板块构造理论 百科内容来自于: 百度百科

地球自从形成以来在地表和内部进行着永不停息的运动变化,地球表面形态特征正是地球的内外力综合作用的结果,其中内力是形成地球表面差异的重要原因。探讨地壳运动的产生原因,需要用大地构造理论加以解释。

前言

板块构造理论(plate tectonics)通过几十年的迅速发展,已经较为彻底的动摇了传统的地质理论。板块构造理论最初的简单但严格的假设是:刚性和弹性岩石圈之下均为塑性软流圈,将岩石圈划分为少数几个大板块,严格按照Euler定理运动着的这些板块间有三种相互作用,板块俯冲和扩张完全是一致的相互补偿,以使地球体积保持不变,板块运动的直接条件是软流圈中的对流作用。随着理论的发展与完善,以上的这些假设均经历了一定程度的修正和扩展,这一演变史正是地学界这些年来发展的浓缩。同时,板块构造本身也存在许多的不足和难以验证的特点。

简介

板块构造说是20世纪60年代提出的一种新的全球构造学说。
板块构造说的理论是在大陆漂移学说、海底扩张学说的基础上发展起来的。
理论基础

大陆漂移学说

1912年,德国气象学家A.魏格纳(1880—1930)在总结前人有关大陆漂移概念的基础上,提出一种大地构造假说——大陆漂移说,引起全世界科学界的重视。
魏格纳认为:在3亿年前的古生代后期,地球上所有的大陆和岛屿是连在一起的,构成一个庞大的联合古陆,称为泛大陆(Pangea);周围的海洋称为泛大洋(Panthalassa)。从中生代开始,这个泛大陆逐渐分裂、漂移,一直漂移到现在的位置。大西洋、印度洋、北冰洋是在大陆漂移过程中出现的,太平洋是泛大洋的残余。
漂移说认为:较轻的花岗岩质(sial)大陆是在较重的玄武岩质(sima)海底上漂移的,并列举了许多事实来证明这种漂移。如大洋两岸特别是大西洋两岸的轮廓,凹凸相合,只要把南北美洲大陆向东移动,就可以和欧非大陆拼在一起,几乎严丝合缝。又如在为大洋所分割的大陆上,地层、构造、岩相、古生物群、古气候等也都具有相似性和连续性。以古构造而论,如非洲的开普山和南美的布宜诺斯艾利斯山可以连接起来,被看作是同一地质构造的延续。以古气候而论,如在南美洲、非洲、印度、澳大利亚洲都发现有石炭二叠纪的冰川堆积物,说明它们当初是连在一起的,并正好处于极地位置,是以后经过分裂、漂移才形成目前这种分布的形势。诸如此类,例证很多。
漂移说还认为:大陆漂移有两个明显的方向性:一是从两极向赤道的离极运动,是由地球自转所产生的离心力引起的。东西向的阿尔卑斯山脉、喜马拉雅山脉等,就是大陆壳受到从两极向赤道的挤压的结果。一是从东向西的运动,是日月对地球的引力所产生的潮汐(摩擦力)作用引起的。美洲西岸的经向山脉如科迪勒拉山脉和安第斯山脉,就是美洲大陆向西漂移受到硅镁层阻挡,被挤压褶皱形成的;亚洲大陆东缘的岛弧群、小岛,是陆地向西漂移时留下来的残块。
这个学说,在当时有两点引起人们的兴趣。一是地球自转所产生的水平运动地壳构造形成的主导作用;二是大陆和大洋的位置并不是固定不变的。如李四光在当时也受到此说的影响。但是,大陆漂移的驱动力问题没有得到解决,有人怀疑地球自转离心力和日月潮汐摩擦力是否足以使大陆硅铝层在洋底硅镁层上漂移;此外还有一些问题不能得到很好的解释,如果是硬的硅铝层在较软的硅镁层上发生漂移,为什么硅铝层的前缘褶皱成山而硅镁层的边缘反倒没有褶皱而只拗陷为海沟?如果大陆漂移是在中生代开始的,那么古生代以前的褶皱山脉是怎样形成的?由于许多问题得不到答案,特别是受到固定论者的坚决反对,到了30年代,此一学说便逐渐消沉下去了。

海底扩张学说

若干世纪以来,地质工作都是局限于大陆上。第二次世界大战后,由于科学技术的发展,特别是因为苏美等国家争夺战略要地和海底资源,各种科学伸入到这片占地球总面积71%的“禁区”,展开了多方面的海洋调查工作,并获得了大量海洋科学的资料。例如,发现或进一步弄清了大洋中脊形态、海底地热流分布异常、海底地磁条带异常、海底地震带及震源分布、岛弧及与其伴生的深海沟、海底年龄及其对称分布、地幔上部的软流圈等等。在这些新资料的基础上,产生了一个崭新的学说——海底扩张说
(一)地球表面最长的山脉——大洋中脊
大洋中脊,或称洋脊,指海底纵横绵延的山脉,总长度可达65000km,是地球上最长的山脉。其中最典型的为大西洋中脊,它与两侧大陆平行延伸,略呈S形;高出洋底2000—3000m,洋脊中央常为一深陷裂谷,两侧有一系列阶梯状断层,形成地堑构造。有些海底山脉并不在大洋的中间,一般称为海岭,如沿东经90°的东印度海岭,北冰洋上的罗蒙诺索夫海岭等。又如太平洋东部的海岭,没有明显的中央裂谷,也不甚崎岖,称为太平洋中隆
根据实地勘测,发现洋脊具有如下地球物理方面的特点:第一,洋脊为高地热流异常区。中央裂谷附近的热流值常是深海盆正常值的2—3倍。第二,重力测量结果,中央裂谷一带常表现为重力负异常区。第三,地震波的研究表明,在洋脊下方的地幔中,波速小于正常值,同时莫霍面不清,地壳有明显变薄的趋势。以上各项地球物理测量说明洋脊下面是软流圈物质上涌的部位,温度较高,密度变小,有部分物质熔融变为岩浆(反映重力值降低,波速降低),洋脊是地热的排泄口(反映热流值较高)。
此外,深潜及海底打捞资料证明,在洋脊大部分地段基岩裸露,主要为玄武岩,没有或只有极薄的深海沉积物,在较深部位的岩石由于地温较高,有不同程度的变质现象。
综上所述,洋脊位于温度较高的地幔软流圈上隆的地段,是岩石圈的巨型张裂谷,是岩浆的涌出口和地热排泄口,也是区域变质发生的地带。
(二)大洋中脊两侧的地质特征
在洋脊两侧人们发现有许多地质现象,特别是地球物理现象表现出一定程度的对称性的特点,引起一些学者的重视和思考。
1.地质现象的对称性 从大洋中脊向两侧,基岩风化程度有由浅逐渐变深的趋势;同时海底沉积层有由薄变厚的趋势,形成以大洋中脊为中心、两侧地质现象对称的鲜明特点。这种特点应该同大洋中脊及洋壳的形成过程密切相关。
2.海底磁条带的对称排列地球磁场的两极能使指南针的两端指向南北,这是尽人皆知的事。但是地球发展过程中磁场的极性特征,可以保存于不同时代的岩石中,则是近年才被揭示出来的。事实证明,从地下溢出的高温熔岩,当其温度下降到居里点(500—450℃)以下,其中矿物内部原子振动量减小,特别是像磁铁矿一类的矿物,其内部原子开始受到地球磁场的控制,按照磁力线的方向发生磁化,使每一块小矿物变成一个极性与地球磁场相平行的小磁石。在外界磁场作用下物质获得磁性,当外界磁场去掉或改变后,又永远保持原来的磁性,这称为剩余磁性。像熔岩在由热变冷的过程中即可获得剩余磁性,这称为热剩余磁性。大部分火成岩具有这种磁性,部分沉积岩也可获得剩余磁性。专门研究岩石中剩余磁性的科学,称为古地磁学。用精密仪器可以测定岩石剩余磁性的方向和大小,并可据以确定古地磁极的位置及强度、追溯地球磁场变化的历史和确定岩石的年代。
从1956年起,科学工作者开始测量海底岩石的磁化强度,并把正、负磁性异常圈定在图上进行研究。从60年代起,就陆续有人发现,在横穿洋脊方向所测得的磁力异常曲线相似,每一侧的正负异常都在另一侧同样的位置出现;同时发现在过去亿万年地球发展过程中,地球磁场南北极曾多次反向,现在的磁场叫正向,与现在磁场方向相反的叫逆向。把所有横剖面上所测得的正负异常连接起来,即可看出在洋脊两侧具有一系列与之平行的磁异常条带,正向和逆向交替出现,以洋脊为中心对称排列。每一条磁条带宽度不超过数十千米,而长度却可达几千千米以上。
3.洋底年龄的特征 前面提到海底沉积物有从洋脊向两侧由薄逐渐变厚的特点。除此,经过洋底采样及年龄测定证明,海底沉积物还具有两个特点:一是最老的沉积物年龄不早于侏罗纪,即不早于2亿年,远比大陆上最古老的岩石(38亿年)年轻。二是海底沉积物年龄从洋脊到两侧由新到老对称分布。结合前述,所有这些现象究竟如何解释呢?
(三)切穿岩石圈的巨型断裂——海沟
在环太平洋地带,有一圈下陷很深的负地形海沟,最深超过负一万米。
据近年海底深潜观察和重力、地热流等测量,发现海沟具有如下特征:
1.海沟是切穿岩石圈的深大断裂根据近年在中美洲海沟的深潜观察,发现海沟轴线附近,在靠近大洋一侧为一系列平行台阶,每个台阶高10—30m,宽150—200m,是一些断距不大的正断层所组成的阶梯状断层;在靠近大陆一侧,为陡峻谷壁,其上有许多近垂直的V形断层沟槽和阶步(滑阶);而在轴线附近为一宽约30m的破碎带,上有大量角砾碎块,直径可达1—3m。由此看来,海沟带实际上是一条断层带,又根据重力测量数据,多数学者认为是切穿岩石圈并切入上地幔深大断裂。从断层性质来看,大陆壳推覆在大洋壳之上,属于逆断层性质;大洋壳向下斜插于大陆之下,因下插弯曲而伴生一系列张断裂或阶梯状正断层。总之,大洋中脊是将岩石圈拉开,而海沟带则是使岩石圈受到压缩。
2.海沟是陆壳和洋壳交叉重叠的复杂地带 根据重力测量和地震资料,证明在这里大洋壳以较大的角度(45°±15°)向大陆壳下俯冲插入①,换言之,大陆壳向着大洋壳之上仰冲。最初H.贝尼奥夫通过地震在这个带上作了较详细的研究,发现向大陆方向震源由浅变深构成一个倾斜带,后来证明这个倾斜带就是大洋壳的俯冲带,所以这一个带又称为贝尼奥夫带。它实际上构成了环太平洋地震带,而全世界的中、深源地震也主要发生在这里。
3.海沟是不对称的地热流异常区 海沟带和洋脊一样,都是地热流异常区,但海沟带显示了地热流值一低一高平行排列的特点。在海沟附近,显示一种地热流值较低(0.99—1.16HFU)的特征,一般没有现代火山活动;而在海沟向陆一侧150—200km左右,则往往是一系列火山带,在地貌上则显示一系列岛弧带,热流值显著升高,可达2.0HFU左右。在岛弧的靠大陆一侧,往往形成边缘海(或称弧后盆地),高地热流异常区也常扩大到这一地区。
海沟为什么具有上述基本特点,同样为人们的思考提供了更多的根据。
上述这些奇怪现象的发现,引起科学工作者的极大兴趣和注意。人们不得不提出一系列希望得到解决的问题。例如,洋脊是岩石圈的张裂带和地下岩浆涌出口,如果这种作用继续进行,岩石圈是不是会拉开?越来越多的岩浆流到哪里去海沟(或贝尼奥夫带)是岩石圈的挤压带,如果这种作用继续下去,岩石圈将会缩短到什么程度?深海沉积物既薄而又年轻,如果深海沉积速度以每100年1mm计,从太古代至今,应该有30km以上的厚度,但实际上只有几十、几百米的厚度,这是因为什么?凡此种种,如果按照传统的地质学理论是无法加以解释的。因此,一个新的课题摆在人们面前,那就是大洋壳究竟是如何形成和演化的。1960—1962年,赫斯(H.H.Hess)和迪茨(R.S.Deitz)首先提出一种理论,叫海底扩张说
海底扩张说认为:密度较小的大洋壳浮在密度较大的地幔软流圈之上;由于地幔温度的不均一性,导致地幔物质密度的不均一性,从而在地幔或软流圈中引起物质的对流,形成若干环流;在两个向上环流的地方,使大洋壳受到拉张作用,形成大洋中脊,中脊被拉开形成两排脊峰和中间谷,来自地幔的岩浆不断从洋脊涌出,冷凝后形成新的洋壳,所以大洋中脊又叫生长脊,温度和热流值都较高;新洋壳不断生长,随着地幔环流不断向两侧推开,也就是如传送带一样不断向两侧扩张,因此就产生了地磁异常条带在大洋中脊两旁有规律的排列以及洋壳年龄离洋脊越远越老的现象;大洋中脊两侧向外扩张速度(半速度)大约为每年1—2cm,有的可达3—8cm;在向下环流的地方,或在不断扩张的大洋壳与大陆壳相遇的地方,由于前者密度较大,位置较低,便向大陆壳下俯冲,形成海沟或贝尼奥夫带;向大陆壳下面倾斜插入的大洋壳,由于远离中脊,温度已经变冷,同时海底沉积物中的水分也被带入深部,形成海沟低热流值带;另一方面,由于深部地热作用,再加上强大的摩擦,在大约深150—200km处,导致大洋壳局部或全部熔融,形成岩浆,岩浆及挥发成分的强大内压促使其向上侵入,并携带大量热能上升,因此在海沟向陆一侧一定距离处形成高热流值;同时,来自地幔的、以及混杂了重熔陆壳的岩浆喷出地表形成火山和岛弧;这些火山喷出的岩浆,由于混入了硅铝层(沉积物,大陆壳重熔物质)的成分,因此经常是属于中性的安山岩质(在环太平洋区安山岩出露的界线,称为安山岩线)。大洋壳俯冲带,由于其下部逐渐熔化、混合而消亡,所以贝尼奥夫带又称为大洋壳消亡带。
海底扩张说对于许多海底地形、地质和地球物理的特征,都能作出很好的解释。特别是它提出一种崭新的思想,即大洋壳不是固定的和永恒不变的,而是经历着“新陈代谢”的过程。地表总面积基本上是一个常数,既然有一部分洋壳不断新生和扩张,那就必然有一部分洋壳逐渐消亡。这一过程大约需2亿年。这就是在洋底未发现年龄比这更老的岩石的缘故。

大陆漂移说的复活

从60年代起,由于海洋科学和地球物理学等迅速发展,获得大量的有利于大陆漂移的论据,使大陆漂移的学说得到复活。例如,当初魏格纳从地图上论证了大陆边界的拼合现象,1965年E.C.布拉德重新研究了这一问题。他认为大陆的边界不应当以海岸线为准,而应当以大陆壳的边界即大陆坡的坡脚为准,并应考虑消除在大陆分裂后陆壳的增建(例如非洲尼日尔三角洲沉积增建数百千米,第三纪和近代火山喷发熔岩形成冰岛及其它火山岛等)和改造(如外力侵蚀海岸后退等)部分,然后利用电子计算机以数学方法进行拼接,终于取得令人满意的结果同时,大陆拼接以后,在岩石、构造、地层、古生物等方面也应该对应连接在一起,这如同把一张报纸撕成碎片,不仅可以按碎片形状拼合复原,而且复原后其上面的文字也应该是连贯的,在这方面也取得令人信服的结果。
又如,近年做出的磁极迁移曲线,也证明大陆漂移是确实存在的。把已经测出的不同时代磁极迁移轨迹在图上用曲线表示出来,称为极移曲线。若欧美大陆是固定的,只能得出一条极移曲线,而今得出两条,因此只有设想欧美大陆原来是合在一起,后来逐渐分离,直到形成现在的位置,才能解释这种现象。

学说简介

1967年,美国普林斯顿大学的摩根(J.Morgan)、英国剑桥大学的麦肯齐(D.P.Mekenzie)、法国的勒皮顺(X.LePichon)等人,把海底扩张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,这种学说被命名为板块构造学说,或新的全球构造理论。到1973年,这个学说基本成型,直到现在仍在继续发展。

学说内容

地表构造

板块构造的基本思想板块构造学说认为:地球表层的硬壳——岩石圈(或称构造圈),相对于软流圈来说是刚性的,其下面是粘滞性很低的软流圈。岩石圈并非是整体一块,它具有侧向的不均一性,被许多活动带如大洋中脊、海沟、转换断层地缝合线大陆裂谷等分割成大大小小的块体,这些块体就是所说的板块。换言之,整个岩石圈可以理解为由若干刚性板块拼合起来的圈层,板块内部是稳定的,而板块的边缘和接缝地带则是地球表面的活动带,有强烈的构造运动沉积作用、深成作用、岩浆活动、火山活动、变质作用、地震活动,又是极有利的成矿地带。其次,岩石圈板块是活动的,是围绕着一个旋转扩张轴在活动的,并且以水平运动占主导地位,可以发生几千千米的大规模的水平位移;在漂移过程中,板块或拉张裂开,或碰撞压缩焊结,或平移相错。这些不同的相互运动方式和相应产生的各种活动带,控制着全球岩石圈运动和演化的基本格局。
总之,板块构造说海底扩张说的发展和延伸,而从海底扩张到板块构造,又促进了大陆漂移的复活。因此,人们称大陆漂移、海底扩张和板块构造为不可分割的“三部曲”。

板块划分

1968年勒皮顺根据各方面的资料,首先将全球岩石圈划分成六大板块,即太平洋板块欧亚板块印度洋板块、非洲板块、美洲板块和南极洲板块。除太平洋板块几乎完全是海洋外,其余五大板块既包括大块陆地,又包括大片海洋。随着研究工作的进展,又有人进一步在大板块中划分出许多小板块。如美洲板块分为北美和南美板块,印度洋板块分为印度和澳大利亚板块,东太平洋单独划分为一个板块,欧亚板块中分出东南亚板块以及菲律宾、阿拉伯、土耳其、爱琴等小板块
这些板块都是活动的,如太平洋板块,从太平洋东部中隆生长脊新生长出来的大洋壳,平均每年以5cm的速度向西移动,两亿年内可移动10000km。从东太平洋中隆至马里亚纳海沟的消亡带正好为约10000km,而马里亚纳及其附近海底岩石年龄也正好为1.5—2亿年。这雄辩地说明太平洋底大约每两亿年更新一次。

板块的边界及其类型

作为岩石圈活动带的板块边界,可以归纳为三种类型:
1.拉张型边界 又称分离型边界,主要以大洋中脊(或中隆、海岭)为代表。它是岩石圈板块的生长场所,也是海底扩张的中心地带。其主要特征是岩石圈张裂,基性、超基性岩浆涌出,并伴随有高热流值及浅震。如大西洋中脊、东太平洋中隆等都属于此种类型。在洋脊两侧或分布有直线排列的火山或平顶山,它们的年龄与离开洋脊的距离成正比。原先在洋脊形成的火山锥,被海浪侵蚀作用把顶截去,形成平顶山,并逐渐向两侧推移,顶部海水深度也随离洋脊的距离而加大,有时上面被数千米厚的珊瑚礁所覆盖。在西太平洋和南太平洋分布着许多平顶山。
大陆裂谷也属于拉张性边界。绝大多数裂谷为复式地堑构造,中间下陷最深,两侧为一系裂阶梯状断层,主要为高角度正断层。典型的裂谷位于隆起带的顶部,如东非大裂谷、贝加尔裂谷等,垂直断距可达数千米。在裂谷中火山活动比较频繁,浅源地震比较活跃。其明显的高地热流异常,可以达2HFU以上。有一部分大陆裂谷被认为是胚胎时期的洋脊,可发展形成新的海洋。
2.挤压型边界 又称汇聚型边界或消亡带,也称为贝尼奥夫带。主要以岛弧-海沟为代表。在西太平洋这种型式最为典型,如日本岛弧-海沟、千岛岛弧-海沟、汤加岛弧-海沟等。这里是两个板块相向移动、挤压、对冲的地带。如图9-24所示,板块汇聚向下俯冲的弯曲部分的表层处于拉伸状态,形成一系列正断层,所以在海沟附近是浅震很多的地方。板块继续向下俯冲,另一侧板块向上仰冲,正断层到深处转变为逆断层,板块间受到强烈的挤压、摩擦,积累了大量应变能,这种能量常以地震形式突然释放出来。由于俯冲带一般向大陆方向倾斜,因此由海到陆形成从浅震到深震有规律的分布。当板块俯冲到深处完全被地幔熔融,不再发生摩擦作用,因此也就不会再有地震发生。目前已知最大震源深度为720km,据此认为这是板块俯冲的最大深度,在此深度以下,板块已经全部熔化、消亡。
大洋岩石圈板块沿着消亡带俯冲到大约150—200km深度,由于板块摩擦所产生的热和随深度而增加的热,使洋壳局部熔融形成岩浆,高温熔融物质密度相应减低,再加上强大的挥发成分所产生的内压力,促使岩浆在不同深度上升,形成火山,火山相连形成岛弧。若消亡带的倾角为45°左右,则火山岛弧带距离海沟应为150—200km,并在岛弧与海沟之间形成50—100km宽的无火山带。
除此之外,还有另一种型式,如在南美,一侧为海沟,一侧为安第斯山,叫做山弧-海沟型。
如果是两个大陆板块汇合相撞,则出现又一种型式,一侧是高山,一侧是地缝合线,叫做山弧-地缝合线型。阿尔卑斯-喜马拉雅褶皱带,特别是它的东段喜马拉雅山脉北面的雅鲁藏布江一带,是典型的代表。两个大陆板块相向移动,它们的前缘因碰撞而强烈变形,形成褶皱山脉,使原来分离的两个板块愈合起来,其出露地表的接触线,就称为地缝合线。这种边界的特点之一是从地形上看,以没有海沟为标志,而是表现为高峻的山脉。这种边界的两侧,都是又厚又轻的陆壳,有人认为二者相遇,只能在碰撞带压缩增厚;也有的认为同样有俯冲和仰冲现象;或者两种情况兼而有之。以喜马拉雅山为例,大家普遍认为是印巴次大陆板块和欧亚板块互相碰撞的结果,但由于这一带山脉都有比较发育的中、新生代海相地层,据此断定在碰撞成山之前,在二个板块之间存在一片海洋,这就是古地中海(又称特提斯海)。由于这种情况,有人认为地缝合线是海沟发展末期的产物,即洋壳全部俯冲消亡,海洋封闭消失,跟在后面的陆壳继续移动,于是出现陆壳与陆壳相撞的现象。对于地缝合线的位置也有不同看法,有人认为喜马拉雅山就是地缝合线,但目前大多数人认为应该在山脉北侧的雅鲁藏布江一带或者更北的地方。
3.剪切型边界 又称平错型边界,这种边界是岩石圈既不生长,也不消亡,只有剪切错动的边界,转换断层就属于这种性质的边界。

转换断层

是威尔逊(J.T.Wilson)于1965年提出的一种新型断层,它构成了板块构造模式中最重要的特点之一。大洋中脊常为垂直于它的横断层所错开,并常切成许多段。从表面看,这些断层非常像平推断层,但经过地震发震机制等研究,它又和平推断层有许多差异。其主要区别是:
(1)大洋中脊被平推断层错开(比方是左旋),由于在错开后洋脊持续扩张,使断层的运动方向跟洋脊错开的方向变得相反(比方改为右旋),而一越过洋脊,两盘位移或错动的方向即改为同向或同步。
(2)断层持续发展,两盘位移增加,但被错开的洋脊之间的距离一般并不增加;如为平推断层,则随着断距的增加,洋脊错开的距离也增加。(3)转换断层只有在洋脊之间的地段才有浅震分布;若为平推断层,则在断层线上都有浅震分布。
正是由于海底扩张,导致断层的运动方向和特点发生了改变,所以称为转换断层
转换断层的推断和证实,在地球物理学界,曾经在海底磁条带被发现之后,再一次引起震动,并为海底扩张说增加了新的根据,从而使现代活动论在地学领域居于主流地位。
转换断层在海底常形成一些深沟,水平断距可达数百千米。著名的美国西部圣安德列斯断层为一右旋断层,其西盘向北移动达1100km,是有名的地震带。从前被认为是一条平推断层,威尔逊和瓦因根据地磁资料,证实它是一条错开太平洋中隆的转换断层。

板块运动与海洋演化

按照板块构造理论,不仅在海洋中有洋壳分裂、地幔物质涌出、新洋壳的生长,而且在大陆上也有同样的现象,前面谈到的大陆裂谷就是这样的地带。东非大裂谷正处于陆壳开始张裂,即大洋发展的胚胎期。若裂谷继续发展,海水侵入其间,好像红海和亚丁湾一样,被认为是大洋发展的幼年期。如果再继续扩张,基性岩浆不断侵入和喷出,新洋壳把老洋壳向两侧推移,扩张速率以每年5cm计,大约经过1亿年,就会形成一个新的“大西洋”,板块说认为大西洋就是正处于大洋发展的成年期;而太平洋的年龄比大西洋要老,它正处于大洋发展的衰退期;地中海是宽阔的古地中海经过长期发展演化的残留部分,代表大洋发展的终了期;印巴次大陆长期北移,最后和欧亚板块相撞,二者熔合一起,形成巍峨的喜马拉雅山脉以及地缝合线的形迹,地缝合线代表大洋发展的遗痕。
据上所述,海洋从开始形成到封闭,可以归纳为下列过程:大陆裂谷→红海型海洋→大西洋型海洋→太平洋型海洋→地中海型海洋→地缝合线。这一过程被称为大洋发展旋回或威尔逊旋回

学说应用

板块构造说如何解释各种地质现象

现代地槽

根据传统概念,一个地槽由于长期下沉,接受巨厚的沉积;后来经过回返,沉积岩层受挤压褶皱,形成褶皱带,如果是年轻的褶皱带,则在地貌上表现为高耸的山系。
板块构造学说认为,地槽可以发生在板块的不同部位,或海陆的不同部位,其所处部位不同,地槽类型和性质也不同。如在美洲东部大陆边缘沉积了相当厚的地层,因其所处部位一边是美洲大陆,一边是大西洋,同属于一个板块,海陆之间没有俯冲带,也没有火山和地震带,属于冒地槽性质,称之为大西洋型地槽。又如在南美洲西部大陆边缘,一边是纵贯南北的安第斯山,一边是深的海沟,位于两个板块的挤压带上,多火山和地震,沉积物中多火山碎屑物,在大陆斜坡及海沟中常形成浊流沉积,沉积物因受板块俯冲影响,常发生变形,属于优地槽性质,称之为安第斯山型地槽。再如在太平洋西部岛弧地带,其大陆架一般不宽,沉积物中多为陆源碎屑,夹火山碎屑及熔岩,间有侵入岩,在远海地带形成碳酸盐岩,这类地槽称为岛弧型地槽。此外还有日本海型地槽、地中海型地槽等。地槽类型可以在一定条件下转化,如日本海型地槽指发育在大陆与岛弧之间的海盆中的地槽,其中常形成三角洲沉积、浅海沉积、浊流沉积等,如果板块移动变慢,沉积速度变快,海盆便可被沉积物填满,甚至覆盖住岛弧,这样沉积作用便可向海洋方向扩展推进,使地槽转化为大西洋型地槽。

造山作用

两个板块相撞,会产生很大的挤压力,使一个板块对另一个板块向下俯冲或向上仰冲,从而使地槽沉积褶皱和发生断裂,并形成山脉。如欧洲的阿尔卑斯山是推覆构造的典型代表,自南向北,前后四次形成大推覆体。这是非洲板块和欧亚板块互相碰撞的结果(地缝合线区)。前已述及,世界最高的喜马拉雅山脉也是板块碰撞的结果。

浊流沉积和混杂堆积

在地槽区常形成一些特殊的沉积建造,如复理石建造。地槽说认为它属于地槽型浅海陆屑建造,是在升降运动相持阶段即在振荡运动情况下形成的巨厚的韵律性明显的建造;而板块说则认为它是板块俯冲带的一种典型建造。在板块俯冲带形成深海沟,并在大陆斜坡上因震动、滑动、重力等原因,形成富含悬浮质点及泥砂的高密度水流,在深海盆边缘及近海沟形成浊流沉积,其代表岩石就是复理石沉积。
在大陆的地缝合线地带,还常发现一种特殊的岩石,即在某些地层中含有很多大大小小的外来岩块(岩块最大可达数千米),其成分不同(包括沉积岩、火成岩、变质岩)、时代不同、原始产地也不同,混杂堆积在一起,这种堆积体称为混杂岩或混杂堆积。板块说认为,板块相向移动,彼此前缘相碰,一方面俯冲板块上边的沉积物被刮下来,堆积在接触线附近;一方面仰冲板块上也有破碎的岩块滑落下来,形成杂乱无章的堆积物。也有人认为板块向下俯冲时,由于受到对方的阻力,致使下部地层翻转过来,从而形成在较新地层中混杂有许多外来老地层的岩块。混杂岩或混杂堆积是确定大陆上地缝合线的重要标志之一。我国近年在西藏、秦岭、川西等地区都发现有混杂岩,说明这些地区曾是不同时代的地缝合线。

蛇绿岩套

在地缝合线地带,常出现一套特有的岩石,称为蛇绿岩套,也叫奥菲里建造。人们很早就发现在一些剧烈的褶皱带,沿着深大断裂常分布有超基性岩带。一般都认为它是顺着切穿岩石圈的深断裂从地幔涌上来的岩浆物质所形成的岩石,但是,这些岩体的围岩一般没有接触带那样应具有的接触变质现象。本世纪60年代对它进行深入的研究表明,这种岩体的成分相当复杂,并且具有一定的层序,自下而上往往是超基性岩、基性深成岩(辉长岩)、枕状基性熔岩(玄武岩)、深海沉积岩(含放射虫硅质岩或大理岩等),同时其中超基性和基性岩多已变为含绿泥石、蛇纹石等绿色岩石,故名之为蛇绿岩套。通过近年的深海钻探,人们发现大陆壳上的蛇绿岩套和大洋壳的岩石剖面非常相似,所以认为蛇绿岩套是板块碰撞带被推挤上来的古海底(即大洋壳),并作为地缝合线的另一种重要标志。例如,在西藏沿雅鲁藏布江谷地出露超基性岩带,东西延伸达数百千米,人们认为它就是由蛇绿岩套所组成的蛇绿岩带,而这个地带就是古板块的地缝合线。

双变质带

又称成对变质带。板块说认为,两个板块相撞,在俯冲一侧的上面和仰冲一侧的下面,或者说在海沟的靠陆一侧,由于海沟热流温度较低,带着冷岩石俯冲,再加上下冲的压力很大,常常形成以蓝闪石片岩为代表的蓝片岩带(其中杂有大量玄武岩和蛇纹质岩石),称为高压低温变质带。在仰冲板块的一侧(相当岛弧或大陆边缘的火山岩带),其下俯冲带因摩擦熔化消失,导致岩浆的形成、侵入或喷出,并常在侵入岩的接触带上形成低压高温变质带,也就是常见的接触变质带。双变质带被认为是板块聚合或板块俯冲带的典型标志。

火山活动

如果把世界火山分布同全球板块边界作一对比,可以发现二者有基本一致的规律,火山主要分布在下述三个地带:一是沿着大洋中脊分布,如冰岛火山等。随着洋壳不断产生和扩散外移,活火山逐渐变为死火山,并密集成群对称排列于洋脊两侧。二是沿着大陆裂谷分布,如东非大裂谷北段曾有多期岩浆喷发活动,形成埃塞俄比亚熔岩高原;乞力马扎罗火山(5895m)、肯尼亚火山(5199m)等都是世界著名的火山。三是沿着板块俯冲带分布,如环太平洋火山带及古地中海火山带,它们构成世界最主要的火山带。前已述及,在环太平洋板块俯冲带,一侧是海沟,一侧是岛弧火山带,其分界线称为安山岩线,它的内侧为大洋型地壳,以少含K2O的拉斑玄武岩为主;它的外侧(即靠近大陆一侧),则过渡为大陆型地壳,以喷发大量安山岩(或侵入花岗闪长岩)、火山碎屑岩为主,或喷出含K2O较多的碱性玄武岩,构成有名的环太平洋火山圈。日本的富士山,菲律宾的皮纳图博火山,印度尼西亚的喀拉喀托火山和意大利的维苏威火山等都是这一带的知名火山。

地震活动

地震的分布规律和成因机制,大体可概括为以下几点:(1)沿着大洋中脊、转换断层、俯冲带(贝尼奥夫带)、大陆裂谷、地缝合线分布。(2)世界上的中、深源地震,特别是深源地震,主要分布于俯冲带倾向大陆的一侧。(3)发生于大洋中脊、大陆裂谷的地震主要由拉张所产生;发生于转换断层带的地震主要由扭错所产生;发生于俯冲带、地缝合线的地震主要由挤压、逆掩所产生,但发生于海沟附近的地震有许多是因张裂形成。(4)板块内部地震较少。

形成原因

是什么力量趋动板块进行运动?这是举世重视的问题。很早有人设想在地壳或岩石圈下存在着热对流现象,并且有多个对流中心,在对流上升的地方,导致板块分裂,涌出地幔物质,冷却固结形成新洋壳。在对流下降的地方,导致板块俯冲,最后使板块消亡。至于热对流的形式,有人设计深对流模式(Orowan等,1969),即在地幔中发生对流;有人设计浅对流模式(Boll等,1971),即仅在软流圈中发生对流。大陆漂移说曾认为大陆是在某些原因下主动漂流;而海底扩张和板块说则认为,新洋壳驮在软流圈上,随着对流被动移动,从洋脊起像传送带一样运载到海沟,俯冲入地幔并局部熔融,最终消失于软流圈中,构成一个封闭的循环系统。从洋脊到海沟,板块有数百到数千千米的水平运动。但是,由于技术条件的限制,既不能推导证实是否存在这种对流,也不能用实验方法制造出来这种对流。有人认为软流圈的面积很大,而厚度不大,即使能产生对流,也只能产生半径很小的对流,根本无法推动板块数千千米的水平运动。也有人认为地幔是固体,热只能靠传导来传递,就像对铁加热一样,而不可能产生对流。还有一种看法,认为地幔物质粘度太大,难以发生对流。
70年代以来,关于板块趋动力的问题,陆续提出一些新的论点。1972年,摩根(W.J.Morgan)根据卫星资料发现在全球重力图上,重力高的地方往往是板块生长和活火山分布的地方。为什么这些地方重力值较高呢?他设想从近地核处,有深部物质上升形成上升流,他把这种上升流称为地幔柱。据重力值推测,地幔柱的直径可达几百千米,它把深部密度较大的物质和热量向上带到软流圈,在那里像蘑菇云一样向四面八方横向扩散,从而驱动板块移动。地幔柱有时冲破岩石圈,向上拱起形成巨大的穹窿,并具有相当高的热流值。地幔柱熔融的岩浆喷出地表就形成火山。这些热流值高的隆起点和火山,称为热点,或者说热点就是地幔柱冲破岩石圈的地方。据统计,目前全球发现的热点已达122处。热点相连,可以形成大洋中脊。如冰岛正好位于大西洋中脊的一个热点上,那里喷出的熔岩较多,就形成了一个较大的岛。这些形成于中脊附近的活火山,随着海底扩张向两侧移动,形成对称分布的死火山链,且沿此链越远,火山年龄越老。此等火山链被认为是地幔柱或热点随海底扩张留下的痕迹。
后来,有人企图用重力作用代替对流来解释板块运动。1975年,哈珀(Harper)认为,板块由洋脊向两侧滑动,是因板块前缘冷却、加重、下沉引起的。这种设想的根据是,发生于海沟的浅震,已证明是由正断层所引起。这些正断层有人用板块弯曲外缘发生张裂来解释。根据这一事实有人认为板块所以俯冲,不是被一种力量推下去的,而是被一种力量拉下去的,其理由是:(1)冷却的板块密度增大;(2)下插的板块因压力增加,发生物相转换,使矿物岩石密度增大;(3)洋脊高,海沟低,板块会像滑坡一样从洋脊向海沟滑动。总之,由于这些原因可以把板块给拖下去。哈珀计算下沉的拖拉力比洋脊的推挤力大7倍。但所有这些设想的力,可能实际是存在的,但同样不能得到直接证据和可靠的数理模拟。福赛斯(Forsyth)和上田诚也(1975)认为板块运动是8种力综合作用的结果,但他们认为板块俯冲时,向下的拉力起了重要作用。

地体概念

在板块构造学说中,关于构造事件和造山作用的模式,只有岩石圈板块俯冲作用和板块碰撞作用所形成的岛弧、火山和褶皱山脉等。但近年人们发现了很多以断层为边界的地质实体,这些地质实体与其相邻区域相比,显示出具有不同的地质构造、沉积建造、生物化石群落、地质历史等,但却不具有俯冲或碰撞的痕迹,而只显示出是从遥远距离迁移(或漂移)而来的与原地地质体拼贴或联结在一起的特征,这种呈独立于邻区的外来体称为地体,或称构造地层地体。换言之,地体就是通过不同途径拼贴或联结在大陆边缘或褶皱带边缘的外来的岩石圈碎块或岩片。
地体的概念,是1972年在研究美国西部加里福尼亚州克拉马斯山中、晚古生代地层和中生代三叠-侏罗纪地层时发现它们拼贴在一起而提出来的。后来,在美国阿拉斯加和加拿大西部,发现古生代岛弧岩石组合和中生代地层的拼合特征,建立了北美大陆地体拼贴带中的第一个典型实例——兰格利亚。地体概念的提出,对现代岩石圈板块构造模式是一种补充,即除了俯冲和碰撞造山形式外,还有不俯冲不碰撞的地体拼贴这种模式。
但是,迄今对地体的含义还有不同的认识。D.琼斯(1983)认为地体是为断层所围限、具有区域性延伸的地质统一体,以具有与其毗邻地区不同的地质发展史为特征,地体的规模尺度可大至仅次于大陆,也可以小至仅有几平方千米。D.豪威尔和郭令智等认为地体既是板块的一部分,也是推覆体的一部分。地体可以是岩石圈板块解裂开来的一些小片或地壳板片,板块和地体的区别就在于前者是伸入地幔的“有根”块体,而地体一经漂移拼贴在大陆边缘上,则实际上已脱离了深部基础。地体也可以是逆冲或滑脱所形成的巨大推覆体,成为具有一系列叠瓦构造的岩片。无论是哪种形式的地体,它们都是外来系统,和原地系统在岩石、构造、生物群、生态等方面有本质的区别,而且古地磁位置、同位素年龄等也有极大差异。地体拼贴形成增生构造,往往改变了原来的地壳或板块平衡状态,产生新的俯冲运动;或者使增生的地体再剪切成碎片而分散,形成离散地体。地体的增生和离散,都是在一定的地质时代和一定的地区发生的,同一定的构造事件或地壳运动密切相关。
我国许多地区都可以发现地体构造的实例。如浙江西北部和东南部,被一条NE-SW向大断裂所分割,这两部分呈现明显的地质不连续现象,二者基底也迥然不同,其东南一块被认为是拼贴上来的地体。又如天山褶皱带,也发现有许多地体拼贴构造。再如海南岛,根据白垩纪岩石样品古地磁测定,当时是位于现今北部湾地区与华南大陆连在一起,在白垩纪晚期因地壳拉张作用,海南岛向南漂移到当前位置。除此,台湾岛也是从大陆分离出去的离散地体,于新生代初迁移到现今地点。
(八)板块构造学说存在的问题
板块构造学说是综合许多学科的最新成果而建立起来的大地构造的学说,是当代地学的最重要的理论成就,并被认为是地球科学的一次革命。它从大量海洋调查实际材料出发,对大洋壳的新生和代谢过程作了详尽的论证,获得最近两亿年来地壳变化的理论模式,从一个侧面丰富了地质学和地球物理学的理论。特别是它以地球整个岩石圈的活动方式为依据,建立世界范围的构造运动模式,所以板块构造学说又称全球构造学说,这是其他以大陆范围内的各种地质现象为依据而建立的各种大地构造学说所无法比拟的。
虽然如此,板块构造学说毕竟是以海洋和大洋壳为基础建立起的构造学说,大洋壳上的沉积物年龄只有2亿年,而大陆壳的岩石年龄可以高达30多亿年,个别甚至超过40亿年,岩浆活动、构造作用、变质作用也复杂得多,目前对板块边界和大陆边缘等活动情况已了解很多,但是对板块内部(简称板内)及大陆地质历史演化过程,如何利用板块理论来予以揭示,仍然是一个难题。尤其是关于地壳生长的机制,主要依据上地幔物质对流或热柱等学说予以解释,而所有这些说法目前无法以实验或令人足以信服的方式予以论证。关于板块驱动力的问题,虽然有关学者提供了多种可能方式,但仍然是处于求索过程中。除此,还有一些难于解释的矛盾现象,如已知大洋中脊是地幔物质上升形成新洋壳的场所,海沟和岛弧是洋壳俯冲消融的地方,但在东太平洋北部发现两种情况却在一个地方同时存在。又如,陆壳厚度很大,可达数十千米,褶皱变形非常复杂,而洋壳厚度很小,最薄处只有5—6km,却不曾褶皱而只作刚性运动,这样现象也是一时不容易讲清楚的。
但是,板块构造理论的建立有着众多的科学依据和测量数据,其科学基础是坚实而深厚的。随着日新月异的科学手段的应用、调查领域的广度和深度的日益开拓,相信将会获得越来越多的科学资料。例如,当代除了利用“上天”技术,用卫星监测手段获得和积累地球的各种信息资料外,还利用“入地”技术即用深钻的办法向地球深层进军。俄国已经在摩尔曼斯克附近的科拉半岛上钻出了12km多的深洞,取出了迄今为止最深的岩心。德国也在邻近捷克斯洛伐克边境的上普法尔茨的小城温迪施埃申巴赫钻探世界最深的钻孔,最终目标是12km甚至14km。“入地”比“上天”还难,因为钻至10km以后,地温将升至300℃,压力将超过2500Pa,其压力相当一个汽车轮胎内压力的1000倍,但目前已经具有在这样条件下钻进的尖端技术。又如,当今“下海”探测技术也已取得飞跃的进展。日本海洋科技中心不仅研制出深水6500m级载人潜水调查船,而且还研制出能够潜到水深11000m的不载人探测机,可以在承受1.1×109Pa条件进行海沟探测工作。不载人深海探测机的第一个探测目标是世界最深的海沟——马里亚纳海沟(-11034m)。若探测成功,说明可以在任何海底深潜航行,成为深海研究等地球科学领域研究的重要“武器”。
本世纪70年代以来,在国际间特别强调国际多学科合作,并建立相关组织和制定合作研究计划。如在国际科学联合会理事会(ICSU)下建立的“联合会间岩石圈委员会”(ICL)便是其中之一。至1991年已有62个国家和地区参加国际岩石圈计划的工作,中国是最早参加国之一。1990年已经执行一个新的岩石圈研究计划,以全球变化的地球科学、当代动力学和深部过程、大陆岩石圈、大洋岩石圈等为主题,广泛深入开展研究。
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