问题

为什么美国西海岸的山脉被割裂为 3 条?

回答
你问到美国西海岸的山脉为何呈现出三条主要走向,这是一个非常有趣且复杂的地质问题,背后是地球漫长而波澜壮阔的演化史。之所以看到这三条主要的纵向山脉带,主要是由两种截然不同的地质构造过程塑造而成,它们分别是板块俯冲和板块张裂。

让我们一层一层地剥开这层神秘的面纱,详细来说说:

1. 大背景:板块构造理论的舞台

首先,我们必须理解美国西海岸所处的地理位置。北美大陆的西缘,正是一个地球构造活动异常活跃的区域。这里是北美板块与太平洋板块,以及更小一些的板块(如胡安·德·富卡板块、科科斯板块)相互作用的前沿阵地。正是这些板块之间的碰撞、挤压、滑动和分离,如同巨大的地质力量,雕刻出了我们今天看到的壮丽山川。

2. 第一条山脉:海岸山脉 (Coast Ranges) 海洋板块的温柔抵抗与变形

成因: 你看到的海岸山脉,也就是最靠近太平洋,与海岸线大致平行的那一系列山脉,它的形成主要归功于一种叫做“弧后伸展”(Backarc extension)和“陆地弧火山作用”(Continental arc volcanism)的复杂组合。
过程细说: 在漫长的地质时期,太平洋板块(或更古老的法拉龙板块,它已经大部分被俯冲掉了)一直在向东移动,并以一个相对倾斜的角度俯冲到北美板块之下。当一个海洋板块俯冲到大陆板块之下时,会发生一系列事件:
熔融与岩浆上升: 俯冲下去的海洋板块会携带水进入地幔。这些水会降低地幔的熔点,使得岩石熔化,形成岩浆。这些岩浆比周围的岩石轻,于是就沿着断层上升。
火山弧形成: 这些上升的岩浆在地表喷发,就形成了火山链。这些火山链通常与俯冲带平行,被称为火山弧。而海岸山脉的东部,也就是喀斯喀特山脉,就是典型的火山弧。
“弧后伸展”与海岸山脉的形成: 关键在于,当板块俯冲时,它并不是一个平滑的“刮擦”,而是会“拖拽”上覆的北美板块。这种拖拽作用在俯冲带的“后面”(也就是大陆方向)产生了一种拉伸或张裂的力量。就像你拉扯一张地毯,地毯的边缘会产生褶皱,但其内部也会有被拉伸的区域。
在海岸山脉这个区域,这种张裂作用加上来自俯冲带的挤压和剪切力,导致了地壳的抬升和断裂,形成了相对破碎、多山的区域。这里的岩石成分也比较复杂,包含了大量的火山岩、沉积岩以及被抬升和变形的古老地壳物质。一些地方的抬升也与陆内造山作用有关,即当俯冲的板块在更深处发生变化时,对上覆板块产生推挤和挤压效应。
特点: 海岸山脉的高度不如内陆的山脉高峻,但它们蜿蜒曲折,地形破碎,而且许多山体相对年轻,仍然受到构造活动的影响。

3. 第二条山脉:内华达山脉 (Sierra Nevada) 大陆板块内部的巨大抬升与断块作用

成因: 你看到的位于海岸山脉以东,与海岸线呈大致平行的内华达山脉,它的形成则主要是一个“陆内造山事件”,特别是与地壳的大规模抬升和断块运动有关。
过程细说: 同样是面对俯冲的太平洋板块(早期是法拉龙板块),内华达山脉的形成与更“深层”的地质过程有关。想象一下,当一个海洋板块深入地幔,它会逐渐“融化”或发生化学变化。这些变化会影响到其上方的北美板块。
地幔柱的影响(一种理论): 一种主要的理论认为,在过去的地质时期,可能有一个巨大的地幔柱(从地球深处涌出的炽热物质)或地幔流,在地壳下方发生了抬升和扩张。这种扩张就像一个巨大的鼓包,将上方的北美板块向上推挤,造成了大规模的地壳隆升。
断块山形成: 当地壳被如此剧烈地抬升时,它会变得 brittle(脆性),容易发生断裂。巨大的抬升压力和内部应力,使得地壳沿着一系列近乎垂直的断层发生错动。抬升的一侧形成陡峭的崖壁,而下降的一侧则形成相对平缓的坡地。这种形成方式就叫做断块山(Faultblock mountains)。内华达山脉,尤其是其东部的塞拉利昂断层(Sierra Nevada fault system),就是这种断块作用的典型代表。地壳像一块巨大的木板,在断层线上被抬升了。
花岗岩的侵入与雕刻: 内华达山脉的岩石大部分是坚硬的花岗岩。这些花岗岩是在地壳深处熔岩冷却形成的,后来被抬升到地表。之后,冰川侵蚀(在冰河时期)对这些花岗岩进行了精细的雕刻,形成了我们今天看到的锯齿状山峰、U型谷和冰斗等壮观的地貌。
特点: 内华达山脉的山体高大,山势雄伟,具有典型的花岗岩地貌,是美国本土最高的山脉之一。

4. 第三条山脉:落基山脉 (Rocky Mountains) 更深远的挤压与褶皱

成因: 再往东,我们看到了落基山脉。落基山脉的形成则与北美板块更深层、更广泛的挤压和褶皱造山运动有关。这通常被认为是陆地板块之间更剧烈的碰撞或“大陆碰撞”效应的体现。
过程细说: 虽然落基山脉并非直接由太平洋板块的俯冲引发(更准确地说,是更早期的洋壳俯冲到陆壳下,以及随后陆陆碰撞效应的余波),但它确实是沿着北美大陆边缘的挤压和变形的结果。
大陆边缘的挤压: 在漫长的地质历史中,北美大陆的西缘经历了多次来自西方的物质(岛弧、小陆块等)的碰撞和“拼贴”,以及更遥远的大陆碰撞事件的挤压效应。这些外部的强大推力,使得北美板块的边缘发生了剧烈的压缩变形。
褶皱与断层: 这种压缩导致地壳像一张纸被推挤时产生褶皱一样,发生大规模的褶皱(Folding)和逆冲断层(Thrust faulting)。地层被弯曲成拱形(背斜)和凹形(向斜),同时巨大的推挤力量将地层岩块向前推移,并叠置在其他岩层之上。
造山带的复杂性: 落基山脉是一个庞大而复杂的造山带,其形成过程经历了多个阶段,涉及到不同时代的地质事件。在这里,可以看到不同类型、不同年龄的岩石,以及多种多样的地质构造。
特点: 落基山脉的山体比内华达山脉更加广阔,山体形态多样,既有高峻险峻的山峰,也有广袤的高原和盆地。它们的形成年代也相对较老,但经过多次地质改造,仍然是北美大陆最重要的地理特征之一。

总结一下这三条山脉的不同“性格”和形成原因:

海岸山脉: 更近海岸,受海洋板块俯冲产生的拉伸和局部挤压影响,地形相对破碎,以火山岩和变形的沉积岩为主。
内华达山脉: 深受俯冲板块深部影响,是地壳大规模抬升和断块作用的产物,以坚硬的花岗岩和陡峭的山体为特征。
落基山脉: 更广阔的挤压和褶皱造山带,是大陆边缘多期碰撞和变形的累积效应,地质构造复杂,地层褶皱和逆冲发育明显。

正是由于地球内部不同驱动力在不同时间、不同地点以不同方式作用于北美板块的边缘,才塑造了美国西海岸这三条平行分布又各具特色的山脉带。它们就像是地球用岩石书写的史诗,记录着板块运动的每一次呼吸与搏动。

网友意见

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割裂这个词是不合适的,因为本来它们也不在一起。Sierra Nevada并不是一个简单的山脉,而是basin and range province 盆-岭省 的西缘边界。Coast range滨海山脉,Sierra Nevada内华达山,basin and range province 大盆岭省和Rocky mountain落基山的成因与西海岸俯冲带紧密相关,同属于Laramide Orogeny 拉拉米造山期的产物。

----以上为2015.12.28手机简答----

以下开始详细讲解。

大量无马高清图,流量党请开wifi。

在洋壳俯冲带,陆壳碰撞带,大陆裂谷带等构造活动带附近的地形地貌都是与构造紧密相关的。这些显著的地貌大部分都形成在新生代(65-0 Ma,6500万年至今),比如安第斯山,青藏高原,东非大裂谷等。大地构造(板块构造)学家们就像是鲨鱼一样围在这些美味的小鲜肉旁边争先恐后的享用着大餐。尤其是青藏高原,自从我国严格限制老外在西藏开展地质工作以来,简直成了中国地质学家的乐园。但是青藏高原非常之复杂,前有塔里木,羌塘,拉萨等地块的并购事件,后有陆壳碰撞的车祸现场,高原之下还有半塑性的channel flow (下地壳流)。简而言之,就是犯罪现场被多次破坏,难以恢复。

相比之下,北美洲和南美洲西岸的洋壳俯冲带简直就是被捉了个现行。这其中南美洲的安第斯山因为是高角度洋壳俯冲,所以模型更为简单。北美洲的内华达-落基山区域因为是低角度-平板洋壳俯冲,则要稍复杂一些。

为了填补广大的地质爱好者与从业人员间的小水沟,这里插入一点关于俯冲带岛弧的介绍。


如上两图所示,island arc岛弧,是指洋壳俯冲至陆壳(或者洋壳)之下时,在仰冲板块(即上覆板块)边部形成的条带状岛屿(或者凸起的山峰),通常平行于海沟,并含有链式排列的火山。这是因为俯冲洋壳将水等挥发物带入地幔,降低了地幔岩石的熔点,引起地幔部分熔融并形成低密度的钙碱性岩浆。岩浆上涌形成火山。简单理解,就是吃绿箭口香糖的时候,一股薄荷味冲上脑门的感觉。


有灵气的知友马上看出了蹊跷,这个俯冲板块的俯冲角度决定了岛弧的大小,位置,以及深入内陆的程度。这也正是北美西岸俯冲带经过“低角度-平板-下沉(拆沉)-回卷(roll back)-高角度”等阶段后形成滨海山脉,内华达山区和落基山脉的原因。需要注意的是,内华达山其实只是大盆岭省西部边界的山脉。所以后面再提到时,会把内华达山和盆岭省当成一个构造单元来介绍。

如此图所示,从左至右,紫色Coast range滨海山脉,橙色basin and range province盆岭省,紫色Rocky mountains落基山。图片来源:

Coastal Range, Basin and Range

好,回答题主提出的问题:为什么美国西海岸有三条分布如此宽的并列山脉?

(严肃脸)答案是:关键在于俯冲板块的角度。见下图:

图片来源:Digital Geology of Idaho


美国西海岸经历了至少两个阶段:上部为80-60Ma(8-6千万年)laramide拉拉米期低角度俯冲,下部为50Ma(5千万年)之后Challis查利斯期高角度俯冲。滨海山脉隆起最早,约在100Ma(1亿年)之前,俯冲带刚发育时已经受挤压隆起。随后在80-60Ma(8-6千万年)期间,内华达山及其以东地区作为火山岛弧隆起,当俯冲板块以低角度俯冲至北美克拉通内部时,落基山作为最远的岛弧也同时隆起。50Ma(5千万年)之后,俯冲板块拆沉(破碎并下沉),并回卷成高角度俯冲,内华达山区作为岛弧再次发育链状火山。在约40-15Ma(4-1.5千万年)时,内华达山及其以东地区经历俯冲板块回卷造成的伸展环境,隆起的山系像手风琴一样形成地垄-地堑相间的构造。地堑进一步接受沉积,形成山间盆地。这种构造就叫做盆岭省,后面会单独讲盆岭省这个很有意思的构造。


(其中,正如

@姜大伟

所提到的,滨海山脉,弧前盆地,内华达山,大盆岭省发育在地体集合块上,而落基山脉发育在北美克拉通上。)

这就是为啥有三条山脉的原因,同时俯冲板块“低角度-平板-下沉(拆沉)-回卷(roll back)-高角度”演化过程也是我想对 @姜大伟的回答进行补充的地方。


故事还是要讲,现在来絮叨细节。先放一张美国地形图,最后更新时会把滨海山脉,内华达山区,落基山,科罗拉多高原(这个高原比较特别,自从寒武纪以来,就没有倾斜过!!)的轮廓画出来,再细讲。

图片下载自:

上帝之眼谷歌地球论坛首页--最大的GoogleEarth[谷歌地球]中文社区bbs.Godeyes.cn

图片来源:

Landforms of North America, Mountain Ranges of North America, United States Landforms, Map of the Rocky Mountains

话说早年间,北美西海岸的底子并不干净。所谓寡妇门前是非多,北美板块作为一个古老的克拉通,其西岸的是非一直就不少,各种小型地体蜂拥而至,拿苍蝇拍打不死,拿打狗棒赶不走。见下图,早在三叠纪初期(245Ma,2.45亿年),就发育Stikine, Yukon-Tanana, Quesnell, East Klamath, North Sierra和Cache Creek等一系列地体。而然,这并不是重点,重点在于当时的岛弧火山和造山带都发育在边缘海及滨海区,内陆克拉通地区并没有发育大型山脉。所以,这些是非我们就先不提了。

(第一张图为地形地貌图,第二张为地质构造示意图。下同)

(此构造图中,黑色线条为俯冲带,三角形一侧表示板块俯冲方向,北段为向西俯冲,南段为向东俯冲。请开动大脑自行发挥空间想象力!)图片来源:cpgeosystems.com/globalBlakey and Umhoefer, 2003



图片来源:cpgeosystems.com/global Blakey and Umhoefer, 2003


见上图,伴随着各个地体向北美克拉通的靠拢,向西的一些局部俯冲带逐渐被Panthallasa洋(此时还没有太平洋)向东的俯冲所替代。到早侏罗世(180Ma,1.8亿年)时,Elko造山带和中生代科迪勒拉岛弧(红色条带)形成,其位置位于现今科罗拉多山脉的西缘。


图片来源:

cpgeosystems.com/global

Blakey and Umhoefer, 2003

到150 Ma(1.5亿年)晚侏罗世,情况开始起变化(见上图)。地体们继续向大陆靠拢,Panthallasa洋的洋壳基本俯冲消减完毕,取而代之的是Farallon大洋板块。由于地体的拼合,北美洲板块面积扩大,俯冲带变得更为靠西。

图片来源:cpgeosystems.com/global Blakey and Umhoefer, 2003

至130 Ma(1.3亿年)早白垩世(见上图),最后一块外源地体Wrangellia-Alexander也拼合到北美大陆上,并挤压大陆内部形成逆冲断层带。注意构造示意图深蓝色的区域,显示断层带东面开始形成盆地(弧后盆地),并出现海拔低于1000米的陆表海。



图片来源:cpgeosystems.com/global Blakey and Umhoefer, 2003

至100 Ma(1亿年)晚白垩世(见上图),Farallon板块开始低角度-平板俯冲,在构造示意图中,红色为活动岛弧,暗红色为过气了的岛弧(注意不是过气网红)。活动岛弧延伸至内陆约400 公里,表明洋壳板块已经延伸至内陆,并开始在克拉通区域(粉色)内形成新的岛弧。此时,拉拉米造山期开始酝酿。可以结合之前所讲解的低角度-平板俯冲模式,更容易理解(见下图)。



----

好,继续讲70 Ma( 7千万年)

图片来源:cpgeosystems.com/global Blakey and Umhoefer, 2003

至70 Ma(7千万年)晚白垩世(见上图),拉拉米造山运动迅速向内陆推进。内华达山及整个盆岭省地区都开始隆起。有意思的是,就在蓝色区域(陆表海)的西南方向,既没有岛弧发育,也没有任何构造,连逆冲断层带都绕过了此空白的粉色区域。这个就是奇葩的Colorado Plateau 科罗拉多高原。至于为什么是一片空白,等后面更新时再讲。



图片来源:cpgeosystems.com/global Blakey and Umhoefer, 2003

至50 Ma(5千万年)古近纪,Laramide造山期的高潮,落基山也终于雄起。火山活动在奇葩的Colorado Plateau科罗拉多高原南北两侧都有大规模发育。宽达1000公里壮观的平行山脉系,科迪勒拉山系终于成形。



图片来源:cpgeosystems.com/global Blakey and Umhoefer, 2003

至35 Ma(3500万年)古近纪,构造示意图变化不大。这地球跟男人差不多,高潮之后就是落幕。这是因为低角度俯冲的板块非常脆弱,开始破裂,下沉(拆沉),靠近外端的板块回卷并重新变成高角度俯冲。这使得拉拉米造山期迅速落幕,在科迪勒拉山系地区形成伸展环境,盆岭省得以最终发育成形。盆岭省的特点是盆山相间,如果没有后期的伸展环境,盆地是不会像拉手风琴一样出现的。其最终成型已经是15-5 Ma 的事了。后面更新时再详细介绍。



-----以上为2016.1.3更新-------

至此,详细故事已经说完。还有科罗拉多高原和大盆岭省的内容会做一点更新。



现在来说科罗拉多高原


如图所示,美国西南部,浅绿色图示区域为科罗拉多高原。跟滨海山脉和大盆岭省都不同的是,它非常的高冷。至于高冷到什么程度呢。简单的说,就是自寒武纪(5.41亿年)以来,几乎没有变形过,就是这么硬气!

看几张图:

图片来源:HA 730-C Regional summary text

中间蓝色部分为科罗拉多高原,位于Utah,Colorado,Arizona,New Mexico四州版图的中心地区。

图片来源:HA 730-C Regional summary text

从这张地质图上看(上图),中间科罗拉多高原地层平坦,极少发育褶皱和断层。看东侧的落基山,地层已经被挤成条带状。西北及西南侧的大盆岭省,地层简直就成了被犁翻过的耕地。

图片来源:Flowers, 2012 Intro page

从地形上看,高原内部颇为平整,而东部落基山和西部大盆岭省,则是一副邹巴巴的样子。

然后看几张科罗拉多大峡谷的实地风景照:

图片来源:Micheal
Matti flickr.com/photos/micha

图片来源:travel-images.com/usa/p

图片来源:sepetjian.files.wordpress.com

图片来源images4.alphacoders.com

观感如何?
很漂亮哈。但素,找个学构造地质的人(比如我),感观就是:平的,平的,平的,还是平的。虽然我一直很喜欢平胸的,但要是碰到满眼地层都是水平的,兴奋度立刻减半。因为,缺乏构造运动啊。虽然以上所有照片都是科罗拉多大峡谷,但却可以作为整个科罗拉多高原地区的代表。其他地区地层会略有倾斜,但是却要比落基山和大盆岭省稳定得多。

图片来源:Intro page

此图显示的是大峡谷的地层柱。也就是从前寒武时代(非常老,最老可达19亿年)至二叠纪末(2.52亿年)的地层沉积记录。自寒武纪(5.41亿年Cambrian)至今,这玩意就只有水平升降,没有倾斜过!!!!前面说的拉拉米期和查利斯构造运动根本就掀不翻它,真是硬气侧漏啊。



所以,回到50 Ma(5千万年)前:


中间浅黄色的这一块就是科罗拉多高原。它意志坚定,冷看周边各种造山却不为所动,简直乃美国西部中流砥柱一枚。为啥这么硬呢,因为结晶基底硬(涉及地质学背景知识太多,不细说了)。



----2016.1.6更新----

继续更新关于basin and range province盆岭省的内容。

早在1982年,John McPhee
就已经写了一本关于盆岭省的书。经过30余年的修补和扩充,各种资料都已到达视频科普级别。先看看地形细节,如下图:


图片来源:Remote Sensing Tutorial Page 6-8

是不是像犁过的耕地?而且还是那种犁的很乱之后被水淹过的。那这种地形是怎么形成的呢?非常简单,看下图:


图片来源:Basin and Range Region

具体的说,就是一系列叠瓦状的正断层,收敛在一条大型低角度正断层上。在伸展环境下,两边一拉,就像手风琴一样出现了一排平行的山。山与山之间被沉积物填充,抹平,就成了前面看到的地形。可以简单示意成下图的样子:



图片来源:fineartamerica.com/feat


好,讲完了,放个视频(下载自youtube 的Great Basin National Park channel):

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


视频中英语非常清晰,加之有字幕,不懂可以查查字典。我偷个懒,就不逐句翻译了。

2016.1.8 更新完毕

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