褶皱山系成因的探讨

原载《中科院科学智慧火花栏目》

投稿时间：2012-05-02 13:02 投稿人：赵菊初 【字号：大  中  小】 访问量：551

研究证明^[1]，褶皱山系的形成和地槽活动有密切关系。按《地槽活动成因的探讨》(以下简称“前稿”)及《地槽活动成因的探讨(续)》两稿(已提交本栏目)的研究和设想，可对褶皱山系的成因作出很好的解释。这反过来对上述两稿又能起到一定的验证作用。

我们知道，褶皱山系按其褶皱的形状可分为断续褶皱、中间褶皱和全形褶皱三种类型。中间褶皱的特点和形成机理介于断续褶皱与全形褶皱之间，所以这里暂不去研究它。下面我们着重对断续褶皱和全形褶皱的发展过程及机理作一些探讨。

当各个褶皱互不发生结构上的联系，而表现为孤立的隆起地带就称为断续褶皱。地壳表面岩层产生波浪式的变形而形成一整套互相联系着的褶皱就称为全形褶皱。二者的构造特点及演化过程列于表1中^{[1] [3]}。

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当地槽开始拗陷时，全球正处于膨胀期，地壳因下部熔化而变薄，使地下温度梯度加大，所以地壳上层要受到温度张应力。这时大陆表面将广泛产生象稻田干旱龟裂那样向下尖灭的张力裂隙。随后这种裂隙将逐渐被沉积物或火山喷出的熔岩所填充。地球在以后进入冷缩阶段时，裂隙中的沉积物将被逐渐挤出而形成断续褶皱山系。

断续褶皱山系的快速生长之所以与地槽上升振荡运动具有同期性，是因为这时地球正处于冷缩期，裂隙中的沉积物受到较大挤压力的缘故。断续褶皱山系的波幅之所以愈向下愈大，可作如下解释：裂隙中的沉积岩受到挤压时将向上涌，而愈靠裂隙上部及轴部的岩石上涌的总量愈多；这时将使愈靠上部及轴部的岩层受到的附加拉伸应力愈大，从而使裂隙中愈靠上部的岩层轴部所产生的水平拉伸变形愈大，而使轴部岩层变得愈薄，愈靠下部的岩层则所受净挤压应力愈大，从而使岩层向上拱起的波幅愈向下愈大。

对于全形褶皱山系的成因问题，至今也没有找到确切的答案。但几乎所有假说都认为其直接原因是水平挤压力。近年来，根据大量地质钻探资料，发现某些地面呈现强烈的褶皱，但在深处褶皱的影响都逐渐消失^[3]。李四光认为，这是地壳表层对其基底产生了相对水平运动的无可争辩的证据。观测还表明，世界上绝大部分的山脉都是褶皱山脉。“板块构造说”及其它有关假说无法解释为什么水平挤压只使板块上层产生强烈褶皱，下层却原封不动；为什么水平挤压能同时挤出南北向和东西向等各个方向的褶皱山系；更无法解释为什么在大小相同的同一挤压力作用下，较薄的海底板块不产生褶皱山系，却使较厚的大陆板块上几乎遍布褶皱山系。因此有人认为，岩石圈的垂直运动，倘若不是更重要的话，至少也会是与水平运动同等重要的。如果把褶皱山系的形成与地槽成因的设想联系起来，则有关的复杂现象都能得到很好的解释。

如前所述，在振荡运动过程中，地槽中的沉积岩层将不断增厚。由于沉积岩层强度较低，又因反复弯曲及受附加水平剪应力而有成层的特征。我们发现，很多沉积岩层常呈层状结构，人们可以轻易将它剖成板材当作建筑材料；这从一个侧面说明地槽下部的沉积岩也可能出现层状结构。故当它形成很多水平断层时，地球若再进入冷缩期而使地槽上层从周围水平方向受到较大挤压力，它就会因抗弯曲能力大大降低并失去稳定性而产生褶皱变形。这就能解释为什么地槽在经过长期振荡运动后才突然产生褶皱山系。

为说明沉积岩层因受变曲剪切力作用而分裂成层状结构后抗弯曲能力降低的程度，现举例为证。例如，要折弯一摞100张扑克牌可以不费吹灰之力，但若用相同强度的粘结剂将它们粘结在一起，再要弯到相同的程度，用材料力学可以算出所需弯矩要增大1万倍。由此可见，地槽中产生褶皱山系的主要原因是其中的沉积岩层抗弯曲强度大大降低了。据我按“前稿”所述机理估算，地槽形成褶皱山系时，表层因下部岩层冷缩而引起的压应力不太可能超过80MPa，远小于现在地壳下普遍存在的水平过剩压应力(200~350MPa)。这也充分说明，沿太平洋周边大陆上的山系不是板块直接挤压造成的，而应该是周边地槽活动的结果；也说明海底受如此之大的挤压力为什么不形成褶皱山系。

在地球进入冷缩阶段时，地槽的地壳下部岩层将向熔岩层中逐渐增长。因其轴部岩层厚度具有最大值，故按“前稿“所述机理估算，其中层温度降也会比周围地区大，从而使地槽轴部表层岩石受到的温度压缩应力也会具有最大值，这就可以解释为什么全形褶皱山系总是在地槽轴部最先形成^[1]。

由于岩石的抗拉强度很低，故当地球再进入增温膨胀阶段时，已形成褶皱的岩层不可能被拉平，而只在周围的陆台上再次形成广泛分布的裂隙，并随后被熔岩或沉积物充塞。这样周而复始就将迫使地槽上层岩石向其轴部推进，使褶皱区逐渐扩大。这和实际观测情况完全相符，也能很好说明地槽形成褶皱时地表的收缩率为什么能达到难以想象的程度。由于陆台裂隙填充物具有上宽下窄的形状，故在地球冷缩时，上层收缩量比下层大。这就可以解释为什么全形褶皱的波幅自上向下逐渐减小。也可解释为什么地槽只在表层产生水平运动。

在地槽中形成褶皱山系时，其挤压力既来自周围的陆台，又来自地槽下部的冷缩作用。就局部而言，它和苹果干缩而受到的应力情况是相似的。这就可以解释为什么有时在地槽中出现与多数褶皱山系走向垂直的横向褶皱。按照传统观点，就很难解释横向褶皱是怎么形成的。

据观测，大洋中脊高耸的脊峰,系岩浆不断从洋脊涌出而形成；大量海岛是由火山喷发形成的从海底升起的山峰；却不曾发现褶皱山系。陆壳厚度很大，可达数十千米，褶皱变形非常复杂，而洋壳厚度很小，却不曾褶皱而只作刚性运动，这是“板块构造说”无法解释的问题。这也说明褶皱山系不可能单纯由水平挤压力形成。

据观测，海底地壳的热流值比大陆约高73%，深海沉积又只有几十米至几百米厚；当进入升温膨胀期时，因其导热率太高而不能在其地壳下部形成熔岩窝，故无法形成地槽及褶皱山系，更不可能形成地槽振荡现象和褶皱山系。

当大陆上的地槽发展到形成褶皱山系的最后阶段，从熔岩层向上升起的熔岩窝有可能接近上部的沉积岩层；这时其中富含的导热率很低的水分和有机挥发物，会因受热而逐渐逸出地面，并带走大量热能，这又将使沉积岩层的导热率明显增大。同时褶皱山系形成时，由于下部岩石要受到剪切错动变形，而形成大量与褶皱波大致平行的断层，这有利于地下水聚集与流动，这样将大大加快地表热量的散失。当下一次地球膨胀升温时，由于上部散热太快而无法在该地槽下再次形成熔岩窝，故地槽最后停止振荡运动并因受较大浮力而上升转变成陆台。

本文是在参考文献[4]、[5]及[6]的研究基础上推演而来的；它能解释大量已观测到的复杂现象，说明它比现有假说已前进了一大步。但因涉及的问题极为复杂和奥秘，其中难免存在缺点和错误。请读者批评指正并一同来作进一步探讨。

参考文献

[1] B·B·别洛乌索夫，大地构造学基本问题(下册)，地质出版社，1957(P57~87、P90~94、P58)

[2] 尹赞勋，板块构造说的发生与发展，地质科学，1978(2)

[3] 李四光，地质力学概论，科学出版社，1973(P121)

[4] 赵菊初，探讨大陆及海洋盆地的成因，科学智慧火花栏目，2012-02-22

[5]  赵菊初，板块驱动力来源的探讨，科学智慧火花栏目，2012-03-28

[6] 赵菊初，地下熔岩层厚度及平均流速的计算，科学智慧火花栏目2012-03-20