大地構(gòu)造課件第五講板塊構(gòu)造理論

大地構(gòu)造課件第五講板塊構(gòu)造理論第一頁，共四十三頁，2022年，8月28日七、板塊的運動板塊運動的核心是海底擴(kuò)張。巖石圈板塊從中脊軸部向兩側(cè)不斷擴(kuò)張推移，在海溝處俯沖潛沒，頗如一巨大的傳送帶。海底擴(kuò)張和大陸漂移可以用板塊運動的形式表達(dá)出來。第二頁，共四十三頁，2022年，8月28日1、關(guān)于板塊的剛性

在描繪板塊運動時，通常認(rèn)為板塊具有剛性，表現(xiàn)在：●板塊能在很長距離內(nèi)傳遞應(yīng)力，其內(nèi)部并不發(fā)生顯著的塑性形變；●洋底沉積物未受輕微變形，形變主要發(fā)生在板塊邊緣；●大陸拼接非常理想，指示板塊在位移時很少形變。

但是認(rèn)為巖石圈板塊具有絕對的剛性是不合適的，如碰撞帶大規(guī)模的褶皺變形、內(nèi)陸地震、構(gòu)造活動和火山作用等。第三頁，共四十三頁，2022年，8月28日2、板塊的擴(kuò)張增生與壓縮消亡之間的補償沿著大洋中脊軸部，地幔物質(zhì)上涌形成新的巖石圈，巖石圈通過俯沖消減來維持平衡。每年新生巖石圈2平方公里，每年也有2平方公里的巖石圈被俯沖銷毀。第四頁，共四十三頁，2022年，8月28日3、板塊沿球面的旋轉(zhuǎn)運動如果我們把板塊當(dāng)作剛體來處理，而且地球半徑不變，那么，板塊的運動嚴(yán)格遵循球面運動的歐拉定律⑴歐拉定律1776年，瑞士數(shù)學(xué)家歐拉（E.Euler）指出，一個鋼體沿半徑不變的球面的運動，必定是環(huán)繞通過球心的軸的旋轉(zhuǎn)運動。在球體表面，任何一點的移動都不是沿著直線，而是弧線；如果這種移動表現(xiàn)為復(fù)雜的曲線形式，那么它的移動軌跡將由許多圓弧小段組成。板塊的運動遵循歐拉定律（板塊沿球面的旋轉(zhuǎn)運動圖片及兩板塊的相對運動圖片）。第五頁，共四十三頁，2022年，8月28日板塊的球面運動，遵循歐拉定律第六頁，共四十三頁，2022年，8月28日⑵求旋轉(zhuǎn)極板塊的旋轉(zhuǎn)運動主要由板塊的旋轉(zhuǎn)軸的位置和旋轉(zhuǎn)角速度來確定。轉(zhuǎn)換斷層標(biāo)識出歐拉緯線的走向，沿球面作這些緯線的垂線即可得出歐拉經(jīng)線，歐拉經(jīng)線交點的位置，就是旋轉(zhuǎn)極的位置，為此可以求出兩板塊相對運動的旋轉(zhuǎn)極（圖片）美洲和非洲板塊相對運動的旋轉(zhuǎn)極第七頁，共四十三頁，2022年，8月28日⑶求旋轉(zhuǎn)角速度只要已知板塊上任何一點的線速度值，同時求出該點的歐拉緯度，便可求出旋轉(zhuǎn)角速度：式中ω為角速度（單位：度/年），V是線速度（厘米/年），R是地球半徑，單位厘米，θ為歐拉緯度。第八頁，共四十三頁，2022年，8月28日為了檢驗板塊繞極的旋轉(zhuǎn)運動，勒皮雄以板塊旋轉(zhuǎn)極為投影極，作了一系列墨卡托投影圖。在這種圖上，經(jīng)線和緯線相互垂直，都是直線（圖）。第九頁，共四十三頁，2022年，8月28日4、板塊相對運動速度的測定

測定相對運動線速度的方法，主要有以下幾種：●瓦因-馬修斯法磁異常條帶的寬度和該條帶時間跨度的比值●地形法洋底水深的變化是洋底年齡的函數(shù)，據(jù)此，可以從洋底水深的變化或中脊兩翼的坡度求板塊的擴(kuò)張深度●貝尼奧夫帶長度法貝尼奧夫帶長度與板塊的俯沖速度成正比，根據(jù)貝尼奧夫帶的長度來估算俯沖的速度（圖）?！翊蟮販y量法激光測距、GPS測距第十頁，共四十三頁，2022年，8月28日第十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日●貝尼奧夫帶長度法第十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日5、板塊的三聯(lián)結(jié)合點在板塊的分布圖上，?？梢姷饺龡l板塊邊界相交于一點，這個點與三個板塊相鄰接，叫做板塊的三聯(lián)結(jié)合點（或三聯(lián)點）。任何一對板塊間的邊界總是以三聯(lián)點作為端點。與三聯(lián)點相接的板塊邊界，可以是分離型、會聚型或轉(zhuǎn)換型邊界。在理論上，這三類邊界可組合成十六種不同的三聯(lián)點。如以R代表裂谷，T代表海溝，F(xiàn)代表轉(zhuǎn)換斷層，則RRR型代表裂谷-裂谷-裂谷型的三聯(lián)點，RFT代表裂谷-海溝-轉(zhuǎn)換斷層型三聯(lián)點，余類推。RRR型分布最廣，如印度洋中脊三條分支的交點，是非洲板塊、印度板塊和南極洲板塊之間的RRR型三聯(lián)點（圖）。三聯(lián)點所臨接的三個板塊的運動，是嚴(yán)格地彼此關(guān)聯(lián)的（圖）第十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日三聯(lián)裂谷的形成過程據(jù)E.J.Tarbuck,1987)第十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日三聯(lián)點所臨接的三個板塊的相對運動的矢量和應(yīng)等于零AVB+AVC+CVA=0第十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日6、現(xiàn)代板塊運動的全球圖式

1968年以來，勒皮雄（1968）、摩根（1971）、明斯特（Minsteretal.,1974)等定量地描繪了全球各主要板塊間的相對運動。●巨大的太平洋板塊朝西北，向西緣和北緣的俯沖帶推移，會聚速度在湯加海溝北部至日本海溝一帶達(dá)到最大，可達(dá)9cm/a，向南和向北均遞減?！癜柋八?喜馬拉雅造山帶是另一巨型會聚型邊界，直布羅陀地區(qū)歐亞板塊與非洲板塊會聚的速度僅為0.5cm/a，是該造山帶的西界。自此向東，會聚速度增大，至喜馬拉雅地區(qū)，增至5-6cm/a。再往東過渡為印度洋東北緣的俯沖邊界，會聚速度達(dá)7.0cm/a?！癍h(huán)太平洋會聚邊界把全球分成不對稱的兩部分，太平洋外圍的歐亞板塊、印奧板塊及美洲板塊向太平洋方向推進(jìn)，后緣是大西洋和印度洋的張開；太平洋內(nèi)部的太平洋板塊、可可板塊和納茲卡板塊則向太平洋周緣俯沖潛沒，其后緣是東太平洋中隆的擴(kuò)張。阿爾卑斯-喜馬拉雅造山帶的形成，與非洲板塊、阿拉伯板塊和印奧板塊向北朝歐亞板塊推移有關(guān)，這一推移又是印度洋和大西洋擴(kuò)張的結(jié)果。第十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日第十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日一些主要板塊相對運動角速度表全球板塊定量運動數(shù)據(jù)第十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日7、板塊的絕對運動板塊的絕對運動，是指板塊相對于地球旋轉(zhuǎn)軸的運動。如果某一系統(tǒng)在地史期間相對地球旋轉(zhuǎn)軸的位置固定不變，那么相對該系統(tǒng)的運動（如熱點）也可以當(dāng)作板塊的絕對運動。一千萬年來板塊的絕對運動見圖，其中以太平洋板塊的運動速度最大，向西偏北方向運動；印奧板塊主要是向北運動；北美板塊和南美板塊主要向西偏南方向運動；非洲板塊的旋轉(zhuǎn)極位于非洲板塊上，它環(huán)繞該極作逆時針方向的旋轉(zhuǎn)運動；歐亞板塊主要是向西和向北運動。第十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日板塊絕對運動圖式第二十頁，共四十三頁，2022年，8月28日八、大洋的演化-威爾遜旋回1、大洋的起源關(guān)于大洋的起源問題，是地質(zhì)學(xué)最重大的理論問題之一，長期以來曾提出種種假說?！翊笱笥来嬲f是丹納等倡導(dǎo)的，認(rèn)為大洋是原生的，洋殼形成于地殼早期階段，大陸則是后來形成并逐漸增生的，現(xiàn)代大洋盆地是大陸增生后原始大洋的殘留部分?！翊笱蠡f是前蘇聯(lián)學(xué)者別洛烏索夫所宣揚的，認(rèn)為古生代末期以前，全球都被大陸地殼所覆蓋，古生代末至中生代初，來自地幔的基性和超基性物質(zhì)大規(guī)模上升，，陸殼破裂成塊狀，與基性超基性巖漿混合，變質(zhì)加重沉入地幔中，陸塊沉陷之處形成洋盆第二十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日2、威爾遜旋回大陸漂移、海底擴(kuò)張和板塊運動的概念，使人們對大洋成因和演化的認(rèn)識發(fā)生了根本的變化。新活動論主張，大洋的發(fā)生發(fā)展離不開巖石圈板塊的分離和匯聚運動。Wilson首先注意到大洋開合的不同發(fā)展趨勢，將大洋的演化歸納為6個發(fā)展階段（圖片和表），稱為威爾遜旋回?？梢?，大洋的演化呈現(xiàn)為張開和關(guān)閉的旋回形式。由于大洋盆地是全球最大的構(gòu)造-地貌單元，大洋開閉的發(fā)展旋回主宰了地球表層活動和演化的全局。第二十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日大洋盆地演化旋回中的各個階段及其特征第二十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日大洋盆地演化旋回中的各個階段圖ⅠⅡⅡⅣⅤⅥ第二十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日

3、威爾遜旋回對大陸構(gòu)造分析的意義●一個威爾遜旋回2億年，意味著相鄰的大陸在相同時限內(nèi)發(fā)生過大致相同幅度的水平運動，從而它所經(jīng)歷的自然地理環(huán)境、距離特定板塊邊界的遠(yuǎn)近、以及由此導(dǎo)致的深部熱體制、地殼結(jié)構(gòu)也必然會發(fā)生深刻的變化?！翊笱笱莼蓪?dǎo)致海平面的變化，大洋盆地演化前期，海底擴(kuò)張作用建造起龐大的中央海嶺，造成海平面上升。晚白堊紀(jì)和早古生代的海平面上升就認(rèn)為與此有關(guān)。●大洋演化始自大陸巖石圈的拉伸變薄，最后轉(zhuǎn)化為擠壓增厚體制而結(jié)束，在地質(zhì)記錄上表現(xiàn)為大陸裂谷、大陸邊緣和擠壓碰撞帶等地球動力學(xué)環(huán)境的更迭，本身構(gòu)成了一個完整的構(gòu)造旋回。第二十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日4、大洋現(xiàn)今的活動趨勢目前，大西洋和印度洋在擴(kuò)張，太平洋在收縮（圖），這是聯(lián)合古陸破裂四散分離的繼續(xù)。大西洋、印度洋周緣的被動大陸邊緣，不是板塊的邊界，相鄰的洋底和大陸是作為同一板塊移動的，故大西洋、印度洋周緣的大陸被擴(kuò)張著的洋底推動著，主要是向外側(cè)推移。相反，太平洋周緣諸大陸漂移的方向都是指向太平洋內(nèi)部的。一個大陸，相對于大陸漂移方向而言，有前緣和后緣之分，美洲大陸的前緣是陡峭的活動大陸邊緣，后緣則是寬緩的被動大陸邊緣（圖）。隨著美洲大陸向西漂移，前方的太平洋趨于收縮，后方的大西洋逐漸張開。第二十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日●大洋現(xiàn)今的活動趨勢第二十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日●大洋現(xiàn)今的活動趨勢第二十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日九、熱點-地幔柱假說1、無震海嶺在大洋中，綿延著一系列線狀延伸的火山性海嶺。其上無中央裂谷發(fā)育，也不見橫斷海嶺的轉(zhuǎn)換斷層。北太平洋中的夏威夷海嶺和天皇海嶺，研究比較詳實，往往被當(dāng)作火山海嶺中的樣板。夏威夷海嶺上的210多座火山[噴溢火山的照片]，年齡顯示出有規(guī)律的變化，向東南方向依次變新（海嶺立體排列圖片和年齡變化圖片）。第二十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日第三十頁，共四十三頁，2022年，8月28日第三十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日2、熱點威爾遜注意到海嶺火山年齡的遞變現(xiàn)象，提出了熱點假說。熱點處于地幔中，其位置大體固定，當(dāng)巖石圈跨越于熱點之上時，板塊仿佛被“燒穿”了，形成火山中心。在熱點除不斷地形成火山，而板塊不斷地跨過熱點。這樣不斷地“推陳出新”，便發(fā)育成由新到老的一串火山鏈[圖]。天皇海嶺和夏威夷海嶺之間有一明顯的轉(zhuǎn)折，表明太平洋板塊的運動方向發(fā)生過變更，這一轉(zhuǎn)向大約發(fā)生在4000完年以前（圖）。除太平洋外，大西洋、印度洋以及陸上出現(xiàn)玄武巖火山活動的一些地方，也有熱點活動的蹤跡（圖）第三十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日火山鏈熱點形成模式圖(據(jù)E.J.Tarbuck,1987)第三十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日由熱點形成的無震海嶺第三十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日●地球表面熱點分布第三十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日3、地幔柱假說為了解釋熱點的形成，摩根（1971）提出了地幔柱假說地幔柱是源于地幔深部的圓柱形上升流，它攜帶地幔物質(zhì)和熱能直至地幔上層，在巖石圈和軟流圈分界處四三外流，它的位置大體固定于地幔中。熱點處的火山活動就是地幔柱物質(zhì)噴出代表的反映（圖片）。據(jù)摩根的看法，地球上的地幔柱總共不過二、三十個（見熱點分布圖片）。熱點-地幔柱假說為解釋板塊內(nèi)部的火山和構(gòu)造活動，為描繪板塊的絕對運動，以及闡明火山海嶺的定向排列和年齡遞變等一系列現(xiàn)象，開辟了有益的途徑第三十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日地幔柱示意圖第三十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日十、板塊的驅(qū)動機(jī)制巖石圈下面軟流圈的存在是板塊運動的物質(zhì)基礎(chǔ)。板塊驅(qū)動機(jī)制中討論最多的是地幔對流，后來又提出一些不同的假說。1、地幔對流說板塊運動的地幔熱對流假說是被多數(shù)地質(zhì)學(xué)家所接受的假說。熱而低密度的地幔物質(zhì)上涌，在巖石圈處向兩側(cè)擴(kuò)展成為平流，平流過程中由于熱傳導(dǎo)使之變冷，冷而重的物質(zhì)沉入地幔深處，在深處重新加熱再升起，如此往復(fù)循環(huán)（圖片）。第三十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日地幔對流模式圖第三十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日地幔的對流有三種模式：●深地幔對流模式（圖a）對流發(fā)生于下地?；蛘麄€地幔內(nèi)，對流熱量來自地核?！駵\地幔對流模式（圖b）對流發(fā)生于上地幔的軟流圈中，熱能來自放射性衰變?！裆顪\地幔對流相結(jié)合的熱柱對流模式（圖d）認(rèn)為由液態(tài)外核供給熱能使熱的地幔物質(zhì)從核幔邊界沿著狹窄的圓柱形通道上涌，在地表形成熱點，在近巖石圈處向兩側(cè)擴(kuò)散的水平流只在軟流圈中擴(kuò)散開來，變冷的物質(zhì)在平流過程中逐漸下降而回到地幔深處。第四十頁，共四十三頁，2022年，8月28日●深地幔對流模式●淺地幔對流模式●熱柱對流模式●重力推拉模式(據(jù)E.J.Tarbuck,1987)第四十一頁，共四十三頁，2022年，8