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第十三章 构造运动.ppt

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第十三章 地壳运动、变形和断裂,13.1 构 造 运 动,人们在很早以前就已经认识到沧海桑田的变换,在中国和西方国家都有这样一些记载。 皮法戈尔:“坚硬的陆地变成海洋,海洋变成陆地,海生贝壳出现在离大洋很远的地方---” 颜真卿:“高山尤有螺蚌壳,或以为桑田所变”《麻姑山仙坛记》 朱熹:“尝见高山有螺蚌壳,或生石中,此石即旧日之土,螺蚌既水中之物。---此事思之至深”《朱子语类》 构造运动是由于地球的内部平衡遭到破坏所引起的地壳或岩石圈的运动。事实上,地球自从诞生之日起,就没有停止过构造运动。,板块构造学说,大地构造学是研究地球或岩石圈的形成、发展和演化的一门地质学的分支学科。随着科学技术的发展,大地构造学说也将不断地得到发展。 板块构造学说是当今地球科学界普遍认同的一个大地构造学说。 板块构造学说的发展主要经历了三个阶段:大陆漂移学说、海底扩张学说和板块构造学说。,魏格纳和大陆漂移,魏格纳(德国气象学家),1911年秋,魏格纳在研究世界古气候时偶然读到一篇论文,文中提到“根据古生物证据,巴西和非洲陆地曾经连为一体”,从而产生了大陆漂移的思想。在进行了一些较为仓促的研究之后,1912年初在法兰克福地质协会做了题为“根据地球物理学论地壳轮廓的形成”的演讲,几天之后他又在马尔堡科学协进会上做了题为“大陆的水平位移”的第二次演讲。同年,他将这些研究成果整理发表,从而形成了著名的大陆漂移学说。,1914年第一次世界大战爆发后,魏格纳应征入伍,但他1915年利用负伤病休期间发表了他的著作《海陆起源》,系统地阐述了大陆漂移的理论,之后在1920年至1924年三次再版,成为新地球科学观的经典著作。魏格纳从当时已被广泛接受的艾里(G. Airy)等人的地壳均衡理论中得到启示,他认为地壳均衡理论暗示了地壳之下存在一种高粘性流体(后来被确认为软流圈),在漫长的地质历史中,大陆既然可以在它上面升降,当然也可以在它上面漂移。他还明确地阐述了自己的观点,陆地曾经连接过,但不是通过后来沉没的陆桥,而是大陆间的直接连接,地壳中永存的不是个别的海盆或陆块,而是整个海陆面积。,古生物的证据,舌羊齿植物化石发现于南美、南非、澳大利亚、印度及南极区同一时代岩石中,这种植物成熟的种子直径达几毫米, 风不可能携带它漂洋过海。南部各个大陆上几乎同时出现舌羊齿植物化石, 无疑成为它们曾经连接在一起的有力证据。古生代和中生代爬行动物的分布情况也与之类似, 爬行动物几个种属的化石, 在现在分离的南部各大陆上均有发现。例如,有一种类似哺乳动物的爬行动物--水龙兽, 这种动物是严格的陆生动物, 其化石广泛见于南非、南美和亚洲, 1969年美国的一个探险队在南极也发现了它们。因此,这个动物属曾出现于所有的南部大陆, 这类爬行动物显然不能够游过几千公里宽的大西洋和南极洋,只能认为这些大陆先前曾连接在一起。早先曾提出过陆桥假说(类似今天的中美洲), 来解释水龙兽 出现于世界上相距遥远的地区, 但是海底的研究并未发现这类现已沉没的陆桥。,古生代冰川证据,在晚古生代(约300百万年),冰川覆盖了南半球大陆的很大部分。很容易识别这些冰川留下的沉积物,由下伏岩石上留下的冰川擦痕和擦沟可以判别冰川的运动方向。除南极外,南半球各大陆现在均靠近赤道分布。与之相反,北半球大陆并未见到同期的冰川活动痕迹,植物化石表明这些地区当时以热带气候为特征,若按照大陆固定论我们很难理解这一现象,因为气候带是由于纬度决定的。更有趣的是这些冰川的运动方向,通过擦痕和冰擦沟痕的区域填图,我们发现在南美、印度、澳洲的冰川由海洋向内陆运动,从目前地理分布很难解释这种运动方向,除非现在的海湾位置上曾经存在过陆块。,冈 瓦 纳 古 陆 冰 川 分 布,其他证据,非洲南端的东西向的褶皱山脉突然终止于大陆海岸, 而在阿根廷的布宜诺斯艾丽斯附近又出现相同时代和变形样式的类似构造。阿巴拉契亚褶皱山脉也表现出类似的特征, 这一山带的变形构造沿着北东向延伸, 穿过美国东部经纽芬兰并突然终止于海洋中, 而在欧洲大陆再次出现。许多这样的证据表明大西洋两侧的大陆不仅在轮廓上, 在岩石类型和构造上也可以拼合在一起。,,海底扩张学说,全球裂谷系:具有全球规模的大洋中脊和中央裂谷系是海洋研究的三大发现之一。1946年美国海军组织了11条船,执行“跳高行动”(Operation High Jump)的探险计划,发现了东太平洋隆起。这些发现引起了哥伦比亚大学拉蒙特研究所黑甄(B. Heezen)的极大兴趣,他在怀疑大西洋脊和太平洋隆起可能具有全球意义,因为他发现地震活动有沿着大洋中脊分布的趋势。黑甄指导一位年轻的绘图员,利用一些已有的资料来编制一张海底地形图,由于资料残缺不全,他又利用一些间接的资料加以补充,最后终于绘制完成了一张大西洋的海底地形图。这张图上清晰地出现了一条洋脊的轮廓,使黑甄受到了极大的鼓舞。1957年3月26日,黑甄在普林斯顿大学报告了关于大洋中脊系统的发现,使在场的地质学家受到了极大的震动,当时的普林斯顿大学地质系主任赫斯(H. H. Hess)对他说:“你动摇了地质学的基础”。,海底地热流异常: 1950年,在斯克利普工作的马克斯韦(A. E. Maxwell)和他的同事勒维尔(R. Revelle)使用一种装有记录仪器的新装置,在刺入沉积层中30-50分钟后就可以记录测试枪的顶部和底部的温度,这样就可以知道测试点的地温梯度,然后算出热流值。“Horizon”号海洋考察船使用这种方法在,东太平洋洋底测得第一批热流数据,所得到的热流值比预想的要高得多。因此,马克斯韦和勒维尔二人得出一个结论,要么是洋壳下面有一个异常的放射源,要么是有地幔的热物质上涌,才可能是洋壳具有如此之高的热流值。在此之后,各国科学家便进行了大量的地热测量,到60年代已经获得了3000多个数据。这些数据表明,热流值与大地构造单元有密切的关系,一般地,在前寒武纪地盾和海沟处热流值最低,大陆边缘和年轻的造山带热流值较高,大洋中脊的热流值最高。,海底磁异常条带: 1955年,美国的“先锋”号考察船再次到西海岸进行考察,在船上工作的英国访问学者梅森(R. G. Mason)根据测量资料绘制出一张磁场强度等值线图,这张图上清晰地反映出一系列南北走向的磁强的峰谷。这个发现使科学家们兴奋不已,并促使斯克利普的研究人员再次到“先锋”号上工作,以求更大的发现。1956年斯克利普的科学家们在西海岸附近测制了一幅长二千千米,宽几百千米的磁异常图。这张图上清楚地分布了南北向的磁异常条带,而且被许多东西向的断层所切断。在分析磁异常条带时科学家们发现,在两条称为“门多西诺”和“先锋”的巨大断裂两侧找不到相应的磁异常条带,于是他们大胆地设想,由于图幅的范围不够大,而断层的断距太大致使对应部分错出图幅外边。结果不出所料,科学家们终于在图幅西面几百千米处找到相对应的磁异常条带,从而证明门多西诺断层的水平错动距离达1100千米。,大西洋中脊的磁异常条带,,德国著名的地球物理学家曼尼兹(V. Meinesz)在对东印度洋的考察中发现了一条长达8000千米,宽100千米的负重力异常带。经过长达三十年的许多地球物理学家的不懈努力,科学家们终于认识到,海沟和负重力异常带相一致是地球表面最明显的特征,说明在海沟带附近有一种比重力更强大的引力,将地壳拉向地球内部。这个认识有力地支持了霍姆斯地幔对流的假说。 尤温兄弟(J&M. Ewing)在五十年代末对大西洋沉积物的研究时发现,大西洋中脊几乎没有沉积物,大洋底的沉积物也不厚。尤其重要的是,这些沉积物的年龄都不超过2.5亿年,似乎大洋只是中生代以来的产物,因此大洋不可能是永存的。,四十年代,毕鸟夫(H. Benioff)将南美发生地震的震源投影到一张图上,结果他发现这些震源大都集中在一个长长的斜坡带上。浅源地震发生在海沟附近,而深源地震则发生在安第斯山之下,构成一个长达4500千米,呈45角向大陆方向倾斜的斜面。后来人们把它称之为“毕鸟夫带”。,震源深度分布图,,赫斯(H. Hess 1906-1969),这位地学革命中的风云人物是美国普林斯顿大学地质系的系主任。二次世界大战期间,他以运输中队中校的身份参加了那场战争,并且常有机会乘坐潜艇进行水下观察。赫斯没有忘记自己地质学家的身份,仍然潜心观察海底的地质现象,他发现了太平洋海底有许多顶部平坦的火山。战后,赫斯报导了160个这种“太平洋中下沉的古岛”,并以普林斯顿大学第一位地质学教授盖约特(Guyot)的名字命名这种平顶山。这些“盖约特”一般高出海底3-4千米,但离水面不超过1千米,后来他又在汤加海沟发现一座高出海底8200米的“盖约特”,其平顶离水面730米,向西倾斜1,象比萨斜塔一样歪立在海沟的斜坡上,好象它就要沿着海沟的斜坡滑下去一样。按照达尔文的理论,“盖约特”在缓慢下沉过程中应该发育成堡礁,但大部分的“盖约特”并非如此。,最初赫斯认为,这些“盖约特”可能是前寒武纪的古岛,因为那时还没有珊瑚。后来他在“盖约特”顶部的沉积物中发现了白垩纪的浅水动物化石,才认识到“盖约特”是很年轻的火山岛,只是因为快速沉降未形成堡礁。 赫斯联想到黑甄的大洋中脊体系、布拉德和马克斯韦的海底热流异常、尤温兄弟的洋底沉积物研究、毕鸟夫带、地幔对流等等全球地学研究的最新成果,终于瓜熟蒂落,一个新的学术思想在他的脑海里跃然而出。1960年,在普林斯顿大学的非正式出版物上,赫斯发表了他的海底扩张学说,并在1962年得到正式发表。,,“盖约特”原本是洋中脊上的火山岛,它们在洋脊处山顶被波浪夷平,洋壳就象长长的传送带,把盖约特从洋脊送到了海沟的同时逐渐地冷却收缩,使盖约特慢慢下沉,并最终被“焊接”在大陆边缘。,迪茨是美国海军电子实验室的一名科学家,他在五十年代参加过海军的海洋探险,并在菲律宾以东的马里亚纳海沟见到与赫斯所见到的相似现象,因此也得到了与赫斯相同的结论。五十年代,他参加了“先锋”号科学考察船的地磁填图工作,因此特别提到门多西诺、先锋等巨大断层的意义,引起了地质学家的广泛注意。1961年迪茨在英国的《自然》杂志上发表了他的论文,并明确地将这一假说称为“海底扩张”。迪茨的论文比赫斯的非正式论文晚一年,但比赫斯的正式论文早一年,更重要的是他们二人的工作是各自独立完成的,后来人们就把二人都作为“海底扩张说”的创立者。由于迪茨不是一名地质学家使他在解释一些现象时经常会出现漏洞,也使得自己的研究工作很难继续深入下去,但他所提出的科学假说人们永远也不会忘记。,板块构造学说要点,板块构造学说的建立和当时对全球构造问题的一些新的认识上是分不开的,或者说板块构造学说是基于两个基本事实和两个基本假说而建立的。 第一个基本事实是软流圈的重新确认,这一认识重新划定了固体地球上部的两个圈层,即岩石圈和软流圈,也使得大陆以岩石圈板块的形式在软流圈上的漂移得到认同。 第二个基本事实是通过地球上一些星球规模的构造带可以把岩石圈划分为若干个板块。 第一个基本假说就是岩石圈板块是刚性的,它可以进行长距离的应力传递,板块的地质作用主要发生在边界上,而板块内部则比较稳定。 第二个基本假设是地球的表面积基本保持不变(不是必需的)。这样在地球的某个地方发生板块的增生,就会在另一个地方发生消减。,全 球 板 块 划 分 方 案,,三 种 板 块 边 界 类 型,离散型边界,汇聚型边界,转换型边界,板块的运动遵守球面运动的欧拉定律。由于岩石圈板块是在地球表面运动的,因此板块的运动必定饶某个极点进行(这个极点与地球的旋转极和磁极无关)。,我们还应注意到相对于转动极点而言,转换断层恰好位于纬度线上。从大西洋的海底地貌图中可以看出,大多数转换断层都是这样的。因此,我们可以利用转换断层的方向来确定每一板块旋转时极点的方向。,从大洋的演化看全球构造——威尔逊旋回 加拿大人威尔逊按照大洋盆的生命周期顺序,把大洋发展史分成六个阶段,形象的概括了大洋从张开到闭合的整个过程。杜威和伯克将这一发展过程称为威尔逊旋回。 第一阶段(胚胎期)以东非大裂谷系统为代表。它是一个长轴状的线性峡谷,其中部分为河流,主要部分是一个由张应力产生的巨大下降断块。 红海、亚丁湾代表裂谷作用的进一步发展阶段(幼年期)。现在的阿拉伯半岛已经完全与非洲分离,并且正在产生一个新的线性洋盆,其特征是具有典型增生边界的大洋中脊的存在。 大西洋代表北大陆漂移和海底扩张更为高级的阶段(成年期)。大洋发育成熟,已经有大洋中脊和大洋盆地的分异,但仍以洋壳增生为主,未出现俯冲消减作用。,大洋形成的三个阶段,大洋发育成熟之后就逐渐的走向它的末日(衰退期)。太平洋就是处于衰退期的典型大洋,虽然太平洋目前仍然是世界上最大的大洋,但比起中生代它所具有的规模来已经小得很多了。这一阶段最典型的特点是大洋的增生和消减并存,但俯冲消减的速度要大于增生的速度。,地中海是大洋演化另一个阶段(终了期)的典型。这一阶段大洋已不再增生,在俯冲作用下,大洋的规模急剧缩小。今天的地中海只有很少的古特提斯大洋壳的残余,不久将要完全闭合。 大洋演化的最后阶段就是完全闭合,留下一条古大洋的遗迹,结束了大洋的演化。喜马拉雅北侧的雅鲁藏布江蛇绿岩带,代表印度次大陆块与亚洲大陆块之间的碰撞缝合线,它也是古特提斯洋的遗迹。,13.2 构造变动,地壳岩石在构造运动营力的作用下发生位移、变形、破坏的过程称为构造变动。 构造变动是构造运动所保留的形迹,也是构造运动的主要证据。 构造变动主要分为两大类:褶皱变动和断裂变动。 研究构造变动及其成因机制是地质学的一个重要的分支学科——构造地质学,13.2.1 褶皱变动,岩层发生连续的弯曲变形称为褶皱,可以分为三种基本类型: 背斜 岩层向上凸起的弯曲变形。 向斜 岩层向下凹的弯曲变形。 挠曲 岩层急剧弯曲且连续地连结了近平行的两侧岩层部分。 单斜岩层的成因是多样的。,褶 皱 要 素,核部,翼,轴面,倾伏角,枢纽,,转折端,13.2.2 断裂变动,断裂变动是岩石破坏中一种最常见的构造变动,可以分为两个大的亚类:节理和断层。 节理(裂隙)断裂两侧的岩块没有发生明显的位移。 断层(断裂)断裂两侧的岩块有明显的位移。,节理是岩石中常见的构造,从其形成的力学机制看又可以分为张节理和剪节理。 张节理是岩石受到的拉张应力超过岩石的抗张能力时产生的破裂,节理的延伸方向与主张应力方向垂直。 剪节理是岩石受到的剪切应力超过岩石的抗剪能力时产生的破裂。,一般情况下,岩石抗剪切的能力远远小于它的抗压能力, 因此岩石在承受压应力的情况下往往形成两组交叉的剪节 理,称为共轭剪切节理。共轭剪节理的锐角指示主压应力 的方向。,上盘上升、下盘下降的断层称为逆断层上盘下降、下盘上升的断层称为正断层断层两侧的岩块在水平方向上发生相对的移动成为平移断层(走滑断层)。如观测者对面的断盘向右移动,就称为右旋平移断层。,上盘,下盘,上盘,下盘,圣. 安德烈斯断层,推覆构造,断层面近乎水平的(有时是波状起伏的)逆断层,水平位移的幅度特别大,这种断层称为推覆构造。大型的推覆构造的推覆距离可以达到数十千米,甚至是数百千米。推覆构造的上覆岩层被称为外来体或推覆体,下伏岩层称为原地体。当外来体的前锋岩块被风化剥蚀成为孤立的岩块或小山峰时,被称为飞来峰;当外来体被剥蚀后露出原地体的小窗口,则称为构造窗。,大型断裂带,大型断裂带经常由一系列相互平行的断层组合而成,经常有以下的一些标志和特征: 地层或其它地质现象不连续、破碎带发育、断层摩擦镜面及擦痕、线状构造发育、断层三角面等。 地垒 两条正断层(偶尔有逆断层)共有一个上升盘的断层组合。 地堑两条正断层共有一个上升盘的断层组合。 长数百千米甚至数千千米、宽数十千米以上的巨大地堑被称为裂谷或裂谷系。,思考题:大陆漂移的主要证据有什么? 海底扩张学说建立的主要依据是什么? 板块构造学说的要点是什么? 什么是威尔逊旋回? 转换断层有什么特殊意义? 褶皱有那些类型? 断裂有那些类型?什么是正断层、逆断层、走滑断层、推覆构造、地垒、地堑、裂谷? 大型断裂存在的标志有哪些?,
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