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2024-12-17 18:59
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美国强震与圣安德列斯断裂
梁光河
2024年12月17日
1 圣安德列斯断裂是美国强震之源
美国的强震主要发生在西部的近海区域，加州的地震都是圣安德列斯断裂（San Andreas Fault）引起的。加州是美国地震频发的地区，2014年，著名的葡萄酒产区加州纳帕谷发生6.1级地震。1994年洛杉矶发生了6.6级大地震，死伤9000多人。1989年旧金山发生过6.9级地震。更早时，1906年发生的8.6级旧金山大地震造成3000多人死亡，旧金山变成一片废墟。据研究在今后20多年中，加州发生6.7级以上地震的可能性是99.7%，而在洛杉矶和旧金山发生6.7级以上地震的可能性是63%（华华，2019）。
这么可怕的圣安德列斯断裂，它究竟长的什么样？在洛杉矶北面有美国的横断山（图1）。横断山东西长200多公里，跨越了圣安德列斯断裂，最高峰的高度超过3500米。前人的研究说明在20Ma前横断山是南北走向的，但是之后圣安德列斯断裂的不断搓动逐渐把它顺时针扭动了90度，成了今天的东西走向。
图1美国圣安德列斯断裂区域地震特征（改自USGS）
2 著名院士马宗晋质疑圣安德列斯断裂是转换断层吗？
圣安德列斯断裂大致呈北北西走向，它目前被认为是一个特殊的转换断层，转换断层的概念是从大西洋裂解提出来的，大西洋上的转换断层基本上都垂直于洋中脊。众所周知，太平洋的洋中脊是南北走向的，因此其转换断层应该是东西走向。而从图1可以看出，太平洋上诸多东西方向的断裂带如Mendocino Fracture Zone（门多西诺断裂带）和Murray Fracture Zone及Molkai Fracture Zone也都被认为是转换断层。为什么同一地区同时存在东西方向的转换断层和近南北方向的转换断层？这是板块构造说没有合理回答甚至回避的问题。
因此著名大地构造学家和地震学家马宗晋院士在1980年访美学术交流后撰文质疑圣安德列斯断裂（马宗晋,1981）：“美国大陆西海岸是板块学说讨论的重要地区之一，圣安得列斯断裂作为板块间的转换断层似乎已成众论，然而还有许多不解之处，如: ①这一右型走滑断裂如以平均每年位移4厘米计算，整个第四纪的二百万年间即可有80公里的位移，其南北两端都位移到那里去了?②为什么当圣安得列斯断裂的两端与东西向断裂行将交接时，都表现向左的弯转?这一现象至少说明这些东西向断裂是早于它而存在的，而且可能存在相对的左型错动。③门多西诺断裂是东太平洋底横切洋脊的转换断层，而它又与另一条转换断层—圣安得列斯断裂相接，这在运动学上比较费解，难道太平洋底三联点东移的观点能说明这一切吗?”。
从这里可以看出老一辈科学家认真做学问的强烈质疑精神值得我们学习，而不像当前很多学者不求甚解，他人认为圣安德列斯断裂是转换断层就盲目跟从，而不思考其逻辑是否合理。
3 美国西部地体构造
从美国哥伦比亚大学制作的白垩纪至今大陆聚散重建动画图上可以看出（图2），一个长条形的地体在白垩纪快速由南往北拼贴在北美洲西部，这个地体的漂移轨迹和 古地磁证实温哥华岛（Wrangellia地体）来自南半球完全一致（Jones，1985） 。实际上美国上世纪80年代提出的地体构造很好地描述了美国西部的蛇绿岩混杂堆积。地体构造研究说明，北美洲西部存在大量从太平洋西部漂移而来的地体群和从南太平洋漂移而来的地体，它们拼贴在北美洲西部， 前人的大量研究发现，环太平洋构造带存在一系列地体，美国和加拿大西部存在超百个大小地体(Coleman, 1984; Howell et al., 1985)。 事实上目前的圣安德列斯断裂和另一长条形地体的漂移拼贴密切相关。
图2白垩纪至今大陆聚散重建动画图（据Columbia university）
4 圣安德列斯断裂和地体的漂移拼贴
虽然地体说能够很好地解释北美洲西部的构造演化，但由于地体说没有给出合理的漂移动力机制而被冷淡对待，一直没有得到其应有的学术地位。根据作者提出的新大陆漂移模型，大陆板块（或者地体）会在热力驱动下自发漂移，漂移后会留下尾迹，这些尾迹特征在两种地形地貌图（图3，图4）和地磁异常图（图5）上都清晰可辨。
从地体漂移尾迹特征结合前人研究成果说明，北美洲西部新生代主要构造事件包括3个：
[1] 来自太平洋中部的诸多地体，如中央谷地地体群和其南北更多地体，它们从西向东漂移拼贴在北美洲西部。由于中央谷地地体是一个微克拉通地块，因此其密度大厚度大，漂移后在太平洋上切割深度大，留下了显著的深海宽沟（图3），两侧就是其划痕构造边界Mendocino Fracture Zone和Murray Fracture Zone。这个宽大的东西向深海沟如何形成是板块构造说还没有合理解释的重大问题。该地体群拼贴就位后显示出负地形克拉通盆地特征，类似中国的四川盆地和塔里木盆地负地形，它们都是克拉通地块。
[2] 一个长条形地体（Guerrero地体）从南往北漂移并拼贴在中央谷地地体群西侧，在其中间形成了著名的圣安德里斯断裂（San Andreas Fault）和诸多大地震。在北漂过程中遇到硬质的中央谷地地体，长条形地体发生了变形，并向左滑移运动，其中红色的横断山在与硬质的地体碰撞后由近南北向转向近东西方向。推测20Ma之前该长条形地体位于南方约800km。漂移速率大约为每年40mm，这基本上接近当前的GPS测量结果。
[3] 伴随着大西洋裂解和北美洲向西漂移，形成落基山脉和造山后的重力垮塌。这个垮塌过程很可能是中央谷地地体群拼贴碰撞所触发的，当然长条形地体的漂移在北美洲西部形成了右旋走滑环境，也可能对美国西部的重力垮塌发挥一定触发作用。
图3北美洲西部24Ma以来主要构造运动动画示意图（底图为地形图）
以三维地形地貌图和磁异常图为底图制作的动画示意图也能进一步证明上述推断（图4和图5）。由于作者初学动画制作，因此这两个图的长条型地体的在漂移碰撞过程中的变化没有展示出来，正确的构造形变更接近图3，特此说明。
图4 北美洲西部24Ma以来主要构造运动动画示意图（底图为三维地形图）
图5北美洲西部24Ma以来主要构造运动动画示意图（底图为磁异常图）
以上说明圣安德列斯断裂是一长条形地体的向北漂移并与北美洲西部拼贴形成的。
5 北美洲西部长条形地体漂移的证据
当前的GPS测量说明，美国西部的长条形地体目前还在北漂中，它带动了东侧周边区域的向北运动（图6），这也是该区域强震的直接动力。图7给出了北美洲西部深部宏观构造示意图。
图6北美洲西部GPS测量结果（李江海，2023）
图7北美洲西部深部宏观构造示意图（改自李江海，2023）
6 结论
[1] 北美洲西部在新生代晚期整体向西漂移过程中，与从太平洋区域向东漂移的诸多微陆块（地体）发生碰撞拼贴，形成西部高原山脉，特别是中央谷地地体是最后一个拼贴的地体，同时伴随着一个长条形地体从南向北漂移，与中央谷地地体发生碰撞，其东边界就是著名的圣安德列斯断裂，它目前仍在向北快速运动形成了当前北美洲西部的强震。
[2] 加拿大的温哥华和美国的旧金山、洛杉矶和圣迭戈都是伴随着长条形地体从遥远的太平洋南部漂移过来的。
[3] 当前板块构造说将圣安德列斯断裂划分为转换断层的解释是不对的。在该区域造成了很多混乱，比如随意划分出很多转换断层和洋中脊，而没有得到实测资料的证实。
地体的概念：地体（Terrane ）或构造地层地体（Tectonostratigraphic terrane）起源于对北美科迪勒拉山的研究。1983年美国斯坦福大学举行的第二次环太平洋地体会议上，对地体概念进行的较完整的解释:以断层为边界具有区域延伸的地质实体，每一个地体均有与相邻地体不同的地质历史，每一个地体内的沉积、构造、火山作用、变质作用等应该是统一的和连贯的，两个并列地体之间不存在联系两者之间的过渡岩相。地体分类有多种，按组成的分类主要包括地层地体（大陆碎块、火山弧碎块等）、变质地体和混杂地体。按活动性分类主要有移植地体和外来地体。地体的运移过程包括地体的拼合和地体增生（地体增置到大陆边缘的过程）以及地体的分散。
参考文献：
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