地球岩石圈板块构造及其划分7.docx
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地球岩石圈板块构造及其划分7
地球岩石圈
板块构造及其划分(7)
胡经国
第三节板块运动与板块划分
一、板块构造学说的诞生
㈠、板块构造学说概述
大地构造学是以整个地球作为研究对象的构造地质学科。
由于研究者研究的侧重点不同,因而大地构造学有许多学说或学派。
板块构造学说就是其中的重要学说或学派之一。
在板块构造学说以前的大地构造假说基本上是固定论——不承认地壳-岩石圈有过大规模的水平运动,其运动方式主要是以垂向为主,认为在地质历史中海洋和陆地面貌没有根本变化。
板块构造理论是由大陆漂移说、海底扩张说引伸、发展起来的一种大地构造理论。
它研究不同类型超岩石圈断裂系统导致的大陆解体、大陆漂移、海底扩张、岩石圈消减、板块碰撞等构造活动,探讨大洋和大陆的演化历史和动力来源等大地构造重要内容和前沿课题。
㈡、魏格纳和大陆漂移学说
1、魏格纳生平简介
AlfredLotherWegener(魏格纳),1880-1930,德国气象学家、地球物理学家和探险家。
1880年11月1日生于柏林。
1905年,获柏林大学天文学博士学位。
1908年,德国马尔堡大学天文学和气象学讲师。
1924年,获奥地利格拉茨大学气象学和地球物理学教授。
1906年,格陵兰探险(两年);1912年,第二次格陵兰探险;1929-1930年,第三次格陵兰探险;1930年,第四次赴格陵兰探险时遇难。
2、魏格纳之前的活动论思想
⑴、非洲西海岸和南美洲东海岸的岸线吻合
1620年,英国人F.培根注意到了非洲西海岸和南美洲东海岸的岸线吻合。
⑵、南美洲和非洲一度先合后分
1658年,法国R.P.F普拉塞认为,南美洲和非洲曾一度相连而后来又分开了。
⑶、南半球冈瓦纳大陆的提出
19世纪末,Suess注意到,南半球各大陆上的岩层非常一致,因而将它们拟合成一个单一的大陆——冈瓦纳大陆。
3、魏格纳大陆漂移理论的提出
1910年,生病卧床休息的魏格纳,聚精会神地望着墙上的一张世界地图,突然产生了大陆漂移的想法。
此后,他通过查阅各种资料,于1912年提出了大陆漂移理论,并且于1915年在发表的《海陆起源》一书中对该理论作了论证。
4、魏格纳大陆漂移学说的主要依据
⑴、海岸线
大西洋两岸的海岸线相互对应,可以拼合。
1910年,魏格纳突然发现,大西洋两岸的南美洲东海岸和非洲西海岸的海岸线之间相互对应,简直就可以拼合在一起。
⑵、地层、岩石和构造
南美洲和非洲、欧洲在地层、岩石和构造上相互呼应,特别是地层和构造的延续。
在泛大陆分离以后,南极洲、澳大利亚、南美、非洲、印度等地都出现了同一套地层。
舌羊齿化石就是在这套地层中发现的。
⑶、古生物学
相邻大陆、特别是大西洋两岸古生物群具有亲缘关系,如中龙、舌羊齿。
晚古生代中龙属在南美洲和非洲出现,暗示在那个时期这两个大陆曾连在一起。
被大洋隔开的南极洲、南非和印度的中龙和迷齿类动物群具有惊人的相似性。
广布于澳大利亚、印度、南美、非洲大陆晚古生代地层中的古植物化石舌羊齿。
⑷、冰川分布
南美洲、非洲中部、南极洲和印度、澳大利亚等,都发生过广泛的冰川作用;上述很多地区现今却处于赤道附近的热带。
相反,北半球(除印度外)同时期没有同时代的冰川遗迹。
冰川分布证据,如冰川沉积分布,依据冰川沉积复原大陆,石炭-二叠纪大陆冰川遗迹。
⑸、实测
魏格纳还实测了格陵兰和欧洲的距离,发现其距离在扩大。
5、古地磁学与大陆漂移
⑴、磁化-剩磁
某些岩石形成时在地球磁场中变成磁化岩石,保存并记录了当时的地球磁场特征。
⑵、岩石剩余磁性的研究
岩石的剩余磁性反映了岩石形成时地磁场的方向。
通过岩石剩余磁性的研究,可以追溯地史时期地球磁场的特征和变化历史。
这是古地磁学研究的目的。
⑶、大陆漂移的古地磁证据
1945-1959年,地球古磁场研究提供大陆漂移的证据。
根据岩石标本的磁化方向,由古地磁可判断古经线方向。
根据岩石标本的磁倾角,可以算出标本产地成岩时的古地磁纬度。
把不同时代的磁极位置标注在地图上,可以得到古地磁极的迁移轨迹。
若没有大陆漂移,则全球就只有一条极移轨迹。
但是,事实上,各大陆具有不同的极移轨迹,这表明它们相互之间发生过相对位移。
由于大陆漂移,岩石的位置移动了,因而根据岩石测出的相应古磁极位置也发生了位移。
实际上,磁极并没有发生迁移,而是相对于移动的大陆而言,所以上述得出的极移轨迹称为视极移轨迹。
它是古大陆重建的重要依据。
1962年,Runcorn做出了北美和欧洲的极移曲线,提出大陆裂离时,极移曲线分离。
6、魏格纳大陆漂移学说存在的问题
⑴、无法合理解释大陆漂移的机制问题
魏格纳大陆漂移学说一经提出,引起了激烈的争论。
尽管大陆漂移学说合理地解释了许多古生物、古气候、地层和构造等方面的事实,但是限于当时的认识水平,占地球面积71%的海洋缺乏洋底地质资料,无法合理解释大陆漂移的机制问题。
⑵、认为硅铝质大陆漂浮在硅镁质岩浆之中
魏格纳从地壳均衡观点出发,认为较轻的硅铝质大陆漂浮在较重的硅镁质岩浆之中,就像木头、冰块漂浮在水中一样。
⑶、驱动力问题
关于驱动力,魏格纳提出了与地球自转有关的两种力:
向西漂移的潮汐力和指向赤道的地球自转离心力的水平分力——离极力。
1924年,地球物理学家Jeffreys针对魏格纳大陆漂移学说,定量计算了离极力和潮汐力,证明硅镁层不能流动;魏格纳提出的驱动力太小,不足以推动大陆在硅镁层上运动。
1926年,AAPG专门组织了一次讨论会,会上大多数反对这一学说,认为“是一个怪人提出来的假说”。
其反对的主要理由仍然是大陆漂移的驱动力问题。
1930年11月,魏格纳去世后,这一学说实际上衰落了。
㈢、赫斯与海底扩张学说
1、赫斯生平简介
赫斯(HarryHammondHess),美国地质学家。
二战期间,任美国太平洋战争时期凯普·约翰逊号船长,用声纳对海底做了不间断的观测。
1946年,发现水下平顶山。
二战后,普林斯顿大学教授。
1957年2月26日,在听拉蒙特的美国学者B.C.Heezen报告大洋中脊的发现时,他当即指出:
你动摇了地质学的基础。
1960年,口头发表,并于1962年正式发表《海盆的历史》一文。
2、赫斯与海底扩张说
美国地质学家赫斯(H.H.Hess)和地球物理学家迪茨(R.S.Dietz),于1961-1962年,提出了大洋成因假说。
他们认为,大陆裂谷拉张、加宽而形成大洋。
当海洋中的这个裂谷即洋中脊继续向两侧扩展时,深部软流圈高温熔融岩浆就会沿着洋中脊上升形成新洋壳;继之新的熔浆又会沿着新洋壳上升活动形成更新的洋壳;而洋盆不断向两侧扩张。
因此,这一学说称为海底扩张说。
3、赫斯的海底扩张模式
⑴、地球早期对流循环
地球早期对流循环导致大陆物质与地幔和地核物质分离。
⑵、地球后期对流循环
地球后期对流循环只有地幔发生对流;上涌流导致大洋中脊,下降流导致大洋海沟。
①、大洋中脊
由于温度升高和物质破裂,因而地震速度减慢。
沉积物随远离中脊而堆积增厚。
②、海沟作用
沉积物在对流室上面熔融,形成火山。
4、赫斯的海底扩张与早期大陆漂移的区别
⑴、赫斯认为,大陆漂移是对流作用的直接结果,大陆被动地受到内部对流作用的推动。
⑵、早期的大陆漂移说认为,大陆像船一样,排开洋底物质而运动,因此遭到地球物理学家的反对。
⑶、赫斯模式已经基本接近板块构造理论,是板块构造理论发展过程中最重要的基础阶段之一。
5、支持海底扩张的证据
⑴、海底地磁学(水平);沉积物、岩石磁学(垂直)。
⑵、海底火山、洋中脊。
⑶、转换断层。
⑷、地球物理异常、地震等。
⑸、年代学。
6、地磁场倒转
⑴、地磁场方向的周期性倒转
在不同时代的磁化岩石中,记录着各自岩石形成时当地的磁场。
通过对不同年龄古地磁磁性的研究证实,在整个地质历史中,地球磁场方向曾按一定时间间隔发生长短不同的周期性倒转,即磁北极与磁南极相互颠倒。
⑵、地磁场方向倒转分期
岩石的化石磁性,标志着岩石形成时的地磁场方向。
0-69万年,布容正向期;70-243万年,松山反向期;243-332万年,高斯正向期;332-450万年,吉尔伯特反向期。
各期内部存在时间间隔更短的转向“事件”。
⑶、地磁场方向倒转所需时间
地磁场完成一次转向,大约需要12千万年或更多。
在这个期间,地磁场逐渐减弱。
在地磁场转向以后,维持一定极向不变的时间一般大于1万年。
7、大洋地壳磁场倒转
当洋中脊热地幔岩浆上涌并迅速冷却时,其中的铁磁性矿物会发生磁化。
当温度下降到接近450℃时,磁性矿物中的原子就受到当时地磁场的控制而作定向排列;每一颗磁性矿物就变成为一个极性与地磁场平行的小磁石。
所以,在熔融岩浆冷却以后,总体保留了它从500℃降到450℃时地磁场的记录。
随着洋中脊的扩张,洋底磁异常便平行延伸,并且对称地排列于洋中脊的两侧,形成正、负异常相间排列的磁异常条带。
8、洋底磁异常条带
大洋磁异常的显著特点:
正负磁异常条带相间排列。
正负磁异常条带沿大洋中脊延展;只有遇到大断裂带时,磁异常条带才被切断错开。
每条磁异常条带长约数百公里,宽度一般为几十公里。
20世纪50年代,美国加利福尼亚大学的斯克里普斯海洋研究所梅森(R.Mason)首先注意到,太平洋东北部存在条带状磁异常,但是未能对它的成因做出令人信服的解释。
大约5年,条带状磁异常一直是一个谜。
㈣、瓦因和马修斯关于洋底磁异常形成假说
F.J.瓦因1962年还是剑桥大学以拉布德为首的海洋研究组研究生。
当年11月乘欧文号考察船参加了印度洋卡尔斯伯格海岭的地磁考察。
D.H.马修斯博士当时是瓦因的研究顾问。
他与瓦因同住一套住房,反复研读赫斯关于海底扩张的论文,并且解释印度洋磁测成果,还分析了大西洋和太平洋的有关资料。
1、洋底地磁学研究与海底扩张假说
1963年,英国瓦因(F.J.Vine)和马修斯(D.H.Matthews),以海底扩张假说为基础,运用磁极倒转的资料,成功地解释了太平洋洋中脊对称分布的磁异常条带现象。
他们指出,当洋中脊裂谷处形成新洋壳并且冷却向两侧不断扩张时,就能记录下交替变化的磁异常条带从洋中脊向大洋边缘排列的特征。
这一卓见说明,在大西洋、印度洋和太平洋中都有完全相似的磁异常图形。
2、瓦因和马修斯的洋底磁异常
⑴、洋底磁异常条带不是由于磁化强度不均引起的,而是在地磁场转向的背景下,海底不断新生、不断扩张所造成的。
⑵、地幔物质不断从大洋中脊顶部涌出,形成新的洋底,当它冷凝至居里温度以下时,便会按当时的地磁场方向被磁化。
⑶、随着海底扩张,先形成的洋底向两侧推开,洋中脊顶部又涌出新的洋底;若这时地磁场发生转向,则新洋底便会在相反的地磁场方向下被磁化,形成与先前形成的洋底磁化方向相反的一条海底岩石条带。
⑷、地磁场反复转向,新洋底沿洋中脊顶部不断形成和扩张,就在洋底留下了一系列磁化方向正反相间的岩石条带。
⑸、正向磁化岩石条带加强了那里的地磁场强渡;而反向磁化岩石条带则抵消了一部分那里的地磁场强渡。
3、地磁场极向年(代)表
自1950年代末期以来,广泛使用钾-氩法测定具有正向或反向磁化岩石的年龄。
到1964年,美国科克斯(A.Cox)提出数百万年来的地磁场极向年(代)表。
1965年,瓦因和加拿大威尔逊发现,东北太平洋温哥华岛外一条洋中脊上的海底正、负磁异常的排列、宽度与极向年表一一对应。
并且,将按极向年表计算海底磁异常的模型与实测剖面进行对比,发现二者非常一致。
后来发现,这种一致性,在东太平洋海隆、大西洋中脊、印度洋中脊的许多地方也同样存在。
4、海底扩张速率
⑴、洋底向两侧扩张的速度是相等
1965年,海茨勒(J.R.Heitzler)等提交了北大西洋雷克雅内斯洋中脊(冰岛南面)的磁异常探测成果。
该磁测结果表明,这里的磁异常条带沿洋中脊的走向延伸,而且对称分布于洋中脊轴的两侧。
这有力地支持了瓦因-马修斯假说,也反映出洋底向两侧扩张的速度是相等的。
⑵、地磁场在地史时期频繁倒转
用大陆熔岩测得地磁场反转年代的间隔为数万年至数十万年的时间。
洋底磁异常条带记录其反转宽度为数公里至数十公里的水平距离。
深海岩芯记录反转磁化段为几厘米至几米的厚度。
研究发现,不同地区这三种独立的单位以同比例变化,证实地磁场在地质历史时期曾频繁倒转。
⑶、海底扩张平均单侧运动速率计算及其结果
根据洋中脊磁异常条带顺序和极性的反转年代表,就能算出海底扩张平均单侧运动速率。
以某特定磁异常条带与洋中脊的距离,除以相应的极性期界限年代,即可得海底扩张平均单侧运动速率。
研究表明,5Ma以来,有关洋域的海底扩张具有大致不变的速率。
两侧具有俯冲边界的洋中脊扩张速率,远大于两侧不具有俯冲边界的大西洋的扩张速率。
南大西洋扩张速率比北大西洋大1倍。
㈤、深海钻探验证海底扩张
1、深海钻探概况
1961年,美国实施莫霍计划,卡斯1号在东太平洋瓜达卢佩岛附近海域钻了5口井;水深2558米,最大井深183米;钻杆穿过海底沉积层,钻头遇到玄武岩基底,钻头迅速磨坏;起换钻头,找不到原来的钻孔,仅一次钻进。
1966年,美国的斯克里普斯海洋研究所、伍兹霍尔海洋研究所、哥伦比亚的拉蒙特地质研究所和Miami大学海洋研究所,制定“深海钻探计划DSDP”。
1968年开始,“格罗玛·挑战者”深海钻探船,在世界各大洋进行了广泛的钻探和取样。
钻探能力水面下7600米(后期加深至8200米);采用了动力定位系统、重返钻孔系统。
2、深海钻探进展
1968年8月至1983年11月,实施“深海钻探计划DSDP”。
“格罗玛·挑战者”深海钻探船,历时15年,共完成96航次,航程60万公里;624个钻位,钻井1029口,取岩芯9500余米。
为验证海底扩张和板块构造立下了丰功伟绩。
1975年,苏联、德国、日本、英国、法国等相继加入,成为规模空前的轨迹合作计划。
1985-2003年,“大洋钻探计划(ODP)”,“乔迪斯·决心”号实施。
2003-2013年,“综合大洋钻探计划(IODP)”。
3、深海钻探发现
⑴、深海钻探采得的最老沉积物年龄都小于1.7亿年。
洋底地壳的更新和破坏过程是全球性的。
⑵、深海钻探还发现,洋底沉积物的厚度自洋中脊轴部向两侧逐渐增大,一般由0增加到13000米左右。
⑶、南大西洋南纬30°附近,垂直于大西洋中脊走向布列9个钻探站位,选在磁异常条带最明晰的地方。
1970年发现,在这些钻孔中覆盖在玄武岩基底上的最老沉积物年龄,与磁异常条带预测年龄惊人地一致。
洋底地层的年龄以大洋中脊顶部为对称轴,向远离洋中脊的两边有规律地增大,年龄与距离成正比关系。
计算得到,洋底以2厘米/年的单侧扩张速率相当均匀地扩张。
⑷、以后,太平洋和印度洋的钻探获得同样的结果。
⑸、其他发现。
4、深海钻探沉积岩芯磁性研究
⑴、深海岩芯化石磁性的研究
采得的10~15米或更长岩芯样品,具有数百万年的沉积历史。
⑵、岩芯厚度与洋底磁异常条带宽度成正比
1966年,奥普代克(N.D.Opdyke)等首先发现,深海沉积岩芯也具有正、反交替的磁化方向,各段的厚度与洋底磁异常条带的宽度成正比,即与地磁场极向年表中正向段和反向段的时间间隔成比例。
⑶、三种磁性数据
用陆上熔岩测出的涉及几万年或几十万年的时间;洋底磁异常条带测得的涉及数十公里的水平距离;深海岩芯测得的涉及几个厘米的垂直距离。
相互独立的磁性测量数据,呈现等同的比例,用来证实海底扩张说的“三位一体”。
㈥、皮特曼和拉森的大洋底磁异常年轮
1、世界各大洋磁异常分布格局
1967年,拉蒙特地质研究所海茨勒、皮特曼(W.C.Pitman)等,搞清楚了磁异常在世界各大洋的分布格局。
假定海底扩张速率恒定,把磁场倒转年表外推到8000万年前,鉴定出171次倒转,分成32个磁异常(后来增加为33、34个)。
2、得到1.6亿年来地磁场转向时间尺度
20世纪70年代初,拉蒙特地质研究所拉森(Larson),根据西太平洋的磁异常资料,利用深海钻探资料,外推侏罗纪晚期到白垩纪早期地磁场的转向历史,得到1.6亿年来地磁场转向时间尺度。
3、世界洋底年龄图
1974年,根据大洋底磁异常条带的展布及深海钻探对磁异常年龄的验证,皮特曼和拉森编制了大洋洋底年龄图。
1985年,他们又发表了新的世界洋底年龄图,即表明大洋底年轮的磁异常图(大洋底磁异常图-洋底年代-扩张速率)。
得到太平洋单侧海底扩张速率为3~8厘米/年;大西洋、印度洋单侧海底扩张速率为1~2厘米/年。
㈦、威尔逊与转换断层
1、威尔逊与转换断层的发现
1965年,加拿大多伦多大学地质地球物理学教授J.T.Wilson(威尔逊)提出转换断层。
1967年,又提出威尔逊旋回。
他是海底扩张说和板块构造说的先驱者和开拓者。
威尔逊与瓦因合作,以东北太平洋的磁异常条带为例,对瓦因-马修斯假说做出了令人折服的论证。
他曾多次来中国访问。
1971年,向中国同行介绍了新学说。
1952年,美国海洋地质学家孟纳德(H.W.Menard)和迪茨,在太平洋东北域发现了大洋中第一条断裂带——门多西诺断裂带。
它与胡安-德富卡洋中脊近于垂直,类似横断层效应。
大洋中脊峰顶在断裂带两边错开一定距离,同时洋中脊两侧的磁异常条带也被水平错开。
后来,在各大洋内,陆续发现了很多类似的断层。
这也是地球表层大规模水平运动一个很明显的证据。
这种横向断裂带看上去很像平移断层。
1955年,加拿大威尔逊指出,这种与洋中脊直交的断裂带,并不是平移断层,而是从洋中脊轴部向两侧的海底扩张引起的相对运动——“转换断层”。
2、威尔逊与转换断层与板块术语的创立
1965年,威尔逊在剑桥,与剑桥的布拉德、马修斯、瓦因以及普林斯顿的赫斯讨论,并且在《Nature》发表文章,首次创立“转换断层”术语,而且提到“板块”一词。
指出,在中脊与中脊、中脊与岛弧(海沟)以及岛弧与岛弧之间,都可以由转换断层连接起来,首尾相连的活动带把整个地球表层分割成若干巨大的板块。
如果洋底的横向大断裂确实是转换断层,那么地震应发生在中脊轴之间的错动地段。
事实如此,在其外面的地段,基本没有地震发生。
1966年,美国拉蒙特地质研究所的赛克斯(L.R.Sykes),分析了大洋中脊系统所发生的17个地震的震源机制。
结果表明,所有洋底断裂带上的地震震源机制分析得出的断层错动方向,与威尔逊所预测的方向即转换断层的方向一致。
转换断层由海底扩张引起,错动方向是海底扩张方向。
转换断层概念的确立,标志了海底扩张学说已获得了广泛的承认。
而且,为板块构造说的建立提供了科学依据。
㈧、板块构造的提出
㈠、板块构造说概述
威尔逊于1965年首先提出了“板块”一词。
Morgan、Parker等人于1968年首次提出了“板块构造”一词。
大陆漂移说、海底扩张说和板块构造说之间是继承的关系,是一个逐渐完善的过程。
板块构造说涉及到了全球的构造及其演化,是地球构造理论上的重大突破。
板块构造说认为,地球最上部分是岩石圈和软流圈;岩石圈可以漂浮在软流圈之上作测向运动;地球表层刚性的岩石圈并不是“铁板一块”,它被一系列构造活动带分割成大小不等的球面板状块体,每一个构造块体称为岩石圈板块,简称板块。
在板块构造理论初创时,共分为六大板块,即:
欧亚板块、太平洋板块、美洲板块、非洲板块、印度-澳大利亚板块、南极洲板块。
㈡、岩石圈板块与板块构造学
位于软流圈之上的刚性岩石圈,被一些断裂带分割成许多既不连续、又相互镶嵌起来的球面块体,每一个球面块体相对于地球半径来说很薄而呈板状,因此称为岩石圈板块,简称板块。
岩石圈板块在其下的上地幔软流圈的对流运动带动下,不停地边生长、边移动、边消亡。
板块与板块之间彼此分离、或相向滑动和俯冲,结果在板块边界上形成火山、地震、海沟、岛弧、造山带以及各种形式的褶皱和断裂构造。
研究岩石圈板块的学科称为全球构造学或岩石圈板块构造学,简称板块构造学。
2018年5月8日编写于重庆
2020年5月21日修改于重庆
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