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    從東非大裂谷說起

    ——帶您認識一下“正斷層”

    2021-3-9 10:28:13 來源:中國礦業報

    1.從一條“傷疤”說起

    俯瞰我們美麗的地球,不難發現,在非洲大陸上有一條橫貫大陸的“傷疤”,這就是著名的東非大裂谷,被稱為“地球的傷疤”,從約旦河順著紅海向南一直延伸到非洲大陸南端的莫桑比克,全長約6000千米,寬度幾十到上百千米,深度幾百米到兩千米。

    從太空俯瞰東非大裂谷

    裂谷帶在維多利亞湖兩側分為東西兩支,東非大裂谷內有風景秀美的景色,沿著東非大裂谷分布著眾多的火山和湖泊,著名的倫蓋伊火山就位于裂谷帶內,其噴發出的富含礦物質的火山灰造就了草木旺盛的塞倫蓋蒂草原,成為眾多野生動物的繁衍地,生活了70多種大型哺乳動物和500多種鳥類,被聯合國教科文組織列入世界文化與自然遺產名錄。此外30多個大大小小的湖泊分布在裂谷帶內,像一串明珠分布在裂谷內,世界第二大深湖坦噶尼喀湖就是受裂谷斷裂的控制,湖長度是寬度的10倍,最深處1470米,湖兩岸就是裂谷帶兩側的斷層崖?梢钥闯,火山、湖泊以及多樣的生態景觀和動植物種群分布,離不開東非大裂谷這條地球的傷疤,因此東非大裂谷是地球留給我們的自然遺產,吸引了世界各地的科學家和游客。

    2.什么是正斷層

    像東非大裂谷那樣恢弘壯觀的景象是什么造成的?這里就要談到斷層了,斷層顧名思義是某個物體受到力后被錯斷了,在物體內形成破裂面,廣義上的破裂可以指我們見到的各種各樣的破裂。地質意義上的斷層指的是不僅存在破裂面,而且破裂面兩邊的物體有明顯的相對滑動。按照斷層面兩側物體運動方式,自然界中的斷層有三種基本類型,分別是正斷層、逆斷層和走滑斷層。

    三種基本斷層類型

    自然界中的這三種斷層會衍生出復雜多樣的斷層系統,而且尺度差異非常大,小到巖層的錯斷,大到橫跨大洋的洋中脊。而我們要談到的就是形成東非大裂谷這種地貌的斷層:正斷層。認識什么是正斷層,它具有哪些性質,產生正斷層的原因。在此基礎上我們可以學著如何識別正斷層,進一步了解正斷層和地震的關系以及正斷層對人類生產生活的影響。

    斷層面的上部叫斷層上盤,下部叫斷層下盤。正斷層指斷層面上盤相對于斷層下盤向下滑動。斷層面與水平面的夾角稱為斷層面的傾角,斷層面的傾斜方向稱為斷層面的傾向。自然界中正斷層的組合可以有多種,最簡單的情況是,當多條平行的正斷層向相反方向傾斜時,斷層上盤下降形成負地形,這種溝壑狀的地形稱為地塹,斷層下盤相對于地塹呈現為正地形,稱之為地壘。自然界中的正斷層可以有復雜的組合,斷層面可以是彎曲的鏟形,斷層面兩盤可以在斷層滑動過程中發生旋轉。

    3.哪里會有正斷層

    正斷層是物體受到拉張作用時產生的,地球表面如果出現拉張環境就可以出現正斷層。地球外層的巖石圈是由多個板塊構成的,當兩個板塊向著相反方向運動時,兩個板塊之間就會出現拉張環境,在這種環境下會出現正斷層。東非大裂谷就是兩個分離板塊的邊界,隨著時間的推移,非洲大陸會被撕裂開。實際上,地球表面存在比東非大裂谷更長的“傷疤”,它就是橫跨大洋的大洋裂谷系,在海底綿延上萬千米,洋底裂谷系上世紀中期才被發現,代表著兩個板塊分離的邊界,它的發現為板塊構造革命提供了有力證據。

    地塹、地壘以及不同形狀的斷層面

    除了在板塊邊界可以產生規模宏大的正斷層裂谷外,有些情況下雖然沒有明顯的伸展,但地殼物質在重力作用下也會形成正斷層,而且我們更容易觀察到。在美國猶他州大峽谷國家公園內,科羅拉多河東南岸的地層內發育有條帶狀相間排列的地塹和地壘,形成這種現象的原因就是重力作用產生的伸展。因為河流下切地層,使得河岸附近的巖石沒有了側向支撐,同時該地區近水平的地層內有一層容易變形的軟弱層,軟弱層上面蓋了堅硬的地層,上面的堅硬地層會向北西方向慢慢滑動,在滑動過程中地層被拉斷,出現一系列平行的正斷層控制的地塹和地壘。除了地表可以看得到的正斷層外,有的正斷層被埋藏在地下,地質學家可以通過鉆孔或者用地震波探測的方式來識別深部的斷層以及計算斷層兩盤的滑動量。

    4.正斷層塑造的地貌

    自然界中很多地貌與正斷層相關,形成壯觀的地貌差異,有的成為著名的自然景觀。除了前面提到的東非大裂谷和大洋裂谷系,世界范圍內還有很多正斷層塑造的地貌。與正斷層相關的地貌既可以是大面積的分布,例如著名的“死谷”,也可以是撕裂地殼的大規模線性裂谷,例如著名的東非大裂谷。

    美國西部的盆嶺地區,西臨內華達山脈,東接科羅拉多高原,東西最寬處可達800千米,向南可以一直延伸到墨西哥境內。盆嶺區內部分布著大量南北向延伸的盆地和山脈,而且盆地和山脈相間排列,從太空中都可以清晰地看到這些山脈和盆地。該地區的地殼從距今17個百萬年開始就遭受著近東西向的拉張,目前已經拉張了原來長度的100%,就像把一根皮筋拉長為原來的2倍,說明盆嶺地區地殼遭受了強烈的拉張。盆地就是正斷層上盤下降形成的地塹,斷層的形狀上陡下緩,山嶺便是山體順著彎曲斷層面旋轉并翹起的高地。因為盆嶺地區是干旱氣候,盆嶺地區沒有大型河流,受正斷層控制的盆地地勢低洼,雨水不能外流只能在盆地內部蒸發,形成了眾多鹽湖。有的地區曾經存在古湖,但因為強烈的蒸發作用而干涸。著名的“死谷”國家公園就位于盆嶺地區的西南側,死谷內的最低點海拔-86米,是西半球的陸地最低點,造成這么低的海拔就是地殼減薄拉伸,大量正斷層發育造成的。

    美國西部的盆嶺區和東非大裂谷雖然都是受正斷層控制形成的,但是這兩種地質地貌景觀卻有著不同的成因。研究發現兩個地區地殼內部的物理狀態不同,也就是控制正斷層的地殼深部結構不同。盆嶺區地區地殼熱而軟,深部地殼物質可以塑性流動,地殼上部物質在重力作用下形成正斷層,形成面狀的伸展。關于盆嶺的成因目前科學界還存在爭議,主流觀點認為這種熱而軟的地殼與大洋板塊向大陸板塊之下的俯沖有關。跟盆嶺地區不同的是,非洲大陸巖石圈就比較剛硬,大陸巖石圈受到深部地幔物質上涌對流的強烈拉張作用,形成一條線狀的裂谷帶,類似于貫穿洋底的大洋裂谷。

    5.正斷層與人類生產生活

    我們知道石油孕育在盆地里面,正斷層可以為盆地的形成提供空間,世界上許多著名的油田就位于在正斷層控制的盆地內。正斷層的活動會使斷層上盤沉降,就會有利于沉積物的堆積,隨著時間的推移,盆地沉積物內的有機質不斷受到上部新沉積物的壓實,在一定的溫度壓力條件下就會變成石油或天然氣。除了能源,正斷層還與金屬礦產、水資源的分布密切相關,因為斷層帶為沉淀金屬的熱液流體或者地下水提供了流動的空間。例如,我國太行山東麓分布著眾多的泉水,這些泉水就是受正斷層控制的,因此認識到斷層的存在后,可以沿著斷層的分布尋找水或者其他資源。

    但是,斷層的活動會產生地震,給人類生命財產安全帶來威脅,成為地質災害。自然界中的3種斷層的運動都會產生地震,2008年的汶川地震是逆斷層運動產生的地震,造成了大量的人員傷亡和財產損失,正斷層產生的地震同樣威脅著人類的生產生活。我國歷史上幾個著名的大地震都與正斷層的活動有關系,像1303年洪洞8級地震、1556年陜西華縣8.2級地震、1695年臨汾8級大地震、1739年寧夏平羅8.0級地震,其中1556年的陜西華縣地震發生在人口稠密區,導致了83萬人的死亡,是目前世界已知死亡人數最多的地震,為古今中外罕見。這些大地震發生的位置正好是一系列正斷層控制地塹內,包括南側的渭河地塹,東側的山西地塹,西側的銀川地塹以及北側的河套地塹,地質學家將這些地塹叫做“環鄂爾多斯周緣地塹系統”,這些地塹圍成一個環形,環形內部的鄂爾多斯高原十分穩定,基本沒有地震,地震主要發生在地塹內,構成了一個環形地震帶,這在世界上獨具特色。

    現代正斷層的活動被很好地記錄和測量,用于科學分析以及地震預測,2016年10月,意大利中部地區發生了6.6級地震,該地震是正斷層滑動引起的,一次地震引起的垂直位移可達2米,震級越高,斷層滑動的距離就越大。如果多次地震,會形成顯著的地貌差異。在河套盆地西側的狼山山前正斷層發育了壯觀的斷層崖,這是斷層多次活動、長期累積的結果,隨著科學技術的提高,科學家通過斷層活動產生的地貌現象以及沉積物的年齡,來估算地震復發周期等活動特性,在比較容易發生地震的區域通常布置了檢測地震活動的儀器用于地震危險性評價,另外,在地震易發區建筑物要達到相應的抗震等級來抵御地震的破壞。

    6.結束語

    正斷層既可以塑造出美麗的自然景觀,也會給人類帶來災害,只有進一步認識正斷層的“脾氣”,才能避免斷層造成的地質災害。雖然預測地震仍是世界性難題,但隨著觀測預防水平的提高,人類已經對斷層活動有了深入了解,相信在不遠的將來,人類對正斷層引起的地震會有更清晰的認識。

    (作者單位:中國地質調查局地質研究所)

    網站編輯:宮莉

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