地质学基础第九章 板块构造理论.DOC

第九章 板块构造理论 地质学作为一门系统的科学已有二百多年的历史。很长时期来，对地壳运动的分析，对大地构造的解释，一直是传统的固定论的思想占主导、统治地位（即海陆无根本改变，只是范围大小而已，地壳运动以垂直运动为主）。活动论观点从本世纪二十年代才开始兴起，直到六十年代才成为系统理论为大多数接受。因此活动论的观点，活动论的一系列理论被称之“新地球观”。 活动论的观点张地壳运动以水平运动为主，海陆并非绝对固定，陆地基底位置有过改变。其理论包括大陆漂移、海底扩张和板块构造。 这些理论可以说是同一思想观点，在几个发展阶段中的基本理论。从大陆漂移到海扩张再到板块构造，后者对前者有着继承发展的关系，应该说大陆漂移是新地球观的萌芽阶段，海底扩张是它的发展阶段，板块构造理论则代表了比较成熟的阶段，目前这一理论被地质学界接受，但并非尽善美，还需要进一步发展、完善。 1.大陆漂移 一、大陆漂移学说的提出 最初主要建立在大西洋两岸地形有较好的拼合关系这个基础上，注意到这种拼接关系的可追逆到很久以前。 1620年 法（培根）提出非洲与南美边界有拼合的可能（未解释）。 1858 年 Ssder斯奈德地球及其演化一书中指出欧洲与北美也可以拼合在一起，并且两岸煤系地层连续。 1910. 美 Talor（泰勒） 这些文章注意到了两岸拼合现象，说明大陆曾可能连在一起而后又分开，但长时期内无人深入研究，没有提出一个系统的理论，直到1912年，德.魏格纳Alfred Wegener，不仅指出两岸拼合关系，较系统的提出了“大陆漂移”学说。 1915年，Wegener的第一部论述大陆漂移理论的书海陆的起源问世，书中具体论述了有关大陆漂移的时间、漂移前后情况，漂移的机制，并列举了一些证据。尽管漂移机制等后人提出了疑问，但应该说大陆漂移学说已成为了较系统的理论。 因此一般认为Wegener是大陆漂移说的创始人。 最初魏格纳本人并不是地质学家，而是一名气象学家（32岁时提出大陆漂移，1932年在北极格陵考察时不幸遇难）。 象这样一个地学界具有划时代意义的理论，并没产生于地质学界，如果考虑到当时的背景，应该说有其一定的必然性，当时传统的固定论思想已经统治了地学界许多年，在地质学家的思想中通常已是根深蒂固的了。正如西方有人说过的“正因为wegener不是地质学家，没有受传统观点的束缚，所以能提出这样一个带有革命性的地质学说”。 “大陆漂移”问世之后，由于经和传统的固定论（大陆基底固定）是截然对立的因此，在地质学界引起了轩然大波，有人热情支持，但大多数地质学家激烈反对。斥之为“廖论”，谷话说异想天开，在他们眼里魏格纳的“异想天开”是绝对接受不了的。 但wager本人是坚定热情的科学工作者，对这一理论坚信不移，并在后来的工作中不断为之搜集证据，直至献身于科学考察。 任何新理论的进出都不可能是尽善尽美的，但其中新颖、合理的思维、思路则启迪着后来的学者，大陆漂移正是这样为海底扩张板块构造理论开辟出一条新的思路。 二、大陆漂移说的基本内容 简单地表述为现代地球表面为各大洋所分离的各大陆，在中生代以前曾是一个统一的，巨大的陆块，称联合古陆（泛大陆） 北方的劳亚古陆（北美、欧、亚） 古地中海分割 南方冈瓦纳古陆（南美、非洲、印度、澳大利亚） 仅在侏罗世纪（1.5亿年前）开始分裂，并且分裂的陆块各自漂移直至今天的位置。 由于大陆是整体，根本不存在大西洋、印度洋，而古大西洋是一个统一的大洋，称之为泛大洋。 三、漂移的证据 最初使魏格纳萌发大陆漂移说思想的也是大西洋两岸地形，可以较好地拼合在一起这一现象。进一步分析发现，两岸的地层、古生物、构造等方面的分布上，也都有密切联系，对此，魏格纳作了一个很浅显的比喻，他说“如果两片撕碎的报纸，不仅按其参差的毛边可以拼接起来，而且其上的印刷文字，也可以相互连接，我们就不能不承认这两片报纸是由一大张撕开的”。 （一） 古生物证据 古生物学家早就发现，现代远隔重洋的一些大陆之间，古生物面貌有着密切的亲缘关系。应该说，陆生生物只能在本大陆内迁移，但不能远涉重洋。然而现代分割的大陆上，出现了同一种陆生物化石。 例如 中龙（Ｃ－Ｐ淡水生活的爬行动物） 巴西（南美）南非 Ｃ－Ｐ湖沼地层均有。 舌羊齿（一种陆生古植物） Ｃ－Ｐ常见化石，出现在澳大利、 非洲、南美、印度。植物的孢粉，不可能由风传播如此远。 这些化石只能说明大陆之间曾一渡有过陆地联系。 大陆漂移说认为当时是联合古陆，前者北方劳亚古陆，后者南方的冈瓦纳古陆，因此有相同的陆生生物化石是很正常的。 反对者提出“陆桥”说，由条岛状陆地连接各大陆，而后沉入海中，但现代海洋工作证明无陆桥的存在。 （二）地层及构造证据 从北欧挪威向西南沿伸，通过苏格兰的一条加里东褶皱山系（S未形成）在太平洋东岸消失后，又在西岸纽芬兰，加拿大出现，如果把大西洋关闭，褶皱带正好连接在一起。 从北美东部、西欧都分布相同的D老者红砂岩。 北美和欧洲CP煤系地层也有联系。 （三）古冰川证据 南美、非洲、印度、澳大利亚，这些现代气候和地理位置完全不同的地区，广泛分布CP冰川的痕迹，且从保留的冰川擦痕来看，呈放射状，属大陆冰川的产物，而非山冰岳川形成。 如果用固定论很难解释，尤其北半球仅印度发现冰川痕迹，现在位置并不靠近极地，怎会有大陆冰川 若按大陆漂移，这些现代分割的大陆同属南方冈瓦纳古陆，位置更靠近南极，因此，整个大陆发育CP大陆冰川。这些冰川痕迹的存在正好作为联合古陆的存在提供了证据。 以上是魏格纳时期提出的一些证据。三十年代开始随着wegener本人的去世，大陆漂移说曾一度消沉，自五十年代以来，由于科技手段的更新，人们更深层次去找到了一些大陆漂移的证据。使漂移说再度活跃起来。 （四）古地磁证据 在地球磁性中，我们讲过热剥磁的概念。 火成岩形成的过程中，当其冷却经过居里点（居里温度时）一些金属矿物被当时地磁场磁化，磁性保留在岩石中，称热剥磁。岩石中矿物的热剥磁记录了当时的磁偏角，磁倾角，进而可推算出所处的地理纬度。 古磁极位置变化（同一时期不同陆地应该指示一致的磁极位置） 陆块漂移过（唯一的解释） 两种可能 从一些大陆的古地磁资料来看，古地磁的纬度与现代所处的纬度有很大的差别。 从印度孟买实测的一系列资料，很好地证实了大陆漂移说的存在。。 现代 N19 侏罗纪 S40 J R 现代 的一系列变化 时代 磁倾角 J1.5亿年 向上64 K1.0 向上60 R初（5千万年） 向上20 R中 向下17 从不同大陆测得的地磁资料看，大多与现代所处的地理位置不同，若把他们推到与当时古地磁要素相适应的位置上，正好拼合出魏格纳设想的联合古陆，且各大陆开始分离的时间也基本吻合。 古地磁资料是当前证实大陆漂移很重要的依据。 （五）大西洋两岸的电子计算机拼接 wegener时代由于受到当时科学水平限制，仅粗略地从地图上说明大西洋两岸地形沿各自海岸线有近似的拼合关系。 随着电子计算机的出现，1965年，英国地球物理学家布拉德用计算机以数学的精确方法，对两岸地形拼接。并且他不以地图上海岸线拼接，而是以北水深5000寻（915米）处的边界进行拼合（相当于大陆坡脚的位置）。我们讲过大陆坡属于陆壳，深处为洋壳，因此陆块的边缘以坡脚为界是最合适的，用这个深度边界拼接也是最合理的，拼接结果两岸吻合误差1。 如此好的吻合关系，不能说是偶然的，完全证实了两岸陆地曾经联为一体的设想。同样有人研究南极，澳大利亚、印度等大陆的拼合，也取得了令人满意的结果。 （六）前寒武系岩石区的拼接 由于放射性测年工作的展开，大陆的前寒武系基底（七亿年前变质岩）被划分为不同年龄的岩石区域，在布拉德的拼合图上 南美和非洲20亿年前６亿年前的岩石区和分界线衔接的很好。 东非、马达加斯加、印度、奥洲前寒武麻粒岩带地可相互连接起来。 以上证据从不同角度，都说明了中生代以前存在着联合古陆（泛大陆）北方的劳亚古陆，南方冈纳古陆。因此，大陆漂移成为不容置疑的事实。 四、关于大陆漂移的机制 魏格纳虽然以其深燧的洞察力，看出大陆确定是漂移过，并从多方面加以论证，但由于认识水平的限制，对漂移的方式和机制所作的解释却难以自圆其说。成了当时反对派攻击的软弱之处。 他认为大陆上的硅铝层驮在下覆硅镁层之上漂移。漂移的仅是硅铝层，在硅铝层裂开处露出硅镁层洋底，其前进的一方掩盖前方洋底。但事实上，硅铝层和硅镁层都是固态刚体，其间的滑动，大规模滑动，是实现不了的。 直到板块理论提出“地幔对流说”岩石圈在软流圈（塑性）的漂移，漂移的机制才基本上为人们接受。 2.海底扩张 我们知道现代地球表面海洋面积＞陆地面积。因此说任何地质理论如仅考虑到大陆特征而不符合海洋（洋底）的实际情况的话，都不可能具有全球普遍意义的。但在很长一段时期内，即使在大陆漂移说提出的时期，由于受到科学水平和技术手段的限制，对海洋尤其海底的情况知道的还很少，直到第二次世界大战后，由于军事和寻找资源的需要，对海洋进行了许多考察工作，才获得了大量有关海底版地质及地球物理的资料。使人类第一次了解了海底的基本情况。人们很快发现，根据研究大陆地质而建立起来的传统的地质学，包括大陆漂移说都不能解释海洋地质及地球物理的特点． 显然，地质学开始面临一个新的发展阶段．因此，一大批地质及地球物理学家纷纷开始探索海底调查所提出的新问题。试图用新的理论来解释这些问题，在这样的背景下导致了＂海底扩张说＂的建立． ＂海底扩张说＂的核心思想是洋底在某些部位扩张（生长），另一些部位府冲（消失）以致整个洋底在不断更新之中． 海底扩张不仅解释了洋底特征，同时说明了大陆漂移的机制问题． 下面我们首先从人类把目光投放到海洋，对海底考察后发现了哪些问题开始，然后看海底扩张说怎样产生的，如何解释这些问题，最后，理论提出后，又通过哪些手段获得了什么新证据来证实海底扩张的存在。 一、海底地质的特征 （一）洋脊及特征 在海底地形中我们讲过，洋底并不完全平坦，而存在延绵于各大洋的海底山脉洋中脊。 早在上世纪七十年代英国“挑战者”号调查船在全球考察之后，就得知北大西洋中部有一条海底山系。但直到19251927年期间，通过“流星号”回声测深工作，才确定了整个大西洋贯穿着一条长达17000公里的大洋中脊，1956年进一步证实了各大洋都有洋中脊的存在。总长80000公里。（太平洋为洋隆） 1.洋中脊特征 延绵的海底山系，横剖面为高2-4公里；宽大10004000公里， 平缓的等腰三角形，中央为深裂谷。 １高地热流异常区中央裂谷高达3-5，平均1.9,正常1.47, 2地壳薄，莫氏面模糊不清。 3重要地震带，震源浅而频繁。 总之，洋脊是地温高，软流圈上隆的地段，同时中央裂谷是张裂隙。 ２.中央裂两侧的对称性 １基岩风化程度向两侧逐渐加深 ２沉积物在裂谷带极薄，甚至缺失，向两侧逐渐增厚。洋底沉积物最厚只有500-600米。按0.5-2mm/千年5-20mm/千年计算，只需用１亿年，说明海底仅存在1亿多年。 ３磁条带的对称 洋脊两侧古地磁高度对称性（热剩磁） 洋 脊 古地磁学发展为新地球观提供了许多重要的证据。 大陆架、大陆坡、陆隆（大陆基） 大陆架、大陆坡、岛弧和海沟（狭长凹地） 大陆边缘 2．海沟岛弧及特征 ① 海沟是切穿岩石圈的深大断裂 地形上，狭长深沟。伴随地震、火山活动 马里亚纳海沟 -11030米 ② 海沟附近地震分布有规律贝尼奥夫带。 震源分布，由海至陆、深度增加。呈向陆地倾斜的带状。 ③ 岛弧是火山成因的 ④ 海沟是不对称的地热流异常区 海沟处地热流值较低，但向陆一侧强烈的火山活动，热流值很高； 向洋一侧则无热流值增大的表现。 火山（岛弧）与海沟之间有一段距离。 洋底除洋中脊山系外，还有玄武质火山高地海山 岛屿（露出水面） 海底平顶山－沉于水下，亦称guyot盖约特 3．海底平顶山及特征 ① 海底平顶山线状排列大致与洋脊垂直 ② 海底平顶山上有浅水生物礁化石。 现代水下200-2000多米深 说明曾位于浅水范围。 ③ 同位素年龄，由近洋脊向远离洋脊依次变老；沉入水下的近洋脊向远离洋脊深度加深。 大量的洋底考察使人们发现这样一些海底特征是原来地质理论所不能解释的，于是，1961年，首先由美国地震学家迪茨Diete正式提出了海底的概念，接着1962赫斯（Ｈess）给予了进一步的阐述。使海底扩张成为较系统的学说后来不完善。 二、海底扩张的提出和基本内容 （一） 1961迪茨Ｄite首先提出的； 1962赫斯Hess不断补充和丰富。 （二） 基本内容 １． 由于地幔温度不均匀导致密度不均匀，引起软流圈甚至整个地幔热对流而形成环流。 ２． 地幔环流的上升流处在地表形成洋脊，来自深处的岩浆反复从洋脊的裂谷处涌出冷凝后形成新洋壳，洋壳驮在软流圈上随环流向两侧漂移。因此新洋壳在洋脊处不断生长，洋壳向两侧扩张，越老的洋壳距洋脊越远。 ３． 地幔环流的下降流处在地表形成海沟，岩石圈在此发生断裂（海沟）洋壳插入地幔。 ４． 洋壳插入呈向陆侧倾斜状态，形成贝尼奥夫带，洋壳在地下受热熔融形成岩浆喷出地表组成岛弧或沿岸山脉。 海底扩张说较好地解释了海底地形、地质和地球物理的基本特征。它把似乎不相干的问题归入了一个简明的总体模式及由此形成的总体规律。 海底扩张说最初（1962）年提出作为一种推测的假说，大多是定性分析，是对一些现象的定性解释。很快在后来的几年中人们又不断获得了一些洋底资料，其中最重要是全球深海钻探科考船“格洛玛号”Glomer获得的大量有价值的证据，进一步证实了这个假说。 以下讲述新获得的海底资料 三、海底新资料 （一）古地磁资料 １陆地熔岩中热剥磁表明，地球南北磁极多次反转，并可得知每次稳定磁场的时间，得出地磁年表。 ２海底不仅有磁条带，且磁宽度与相应的地磁年表时间成正比。这说明是在地球磁场不断倒转背景下，海底增生和扩张的结果（马修斯假说）。 进一步验证假定某个海底扩张的速度，由这个速度与磁条带宽度，可计算得知每次磁条带形成的时间（Ｗ＝ＶT T W V）。将其与地磁年表时间对比 终于扩张速度1-4.9厘米／年下，两时间表完全吻合。1与2吻合不仅定性且定量证实海底扩张说的存在，说明了较精确的速度。 3正反磁化的海泥在垂直方向上逐层交互排列。每层厚度不同，形成时间长短也与地磁年表一致。 三个成因无直接联系的事物在磁性方面具有令人惊奇的统一规律。有人称之“三位一体”。证实了地磁反转，古地磁年表和海底扩张的要领都是正确的。曾被看做“轰动事件” （二）深海钻探资料 1968-1978,深海钻资料表明，洋底岩石年龄生长量。海盆缩小（太平洋缩小量正好＝大西洋 印度洋张开的量，地表面积不变）。 同时，由于生长与消亡的循环，使太平洋保留下年青的洋底。 1974年加拿大学者威尔逊把大洋的开合，大洋盆地的演化归为六个发展阶段。称威尔逊旋回 阶段 实例 主导运动 特征形态 胚胎期 东非裂谷 抬升 裂谷（断裂、地裂） 幼年期 2000万年红海亚丁湾 扩张 狭海（有平等的海岸及中央凹陷） 成年期 印度大西洋 扩张 洋盆中有活动的洋脊 衰退期 太平洋 收缩 有发青的岛屿及海沟 终了期 地中海 收缩 无活动的中脊狭小 遗痕（地缝线） 喜马拉雅山 抬升 年青山系 前三个阶段，表明了大洋形成和张开，后三个阶段标志了大洋的收缩关闭。 扩张中的大洋泛发育大西洋型大陆边缘（大陆架、大陆坡、陆隆） 收缩中的大洋至少有一侧是太平洋型大陆边缘（大陆架、大陆坡、弧、海沟） 大洋的发展过程中，大西洋型大陆边缘，由于软流图的下降流引及地壳均衡作用，逐渐转化为太平洋型大陆边缘。 板块运动存在的问题 １． 驱动力尚无直接证据； ２． 切断洋脊的原因； ３． 洋底含煤沉积的原因无法解释 ４． 从目前资料来看，非洲板块的南、东、西都被扩张的洋脊所环绕 如何消减 ５． 日前板块构造涉及的时间范围不超过中生代，对更早时代的地质现象 如何解释，也就是古板块划分如何是人们关注的问题。 有些板块构造学者认为，现代大陆上很多山脉或大构造行迹都是古板块相撞的结果。大陆是多次板块碰撞焊接而成，但很难严格地划分识别古板块边界，推测板块运动。识别古板块还无令人信服的理论依据。 13