海底岩层变形机制——兼论青藏高原的隆升

海底岩层变形机制——兼论青藏高原的隆升
本实验利用中国海洋大学洋底动力学研究所自主研发的构造变形物理模拟系统，通过力学和几何学证据来探索海底岩层变形机制，解释青藏高原的隆升原因及其隆升机制。

实验结论：板块边缘挤压变形是板块构造理论的核心研究内容;挤压逆冲是山脉、高原隆升的动力引擎;挤压可以導致岩层破裂，破裂是地震的一种机制。

标签：海底岩层;变形机制;青藏高原;隆升
1 引言
翻开我们的自然课本，可以轻易发现：中国的地形地貌总体表现为西高东低，青藏高原最高，呈三级台阶状向东下降，至中国东部接近海平面，落差8800多米。

这些宏大的地貌是怎么形成的？在我们中学教材中没有答案。

现今世界的屋脊——青藏高原的地层中还保留有很多海洋里生活的生物化石，这就是说这些地层原来是形成在深海里的，可是沧海何以变为桑田？海陆如何变迁？自1968年板块构造理论提出以来，地质学家公认：青藏高原的形成是因为印度板块和欧亚板块的碰撞，碰撞使得青藏高原隆起，发生垂直运动，从而将海底岩石高高抬起。

这个问题似乎得到了解决，但是对于青藏高原如何在运动我们并不清楚，因而2008年发生青藏高原东部的汶川大地震，没有被预测到。

迄今人们还不停地争论着：其详细隆起机制是什么？为什么其他地区的板块碰撞不能形成这么高的高原？地球物理学家可以通过地壳岩石的物理性质，如电阻率、磁力、重力、密度等，来确定地壳深部的几何学结构特征，观察地壳内部的几何形态，从而知晓这些岩石经历了什么样的几何形状的变化一一即变形。

为此，我们利用板块构造原理，拟通过一个物理模拟实验来检验。

通过定量计算海底沉积的水平岩层，研究在陆一陆碰撞的挤压逆冲变形过程中，能否能隆起成为山脉或高原？观察海底水平岩层在外力作用下如何变形？变形过程如何？探讨海底水平岩层在外力作用下的褶皱一逆冲变形机制。

2 实验方法与步骤
2.1 砂箱模拟实验
砂箱模拟实验作为构造物理模拟的一个重要手段，是研究地壳构造变形的有效方法，在有关盆地伸展、挤压、反转、走滑、推覆、逆冲等构造的形成机制研究中得到广泛应用。

2.2 实验设备与方法
中国海洋大学洋底动力学研究所和海底科学与探测技术教育部重点实验室提供了实验设备。

构造变形物理模拟系统是中国海洋大学洋底动力学研究所自主
研发的物理模拟设备，从功能上主要包括位移驱动、模型装配和变形记录三部分，位移驱动包括位移传感器、直流电动机、数据采集器和控制器;模型装配系统是由两个半封闭式箱体组成，箱体的底面拼接样式可以自由变换，以实现各种不同样式构造变形过程的构造物理实验;变形记录系统由高分辨率相机、LED照明灯、三维形貌扫描系统组成，记录构造变形的过程。

本实验室的数字散斑相关方法（DSCM）系统是由用于采集试件表面数字图像的高分辨率数字CCD相机和用于数字图像变形分析的DSCM软件两部分组成。

本实验中所用的数字CCD相机的空间分辨率为5184×3456像素，帧频5秒一帧，对应的位移分辨率约为5微米。

本次实验采用海底岩层的相似材料，在侧向施压挤压力（见下图），观测岩层的几何学形态变化（变形）过程，记录其施压大小、速度、变形量（收缩量）。

2.3 实验步骤
（1）实验设备准备，铺设不同颜色的砂层，准备加载;
（2）分11个阶段施加外力，每次不均一推进，约2.5cm-1cm;
（3）每次施加外力后，观测每个阶段的挤压变形过程，同时连续照相，记录变形形态;
（4）加水固化实验结果，切开变形岩层，观测剖面上的内部变形几何学结构并照相;
（5）打印剖面结果，解释剖面上的褶皱、逆断层;
（6）计算收缩量和断面角度，检验解释结果和实验结果。

3 结果与讨论
3.1 结果
本次实验获得一系列剖面：水平挤压背景下的逆冲推覆剖面举例如下：
3.2 分析与讨论
实验已知的基本参数：比例尺：1：2.59;原始长度：86cm;试验后长度：68cm;收缩量：18cm。

实验人员通过对各自负责的剖面，开展平衡剖面恢复，误差长度和误差百分数分析表明：结果都在误差范围之内，10%上下都可以通过。

本实验对大洋和大陆之间的挤压逆冲变形进行检验分析，运用力学和几何学原理探究青藏高原的隆升原因及隆升机制。

我们认为：板块边缘挤压变形是板块
构造理论的核心研究内容挤压逆冲是山脉、高原隆升的动力引擎;挤压可以导致岩层破裂，破裂是地震的一种机制。

诸如青藏高原的形成，就是大陆板块经历裂解、破裂、洋壳形成、洋壳俯冲、板块边缘变形，到最终两个板块再次碰撞、拼接为一体的过程。

这个过程周而复始，循环往复，会导致海陆变迁、大地震和火山喷发等地质灾害。

参考文献：
[1].李德伦，王恩林，构造地质学[M].长春：吉林大学出版社，2012。

[2].葛肖虹等，青藏高原隆升对中国构造-地貌形成、气候环境变迁与古人类迁徙的影响，中国地质[J]，2014，41（3）。

[3].张克信等，青藏高原新生代隆升研究现状，地质通报[J]，2013，32（1）。