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实用构造地质学讨论
——以山西地区构造问题为例
张兆琪
（山西省地质调查院 太原030001）
【作者简介】张兆琪（1962－），男，山西临猗人，硕士，高级工程师，现主要从事区域地质调查工作。
【摘要】本文通过讨论得出一种新的构造地质学观点：⑴板块与板块碰撞造山是靠地震来实现的。当地球某处的能量积聚到一定的极限就会产生地震释放能量；⑵地震时产生地震波,地震波传播同时也传导了地震力。地震力是与地震波的类型相一致，地震力可对应地称为纵波力、横波力、拉夫力和瑞雷力。这些力可以合成或分解为线状力、面状力和体状力；⑶地震时将动能转化为势能，使地体隆升，产生断层和挠褶等。升高的势能又在重力作用下产生新的构造。震力和重力作用是形成地质构造的两大因素；⑷威尔逊旋回不适宜板内造山旋回。板内造山旋回简单地说就是沉积——隆升——剥蚀——夷平。一个大的构造期，实际上是孕育了一个大的地震周期。以此为理论依据，将山西地区显生宙以来大级别的造山-沉积旋回划分为五个。
【关键词】地震；震力；重力；威尔逊旋回；板内造山旋回；山西
中图分类号：p315.2文献标识码：A文章编号：1005-6157(2011)03-0241-6
0引言
经过多年不懈探索，一种新的实用构造地质学观点呼之欲出。新观点强调了地震对构造形成的决定性作用。过去常听一些老同志讲，以往运用地质力学分析构造还是有依有据的，后来套用板块理论讨论便是一头雾水。以往对构造应力的描述不甚具体，进行构造应力分析时应力的方向很随意，压张扭三力划分标准难把握等。尤其是对于形如山西等板内地区来说，现在需要理性回归，重新认识一下板内造山运动。
以下仅是笔者的初步认识，一些认识与前人相悖，恳请从事相关专业的专家、学者赐教。在讨论问题之前，先做两个简单的试验。
[试验1]在灰岩层面上打一小孔，插入TNT炸药点燃，爆炸后岩石呈碎块状迅速四散，高高扬起后又自由落体。爆炸点上爆炸后产生放射状裂隙清晰（照片1）。
[试验2]拿锤子在一块玻璃的左侧轻轻地敲击，产生一条裂纹；再用锤子在右侧重重砸一下，产生了放射性裂纹（照片2）。1地震和构造的定义 板块与板块碰撞造山是靠地震来实现的。因为板块运动速率很小，每年1-2cm（马宗晋，2003）[1]。换算成每公里小时速率几乎为零，这样的速率不可能引起强烈的碰撞和大规模隆起。但可在某处产生巨大的能量储备。由于地幔柱或板块的不断运动，才是产生巨大的能量储备的原因。能量积累是漫长的，是一个均变的过程。当地球某处的能量积聚到一定的极限就会产生地震释放能量。释放能量就是要把能量转化为地震力很短的时间内尽可能向外传递（灾变），产生剧烈的构造运动。地震就是地动，即地体的运动。 一百多年来，有关地震发生的理论一直认为构造地震是由于断层活动引发的，这些断层被称作发震断层[2]。也有认为褶皱也能引发地震（Stein等，1989）[3]。引发地震的因素还很多，此处并不想讨论。但不是由于断层或褶皱的活动引发的地震。正好相反，地震导致了断层或褶皱。地震还导致地体上升。2005年尼泊尔一次地震，使断层一侧大片的山脉上升了5m。 试验1便是爆炸引发地震，体积急剧膨胀产生地震波。物探上常用爆炸制造地震。 地质构造是指构成地球的地质体的物态、形态和位态发生变化的记录。是能量释放后的遗痕。地质构造是（地）震力和重力双重作用的结果。把地震力形成的构造称为震力构造（主动构造），把重力形成的构造称为重力构造（被动构造）。 一个构造期内地震是多期次的。有主震和余震，余震在一段时间内多次发生。所以震力形成的地质构造不是一次完成的。 2地震波和地震力 地震时产生地震波,所以震力是通过波的方式进行传导的。地震波又是靠介质质点（矿物或集合体）碰撞进行的。因此震力是与地震波的类型相一致。地震波分为纵波、横波、拉夫波和瑞雷波等[2、4]，故震力可对应地称为纵波力、横波力、拉夫力和瑞雷力（张兆琪等，2011）[5]。 纵波传播时，介质质点的振动方向与波的传播方向一致，使介质质点之间发生更替的张弛和压缩，一疏一密相间出现。所以纵波力是力源向外沿力方向直线给力。纵波不仅可以在固态中传播，也可在液态中传播，而且是地震释放能量最快最直接的手段。四川地震时山崩地裂，飞砂走石。极震区强大的竖向地震力即为纵波力，造成岩体和地面物体向上抛扔现象。所以纵波力是最主要的构造应力，常常形成A型构造。 横波传播时，介质质点的振动方向与波的传播方向互相垂直，螺旋前进。所以横波力是沿力的方向向外垂向给力，常常形成B型构造。 拉夫波是因地震横波传到具有成层构造的地面附近时，陷在层中使地面产生的横向波动，如蛇行前进。拉夫波传播时，介质质点地振动方向在界面附近，且与波的传播方向垂直。拉夫力使质点受到拉张作用力，如蛇行状。因此产生形如追踪张节理和张性小断层等。 瑞雷波引起介质质点振动的轨迹为入射面内的逆进椭圆。瑞雷力形成一些大大小小的旋转构造等。 任何力都会合成或分解。这些力都可以合成或分解为线状力、面状力和体状力（张兆琪等，2010）[6]。实际上面状力是面状的线状力，而体状力是立体状的线状力。它们其实是一回事。将它们细分只为了讨论问题方便。比如说L构造岩，YZ面上具等粒结构，块状构造，而侧面XY、XZ面矿物拉得很长，这种构造的成因用线状力的作用解释使人容易理解。S构造岩的成因是面状力作用的结果。岩浆岩和变质岩中构造只所以对震力作用反映灵敏，是因为岩石处于塑性或熔融状态，矿物处于游离状态或半游离状态。矿物一旦受到线状力或面状力作用，马上调整状态，平行应力方向排列。沉积岩区弥散型的节理均是地震等产生的面状力作用结果，而不是由挤压产生的共轭节理。如果面状力在一处应力集中，产生密集节理切割地层层理，继而成为地下水和岩浆热液的通道，地下水和岩浆热液的活动可使破碎带进一步撑大，形成没有断距的断裂构造。有的面状力甚至切开一座山，形成一线天等自然风景。 前面提到的试验1中岩石受到的冲击波主要为纵波，岩石受到的地震力主要为纵波力。纵波力产生的线状力集中为面状力，面状力导致了放射状裂隙的形成。岩石碎块飞行轨迹代表了线状力的作用轨迹。试验2面状力的大小决定物质破裂程度。在左侧轻轻地敲击，集中起来的面状力小，产生一条裂纹；在右侧重重砸一下，集中起来的面状力就大，产生了放射性裂纹，甚至同心圆状裂纹。 过去一般理解褶皱与剪切带的形成机制不一样。剪切带是一组力偶扭动而成；褶皱是一组力偶挤压而成。试问一下有没有一种理论可将褶皱与剪切带的形成放在一个统一的构造应力场下。回答是肯定的。比如照片3，可以说它是褶皱，也可以说它是剪切带(照片上可以见到极其发育褶皱轴面面理)。其形成是：由下部力源（震源）发出一束束线状力应力集中为一个个面状力，面状力作用的结果是矿物定向形成面理；矿物质沿力的方向移动排列，形成剪切褶皱。 |
3地质构造形成的两大因素 震力和重力作用是形成地质构造的两大因素。震力作用有可能抬升地体，但重力作用的结果是降低其势能。重力作用的结果是一切物质向地球中心聚集（马杏垣等，1981）[7]。 地震时将动能转化为势能，使地体隆升，产生断层和挠褶；升高的势能又产生重力构造。变质构造中震力构造如L构造、S构造、鞘褶皱、剪切褶皱、韧性断层和强变形带等；重力构造如流动构造、滑动构造和肠状褶皱等。甚至一些岩浆和盐丘的底辟作用也是重力作用的结果（马杏垣等，1989）[8]。重力构造还应包括某些大型推覆构造[9]、挠褶（包继忠，1987[10]；张兆琪，2008[11]；张兆琪等，2011[12]）等,以及滑坡、崩塌和泥石流 等。在阿尔卑斯由重力引起的下坡滑动帮助了推覆体的向前推进（地质矿产部地质辞典办公室，1983）[13]。很有可能所有重力运动都是由于深部震力所触发，也有可能许多主要由于震力产生的构造在某种程度上都被重力所改造。 前面提到的试验1中岩石破碎以及上升至最高点，此阶段为震力作用阶段；从最高点向下做自由落体，此阶段为重力作用阶段。 4板内造山旋回的划分 |
当大陆在拉张应力作用下破裂时形成一个裂谷（图1a）；裂谷形成之后在水平应力进一步拉张，裂谷边缘正断层构成大洋边缘。逐渐形成海底扩张中心和洋脊（图1b）；海底扩张中心持续扩张发展成大洋，大洋脊把新生的大洋一分为二（图1c）；随着大洋不断张开，大洋边缘离开中脊的距离越来越远。海底也逐渐变老，岩石圈变厚、密度变大，以致岩石圈向下沉没，海沟开始发育，消减作用也随之开始（图1d）；至一定阶段，洋缘一侧的岩石圈俯冲沉没于大陆岩石圈之下，形成海沟和俯冲带。如果消减速度大于海底扩张速度，则大洋就会缩小。最终大洋脊本身也会消减下去（图1e）；洋脊消减之后。剩余的大洋板块会继续消减。两大陆发生碰撞，洋盆完全闭合消失（图1f）。陆陆碰撞时产生很大的挤压应力，岩层褶皱、断裂、逆掩和混杂。地面隆升，形成巍峨的褶皱山系。某种意义上说，大洋发展旋回是板块构造学说的一个总纲，体现了板块构造学说的精髓（马宗晋，2003）[1]。
威氏旋回并不适应海陆交互和陆相沉积旋回。对山西地区来说不能用威氏旋回划分造山旋回。与其生搬硬套板块构造理论，还不如实事求是根据自身实际提出一个实用理论。提出一个板内造山的实用理论并不难，难的是我们如何对待。
当地形非常平缓（图2a）,处于低能量状态，接受沉积；当构造给力，震力作用使地体抬升，形成各种地质构造，产生地形差异（图2b）；再由重力作用形成滑坡、崩塌、泥石流，自然风化剥蚀后最终夷平（图2c）。最终又回到图2a处于低能量状态。不难看出，从图2b到图2c，构成一个完整构造旋回，可称为板内造山-沉积旋回。夷平面是划分旋回的依据。
这一构造旋回在试验1中也有所体现。岩石得到能量后破碎上升，动能转化为势能；后又做自由落体回到地面。显示了一个构造周期变化过程。正像自然界水循环一样，给大海些许能量，大海蒸发水蒸气到天空。水蒸气成云变雨落到高山之颠，受重力作用汇成江河回归大海。举一例加以说明。山西吕梁山区离石县马头山-柳林县武家沟一带数十平方千米的范围内中下寒武系有一个隆起，过去称为“吕梁古陆”或“晋西北古陆”[16]。以前认为是山西下寒武统呈半环形向此地超覆。但笔者认为此地是一构造隆起。依据是底部存在下寒武统霍山组沉积，缺失的是中寒武统馒头组。所以说隆起是发生在下寒武统霍山组沉积之后，中寒武统张夏组底为夷平面。如果称其为“古陆”，数十平方千米的范围也太小点。如此这样沉积-隆起-夷平就是一个构造旋回。对于山西大构造期来说，仅是一个低级别的小旋回。其形成过程可简述为：此地下寒武统也和其它地区一样，沉积了霍山组，其后受构造运动（或因地震）影响隆起，中寒武统馒头期无沉积，剥蚀夷平至张夏期再接受沉积（图3）。山西地区显生宙以来大级别的造山旋回夷平面有六个，可分为五个造山-沉积旋回。这六个夷平面分别是∈1、C2、J1、K2、N1、Q4，五个造山-沉积旋回分别为∈1-C2、C2-J1、J1-K2、K2-N1、N1-Q4。和现行的构造期（加里东期-喜马拉雅期）的划分有些抵触。
过去认为但凡有沉积，首先拉张形成盆地，然后沉积物充填，最终褶皱回返[16]。传统的造山幕理论的构造运动发生在沉积作用的末期。
5运用于野外填图
任何理论都要经受实践检验。在1∶25万大同幅填图中，应用该理论将前寒武纪构造划分为线状变形区、面状变形区和体状（卵形）变形区。北东向的大同－阳高新太古代构造岩浆岩带中新太古代地层和深成侵入体变形以体状（卵形）变形和面状变形为主，而近东西向的凉城－兴和古元古代构造岩浆岩带中S型花岗岩是以线状变形为主。说明二者的构造层次和变形强度存在显著差别。线状变形中构造岩为L构造岩，矿物发生明显的定向排列，还没有形成片理或片麻理；面状变形以大量发育的片理或片麻理为特征，构造岩为S构造岩，也有一些L构造岩。矿物不但塑性变形，甚至发生微破裂；体状变形区出现卵形构造和大型鞘褶皱、封闭构造等。黄土窑一带的大型封闭构造即为体状变形构造。
6小结
本文提出新的实用构造地质学观点主要包括：
⑴板块与板块碰撞造山是靠地震来实现的。地震释放能量就是要把能量转化为地震力很短的时间内尽可能向外传递，产生剧烈的构造运动；
⑵地震时产生地震波,地震波传播同时也传导了地震力。地震波分为纵波、横波、拉夫波和瑞雷波等，故地震力可对应地称为纵波力、横波力、拉夫力和瑞雷力。这些力可以合成或分解为线状力、面状力和体状力；
⑶地震时将动能转化为势能，使地体隆升，产生断层和挠褶等。升高的势能又在重力作用下产生新的构造。震力和重力作用是形成地质构造的两大因素；
⑷威尔逊旋回不适宜板内造山旋回。板内造山旋回是以构造隆升开始，剥蚀直到最终夷平结束。以此为理论依据，将山西地区显生宙以来大级别的造山－沉积旋回划分为五个。
致谢： 赵凤清、王惠初研究员百忙之中审阅了全文，同时对地大（北京）高德臻教授，山西地调院孙占亮、魏荣珠、王权、赵祯祥、刘成如、李建荣等给予的指导和帮助表示衷心地感谢。
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