第三章-地壳和岩石圈分析.ppt

第三章地壳和岩石圈 地质学基础 地壳大陆地壳和大洋地壳大陆地壳和大洋地壳的划分大陆地壳和大洋地壳的特点陆壳和洋壳的关系稳定状态地壳和活动状态地壳地壳的化学组成岩石圈 地壳是莫霍面以上的地球表层 厚度变化约在5 80km之间 平均厚度约16km 大陆较厚 平均约30 35km 大洋较薄 平均约7km 地壳 Crust 活动大陆边缘 海沟以外为洋壳 被动大陆边缘 大陆基以外为洋壳 分界线上可形成特殊的中性喷出岩类 安山岩类 安山岩线 此线的大陆一侧主要是安山岩 英安岩 流纹岩等 为大陆型地壳 而大洋一侧主要是橄榄玄武岩 粗面岩等 为大洋型地壳 1 大陆地壳和大洋地壳 活动大陆边缘 被动大陆边缘 1 大陆地壳和大洋地壳的划分 陆壳面积约占地壳总面积的40 质量约占地壳的63 厚度较大 平均约33km 30 35km 在某些高山地区可厚达70 80km 如珠穆朗玛峰 在某些盆地和裂谷区仅20km左右 东非大裂谷 大陆地壳的结构在横向和纵向上均表现出很强的不均一性 总体上看 由上向下亦可分为3层 1 大陆地壳和大洋地壳 2 大陆地壳 ContinentalCrust 上地壳 Uppercrust 一般厚10 15km 主要由沉积岩和变质岩组成 其中常侵入或穿插着一些来自下部层位的花岗岩和混合岩体 该层物质的平均化学成分接近酸性岩 大致与花岗岩相当 物质的密度约为2 5 2 7g cm3 地震波Vp随岩性不同变化较大 一般为4 6 1km s 1 大陆地壳和大洋地壳 2 大陆地壳 ContinentalCrust 中地壳 Middlecrust 一般厚5 10km 横向厚度变化大 各地区厚度不一 主要由混合岩 花岗岩及糜棱岩等岩石组成 平均化学成分接近于中 酸 性岩 与 花岗 闪长岩相当 密度约为2 7 2 8g cm3 地震波Vp一般为5 56 6 3km s 由于该层岩石中的含水性一般较下地壳强 并且其温度和压力又较上地壳高 因此 常表现出较强的塑性流变特征 地震波速度常出现壳内低速层 而视电阻率特征则常出现高导层 1 大陆地壳和大洋地壳 2 大陆地壳 ContinentalCrust 下地壳 Lowercrust 一般厚10 20km 可能主要为麻粒岩 麻粒岩相角闪岩和片麻岩组成 其中常散布着一些中 酸性的岩浆岩体 下地壳部分熔融 并可能穿插着较多的基性岩脉 幔源 下地壳物质的总体化学成分可能为 中 基性 相当于基性成分较高的闪长岩 玄武岩 粗玄岩和辉长岩组分 认识不一 该层物质的密度约为2 8 2 9g cm3 地震波Vp一般为6 4 7 0km s 1 大陆地壳和大洋地壳 2 大陆地壳 ContinentalCrust 全球不同构造单元地壳结构 RudnickandFountain 1995 Rev Geophys 普遍认为下地壳具基性 镁铁质 成分特征 我国不同构造单元平均地壳结构 Gaos 1998 EPSL 总体来看 陆壳的厚度变化较大 结构较复杂 物质成分主要相当于中 酸性岩 物质的平均密度较洋壳小 约为2 7 2 8g cm3 陆壳内岩石变形强烈 而且陆壳的形成年代较老 演化时间漫长 自地球形成的早期便开始发育 并一直演化至今 如南美洲圭亚那的古老角闪岩年龄为4 130 1 7Ga 1 大陆地壳和大洋地壳 2 大陆地壳 ContinentalCrust 洋壳面积约占地壳的60 质量占37 厚度较薄 一般为5 10km 在洋中脊地区较薄 远离洋中脊地区厚度有增厚趋势 结构相对比较稳定 简单 从上到下一般可分为3层 1 大陆地壳和大洋地壳 3 大洋地壳 OceanicCrust 层1或称沉积层 未固结或弱固结的大洋沉积物 厚度不一 一般在洋中脊的轴部地区缺失该层 由洋中脊向两侧到海沟或大陆坡坡脚处厚度逐渐增大 该层一般厚几百米 物质的平均密度为2 3g cm3 地震波Vp约为2 2km s 1 大陆地壳和大洋地壳 3 大洋地壳 OceanicCrust 层2或称玄武岩层 主要为玄武岩组成 有时夹有少量沉积岩 玄武岩常具有枕状构造 该层的厚度变化较大 一般在0 5 2 5km之间 物质的密度为2 55 2 65g cm3 地震波Vp一般为5 2km s 枕状构造 由于熔岩在海水层之下溢散时 因压力较大 使其无法起泡并快速冷却收缩而形成的一种椭球状外形 1 大陆地壳和大洋地壳 3 大洋地壳 OceanicCrust 层3或称大洋层 该层的物质可能主要为变质的玄武岩 辉长岩及蛇纹岩 该层的厚度从大洋中脊向两侧有规律地增加 一般厚度3 5km 物质的密度为2 68 3g cm3 地震波Vp为 6 7 0 25 km s 1 大陆地壳和大洋地壳 3 大洋地壳 OceanicCrust 总体来看 洋壳的厚度变化较小 物质成分主要相当于基性岩 物质的平均密度较陆壳大 约为2 8 2 9g cm3 洋壳内部的岩石变形程度较弱 具有较统一的刚性性质 洋壳形成的年代较新 一般形成于距今2亿年以来 1 大陆地壳和大洋地壳 3 大洋地壳 OceanicCrust 大陆造山带内的镁铁质岩石为主的蛇绿岩套 是洋壳俯冲消亡后残留的古老洋壳 1 大陆地壳和大洋地壳 4 陆壳和洋壳可以相互转化 冀东 25亿年前的大洋地壳遗迹 是世界上迄今发现的最古老的大洋地壳遗迹 在大陆基础上也可以形成洋壳 如东非大裂谷和红海 认为是未来海洋的雏形 1 大陆地壳和大洋地壳 4 陆壳和洋壳可以相互转化 地壳大陆地壳和大洋地壳稳定状态地壳和活动状态地壳地壳的活动性地壳稳定区的特征地壳活动区的特征地壳的化学组成岩石圈 地壳的活动性 表现在频繁的地震和火山喷发 地壳的急剧升降 如造山运动和裂谷作用 地壳活动区 通常分布在板块边缘 板块理论 或地槽 槽台理论 大陆边缘和造山带等 现代地壳活动区主要分布在 环太平洋带 大洋中脊带和地中海 喜马拉雅带 2 稳定状态地壳和活动状态地壳 1 地壳的活动性 地壳稳定区 也称作克拉通 Craton 和地块等 克拉通 指地壳上长期稳定的构造单元 与造山带相对应 仅用于大陆地区 是地盾和地台的统称 地块 具有一定综合结构形态的地质块体 是一个大小不限 既可出现在地台内 又可出现在地槽褶皱带中 如塔里木地块 柴达木地块 四川地块等 特点为 由结晶岩石组成 没有或很少沉积盖层 在地史发展上表现较长期隆起 因此它四周沉积往往向中心消失或减薄 并有地层间超覆现象 它的延伸没有方向性 现代地壳稳定地区主要分布在 非洲 美洲 印度 澳大利亚 东欧 西伯利亚和中国 以及南极大陆和深海平原等 2 稳定状态地壳和活动状态地壳 1 地壳的活动性 1 地壳厚度稳定 陆壳30 40km 洋壳5 7km 地震波反映的界面清晰 2 平面呈浑圆状 无明显延伸方向 面积广大 地形起伏很小 可形成大的平原或盆地 3 物质组成较简单稳定 陆壳和洋壳明显的分层 成分稳定 4 构造变动微弱 地震和火山等不发育 5 岩浆活动和变质作用微弱 岩石类型单调 6 地壳顶部一般具有双层结构 既由基底和盖层组成 二者为角度不整合接触 2 稳定状态地壳和活动状态地壳 2 地壳稳定区的特征 1 地壳厚度变化大 如年轻造山带地壳厚度 50km 喜马拉雅70 80km 大陆裂谷区20 25km 东非大裂谷 2 平面形态多呈狭长带状 延伸达数百到数千公里 3 物质组成复杂 造山带的下部可能是超镁铁质岩和榴辉岩与中酸性岩的混合物 在洋中脊为拉斑玄武岩 辉长岩或斜长岩 4 构造变动强烈 形成复杂的褶皱和断裂 地震和火山活动的密集带 5 岩浆活动强烈 广泛 6 沉积厚度大 但岩性和厚度不稳定 7 地球物理异常带 如地热异常 具有高的地温梯度 地热流可能是正常值的2 3倍 重力异常和磁异常都呈条带状分布 具明显方向性 2 稳定状态地壳和活动状态地壳 3 地壳活动区的特征 地壳大陆地壳和大洋地壳稳定状态地壳和活动状态地壳地壳的组成地壳的无机组成地壳的有机组成岩石岩石圈 地壳由各种岩石组成 岩石由一种或几种矿物组成 矿物则由一种或几种元素构成 因此元素是组成地壳的基本物质 元素在地壳中的含量和分布都是极不均匀的 当一些有用元素在某一地区高度富集时便形成矿产 如铁元素富集形成铁矿 金元素富集形成金矿 有机碳富集形成煤矿等 美国化学家F W Clarke 克拉克 1889 最早研究了地壳中元素的平均含量 他根据采自世界各地的5159个岩石样品的化学分析数据 求出了地壳内50种元素的平均质量百分比 鉴于他在这项工作中的贡献 地质学上把元素在地壳中的平均质量百分比称为元素的克拉克值 克拉克值 Clarkevalue 化学元素在一定自然体系 通常为地壳 中的相对平均含量 又称元素丰度 AbundanceofElements 一 地壳的无机组成 一 地壳的无机组成 1 元素在地壳中的分布极不均匀 地壳中已发现元素周期表中1 92号元素 按重量 的前8名顺序 O Si Al Fe Ca Na K Mg 占地壳总量的98 称主量元素或常量元素 也称造岩元素 其余84个元素仅占地壳总量的2 称微量元素 2 地壳 地球 太阳系元素丰度对比 分布最广元素 太阳系 H He O Ne N C Si Mg Fe S地球 Fe O Mg Si Ni S Ca Al Co Na地壳 O Si Al Fe Ca Na K Mg Ti H地壳和地球同太阳系相比 贫H He N等气体元素 表明宇宙物质形成地球的演化过程伴随着气体的散失 地壳同地球相比 贫Fe和Mg 富Al K和Na 说明地球的原始化学演化中 较轻的易熔碱金属铝硅酸盐在地壳表层富集 较重难熔的镁铁硅酸盐和金属Fe Ni存在于地幔和 或地核深处 一 地壳的无机组成 有机物 是有机化合物的简称 是指碳氢化合物及其衍生物 是具有碳键的含碳化合物 例如氨基酸 煤 石油等 它们所含的碳 通称有机碳 所有的有机物都含有碳元素 但并非所有含碳的化合物都是有机化合物 比如CO CO2 除水和一些无机盐外 生物体的组成成分几乎全是有机物 如淀粉 蔗糖 油脂 蛋白质 核酸以及各种色素 二 地壳的有机组成 有机物特点 与无机物相比 种类众多 但自然界独立从在的不多 热稳定性差 易燃 主要生成CO2和H2O 一般挥发性较大 熔点和沸点低 400 难溶于水 溶于有机溶剂 反应速度缓慢 复杂 二 地壳的有机组成 地壳中的有机物 自然作用形成的 多与生物体有关的物质 主要指的是有机矿产和化石生物 意义 地壳的重要组成部分 生物化石 阐明地壳演化 环境变迁 古生物学 地史学 有机矿产 煤 石油 天然气等 与人类的生存和发展息息相关 生物化石能源 二 地壳的有机组成 C H O和N四种元素的总含量 占地壳有机物总量的98 以上 其中C约66 1 可见 C的存在对地壳有机物的丰度具有决定性意义 二 地壳的有机组成 地壳中C的平均克拉克值 0 04 有机碳仅占 18 大部分固定在沉积物中 如碳酸盐类 化石能源 煤约占地壳的1 500 石油约占地壳的1 1600 二 地壳的有机组成 三 岩石 Rock 岩石是地质作用的产物 是由一种或一种以上的矿物 或岩屑 组成的有规律的集合体 是组成地壳和岩石圈的基本物质 按岩石形成的自然作用类型 可分为三大岩类 岩浆岩沉积岩变质岩 岩浆岩 是由高温的熔融岩浆 熔浆 冷凝结晶而成的岩石 喷出岩 侵入岩 沉积岩 由外动力地质作用及部分火山作用形成的沉积物经成岩作用后形成的岩石 变质岩 早先形成的岩石为适应新的地质环境和物理化学条件变化 一般是温度和 或压力升高 总体在固态下发生矿物组成 化学成分和结构构造改变而形成的一种新岩石 地壳中三大岩类 岩浆岩约占地壳总体积的三分之二 67 6 变质岩约占地壳总体积的四分之一 27 4 沉积岩仅占地壳总体积的5 但由于它广泛分布于陆地表面及海洋盆地中 因而它占据了地表面积的75 三大岩类可以相互转换 地壳大陆地壳和大洋地壳稳定状态地壳和活动状态地壳地壳的化学组成岩石圈基本概念岩石圈板块与板块构造学说 软流圈之上 地球最外层的固体圈层称为岩石圈 包括整个地壳和莫霍面以下 软流圈以上的固体上地幔岩石部分 前者成为地壳岩石圈 后者成为地幔岩石圈 厚度约25 大洋 150km 大陆 岩石圈是地球的刚性外壳 是地震波高速带 岩石圈 Lithosphere 1 现代板块的划分依据 全球地震和火山分布资料 岩石圈划分为七大板块 欧亚 北美 南美 非洲 印澳 南极 太平洋及若干小板块 板块边界不同于洋陆界线 大部分板块兼有陆壳和洋壳 板块边界是岩石圈构造运动的活跃部位 岩石圈板块与板块构造学说 2 板块边界的类型 三类边界位置 洋中脊俯冲带转换断层对应三类边界 离散型汇聚型走滑型 岩石圈板块与板块构造学说 沿此边界板块分裂并作离散相背运动 地幔物质涌出 产生洋壳 因此又称为生长型板块边界 沿边界广泛出露基性 超基性侵入岩或喷出岩 浅源地震线状分布 具高地热流值 普遍发育低 中级热变质作用 属于这类边界的有大洋中脊扩张带和某些大陆裂谷地区 如东非大裂谷和红海 岩石圈板块与板块构造学说 离散型 张裂型 板块边界 陆壳拉张出现小型洋盆 红海 又称挤压型边界或消减带 是一个板块与另一板块聚合 碰撞 对冲 消减的部位 由于这些运动 边界表现为强烈挤压性质 造成复杂的构造现象 沿边界广泛发育强烈地震 如Benioffzone 和火山喷发 岩石圈板块与板块构造学说 汇聚型板块边界 岩石圈板块与板块构造学说 汇聚型板块边界 雅鲁藏布江地缝合线 Convergent Convergent Collision 两板块相互平行边界滑错 边界一般平直 延伸远 发育宽度不大的碎裂岩带 沿边界既无板块的增生 又无板块的消减 而是相邻两个板块作剪切错动 边界上浅源地震活跃 地质构造上表现为转换断层 Transformfault 或大型走滑断层 岩石圈板块与板块构造学说 走滑型板块边界 3 板块运动与Welson旋回 从大陆分裂到大洋形成 然后从大洋收缩到大洋关闭和消失 是一个连续演变的过程 威尔逊旋回分6个阶段 1 萌芽阶段 岩石圈受拉力变薄 东非裂谷 2 幼年阶段 海洋初成 海湾式的狭窄盆地 红海 3 成熟阶段 广阔的大洋 其中部为洋脊 两侧稳定大陆边缘 大西洋 4 收缩阶段 沿稳定大陆边缘与洋底交接带 岩石圈发生断裂 洋壳俯冲形成岛孤 海沟或山孤 海沟 太平洋 5 结束阶段 大洋板块进一步俯冲 残留狭窄的洋盆 地中海 6 大陆碰撞阶段 海洋消失 大陆相碰 使大陆边缘原有的沉积物强烈变形隆起成山 喜马拉雅山 岩石圈板块与板块构造学说 4 板块运动的驱动力 地幔对流模式地幔柱模式浮动模式 岩石圈板块与板块构造学说 地幔对流模式 Mantleconvectionhypothesis 一种说明地球内部物质运动和解释地壳或岩石圈运动机制的假说 它认为在地幔中存在物质的对流环流 在地幔的加热中心 物质变轻 缓慢上升形成上升流 到软流圈顶转为反向的平流 平流一定距离后与另一相向平流相遇而成为下降流 继而又在深处相背平流到上升流的底部 补充上升流 从而形成一个环形对流体 对流体的上部平流驮着的岩石圈板块作大规模的缓慢的水平运动 在上升流处形成洋中脊 下降流处造成板块间的俯冲和大陆碰撞 岩石圈板块与板块构造学说 地幔分层对流 地球化学 形成传统板块构造的传送带式模式 巨型全地幔对流 地球物理 热地幔柱上升流 冷地幔柱下降流 岩石圈板块与板块构造学说 地幔对流模式 Mantleconvectionhypothesis 地幔柱模式 MantlePlume 深部地幔热对流运动中的一股上升的圆柱状固态物质的热塑性流 即从软流圈或下地幔涌起并穿透岩石圈而成的热地幔物质柱状体 它在地表或洋底出露时就表现为热点 J Morgan于1972年提出 事实依据 洋底有一系列呈链状分布的死火山脉 它一端连接着现代活火山 沿此链距离活火山越远 其年龄越老 被认为是当岩石圈板块运动时 固定不动的地幔柱在板块表面留下的热点迁移的轨迹 如夏威夷活火山热点 岩石圈板块与板块构造学说 学科前沿 Frontier 板块上陆 大陆动力学 要现实地解决以下选定的科学问题 1 地幔对流及其大陆动力学的板块动力学成因 2 下地壳和上地幔内的陆根 3 壳幔内异常结构及其深度延伸与特