构造赤道及其地球动力学意义

刘仲兰， 李江海， 张华添， 王洪浩

（北京大学 地球与空间科学学院， 造山带与地壳演化教育部重点实验室　北京 100871）

构造赤道及其地球动力学意义

刘仲兰， 李江海， 张华添， 王洪浩

（北京大学 地球与空间科学学院， 造山带与地壳演化教育部重点实验室北京 100871）

构造赤道是现今全球岩石圈板块相对深部地幔的优势运动方位。它的方位不同于地理赤道， 整体上表现为NWW-SEE向横贯全球， 在东非-中亚-东北亚表现为SW-NE向。本文在调研全球地壳断面资料的基础上， 结合全球板块运动数据、活动断裂数据， 首次编制了构造赤道的全球地壳断面图， 对其地壳结构、构造特征及其运动演化进行探讨。构造赤道在大陆地壳区， 主要跨越古生代地壳。沿着构造赤道廊带， 从非洲开始， 向东依次显示了伸展-挤压-伸展-挤压-伸展-挤压-伸展的相交替的运动特征， 出现不同类型的重要板块构造边界及其构造单元， 并控制了重要构造地貌单元的发育。它是泛大陆裂解以来全球构造运动的重要体现， 并明显受到星际力学的影响和调整。

构造赤道； 地壳断面； 地幔向西流； 板块运动； 活动构造

卷（Volume）39， 期（Number）6， 总（SUM）149

页（Pages）1041～1048， 2015， 12（December， 2015）

0　引　言

构造赤道（Tectonic equator）的概念来自于从空间对全球板块运动的定量观测研究， 具体表现为全球板块主要运动矢量具有一致优势方位的特点（Cuffaro and Doglioni， 2007）。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运动的特点（Argus and Gordon， 1991； Riguzzi et al.， 2010）。通过对该运动方位的解析表达， 发现全球存在一条运动主流方向， 在该线上每一点的绝对运动方向与该线的切线方向拟合度高达85%以上（Riguzzi et al.， 2006；Cuffaro and Doglioni， 2007）。本文所称的构造赤道是以该线为中线， 以相对拟合度的倒数作为宽度， 确定的廊带（图1f）。尽管在浅部坐标系， 表现为板块之间的相对运动， 但仍然具有主流向相对集中的特点，其优势的范围仍然一致集中。

前人对构造赤道的研究主要集中在全球岩石圈板块向西流导致的不对称构造（Doglioni， 1995；Garzanti et al.， 2007； Doglioni et al.， 2011）、构造赤道廊带上板块绝对运动矢量与相对运动矢量（Gripp and Gordon， 1990， 2002； Cuffaro et al.， 2006； Crespi et al.， 2007； Cuffaro and Doglioni， 2007）、构造赤道上地球浅部与深部表现差异（Panza et al.， 2010）。而对构造赤道的几何结构、构造特征及其成因演化方面缺少进一步的探讨。为此， 本文在收集构造赤道沿线地壳断面的基础上， 结合全球板块运动数据、活动断裂数据， 分析地壳组成、结构、运动等， 探讨全球新构造意义及可能的成因。

1　构造赤道几何结构特征

本文编制的构造赤道断面图西起安哥拉海岸，经刚果、东非-红海-阿拉伯-扎格罗斯-伊朗-中亚-青藏-塔里木-天山准噶尔-蒙古-贝加尔-东北亚-千岛群岛-日本海-日本海沟-夏威夷-东太平洋洋隆-纳兹卡-哥伦比亚， 到巴西及其被动陆缘（表1）。所用资料包括构造赤道廊带内较高精度的地球物理-地质断面图， 涉及深部地震反射、地震折射、重力、磁力、电阻率、以及地表地质剖面等（图1）。

图1　构造赤道地理位置及本文涉及的主要地壳断面（据Drake and Girdler， 1964； Gripp and Gordon， 2002； Zorin et al.，2002； Doglioni et al.， 2003； Scoppola et al.， 2006； Crespi et al.， 2007； Maruyama et al.， 2007； Filatova， 2008； Lomize，2008； Vergés et al.， 2011编制）Fig.1　Location of tectonic equator and important geotransects involved in this paper

表1　构造赤道穿越的大地构造单元及其中新生代边界Table 1　The tectonic units along the tectonic equator and the Meso-Cenozoic tectonic boundaries

全球构造赤道在地理上由西向东， 跨越非洲大陆、阿拉伯半岛、亚洲大陆西南部-中部-东部、西北太平洋、南美北部大陆、南大西洋盆地。在中、新生代全球构造上， 涉及西冈瓦纳大陆、南大西洋盆地、新特提斯造山带中段、中亚造山带、西伯利亚板块南缘、华北陆块、西北太平洋等（表1）。在地幔层次上， 跨越非洲超级幔柱、太平洋超级幔柱， 以及两者之间的亚洲超级冷幔柱（Maruyama et al.，2007）， 沿线经过的中、新生代热点和LIP包括： 特里斯坦-达库尼亚群岛、鲸鱼海岭、Etendeka、阿法尔、夏威夷、格拉帕格斯、加勒比、巴拉纳、格兰德河海岭等。从构造体制上分析， 现今构造赤道形成于泛大陆白垩纪大规模裂解、新特提斯闭合消减的背景下。

将板块绝对运动矢量（相对深部地幔）集中程度的倒数表现为构造赤道廊带的宽度（图1）。可以发现，在构造赤道廊带通过的大洋地区时其宽度较通过大陆地区更窄， 表明其运动优势方位更为集中， 而在大陆地区构造赤道廊带宽度相对较宽， 表明其运动方位较为发散。这可能与大陆地壳和大洋地壳的差异流变性质有关（Doglioni et al.， 2015）。另外， 全球构造赤道在大陆地壳区主要位于泛非（非洲）-显生宙地壳区（中亚、东北亚）（Rino et al.， 2008）， 地壳强度的薄弱， 是其发生强烈构造变形的物质基础。

沿着构造赤道廊带， 由于板块相对地幔深部发生明显的向西运动， 因此剖面结构上， 表现出明显的不对称性。由于地壳和地幔相对运动速度的差异，全球几乎所有向西俯冲带的俯冲角度均大于向东俯冲带俯冲角度（Doglioni et al.， 2015）， 因此导致的弧后盆地、前陆盆地也有较大差异（Doglioni et al.，2009）。这种不对称性还表现在板块离散边界， 如大洋中脊扩张不对称性（Panza et al.， 2010）、大陆裂谷形态不对称性（Doglioni et al.， 2003）。

2　构造赤道构造特征

从构造赤道整体上分析， 中生代以来， 随着南大西洋盆地张开， 新特提斯洋盆关闭， 西北太平洋向欧亚大陆俯冲， 纳兹卡板块古近纪向智利板块俯冲， 构造赤道断面上从西向东， 依次显示了伸展-挤压-伸展-挤压-伸展-挤压-伸展相交替的运动特征（图2）。分段表述如下：

在大西洋-东非伸展区， 非洲-南美之间为大西洋盆地内伸展张开， 阿拉伯与非洲大陆之间的伸展发育红海裂谷盆地与东非裂谷系， 造成索马里板块与非洲大陆的分离。其中， 地幔柱（特里斯坦、阿法尔热点）对伸展裂解起重要作用。南大西洋盆地的张开， 涉及南美一侧从西非大陆低角度拆离伸展（Unternehr et al.，2010）。而巴西被动盆地的发育， 还受到南美大陆西侧俯冲的挤压作用的传播， 并具有挠曲盆地特点。

图2　全球新生代活动构造、板块运动轨迹与构造赤道运动关系图（活动断裂分布数据来自Haghipour， 2006； Yin， 2010；Yin and Taylor， 2011； Frisch et al.， 2011； 板块运动矢量据Haghipour， 2006）Fig.2　Kinematic relationship between global active tectonics， plate motion， and tectonic equator

阿拉伯板块向北俯冲于伊朗板块之下， 新特提斯洋盆关闭， 形成高加索-扎格罗斯造山带， 并在伊朗高原发育走滑断裂， 调整南北向的缩短（Bourget et al.， 2010）。而印度板块加速向北运动， 始新世以来，与欧亚大陆碰撞， 形成青藏高原-喜马拉雅造山带（St-Onge et al.， 2006）。其中， 西喜马拉雅-喀拉昆仑-帕米尔成为最强烈的地壳缩短变形区， 逆冲构造变形向北直接扩展到塔里木盆地南缘， 以及天山北缘。阿拉伯半岛、印度板块分别与欧亚大陆碰撞， 但具有差异性的碰撞变形作用， 两者之间出现恰曼转换断层， 并在其西侧马卡兰保留海沟， 持续向北俯冲。构造赤道大约从两者之间向北东穿过， 代表了印度板块北缘碰撞变形区宽度持续向西扩展， 但运动矢量指向北东， 经过中亚哈萨克斯坦、帕米尔， 到达准噶尔盆地东北缘的阿尔泰山脉（李江海等，2007）。

长达1500 km的贝加尔裂谷带是西伯利亚东南部新生代最明显的构造。GPS数据表明其正以4.5±1.2 mm/a的速度向SWW-NEE方向裂开（Lesne et al.， 1998， 2000）。大量新生代断层的构造解析表明，贝加尔裂谷系的伸展作用开始于晚始新世并持续到第四纪（San'kov et al.， 2000）。贝加尔裂谷系的活动时间与青藏高原南北向的裂谷和岩墙侵位时间（Yin et al.， 1994）表现出很好的吻合性， 表明它们可能共同受亚洲西南板块边界活动的影响（Yin and Harrison，2000）。

构造赤道过阿尔泰蒙古直达贝加尔后向西南方向逐渐偏移， 穿过东北亚进入日本岛弧-夏威夷。中生代期间， 东亚构造格局由南北汇聚， 转变为伊佐奈岐板块向欧亚大陆斜向俯冲， 早期向NNW（120 Ma前）、晚期向NWW俯冲， 并在古近纪形成欧亚大陆的边缘海盆及其裂谷系。海拉尔、松辽盆地发育侏罗纪-白垩纪由西向东的断陷构造， 并且出现构造线由NEE向NNE的转折， 记录了太平洋板块俯冲的左旋走滑及其俯冲持续加强， 并经历了中亚造山后的伸展作用。而新近纪松辽盆地的消亡、渤海湾盆地的发育， 记录了太平洋板块向NNW方向俯冲的影响（Zhao， 2004）。千岛海沟现今俯冲速率岛9.0 cm/a。与亚洲大陆东部相对应， 太平洋皇帝岛-夏威夷等海链， 热点活动发育及其迁移轨迹， 并在40 Ma前后运动发生转向（由早期NNW转为NWW向）。上述构造转向， 明显对应于现今构造赤道的方位。

太平洋东缘的俯冲在科迪勒拉和安底斯的俯冲时间存在明显差异， 前者俯冲开始于三叠纪-侏罗纪， 后者俯冲开始于古近纪， 包括加勒比板块大规模楔入的时间也是古近纪。构造赤道进入南美北部，对应于古近纪俯冲作用， 即是这一时期板块俯冲作用延伸的结果。而北美西侧主要为圣安德列斯的转换作用， 俯冲作用局限在很窄的范围。另外， 现今太平洋板块东西两侧俯冲带倾角存在明显差异， 马利亚纳俯冲倾角较陡、智利海沟俯冲倾角较缓。这也是全球俯冲带向西和向东倾的普遍特征， 西陡、东缓，倾角分别为65.6°和27.1°（Riguzzi et al.， 2010）。

伸展和挤压构造空间上交替出现的动力学原因，就目前的认识来看， 主要是由于构造赤道跨越了非洲南部和太平洋两个超地幔柱和中亚一个超冷幔柱（Maruyama et al.， 2007）。在超冷幔柱之上整体是一个陆壳汇聚的构造背景， 因而形成扎格罗斯、西太平洋两个挤压区， 而在局部（超冷幔柱的中心）形成伸展区——贝加尔伸展区； 在两个超地幔柱之上分别发育了南大西洋-非洲和太平洋两个伸展区， 而在超地幔柱之间形成了安第斯挤压区。

3　构造赤道的成因及动力学意义

构造赤道可以追溯到中生代以来全球构造格局的变化上， 即喇叭状特提斯洋盆持续关闭（二叠纪-新近纪）、南、北大西洋盆持续张开（白垩纪）、太平洋板块俯冲由向NNW转向NWW（古近纪）， 三种共同作用的结果。在侏罗纪之前， 全球构造格局主要为SN方向的运动， 包括中大西洋裂开期间， 特里斯坦-达库尼亚群岛地幔柱触发南大西洋张裂， 并形成大洋中脊两侧的两个无震海岭， 东侧的沃尔维斯和西侧的里奥格兰德、印度洋初始张开、古特提斯洋盆持续关闭、新特提斯洋扩张等（Golonka and Gaweda， 2012）。到侏罗纪-白垩纪， 开始出现大规模的EW向构造运动， 包括南、北大西洋的持续扩张，太平洋周缘俯冲带发育， 东、西两侧的俯冲带持续后退， 洋盆不断缩小等。另外， 冈瓦纳大陆北缘的俯冲带， 也持续向西南后退。上述运动指向， 基本勾勒出构造赤道发育的早期阶段， 并且， 非洲超级幔柱具有重要的主导作用。因此， 可以认为构造赤道至少可以追溯到侏罗纪-白垩纪。

构造赤道运动矢量的出现， 完全是中新生代以来构造运动发展的结果， 并随着大陆的持续聚合，而展示出方位上的高度一致性。由此形成了南大西洋-非洲-中亚-蒙古-太平洋的构造赤道近东西-北东-北西-西的运动特征， 是前期构造运动在古近纪以来构造格局调整的结果， 改变了先前单纯强调印度板块南北向碰撞欧亚大陆， 但缺乏大西洋、太平洋构造格局调整的背景的地质认识。构造赤道并不对应新生代区域构造最强变形构造带的运动方向，如印度-青藏-贝加尔， 而是与其明显偏离， 并显示全球波状起伏特点（图3）， 明显受到全球构造体制的控制， 或者行星之间作用力的影响。

图3　全球构造赤道岩石圈横切剖面模式图（据Drake and Girdler， 1964； Zorin et al.， 2002； Doglioni et al.， 2003； Scoppola et al.， 2006； Maruyama et al.， 2007； Filatova， 2008； Lomize， 2008； Vergés et al.， 2011）Fig.3　Lithospheric model section of tectonic equator

与传统的板块构造理论不同的是， 大地测量学获得了地球纬向方向大规模构造运动的证据， 类似的理论在地质力学中早有猜想（李四光， 1973， 1976a，1976b）。板块构造学基于生物的纬向分布、古气候带的纬向变化、古地磁古纬度的记录， 很容易揭示出板块在南北方向上的运动， 并由此提出了冈瓦纳大陆、特提斯洋盆、劳亚大陆南北分异的构造格局及其南北运动的理论（Li et al.， 2004； Torsvik and Cocks， 2004； Maruyama et al.， 2007； 李江海等，2014）。但对纬向上的板块构造运动缺乏定量准确的描述， 尽管大西洋张开、太平洋俯冲， 都揭示了大规模纬向运动的证据（转换断层、洋脊、俯冲带等）。构造赤道的发现， 有力地弥补了板块构造理论这一不足。

参照现今全球深部地幔活动的构造格局（Maruyama et al.， 2007； Torsvik et al.， 2008）， 不难推断， 构造赤道是衔接和转换非洲超级地幔柱（南半球）-亚洲超级冷幔柱（下沉幔柱）（北半球）-太平洋超级地幔柱（南半球）三者垂向运动与水平运动转化的桥梁和纽带， 亚洲大陆的聚合就发生于两大超级幔柱之间的冷幔柱位置上， 并由二叠纪-三叠纪近SN向运动以及旋转（Torsvik， 2003； Golonka and Gaweda，2012； 李江海等， 2014）变为白垩纪以后的EW向运动（即现今构造赤道）。它也是新生代以来， 太平洋、大西洋、非洲-亚洲、南美大陆之间， 板块构造运动最为协调的表述。为此， 推测它的形成与地球不同层圈之间（深部地幔和岩石圈）的作用（水平剪切作用）有直接联系。考虑它与鲸鱼海岭、夏威夷岛链运动上的一致， 可以推测， 构造赤道与两大超级地幔柱相关热点轨迹具有直接联系。南北半球之间深部地幔上涌与浅部地壳之间的平衡， 造就了构造赤道。

另外， 它也是泛大陆裂解重新聚合过程最新的构造运动效应， 全球岩石圈质量重新分配的结果。全球岩石圈相对于深部地幔一致向西纬向净漂移，也指示地壳自转的作用以及星际之间的作用， 其原因和机理尚待研究查明。

4　结　论

（1） 构造赤道作为板块现今运动优势廊带， 跨越大陆地区主要为泛非-古生代地壳区。沿线出现众多热点-大岩浆岩省， 并伴随大洋裂解、碰撞造山、陆内变形、板块俯冲、转换断层等。

（2） 构造赤道在大洋地区， 其运动趋势更趋近一致， 廊带宽度更窄， 而在大陆地区地壳运动趋势相对分散， 廊带较宽。其中在太平洋地区廊带最窄，板块运动趋势集中方位最明显， 而在中亚-东北亚地区构造赤道廊带最宽， 板块运动相对分散。这可能与不同类型地壳的流变性质相关。

（3） 构造赤道断面上从西向东， 依次显示了伸展-挤压-伸展-挤压-伸展-挤压-伸展相交替的运动特征。

（4） 构造赤道是白垩纪以来全球构造体制大规模调整的产物， 不同于更早期泛大陆早期相关的南北聚合和裂解过程。

（5） 构造赤道的形成与地球不同圈层之间的剪切变形相关， 岩石圈向西运动， 地幔软流圈向东流动。它的发现支持超级地幔柱与板块构造组成的全球构造系统。

致谢： 感谢中国海洋大学李三忠教授和另一位匿名审稿人对本文提出的建设性意见。

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Tectonic Equator and its Geodynamical Implications

LIU Zhonglan， LI Jianghai， ZHANG Huatian and WANG Honghao
（MOE Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution， School of Earth and Space Science， Peking University， Beijing 100871， China）

Tectonic equator mainly represents trajectories of the motion of the lithosphere with respect to underlying mantle. It is not a common geographical equator， but is generally NWW-SEE， with a large SW-NE trending undulation from east African to the western Pacific. According to geotransects along tectonic equator， database of global plate motion and database of global active fault， we propose a tectonic equator geotransect for the first time， and try to analyze its crust structure，tectonic feature and evolution. We find that the tectonic equator is more likely crossing the Paleozoic continental crust， this may relate to their rheological properties. Along tectonic equator， the tectonic features represent extension-squeezing -extension-squeezing-extension-squeezing-extension from west to east. Tectonic equator controls development of some important plate tectonic boundaries， tectonic units， and important geomorphic units. It is an important global plate motion after the break off of Pangea， and may be affected by celestial mechanic.

tectonic equator； geotransect； westward drift； plate motion； active tectonics

P541

A

1001-1552（2015）06-1041-008

10.16539/j.ddgzyckx.2015.06.006

2014-10-30； 改回日期： 2014-12-16

项目资助： 大洋“十二五”印度洋脊多金属硫化物成矿潜力与资源环境评价（DY125-12-R-03）和大洋“十二五”西南印度洋脊合同区多金属硫化物资源评价（DY125-11-R-01）联合资助。

刘仲兰（1991-）， 男， 构造地质学专业博士研究生。Email： lzl910615@126.com