1、CompanyLOGO第十一章 构造运动与地壳变形 z 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。z 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。z 在地球科学观发展的过程中，对地壳演化的探索始终是地质学家孜孜以求的目标，而作为地壳演化过程中最直接的问题就是山脉是如何形成的？z 即使是在地质学还处于萌芽状态时，人们就已经认识到构造运动所引起的沧海桑田的巨变。z 唐代书法家颜真卿在麻姑山仙坛记中就提到“高山犹有螺蚌壳，或以为桑田所变”，其意不言自明。z 北宋时期的沈括在梦溪笔谈中多处记录了化石
2、的发现，进而得出了古地理、古气候是在不断变化的结论。z 南宋时期的哲学家朱熹在朱子语类中也得出了地面升降的结论。朱熹还认为，这是因为世界发生了“震荡无垠，海宇变动，山勃川湮”的巨变所引起的，这种巨变是大约129600年一次的“轮回”。z 虽然朱熹的认识有他的历史局限性，但从他的论述中我们分明已经看到了构造演化理论中最根本的思想，即构造运动的剧变性和旋回性。11.1 板块构造学说v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。v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。11.1.1 板块构造学说的产生魏格纳和大陆漂移v 魏格纳（德国气象学家），19
3、11年，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。古生物的证据南部大陆古生代生物分布情况古生代冰川证据其他证据20亿年的岩石5.5.亿年的岩石20亿年前在撒哈拉地盾形成的岩石撒哈拉地盾延续到这里圣路易斯5.5亿年前形成的“泛非群”岩石非洲与南美的一些地质体和构造的对应关系
4、海底扩张学说v 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。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。v 海底地热流异常： 1950年，在斯克利普工作的马克斯韦（A. E. M
5、axwell）和他的同事勒维尔（R. Revelle）使用一种装有记录仪器的新装置，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。v 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
6、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。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。大西洋中脊的磁异常条带v 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。v 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。v 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
7、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。震 源 深 度 分 布 图v 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。战后，赫斯报导了160个这种“太平洋中下沉的古岛” 。这些“盖约特”一般高出海底34千米，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
8、的斜坡滑下去一样。“盖约特盖约特”原本是洋中脊上的火山岛，它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，使盖约特慢慢下的同时逐渐地冷却收缩，使盖约特慢慢下沉，并最终被沉，并最终被“焊接焊接”在大陆边缘。在大陆边缘。v 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、
9、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Nature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。11.1.2 板块构造学说要点v 三个基本事实和两个基本假说而建立的。v 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
10、得大陆以岩石圈板块的形式在软流圈上的漂移得到认同。v 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。v 第三个基本事实是岩石圈板块可以发生大规模水平运动。v 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。v 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AB旋转轴旋转极旋转半径小圆大圆板块的球面运动方式z板块的运动遵守球面运动的欧拉
11、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）。板块A板块B板块C欧拉极欧拉极板块的相对运动形成不同的欧拉极地理北极我们还应注意到相我们还应注意到相对于转动极点而言对于转动极点而言,转换断层恰好位于转换断层恰好位于纬度线上。从大西纬度线上。从大西洋的洋的海底地貌图中海底地貌图中可以看出可以看出,大多数转大多数转换断层都是这样的。换断层都是这样的。因此因此,我们可以利用我们可以利用转换断层的方向来转换断层的方向来确定每一板块旋转确定每一板块旋转时极点的方向。时极点的方向。11.1.3 威尔逊旋回v 加拿大人威尔逊按照大洋盆的生命周期顺
12、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。 v 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。v 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。v 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的过程裂谷线性洋盆
13、大洋中脊中央裂谷acbv 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。v 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。v 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
14、提斯洋的遗迹。11.1.4 板块动力学v 板块构造的基本内容在20世纪70年代就已经形成，但地球科学家至今对板块的驱动力问题仍未达成共识，这是因为大部分的板块驱动力理论都处于假设阶段，检验各种驱动力是否确实存在是十分困难的。比较让学者相信的板块驱动力学说主要有：俯冲板块由于相变所产生的重力拖曳力、洋脊扩张产生的侧向推挤力和地幔对流产生的底部托举力。在20世纪80年代，许多科学家认为板块的主要驱动力主要来自是俯冲板块的重力拖曳力，洋脊的侧向推挤力被认为仅次于重力拖曳力，但仍是板块运动很重要的驱动力。90年代以后，绝大部分的学者又倾向于地幔对流是板块运动的主要驱动力。东非裂谷系与红海、亚丁湾构成了
15、三连点（左图）岩石圈破裂的最初阶段和其后的发展演化（上图）东非裂谷非洲红海亚丁湾裂谷火山穹隆上升的热幔柱破裂形成三连点裂谷夭亡支形成线性洋盆蜡的对流模型受热膨胀上升受冷收缩下沉 地幔内的高温物质上升到岩石圈底部,并开始水平运动，而后冷却下沉到地幔深处再加热上升，形成一个物质循环，这一循环周而复始。与这种对流类似的例子见于水壶的加热，壶底受热升温，随后膨胀并且密度降低，高温的流体上升到顶部，然后被迫水平运动，随后冷却，因密度增大而下沉。大多数地质学家认为地幔对流是引起板块运动的根本原因，但对地幔对流的形式仍有不同的见解：即上地幔对流模式和全地幔对流模式。 地幔的三维波速结构地幔的三维对流模型11
16、.2 褶皱变动走向倾向倾角水平面岩层的产状要素示意图 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。1 1.2.1 褶皱要素向斜（右）和背斜（左）的组合岩层中的挠曲褶 皱 要 素核部翼轴面倾伏角枢纽转折端11.2.2 褶皱的形态与分类不同的褶皱形态及名称abcdef褶皱中轴面位置的变化及褶皱类型abcde对称褶皱（a）：褶皱轴面直立，两翼的形态对称分布；不对称褶皱（b）：褶皱轴面直立，两翼的形态不对称分布；倾斜褶皱（c）：褶皱轴面倾斜（注意和倾伏褶皱的区别）；倒转褶皱（
17、d）：褶皱中有一翼的岩层发生倒转；平卧褶皱（e）：褶皱的轴面呈近水平状态。11.2.3褶皱的判别 实际上野外观测中有时只能看到褶皱的剖面形态，有时则只能看到褶皱的平面形态，有时不论在平面上还是在剖面上都很难看到褶皱的全貌，这时需要对褶皱的产状要素进行分析，尤其是对褶皱两翼岩层新老顺序的鉴别，成为区分褶皱类型的主要依据。剖面上的背斜，在平面上表现为两侧的岩层较新，而中间的岩层较老。因此从本质上看，不管是在平面上还是在剖面上，新、老顺序呈对称分布的岩层，都构成褶皱；两侧新中间老的为背斜，两侧老中间新的为向斜。倾伏褶皱在平面上的出露情况一个穹隆的航空照片 出露的长度远远超过宽度的褶皱称为线性褶皱，这
18、种褶皱的两翼岩层往往在很长的范围内平行延伸；长度和宽度小于3：1的褶皱称为短轴褶皱；长度和宽度大致相当的短轴背斜被称为穹隆。 11.3 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。11.3.1 节理 一般情况下，岩石抗剪切的能力远远小于它的抗
19、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。11.3.2 断层断层是被切割岩层的两侧发生了明显的相对位移情况下的断裂。断层通常也常被称为断裂，尤其是规模大的断层。 水平断距铅直断距滑距断层面断层位移要素示意图上盘上升、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v 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
20、。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。飞来峰前寒武纪地层白垩纪地层构造窗推覆到白垩纪之上的前寒武纪灰岩及其形成的构造窗和飞来峰推覆面外来体原地体v 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：v 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。v 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。v 地堑两条正断层共有一个上升盘的断层组合。v 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。11.3.3 断层的判别断面上的擦痕显示另一侧断块在此断面上自右向左运动摩擦镜面山前的断层切断山梁形成一系列的断层三角面正断层组合形成的地垒和地堑a. 地垒b. 地堑 大型断裂带中经常出现一系列的正断层组合，偶尔也有高角度逆断层参与形成特殊的构造类型：地垒和地堑。如果两个相背倾斜的正断层拥有共同的上降盘，侧称之为地垒；如果两个相向倾斜的正断层拥有共同的下降盘，侧称之为地堑。
