大地構造課件 第五講：板塊構造理論2

1、主講：童亨茂主講：童亨茂地球科學學院地球科學學院第五講：板塊構造理論（二）七、板塊的運動板塊運動的核心是海底擴張。巖石圈板塊從中脊軸部向兩側不斷擴張推移，在海溝處俯沖潛沒，頗如一巨大的傳送帶。海底擴張和大陸漂移可以用板塊運動的形式表達出來。1、關于板塊的剛性 在描繪板塊運動時，通常認為板塊具有剛性，表現(xiàn)在：板塊能在很長距離內傳遞應力，其內部并不發(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、內陸地震、構造活動和火山作用等。2、板塊的擴張增生與壓縮消亡之間的補償

2、沿著大洋中脊軸部，地幔物質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。3、板塊沿球面的旋轉運動如果我們把板塊當作剛體來處理，而且地球半徑不變，那么，板塊的運動嚴格遵循球面運動的歐拉定律歐拉定律1776年，瑞士數(shù)學家歐拉（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（板塊沿球板塊沿球面的旋轉運動圖片及兩板塊的相對運動圖片面的旋轉運動圖片及

3、兩板塊的相對運動圖片）。板塊的球面運動，遵循歐拉定律求旋轉極板塊的旋轉運動主要由板塊的旋轉軸的位置和旋轉角速度來確定。轉換斷層標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，就是旋轉極的位置，為此可以求出兩板塊相對運動的旋轉極（圖片圖片）美洲和非洲板塊相對運動的旋轉極求旋轉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，便可求出旋轉角速度：式中為角速度（單位：度/年），v是線速度（厘米/年），r是地球半徑，單位厘米，為歐拉緯度。為了檢驗板塊繞極的旋轉運動，勒皮雄以板塊旋轉極為投影極，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

4、線（圖）。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）。大地測量法 激光測距、gps測距貝尼奧夫帶長度法5、板塊的三聯(lián)結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、會聚型或轉換

5、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代表轉換斷層，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，是嚴格地彼此關聯(lián)的（圖）三聯(lián)裂谷的形成過程三聯(lián)裂谷的形成過程據(jù)據(jù)e.j.tarbuck,1987)三聯(lián)點所臨接的三個板塊的相對運動的矢量和應等于零三聯(lián)點所臨接的三個板塊的相對運動的矢量和應等于零avb+avc+cva=06、現(xiàn)代板塊運動的全球圖式 1968年以來，勒皮

6、雄（1968）、摩根（1971）、明斯特（minster et al., 1974)等定量地描繪了全球各主要板塊間的相對運動相對運動。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到最大，可達9cm/a，向南和向北均遞減。阿爾卑斯-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7.0cm/a。環(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

7、方向推進，后緣是大西洋和印度洋的張開；太平洋內部的太平洋板塊、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，這一推移又是印度洋和大西洋擴張的結果。板 塊角速度（10-7度/ a）歐亞板塊-印奧板塊6.5歐亞板塊-非洲板塊1.4歐亞板塊-太平洋板塊9.1印奧板塊-太平洋板塊12.6北美板塊-太平洋板塊7.5北美板塊-歐亞板塊2.7太平洋板塊-可可板塊21.3南美板塊-非洲板塊3.7非洲板塊-印奧板塊5.8非洲板塊-南極洲板塊1.9太平洋板塊-納茲卡板塊16.4一些主要板塊相對運動角速

8、度表全球板塊定量運動數(shù)據(jù)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軸的運動。如果某一系統(tǒng)在地史期間相對地球旋轉軸的位置固定不變，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；非洲板塊的旋轉極位于非洲板塊上，它環(huán)繞該極作逆時針方向的旋轉運動；歐亞板塊主要是向西和向北運動。板塊絕對運動圖式板塊絕對運動圖式八、大洋的演化-威爾遜旋回1、大洋的起源關于大洋的起源問題，是地質學最重大的理論問題之一，長期以來曾提出種種假說。大洋永存說是丹納

9、等倡導的，認為大洋是原生的，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。大洋化說是前蘇聯(lián)學者別洛烏索夫所宣揚的，認為古生代末期以前，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，變質加重沉入地幔中，陸塊沉陷之處形成洋盆2、威爾遜旋回大陸漂移、海底擴張和板塊運動的概念，使人們對大洋成因和演化的認識發(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（圖片圖片和表和表）

10、，稱為威爾遜旋回。可見，大洋的演化呈現(xiàn)為張開和關閉的旋回形式。由于大洋盆地是全球最大的構造-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。階段實例主導運動特征形態(tài)典型火成巖典型沉積.胚胎期東非裂谷抬升裂谷拉斑及堿性玄武巖少量.幼年期紅海、亞丁灣擴張窄海拉斑及堿性玄武巖陸架及海盆沉積.成年期大西洋擴張有活動中脊的洋盆拉斑及堿性玄武巖豐富的陸架沉積.衰退期太平洋收縮環(huán)繞邊緣的島弧及毗鄰海溝邊緣的安山巖及花崗閃長巖大量源于島弧的沉積物.終了期地中海收縮并抬升年青山系邊緣的安山巖及花崗閃長巖大量源于島弧的沉積物.遺痕(地縫合線)喜馬拉雅山的縫合線收縮并強烈抬升年青山系少量紅層大洋盆地演化

11、旋回中的各個階段及其特征大洋盆地演化旋回中的各個階段圖 3、威爾遜旋回對大陸構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近、以及由此導致的深部熱體制、地殼結構也必然會發(fā)生深刻的變化。大洋演化可導致海平面的變化，大洋盆地演化前期，海底擴張作用建造起龐大的中央海嶺，造成海平面上升。晚白堊紀和早古生代的海平面上升就認為與此有關。大洋演化始自大陸巖石圈的拉伸變薄，最后轉化為擠壓增厚體制而結束，在地質記錄上表現(xiàn)為大陸裂谷、大陸邊緣和擠壓碰撞帶等地球動力學環(huán)境的更迭，本身構成了一個完整的構造旋回。4、大洋現(xiàn)今

12、的活動趨勢目前，大西洋和印度洋在擴張，太平洋在收縮（圖圖），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張著的洋底推動著，主要是向外側推移。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。大洋現(xiàn)今的活動趨勢大洋現(xiàn)今的活動趨勢九、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

13、。其上無中央裂谷發(fā)育，也不見橫斷海嶺的轉換斷層。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（海嶺立體排列海嶺立體排列圖片和年齡變化圖片圖片和年齡變化圖片）。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圖。天皇海嶺和夏威夷海嶺之間有一明顯的轉折，表明太平洋板

14、塊的運動方向發(fā)生過變更，這一轉向大約發(fā)生在4000完年以前（圖圖）。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（圖圖）火山鏈熱點形成模式圖火山鏈熱點形成模式圖(據(jù)據(jù)e.j.tarbuck,1987)由熱點形成的無震海嶺由熱點形成的無震海嶺地球表面熱點分布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噴出代表的反映（圖片圖片）。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

15、分布圖片圖片）。熱點-地幔柱假說為解釋板塊內部的火山和構造活動，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，開辟了有益的途徑地幔柱示意圖十、板塊的驅動機制巖石圈下面軟流圈的存在是板塊運動的物質基礎。板塊驅動機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)地質學家所接受的假說。熱而低密度的地幔物質上涌，在巖石圈處向兩側擴展成為平流，平流過程中由于熱傳導使之變冷，冷而重的物質沉入地幔深處，在深處重新加熱再升起，如此往復循環(huán)（圖片圖片）。地幔對流模式圖地幔對流模式圖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，對流熱量來自地核。淺地幔對流模式（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。深淺地幔對流相結合的熱柱對流模式（圖d） 認為由液態(tài)外核供給熱能使熱的地幔物質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擴散的水平流只在軟流圈中擴散開來，變冷的物質在平流過程中逐漸下降而回到地幔深處。深地幔對流模式深地幔對流模式淺地幔對流模式淺地幔對流模式熱柱對流模式熱柱對流模式重力推拉模式重力推拉模