為什麼美國西海岸的山脈被割裂為 3 條?

仔細觀察美國西海岸地形,可以發現存在3個主要的山脈:Coast Ranges, Sierra Nevada, Rocky Mountains,而山脈中間是相對平坦的平原或丘陵地帶。請問這種地形是如何形成的?


割裂這個詞是不合適的,因為本來它們也不在一起。Sierra Nevada並不是一個簡單的山脈,而是basin and range province 盆-嶺省 的西緣邊界。Coast range濱海山脈,Sierra Nevada內華達山,basin and range province 大盆嶺省和Rocky mountain落基山的成因與西海岸俯衝帶緊密相關,同屬於Laramide Orogeny 拉拉米造山期的產物。

----以上為2015.12.28手機簡答----

以下開始詳細講解。

大量無馬高清圖,流量黨請開wifi。

在洋殼俯衝帶,陸殼碰撞帶,大陸裂谷帶等構造活動帶附近的地形地貌都是與構造緊密相關的。這些顯著的地貌大部分都形成在新生代(65-0 Ma,6500萬年至今),比如安第斯山,青藏高原,東非大裂谷等。大地構造(板塊構造)學家們就像是鯊魚一樣圍在這些美味的小鮮肉旁邊爭先恐後的享用著大餐。尤其是青藏高原,自從我國嚴格限制老外在西藏開展地質工作以來,簡直成了中國地質學家的樂園。但是青藏高原非常之複雜,前有塔里木,羌塘,拉薩等地塊的併購事件,後有陸殼碰撞的車禍現場,高原之下還有半塑性的channel flow (下地殼流)。簡而言之,就是犯罪現場被多次破壞,難以恢復。

相比之下,北美洲和南美洲西岸的洋殼俯衝帶簡直就是被捉了個現行。這其中南美洲的安第斯山因為是高角度洋殼俯衝,所以模型更為簡單。北美洲的內華達-落基山區域因為是低角度-平板洋殼俯衝,則要稍複雜一些。

為了填補廣大的地質愛好者與從業人員間的小水溝,這裡插入一點關於俯衝帶島弧的介紹。

如上兩圖所示,island arc島弧,是指洋殼俯衝至陸殼(或者洋殼)之下時,在仰沖板塊(即上覆板塊)邊部形成的條帶狀島嶼(或者凸起的山峰),通常平行於海溝,並含有鏈式排列的火山。這是因為俯衝洋殼將水等揮發物帶入地幔,降低了地幔岩石的熔點,引起地幔部分熔融並形成低密度的鈣鹼性岩漿。岩漿上涌形成火山。簡單理解,就是吃綠箭口香糖的時候,一股薄荷味衝上腦門的感覺。

有靈氣的知友馬上看出了蹊蹺,這個俯衝板塊的俯衝角度決定了島弧的大小,位置,以及深入內陸的程度。這也正是北美西岸俯衝帶經過「低角度-平板-下沉(拆沉)-回卷(roll back)-高角度」等階段後形成濱海山脈,內華達山區和落基山脈的原因。需要注意的是,內華達山其實只是大盆嶺省西部邊界的山脈。所以後面再提到時,會把內華達山和盆嶺省當成一個構造單元來介紹。

如此圖所示,從左至右,紫色Coast range濱海山脈,橙色basin and range province盆嶺省,紫色Rocky mountains落基山。圖片來源:Coastal Range, Basin and Range

好,回答題主提出的問題:為什麼美國西海岸有三條分布如此寬的並列山脈?

(嚴肅臉)答案是:關鍵在於俯衝板塊的角度。見下圖:

圖片來源:Digital Geology of Idaho

美國西海岸經歷了至少兩個階段:上部為80-60Ma(8-6千萬年)laramide拉拉米期低角度俯衝,下部為50Ma(5千萬年)之後Challis查利斯期高角度俯衝。濱海山脈隆起最早,約在100Ma(1億年)之前,俯衝帶剛發育時已經受擠壓隆起。隨後在80-60Ma(8-6千萬年)期間,內華達山及其以東地區作為火山島弧隆起,當俯衝板塊以低角度俯衝至北美克拉通內部時,落基山作為最遠的島弧也同時隆起。50Ma(5千萬年)之後,俯衝板塊拆沉(破碎並下沉),並回捲成高角度俯衝,內華達山區作為島弧再次發育鏈狀火山。在約40-15Ma(4-1.5千萬年)時,內華達山及其以東地區經歷俯衝板塊回卷造成的伸展環境,隆起的山系像手風琴一樣形成地壟-地塹相間的構造。地塹進一步接受沉積,形成山間盆地。這種構造就叫做盆嶺省,後面會單獨講盆嶺省這個很有意思的構造。

(其中,正如 @姜大偉所提到的,濱海山脈,弧前盆地,內華達山,大盆嶺省發育在地體集合塊上,而落基山脈發育在北美克拉通上。)

這就是為啥有三條山脈的原因,同時俯衝板塊「低角度-平板-下沉(拆沉)-回卷(roll back)-高角度」演化過程也是我想對 @姜大偉的回答進行補充的地方。

故事還是要講,現在來絮叨細節。先放一張美國地形圖,最後更新時會把濱海山脈,內華達山區,落基山,科羅拉多高原(這個高原比較特別,自從寒武紀以來,就沒有傾斜過!!)的輪廓畫出來,再細講。

圖片下載自:上帝之眼谷歌地球論壇首頁--最大的GoogleEarth[谷歌地球]中文社區bbs.Godeyes.cn

圖片來源:Landforms of North America, Mountain Ranges of North America, United States Landforms, Map of the Rocky Mountains

話說早年間,北美西海岸的底子並不幹凈。所謂寡婦門前是非多,北美板塊作為一個古老的克拉通,其西岸的是非一直就不少,各種小型地體蜂擁而至,拿蒼蠅拍打不死,拿打狗棒趕不走。見下圖,早在三疊紀初期(245Ma,2.45億年),就發育Stikine, Yukon-Tanana, Quesnell, East Klamath, North Sierra和Cache Creek等一系列地體。而然,這並不是重點,重點在於當時的島弧火山和造山帶都發育在邊緣海及濱海區,內陸克拉通地區並沒有發育大型山脈。所以,這些是非我們就先不提了。

(第一張圖為地形地貌圖,第二張為地質構造示意圖。下同)

(此構造圖中,黑色線條為俯衝帶,三角形一側表示板塊俯衝方向,北段為向西俯衝,南段為向東俯衝。請開動大腦自行發揮空間想像力!)圖片來源:http://cpgeosystems.com/globaltext2.htmlBlakey and Umhoefer, 2003

圖片來源:http://cpgeosystems.com/globaltext2.html Blakey and Umhoefer, 2003

見上圖,伴隨著各個地體向北美克拉通的靠攏,向西的一些局部俯衝帶逐漸被Panthallasa洋(此時還沒有太平洋)向東的俯衝所替代。到早侏羅世(180Ma,1.8億年)時,Elko造山帶和中生代科迪勒拉島弧(紅色條帶)形成,其位置位於現今科羅拉多山脈的西緣。

圖片來源:http://cpgeosystems.com/globaltext2.html Blakey and Umhoefer, 2003

到150 Ma(1.5億年)晚侏羅世,情況開始起變化(見上圖)。地體們繼續向大陸靠攏,Panthallasa洋的洋殼基本俯衝消減完畢,取而代之的是Farallon大洋板塊。由於地體的拼合,北美洲板塊面積擴大,俯衝帶變得更為靠西。

圖片來源:http://cpgeosystems.com/globaltext2.html Blakey and Umhoefer, 2003

至130 Ma(1.3億年)早白堊世(見上圖),最後一塊外源地體Wrangellia-Alexander也拼合到北美大陸上,並擠壓大陸內部形成逆沖斷層帶。注意構造示意圖深藍色的區域,顯示斷層帶東面開始形成盆地(弧後盆地),並出現海拔低於1000米的陸表海。

圖片來源:http://cpgeosystems.com/globaltext2.html Blakey and Umhoefer, 2003

至100 Ma(1億年)晚白堊世(見上圖),Farallon板塊開始低角度-平板俯衝,在構造示意圖中,紅色為活動島弧,暗紅色為過氣了的島弧(注意不是過氣網紅)。活動島弧延伸至內陸約400 公里,表明洋殼板塊已經延伸至內陸,並開始在克拉通區域(粉色)內形成新的島弧。此時,拉拉米造山期開始醞釀。可以結合之前所講解的低角度-平板俯衝模式,更容易理解(見下圖)。

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好,繼續講70 Ma( 7千萬年)

圖片來源:http://cpgeosystems.com/globaltext2.html Blakey and Umhoefer, 2003

至70 Ma(7千萬年)晚白堊世(見上圖),拉拉米造山運動迅速向內陸推進。內華達山及整個盆嶺省地區都開始隆起。有意思的是,就在藍色區域(陸表海)的西南方向,既沒有島弧發育,也沒有任何構造,連逆沖斷層帶都繞過了此空白的粉色區域。這個就是奇葩的Colorado Plateau 科羅拉多高原。至於為什麼是一片空白,等後面更新時再講。

圖片來源:http://cpgeosystems.com/globaltext2.html Blakey and Umhoefer, 2003

至50 Ma(5千萬年)古近紀,Laramide造山期的高潮,落基山也終於雄起。火山活動在奇葩的Colorado Plateau科羅拉多高原南北兩側都有大規模發育。寬達1000公里壯觀的平行山脈系,科迪勒拉山系終於成形。

圖片來源:http://cpgeosystems.com/globaltext2.html Blakey and Umhoefer, 2003

至35 Ma(3500萬年)古近紀,構造示意圖變化不大。這地球跟男人差不多,高潮之後就是落幕。這是因為低角度俯衝的板塊非常脆弱,開始破裂,下沉(拆沉),靠近外端的板塊回卷並重新變成高角度俯衝。這使得拉拉米造山期迅速落幕,在科迪勒拉山系地區形成伸展環境,盆嶺省得以最終發育成形。盆嶺省的特點是盆山相間,如果沒有後期的伸展環境,盆地是不會像拉手風琴一樣出現的。其最終成型已經是15-5 Ma 的事了。後面更新時再詳細介紹。

-----以上為2016.1.3更新-------

至此,詳細故事已經說完。還有科羅拉多高原和大盆嶺省的內容會做一點更新。

現在來說科羅拉多高原

如圖所示,美國西南部,淺綠色圖示區域為科羅拉多高原。跟濱海山脈和大盆嶺省都不同的是,它非常的高冷。至於高冷到什麼程度呢。簡單的說,就是自寒武紀(5.41億年)以來,幾乎沒有變形過,就是這麼硬氣!

看幾張圖:

圖片來源:HA 730-C Regional summary text

中間藍色部分為科羅拉多高原,位於Utah,Colorado,Arizona,New Mexico四州版圖的中心地區。

圖片來源:HA 730-C Regional summary text

從這張地質圖上看(上圖),中間科羅拉多高原地層平坦,極少發育褶皺和斷層。看東側的落基山,地層已經被擠成條帶狀。西北及西南側的大盆嶺省,地層簡直就成了被犁翻過的耕地。

圖片來源:Flowers, 2012 Intro page

從地形上看,高原內部頗為平整,而東部落基山和西部大盆嶺省,則是一副鄒巴巴的樣子。

然後看幾張科羅拉多大峽谷的實地風景照:

圖片來源:Micheal

Matti https://www.flickr.com/photos/michaelmattiphotography/8377968676

圖片來源:http://www.travel-images.com/usa/photo-usa198.html

圖片來源:https://sepetjian.files.wordpress.com/2011/10/grand-canyon.jpg

圖片來源http://images4.alphacoders.com/114/114514.jpg

觀感如何?

很漂亮哈。但素,找個學構造地質的人(比如我),感觀就是:平的,平的,平的,還是平的。雖然我一直很喜歡平胸的,但要是碰到滿眼地層都是水平的,興奮度立刻減半。因為,缺乏構造運動啊。雖然以上所有照片都是科羅拉多大峽谷,但卻可以作為整個科羅拉多高原地區的代表。其他地區地層會略有傾斜,但是卻要比落基山和大盆嶺省穩定得多。

圖片來源:Intro page

此圖顯示的是大峽谷的地層柱。也就是從前寒武時代(非常老,最老可達19億年)至二疊紀末(2.52億年)的地層沉積記錄。自寒武紀(5.41億年Cambrian)至今,這玩意就只有水平升降,沒有傾斜過!!!!前面說的拉拉米期和查利斯構造運動根本就掀不翻它,真是硬氣側漏啊。

所以,回到50 Ma(5千萬年)前:

中間淺黃色的這一塊就是科羅拉多高原。它意志堅定,冷看周邊各種造山卻不為所動,簡直乃美國西部中流砥柱一枚。為啥這麼硬呢,因為結晶基底硬(涉及地質學背景知識太多,不細說了)。

----2016.1.6更新----

繼續更新關於basin and range province盆嶺省的內容。

早在1982年,John McPhee

就已經寫了一本關於盆嶺省的書。經過30餘年的修補和擴充,各種資料都已到達視頻科普級別。先看看地形細節,如下圖:

圖片來源:Remote Sensing Tutorial Page 6-8

是不是像犁過的耕地?而且還是那種犁的很亂之後被水淹過的。那這種地形是怎麼形成的呢?非常簡單,看下圖:

圖片來源:Basin and Range Region

具體的說,就是一系列疊瓦狀的正斷層,收斂在一條大型低角度正斷層上。在伸展環境下,兩邊一拉,就像手風琴一樣出現了一排平行的山。山與山之間被沉積物填充,抹平,就成了前面看到的地形。可以簡單示意成下圖的樣子:

圖片來源:http://fineartamerica.com/featured/basin-and-range-landscape-artwork-gary-hincks.html

好,講完了,放個視頻(下載自youtube 的Great Basin National Park channel):

Great Basin Basin and Range Formation [Great Basin National Park]

視頻中英語非常清晰,加之有字幕,不懂可以查查字典。我偷個懶,就不逐句翻譯了。

2016.1.8 更新完畢


正好手上有文章就順便答一下呢

這個是著名的美國西部盆嶺省Basin and range province,在地質研究中有重大意義,另無數地質學家欲罷不能前赴後繼。在上世紀美國的地質領域甚是流行,一個博士花上三五年找個區域填張精細的圖,就是畢業成果了。

那為什麼美國西海岸不是一座山而是好幾座呢,為什麼過了這幾座山往東就是平原了呢(下圖)。因為構造基礎決定上層地貌,底子好自然顏值高。

北美西海岸是太平洋板塊向東俯衝的邊界,有下沉速度很快的俯衝帶。地表看著是山,地下看起來是這樣的,五顏六色的就是向北美俯衝下去的洋殼。

而東海岸是大西洋擴張的西邊界,是穩定大陸邊緣,構造平穩沒有造山活動,有寬闊的大陸架,就是這樣的,在上面第一張圖能看到陸地邊緣有一條淺色條帶

因此美國西海岸作為主動大陸邊緣,俯衝活動劇烈,必然構造活躍,地形複雜。但形成了這麼寬的盆嶺省構造,還與俯衝持續時間有關,才會有大量的物質積累,構造疊加,成山成嶺。

俯衝起始時間普遍認為是120Ma左右,太平洋擴張到了鼎盛時期,開始發生消減。最早俯衝的法拉龍Farallon板快已經消失在北美大陸之下,後續俯衝的是讓.德夫卡Juan de Fuca板快,大部分也進入到北美之下

期間,地上的島弧逐漸與北美克拉通碰撞,一系列的島弧貼合到克拉通西側邊緣

一直到現今,殘留了部分Juan de Fuca板塊,仍在美國西海岸北部區域消減,並有一段殘留的洋中脊被轉換斷層切割成了三段,最有趣的就是與剩餘俯衝帶相連接的聖安德烈斯斷裂,目前協調了太平洋東俯衝帶的應力差異,整個科迪勒拉-安第斯俯衝帶就這一塊這麼奇葩

因此現今的美國西海岸構造圖應該是這樣的

以落基山脈為界,東側為北美克拉通,西側是俯衝帶弧前弧後區域,再向西就是未消減完的Juan de Fuca板塊,我們看到的美國西部盆嶺省,就會弧前弧後區域的山嶺,都是俯衝發生時期拼合的一系列地體,它們幾千萬年前並不是一家的

就這樣,千萬年前隔海相望的島弧、地體,最終高高興興的在一起,過上了幸福的生活....

參考資料


嗯,用現在的觀點確實就比較好解釋。對比一下, 但是不是同等,那就是新疆北部,中部,南部也都有分布近平行的山脈,這個與古亞洲樣的消失,歐亞大陸的碰撞作用有關。而美國的西海岸比這個還複雜一些。這些都要用具體的年齡數字來說明這個過程的,上圖只說明了造山初期的過程,而後期的發展要具體來議了。現以了解為主吧。壯壯哉,我偉大的地質!


海岸山、落基山、內華達山,都屬於科迪勒拉山系一部分,簡單講就是太平洋板塊與美洲板塊碰撞形成的,至於中間盆地,類似於我國青藏高原(亞歐板塊與印度洋板塊碰撞形成),其中也有山脈中夾雜的盆地和山地地形。


地球願意


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