大地構(gòu)造課件 第四講：板塊構(gòu)造理論1

1、 大地構(gòu)造學(xué)第四講：板塊構(gòu)造理論（一）1第三章 板塊構(gòu)造理論作為大陸漂移和海底擴(kuò)張的自然引伸，1968年又進(jìn)一步提出了板塊構(gòu)造學(xué)說，在歸納了大陸漂移和海底擴(kuò)張的論點(diǎn)的基礎(chǔ)上，還囊括了巖石圈和軟流圈、轉(zhuǎn)換斷層、板塊的劃分、板塊的俯沖和大陸碰撞等一系列的新概念，在更廣泛的基礎(chǔ)上，闡明了地球是怎樣活動和演化的重大問題，因而被稱為新全球構(gòu)造全球板塊活動動態(tài)圖象。2板塊構(gòu)造模式圖（據(jù)E.J. Tarbuck, 1987)3一、板塊構(gòu)造理論要點(diǎn)1.固體地球的上層在垂向上可劃分為物理性質(zhì)截然不同的兩個圈層上部的剛性巖石圈和下墊的塑性軟流圈。 2. 巖石圈并非渾然一體，而是由為數(shù)不多剛性板塊組成，彼此鑲嵌排列

2、，并以每年若干厘米的速度相對移動，其邊界有三種類型（圖），地殼變形是板塊相互運(yùn)動的結(jié)果，變形性質(zhì)與析塊的邊界類型有關(guān)；3.板塊沿地球表面大規(guī)模的水平運(yùn)動符合歐拉幾何學(xué)原理，可以用一選定軸的簡單旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來描述，在全球范圍內(nèi)，新板塊的增生和舊板塊的消亡總體上應(yīng)是相互補(bǔ)償?shù)模?.巖石圈板塊運(yùn)動的來自地球內(nèi)部，最可能的一種機(jī)制是地幔對流（圖）。4固體地球的上層在垂向上可劃分為物理性質(zhì)截然不同的兩個圈層上部的剛性巖石圈和下墊的塑性軟流圈（據(jù)E.J. Tarbuck, 1987)軟流圈巖石圈5（據(jù)E.J. Tarbuck, 1987)板塊的三種邊界類型離散型、匯聚型、轉(zhuǎn)換型6板塊驅(qū)動最可能的一種機(jī)制是地幔

3、對流7二、板塊的劃分“板塊”這一術(shù)語，系1965年Wilson在論述轉(zhuǎn)換斷層時首先提出的。整個地球的表殼（巖石圈）并不是一個連續(xù)完整的圈層，它被首尾相接的活動帶（洋中脊、海溝和轉(zhuǎn)換斷層）分割成大小不一的塊體，叫做巖石圈板塊，簡稱板塊（板塊圖片）。全球的地震帶是板塊邊界的相對運(yùn)動造成的，這樣全球各地震帶（全球地震帶分布圖片）相互交接、首尾相連，它們把巖石圈劃分為若干內(nèi)部地震較弱的板塊。錄象（ 板塊的劃分過程動態(tài)圖片：把地震帶畫上線，再把分割的塊體依次涂上不同的顏色）8（據(jù)E.J. Tarbuck, 1987)板塊的邊界是根據(jù)地震帶的分布來劃分的91、六大板塊方案盡管在小板塊的劃分上尚有爭議，然而

4、全球主要板塊分布的基本輪廓是清楚的。法國地球物理學(xué)家勒皮雄（X. Le Pichon,1968）將全球巖石圈劃分為六大板塊（六大板塊分布圖片）。2、十二板塊方案較流行的還有十二板塊的劃分方案（十二板塊分布圖片）。另外，大陸內(nèi)部大型板塊的邊界上往往還鑲嵌著眾多的小板塊（鑲嵌的小板塊圖片）10六大板塊劃分方案11十二板塊劃分方案12大陸內(nèi)部、大型板塊的邊界上往往還鑲嵌著眾多的小板塊13三、板塊的邊界類型全球地震帶勾畫出了板塊的輪廓，這些地震帶又相當(dāng)于大洋中脊、轉(zhuǎn)換斷層、海溝及年青的造山帶。從板塊的相對運(yùn)動方式看，可將板塊邊界劃分為三種基本類型（圖）：分離型邊界，相當(dāng)于大洋中脊軸部，兩側(cè)板塊相對離開

5、；匯聚型邊界，相當(dāng)于海溝及年青的造山帶，兩側(cè)板塊相對而行，可進(jìn)一步劃分為俯沖邊界和碰撞邊界兩種亞型（圖）；平錯型板塊邊界，相當(dāng)于轉(zhuǎn)換斷層，兩側(cè)板塊相互滑過，既沒有板塊的生長，也沒有板塊的破壞。七條剖面的圖片（圖片）標(biāo)出了地球上不同地區(qū)的三種類型的邊界。不同邊界由震源機(jī)制確定的應(yīng)力狀態(tài)和地震活動特點(diǎn)分別見圖片和表（典型活動的震源機(jī)制解圖片，不同邊界地震活動特點(diǎn)表）。14（據(jù)E.J. Tarbuck, 1987)板塊的三種邊界類型離散型、匯聚型、轉(zhuǎn)換型15安第斯型 西太平洋型俯沖型碰撞型（據(jù)E.J. Tarbuck, 1987)板塊匯聚的三種類型1617各類板塊邊界地震活動特點(diǎn)表18四、轉(zhuǎn)換斷層大

6、洋中脊被一系列橫向斷裂帶切割，其間距約50-300公里（大西洋底地形圖）。這種斷裂帶大多與中脊軸線相垂直，看上去很象在后期把中脊錯開的平移斷層。然而，Wilson(1965)指出，這不是一般的平移斷層，而是一種特殊的斷層，他稱之為轉(zhuǎn)換斷層（圖）。19轉(zhuǎn)換斷層20轉(zhuǎn)換斷層（據(jù)E.J. Tarbuck, 1987)不活動段211、轉(zhuǎn)換斷層的特點(diǎn)（與普通平移斷層相比）斷層兩側(cè)的兩段中脊之間的距離并不加大；相互錯動只發(fā)生在兩段中脊之間的那一段上；錯動突然終止；斷層所預(yù)期的錯動方向與平移斷層相反是切穿整個巖石圈的深斷裂。222、轉(zhuǎn)換斷層的地貌特征橫切中脊軸，平直，沿轉(zhuǎn)換斷層發(fā)育陡壁和槽谷233、轉(zhuǎn)換斷層

7、的類型除了洋脊-洋脊型轉(zhuǎn)換斷層外，還有連接洋脊和海溝、海溝和海溝的轉(zhuǎn)換斷層。威爾遜提出了六種轉(zhuǎn)換斷層類型，即洋脊-洋脊型、洋脊-凹弧型、洋脊-凸弧型、凹弧-凹弧型、凹弧-凸弧型、凸弧-凸弧型。24五、大洋中脊與板塊的擴(kuò)張大洋中脊是大洋巖石圈板塊生成和擴(kuò)張的地方，在大洋板塊生成和擴(kuò)張的過程中，洋中脊具有獨(dú)特的地球物理場（重力異常、熱流值），另外大洋巖石圈的厚度，海水的深度，沉積物的厚度都將發(fā)生變化。251、中脊的重力異常中脊軸部布格異常約+130-200毫伽，明顯低于兩側(cè)洋盆區(qū)（后者達(dá)+400毫伽），反映中脊軸部以下，必定存在低密度的層次。262、中脊的熱流中脊軸部是融融地幔物質(zhì)上涌形成新洋殼的

8、地方，洋底數(shù)公里以下便是灼熱的軟流圈，這里地溫梯度很大，熱流值也非常高，愈向兩側(cè)，地溫梯度和熱流值均逐漸減小。理論計(jì)算表明，洋底的熱流值與洋底的年齡成反比。薩拉哈琴（1979）得出：t0為中脊形成的年代（約1Ma), t為洋底的年齡，單位為Ma，q單位為HFU。27283、大洋巖石圈厚度的變化巖石圈的厚度取決于地幔物質(zhì)在那一個深度上出現(xiàn)初始熔融。巖石圈形成之后經(jīng)歷的時間越長，即冷卻的時間越長，軟流圈頂部充填于晶間的玄武巖熔體將越來越多地結(jié)晶成固體，從而使巖石圈不斷加厚（圖）。這樣大洋巖石圈隨著年齡變老，熱流值不斷降低，巖石圈的厚度逐漸增大。理論計(jì)算表明，洋底巖石圈厚度的變化，與其年齡的平方根成

9、正比。這已被實(shí)際資料所 證實(shí)。1975年，吉井得出了大洋巖石圈厚度與年齡的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系Hl以公里為單位，t以Ma為單位。29304、洋底在擴(kuò)張中的沉降玄武巖熔體在冷卻結(jié)晶時密度約增加8.5%左右，這樣在大洋巖石圈增厚的過程中，伴隨著體積的減小、密度的增大，洋底巖石圈表面逐漸向下陷落，即水深不斷增大。也就是說，洋底邊擴(kuò)張邊沉降。洋底水深與洋底年齡根據(jù)巖石圈增厚模式，學(xué)者們指出，洋底水深是洋底年齡的函數(shù)：式中h以公里為單位，t以Ma為單位。對比巖石圈厚度增加公式，水深的增加與巖石圈厚度的增大成正比，但幅度只有巖石圈厚度增加的約二十分之一。31洋底水深與洋底年齡32洋底水深與洋底年齡33洋底水深擴(kuò)張速率

10、洋底年齡與該點(diǎn)距中脊軸的距離（L）及該處的擴(kuò)張速率(V)有關(guān)。如果L及h以公里為單位，V以厘米/年為單位，可得到下面的關(guān)系式：這一關(guān)系得到了實(shí)際資料的證實(shí)（見圖）。從上面的關(guān)系式可知，洋底水深的增大與海底擴(kuò)張速率有關(guān)，擴(kuò)張速率大，來不及冷卻沉陷，水深增加得較慢；擴(kuò)張速率越小，水深增加得越快。這就解釋了擴(kuò)張較慢的中脊，其兩坡較陡，而快速擴(kuò)張的中隆，兩坡卻比較平緩（見圖）34洋底水深與擴(kuò)張速率的關(guān)系35洋底水深與擴(kuò)張速率的關(guān)系36海底擴(kuò)張與海平面的變動大洋中脊的形成和消失。對大洋盆地的容積有顯著影響，進(jìn)而影響到海平面的變化。皮特曼等通過海底磁異常條帶分析，發(fā)現(xiàn)距今110-85Ma為快速海底擴(kuò)張時期

11、，并計(jì)算出當(dāng)時的海平面比現(xiàn)代海平面高出約300米。白堊紀(jì)晚期確曾發(fā)生全球型大海進(jìn)，當(dāng)時全世界大陸架的面積幾乎增加了一倍。這次大海進(jìn)可能與海底擴(kuò)張加速有關(guān)。37平頂海山、珊瑚礁與洋底的沉降平頂海山的形成，亦與洋底邊擴(kuò)張邊沉陷有關(guān)（圖）。在熱帶、亞熱帶條件適宜的海區(qū)，火山島上長滿了珊瑚礁。當(dāng)火山島歲板塊擴(kuò)張沉沒時，珊瑚礁追隨海面繼續(xù)向上生長，力圖保持它所適應(yīng)的淺水環(huán)境。珊瑚礁的生長速度大致與基底的沉降速度相當(dāng)，最后可以在深深沉沒的火山基底上構(gòu)筑起厚逾千米的珊瑚礁體。38洋底擴(kuò)張與沉積物的關(guān)系洋底的邊擴(kuò)張邊沉降在沉積層序上也有反映。中脊頂部水深較小，一般位于碳酸鹽巖補(bǔ)償深度以上，故有碳酸鹽巖沉積物。

12、當(dāng)洋底擴(kuò)張并沉降至補(bǔ)償深度以下，不再接受鈣質(zhì)沉積，在原先的鈣質(zhì)沉積物以上覆以硅質(zhì)沉積或深海紅粘土。水深較小的鈣質(zhì)沉積物被較深水的沉積物所覆蓋，實(shí)際上是洋底擴(kuò)張過程中沉陷的結(jié)果。39五、貝尼奧夫帶與板塊的俯沖1、貝尼奧夫帶環(huán)太平洋地震帶是全球最強(qiáng)烈的地震帶。震源深度通常靠洋側(cè)較淺，靠陸側(cè)較淺，構(gòu)成一個傾斜的地震帶（圖），稱貝尼奧夫帶。早在二十世紀(jì)三十年代，日本學(xué)者和達(dá)清夫首先發(fā)現(xiàn)這一傾斜的地震帶。六十年代人們在研究洋底巖石圈的俯沖消亡作用時，貝尼奧夫帶很自然地被當(dāng)作板塊的俯沖帶，這一傾斜的震源帶標(biāo)出了板塊俯沖的痕跡。貝尼奧夫帶總與洋緣的海溝相伴隨，除分布在太平洋周遍地區(qū)外，也見于印度洋東北的爪哇

13、海溝，大西洋的波多黎各海溝等。島弧下的貝尼奧夫帶較陡，大多超過45，陸緣弧下的貝尼奧夫帶比較平緩，通常不超過30（圖）。40傾斜的地 震 帶貝尼奧夫帶4142近年來，在一些還底下，發(fā)現(xiàn)另有一列較弱的地震帶，其傾向與貝尼奧夫帶相反（圖），長度也比較有限。有人推測這種震源帶與大洋板塊向下俯沖彎曲導(dǎo)致板塊斷裂有關(guān)，故該震源帶的長度不超過板塊的厚度。432、板塊俯沖的證據(jù)貝尼奧夫帶活躍的地震活動，是剛性板塊俯沖下傾的重要證據(jù)；貝尼奧夫帶所在的那一層中，具有很高的Q值，這是俯沖作用的又一重要證據(jù)（圖）；許多海溝的島弧一側(cè)或大陸一側(cè)的斜坡內(nèi)，發(fā)現(xiàn)了復(fù)雜的疊瓦逆沖構(gòu)造，是大洋板塊向下俯沖的反映；板塊的俯沖，亦是板塊擴(kuò)張的補(bǔ)償所要求的。44453、板塊俯沖的某些后果造成了地球上最強(qiáng)烈的地震帶（圖）；出現(xiàn)了地球上最劇烈的火山帶（圖，火山景觀圖，動畫）；是地球表面地形高差最大的地帶（圖）出現(xiàn)了地球上最大的負(fù)重力異常，地殼的均衡狀態(tài)被劇烈破壞是熱流值變化最顯著的地帶海溝1HFU，而附近的活火山或弧后