阿留申俯冲带几何学特征及运动学成因模式
俯冲带是地球表面与深部进行物质交换最频繁的地方,因此被称为俯冲带工厂(Hacker et al.,2003a,2003b),也是火山和地震活动最剧烈的地方。环太平洋地区集中了全球主要的俯冲带,其俯冲带长度可达35000余千米。阿留申俯冲带位于环太平洋俯冲带最北端,由太平洋板块向北美板块下俯冲形成。阿留申俯冲带火山岛弧距离海沟的距离从东向西逐渐增大,从而形成地球上独特的岛弧火山链与海沟V字型斜交的现象。通常认为火山岛弧发生的位置,俯冲板片俯冲深度在110~125 km之间(Tatsumi and Eggins 1995),并且在同一个俯冲带这一深度基本不发生变化(England et al.,1980)。所以,海沟和岛弧之间的距离变化主要是由于俯冲角度由东向西变化引起的,并且这一解释在地球物理学上找到了相应的证据(Astiz et al.,1988;Syracuse and Abers,2006;Calvert et al.,2013)。
原文中“历来备受推崇”和“在历代……指导作用”存在语义重复,“最古老、最杰出”又与“古代第一兵书”要表达的意思相近,如果亦步亦趋地直译,译文必然拖泥带水甚至可能造成逻辑混乱。因此,译者发挥主观能动性,将原文信息加以调整:删去重复信息和冗余修饰语;将“最杰出”弱化为“one of the most...”。译者还要注意把握好删减的“度”,比如可以保留“兵学圣典”这一称号确保达到宣传的目的。
然而,导致俯冲角度发生变化的根本原因目前仍存在争议,早期学者通过海底磁异常条带的研究发现阿留申俯冲带东西两侧的俯冲板块年龄不同,东边俯冲板块年龄小于西边(Scholl et al.,1986),因而其密度相对较小,并认为这是导致俯冲带角度发生变化的主要原因。随后的研究(Calvert et al.,2013)发现该俯冲带西边(175°W以西)的仰冲板块为洋壳成分,是俯冲带跳跃式迁移过程中围限起来的残余库拉板块,而东边(175°W以东)的仰冲板块为陆壳。东边的俯冲板块与仰冲板块之间的密度差要大于西边,其俯冲角度应该更大,这与实际情况矛盾,所以俯冲板块与仰冲板块之间的密度差不能解释俯冲角度的变化。
构造赤道理论是对全球板块运动的定量观测研究中提出的最新理论(Doglioni,2014;Garzanti et al.,2007)。认为在全球热点参考系下,岩石圈板块具有相对深部地幔一致向西/西北运动的特点(Argus and Gordon,1991;Riguzzi et al.,2010)。在该模型下,前人将全球俯冲带分为两种类型:向西/西北俯冲型和向东俯冲型,并认为这两种类型的俯冲带在几何学、运动学、岛弧火山学等方面的差异均由俯冲方向导致(Doglioni,2009;2014)。
为此,本文尝试在对阿留申俯冲带不同参考框架下的几何学和运动学研究基础上,结合前人对研究区内活火山的研究资料,试图探讨该火山岛链与海沟斜交现象的深部运动学成因。并完善和补充在软流圈参考框架下全球的板块运动模型。
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图1 阿留申海沟板块运动矢量及活火山分布图 Fig.1 The map shows plate kinematics and volcanoes distribution in Aleutian subduction zone 板块相对运动速度据NUVEL-1A模型,DeMets et al.,1990;板块绝对运动速度据Gripp and Gordon,1990;Gripp and Gordon 2002;活火山分布据Global Volcanism Program:http://www.volcano.si.edu plate motion from NUVEL-1A model(De Mets et al.,1990);plate absolute motion from Gripp and Gordon,1990;Gripp and Gordon 2002;The distribution of active volcanoes from Global Volcanism Program:http://www.volcano.si.edu
1 区域地质概况
虽然银行界人士纷纷表示不存在“暴利”,多数专家也认为短时间来对比各行业的盈利差距并不科学,但是,在目前国内外实体经济不景气,特别是广大中小企业生存艰难的大背景下,银行业利润的高歌猛进着实让人觉得有点不太正常。笔者认为,银行业当前利润与实业企业利润冰火两重天,是一种“畸高”,是不可持续的,需要对其进行深入研究,从而实现我国银行业的稳健经营和国民经济的协调发展。
地震学研究所获得的P波速度模型认为该岛弧带地壳成分主体为玄武质地壳,比其他岛弧带地壳性质更加偏基性(O’Driscoll and Miller,2015)。在166°W以东地区,阿留申火山岛弧是在年轻的陆壳上发育,而在166°W以西地区,岛弧是在洋壳(残余的库拉板块)之上构建的,其火山和侵入体年龄在46~0 Ma(Jicha et al.,2006)。
2 “构造赤道(tectonic equator)”基本原理
阿留申俯冲带火山岛弧与海沟之间的距离(以下简称俯冲带宽度)从西向东逐渐加宽。在西边的Komandorsky岛宽度仅有80 km左右(Scholl et al.,1987),而在东边阿拉斯加陆块上该宽度可达250 km(Jicha et al.,2006)(图1;图3a)。Syracuse 和 Abers等(2006)认为火山发生的位置,俯冲板片距离地表的深度差异在20 km内。对研究区域175°E—155°W进行分析可知,俯冲板片的倾角(下文简称俯冲角度)从西边的60°左右到东边的30°,呈逐渐变缓的趋势(图3b)。俯冲角度和俯冲带宽度整体上表现为负相关,从西向东,俯冲角度逐渐变小,而俯冲带宽度逐渐增大。这两者的变化趋势和经度并不呈现完全的线性相关,这可能与阿留申岛弧带可以由走滑断层划分为多个块体,并且各个块体之间发生顺势正旋转相关(Geist et al.,1988,Syracuse and Abers,2006)。
重复3~5遍后,再按揉肾俞穴2~3次。一般每天或隔天捏脊1次,6次为一个疗程。力度以小朋友感觉适宜为准,皮肤微红即可。
从本文第三部分得到的几何学与运动学特征来看,在俯冲带的西段(图4a),太平洋板块相对北美板块向北西方向俯冲。由于软流圈粘度减小,太平洋板块相对深部参考系(软流圈底部或下地幔)运动方向也为西北方向(刘仲兰等,2015;Doglioni et al.,2014)。在这种情况下,太平洋板块的俯冲方向与软流圈相对岩石圈的的运动方向呈180°。
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图2岩石圈板块绝对运动速度及太平洋板块主要热点分布 Fig.2 The map shows lithosphere motion refer to asthenosphere and the distribution of hot-spot in pacific plate 全球板块绝对运动矢量据Crespi,2007;太平洋热点及运动轨迹据Clouard,2001;全球板块划分据Bird,2003 absolute plate motion after Crespi,2007;Hot-spot and its track in Pacific Plate modified from Clouard et al.,2001;plate boundary after Bird,2003
虽然热点作为参考系本身存在一些不足,但是从相对热点板块的绝对运动模型来看,至少有两点是显而易见的:第一,几乎所有的板块,在热点参考框架下都具有向西(西南、西北)运动趋势;第二,这种向西运动趋势存在一定的规律,在贝加尔湖以西,大西洋以东,板块具有向西南运动趋势,而在贝加尔湖以东,大西洋以西,板块具有向西北方向运动趋势,整体构成类似于以赤道为X轴的正弦曲线(刘仲兰等,2015)。地表岩石圈板块在热点参考系下的运动模型为岩石圈相对下伏软流圈发生差速运动提供了最直接的证据。关于该差速旋转的动力学成因,前人的研究认为主要是软流圈的存在使得岩石圈与下地幔脱耦,在地球自转的离心力作用下形成,并且受到地—月潮汐力的影响(Doglioni et al.,2009)。
目前全球板块相对于地幔的绝对速度主要有HS2-NUVEL1(Gripp and Gordon,1990)和HS3-NUVEL1A (Gripp and Gordon,2002)两种,他们主要是通过筛选之后的热点作为参考系计算出来的板块绝对运动,后者相对前者来说补充了部分微板块的运动速度。尽管热点的分类及来源深度还存在很多争议(Foulger et al.,2005),如部分热点被认为是产生于软流圈顶部因为软流圈与岩石圈之间的摩擦产生的热而发生的岩浆熔融 (Bonatti,1990);也有部分热点被认为是来源于软流圈内部,由于其富含流体而产生的部分熔融,并且把该部分热点成为“湿点”(Doglioni et al.,2005)。但是总的来说,目前的观点更加倾向于有部分热点来源于深部地幔或者软流圈底部(Morgan,1971;Davies,1988;Ritsema and Allen,2003)。因此用热点在板块表面产生的火山轨迹来表达岩石圈相对地幔的绝对运动是目前最理想的模式(Gripp and Gordon,2002)。太平洋板块发育的众多板内热点成因的火山岛链(如夏威夷-皇帝岛、百慕大、圣海伦、亚速尔、澳洲Tasminid、澳洲Lord Howe 、Samoa等)为研究其板块绝对运动速度提供了可能性。夏威夷-皇帝岛链指示太平洋板块43 Ma以来以100 mm/a左右的速度向大约295°方向运动(Hagstrum,2005;Yamasaki and Gernigon,2009)。这一方向在阿留申俯冲带的最西段与太平洋板块相对北美板块的运动方向近似平行,而在东段这一夹角可达到大约30°(图3d)。
3 阿留申俯冲带几何学与运动学特征
3.1 俯冲带宽度与俯冲角度
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图3 阿留申俯冲带几何学与运动学特征:(a)火山与海沟的距离与经度拟合关系;(b)俯冲板片倾角与经度之间拟合关系;(c)俯冲速率与经度之间的拟合关系;(d)俯冲板块的绝对速度和相对速度夹角与经度的拟合关系 Fig.3 (a)Show the relationship between the distance from volcanic chains to trench and longitude;(b)show the relationship between dip angle of slab and longitude;(c)show the relationship between subduction rate and longitude;(d)show the relationship between the angle from absolute motion to relative motion and longitude 火山数据据Syracuse and Abers,2006;太平洋板块相对北美板块运动方向(相对速度)根据DeMets et al.,1994,太平洋相对地幔运动方向(绝对速度)假定为290°(夏威夷海岭方向) Volcanicdata from Syracuse and Abers,2006;the plate motion of Pacific Plate modified from DeMets et al.,1994;the absolute motion of Pacific Plate is assumed to be the same as Emperor—Hawaiian Ridge (290°)
国际地球参考框架(ITRF)是以地球质心作为原点建立的四维(X、Y、Z、t)参考体系,在这种参考框架下表达的板块运动矢量能较好地体现刚性板块相对于整个地球的运动状态。但是考虑到岩石圈和下伏软流圈及地幔部分存在相对运动,要表达岩石圈相对于软流圈地幔的运动,这种参考系存在明显的缺陷。为了解决这一问题,学者们(Gripp and Gordon,1990;Gripp and Gordon 2002;Crespi et al.,2007)通过筛选后的热点数据获得相对热点的绝对板块运动模型(图2)。
阿留申俯冲带西起堪察加半岛,东至阿拉斯加湾,东西向延伸3000余千米(Lizarralde et al.,2002)(图1)。它的形成和演化可追溯至始新世:59 Ma之前,库拉板块向北俯冲,使得楚科奇、Kahiltna等地体汇聚至北美板块边界,板块继续向北俯冲受阻;约在 56 Ma左右,由于库拉板块向北俯冲持续受阻,俯冲带沿着断裂带向南发生迁移,形成现今阿留申俯冲带的最初样式。并将残余的库拉板块围限,此时库拉板块与太平洋板块之间为拉张—走滑边界。40 Ma之后,太平洋板块运动方向发生转变,太平洋板块和库拉板块之间的扩张停止,新形成的俯冲带向东扩展至阿拉斯加半岛,向西扩展至堪察加半岛,并将残余的库拉板块围限为现今的白令海(Scholl et al.,2007;Jicha et al.,2006)。
3.2 俯冲速度与俯冲方向
阿留申俯冲带的俯冲速度指太平洋板块相对北美板块的运动速率,由Kanaga,Adak,Great Sitkin和 Atka四个岛上的GPS,结合天然地震获得的数据以及构造解析获得的数据在NUVEL-1A模型下给出(DeMets et al.,1990;1994)。最东边为以48 mm/a向北俯冲,在最西边以约78 mm/a向西北方向俯冲,而且俯冲速率与经度呈现较好的线性相关性(图3c)。在阿留申俯冲带最东段,俯冲方向与海沟方向近似垂直,在阿留申俯冲带中段,俯冲方向与海沟发生斜交,而在最西端,俯冲方向与海沟方向基本平行,从而太平洋板块与北美板块变为转换边界。
3.3 相对运动方向与绝对运动方向夹角
岩石圈板块相对地幔发生整体向西旋转在各个板块表现不一致,这可能与各板块之间的流变性质有关(刘仲兰等,2015)。比如欧亚板块各位置运动方向和大小差异较大,在东亚—东北亚地区表现为向西、西北方向运动,而在中亚表现为整体向西南方向运动。太平洋板块是各个板块中岩石圈相对地幔速度最为统一的板块,整体向北西西方向运动。这与太平洋板块上的热点轨迹(如夏威夷—皇帝海岭;路易斯维尔热点轨迹)得出的现今板块相对地幔速度一致(Steinberger et al.,2004)。
莱考夫认为概念隐喻在数学中起着重要的作用,因此他指出,基础隐喻和关联隐喻提供了两种类型的隐喻数学思想:一种是基础隐喻产生的基本的、直接的基础思想。例如:加法是把物体(objects)加到一起(collection),减法是把物体从一堆东西中减去,集合(sets)是容器,集合中的数字是容器中的物体。莱考夫指出,这些通常几乎不需要说明。另一种是关联隐喻产生的复杂思想,有时也称为抽象思想。例如,作为线上的点的数,作为代数方程的几何数字,作为代数运算的等级(classes)运算。与基础思想不同,莱考夫指出,这些则需要明确说明。[2]53
用Γ0(H)表示从H到(-∞,+∞]的正则的、下半连续凸函数的集合。函数f的定义域表示为:domf:={x∈H:f(x)<+∞}。本文也给出了一些常用的lp范数和l1,q范数的定义:
4 讨论
从上述阿留申俯冲带的几何学与运动学特征来看,俯冲带宽度、俯冲角度以及两个参考系下运动方向的夹角呈现较好的耦合关系。俯冲角度的变化是导致俯冲宽度变化的直接原因,前人已有大量的证据(Astiz et al.,1988,Calvert et al.,2013,Syracuse and Abers,2006)。但是,笔者等认为在两个不同参考系下太平洋板块运动方向夹角发生变化才是导致俯冲带宽度和俯冲角度变化的根本原因。
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图4 (a)西阿留申俯冲带俯冲模式剖面;(b)东阿留申俯冲带俯冲模式剖面(剖面走向与俯冲方向平行) Fig.4 Two Cross section show main parameters along subduction zone:(a)western part of Aleutian subduction zone;(b)eastern part of Aleutian subduction
骨料的选择,包括粗骨料和细骨料,其中细骨料以天然砂和机制砂为主,实际拌制过程中,一般选择中砂拌制,采用粗砂、细砂拌制时,需分别提高和降低砂率;与此同时,需对砂的外观、有害物质含量、含泥量等作出检测。而粗骨料以小的碎石为主,根据要求,粗骨料的颗径不得超过0.75倍的钢筋净距,且不得超过0.5倍的板厚,除此之外,粗骨料中的要害物质含量、碱活性不得超过相关规定。掺合料的选择以粉煤灰为主,选择的掺合量应符合国家现行的相关规定,与此同时,掺合料在运输的过程中,不得与其他的原料混合运送。除此之外,注意防潮工作的推行。选择合适的水源,需符合国家现行道路工程施工用水要求的同时,应禁止使用海水进行拌制。
(2)板块的运动学分析显示:相对北美板块,太平洋板块的东段的运动矢量为48 mm/a,向北运动;逐渐转变为西段的78 mm/a,向西北方向运动。而相对于软流圈,太平洋板块的运动方向并没有改变,始终向西北方向运动,速率有向西逐渐增加的趋势。因此,在俯冲带的东段太平洋板块的绝对运动方向和相对运动方向存在30°左右的夹角,而这个夹角在西段几乎不存在。
当俯冲板块俯冲至软流圈时,受到软流圈向反方向运动的作用力VW。此时软流圈相对太平洋板块向东南方向运动的速度大约为100 mm/a (Steinberger et al.,2004),俯冲板片必然会急剧地变陡,俯冲角度变大,向下的俯冲速度变大。一部分俯冲运动矢量转变为向下俯冲,并且在地幔楔位置形成次一级的地幔对流(图4a)。
在俯冲带的东段(图4b),太平洋板块向北俯冲,与太平洋板块相对深部参考系运动方向有一定的夹角,夹角约为30°。此时太平洋板块的俯冲方向与软流圈相对岩石圈运动方向呈150°。当俯冲板片向下俯冲至软流圈时,也会受到软流圈向南方向的作用力,但此时软流圈相对太平洋在该方向的速度为VE′•cosθ(θ为太平洋板块相对北美板块速度方向与太平洋相对软流圈速度方向夹角)。另外,由于VE′在热点参考框架下离构造赤道更远,其大小会小于西段VW(Doglioni et al.,2014;刘仲兰等,2015),所以在西边沿着板块俯冲方向,俯冲板片受到软流圈的速为VE<VW•cosθ。俯冲板片在该速度的影响下,其向下速度必然小于西边,所引起的俯冲角度和俯冲速度变化也更小。
总的来说,板块俯冲方向与软流圈相对岩石圈的运动方向夹角在阿留申俯冲带发生了变化,导致从西向东软流圈对不同位置俯冲板片的作用力大小的不同。从而导致俯冲角度和俯冲速度大小从东至西的变化,进一步导致了俯冲带宽度的变化,形成了独特的俯冲海沟与火山岛弧斜交的现象。
5 结论
(1)阿留申俯冲带的几何学数据表明:从俯冲带最东段(175°E)至俯冲带最西段(155°W),火山岛弧距俯冲海沟的距离从80 km增加至250 km。同时,俯冲板片的倾角由60°减小至30°。但是这种变化与经度之间的关系并不完全呈线性相关,这可能是与俯冲带各部分之间的旋转运动有关。
主墩的施工考虑了2种方案:搭架施工和翻模施工。由于搭架施工耗时、耗材,且施工现场条件受到1号墩与2号墩间的水域不能断航的影响,综合考虑选择了翻模施工。每节模板高度为3m,利用下部已浇筑墩身部分作为支撑,依次绑扎钢筋、翻模、浇筑混凝土,重复上述工序直至墩顶。翻模施工具体如下:
(3)太平洋板块相对北美板块和相对地幔运动方向夹角的变化是引起阿留申火山岛弧与海沟“V”字型斜交的根本原因。该夹角的变化引起了软流圈在不同位置对俯冲方向和俯冲速度影响的差异,导致了俯冲角度及俯冲速率的变化从西向东逐渐变小,从而进一步导致了俯冲带宽度从西向东逐渐变宽。
(4)前人研究将全球俯冲带分为向西型俯冲和向东型俯冲两种类型。阿留申俯冲地理上处于向西俯冲型和向东俯冲型的过渡位置,其西段为热点参考框架下的典型的向西俯冲型俯冲带,而东段为向西俯冲与向东俯冲的过渡类型。该俯冲带的几何学、运动学特征介于两种典型俯冲类型之间。
致谢:感谢墨尔本大学杨海斌博士、北京大学地球与空间科学学院葛茂卉博士在论文写作过程中的讨论与建议;感谢李三忠教授和另一位审稿专家对初稿的认真审阅并提出宝贵意见。
(The literature whose publishing year followed by a “&” is in Chinese with English abstract;The literature whose publishing year followed by a “#” is in Chinese without English abstract)
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