2021年04月20日 星期二
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从东非大裂谷说起

——带您认识一下“正断层”

2021-3-9 10:28:13 来源:中国矿业报

1.从一条“伤疤”说起

俯瞰我们美丽的地球,不难发现,在非洲大陆上有一条横贯大陆的“伤疤”,这就是著名的东非大裂谷,被称为“地球的伤疤”,从约旦河顺着红海向南一直延伸到非洲大陆南端的莫桑比克,全长约6000千米,宽度几十到上百千米,深度几百米到两千米。

从太空俯瞰东非大裂谷

裂谷带在维多利亚湖两侧分为东西两支,东非大裂谷内有风景秀美的景色,沿着东非大裂谷分布着众多的火山和湖泊,著名的伦盖伊火山就位于裂谷带内,其喷发出的富含矿物质的火山灰造就了草木旺盛的塞伦盖蒂草原,成为众多野生动物的繁衍地,生活了70多种大型哺乳动物和500多种鸟类,被联合国教科文组织列入世界文化与自然遗产名录。此外30多个大大小小的湖泊分布在裂谷带内,像一串明珠分布在裂谷内,世界第二大深湖坦噶尼喀湖就是受裂谷断裂的控制,湖长度是宽度的10倍,最深处1470米,湖两岸就是裂谷带两侧的断层崖。可以看出,火山、湖泊以及多样的生态景观和动植物种群分布,离不开东非大裂谷这条地球的伤疤,因此东非大裂谷是地球留给我们的自然遗产,吸引了世界各地的科学家和游客。

2.什么是正断层

像东非大裂谷那样恢弘壮观的景象是什么造成的?这里就要谈到断层了,断层顾名思义是某个物体受到力后被错断了,在物体内形成破裂面,广义上的破裂可以指我们见到的各种各样的破裂。地质意义上的断层指的是不仅存在破裂面,而且破裂面两边的物体有明显的相对滑动。按照断层面两侧物体运动方式,自然界中的断层有三种基本类型,分别是正断层、逆断层和走滑断层。

三种基本断层类型

自然界中的这三种断层会衍生出复杂多样的断层系统,而且尺度差异非常大,小到岩层的错断,大到横跨大洋的洋中脊。而我们要谈到的就是形成东非大裂谷这种地貌的断层:正断层。认识什么是正断层,它具有哪些性质,产生正断层的原因。在此基础上我们可以学着如何识别正断层,进一步了解正断层和地震的关系以及正断层对人类生产生活的影响。

断层面的上部叫断层上盘,下部叫断层下盘。正断层指断层面上盘相对于断层下盘向下滑动。断层面与水平面的夹角称为断层面的倾角,断层面的倾斜方向称为断层面的倾向。自然界中正断层的组合可以有多种,最简单的情况是,当多条平行的正断层向相反方向倾斜时,断层上盘下降形成负地形,这种沟壑状的地形称为地堑,断层下盘相对于地堑呈现为正地形,称之为地垒。自然界中的正断层可以有复杂的组合,断层面可以是弯曲的铲形,断层面两盘可以在断层滑动过程中发生旋转。

3.哪里会有正断层

正断层是物体受到拉张作用时产生的,地球表面如果出现拉张环境就可以出现正断层。地球外层的岩石圈是由多个板块构成的,当两个板块向着相反方向运动时,两个板块之间就会出现拉张环境,在这种环境下会出现正断层。东非大裂谷就是两个分离板块的边界,随着时间的推移,非洲大陆会被撕裂开。实际上,地球表面存在比东非大裂谷更长的“伤疤”,它就是横跨大洋的大洋裂谷系,在海底绵延上万千米,洋底裂谷系上世纪中期才被发现,代表着两个板块分离的边界,它的发现为板块构造革命提供了有力证据。

地堑、地垒以及不同形状的断层面

除了在板块边界可以产生规模宏大的正断层裂谷外,有些情况下虽然没有明显的伸展,但地壳物质在重力作用下也会形成正断层,而且我们更容易观察到。在美国犹他州大峡谷国家公园内,科罗拉多河东南岸的地层内发育有条带状相间排列的地堑和地垒,形成这种现象的原因就是重力作用产生的伸展。因为河流下切地层,使得河岸附近的岩石没有了侧向支撑,同时该地区近水平的地层内有一层容易变形的软弱层,软弱层上面盖了坚硬的地层,上面的坚硬地层会向北西方向慢慢滑动,在滑动过程中地层被拉断,出现一系列平行的正断层控制的地堑和地垒。除了地表可以看得到的正断层外,有的正断层被埋藏在地下,地质学家可以通过钻孔或者用地震波探测的方式来识别深部的断层以及计算断层两盘的滑动量。

4.正断层塑造的地貌

自然界中很多地貌与正断层相关,形成壮观的地貌差异,有的成为著名的自然景观。除了前面提到的东非大裂谷和大洋裂谷系,世界范围内还有很多正断层塑造的地貌。与正断层相关的地貌既可以是大面积的分布,例如著名的“死谷”,也可以是撕裂地壳的大规模线性裂谷,例如著名的东非大裂谷。

美国西部的盆岭地区,西临内华达山脉,东接科罗拉多高原,东西最宽处可达800千米,向南可以一直延伸到墨西哥境内。盆岭区内部分布着大量南北向延伸的盆地和山脉,而且盆地和山脉相间排列,从太空中都可以清晰地看到这些山脉和盆地。该地区的地壳从距今17个百万年开始就遭受着近东西向的拉张,目前已经拉张了原来长度的100%,就像把一根皮筋拉长为原来的2倍,说明盆岭地区地壳遭受了强烈的拉张。盆地就是正断层上盘下降形成的地堑,断层的形状上陡下缓,山岭便是山体顺着弯曲断层面旋转并翘起的高地。因为盆岭地区是干旱气候,盆岭地区没有大型河流,受正断层控制的盆地地势低洼,雨水不能外流只能在盆地内部蒸发,形成了众多盐湖。有的地区曾经存在古湖,但因为强烈的蒸发作用而干涸。著名的“死谷”国家公园就位于盆岭地区的西南侧,死谷内的最低点海拔-86米,是西半球的陆地最低点,造成这么低的海拔就是地壳减薄拉伸,大量正断层发育造成的。

美国西部的盆岭区和东非大裂谷虽然都是受正断层控制形成的,但是这两种地质地貌景观却有着不同的成因。研究发现两个地区地壳内部的物理状态不同,也就是控制正断层的地壳深部结构不同。盆岭区地区地壳热而软,深部地壳物质可以塑性流动,地壳上部物质在重力作用下形成正断层,形成面状的伸展。关于盆岭的成因目前科学界还存在争议,主流观点认为这种热而软的地壳与大洋板块向大陆板块之下的俯冲有关。跟盆岭地区不同的是,非洲大陆岩石圈就比较刚硬,大陆岩石圈受到深部地幔物质上涌对流的强烈拉张作用,形成一条线状的裂谷带,类似于贯穿洋底的大洋裂谷。

5.正断层与人类生产生活

我们知道石油孕育在盆地里面,正断层可以为盆地的形成提供空间,世界上许多著名的油田就位于在正断层控制的盆地内。正断层的活动会使断层上盘沉降,就会有利于沉积物的堆积,随着时间的推移,盆地沉积物内的有机质不断受到上部新沉积物的压实,在一定的温度压力条件下就会变成石油或天然气。除了能源,正断层还与金属矿产、水资源的分布密切相关,因为断层带为沉淀金属的热液流体或者地下水提供了流动的空间。例如,我国太行山东麓分布着众多的泉水,这些泉水就是受正断层控制的,因此认识到断层的存在后,可以沿着断层的分布寻找水或者其他资源。

但是,断层的活动会产生地震,给人类生命财产安全带来威胁,成为地质灾害。自然界中的3种断层的运动都会产生地震,2008年的汶川地震是逆断层运动产生的地震,造成了大量的人员伤亡和财产损失,正断层产生的地震同样威胁着人类的生产生活。我国历史上几个著名的大地震都与正断层的活动有关系,像1303年洪洞8级地震、1556年陕西华县8.2级地震、1695年临汾8级大地震、1739年宁夏平罗8.0级地震,其中1556年的陕西华县地震发生在人口稠密区,导致了83万人的死亡,是目前世界已知死亡人数最多的地震,为古今中外罕见。这些大地震发生的位置正好是一系列正断层控制地堑内,包括南侧的渭河地堑,东侧的山西地堑,西侧的银川地堑以及北侧的河套地堑,地质学家将这些地堑叫做“环鄂尔多斯周缘地堑系统”,这些地堑围成一个环形,环形内部的鄂尔多斯高原十分稳定,基本没有地震,地震主要发生在地堑内,构成了一个环形地震带,这在世界上独具特色。

现代正断层的活动被很好地记录和测量,用于科学分析以及地震预测,2016年10月,意大利中部地区发生了6.6级地震,该地震是正断层滑动引起的,一次地震引起的垂直位移可达2米,震级越高,断层滑动的距离就越大。如果多次地震,会形成显著的地貌差异。在河套盆地西侧的狼山山前正断层发育了壮观的断层崖,这是断层多次活动、长期累积的结果,随着科学技术的提高,科学家通过断层活动产生的地貌现象以及沉积物的年龄,来估算地震复发周期等活动特性,在比较容易发生地震的区域通常布置了检测地震活动的仪器用于地震危险性评价,另外,在地震易发区建筑物要达到相应的抗震等级来抵御地震的破坏。

6.结束语

正断层既可以塑造出美丽的自然景观,也会给人类带来灾害,只有进一步认识正断层的“脾气”,才能避免断层造成的地质灾害。虽然预测地震仍是世界性难题,但随着观测预防水平的提高,人类已经对断层活动有了深入了解,相信在不远的将来,人类对正断层引起的地震会有更清晰的认识。

(作者单位:中国地质调查局地质研究所)

网站编辑:宫莉

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