板块构造-海底扩张说

1、 海底扩张说的提出海底扩张说的提出 海底扩张说的验证海底扩张说的验证 海底扩张说的要点海底扩张说的要点 六十年代初，美国地质学家赫斯（Hess, 1962）和迪茨（Dietz, 1961）提出了首次提出了“海底扩张海底扩张” 的概念。基本理论：基本理论： 大洋中脊顶部是地幔物质上升的涌出口；上涌的地幔物质冷凝形成新的洋底，并推动先形成的洋底逐渐向两侧对称地扩张； 洋底移动速度大约是每年几个厘米； 海沟是地幔对流下降区，洋底在中脊处产生，而在海沟处下沉。 大洋在不断的形成、消亡和更新。 二战后，工业较发达的西方各国出于军事、资源与能源等方面的考虑，开展了广泛的海底地形与地质调查。例如，利用回声测

2、深等高精度的水深测量方法研究海底地形并绘制精确的海底地形图；用重力、地震、地磁以及地热等地球物理勘探方法研究海底的地质构造特征等。到60代初，海底调查已获得了大量新成果与新资料，为海底扩张说的建立准备了条件。其中比较重要的有下述几个方面。洋底地貌探测结果表明，洋底并非过去人们所想象的那洋底地貌探测结果表明，洋底并非过去人们所想象的那样是简单的深海盆地，而是和陆地一样高低不平，而样是简单的深海盆地，而是和陆地一样高低不平，而是存在特殊的地形特征。是存在特殊的地形特征。 大洋中脊：中央海岭大洋中脊：中央海岭 (Mid-Ocean Ridge) -大西洋大西洋17000公里公里, 环球环球80000

3、公里公里 洋盆洋盆(Ocean Floor) -深海平原，海山，平顶海山深海平原，海山，平顶海山 大陆边缘大陆边缘 (Continental margin)-大陆架；大陆坡；大陆基大陆架；大陆坡；大陆基 海沟海沟(Trench) 50年代晚期发现了纵观世界大洋洋底的大洋中脊和裂谷体系。在洋中脊轴部常发育有平行洋脊的巨大中央裂谷，谷深可达1000-2000m，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。这种张性断裂作用造成的谷地，显示洋中脊附近存在巨大的张力作用。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，反映中

4、脊轴部是地热的排泄口和深部岩浆物质上涌的地方。深海盆地 深海平原 深海丘陵 海岭洋底地壳的新认识洋底地壳的新认识洋底地壳（三层结构）：洋底地壳（三层结构）：第一层为沉积层：主要为深海红粘土、第一层为沉积层：主要为深海红粘土、钙质、硅质软泥等。洋底沉积层厚度不钙质、硅质软泥等。洋底沉积层厚度不一，由顶部向大洋边缘方向逐渐加厚。一，由顶部向大洋边缘方向逐渐加厚。中脊顶部沉积极薄或缺失；中脊斜坡约中脊顶部沉积极薄或缺失；中脊斜坡约200200米；洋盆边缘的沉积厚度可达米；洋盆边缘的沉积厚度可达1 12 2公里。公里。第二层为火山岩层：表面极不平坦，厚第二层为火山岩层：表面极不平坦，厚度变化较大，平均

5、厚度约为度变化较大，平均厚度约为1.71.7公里。公里。上部为低钾的拉斑玄武岩，夹深海沉积上部为低钾的拉斑玄武岩，夹深海沉积物的枕状熔岩及玻璃质碎屑岩，越向下，物的枕状熔岩及玻璃质碎屑岩，越向下，夹层越少。其底部为席状岩墙群。夹层越少。其底部为席状岩墙群。第三层为玄武岩层第三层为玄武岩层( (辉长岩辉长岩) )：平均厚度：平均厚度为为4.94.9公里，构成了大洋地壳的主体。公里，构成了大洋地壳的主体。主要有辉长岩、角闪岩及蛇纹石化橄榄主要有辉长岩、角闪岩及蛇纹石化橄榄岩组成。岩组成。 熔融的岩浆在大洋中脊喷溢而出，形成海底火山。随时间迁移，地幔对流将火山岛缓缓地从大洋中脊向两侧推开，同时火山岛

6、的年龄从沿洋中脊向外逐渐变老1.1.大陆型地壳大陆型地壳;2.;2.过渡型地壳过渡型地壳;3.;3.大洋型地壳大洋型地壳;4.;4.拉张拉张裂谷阶段的粗碎屑裂谷阶段的粗碎屑+ +拉斑玄武岩沉积拉斑玄武岩沉积;5.;5.拉斑玄武拉斑玄武岩岩+ +钙碱性火山岩钙碱性火山岩+ +磁铁矿沉积磁铁矿沉积;6.;6.大陆边缘碎屑大陆边缘碎屑岩岩+ +碳酸盐岩沉积碳酸盐岩沉积美国东部（巴尔西摩海槽）地壳剖面美国东部（巴尔西摩海槽）地壳剖面（Grow and Sheridan,1988Grow and Sheridan,1988） 大西洋型大陆边缘大西洋型大陆边缘 岛弧岛弧-海沟系；安第斯型海沟系；安第斯型海

7、沟分布在大洋边缘，主要见于太平洋及印度洋东北部海沟分布在大洋边缘，主要见于太平洋及印度洋东北部边缘，沿大陆边缘的岛弧或海岸山脉线状延伸。其剖边缘，沿大陆边缘的岛弧或海岸山脉线状延伸。其剖面多呈面多呈V V字形，沟底深度一般大于字形，沟底深度一般大于6000m6000m，深者可达，深者可达10000m10000m以上。若计算沟底与岛弧或海岸山脉的相对高以上。若计算沟底与岛弧或海岸山脉的相对高差，可达差，可达13000m13000m以上。所以海沟附近是地球上高差最以上。所以海沟附近是地球上高差最为悬殊的巨型地形单元。为悬殊的巨型地形单元。海沟的地热流比正常洋盆显著低，说明海沟下面的物质海沟的地热流

8、比正常洋盆显著低，说明海沟下面的物质比较冷。海沟附近是最强烈的构造活动带，如沿太平比较冷。海沟附近是最强烈的构造活动带，如沿太平洋边缘的海沟及其附近，形成著名的环太平洋火山带洋边缘的海沟及其附近，形成著名的环太平洋火山带与地震带。与地震带。在环太平洋地震带中，地震震源深度变化很有规律：海沟附在环太平洋地震带中，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，最深达陆内部则出现深源地震，最深达720720kmkm，震源排列成为一震源排列成为一个由海沟向大陆方向倾斜的带个由海沟向大陆方向倾斜的

9、带。海沟附近的这种震源排列。海沟附近的这种震源排列形式是形式是5050年代美国学者贝尼奥夫发现的，故称为年代美国学者贝尼奥夫发现的，故称为贝尼奥夫贝尼奥夫地震带地震带。这种现象说明，沿大陆边缘的海沟存在着倾向大。这种现象说明，沿大陆边缘的海沟存在着倾向大陆的、正在活动的巨大断裂带。陆的、正在活动的巨大断裂带。在不同海区，海底扩张可有两种情况。 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。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，大约二亿年便可形成。

10、 另一种情况是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。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，大约2亿年左右洋底就可以更新一次。 海底扩张说提出后的短短几年时间里，新的研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。其中最有意义的是最有意义的是海底磁异常条带研究、深海钻探成果海底磁异常条带研究、深海钻探成果及转换断层及转换断层的发

11、现，它们被称为验证海底扩张说的的发现，它们被称为验证海底扩张说的三大论据。三大论据。a. a. 条带状海底磁条带状海底磁异常基本特征：异常基本特征：正反向地磁条带相间排列，每一条宽度仅2030公里，长数百到千公里，异常强度约400伽玛左右；：显著定向，平行洋脊；：以洋中脊为轴，对称分布；。 瓦因瓦因(F.J.Vine)&马休斯马休斯(D.H.Matthews,1963)假说假说： 海底磁异常条带海底磁异常条带在正反向交替的地磁场中，形成交替磁化的玄在正反向交替的地磁场中，形成交替磁化的玄武岩条带。武岩条带。 当新的大洋岩石圈地幔物质的上涌冷凝形成新的海底，一旦冷却当新的大洋岩石圈地幔物

12、质的上涌冷凝形成新的海底，一旦冷却到居里温度以下，新生的洋底玄武岩层必定沿着当时的地磁场方到居里温度以下，新生的洋底玄武岩层必定沿着当时的地磁场方向磁化（如果地磁场是正常的，则获得正向磁化，如果地磁场极向磁化（如果地磁场是正常的，则获得正向磁化，如果地磁场极性反转，磁化就是反向的）。随着海底扩张的继续进行，先成的性反转，磁化就是反向的）。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，由于海底不断磁性地壳将被新生的磁性地壳向两侧推开。于是，由于海底不断扩张和地磁场周期性地转向，正反磁化方向交替的洋壳就会从洋扩张和地磁场周期性地转向，正反磁化方向交替的洋壳就会从洋中脊轴

13、部不断向外推移，形成平行并对称于洋中脊分布的磁异常中脊轴部不断向外推移，形成平行并对称于洋中脊分布的磁异常条带。条带。瓦因（瓦因（F.J.VineF.J.Vine）马休斯）马休斯(D.H.Matthews,1963)(D.H.Matthews,1963)假说检验假说检验 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。断裂带多已成为很深的沟槽，在海底地貌图上十分清楚。这种巨大规模的横向断层早在50年代即已发现，曾被认为是一般的平移断层，并用以证明地壳中存在巨大规模的水平运动。但其实际意义远不止于此。加拿大学者威尔逊（Wilson,1965）指出，

14、这种横断中脊的断裂带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（transform fault）。南大西洋大洋中脊彩色阴影地形图 J. Tuzo Wilson, 1965, A new class of faults and their bearing on continental drift, Nature, 207, p.343 J. Tuzo Wilson, 1965, Transform faults, ocean ridges, and magnetic anomaly southwest of Vancouver island, Scienc

15、e, V.150, p482-4853132John Tuzo Wilson(1908-1993) made major contributions to the development of the plate-tectonics theory in the 1960s and 1970s. He remained a dominant force in the Canadian scientific scene until his death. (Photograph courtesy of the Ontario Science Centre)板块的边界；转换断层是伴随着洋中脊分布的一种

16、剪切运动的断层，其延伸方向常常与洋中脊垂直，长度为数百公里。在转换断层中，由于洋中脊本身在向两侧扩张，因而在转换断层两侧被洋中脊限制的这一部分（图中的A、B段）的实际相对运动正好与洋中脊整体所表现的错动方向相反。转换断层的运动在断层的两个端点截然终止，将一种运动转换为另外一种运动。如裂谷处的伸展运动，或者造山带的挤压运动。33转换断层平移断层34J. Tuzo Wilson, 1965，ScienceABCD典型的大洋转换断层连接分离的板块边界。活动断层带出现在板块边界之间；之外的区域，仅是一个破碎带。35 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

17、断了洋底的重力和磁异常条带。转换断层的形成与沿洋中脊脊轴扩张和新洋壳的形成相伴而生，即以脊轴为海底扩张轴，两侧洋壳分离，并以断裂为剪切错动面同步地相对运动。通常认为，这一过程的动力来源于地幔对流。地幔物质不断从洋中脊涌出，经过冷却固结形成新的大洋地壳，以后涌出的熔融岩浆又把原先形成的大洋地壳向外推移。转换断层的存在是海底扩张的有力证据之一。它的提出也为板块构造学奠定了重要的理论基础。36 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。19681968年深海钻探第三次在南大西年深

18、海钻探第三次在南大西洋的钻探结果证实了海底扩张说洋的钻探结果证实了海底扩张说洋底物质组成不同于大陆，未发现老于侏罗纪的岩石，岩石年龄从洋中脊向两侧逐渐变老，并且以洋中脊为轴两边对称。（据（据W.C.PitmanW.C.Pitman等，等，19941994） 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。 vd/t 全球海底扩张速率和扩张方向图全球海底扩张速率和扩张方向图东太平洋海隆，东太平洋海隆，v=4-6cm/yv=4-6cm/y印度洋中脊，印度洋中脊，v=1-3cm/yv=1-3cm/y大西洋中脊