第九章地球动力系统2013

第九章板块构造,主要内容,一、大陆漂移学说二、海底扩张学说三、板块构造学说,全球海陆面貌的形成；各种地质作用特别是内部地质作用的机理及相互联系;地质历史进程中地壳或岩石圈演化发展的方式和规律。,全球规模的地质过程有无规律？,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。,一、大陆漂移学说,最初于1912年提出大陆漂移观点，1915年出版TheOriginofContinentsandOceans系统论述大陆漂移学说,AlfredWegener(1880-1930)德国气象学家和地球物理学家,大陆坡,大洋盆,大陆架,陆海过渡带,第一节大陆漂移,大陆漂移的证实(魏格纳的贡献):大陆边界的形态古气候的证据古生物的证据地质构造与岩石分布决定性的证据-极移与极移曲线,一、大陆漂移学说,魏格纳提出的大陆漂移学说的主要内容：较轻的硅铝质大陆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（Pangea)，围绕联合古大陆的广阔海洋称为泛大洋；从中生代开始，泛大陆逐渐破裂、分离、漂移，形成现代海陆分布的基本格局。,漂移的大陆,劳亚大陆,冈瓦纳大陆,大陆漂移的基本过程,1、地质构造上的吻合性,魏格纳首先追踪了大西洋两岸的褶皱山系和地层。他相当满意地发现，大西洋两岸的岩石、地层和褶皱构造确实像搭积木一样可以搭配起来。,非洲南端的好望角(CapeofGoodHope)东西向的褶皱山脉与南美洲阿根廷的布宜诺斯艾里斯(BuenosAires)低山相接，这是一条二叠纪的褶皱山系。两处山地中的泥盆纪海相砂岩层、含有化石的页岩层以及冰川砾岩层都可以相互对比。,欧洲的石炭纪煤层可以延续到北美洲。北大西洋两侧古生代期间形成的褶皱山脉，在大陆拼合后连成一体。北美洲与挪威南部、英国等地都广泛分布着泥盆纪相同的陆相地层。,北美洲的阿帕拉契山脉(AppalachianMts)与爱尔兰(Ireland)一致。魏格纳还对比了印度、马达加斯加岛、非洲之间的地层构造，也同样得出程度不等的对应关系，而这种对应关系都限于较老的地层构造。比喻：好象一张撕碎的报纸，按原样拼接起来，报纸上的印刷文字能阅读连贯。,一、大陆漂移学说,A.北美东部阿帕拉契亚山脉向北消失于纽芬兰海滨，但年龄与地质构造均相当的山脉则发现于不列颠群岛和斯堪的那维亚。,B.把大西洋两岸的陆块置于它们漂移前的位置，这些山脉形成了一个连续的山系，它形成于距今300Ma之前的Pangea形成期间。,西非和南美的结晶质地层出露区,2、现存生物的证据,大陆漂移,达尔文（生物进化论）（自传）,赖尔（地质学渐变论）,考察日记2nd,生物学,物种起源的单祖论观点：相同的生物种不可能是在相隔遥远的两个地区分别独立地形成，它们必定起源于某一地区，然后直接地，或通过第三个地区传播到另一地区。大西洋两岸许多生物之间存在着亲缘关系：园庭蜗牛：分布于德国、英国、北美洲蚯蚓：分布于中国、日本、西欧美国东部,（肺鱼、河马、海牛等）,有袋类动物,袋鼠,袋熊,3、古生物证据,南美和非洲都在石炭-二叠纪找到过中龙化石,广布于澳大利亚、印度、南美、非洲晚古生代地层中的古植物舌羊齿,分布于南极洲、南非、印度的水龙兽、犬颌兽和迷齿类动物群，具有惊人的相似性,魏格纳质问道：“难道有人真会相信靠一个陆桥就可以进行物种的交换了吗？为什么澳大利亚和如此邻近的巽他群岛之间没有什么物种的交换，就像从另一个世界来的外来物一样，岂非咄咄怪事！”,古生物学家对这些化石的解释是：,4、古气候证据,西伯利亚北部奥陶纪石灰岩中有珊瑚化石；新地岛的泥盆纪石灰岩中珊瑚成礁；澳大利亚在石碳纪二叠纪有冰川覆盖；帝汶岛却有珊瑚礁的发育。在北极与南极均有碳矿的存在。加拿大北部红色页岩。,5、古冰川证据,冰碛岩,瑞士动物学家阿加西斯（L.Agussiz）发现冰川移动,石炭纪二叠纪,大陆漂移学说面临的主要问题：漂移机制由于受地球物理学的限制，当时人们尚不知道地球内部存在软流圈，大陆漂移缺乏物质基础。,引起大陆漂移学说复活的主要原因：1.20世纪50年代古地磁学进一步证实大陆确实发生过大规模的漂移；2.地球物理学的进展揭示了岩石圈下部的软流圈，大陆漂移有了物质基础；3.海底地质学的进展。,第二节海底扩张,海底扩张的证实:海底磁条带转换断层大洋盆地岩石年龄变化规律大洋盆地沉积厚度变化规律大洋盆地热流值变化规律,二、海底扩张学说,20世纪60年代初期，由美国地质学家迪茨（Dietz，1961）正式提出“海底扩张”的概念，赫斯（Hess，1962）加以深入阐述。海底扩张学说的主要内容：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；,二、海底扩张学说,海底在洋中脊处的扩张可能会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、海底扩张学说,海底扩张作用,二、海底扩张学说的主要证据,海底扩张学说的主要证据海底磁异常条带沿着洋中脊呈带状对称分布的磁性正负异常带就是海底磁异常条带，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而不受地形影响。,二、海底扩张学说的主要证据,海底磁异常条带的形成模式图解洋中脊处形成的玄武岩中的古地磁记录了当时的地磁场方向。不同的磁异常条带反映的是不同的磁化方向。,二、海底扩张学说的主要证据,海底磁异常条带的形成动态图解磁异常条带的形成与地磁场方向的反复转向密切相关,二、海底扩张学说的主要证据,2.深海钻探成果深海钻探表明，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，最底部沉积物的年龄越来越老，并且与海底磁异常条带所预测的年龄十分吻合。3.转换断层横向错断大洋中脊、断层的运动方向和性质在断层的两端突然发生改变的断层就是转换断层。,转换断层模型,格洛玛号深海调查船,洋盆年龄远离大洋中脊逐渐增大,大西洋底地貌中间的山脉是大洋中脊（中央裂谷和转换断层）,转换断层,海平面,洋中脊,洋壳,上地幔,岩浆,海沟,转换断层处板块的水平运动转换断层连接两个洋中脊，相对运动仅发生在两个洋中脊之间；转换断层连接两个海沟；转换断层连接海沟与洋中脊,大洋盆地热流值随着离开洋脊的距离逐渐降低。,大洋演化,第三节板块构造,板块构造概述全球板块的划分岩石圈板块边界类型岩石圈板块的运动板块构造与岩石类型板块运动的驱动力威尔逊旋回,三、板块构造,板块构造学说的主要内容：刚性岩石圈被分裂成为多个巨大的块体板块；板块驮在软流圈上作大规模的水平运动；板块的边缘由于板块的相互作用而成为地壳活动性强烈的地带；板块的相互作用从根本上控制了各种内动力地质作用及沉积作用的进程。,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,岩石圈板块的运动,三、板块构造1.板块划分与板块边界类型,1.板块划分与板块边界类型,三、板块构造1.板块划分与板块边界类型,1.板块划分与板块边界类型,分离型、汇聚型与转换型板块边界示意图,三、板块构造1.板块划分与板块边界类型,（1）离散型板块边界,主要位于大洋中脊轴部，两侧板块相背运动，软流圈物质上涌，冷凝成新的洋底岩石圈。,大洋中脊,三、板块构造1.板块划分与板块边界类型,（2）汇聚型板块边界,相当于海沟与板块碰撞带，两侧板块相对运动，在板块边界造成挤压、对冲或碰撞。又可分为俯冲边界与碰撞边界两种次级类型。古老的大洋板块消亡后，原来位于大洋板块两侧的陆块愈合起来，古俯冲带在地表的出露线称为地缝合线（或缝合带，suture）。,三、板块构造1.板块划分与板块边界类型（2）汇聚型边界,汇聚型板块边界,三、板块构造1.板块划分与板块边界类型(2)汇聚型边界,俯冲边界,相当于海沟或贝尼奥夫带，相邻的大洋与大陆板块发生相互叠覆，一般是大洋板块俯冲到大陆板块之下，也称消减带。分两种次级类型：岛弧-海沟型，俯冲带上方发育岛弧，主要见于西北太平洋边缘；安第斯型（山弧-海沟型），大洋板块沿陆缘海沟俯冲于山弧之下，主要见于南美大陆西部边缘。,三、板块构造1.板块划分与板块边界类型(2)汇聚型边界俯冲边界,日本东北部三条P波速度结构图（据赵大鹏，2002）示太平洋板块向日本岛之下的俯冲,汤加岛弧和劳（Lau）弧后地区0-700km深度的P波速度结构图（据赵大鹏，2002）向下俯冲的太平洋板块在700km深处（下地幔）仍有显示,三、板块构造1.板块划分与板块边界类型(2)汇聚型边界俯冲边界,安第斯型板块俯冲带以不发育岛弧区别于太平洋西岸的岛弧-海沟型俯冲带,三、板块构造1.板块划分与板块边界类型(2)汇聚型边界碰撞边界,印度板块与欧亚板块的碰撞过程,西喜马拉雅1000km深度范围内地震层析剖面显示印度板块以“翻转构造”形态插入下地幔,三、板块构造1.板块划分与板块边界类型(2)汇聚型边界碰撞边界,三、板块构造1.板块划分与板块边界类型(3)转换（平错型）板块边界,（3）转换（平错）型板块边界,相当于转换断层，其两侧板块互相剪切滑动，通常既没有板块的生长，也没有板块的消亡。一般分布在大洋中，也可以出现在大陆上。美国西部的圣安德烈斯断层就是大陆上的转换断层。,三、板块构造1.板块划分与板块边界类型(3)转换（平错型）板块边界,北美西部40Ma以来转换板块边界的演化20Ma时由于太平洋-法拉隆洋脊与北美板块碰撞，俯冲难以继续进行，原来的俯冲边界变成转换边界,三、板块构造2.板块构造与地质作用（1）板块构造与岩浆作用,（1）板块构造与岩浆作用岩浆作用主要发生在板块边界部位，即大洋中脊轴部、板块俯冲带和板块碰撞带内。,三、板块构造2.板块构造与地质作用（1）板块构造与岩浆作用,全球主要的火山分布全球火山主要分布在三个带上：环太平洋带、阿尔卑斯-喜马拉雅-印度尼西亚带、大洋中脊及大陆裂谷带,三、板块构造2.板块构造与地质作用(1)板块构造与岩浆作用离散板块边界,分离型（离散型）板块边界处的岩浆作用即大洋中脊处的岩浆作用。主要为基性岩浆活动，产物为枕状熔岩或基性岩墙、岩体；大规模的裂隙式火山喷发，熔岩溢出的方式主要为平静式；大洋中脊是全球最大规模的火山活动带；大洋中脊处的岩浆活动导致海底扩张与新洋壳的形成。,三、板块构造2.板块构造与地质作用(1)板块构造与岩浆作用离散板块边界,离散型板块边界处的岩浆作用形成大洋地壳，大洋地壳的残片被称之为蛇绿岩（ophiolite),三、板块构造2.板块构造与地质作用(1)板块构造与岩浆作用离散板块边界,枕状熔岩基性岩浆水下喷发的产物,三、板块构造2.板块构造与地质作用(1)板块构造与岩浆作用汇聚板块边界,汇聚板块边界的岩浆作用俯冲板块边界处岩浆作用的特点：以中、酸性火山活动为主，以中性岩浆活动最为特征，往往形成安山岩；由于岩浆中富含挥发份，常表现为强烈的中心式爆发；岩浆主要来源于俯冲洋壳的部分熔融，大多为幔源和壳幔混源。,三、板块构造2.板块构造与地质作用(1)板块构造与岩浆作用汇聚板块边界,碰撞型板块边界处岩浆作用的特点：主要为酸性岩浆活动；岩浆主要来自大陆地壳的局部熔融。,三、板块构造2.板块构造与地质作用(1)板块构造与岩浆作用汇聚板块边界,俯冲板块边界处的岩浆作用俯冲洋壳的局部熔融形成岛弧带的岩浆源，以中性火山活动为特征,三、板块构造2.板块构造与地质作用(2)板块构造与变质作用,（2）板块构造与变质作用变质作用主要发生于汇聚型板块边界处，以动力变质和区域变质作用为主。汇聚型板块边界处的变质作用可形成高压低温变质带和低压高温变质带，它们在地表沿着平行于海沟的方向平行排列，称双变质带。,三、板块构造2.板块构造与地质作用(2)板块构造与变质作用,俯冲板块边界处的岩浆作用与变质作用海沟处的高压低温变质带与岛弧处的低压高温变质带构成双变质带,三、板块构造2.板块构造与地质作用(2)板块构造与变质作用,板块碰撞带的区域变质环境洋壳完全消减后引起大陆板块的碰撞作用，碰撞导致碰撞带的区域变质作用和中-下地壳的熔融作用，形成酸性岩浆,三、板块构造2.板块构造与地质作用(3)板块构造与地震及岩石变形的关系,（3）板块构造与地震及岩石变形的关系全球地震主要分布于板块边界带上，与板块的分裂、俯冲与碰撞作用密切相关。在碰撞型板块边界带内岩石可以发生强烈的变形，形成高大的山脉；在俯冲型板块边界带内的大陆一侧也可以发生较强烈的岩石变形。,三、板块构造2.板块构造与地质作用(3)板块构造与地震及岩石变形的关系,全球震源与板块边界分布,日本四国岛东北部P波速度结构图（据赵大鹏，2002）示太平洋板块向日本岛之下的俯冲和1995年神户地震的特殊位置,三、板块构造2.板块构造与地质作用(4)板块构造与表层地质作用的关系,（4）板块构造与表层地质作用的关系板块构造控制着地表地形轮廓的形成和演变，从而影响风化、剥蚀与沉积作用的特点；如：板块碰撞形成的山脉是风化与剥蚀作用的主要场所，而通过大陆裂谷作用形成的裂谷与湖泊是沉积作用的主要场所；板块运动可以引起自然条件和气候变化，导致表层地质作用的营力类型与特点发生变化。,三、板块构造2.板块构造与地质作用(4)板块构造与表层地质作用,大陆裂谷向大洋裂谷的转化大陆裂谷与被动大陆边缘是重要的沉积场所。,三、板块构造3.板块运动的驱动机制问题,3.板块运动的驱动机制问题目前存在着多种解释，主要有地幔对流模式和重力拖曳模式。,三、板块构造3.板块运动的驱动机制问题（1）地幔对流模式,（1）地幔对流模式地幔中由于温度或密度的差异存在着多个对流环；对流环中的上升流处形成大洋中脊，下降流处则形成海沟和俯冲带；在上升流与下降流之间，水平向流动的软流圈顶部物质拖曳上部的刚性岩石圈随之一起作水平运动；每一个大型的板块相应地对应着一个对流环。地幔对流又分全地幔对流（单层对流）、软流圈对流和双层对流等次级类型。,地幔对流的两种模式左图为双层对流模式，右图为单层对流模式。太平洋板块向东、向西分别消亡于核幔边界，印度板块翻转于亚洲板块之下，东非和东太平洋均有超地幔柱,三、板块构造3.板块运动的驱动机制问题,板块运动的驱动力模型A.地幔对流模式。巨大的对流环就像传送带一样驮着岩石圈板块运动；B.海沟处的拖曳力和大洋中脊处高密度物质的水平重力分量拖曳着板块水平运动；C.热柱模型认为所有的向上对流被限定在几个狭窄的地幔柱内，而下降流则是冷的、重的俯冲着的大洋板块。,三、板块构造3.板块运动的驱动机制问题,地幔柱（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。热点上的地热流值大大高于周围广大地区，甚至会形成孤立的火山。地幔柱估计至少来自700千米或更深处，直径大致在100250千米左右，上升速率约每年几厘米，由此导致地幔顶部成直径达上百千米的穹状隆起，高出四周约12千米。全球热点大多位于洋中脊的转折拐点或三联点上，少数在板块内部，总共约30余个。陆上较少，约5个。,三大理论的内在联系和主要区别1、主要区别大陆漂移说是从大陆的角度立论。解释了大陆彼此之间和大陆相对于大洋盆地间的大规模水平运动，基本理论是硅铝层在硅镁层上漂移，由于不能解释陆缘褶皱和拗陷的机制而消沉。海底扩张学说则是从海洋的角度立论。其基本理论是洋底的扩张使大陆分离，洋底的俯冲作用导致沟弧体系的形成，解释了大陆漂移说不能解释的褶皱和拗陷。板块构造学说把海底扩张学说的基本原理扩大到整个岩石圈，并总结提高为对岩石圈的运动和演化的总体规律的认识。基本原理是地球的岩石圈分解为若干巨大的刚性板块即岩石圈板块，重力均衡地位于塑性软流圈之上，并在地球表面发生大规模水平转动；相邻板块之间或相互离散，或相互汇聚，或相互平移，引起地震、火山和构造运动。,三个学说理论角度不同，板块构造说从整体上囊括了从陆地漂移机制出发的大陆漂移说和从洋盆扩张机制出发的海底扩张说，是发展十分完善的活动论主要学说。2、内在联系三大构造学说一脉相承，均为与固定论对立的活动论学说。板块构造学说是海底扩张学说的发展和延伸，而从海底扩张到板块构造又促进了大陆漂移说的复活。因此，大陆漂移说、海底扩张说、板块构造说是不可分割的三部曲。,威尔逊旋回,威尔逊旋回英文名称：Wilsoncycle定义：加拿大学者威尔逊提出的大洋盆地从生成到消亡的演化循环过程,大陆岩石圈在水平方向上的彼此分离与拼合运动的一次全过程。即大陆岩石圈由崩裂开始、以裂谷为生长中心的雏形洋区渐次形成洋中脊、扩散出现洋盆进而成为大洋盆，而后大洋岩石圈向两侧的大陆岩石圈下俯冲（见俯冲作用）、消亡，洋壳进入地幔而重熔，从而洋盆缩小；或发生大陆渐次接近、碰撞，出现造山带，逐渐拼合成陆的过程。,威尔逊旋回总论,小结,2.初始阶段,3.成熟阶段,6.消亡阶段海,威尔逊旋回,闭合,开裂,扩张,收缩,威尔逊旋回,各个阶段,5.残余阶段,4.衰退阶段,1.萌芽阶段,100,在陆壳基础上因拉张开裂形成大陆裂谷，尚未形成海洋环境。如现代的东非裂谷。,威尔逊旋回萌芽阶段,102,威尔逊旋回的初始阶段,103,威尔逊旋回成熟阶段,104,大洋中脊虽然继续扩张增生，但大洋边缘一侧或两侧出现强烈的俯冲、消减作用,海洋总面积渐趋减小。如太平洋.,威尔逊旋回的衰退阶段,随着洋壳海域的缩小，终于导致两侧陆壳地块相互逼近，其间仅存残留小型洋壳盆地。如地中海.,威尔逊旋回的