地球大陆边缘构造
与板块俯冲带（2）
胡经国
第二节被动大陆边缘
一、被动大陆边缘概述
大西洋、印度洋的大部分和南极洲的大陆边缘具有以下特征：
①、没有地震、火山的发生，没有板块俯冲作用；
②、不存在沟－弧－盆系或沟－弧山链系等俯冲类型的构造单元；
③、陆壳和洋壳在组分和厚度等方面均呈现过渡性变化；
④、组成同一板块并且能够传递应力。
具有以上特征的大陆边缘称为被动大陆边缘，又叫做不活动的被动大陆边缘、无震陆缘）。被动大陆边缘常以大西洋两侧的大陆边缘为典型代表，因此又称为大西洋型大陆边缘。
被动大陆边缘从陆壳过渡到洋壳，并且不是板块构造的边界，如大西洋的大陆边缘。
被动大陆边缘由开阔平缓的大陆架、陆坡和部分深海盆地组成。陆坡平均坡度为3～4.2°，常呈凹形，向下坡度逐渐变缓；河流携带大量陆源碎屑沉积物以浊流和海底扇形式沉积于坡麓地带，为油气富集地带。
二、被动大陆边缘的演化阶段
大西洋型被动大陆边缘的演化分为以下4个阶段：
㈠、大陆拉伸
地壳被拉伸，产生铲状正断层，形成地堑－地垒组合构造。
㈡、大陆裂离
当大陆开始裂离时，大陆侧残留有原始裂谷的痕迹，并且发育成大陆架，有利于形成石油、天然气和盐类矿产。
㈢、形成窄大洋
当大陆边缘远离洋中脊逐渐冷却下沉时，原大陆裂谷阶段具有的构造－地貌特征便开始消失。大陆架外缘因继续拉张而塌陷，陆坡后退，形成窄海洋。
㈣、形成开阔大洋
大洋广泛扩张。海进和海退受大洋扩张速度、地壳升降和气候变化等多种因素的影响。
三、被动大陆边缘研究的若干进展
㈠、被动大陆边缘的基本特点
1、被动大陆边缘远离板块边界。
2、被动大陆边缘的两种类型：
①、没有大量火成作用的边缘，为非火山型被动大陆边缘，如Biscay湾、西伊比利亚。
②、在形成中火成作用起主要作用的边缘，为火山型被动大陆边缘，如东格陵兰、挪威岸外、西北大不列颠岸外，与大规模火山物质喷发有关。
3、在不同地幔温度下，岩石圈响应范围大，大陆边缘结构可处于非火山型和火山型之间的任一种（Mutter，1993）。
4、地球物理观测、钻探结果、海底采样、邻近陆地研究，对被动大陆边缘的结构与演化进行了研究。
5、在被动大陆边缘，许多地区并非地质活动不活跃，如快速沉降与现今地震活动。
6、从陆到洋的转换，地形上表现为陆架、陆坡和陆隆。
7、在美国东南部海岸，边缘海台，大陆隆不发育。
8、邻近的大陆磁条带给出边缘何时开始发育，一些大陆坡被磁静带围限，海底扩张早期历史不清楚。
9、陆上和海上钻探结果表明，大洋壳形成以前，通常存在大于10Ma的大陆岩石圈拉张阶段。
10、被动大陆边缘的声学基底上覆盖着巨厚的沉积物，包括大陆架、大陆坡和大陆隆等地形，大陆隆之下为大洋盆地。
㈡、被动大陆边缘的结构
被动大陆边缘的结构包括沉积盖层、基底与上地幔。
1、沉积盖层
⑴、1950年代、1960年代，地震折射剖面指示，许多被动大陆边缘沉积层厚度超过5公里，一些地段厚达10公里。一些地震剖面显示，大陆隆地区沉积层覆盖在倾斜断块上。
⑵、重力、磁异常也指示厚厚的沉积层。许多大陆架盆地（现今石油产地）首先是由重力低、小幅度长波长磁异常（深的磁性基底）圈定的，或通过航磁快速、经济圈定厚沉积区。
⑶、三个地震层序
①、裂谷前层序
倾斜、断裂的地层。
②、同裂谷期层序
断层围限的裂谷盆地发育，倾斜反射层；半地堑，同裂谷期沉积向边界断层方向下倾；深地震剖面显示，许多边界断层是犁式断层。同裂谷期盆地的形成，伴随着大陆壳较薄和沉降。一系列倾斜断块向海终止，标志着陆壳－洋壳基底的边界。
③、裂谷后层序
向海缓缓倾斜海进层序（洋盆变宽，边缘继续沉降）。裂谷后——漂移层序的基底——破裂不整合（角度不整合）。
2、基底与上地幔
⑴、陆、洋边界位置的估计，可基于地壳厚度、地震速度的垂向和横向变化、地震模式转换、陡的均衡重力梯度、线性磁异常的终止、基底地形和组成等。但是，没有一种是普遍适用的。很难区分洋壳与遭受变形和玄武岩入侵的陆壳。
⑵、地震数据表明，大陆基底向大洋减薄，厚陆壳向薄洋壳的过渡，几十至上百公里。多道反射剖面（15s或更长）可得到被动大陆边缘整个地壳的地震图像。深反射剖面反映，上部基底的地震透明带：结晶基底，至10多公里，地震反射少。
⑶、在一些边缘（加拿大北部大滩、南海北部），高角度（25～40°）正断层穿透整个地壳。
⑷、在一些边缘（Biscay湾北部、西班牙下部），存在低角度基底断层、同裂谷期拆离断层。
㈢、被动大陆边缘的沉降
深部边缘钻探和下陆坡露头采样表明，存在中生代、新生代浅水沉积（水深小于200米），现今深度达几公里。
根据艾里均衡，200米厚的陆架水层被沉积物替换，沉降小于500米；可见沉积荷载不是主要的沉降机制。年龄－深度曲线是指数变化的，反映了沉降过程中岩石圈冷却的重要性。
艾里地壳均衡说是英国人艾里（G.B.Airy）提出的关于地壳均衡补偿现象的一种假说。
他认为，地球上层物质的密度比下层小。山脉是较轻的岩石浮在较重的介质之上，仿佛冰浮在水上一样。但是，它的底部也伸入水下；山越高，它的底部伸入介质也就越深，山是有根的。反之，在海洋下面，由于海水的密度比岩石小，下面的介质反而向上凸出形成一个反山根。该假设引出一个概念，即从地下某一深度起，相同截面（面积要足够大）所承担的质量趋于相等，这个概念称为地壳均衡。艾里提出的这种假说称为艾里地壳均衡说。地壳均衡的概念对地学的研究产生了很大的影响。
㈣、被动大陆边缘的火山作用
1、倾斜反射层序
⑴、许多大陆边缘存在大量的火山物质。地壳中的地震波异常高速，反映厚厚的（大于３公里）向海倾斜反射层序。其横向展布大于10公里，呈弓形，向上凸起；向洋侧变陡，呈楔状。它没有清晰的底界，或下部层状地层为非沉积成因。倾斜反射层厚几十米，上百公里宽。在广角剖面上，上部速度为4km/s，下部速度为6.5km/s；速度梯度与洋壳层2（向下孔隙度降低）相似。
⑵、在海底扩张早期，熔岩产出率通常很高，导致近地表扩张中心发育。熔岩在水下快速熄灭前，流过了较长距离，堆积的熔岩层有几十公里。
当海底扩张继续时，年轻熔岩覆盖在较老熔岩上面，导致沉降和向扩张中心的旋转。在这一早期丰富的岩浆活动以后，玄武质熔岩产出率降低，扩张中心沉降到洋中脊轴正常深度。当洋中脊轴下沉到海面以下时，新喷出的熔岩流长度快速减小。
⑶、相信，倾斜反射层序由海底扩张形成。但是，提出部分熔岩柱喷发到陆壳上；北大西洋倾斜反射层序钻探所获玄武岩有与陆壳密切相关的地球化学证据。
2、火山型边缘的深部结构
⑴、地震波高速基底、向海倾斜反射层序，在其它大陆边缘也被发现，如挪威岸外、格陵兰东部、美国东部。厚厚的地震波高速地壳楔，给出了大陆分裂早期大量火成物质的强有力证据。通过侵入陆壳基底，在莫霍面（moho）处底垫或产生厚厚的洋壳。其体积是倾斜反射层序的3～4倍。低的速度梯度——地震波速度均匀，底垫是最可能的过程。
⑵、火山型边缘是由于热地幔柱上升张裂而形成的。地壳部分熔融体积在很大程度上取决于裂谷带下软流圈的温度、热地幔物质减压的量和速率（在拉伸大陆岩石圈下上升时）。在北大西洋，有大量熔融物质产出，围绕地幔柱延伸1500～2000公里。
在离地幔柱活动较远的地区，如Biscay湾，基本上是非火山型的，因为位于正常地幔柱温度上。
在地壳快速减薄的地区，上升地幔通过传导丧失热量很少，通过绝热减压冷却。地幔温度高于局部固相温度，导致部分熔融。
地幔温度只需升高100～200℃，就会有大量熔岩产出。升高100℃，熔融加倍；升高200℃，熔融4倍。
⑶、被动大陆边缘最厚的地段，位于裂谷与地幔柱中心的交点。但是，在离地幔柱中心1000公里处，仍有大量熔岩产出。
⑷、在大陆分裂早期，海底扩张速度快，在地表产生的熔岩流动了较长距离，形成光滑的洋壳基底。当扩张速度降低时，正极性和负极性的磁性单元包含在基底中，有效地消除了磁场效应，形成邻近现今陆坡的磁静带。晚期，洋中脊轴下沉到海面以下，熔岩流长度大减（由于快速熄灭）。在东海岸磁异常区产生的盐底辟，可能来自当扩张轴高于海面时形成的蒸发盐地层，此时邻近盆地常常处于干燥环境。
四、转换大陆边缘研究的若干进展
㈠、转换大陆边缘的概念
有的学者还划分出转换型大陆边缘。它的形成与沿转换断层的走向滑动有关。这种大陆边缘可以是被动的，其陆架狭窄，如几内亚湾北缘；也可以是活动的，以浅源地震为其标志，常构成海脊与盆地相间排列的大陆边缘地，如加利福尼亚沿岸。
㈡、转换大陆边缘的特征
转换大陆边缘与被动大陆边缘的地壳结构和演化不同。其特征是：
陡陆坡连接大洋转换带的脊－槽复杂体；
重力和广角地震测量表明，厚的陆壳与薄的洋壳之间的转换是急剧的，转换带小于30公里，例如：QueenCharlotte群岛的岸外、纽芬兰西南、白令海西南、Guinea、Ghana、theFalklands、theAgulha岸外、Exmouth边缘海台；
陆架下没有高速层，陆壳没有底垫；
转换带小于15公里，地壳速度高达7.3km/s；重磁模拟表明，转换带存在高密度和强磁性的岩石；基性火成侵入或蛇纹石化上地幔可能存在；非洲从南美分离时拉伸强烈；
靠近转换带，洋壳很薄（～4.4公里）；A.Edwards等（1997）提出，由于被冷岩石圈包围的小盆地在海底扩张时岩浆供应较少，因而地壳变薄。
转换大陆边缘与被动大陆边缘特征对比表
特征 转换大陆边缘 被动大陆边缘 地貌 宽的大陆架，陡的大陆坡，不发育的大陆隆 各种各样 沉积盆地 仅在内陆架下或破裂带中有深盆底，陆隆上不存在 在丰腴边缘上广泛存在，在贫瘠边缘上不存在 基底 大陆基底边缘严重断裂，故在陆坡下形成浅水脊，在破裂带上有地垒和地堑；大洋基底很少向下弯 大陆基底通常有犁式正断层和旋转地块。有些地方在古老大洋基底中有脊；大洋基底通常向下弯 大陆地壳厚度 有限的减薄 广泛的减薄 大洋地壳 除了在破裂带上由火山作用造成以外，不存在加厚 在一些地方存在加厚 宽度 窄，通常不到100米 各种各样，100～300米 （据：Scrutton，1982）
㈢、转换大陆边缘的发育与演化
J.MascleandE.Blarez（1987）提出，转换大陆边缘演化过程如下：
1、A阶段
两板块相互运动，上地壳脆性变形，下地壳韧性变形；剪切带的弯曲导致局部离散，形成拉张盆地或转换拉张盆地；快速沉降、高热流，没有大量火山活动；汇聚导致快速变形和抬升，形成局部沉积盆地。
2、B阶段
裂谷发育，最终演化成扩张中心，导致厚的陆壳块体的并置和裂谷作用造成的陆壳减薄。边缘地震活跃；沿弯曲的剪切带转换拉张、转换挤压导致平行剪切方向的边缘脊的形成。
3、C阶段
大洋裂谷变宽，扩张轴沿着厚陆壳边缘和减薄陆壳邻近地带迁移，导致大陆岩石圈加热。扩张中心的迁移导致抬升、部分沉积盖层的剥蚀和不整合的发育。热抬升大陆物质的剥蚀是转换大陆边缘减薄的主因。在中脊轴迁移的激发下，热沉降阶段的正断层活动导致陡陆坡的形成。扩张中心之间的转换大陆边缘保持地震活动性。
4、D阶段
2018年5月5日编写于重庆
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