书城自然科学地球运动的科学现象
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第16章 构造运动的新学说(1)

新构造运动有几种

新构造运动的状态可以通过反复的地形测量查明,其中,垂直方向的变动可通过水准点的重复测量,水平方向的变动可通过三角点的重复测量精密测定。这些测量值均为平面中点和点的关系,根据内插法可以推测某个区域的地壳变动。

这类短期变动是地壳经过数千年,数万年甚至更长时间变动的结果,在地形上有所表现,在地质构造上也会留下痕迹。

日本列岛设置有三角点和水准点,从1890年以后即开始反复测量其变化。用这种方法能查明的构造运动只是最近数十年间的运动,但日本列岛的构造运动激烈,地震活动也很活跃,所以自20年代开始对这类构造运动的研究便很盛行,一些引人注目的事实已被查明。

1.翘曲运动

沿日本列岛的主要道路每隔2公里左右便设置有一等水准点,至今为止每隔20~30年进行一次重复测量。最近,为了预报地震,重复测量的时间间隔大为缩短。从这些重复测量的结果查明,在横断日本列岛的路线上都是太平洋与日本海的中间部分水准点上升,日本列岛整体呈现隆起运动。

图横断日本列岛断面上的水准点变动

(a)突道-广岛之间(b)酒田-仙台之间

图中表示山形县酒田和仙台联线的地壳变动。从图中看出,1894-1942年48年间的地壳变动,及1942-1956年14年间地壳变动,都显示酒田与仙台的中间地区上升。横断酒田-新庄之间的出羽山脉和新庄-仙台间的奥羽山脉地区,也显示向上凸出的变形。由此可知,自1894-1956年的62年间,地壳变动都显示了同样的趋势。这种波长很长,倾斜平缓的隆起运动称“翘曲运动”,其他地区也可见有同样的运动趋势。从新泻县新发田经福岛县会津若松、郡山至平的路线上,新发田兴平(由于采煤引起大规模地盘下沉,但其影响效果可以除去)间的地区正在隆起。横断新发田和会津若松间的越后山脉地区,横过会津若松和郡山之间的出羽山脉地区,以及郡山平间的阿武隈山地,都是呈向上凸的变形,显示了山地上升的趋势。

关于中部山地的变动趋势,也可通过从东京经诹访至富山的水准点变动查明(沟上,1967),同样表现出东京和富山之间从诹访到飞弹山脉的中部山地整体上升的趋势,并可详细看出其间的小山地也是处于隆起的状态。这种中部山地隆起趋势在名古屋至福井的其他路线上也可以得到证实(宫部,1936)。

研究者指出,中国地方也有同样的隆起运动(坪井,1933;宫部,1936;铃木、小玉,1976)。横断中国山地从广岛至岛根县大道的路线,在1891-1970年间已经4次重复测量,其中前三次都表明濑户内海侧的广岛和日本海侧的大道之间的中国山地中部显示隆起的趋势,最后一次测量虽然山地中心部显示沉降,但其量很小,累积至1970年的80年左右的变动,山地中央部分仍为明显的上升。与此路线大致平行的冈山和米子的联线、冈山和鸟取的联线以及姬路和八鹿的联线,都显示了同样的趋势(坪井,1933,宫部,1936)。

以上是和日本列岛规模相应的100公里以上的大规模翘曲运动,有与出羽山脉、奥羽山脉、越后山脉等相对应的较小规模翘曲运动重叠其上,这种较小规模的翘曲运动在从本州中部往南突出的半岛上也能见到。

沿房总、三浦、伊豆及纪伊等半岛周边分别设置有水准路线。在房总半岛及纪伊半岛的内部也设置有水准点。半岛周边的水准点沿道路布置,并从靠近海岸深入到山地内侧都曲折设置有水准点。虽然水准点主要限于极近半岛边缘但仍能了解最近数十年间的变动趋势。测量结果说明,虽然数年乃至十几年的短期间内变动方向不定,但数十年间大体是以与海岸线平行的轴为中心呈内陆侧隆起,海域一侧沉降的趋势(铃木等,1974,1976)。从这种趋势可以推定,这些半岛正在进行与其地形相对应的隆起运动。

这种变动趋势,是大塚(1952)分析纪伊半岛周边及其内部水准点重复测量结果时指出的。这种变动趋势,也表现在1923年关东地震以后,根据一等水准点及二、三等水准点重复测量成果,绘制的房总半岛等变动量曲线图上(陆地测量部,1930)。如果有三点以上的水准点表明地块的掀斜运动时,则可用简单的三角法计标其掀斜方向和掀斜量(官部,1931)。计标结果,伊豆半岛北西部(坪井,1933)及房总半岛(官部,1933)的掀斜方向当海岸线方向大致垂直,以内陆向海洋掀斜。这也反映出半岛中部目前正进行着隆起运动。研究者以后对房总半岛、三浦半岛及纪伊半岛的水准点变动进行分析,再度确认了半岛中部的隆起运动。

以上是测量学观测得到的最近数十年间的地壳变动。根据阶地面的变位等地形学资料,求得的第四纪后半期构造运动也显示与上述倾向相同的山地隆起趋势,即从平地到山地中心,阶地级数增加的同时,越是高位阶地面与现代河床的高差越大。这表明在河岸阶地形成的平稳时期之间,山地有间歇性隆起,并且越近山地中心部其隆起量越大。

静冈县的挂川地方堆积有巨厚的新第三纪至第四纪前期的地层,形成一沉积盆地。然而这一地区的第四纪后期阶地,则以盆地为中心发生翘曲变形(1961)。也就是第四纪后半期至现在的运动与新第三纪至第四纪前半期的运动完全相反,显示为小规模的翘曲运动。

日本的主要山地,在第四纪约200万年间一直持续着同样的变动趋势,现代山地高度的三分之二左右是这一期间隆起的产物。

2.断块运动

从水准点的重复测量发现,相邻的几个水准点,在同一直线上有变动的趋势。这个事实首先发现于新泻县中西部日本海侧的水准点重复测量成果中(山崎,1928)。即西起系鱼川经直江津到柏崎的路线上,系鱼川至直江津间呈向西下沉的直线状变动,系鱼川、柿崎之间大幅度下降,再从柿崎到柏崎附近又向西呈直线状下沉,柏崎附近又变为和直江津附近同样的大幅度下沉。这种地壳变动是地壳具有为断层分割的断块构造的反映,这些成直线状变动的单元分别命名为西颈城断块、东颈城断块,地块的大小约为30公里。

1928年以后,这个地区的水准点变动也有大体相同的趋势。并且,下末吉期(约10万年前)阶地面的变动趋势也反映出山区隆起、平原沉降运动,但在上述断块的边界附近变动率大。说明最近10万年左右的变动和水准点变动的趋势相似(新泻第四纪研究组,1977)。水准点的变动也可看做是沿海岸断面所见到的山地隆起运动。

新泻县西部的水准点变动(a,b,c)

与中位阶地等高差线(d)的关系图

20年代至30年代相继在关东地方(武藤、热海,1929),丹后地方(坪井,1929)、伊豆半岛西北部(坪井,1931)、樱岛附近及岛原附近(坪井,1929)、琵琶湖周围(坪井,1932)等地发现若干水准点呈同样的直线状变动现象。

关于关东地方的断块运动,继武藤、热海的研究之后,今村 (1931)和宫部(1933)也分别指出,东京湾西岸地区和关东地方南部地区同样存在断块运动,并划分成极小的断块单元。宫部还利用平面上平均分布的三角点高程资料划分断块。既然关东地方存在断块构造,无疑应在地形和地层上得到反映,在关东平原的洪积台地表面,广泛分布有相当于更新世后期下末,吉层的湖沼相常总黏土层,为厚数10厘米至2~3米的凝灰质黏土层,常有芦苇和水草的痕迹,并产淡水珪藻,属于平原中部广泛分布的湖沼或低湿地中的堆积地层。但现在这些黏土层的层位都已在海拔6米~130米以上。黏土层的岩相和化石没有地区上的差异,由此可以推断当黏土层堆积时地形上虽有一些差异,但上述高度上的差异大部分应是常总黏土层沉积后的构造运动形成的(小玉等,1981)。

关东平原相当于下末吉层的常总黏土层的高度分布图(单位,米)

常总黏土层顶面的高度分布如图所示。从图中可以看出,关东平原是以北西西--南东东和北北东--南南西方向成直线延伸的等高线为界的构造单元所组成。根据这些构造单元周边为直线状,变形坡度中心部较小,周边部大等特点,反映了是由断层分割的基底断块隆起一沉降运动的产物。从常总黏土层的高度分布与现在的地形面高度分布大体一致的现象,也说明现在的关东平原是在常总黏土层堆积后的最新时代形成的。

上述由测量学确定的断块,是从常总黏土层高度分布求得断块的晚近表现。这是因为测量资料圈定的断块边界,与从常总黏土层高度分布求得的构造边界大多一致。但两者的正确关系还有待今后进一步查证。这些断块的范围为10公里左右,比新泻中部和西部的断块规模小。

断块运动的特点是,一个断块单元内的变形不大,边界附近有不连续变位。与上述翘曲运动连续变形区之间还有各种类型过渡区。另外,如三浦半岛等地所见,直线状变形的断块运动边界也未必不发生改变(铃木等,1976)。

3.活褶皱

前文中已述及,东北日本的日本海测地区有很厚的新第三纪--第四纪地层发育,并构成轴向与本州弧平行的褶皱。根据横断褶皱轴设置的水准点重复测量结果,发现这些褶皱中的一部分现在仍在大幅度成长(大塚,1942)。不仅是水准点,就是数千年至数万年前形成的河岸阶地也有着和褶皱地层同样的变形趋势,说明阶地形成以后,褶皱运动仍在继续进行着(大塚,1942池边展生,1942;杉村,1952;中村、太田,1965)。

下图是新泻县中西部,即西山油田地区的地层走向分布图。从图中看出,这个地区分布有若干北北东--南南西延伸的褶皱,主要有尼濑、后谷、小木城、关原等背斜。

图中还表示了这一地区沿海岸和横切小木城背斜布置的水准点,都经多次重复测量。根据测量结果表明,不同期间变动的方式虽有差异,但累计结果表明,背斜部相对向斜部上升,任一褶皱现在都在不断生长。图中的北部邻区寺泊背斜也有同样的活动特征(小玉等,1974)。这些褶皱中的小木城背斜和关原背斜大塚定为活褶皱。本地区的背斜一般呈丘陵,而向斜呈平地,从地形上也反映了地质构造的情况。

大塚(1912)根据河岸阶地的变形与褶皱构造的平行关系指出,沿山形县新庄东南向西流的小国川(最上川的支流)分布的褶皱,以及沿秋田县北部米代川分布的褶皱是活褶皱。前者又经杉村(1952)进行了精密的测量,也确认越是老的高位阶地面,变形越为显着。大塚根据水准点变动与褶皱构造的平行关系还指出,青森-蛤泽之间、能代-大馆之间以及秋田-黑泽尻之间发育的褶皱为活褶皱。但能代-大馆间水准点的以后变动并不一定平行褶皱构造(宫村,1943;宫村、冈田,1957)。

以上是有关活褶皱的实例。但东北日本的日本海侧的褶皱现在并不都在成长,现代的褶皱运动也不一定都和下位的构造完全协调一致。例如在断块运动中曾论及的新泻县西颈城地区,与褶皱轴直交方向上设置有水准点,测定结果认为断块运动与褶皱无关。根据水准点变动推断,新泻县中部和东部的东山背斜南端小千谷附近的变动也是和下位构造无关,呈现穹隆状隆起运动,阶地面的变形也和这种性质的近期变动相协调(饭川、铃木,1976)。以上叙述的褶皱构造是较大规模的褶皱,对于较小规模的褶皱构造,由于在地形上得不到反映而都被认为已停止生长。

新泻县中部小木城背斜(O),尼濑背斜(A)附近地层走向线图(a)和地质剖面与水准点变位的关系(小玉等,1974)。(b)小木城背斜;(c)尼濑背斜I是1898-1927、Ⅱ是1893一1980,lV是-1968。V是1893-1963期间的变动曲线。

如果认为褶皱构造,是由于下位以断层为界的基底断块的差异升降运动形成的,这里所谓的活褶皱则可能意味着断块在新时代的活动性。如图所示,小木城背斜的水准点,以背斜轴为界呈直线状变位,可能意味着背斜构造形成于断块单元的边界处。也就是说,断块之中有的几乎不再活动,也有的目前正在活动。现在仍在活动的断块就是活褶皱形成的原因。

4.活断层

所谓活断层,是指第四纪活动过的断层,将来有可能再度活动(藤田和夫等,1976)。这种断层在形上一般有明显反映,在地形图及航空照片上呈线形图像。这种现象在花岗岩及中生代-古生代等坚硬地层广泛分布地区容易识别,但在巨厚的新第三纪和第四纪等较新地层分布地区,由于深部断层在地表附近不易以断层形式表现,要捕捉活断层的存在是较困难的。活断层在中部及近畿地方发现较多,而东北日本及西南日本外带等地虽然发现较小,但这并不一定就意味着这些地区没有活断层的分布。

活断层在活动期间会造成附近极大灾害。以最近活动过的断层为例,1974年伊豆半岛远海地震时,活动的石廊崎断层造成断层上的房屋全毁或半毁,但其附近未造成很大灾害。1978年的大岛近海地震时,造成储藏矿渣的蓄水池堤崩裂,带来很大的灾害。蓄水池正位于活断层之上,成为很大的社会问题。以后将要论及的发育于六甲山地南缘的诹访山断层,现在仍在以0.1毫米/年甚至1毫米/年的速度变位,使其上位的建筑物产生裂纹及倾斜。

因此,在当前正在活动的或可能活动的活断层附近建筑任何设施时,都必须慎重对待。为此,在第四纪活动过的断层中,有人把两次以上活动过的断层称为“活断层”,有人把第四纪后期再度活动过的断层称为“第一级活断层”,以示与其他活断层的区别,还有人根据断层的年平均错移速度把活断层分为A,B,C三类 (松田,1975)。美国原子能委员会把过去35万年间活动过一次,或者在过去50万年间活动过多次的断层定为“活断层”,在制定原子能设施计划时必须予以考虑。

下边首先分析日本活断层发现最多的中部地方。这个地区北部有北东东-南西西方向的迹津川断层,东部有南北或北北西-南南东方向的系鱼川-静冈构造线,西部有阿寺断层、根尾谷断层等大规模活断层。此外还有很多与之平行的活断层分布。