,如鄂尔多斯地块;某一侧抬升幅度比另一侧大,称为掀斜或翘起运动,如青藏高原;若存在有较大规模断裂,在隆起的过程中就会沿断裂发升差异升降运动,我国山西汾河盆地与太行山及吕梁山的垂直错断、整个华北平原与边山的落差就是这种差异性断块运动形成的。
4.4.3.2 水平运动
板块学说根据古地磁、海底钻探、海底热流及海底地质等科研成果分析,证实了地球岩石圈板块在做长距离的水平位移,其幅度以数百公里计。现代地壳运动测量结果也表明,地球表面的最大位移是水平运动,其速度以cm/年计,而垂直运动以mm/年计。
水平运动在地貌上和第四纪沉积物上的反应一般没有垂直运动明显,容易被忽视,实际上水平运动在新构造运动中表现是十分普遍的。喜马拉雅山的褶皱隆升,台湾中央山脉的褶皱抬升、柴达木盆地的东西向新褶皱,以及塔里木、准格尔等压陷盆地的形成以及我国经纬向山脉的隆起均为水平运动挤压作用的结果;我国东部广泛分布地堑系及断陷盆地,则是水平拉张(伸展)运动的产物。板块或地块之间不均匀或相对的水平运动,是大型走滑断层形成的主要原因,地球表面较大的断裂均属走滑性质,如美国的圣安德烈斯断层、日本的中央线构造、中国的郯庐大断裂和海原断裂等。我国现代6.5级以上地震的地震断层位移表明,水平位移量一般是垂直位移量的2~5倍。据1984—1986年测距和水准测量结果,红果子沟右旋错动8.48mm,而垂直错距仅0.75mm。
4.4.3.3 水平运动与垂直运动关系分析
水平运动与垂直运动是地壳运动的基本形式,两者既对立又统一,常常共存于一个地质环境之中,并且可以相互转化,相互影响和制约。如在板块的碰撞带附近,由于相同性质的板块发生水平碰撞,使地壳横向缩短、厚度增大、地表抬升,产生垂直升降运动,同时又可引起岩层横向扩展,派生出次生的张应力场,形成裂隙构造。
众所周知,印度板块以5cm/年的速度向北水平推移,据Achache等(1984)的资料,自碰撞以来印度大陆已将西藏南部向北推进了1500~2000km,印度板块插入欧亚板块后所压缩的面积达850km2(Tapponnier,1986)。这一巨大的空间缩短,在很大程度上是由于水平-垂直运动的相互转换而调整或吸收的。首先是两板块的碰撞,在喜马拉雅带中形成了许多逆冲断层和叠置的褶皱,使喜马拉雅山强烈抬升,这种水平运动向垂直运动的转换,大约吸收了500km的缩短量(丁国瑜,1989)。其次两板块的碰撞,还引起青藏高原的隆起和地壳增厚,自上更新世以来,青藏高原上升了约2000~3000m以上(马杏垣,1986)从而一部分水平挤量被垂向隆起所消耗,地壳增厚地表抬升,形成局部的东西向张拉作用,在喜马拉雅山带以北,西藏以南发育了一系列南北向的断陷盆地,从宽度计算的拉张速度大致为1~2cm/年。
在俯冲的板块边界上,如环太平洋地区,当洋块与陆块相向水平运动发生碰撞后,洋块俯冲的过程中使得海沟下沉。由于板块运动而造成岩浆侵入和喷发。上冲和俯冲板块的重叠,引起地壳厚度增大,发生垂直上升运动。由于朝向海洋为自由边缘,组成地壳岩石发生侵蚀形成弧后扩张环境。我国东部盆地、山地、平原、丘陵等地貌形态就是在这种地质环境下生成的。
除了水平运动和垂直运动外,近年来,还发现了广泛存在的地块旋转运动,如日本的以相模湾为中心的旋转运动,我国鄂尔多斯地块的旋转等。旋转运动既可以引起水平运动,也可以导致垂直运动,表现为水平和垂直叠加的地质构造运动形式,这也是一种十分重要的地壳运动形式。