構(gòu)造赤道及其地球動力學(xué)意義

劉仲蘭， 李江海， 張華添， 王洪浩

（北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院， 造山帶與地殼演化教育部重點實驗室　北京 100871）

構(gòu)造赤道及其地球動力學(xué)意義

劉仲蘭， 李江海， 張華添， 王洪浩

（北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院， 造山帶與地殼演化教育部重點實驗室北京 100871）

構(gòu)造赤道是現(xiàn)今全球巖石圈板塊相對深部地幔的優(yōu)勢運動方位。它的方位不同于地理赤道， 整體上表現(xiàn)為NWW-SEE向橫貫全球， 在東非-中亞-東北亞表現(xiàn)為SW-NE向。本文在調(diào)研全球地殼斷面資料的基礎(chǔ)上， 結(jié)合全球板塊運動數(shù)據(jù)、活動斷裂數(shù)據(jù)， 首次編制了構(gòu)造赤道的全球地殼斷面圖， 對其地殼結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征及其運動演化進行探討。構(gòu)造赤道在大陸地殼區(qū)， 主要跨越古生代地殼。沿著構(gòu)造赤道廊帶， 從非洲開始， 向東依次顯示了伸展-擠壓-伸展-擠壓-伸展-擠壓-伸展的相交替的運動特征， 出現(xiàn)不同類型的重要板塊構(gòu)造邊界及其構(gòu)造單元， 并控制了重要構(gòu)造地貌單元的發(fā)育。它是泛大陸裂解以來全球構(gòu)造運動的重要體現(xiàn)， 并明顯受到星際力學(xué)的影響和調(diào)整。

構(gòu)造赤道； 地殼斷面； 地幔向西流； 板塊運動； 活動構(gòu)造

卷（Volume）39， 期（Number）6， 總（SUM）149

頁（Pages）1041～1048， 2015， 12（December， 2015）

0　引　言

構(gòu)造赤道（Tectonic equator）的概念來自于從空間對全球板塊運動的定量觀測研究， 具體表現(xiàn)為全球板塊主要運動矢量具有一致優(yōu)勢方位的特點（Cuffaro and Doglioni， 2007）。在全球熱點參考系下，巖石圈板塊具有相對深部地幔一致向西運動的特點（Argus and Gordon， 1991； Riguzzi et al.， 2010）。通過對該運動方位的解析表達， 發(fā)現(xiàn)全球存在一條運動主流方向， 在該線上每一點的絕對運動方向與該線的切線方向擬合度高達85%以上（Riguzzi et al.， 2006；Cuffaro and Doglioni， 2007）。本文所稱的構(gòu)造赤道是以該線為中線， 以相對擬合度的倒數(shù)作為寬度， 確定的廊帶（圖1f）。盡管在淺部坐標(biāo)系， 表現(xiàn)為板塊之間的相對運動， 但仍然具有主流向相對集中的特點，其優(yōu)勢的范圍仍然一致集中。

前人對構(gòu)造赤道的研究主要集中在全球巖石圈板塊向西流導(dǎo)致的不對稱構(gòu)造（Doglioni， 1995；Garzanti et al.， 2007； Doglioni et al.， 2011）、構(gòu)造赤道廊帶上板塊絕對運動矢量與相對運動矢量（Gripp and Gordon， 1990， 2002； Cuffaro et al.， 2006； Crespi et al.， 2007； Cuffaro and Doglioni， 2007）、構(gòu)造赤道上地球淺部與深部表現(xiàn)差異（Panza et al.， 2010）。而對構(gòu)造赤道的幾何結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征及其成因演化方面缺少進一步的探討。為此， 本文在收集構(gòu)造赤道沿線地殼斷面的基礎(chǔ)上， 結(jié)合全球板塊運動數(shù)據(jù)、活動斷裂數(shù)據(jù)， 分析地殼組成、結(jié)構(gòu)、運動等， 探討全球新構(gòu)造意義及可能的成因。

1　構(gòu)造赤道幾何結(jié)構(gòu)特征

本文編制的構(gòu)造赤道斷面圖西起安哥拉海岸，經(jīng)剛果、東非-紅海-阿拉伯-扎格羅斯-伊朗-中亞-青藏-塔里木-天山準(zhǔn)噶爾-蒙古-貝加爾-東北亞-千島群島-日本海-日本海溝-夏威夷-東太平洋洋隆-納茲卡-哥倫比亞， 到巴西及其被動陸緣（表1）。所用資料包括構(gòu)造赤道廊帶內(nèi)較高精度的地球物理-地質(zhì)斷面圖， 涉及深部地震反射、地震折射、重力、磁力、電阻率、以及地表地質(zhì)剖面等（圖1）。

圖1　構(gòu)造赤道地理位置及本文涉及的主要地殼斷面（據(jù)Drake and Girdler， 1964； Gripp and Gordon， 2002； Zorin et al.，2002； Doglioni et al.， 2003； Scoppola et al.， 2006； Crespi et al.， 2007； Maruyama et al.， 2007； Filatova， 2008； Lomize，2008； Vergés et al.， 2011編制）Fig.1　Location of tectonic equator and important geotransects involved in this paper

表1　構(gòu)造赤道穿越的大地構(gòu)造單元及其中新生代邊界Table 1　The tectonic units along the tectonic equator and the Meso-Cenozoic tectonic boundaries

全球構(gòu)造赤道在地理上由西向東， 跨越非洲大陸、阿拉伯半島、亞洲大陸西南部-中部-東部、西北太平洋、南美北部大陸、南大西洋盆地。在中、新生代全球構(gòu)造上， 涉及西岡瓦納大陸、南大西洋盆地、新特提斯造山帶中段、中亞造山帶、西伯利亞板塊南緣、華北陸塊、西北太平洋等（表1）。在地幔層次上， 跨越非洲超級幔柱、太平洋超級幔柱， 以及兩者之間的亞洲超級冷幔柱（Maruyama et al.，2007）， 沿線經(jīng)過的中、新生代熱點和LIP包括： 特里斯坦-達庫尼亞群島、鯨魚海嶺、Etendeka、阿法爾、夏威夷、格拉帕格斯、加勒比、巴拉納、格蘭德河海嶺等。從構(gòu)造體制上分析， 現(xiàn)今構(gòu)造赤道形成于泛大陸白堊紀(jì)大規(guī)模裂解、新特提斯閉合消減的背景下。

將板塊絕對運動矢量（相對深部地幔）集中程度的倒數(shù)表現(xiàn)為構(gòu)造赤道廊帶的寬度（圖1）。可以發(fā)現(xiàn)，在構(gòu)造赤道廊帶通過的大洋地區(qū)時其寬度較通過大陸地區(qū)更窄， 表明其運動優(yōu)勢方位更為集中， 而在大陸地區(qū)構(gòu)造赤道廊帶寬度相對較寬， 表明其運動方位較為發(fā)散。這可能與大陸地殼和大洋地殼的差異流變性質(zhì)有關(guān)（Doglioni et al.， 2015）。另外， 全球構(gòu)造赤道在大陸地殼區(qū)主要位于泛非（非洲）-顯生宙地殼區(qū)（中亞、東北亞）（Rino et al.， 2008）， 地殼強度的薄弱， 是其發(fā)生強烈構(gòu)造變形的物質(zhì)基礎(chǔ)。

沿著構(gòu)造赤道廊帶， 由于板塊相對地幔深部發(fā)生明顯的向西運動， 因此剖面結(jié)構(gòu)上， 表現(xiàn)出明顯的不對稱性。由于地殼和地幔相對運動速度的差異，全球幾乎所有向西俯沖帶的俯沖角度均大于向東俯沖帶俯沖角度（Doglioni et al.， 2015）， 因此導(dǎo)致的弧后盆地、前陸盆地也有較大差異（Doglioni et al.，2009）。這種不對稱性還表現(xiàn)在板塊離散邊界， 如大洋中脊擴張不對稱性（Panza et al.， 2010）、大陸裂谷形態(tài)不對稱性（Doglioni et al.， 2003）。

2　構(gòu)造赤道構(gòu)造特征

從構(gòu)造赤道整體上分析， 中生代以來， 隨著南大西洋盆地張開， 新特提斯洋盆關(guān)閉， 西北太平洋向歐亞大陸俯沖， 納茲卡板塊古近紀(jì)向智利板塊俯沖， 構(gòu)造赤道斷面上從西向東， 依次顯示了伸展-擠壓-伸展-擠壓-伸展-擠壓-伸展相交替的運動特征（圖2）。分段表述如下：

在大西洋-東非伸展區(qū)， 非洲-南美之間為大西洋盆地內(nèi)伸展張開， 阿拉伯與非洲大陸之間的伸展發(fā)育紅海裂谷盆地與東非裂谷系， 造成索馬里板塊與非洲大陸的分離。其中， 地幔柱（特里斯坦、阿法爾熱點）對伸展裂解起重要作用。南大西洋盆地的張開， 涉及南美一側(cè)從西非大陸低角度拆離伸展（Unternehr et al.，2010）。而巴西被動盆地的發(fā)育， 還受到南美大陸西側(cè)俯沖的擠壓作用的傳播， 并具有撓曲盆地特點。

圖2　全球新生代活動構(gòu)造、板塊運動軌跡與構(gòu)造赤道運動關(guān)系圖（活動斷裂分布數(shù)據(jù)來自Haghipour， 2006； Yin， 2010；Yin and Taylor， 2011； Frisch et al.， 2011； 板塊運動矢量據(jù)Haghipour， 2006）Fig.2　Kinematic relationship between global active tectonics， plate motion， and tectonic equator

阿拉伯板塊向北俯沖于伊朗板塊之下， 新特提斯洋盆關(guān)閉， 形成高加索-扎格羅斯造山帶， 并在伊朗高原發(fā)育走滑斷裂， 調(diào)整南北向的縮短（Bourget et al.， 2010）。而印度板塊加速向北運動， 始新世以來，與歐亞大陸碰撞， 形成青藏高原-喜馬拉雅造山帶（St-Onge et al.， 2006）。其中， 西喜馬拉雅-喀拉昆侖-帕米爾成為最強烈的地殼縮短變形區(qū)， 逆沖構(gòu)造變形向北直接擴展到塔里木盆地南緣， 以及天山北緣。阿拉伯半島、印度板塊分別與歐亞大陸碰撞， 但具有差異性的碰撞變形作用， 兩者之間出現(xiàn)恰曼轉(zhuǎn)換斷層， 并在其西側(cè)馬卡蘭保留海溝， 持續(xù)向北俯沖。構(gòu)造赤道大約從兩者之間向北東穿過， 代表了印度板塊北緣碰撞變形區(qū)寬度持續(xù)向西擴展， 但運動矢量指向北東， 經(jīng)過中亞哈薩克斯坦、帕米爾， 到達準(zhǔn)噶爾盆地東北緣的阿爾泰山脈（李江海等，2007）。

長達1500 km的貝加爾裂谷帶是西伯利亞東南部新生代最明顯的構(gòu)造。GPS數(shù)據(jù)表明其正以4.5±1.2 mm/a的速度向SWW-NEE方向裂開（Lesne et al.， 1998， 2000）。大量新生代斷層的構(gòu)造解析表明，貝加爾裂谷系的伸展作用開始于晚始新世并持續(xù)到第四紀(jì)（San'kov et al.， 2000）。貝加爾裂谷系的活動時間與青藏高原南北向的裂谷和巖墻侵位時間（Yin et al.， 1994）表現(xiàn)出很好的吻合性， 表明它們可能共同受亞洲西南板塊邊界活動的影響（Yin and Harrison，2000）。

構(gòu)造赤道過阿爾泰蒙古直達貝加爾后向西南方向逐漸偏移， 穿過東北亞進入日本島弧-夏威夷。中生代期間， 東亞構(gòu)造格局由南北匯聚， 轉(zhuǎn)變?yōu)橐磷裟吾鍓K向歐亞大陸斜向俯沖， 早期向NNW（120 Ma前）、晚期向NWW俯沖， 并在古近紀(jì)形成歐亞大陸的邊緣海盆及其裂谷系。海拉爾、松遼盆地發(fā)育侏羅紀(jì)-白堊紀(jì)由西向東的斷陷構(gòu)造， 并且出現(xiàn)構(gòu)造線由NEE向NNE的轉(zhuǎn)折， 記錄了太平洋板塊俯沖的左旋走滑及其俯沖持續(xù)加強， 并經(jīng)歷了中亞造山后的伸展作用。而新近紀(jì)松遼盆地的消亡、渤海灣盆地的發(fā)育， 記錄了太平洋板塊向NNW方向俯沖的影響（Zhao， 2004）。千島海溝現(xiàn)今俯沖速率島9.0 cm/a。與亞洲大陸東部相對應(yīng)， 太平洋皇帝島-夏威夷等海鏈， 熱點活動發(fā)育及其遷移軌跡， 并在40 Ma前后運動發(fā)生轉(zhuǎn)向（由早期NNW轉(zhuǎn)為NWW向）。上述構(gòu)造轉(zhuǎn)向， 明顯對應(yīng)于現(xiàn)今構(gòu)造赤道的方位。

太平洋東緣的俯沖在科迪勒拉和安底斯的俯沖時間存在明顯差異， 前者俯沖開始于三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)， 后者俯沖開始于古近紀(jì)， 包括加勒比板塊大規(guī)模楔入的時間也是古近紀(jì)。構(gòu)造赤道進入南美北部，對應(yīng)于古近紀(jì)俯沖作用， 即是這一時期板塊俯沖作用延伸的結(jié)果。而北美西側(cè)主要為圣安德列斯的轉(zhuǎn)換作用， 俯沖作用局限在很窄的范圍。另外， 現(xiàn)今太平洋板塊東西兩側(cè)俯沖帶傾角存在明顯差異， 馬利亞納俯沖傾角較陡、智利海溝俯沖傾角較緩。這也是全球俯沖帶向西和向東傾的普遍特征， 西陡、東緩，傾角分別為65.6°和27.1°（Riguzzi et al.， 2010）。

伸展和擠壓構(gòu)造空間上交替出現(xiàn)的動力學(xué)原因，就目前的認(rèn)識來看， 主要是由于構(gòu)造赤道跨越了非洲南部和太平洋兩個超地幔柱和中亞一個超冷幔柱（Maruyama et al.， 2007）。在超冷幔柱之上整體是一個陸殼匯聚的構(gòu)造背景， 因而形成扎格羅斯、西太平洋兩個擠壓區(qū)， 而在局部（超冷幔柱的中心）形成伸展區(qū)——貝加爾伸展區(qū)； 在兩個超地幔柱之上分別發(fā)育了南大西洋-非洲和太平洋兩個伸展區(qū)， 而在超地幔柱之間形成了安第斯擠壓區(qū)。

3　構(gòu)造赤道的成因及動力學(xué)意義

構(gòu)造赤道可以追溯到中生代以來全球構(gòu)造格局的變化上， 即喇叭狀特提斯洋盆持續(xù)關(guān)閉（二疊紀(jì)-新近紀(jì)）、南、北大西洋盆持續(xù)張開（白堊紀(jì)）、太平洋板塊俯沖由向NNW轉(zhuǎn)向NWW（古近紀(jì)）， 三種共同作用的結(jié)果。在侏羅紀(jì)之前， 全球構(gòu)造格局主要為SN方向的運動， 包括中大西洋裂開期間， 特里斯坦-達庫尼亞群島地幔柱觸發(fā)南大西洋張裂， 并形成大洋中脊兩側(cè)的兩個無震海嶺， 東側(cè)的沃爾維斯和西側(cè)的里奧格蘭德、印度洋初始張開、古特提斯洋盆持續(xù)關(guān)閉、新特提斯洋擴張等（Golonka and Gaweda， 2012）。到侏羅紀(jì)-白堊紀(jì)， 開始出現(xiàn)大規(guī)模的EW向構(gòu)造運動， 包括南、北大西洋的持續(xù)擴張，太平洋周緣俯沖帶發(fā)育， 東、西兩側(cè)的俯沖帶持續(xù)后退， 洋盆不斷縮小等。另外， 岡瓦納大陸北緣的俯沖帶， 也持續(xù)向西南后退。上述運動指向， 基本勾勒出構(gòu)造赤道發(fā)育的早期階段， 并且， 非洲超級幔柱具有重要的主導(dǎo)作用。因此， 可以認(rèn)為構(gòu)造赤道至少可以追溯到侏羅紀(jì)-白堊紀(jì)。

構(gòu)造赤道運動矢量的出現(xiàn)， 完全是中新生代以來構(gòu)造運動發(fā)展的結(jié)果， 并隨著大陸的持續(xù)聚合，而展示出方位上的高度一致性。由此形成了南大西洋-非洲-中亞-蒙古-太平洋的構(gòu)造赤道近東西-北東-北西-西的運動特征， 是前期構(gòu)造運動在古近紀(jì)以來構(gòu)造格局調(diào)整的結(jié)果， 改變了先前單純強調(diào)印度板塊南北向碰撞歐亞大陸， 但缺乏大西洋、太平洋構(gòu)造格局調(diào)整的背景的地質(zhì)認(rèn)識。構(gòu)造赤道并不對應(yīng)新生代區(qū)域構(gòu)造最強變形構(gòu)造帶的運動方向，如印度-青藏-貝加爾， 而是與其明顯偏離， 并顯示全球波狀起伏特點（圖3）， 明顯受到全球構(gòu)造體制的控制， 或者行星之間作用力的影響。

圖3　全球構(gòu)造赤道巖石圈橫切剖面模式圖（據(jù)Drake and Girdler， 1964； Zorin et al.， 2002； Doglioni et al.， 2003； Scoppola et al.， 2006； Maruyama et al.， 2007； Filatova， 2008； Lomize， 2008； Vergés et al.， 2011）Fig.3　Lithospheric model section of tectonic equator

與傳統(tǒng)的板塊構(gòu)造理論不同的是， 大地測量學(xué)獲得了地球緯向方向大規(guī)模構(gòu)造運動的證據(jù)， 類似的理論在地質(zhì)力學(xué)中早有猜想（李四光， 1973， 1976a，1976b）。板塊構(gòu)造學(xué)基于生物的緯向分布、古氣候帶的緯向變化、古地磁古緯度的記錄， 很容易揭示出板塊在南北方向上的運動， 并由此提出了岡瓦納大陸、特提斯洋盆、勞亞大陸南北分異的構(gòu)造格局及其南北運動的理論（Li et al.， 2004； Torsvik and Cocks， 2004； Maruyama et al.， 2007； 李江海等，2014）。但對緯向上的板塊構(gòu)造運動缺乏定量準(zhǔn)確的描述， 盡管大西洋張開、太平洋俯沖， 都揭示了大規(guī)模緯向運動的證據(jù)（轉(zhuǎn)換斷層、洋脊、俯沖帶等）。構(gòu)造赤道的發(fā)現(xiàn)， 有力地彌補了板塊構(gòu)造理論這一不足。

參照現(xiàn)今全球深部地?；顒拥臉?gòu)造格局（Maruyama et al.， 2007； Torsvik et al.， 2008）， 不難推斷， 構(gòu)造赤道是銜接和轉(zhuǎn)換非洲超級地幔柱（南半球）-亞洲超級冷幔柱（下沉幔柱）（北半球）-太平洋超級地幔柱（南半球）三者垂向運動與水平運動轉(zhuǎn)化的橋梁和紐帶， 亞洲大陸的聚合就發(fā)生于兩大超級幔柱之間的冷幔柱位置上， 并由二疊紀(jì)-三疊紀(jì)近SN向運動以及旋轉(zhuǎn)（Torsvik， 2003； Golonka and Gaweda，2012； 李江海等， 2014）變?yōu)榘讏准o(jì)以后的EW向運動（即現(xiàn)今構(gòu)造赤道）。它也是新生代以來， 太平洋、大西洋、非洲-亞洲、南美大陸之間， 板塊構(gòu)造運動最為協(xié)調(diào)的表述。為此， 推測它的形成與地球不同層圈之間（深部地幔和巖石圈）的作用（水平剪切作用）有直接聯(lián)系。考慮它與鯨魚海嶺、夏威夷島鏈運動上的一致， 可以推測， 構(gòu)造赤道與兩大超級地幔柱相關(guān)熱點軌跡具有直接聯(lián)系。南北半球之間深部地幔上涌與淺部地殼之間的平衡， 造就了構(gòu)造赤道。

另外， 它也是泛大陸裂解重新聚合過程最新的構(gòu)造運動效應(yīng)， 全球巖石圈質(zhì)量重新分配的結(jié)果。全球巖石圈相對于深部地幔一致向西緯向凈漂移，也指示地殼自轉(zhuǎn)的作用以及星際之間的作用， 其原因和機理尚待研究查明。

4　結(jié)　論

（1） 構(gòu)造赤道作為板塊現(xiàn)今運動優(yōu)勢廊帶， 跨越大陸地區(qū)主要為泛非-古生代地殼區(qū)。沿線出現(xiàn)眾多熱點-大巖漿巖省， 并伴隨大洋裂解、碰撞造山、陸內(nèi)變形、板塊俯沖、轉(zhuǎn)換斷層等。

（2） 構(gòu)造赤道在大洋地區(qū)， 其運動趨勢更趨近一致， 廊帶寬度更窄， 而在大陸地區(qū)地殼運動趨勢相對分散， 廊帶較寬。其中在太平洋地區(qū)廊帶最窄，板塊運動趨勢集中方位最明顯， 而在中亞-東北亞地區(qū)構(gòu)造赤道廊帶最寬， 板塊運動相對分散。這可能與不同類型地殼的流變性質(zhì)相關(guān)。

（3） 構(gòu)造赤道斷面上從西向東， 依次顯示了伸展-擠壓-伸展-擠壓-伸展-擠壓-伸展相交替的運動特征。

（4） 構(gòu)造赤道是白堊紀(jì)以來全球構(gòu)造體制大規(guī)模調(diào)整的產(chǎn)物， 不同于更早期泛大陸早期相關(guān)的南北聚合和裂解過程。

（5） 構(gòu)造赤道的形成與地球不同圈層之間的剪切變形相關(guān)， 巖石圈向西運動， 地幔軟流圈向東流動。它的發(fā)現(xiàn)支持超級地幔柱與板塊構(gòu)造組成的全球構(gòu)造系統(tǒng)。

致謝： 感謝中國海洋大學(xué)李三忠教授和另一位匿名審稿人對本文提出的建設(shè)性意見。

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Tectonic Equator and its Geodynamical Implications

LIU Zhonglan， LI Jianghai， ZHANG Huatian and WANG Honghao
（MOE Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution， School of Earth and Space Science， Peking University， Beijing 100871， China）

Tectonic equator mainly represents trajectories of the motion of the lithosphere with respect to underlying mantle. It is not a common geographical equator， but is generally NWW-SEE， with a large SW-NE trending undulation from east African to the western Pacific. According to geotransects along tectonic equator， database of global plate motion and database of global active fault， we propose a tectonic equator geotransect for the first time， and try to analyze its crust structure，tectonic feature and evolution. We find that the tectonic equator is more likely crossing the Paleozoic continental crust， this may relate to their rheological properties. Along tectonic equator， the tectonic features represent extension-squeezing -extension-squeezing-extension-squeezing-extension from west to east. Tectonic equator controls development of some important plate tectonic boundaries， tectonic units， and important geomorphic units. It is an important global plate motion after the break off of Pangea， and may be affected by celestial mechanic.

tectonic equator； geotransect； westward drift； plate motion； active tectonics

P541

A

1001-1552（2015）06-1041-008

10.16539/j.ddgzyckx.2015.06.006

2014-10-30； 改回日期： 2014-12-16

項目資助： 大洋“十二五”印度洋脊多金屬硫化物成礦潛力與資源環(huán)境評價（DY125-12-R-03）和大洋“十二五”西南印度洋脊合同區(qū)多金屬硫化物資源評價（DY125-11-R-01）聯(lián)合資助。

劉仲蘭（1991-）， 男， 構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)博士研究生。Email： lzl910615@126.com