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大地构造分析 教学参考书车自成大地构造学概论 1987 陕西科技出版社黄帮强等大地构造学基础及中国区域构造概要地质出版社1984K C康迪板块构造与地壳演化地质出版社1984万天丰 2004 中国区域大地构造学 车自成 刘良 罗京海 2002 中国及邻区区域大地构造学 科学出版社 马宗晋等 地球构造与动力学 广东科技出版社 相关文献资料 大地构造分析 绪论 课程总体安排 理论与术语体系 基础 研究方法 思维 基本轮廓需掌握内容基本概念 基本理论 基本方法主要岩石圈构造类型基本特征中国主要区域构造单元基本地质特征 教学方式 授课与文献查阅紧密结合典型性与全面性的结合 大地构造分析 绪论 一大地构造学研究的对象和任务1 来源 出自于希腊语 上层 建筑Tectonics Geodynamics19世纪中叶 Naumnn 1850 地壳的组成和结构20世纪初发展成为地质学中的一门分支学科 露头尺度 区域地质构造 大地构造 显微构造 小构造 大构造 构造尺度的划分 特定地区例如龙门山地区 整个岩石圈甚至整个地球 镜下 手标本和野外露头 大地构造分析 绪论 一大地构造学研究的对象和任务狭义 传统 概念 研究地壳构造发生 发展 演化及其运动规律的科学 侧重构造特征和构造发展史的研究 以地质历史分析方法为主 涉及范围限于地壳 表面 和大陆 大地构造分析 绪论 一 大地构造学研究的对象和任务2 学科特点 性质 1 区域性强 2 历史性强 3 综合性强3 课程性质 综合性很强的地质专业课 涉及面广 包括基础地质学 地球物理学及相关学科 4 概念 广义 研究地壳和上地幔 岩石圈 结构 组成 构造特征及其演化 成因 运动学 动力学的科学 大地构造分析 绪论 一 大地构造学研究的对象和任务4 概念 广义 研究地壳和上地幔 岩石圈 结构 组成 构造特征及其演化 成因 运动学 动力学的科学 大地构造学的广义概念摆脱了单纯的构造发展历史分析 狭义 以地球动力学作为立论基础 研究方法注意了地球物理 地球化学和地质学的结合 同时注意了地球动力作用的制约下的构造运动 地质作用的关联性和整体性 研究涉及的范围更广 全球 更深 岩石圈 大地构造分析 绪论 一 大地构造学研究的对象和任务理论体系 活动论的理论思想体系新全球构造观大陆动力学思想 大地构造分析 绪论 一 大地构造学研究的对象和任务5 研究对象 地球表面 固体岩石圈 构造 的各种构造类型 特征 岩石圈构造在时空上差异的壳 幔运动造成的结果 6 研究内容 岩石圈各构造单元的沉积建造 岩浆作用 变形作用 成矿作用 构造作用以及地球化学 地球物理特征 重塑各构造单元大地构造性质及发展历史 划分不同岩石圈构造类型 大地构造分析 绪论 一 大地构造学研究的对象和任务7 研究意义 理论意义 阐明一个地区乃至全球构造运动规律 成因 地球起源与演化 天体演化与成因等 实践意义 矿产资源形成及分布规律 地震预报 区域稳定性评价等 大地构造分析 绪论 二 大地构造学研究的方法 一 历史分析法地质历史分析法 又叫历史 构造比较分析法 是以各种地质 地球物理 地球化学资料为基础 按地史发展的顺序 探讨不同阶段大地构造的特点 以地质 地球物理 地球化学等资料为基础以构造运动为指导思想的多学科研究方法 不同时期 不同构造单元地质综合对比研究 区域大地构造形成演化过程及动力学探讨 大地构造分析 绪论 二 大地构造学研究的方法 1 沉积岩相 建造分析沉积建造 泛指在一定构造背景条件下 当地壳发展到某一阶段时所形成的一套具有特定岩相组合的沉积岩系 地层发育 岩性 岩相 厚度 接触关系以及它们在空间和时间的变化 恢复古地理面貌 古气候 隆起 拗陷 地壳沉降幅度与速度 构造状况以及演化历史 通过对地层沉积特征及其演变的研究 推断地层形成的大地构造背景 环境 性质和演化 相应的方法称之为历史大地构造分析方法 相应的学科称之为历史大地构造学 大地构造分析 绪论 二 大地构造学研究的方法 一 历史分析法2岩浆与岩浆作用岩浆是局部形成于地壳深部或上地幔的软流圈 以硅酸盐为主要成分的 炽热 粘稠并富含挥发分的熔融体 其实是熔融的硅酸盐岩石 经过岩浆熔融之后 再冷凝下来的岩石 都叫做岩浆岩 也称火成岩 按照硅酸盐中SiO 含量的多少 岩浆可分为四种基本类型 即酸性岩浆 SiO 65 中性岩浆 SiO 65 52 基性岩浆 SiO 52 45 超基性岩浆 SiO 45 酸性岩浆中 由于SiO 高 硅氧四面体链较多 使岩浆粘度 较大 不易于流动 常起源于地壳下部 基性或超基性岩浆 SiO 含量低 岩浆粘滞度 则小 岩浆显得易于流动 常起源于岩石圈下部或软流圈 大地构造分析 绪论 二 大地构造学研究的方法 一 历史分析法3 构造变动 形 分析从地层接触关系和褶皱 断裂类型 确定构造运动时期 强度 影响范围 划分出大地构造发展历史 重塑地壳构造运动史 大地构造分析 绪论 二 大地构造学研究的方法 一 历史分析法4变质作用变质作用占岩石圈体积大部分 变质作用是指在岩石圈特定的环境中 由于温度 压力或流体作用的影响 使原岩在基本上为固态条件下 发生物质成分与结构 构造变化 由变质作用所形成的新岩石称为变质岩 所谓原岩 可以是三大类岩石中的任何一种 一旦它们所处的物理 化学环境与原来不同 在一定的温度 压力或流体影响下就可发生变质作用 引起变质作用的因素主要为温度 静岩压力 构造应力及各类流体 变质作用的温度范围从150 200 直到700 900 压力可以从上百兆帕斯卡到上千兆帕斯卡 流体以H O与CO 为主 溶解了许多易挥发的物质及SiO 等许多矿物质 大地构造分析 绪论 二 大地构造学研究的方法 一 历史分析法5 成矿作用分析从矿产类型和特征 成矿时期 围岩类型以及空间等分析 确定成矿作用与各种地质作用的关系及其大地构造背景 6 地球物理探测资料分析地壳与上地慢的重力 磁力和热流 震源分布和电导率的变化 7 地球化学资料分析研究不同地区地壳与上地慢各种化学元素 同位素的时空变化同地壳与上地慢对比等 大地构造分析 绪论 二 大地构造学研究的方法 二 力学分析法地质力学 70年代以来 研究地壳伸长 缩短和大型平移中 应用矿物的构造效应 晶格位错和构造应力场及有关实验模拟等 研究运动学和动力学的重要辅助手段 地球自转速率变化推动全球构造运动的可能性 王仁 何国琦 王永法 国际交流地质学术论文集 地质出版社 1980年5月 王仁等进行轴对称计算 认为粘性应力 涉及到粘度系数 松弛后 应力数量级为100kg cm 仍能推动地壳运动 大地构造分析 绪论 二 大地构造学研究的方法 三 地球物理方法1 地震法2 重力法3 磁法4 电法5 热流法 大地构造分析 绪论 二 大地构造学研究的方法 四 大地构造研究中的其它方法1 遥感遥测2 高温高压试验3 数理统计和电算4 深海钻探5 行星类比 大地构造分析 绪论 三 大地构造学发展动向 五 大地构造的研究动向国际地科联 国际大地测量协会和地球物理联合会 1959年 开展了三个计划 1 1959 1969地球物理年2 1960 1970国际上地幔计划3 1970 1979国际地球动力学计划板块学说就是国际间协作的显著成果 岩石圈计划是国际地科联 国际大地测量协会和地球物理联合会 1980 1989年 开展的第四个计划 青藏高原和雅鲁藏布江缝合带 中国东部滨太平洋构造和古亚洲断裂构造等方面 是板块构造解释的关键所在 大地构造分析 绪论 三 大地构造学发展动向 五 大地构造的研究动向1 深部物理性质研究 深部物质组成及运动 全球构造动力来源2 深部构造及构造性质研究 深部断裂 性质3 大陆动力学研究 大陆内部造山带及动力来源研究 大地构造分析 绪论 三 大地构造学发展动向 4 超越板块构造 BeyondPlateTectonics 大地构造分析 绪论 三 大地构造学发展动向 超越板块构造产生背景 1 对大陆地质的研究 大批的高精度定量数据的涌现和相关理念的长足进步 例如 地表位移 以全球定位系统 GPS 和合成孔径干涉雷达 InSAR 为手段的大地测量技术深部结构 地震层析技术时间约束 精确的热年代学测年技术和宇宙成因同位素测年技术等 大地构造分析 绪论 三 大地构造学发展动向 超越板块构造产生背景 2 作为地质科学带头学科的大地构造学面临着新的发展机遇 出现一些新的学科生长点 大陆地质构造理论的创新 涉及造山带形成的深部机制 力学过程 地壳和岩石圈地幔结构等 大地构造与人类居住环境关系 比如 构造与气候以及地球表面过程相互作用关系 的研究大地构造演化对生物演进的制约研究地震发生与长期岩石圈构造变形的关系研究等 大地构造分析 绪论 三 大地构造学发展动向 3 大陆地质研究的深入对传统板块构造理论在解释大陆地质方面提出质疑和挑战 比如 两个大陆间的大洋板块俯冲消减之后 两相碰撞的大陆块体的地壳部分和其深部会采取什么方式继续造山活动深部过程和拆沉与底侵作用在大陆造山过程中的效应大陆中 下地壳的相对强度大陆变形所采取的力学方式及物理化学机制 超越板块构造产生背景 大地构造分析 绪论 三 大地构造学发展动向 因此 美国的一批构造地质学家和大地构造学家根据地球科学发展的潮流 于2002年9月在美国科罗拉多州丹佛市召开了题为 构造地质学和大地构造学的新航程 Newdeparturesinstructuralgeologyandtectonics 的构造研讨会 在此次研讨会中 美国构造地质学家和大地构造学家在相继提出大陆动力学和21世纪地质科学基础研究的机遇等基础上 首次明确指出板块构造理论模式不适合于大陆地质 并提出超越板块构造 BeyondPlateTectonics 概念 大地构造分析 绪论 三 大地构造学发展动向 提出当代大地构造学所面临的4个重大课题 超越板块构造研究的方向 1 板块构造 流变学与大陆造山作用 2 丢失的联结 从地震到造山作用 3 大地构造 气候和地表系统的动态相互作用 4 地球和生命的协同演化 大地构造基础 固体地球的物理性质 固体地球的物理性质 形状 大小 密度 压力 温度 放射性 磁性 电性 弹塑性等 一 地球的弹塑性 地震1 弹塑性的表现弹性表现 传播地震波 固体潮塑性表现 旋转椭球 褶皱等 一 地球的弹塑性 地震2 地震波类型纵波 P 体波横波 S 剪切波 水平 垂直 地震波 弹性 驻波 自由震荡 面波 体波折射派生的分界面或表面传播的波 波速与密度和弹性关系 Vp k 4 3 Vs 密度 k 体变模数 切变模数 大地构造基础 固体地球的物理性质 大地构造基础 固体地球的物理性质 一 地球的弹塑性 地震3 地球的主要分层1 按地震波速度和速度梯度变化 地壳地幔 上地幔 过渡带 下地幔 地核 外核 过渡层 内核 2 按地震波速度反映的物质状态 岩石圈 软流圈 中间圈 康拉德界面 莫霍面 Moho 地球分层结构及岩石圈分层性 大地构造基础 固体地球的物理性质 一 地球的弹塑性 地震3 地球的主要分层 大地构造基础 固体地球的物理性质 一 地球的弹塑性 地震4 岩石圈的主要性质地壳 上地幔的刚性顶盖 脆性固体的强硬外壳 由结晶岩石组成 厚50 150km 大陆地盾 克拉通 区厚110 150km 大洋中厚20 80km 洋中脊仅20 30km 地球的主要变形圈层 构造圈 对岩石圈含义的不同理解 力学的岩石圈弹性或绕曲的岩石圈 相对刚性 可以在塑性的软流圈上发生漂移 热学的岩石圈支撑一个热传导梯度的地球的冷外层 计算厚度约100km地震波的岩石圈 大地构造基础 固体地球的物理性质 地震波的岩石圈地震发生或人工爆炸时 能量就会以弹性波的形式向各个方向传播 并通过折射和反射先后到达地面接收点 由于地震波传播速度取决于地球介质的弹性和密度 接收点所获得的不同波速就反映了地球内部介质的性质和组成 因此地球内部的分层 壳 幔 核及岩石圈等 就是这样确定的 当地球内部的物质组成和性质发生突然变化时 地震波就表现出突变和不连续性 构成不连续面 震波间断 岩石圈底界就是一个地震波不连续面 其下波速降低 低速层 或者称之为软流圈 界面深度在年轻大洋下不到45km 大陆下约为150km 大地构造基础 固体地球的物理性质 大地构造基础 固体地球的物理性质 二 地壳的结构类型依据厚度 结构和组成 成分 的差异划分三类1 大陆型地壳 具有双层结构 平均厚度 30 50km 最厚70km双层结构 上层10 20km Vp 5 5 6 4km s 硅铝 花岗质 SiO2 69 康拉德面 下层15 25km Vp 6 5 7 2km s 硅镁 玄武质 SiO2 53 安山质SiO2 53 69 大地构造基础 固体地球的物理性质 二 地壳的结构类型2 大洋型地壳 缺乏硅铝层 几乎全为硅镁层 厚度5 15km 成分为硅镁质结构 上层 0 1km Vp 2 2 2km s 未固结沉积层中层 0 2 0km Vp 4 5 5 5km s 玄武质层下层 Vp 6 5 7 7km s 橄辉质层 玄武质层SiO2 53 大地构造基础 固体地球的物理性质 二 地壳的结构类型3 过渡性地壳 大陆 大洋之间过渡类型 1 次大陆型 大西洋型 指被动大陆边缘 大陆 大洋地壳呈过渡 硅铝层呈楔型尖灭 2 次大洋型 太平洋型 指活动大陆边缘 大陆 大洋地壳呈叠覆边缘海 平均厚10 15km 具地堑 地垒结构 沉积层薄岛弧 5 35km 火山岩层堆积于大洋地壳之上 千岛群岛 但大多数有大陆地壳结构 日本岛 内陆海 15 25km 有较厚的沉积物 属下沉了的大陆壳 地壳 地幔 典型大陆和大洋区岩石圈的特征对比 岩浆活动与天然超深钻直接取样 大陆克拉通区岩石圈厚度大地壳年龄老金伯利岩活动VS 大洋区岩石圈厚度小洋壳年龄新玄武岩浆喷发 大陆岩石圈构造研究中几个需要思考的方面 一 大陆板块与大洋板块的物性差异1 大洋岩石圈板块呈刚性特征 而大陆岩石圈具有非刚性特征 相对于大洋岩石圈板块 大陆岩石圈板块在强度上要软弱一些 2 相对大洋板块而言 大陆岩石圈的组成和物性变化很大 不像大洋板块具有上述物质组成的相对均一性 大陆岩石圈的组成缺乏一个共同的成因方式 大陆岩石圈的组成上部是由非均一成分和具有复杂构造和热演化史的不同块体拼合而成 因而它们具有不同的强度 大陆下地壳的性质因地而异 不同的性质造成了复杂多样的效应与结果 大地构造基础 固体地球的物理性质 大陆岩石圈构造研究中几个需要思考的方面 二 大陆下地壳与地幔的相对强度目前 地壳和地幔的强度对岩石圈性质所作的贡献的相对大小仍不清楚 软弱的和富含流体的下地壳的想法在过去15年间主导了大陆构造研究 即大陆岩石圈的 三明治 或 五明治 结构 然而 现在新的研究认为大陆岩石圈是由软弱的中地壳和强的下地壳组成 并且下地壳的强度可能超过其下伏的地幔 这些论点是基于由地震分布和地形负载的弹性厚度作出的推断 因为缺乏其他佐证 这样的推断是间接的并具有假定性 大地构造基础 固体地球的物理性质 大陆构造研究中几个需要思考的方面 三 大陆变形的流变学特点由于大陆与大洋板块力学性质的差异 导致了它们构造变形的不同 大洋板块表现了在俯冲带的相对单一的消减作用 采取的主要是刚性的变形方式 而大陆的非刚性特点 造成了宽广的大陆造山带内广布式变形和内部构造 主要表现为流变学行为与方式 除了考虑介质材料的力学性质之外 流变学研究将时间因素引入变形力学 从广义上讲 流变学包含了所有随时间变化的变形力学 而流变学行为即是在时间因素起作用的条件下的变形方式 在应力保持不变的的条件下 变形强度随时间增强 这一变形的力学方式是大陆与大洋板块变形的最大不同 近期研究已经揭示 造山带的深部结构整体上往往呈双向俯冲构造扇形 大地构造基础 固体地球的物理性质 两种可能模型 1 大陆地幔岩石圈相对强硬 因此它以板块形式消减 而软弱的 具浮力的地壳被遗留在后形成加厚的造山带2 大陆地幔岩石圈软弱 行为更像流体 地幔回流可能卷入了一个稳定的对称或非对称的下降流 或者幕次式的水滴状回流 陆 陆碰撞的不同地幔回流方式的数字模型大陆岩石圈地幔以板块方式俯冲消减 具有幕次式的水滴状脉动的对称回流 四 大陆岩石圈变形中的流体作用大陆变形中的流体作用值得重视 因为大陆岩石圈与流体和熔体的相互作用可以大大改变其流变学结构 而我们对流体存在的效应和作用过程还知之甚少 最近 人们已经认识到橄榄石中微量含水组分对改变大洋岩石圈流变学行为的重要性 在裂谷环境中熔体里水的析出导致了大洋岩石圈强度的显著增强 根据美国2001年 地球科学基础研究的机遇 的研究 即使流体含量很小 但它在任何深度的地壳作用过程中都有较大的影响 极少量的水都会对岩石的延展性和摩擦力产生作用 有关研究认为发育完整的走滑断裂 如圣安德列斯断裂 的内部各带要比典型的地壳岩石软得多 而断裂带内流体压力的增大是这种软弱性的可能原因 另外 脆 韧性过渡变形似乎与断裂作用中的流体作用密切相关 这种关系体现在影响断层和寄主岩石的正负膨胀变形机制上 颗粒粒度减小和岩石与断层泥的混合改变了断层寄主系统的渗透性 流体迁移影响颗粒接触部位的溶解 运移和胶结物的沉淀 四 大陆岩石圈变形中的流体作用大陆变形中的流体作用值得重视 因为大陆岩石圈与流体和熔体的相互作用可以大大改变其流变学结构 而我们对流体存在的效应和作用过程还知之甚少 最近 人们已经认识到橄榄石中微量含水组分对改变大洋岩石圈流变学行为的重要性 在裂谷环境中熔体里水的析出导致了大洋岩石圈强度的显著增强 大地构造基础 固体地球的物理性质 四 大陆岩石圈变形中的流体作用根据美国2001年 地球科学基础研究的机遇 的研究 即使流体含量很小 但它在任何深度的地壳作用过程中都有较大的影响 极少量的水都会对岩石的延展性和摩擦力产生作用 有关研究认为发育完整的走滑断裂 如圣安德列斯断裂 的内部各带要比典型的地壳岩石软得多 而断裂带内流体压力的增大是这种软弱性的可能原因 另外 脆 韧性过渡变形似乎与断裂作用中的流体作用密切相关 这种关系体现在影响断层和寄主岩石的正负膨胀变形机制上 颗粒粒度减小和岩石与断层泥的混合改变了断层寄主系统的渗透性 流体迁移影响颗粒接触部位的溶解 运移和胶结物的沉淀 大地构造基础 固体地球的物理性质 大地构造基础 固体地球的物理性质 三 重力1 重力 地球全部质量产生的万有引力与地球自转产生的离心力的向量和g Gm r22 重力异常 经校正后的重力值与同一地点标准重力之差自由空气校正 海平校正 布格校正 观测值 海平之间岩石吸引力 说明均衡补偿程度 均衡校正 均衡理论 大地构造基础 固体地球的物理性质 四 地磁1 古地磁 1 剩余磁性和岩石剩余磁性 古地磁 岩石在形成时在当地地磁场的有效影响下活得的磁性 与当时当地地磁场一致 热剩余磁性 TRM 化学剩余磁性 CRM 沉积剩余磁性 DRM 化学沉积作用 成岩过程中的化学作用 2 轴向地心偶极场定理 3 地磁极游移 大地构造基础 固体地球的物理性质 四 地磁2反向磁化 地磁场倒转 1 机理Fe3O4 FeO Fe2O3几何结晶格架排列为2格亚格地球的反向旋转热电流假说 70年代初 许多学者用 双耦合发电盘 作出了解释 液体外核中 两部线路联通的直流发电机 在运行过程中旋转角速度不同 便会产生扰动 系统电流也将发生变化 当电流扰动加大到一定程度时 系统电流就可反向流动 从而造成磁场的翻转 大地构造基础 固体地球的物理性质 四 地磁2反向磁化 地磁场倒转 2 反向磁化规律周期性 1 300万年 一般几十万年过渡性 磁场强度由强变弱再变强 大地构造基础 固体地球的物理性质 四 地磁2反向磁化 地磁场倒转 3 海底磁异常规律正负交替性对称相间性 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 一 岩石圈的成分1 研究手段 间接推测 1 地球物理性质 2 陨石及其他星球物质成分对比 球粒陨石研究 占陨石80 3 地表出露的火成岩研究 4 高温高压实验 60km 5 冲击波 原子量 晶体结构 成分 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 一 岩石圈的成分2 地壳成分 总的地壳成分与陆壳平均成分接近 安山质 闪长质 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 一 岩石圈的成分2 地壳成分 总的地壳成分与陆壳平均成分接近 安山质 闪长质 1 沉积层 总体积11 109km3 SiO2低 50 Al2O3 CaO高 挥发分显著偏高 S Cl F Ba等 Fe2O3 FeO比值高 2 陆壳上层 30 109km3 花岗质 SiO2 碱元素 K Na 和稀有元素 U Th TR Zr N Be 偏高 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 一 岩石圈的成分2 地壳成分 3 陆壳下层 32 109km3 变粒岩相中基性火山岩 闪岩 4 大洋壳 表面不厚的沉积层 SiO2低 CaO高 洋壳上层 层2 大洋拉斑玄武岩洋壳下层 蛇纹石化橄榄岩 辉长岩 角闪岩 堆积辉长岩 大洋拉斑玄武质角闪辉长岩 对陆壳成分结构的新认识 主要针对下地壳成分 科拉半岛超深钻揭示 原预测的7km深处的康拉德面并不存在 在该深度以下仍为斜长片麻岩 花岗片麻岩和角闪岩 只是随着深度增加角闪岩夹层增多 剥露到地表的麻粒岩相下地壳成分往往以长英质片麻岩 麻粒岩为主体 很多新的火山岩携带的大量下地壳包体往往也以长英质片麻岩 麻粒岩为主体 因此 陆壳的下地壳成分可能仍以长英质或花岗质成分为主 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 一 岩石圈的成分2 地壳成分 总的地壳成分相当于安山 闪长质 与地幔和原始陨石比较 SiO2 碱元素 K Na CaO 稀有金属元素 铁族元素 Mg Fe Co Ni Cr 低 地壳平均化学成分随深度变化 自上而下 Mg Fe Si增加 结构水 H2O 减少 K Na减少 K2O Na2O Fe2O3 FeO减少 地壳的这些性质说明它是由地幔经熔融和脱气逐步分异出来的 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 一 岩石圈的成分3 上地幔的成分 上地幔组成类似高钙无球粒陨石 超镁铁 镁铁质岩石SiO2 FeO MgO总重量 约90 CaO Al2O3 Na2O约5 10 其中Al2O3 Na2O偏低 亏损 MgO偏高 富集 超镁铁质岩 橄榄岩 镁铁岩 榴辉岩 富Na单斜辉石 绿辉石 富Na石榴石 镁榴石 超基性岩 SiO2 45 超镁铁岩 橄榄石 辉石 角闪石 黑云母 金云母 70 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 一 岩石圈的成分4 莫霍面 地震波速折射界面 厚度数千米 相转换界面 辉长岩 榴辉岩界面 橄榄石 辉石 斜长石 石榴子石 绿辉石 石英 需要10 30km过渡 但只有几千米 地震波速折射更模糊 高热流区 化学不连续面 辉长岩 橄榄岩界面 大洋 或者闪岩 中性高压变粒岩 橄榄岩 榴辉岩界面 陆壳 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 一 岩石圈的成分5 低速带 S波不传播 计算表明 当存在1 熔体 P波波速即降低形成低速带 且S波即不传播 因此 低速带仅是地幔物质状态的变化 而成分无大的变化 通常 它也是岩浆源区和岩石圈的动力源 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 二 岩浆岩组合 一 火山岩的研究 建立火山岩岩石地层层序根据沉积或喷发叠复或横向变化关系 喷发旋回 喷发韵律 岩浆演化特点综合考虑 正确建立岩石地层层序 合理划分正式与非正式岩石地层单位 确定火山活动时代通过寻找沉积岩夹层中的化石 为地层时代对比提供依据 在无化石的情况下 采集同位素年龄样品确定其喷发时代 研究火山作用的大地构造环境研究与火山活动有关的地质构造特征 结合火山岩岩石学 岩石化学 岩石地球化学以及相关的沉积岩性岩相特点和岩浆侵入活动等资料 探讨火山作用的大地构造环境 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 二 岩浆岩组合 二 侵入岩研究 侵入体形态 组成结构研究包括侵入岩体的产状 规模 岩石类型 矿物成分 结构 岩石化学 岩石地球化学 稳定同位素 形成的温压条件或深度 岩体原生和变形构造 剥蚀情况 接触关系性质和产状 脉岩和包体 流体 成分 形态 分布 含量等 特征 侵入岩时代的确定根据有关地层和岩体的相互关系及同位素测年手段确定其侵入时代 研究就位机制 构造环境 区域岩浆演化及成矿作用在综合研究不同类型侵入岩资料的基础上 研究其就位机制探讨各类侵入岩形成的构造环境 建立区域岩浆演化旋回或序列 探讨岩浆活动的演化历史及其与成矿作用的关系 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 二 岩浆岩组合1 岩浆岩系列 指成因上有关的岩石共生组合划分依据 里特曼指数 K2O Na2O 2 SiO2 43低钾拉斑玄武岩 按环境分为 大洋 岛屿 1 拉斑玄武岩岛弧 大陆 玄武岩组合 高钠拉斑玄武岩高铝拉斑玄武岩 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 二 岩浆岩组合1 岩浆岩系列 指成因上有关的岩石共生组合 2 钙碱性系列岛弧拉斑玄武岩亚系 低钾 拉斑玄武岩 玄武岩 安山岩钙碱性亚系 安山岩 英安岩 流纹岩组合 橄榄安粗岩亚系 橄榄安粗岩 富钾安山岩 成分极性 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 二 岩浆岩组合1 岩浆岩系列 指成因上有关的岩石共生组合钠质碱性岩组合 碱性橄榄玄武岩 中长 3 碱性系列玄武岩 橄榄粗安岩 粗面岩碱性流纹岩 橄榄安粗岩组合 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 二 岩浆岩组合1 岩浆岩系列 指成因上有关的岩石共生组合 4 双峰式系列 基性玄武岩 酸性火山岩 流纹 英安岩 拉斑玄武岩 流纹岩组合碱性玄武岩 粗面岩 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 二 岩浆岩组合岩浆岩系列 指成因上有关的岩石共生组合 反映构造环境 钙碱性系列出现在挤压应力为主地区 汇聚板块边缘 碱性系列出现在张应力为主地区 洋中脊 裂谷 拉斑玄武岩系列在洋中脊 低钾拉斑 岛弧 低钾 大陆裂谷 拉斑 边缘谷地 低钾 等构造环境中 双峰系列出现在大陆张应力地区 裂谷 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 二 岩浆岩组合岩浆岩系列 指成因上有关的岩石共生组合 拉斑玄武岩系列可出现在多种环境中 但总趋势是从洋 陆 由低钾向高钾 高钠向低钠演变 除此之外 稀土元素和稳定同位素等亦可反映不同特征 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 二 岩浆岩组合2 稀土元素和稳定同位素 1 稀土元素 REE La Lu15种稀土元素具有相似的化学性质 稀土元素不易受风化和热液饰变的影响 比较稳定 能提供岩石成因的许多问题 对地球乃至宇宙的演化都具有重要意义 稀土元素分为轻稀土 LREE 和重稀土 HREE LREE La Ce Pr Nd Rm SmHREE Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Rb Lu 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 二 岩浆岩组合2 稀土元素和稳定同位素稀土元素 REE 原理 初始地幔的REE丰度与平均球粒陨石相同为前提 当地幔熔融或分离结晶时 REE按各自分配系数被分配到固相或液相中 稀土元素的分配型式反映了母岩和成岩过程的某些信息 据此可以讨论岩石的成因 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 二 岩浆岩组合2 稀土元素和稳定同位素 1 稀土元素 REE 岩浆作用过程中 REE主要出现三类变化 分配 a REE总丰度变化b LREE HREE相对丰度变化上部 LREE富集 HREE亏损下部 LREE亏损 HREE富集c Eu的分馏作用 Eu异常 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 二 岩浆岩组合2 稀土元素和稳定同位素 2 稳定同位素Sr同位素 测定年龄和判断构造环境 深度 Sr由宇宙源的Sr88 Sr86和Rb87的衰变产物Sr87三种同位素组成 Rb87的变化是极其缓慢的 这样从岩浆生成到地壳某处固结为火成岩期间 同位素组成几乎没有什么变化 故可以用来测定岩石的年龄和讨论岩石的成因 除此之外 Rb Pb Sm Nd等同位素都具有这样的性质 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 二 岩浆岩组合3 岩石组合与构造环境包括离散板块边界 汇聚板块边界构造环境汇聚板块边界钙碱性系列 三个亚系 拉斑玄武岩系列 大洋中脊 岛屿大洋中脊拉斑玄武岩 低K 高Na 大洋碱性玄武岩大陆裂谷拉斑玄武岩 高K 低Na 大陆裂谷大陆裂谷碱性玄武岩双峰式火山岩 离散边界 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 二 岩浆岩组合4 岩浆作用的演化地壳是岩浆作用整个演化过程的产物 随地幔不可逆分异过程的进行 岩浆作用由老至新 也表现出一定的演化顺序 1 科马提岩 紫苏花岗岩 斜长岩 花岗片麻岩 混合岩分布减少 2 斜长花岗岩 高钾花岗岩Sr87 Sr86比值增加 钙性 钙碱性 碱性 3 拉斑玄武岩系列 钙碱性系列 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 二 岩浆岩组合4 岩浆作用的演化地壳是岩浆作用整个演化过程的产物 随地幔不可逆分异过程的进行 岩浆作用由老至新 也表现出一定的演化顺序 4 岩浆活动趋势 面型岩浆作用 线型 造山带 岩浆作用集中 5 连续岩浆作用 脉动的 间歇性岩浆作用 6 碱性岩出现于晚元古代以来 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 三 构造沉积作用与构造 沉积组合 沉积建造 研究思路 沉积组合 古构造环境 大地构造作用1 构造 沉积作用 容纳沉积物的堆积地都是构造变动的产物 沉积作用的内因是沉积物本身的物理 化学性质的制约 外部控制因素主要是气候和大地构造 大地构造的升降运动造成海平面的升降 使沉积岩相 厚度 层序和岩性方面呈现出构造痕迹来 三 构造沉积作用与构造 沉积组合 沉积建造 有序地层建造研究的基本内容和方法 1 调查各岩石地层单位主要岩性特征 物质成分和结构构造 厚度 接触关系性质 叠覆特征及空间变化特点以及地球化学特征 并广泛收集沉积相 原生及成岩构造特点 古生物化石及其遗迹化石和古生态 古环境 古流向等 资料 2 总结沉积岩岩性岩相变化和盆地充填序列 为研究形成演化规律提供基础资料 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 从整体上查明 构造混杂岩 的内部构成和分布延伸范围 除对外来岩片 块 进行系统的 物态 时态 相态 位态 和 变形变质 历程调查外 还要对外来岩片 块 赋存的 基质 进行系统的物质成分 时代 变形变质特点调查 即分别收集构造混杂岩的岩片 块 和基质两者各自的岩性 岩相 时代 构造过程 变质过程依据 三 构造沉积作用与构造 沉积组合 沉积建造 无序地层 构造混杂岩系研究的基本内容和方法 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 研究方法 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 三 构造沉积作用与构造 沉积组合 沉积建造 1 构造 沉积作用 1 岩相 单一岩性组合 反映某种沉积环境 岩相的更替是地壳拗陷和隆起的一种表现 隆 拗造成某种沉积环境的变迁 从而导致同一地区的岩相发生改变 岩相本身只与拗陷速度有关 与拗陷幅度没有直接的关系 拗陷速度对相带宽度具有控制作用 x h s h 剥蚀区上升速度 s 沉降区沉降速度 拗隆速度 s h 越快 宽度 x 越小 反之亦然 拗陷速度还制约岩相类别 拗陷越快 粗碎屑岩越多 而速度较慢时 以细屑岩或化学沉积为主 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 三 构造沉积作用与构造 沉积组合 沉积建造 1 构造 沉积作用 2 厚度 厚度是地壳升降幅度的一种体现 基于 拗陷基本得到补偿 隆起被剥蚀所抵消 这一设想 拗陷幅度与沉积厚度关系取决于三个因素 构造拗陷幅度 沉积物堆积速度 自然地理状况 补偿 拗陷幅度 补偿厚度 岩相无变化未补偿 拗陷幅度 补偿厚度 岩相变化 海进超补偿 拗陷幅度 补偿厚度 岩相变化 海退 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 三 构造沉积作用与构造 沉积组合 沉积建造 1 构造 沉积作用 3 层序 多种岩性岩相组合 同一类型沉积物的单层 复合组合反映的海进 海退作用 以及由海退 海进反映的地壳升降 海进层序 未补偿作用 拗陷幅度 沉积幅度海退层序 超补偿作用 后期补偿作用 去补偿作用 拗陷幅度 沉积幅度 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 三 构造沉积作用与构造 沉积组合 沉积建造 1 构造 沉积作用 4 岩性克里宁 1942 详细研究过造山旋回中的沉积物质变化 开始阶段石英岩 CO2岩地槽阶段低级杂砂岩 以沉积岩屑 低变质岩屑为主 高级杂砂岩 高级变质岩屑 花岗质岩屑 造山阶段富长石砂岩 长石砂岩 成熟度降低 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 三 构造沉积作用与构造 沉积组合 沉积建造 2 构造 沉积环境 槽台环境 地槽代表活动沉积环境 地台代表稳定沉积环境 现代大地构造 沉积环境 1 大洋盆地 包括大洋盆地 洋脊 岛链和海台 沉积物包括远海沉积 红色粘土 硅质软泥和陆源沉积 浊积 冰川陆源泥砂 地形较高的岛链 海台可有Ca质软泥 硅灰岩 洋脊常有重金属软泥 2 被动大陆边缘 包括下部陆相碎屑 盐类 上部碎屑 碳酸盐沉积物构成的海浸系列 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 三 构造沉积作用与构造 沉积组合 沉积建造 2 构造 沉积环境 现代大地构造 沉积环境 3 活动大陆边缘 沉积环境复杂 包括海沟 岛屿 弧后盆地 亚环境 沉积物以陆源碎屑 火山碎屑 浊积物等 还可能有化学沉积等 4 克拉通盆地 河湖相盆地 与构造有关 5 大陆裂谷 线状拉张型克拉通盆地 陆相碎屑 盐类 火山碎屑等 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 三 构造沉积作用与构造 沉积组合 沉积建造 3 构造沉积 组合 指与一定构造环境密切伴生的岩石共生组合 1 硅质岩组合 2 深水碳酸盐建造 形成深度 4000 7000m 碳酸盐软泥堆积而成 以泥晶方解石为主 常与硅质岩伴生或富含硅质 常有碳酸盐碎屑流构造发育 3 复理石 Flysh 薄的浊积岩和深海页岩的单调互层组成的巨厚沉积体系活动复理石 富含火山碎屑 成分 结构成熟度低 稳定复理石 少含火山碎屑 富含石英 成分 结构成熟度高 类复理石 富含灰质砂 泥岩互层巨厚沉积体系 杂砂岩 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 三 构造沉积作用与构造 沉积组合 沉积建造 3 构造沉积 组合 指与一定构造环境密切伴生的岩石共生组合 4 磨拉石 Mollasse 造山期快速沉积的粗碎屑岩体系陆相 海陆交互相沉积体系 粗碎屑 砾岩 占70 80 一是代表造山开始 二是代表形成于造山带和稳定地块边缘 5 滑塌堆积大陆斜坡地带由重力形成的杂乱沉积体系 6 混杂堆积不同岩性 不同形状大小 不同时代共生在一起的地质体 多由斜坡上的泥砾混杂 岩 少量洋壳产物 蛇绿混杂 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 三 构造沉积作用与构造 沉积组合 沉积建造 3 构造沉积 组合 7 含煤铝土 铁质岩组合稳定地台 克拉通 的沉积 8 石英砂岩组合 9 含磷沉积组合 10 台地碳酸盐组合以碎屑 亮晶灰岩为主 生物发育 厚度不大 浅水沉积构造发育 11 内陆盆地红色沉积组合含盐类 黑色泥 煤 绿色砂岩 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 三 构造沉积作用与构造 沉积组合 沉积建造 4 沉积作用演化由于大陆面积的不断扩大 沉积作用总的趋势为强度 速度不断增大 沉积类型和化学成分也显示某种规律的变化 1 大陆上沉积岩分布面积不断扩大火山岩 基性 面积减少 花岗岩和正片麻岩早期 中元古宙呈扩大并达到最大 之后开始减小 一般认为45 38亿年间是没有沉积作用发生的 2 大陆增生导致陆相沉积的扩大和海相沉积面积的相对减少 海陆面积在地球历史上的扩大 缩小是交替发生的 最大海浸主要出现在O D2 C1 K2 最大海退发生在D1 P2 T2 中新世 Q 总趋势是海域面积缩小 大地构造基础 全球构造中的岩石学问题 三 构造沉积作用与构造 沉积组合 沉积建造 4 沉积作用演化 3 沉积速度急剧增加上新世地层比寒武纪地层堆积速度快了3倍 过去百余米地层沉积需数亿年 但新生代到仅几千万年即可 据统计古生代沉积物占沉积圈50 左右 而晚元古宙仅占16 而晚元古宙延续时间是古生代的2倍 4 沉积类型变化蒸发岩 盐类 碳酸盐岩 次生石英岩 陆相火山岩增加 海相火山岩 粘土岩 磁铁石英岩减少 灰岩Pt1才出现 陆相火山岩