第3章 海底扩张3

大地构造学知识重点 中国地质大学 2013 年 12 月1 海底扩张海底扩张 一 海底扩张说的提出 二次大战以来 处于军事的需要 也是着眼于海洋和海底资源 海底地质调 查大规模兴起 通过水深测量 深潜水考察 海洋地球物理研究 海底钻探取 样及钻孔样品研究 积累了丰富的资料 获取了大量成果 1 大洋中脊的发现 1 海底地形 1956 年美国的尤因 M Ewing 和希曾 B C Heezen 指出全球各个大洋都 有洋中脊 共 65000km 它是世界上最长的山系 大洋中脊的总面积超过陆地 面积的一半 无疑也是地球上最重要的构造单元之一 2 其他海底地形 2 洋底沉积物 地震资料表明 洋壳沉积层平均不过 0 5km 即使以每千年沉积 1mm 的最 低沉积速度计算 只要大洋存在过 20 亿年 就应当有 2 公里厚的沉积物 通过在大洋裂谷及断裂带的基岩崖壁处拖挖采样 至六十年代开展深海钻 探以前 在洋底尚未发现比白垩纪更老的岩石 如果大陆和海洋的位置是固定 不变的 洋底的年龄就应当与大陆一样老 在洋底还应当累积起巨厚的沉积地 层 但事实却完全相反 这就令人感到 大陆和洋底是变动着的 3 和达清夫 贝尼奥夫带 位于海沟处平行于海沟的震源带 大地构造学知识重点 中国地质大学 2013 年 12 月2 4 Holmes 地幔对流理论 对洋中脊张性构造的解释 洋底热流 50 年代末洋底热流测量获得 大洋中脊为裂谷 高热流 海沟处则 比正常值低 二 海底扩张说 大地构造学知识重点 中国地质大学 2013 年 12 月3 美国地质学家赫斯 Hess 1962 和迪茨 Dietz 1961 在地幔对流的基础上提出 海底扩张说 认为洋中脊上涌的物质冷却形成新的洋壳 并推动先形成的洋壳向 两侧对称地扩张 洋壳像传送带不停生长更新 因此洋壳不会有老的留下 海底扩张学说的要点 大洋中脊是地幔物质上升的出口 上升 的地幔物质冷凝形成新的洋壳 并推动先 形成的洋底逐渐向两侧对称扩张 海底在洋中脊处的扩张导致新大洋两侧 的大陆逐渐彼此远离 也可能使老的洋壳 在大陆边缘的海沟处沿贝尼奥夫带 俯冲 带 向下俯冲潜没 重新回到地幔中去 从而完成对老洋壳的更新 海底扩张是刚性岩石圈块体驮在软流圈上运动的结果 运动的驱动力是地幔 物质的热对流 如果地幔对流的上升流发生在大陆下面 就将导致大陆的分裂与大洋的开启 二 海底扩张说的证据 1 海底磁异常与地磁场倒转 2 海底年龄与海底扩张速率 3 深海钻探 4 转换断层 条带状海底磁异常 1 海底磁异常与地磁场倒转 1963 年英国青年学者瓦因和马修斯提出 海底磁 异常条带不是由海底岩石磁性强弱不同所致 而是 在地球磁场不断倒转的背景下海底不断新生扩张的 结果 2 Vine Matthews 假说 在 1906 年 法国古地磁学家布容就发现了某些地 质时期形成的岩石的化石磁性所指示的磁场方向与 现今的地磁场方向相反 地磁学家一度对此大惑不 解 不少地磁学家都曾探讨过是不是某些矿物成分 在冷却过程中发生热剩余磁化时会由于其结晶过程 中理化性质变化 产生与地磁场相反的磁化现象 一些科学家制造出了一些物 质 它们由居里点冷却到常温时 可以获得和外界磁场相反的物质 但是 上 述成果不通解释相当普遍的反向磁化现象 如不同地质年代而矿物成分相同的 岩石为什么也会有不同的磁性呢 这就近使科学家们作出了地球磁场本身在地 质史中曾发生过转向的大胆设想 瓦因和马修斯假说 海底磁异常条带 是在交替的地磁场中 形成交替磁化的玄武岩条带而产生的 随着海底扩张的继续进行 先成的磁性地壳将被新生的磁性地壳向两侧推开 于是 只要海底不断扩张和地磁场周期性地转向 先后相继的 正反磁化方向 交替的洋壳条带就会从洋中脊轴部不断向外推移 而形成平行并对称于洋中脊 分布的磁异常条带 3 海底沉积岩芯的磁化方向 许多沉积岩芯中正向 反向磁化段的厚度可以与地磁场转向年表中正极性期和 大地构造学知识重点 中国地质大学 2013 年 12 月4 反极性期的时间长短一一对比 也可以与海底正 负磁异常条带相对比 这样一来 有三种磁性测量数据 一是从陆上熔岩测得的地磁场转向年表中的 时间间隔 涉及到几万年或几十万年的时间 二是洋底磁异常条带的宽度 涉 及到几公里或几十公里的水平距离 三是深海沉积岩芯中正 反磁化段的厚度 涉及到几厘米到几米的垂直长度 这三种相互独立的不同尺度竟都以等同的比 例变化着 地磁极反转与海底磁异常条带 海 大地构造学知识重点 中国地质大学 2013 年 12 月5 底年龄与海底扩张速率 1 洋底年龄 Heirtzler 等 1968 对比了大西洋 太平洋和印度洋的磁异常带 发现彼此相 当 倒转的次数和持续的时间长短也都相同 这些磁异常线可视为大洋底生长 的年轮 并根据海底钻孔数据的校正 制定了磁极年表 距中脊愈近洋底的地 质年龄愈新 愈远则愈老 2 海底扩张速率 扩张速率的计算 海底磁异常条带的年龄 t 是已知的 各海底磁异常条带的宽 度或它们之间的距离 d 是可以测出来的 将它们之间的距离除以它们之间的年 代间隔 就可以得出当时该海区的平均海底扩张速率 v d t 3 深海钻探和洋底沉积物年龄 虽然洋底的年龄可以根据洋底磁异常求得 但这毕竟只是一种理论上的预测 特别是较老的磁异常年龄 还使用了外推的方法 假定海底扩张速率是恒定的 及时开展的深海钻探工作 可以说是检验瓦因 马修斯假说和海底扩张模式的 一次大规模实验 1968 年深海钻探的第三航次 在南大西洋南纬 30 附近垂直于大西洋中脊 走向布设了九个钻孔 钻探点的位置尽可能选在磁异常图案最为清晰的地方 结果表明 这些钻孔中覆盖在玄武岩基底上最老沉积物的年龄 根据微体化石测 定 与根据磁异常预测得出的年龄 具有惊人的一致性 从 60 年代以来 在各大洋打了上千个钻孔 根据所采集的放射虫标本鉴定 发现 盖在玄武岩基底之上的最老沉积物年龄与根据磁异常所测得的年龄一致 并且愈接近洋中脊 洋底年龄愈新 4 转换断层 1 定义 1952 年 梅纳德首先在北美洲濒临加利福利亚尼的太平洋海底发现了一些大的 断层 门德西诺断层 随顺后的海底地磁考察 证实了这些断层的存在 J Tuzo Wilson 1908 1993 在该文中 首次提出 transform faults 首 次使用 rigid plates 一词 转换断层在洋底均呈线性分布 长度数百至数千公里 它们不仅使两侧洋底有 很大高差 且平移错断了洋底的磁异常条带 横切洋中脊或俯冲带的一种巨型水平剪切断裂 由于洋底岩石圈背离洋中脊向 两侧推移 转换断层另一端最终与消亡边界相遇而中止 2 与平移断层区别 转换断层具平移剪切断层性质 但与平移断层不同 后者 在全断层线上均有相对运动 但转换断层只在错开的两个洋中脊之间有相对运 动 在洋中脊外侧因运动的方向和速度均相同 断层线并无活动特征 3 基本类型 洋脊 洋脊型 洋脊 海沟型 海沟 海沟型 3 实例 1966 1967 年期间 有关海底磁异常 转换断层等方面的大批论文和资料 似 雪片飞来 它们证明 海底是扩张移动着的 地球表层存在着大规