地球动力系统课件

大陆漂移海底扩张板块构造,地球动力系统,收缩说16世纪意大利学者布鲁诺最早提出：把苹果干缩的褶皱表皮与地球表面的岩层褶皱相对比。19世纪中叶法国学者博蒙根据拉普拉斯的太阳系起源为由热变冷的假说又重新提出收缩说，认为地球内部由热变冷是地球表部收缩和褶皱及其它构造形成的原因。,膨胀说17世纪英国学者培根最早提出，与收缩说相对立。19世纪末和20世纪初一些学者如曼托瓦尼、希克森等用地球膨胀说来解释大西洋两岸形状的相似性和非洲裂谷系等现象，但膨胀说不能解释地球表层的众多大规模挤压褶皱山系。,地槽地台学说19世纪中叶，美国学者霍尔、丹纳和奥地利学者休斯提出：地壳的基本构造单元是由地槽区和地台区组成。地槽是指地壳上的强烈活动带，分布于大陆边缘、大陆内部或大陆间。地台是大陆上相对稳定的地区，具有面积大、地形起伏小、构造活动弱的特点。,地质力学学说我国地质学家李四光于1926年提出。主张运用力学原理研究地壳构造及其成因，将地壳构造归纳为3类构造体系：纬向构造体系、经向构造体系和扭动构造体系。构造运动的动力是由于地球自转的速度变化引起的。,板块构造学说现代地球科学对全球动力学认识的主流，被誉为20世纪地球科学的革命。是在确立了对大陆漂移与海底扩张的认识的基础上建立起来的。,大陆漂移,大陆漂移（continentaldrift）茫茫大陆，经历过长期的漂移，而且至今仍在不停地漂移着。此概念今天已广为人们接受。但这一概念从提出到接受并不是一帆风顺的，而是经历了提出、衰落到重新兴起的过程。,魏格纳最初于1912年发表大陆漂移观点，至1915年著成海陆的起源一书，系统论述了大陆漂移问题。“较轻的硅铝质的大陆块就像一座座块状冰山一样漂浮在较重的硅镁层之上，并在其上发生漂移”。全世界的大陆在古生代晚期曾连接成一体，称为联合古大陆或泛大陆（Pangaea），围绕联合古大陆的广阔海洋称为泛大洋。,两亿年前所有陆地拼合到一起的联合大陆可能的图形图中南极周围影区是推测的当时冰川覆盖区,大陆漂移说的主要根据：大陆形状相似性：大西洋两岸非洲和南美洲海岸线弯曲形状的相似性；地层：地质构造：美国阿巴拉契亚山的海西褶皱带东北端没入大西洋，延至英国西部和中欧一带复又出现。古生物：中龙、舌羊齿植物化石等。古气候等：古冰川、蒸发盐、珊瑚礁、红层等。,大陆的拼合好象撕碎的报纸外形和文字都可以拼合,南美洲和非洲岩石和构造的拼合,古冰川与大陆漂移,大陆漂移学说的机制并未解决。该学说受到许多地球物理学家和地质学家的反对。20世纪30年代，大陆漂移说便逐渐衰落下来。到50年代，由于一些新的、独立的大陆漂移证据的发现，使大陆漂移说再度活跃起来。其中最有力的证据是古地磁学研究的成果。,大陆漂移学说的衰落与新生,地史时期地球周围也同样存在地磁场，称古地磁场。这种岩石在形成过程中所获得的磁性称为天然剩余磁性。这种磁性一经形成便具较强的稳定性，可一直保存至今。借助于岩石的化石磁性，可以追溯岩石形成以后所发生的水平运动情况。,若从数千年以上的时间尺度来看，地磁极的平均位置可看作与地理极重合。根据这一原理，可把地史时期的古地磁极近似地当作古地理极；把古地磁场的磁子午线方向当作古地理经线；古地磁场的等磁倾角线则可看作古地理纬度线。岩石剩余磁性的磁化方向可用来确定古经线的方向，测定岩石中化石磁性的磁倾角可确定所处的古纬度。,古地磁研究在20世纪50年代时曾盛极一时。如果把大陆上不同时代的岩石磁性得出的磁极位置都标在地图上，发现地质时代越古老，古地磁极位置偏离现代磁极位置越远，把各时代的古地磁极连起来即可得出该大陆的古地磁极的迁移轨迹。但实际上地磁极基本上位于地理极附近不动，极移曲线本身反映了大陆漂移的路线。,北美大陆和欧洲大陆极移曲线图,古地磁研究使漂移说复苏以后，人们又开始深入探讨与大陆漂移有关的一些问题，并获得了许多新的证据和资料。例如，英国学者布拉德等借助电子计算机对大西洋两岸（按约1000m的等深线）进行了十分完美的拼接，此外，南极洲及其它大陆发现的古生物、地层、构造新资料等也都进一步证实了大陆漂移的存在。然而大陆漂移的机制问题依然悬而未决。,一、海底扩张说的提出二、海底扩张说的验证,海底扩张,二次世界大战后，工业较发达的西方各国受各自利益的驱动开展了广泛的海底地形与地质调查。例如，利用回声测深等高精度的水深测量方法研究海底地形并绘制出精确的海底地形图；用重力、地震、地磁及地热等地球物理勘探方法研究海底的地质构造特征等。,一、海底扩张说的提出,1、全球大洋中脊及中央裂谷系的发现50年代晚期发现了纵贯世界大洋洋底的大洋中脊和裂谷体系。大洋中脊在各大洋中互相连接，延伸总长约64000km。,在洋中脊轴部常发育有平行洋脊的巨大的中央裂谷，谷深可达10002000m，谷壁陡峭，实际上是一系列向谷内陡倾的张性断裂。裂谷宽数十至百余公里，窄的谷底宽度不过几公里。大洋中脊轴部具有很强的构造活动性，常发生浅源地震及火山活动，并有高的地热流异常（可达(35)41.686mW/m2）。,2、海沟及贝尼奥夫地震带主要发育于太平洋及印度洋东北部边缘；沿大陆边缘的岛弧线状延伸。其横剖面多呈V字形，沟底深度一般大于6000m，若计沟底与岛弧或海岸山脉的相对高差，则可达13000m以上。所以，海沟附近是地球上高差最为悬殊的巨型地形单元。,海沟的重力值相当低，出现负重力异常，这说明海沟下方物质的密度轻，是否也存在类似于高山之下的地壳“山根”插到地幔之中？海沟的地热流比正常洋盆显著低，说明海沟下面的物质比较冷。但密度低的物质必将上浮形成高的地势，故可推测在海沟处必定有一种向下拉的作用力存在，使轻的地壳物质强制下陷。,北海道千岛群岛贝尼奥夫带上震源深度分布剖面图,海沟附近是最强烈的构造活动带，如著名的环太平洋火山带与地震带。50年代美国学者贝尼奥夫发现贝尼奥夫地震带。即地震震源深度变化很有规律：海沟附近都是浅源地震，离海沟较远出现中源地震，在更远的大陆内部则出现深源地震，最深达720km，震源排列成为一个由海沟向大陆方向倾斜的带，其倾角一般45左右。此现象说明，沿大陆边缘的海沟存在着倾向大陆的、正在活动的巨型断裂带。,3.洋底地壳的新认识20世纪50年代，确定了洋底地壳的三层结构。洋壳第一层即为沉积层，非常薄，平均不过0.5km。即使以每千年沉积1mm的最低沉积速度计算。故洋底沉积物年龄应比较新。通过在大洋裂谷及断裂带的基岩崖壁处施挖采样，至60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。,从古生物演化史以及大陆褶皱山系中的大量古老海洋沉积岩来看，地表的海水或海洋无疑在很古的时期已经出现。由此推测，洋壳发生着新旧更替，古老的洋壳已经消失，现在的洋壳是后来形成的。,为什么陆壳和洋壳的年代不一样？,海底地质新成果与新资料的积累，加之大陆漂移说的重新兴起，终于迎来了地球科学理论上的一场重大革新。60年代初，美国地质学家赫斯（Hess,1962）和迪茨（Dietz,1961）首先提出海底扩张（seafloorspreading）说。,海底扩张说的提出,这一学说认为，大洋中脊顶部乃是地幔物质上升的涌出口，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地扩张。随着热地幔物质源源不断地上升并形成新的洋底，先成的老洋底不停地向大洋两缘扩张推移。洋底扩展速度大约是每年几个厘米。,海底扩张说的涵义,海底扩张示意图,在不同海区，海底扩张产生的效应可能有两种情况：一种是扩张着的洋底同时把邻接的大陆向两侧推开，大陆仿佛冻结在相邻的洋底上，与洋底一起向同一方向移动。这样，随着新洋底不断生成和向两侧扩展，新生的大洋不断张开，两侧大陆逐渐漂移。例如，像大西洋这样宽的大洋，在速度为每年数厘米的海底扩张作用下，大约需二亿年才能形成。,另一种情况：当洋底扩展移动至大洋边缘的海沟处时，沿贝尼奥夫地震带向下俯冲潜没，重新返回到地幔中去。这时，洋底并不推动相邻大陆向两侧漂开，相反，大陆逆掩于洋壳俯冲带上。例如，太平洋就是这样，它本是一个古老的大洋，其洋底不断地在洋脊处新生，同时不断在海沟处潜没消亡，好似一条运动不息的传送带，这样，2亿年左右洋底就可更新一次。,由于洋底一直在生长和更新着，所以不管是新生的大西洋和印度洋，还是古老的太平洋，其洋底地壳都相当年青，不老于中生代，从而接受的海洋沉积层比较薄。大洋中脊顶部由于是热的地幔物质涌出的地方，故出现高热流值；而海沟由于是冷的、轻的地壳物质俯冲潜没的地方，故出现低热流值和重力负异常。,海底扩张的地质解释,海底扩张说提出后的短短几年时间里，新的研究成果纷纷涌现，进一步证实了海底扩张说。其中最有意义的是海底磁异常条带研究、深海钻探成果及转换断层的发现，它们被称为验证海底扩张说的三大论据。,二、海底扩张说的验证,(一)海底磁异常条带研究1.大陆上岩石古地磁的极性反转现象岩石中有近一半是正向磁化（即磁化方向与现代地磁场方向相同），另一半反向磁化。极性期：通常把保持一定的地磁极性的大阶段（约隔100万年以上）。,4.5Ma以来地磁场转向年代表,古地磁场转向年代表：根据不同时期岩石磁化的方向排列出地磁场转向的先后顺序，并利用同位素定年方法测出各个极性期和极性事件的延续时间。,2、海底磁异常条带及其成因海底磁异常条带是50年代后半期发现的，特点是大致平行于洋中脊轴线延伸，正负异常相间排列并对称分布于大洋中脊两侧，单个磁异常条带宽约数公里到数十公里，纵向上延伸数百公里以上而不受地形影响，遇到洋底断裂带时被整体错开。,冰岛西南方向大西洋中脊实测海底地磁条带,1963年，英国学者瓦因和马修斯结合海底扩张假说与地磁场倒转现象，对海底磁异常条带作了极为成功的解释。他们认为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和扩张的结果。,60年代中期一些学者通过洋脊两侧的海底正、负磁异常条带与大陆岩石古地磁获得的地磁场转向年代表对比发现：海底正、负磁异常的排列与地磁场转向年代表中的正向段和反向段完全可以一一对比。在沉积岩心中交替地出现正向和反向磁化段，正向、反向磁化段的厚度可与地磁场转向年代表中的时间长短对比，也可与海底正、负磁异常条带对比。,(二)深海钻探成果深海钻探始于1968年，在几年时间里，著名的深海钻探船“格罗玛挑战者”号进行了广泛的钻探和取样，获丰硕成果。深海钻探证实：深海沉积物由洋脊向两侧从无到有、从薄到厚，沉积层序由少到多，并且其年龄与海底磁异常条带所预测的年龄十分吻合。深海钻探所采得的最老沉积物的年龄不老于1.7亿年（晚侏罗世）。,(三)转换断层的发现洋脊被一系列横向断层切割，断层长度可达数千公里，断层两侧洋脊被明显错断，错距可达数百至千余公里。早在50年代即已发现，但被认为是一般的平移断层。著名学者威尔逊（Wilson,1965）指出，它不是一般的平移断层，而是自中脊轴部向两侧的海底扩张引起的一种特殊断层，称为转换断层（transformfault）。,转换断层不同于一般平移断层的特征：其一，虽然中脊轴两侧海底不断扩张，断层两侧洋中脊之间的距离并不一定加大。,转换断层不同于一般平移断层的特征：其二，相互错动仅发生在两侧中脊轴之间的段落上，该段落以外的断裂带上，断层两侧海底的扩张移动方向相同，其间没有相互错动。地震活动几乎都集中在被错开的洋脊之间的断层段上，其三，转换断层中相互错动段的错动方向恰好与平移断层中错开洋脊的方向相反。,转换断层是由洋中脊的海底扩张引起的，转换断层的错动方向就是海底扩张的方向。转换断层的发现和验证，为海底扩张说提供了又一有力的依据。,转换断层发现的意义,板块构造概述,岩石圈是由若干板块组成的，浮在软流圈上面的板块发生汇聚、离撒、平移运动，产生海底扩张、大陆漂移和火山、地震等地质作用，形成了现今的地表形态。,全球六大板块的划分,太平洋板块欧亚板块非洲板块美洲板块印度板块南极洲板块,岩石圈板块的全球体系,岩石圈板块边界类型：汇聚型（海沟造山带）离撒型（大洋中脊）转换型（转换断层）,岩石圈板块的运动,岩石圈板块的运动,俯冲：洋壳俯冲到陆壳下。碰撞：陆壳与陆壳汇聚。扩张：海底扩张，大陆分离。转换：转换断层运动。,板块俯冲与贝尼奥夫带,贝尼奥夫带:由海沟开始向大陆方向深处倾斜延伸的地震震源深度面。是板块的汇聚边界。（活动大陆边缘）,浅震,中震,深震,岩石圈,软流圈,海沟,岛弧,碰撞：陆陆板块的汇聚,扩张：大陆分离（大陆裂谷），海底扩张（形成新洋壳），形成被动大陆边缘。,海底扩张加剧导致大陆边缘发生俯冲作用。,转换断层：由海底扩张诱发横切洋脊的背离洋脊运动的断层，在洋脊之间断层两盘为相对运动，跨过洋脊为相向运动。洋脊之间错动可诱发地震。,转换断层,洋脊,海沟,板块运动的驱动力,地幔对流说地幔柱说,地幔对流(A全对流,B浅对流)、地幔柱（D）,大洋中的热点形成夏威夷群岛,威尔逊旋回,大洋演化的六个阶段1、胚胎期：东非大裂谷2、幼年期：红海、亚丁湾3、成年期：大西洋4、衰退期：太平洋5、终了期：地中海6、遗痕期：地缝合线,1、胚胎期：东非大裂谷,大陆板块下部由于地幔对流作用解体，发