普通地質(zhì)學(xué)ecit09第九章_全球動(dòng)力學(xué)模式：從板塊構(gòu)造到地幔柱.ppt

1、第九章 全球動(dòng)力學(xué)模式： 從板塊構(gòu)造到地幔柱,A day early, but the Earth is happy you remembered.,一、板塊構(gòu)造理論(Plate Tectonics) 二、地幔柱理論(Mantle Plume),上世紀(jì)六十年代末興起的板塊構(gòu)造學(xué)說，從全局上囊括全球構(gòu)造演化多方面的基本問題，解決了“地球是怎樣活動(dòng)的”問題，極大地推動(dòng)了地球科學(xué)的發(fā)展。而地幔柱的提出完善了板塊構(gòu)造學(xué)說的諸多不足 。,Plate Tectonics is a theory developed in the late 1960s, to explain how the outer la

2、yers of the Earth move and deform. The theory has caused a revolution in the way we think about the Earth. Since the development of the theory, geologists have had to reexamine almost every aspect of Geology. Plate tectonics has proven to be so useful that it can predict geologic events and explain

3、almost all aspects of what we see on the Earth.,一、板塊構(gòu)造理論,1. 板塊構(gòu)造學(xué)說的誕生背景 板塊構(gòu)造學(xué)說的孕育，先后經(jīng)歷了六十年的坎坷曲折的歷程，它發(fā)端于1912年魏格納創(chuàng)建的大陸漂移說，經(jīng)過海底擴(kuò)張假說，最終形成板塊構(gòu)造學(xué)說。,大陸漂移學(xué)說(Continental Drift) 魏格納根據(jù)大西洋兩岸海岸線吻合和中生代前地質(zhì)古生物相似的特點(diǎn)，提出了大陸漂移學(xué)說。 認(rèn)為地球表面曾存在一個(gè)統(tǒng)一的大陸，稱為泛大陸，并根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造上的聯(lián)系，特別是各大陸之間古生物的聯(lián)系在何時(shí)中斷，得出泛大陸是從侏羅紀(jì)開始破裂的，在這之后才漂移散開。現(xiàn)今的各大陸和大西洋

4、，印度洋都是經(jīng)過大陸漂移后形成的。 這一結(jié)論在多年以后被古地磁及其其他地質(zhì)資料所證實(shí)。,Alfred Wegner was a German Meteorologist in the early 1900s who studied ancient climates. Like most people, the jigsaw puzzle appearance of the Atlantic continental margins caught his attention. He put together the evidence of ancient glaciations and the d

5、istribution of fossil to formulate a theory that the continents have moved over the surface of the Earth, sometimes forming large supercontinents and other times forming separate continental masses. He proposed that prior to about 200 million years ago all of the continents formed one large land mas

6、s that he called Pangea.,大陸漂移說最大的缺陷就是未能正確說明大陸漂移的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，所認(rèn)為的驅(qū)動(dòng)大陸漂移的潮汐摩擦力和指向赤道的離極力太小，不足以引起大陸漂移。,海底擴(kuò)張學(xué)說(Sea-Floor Spreading) 隨著魏格納的獻(xiàn)身于格陵蘭草原，大陸漂移說一度陷于沉寂。直到英國(guó)學(xué)者霍姆斯提出地幔對(duì)流驅(qū)動(dòng)大陸漂移的機(jī)制，這一概念才為現(xiàn)在的海底擴(kuò)張說所采納。 海底擴(kuò)張說是赫斯和迪茨上世紀(jì)60年代初在肯定了巨大的地幔對(duì)流體是影響巖石圈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上提出的。認(rèn)為大陸是在與相鄰的洋底焊接以前，被動(dòng)的馱在下伏地幔對(duì)流體上，猶如傳送帶上一樣，被運(yùn)載著緩緩漂移。作為海底擴(kuò)張說的自然

7、延伸，1968年一個(gè)新的大地構(gòu)造學(xué)說板塊構(gòu)造說誕生了。,板塊構(gòu)造歸納了大陸漂移和海底擴(kuò)張取得的重要成果，并及時(shí)吸取當(dāng)時(shí)對(duì)地球上部層圈巖石圈和軟流圈所獲得的新認(rèn)識(shí)，從全球統(tǒng)一的角度，闡明了地球活動(dòng)和演化的許多重大問題。板塊構(gòu)造的提出，被譽(yù)為地球科學(xué)上的一場(chǎng)革命。,板塊構(gòu)造學(xué)的發(fā)展和創(chuàng)立大致可分3個(gè)階段： 1912年德國(guó)學(xué)者A.L.魏格納提出了大陸漂移說，50年代古地磁的研究測(cè)得各地在地質(zhì)時(shí)代中的磁極位置變化多端，用大陸固定論無法解釋，采用大陸漂移說則可得到圓滿解釋，大陸漂移說隨之受到重視。 60年代美國(guó)地質(zhì)學(xué)家H.H.赫斯和R.S.迪茨提出了得到海底磁異常研究支持的海底擴(kuò)張說，論述了殼的產(chǎn)生和消

8、亡，并獲得深海鉆探的驗(yàn)證。 1965年加拿大學(xué)者J.T.威爾遜建立轉(zhuǎn)換斷層概念并指出，連綿不絕的活動(dòng)帶網(wǎng)絡(luò)將地球表層劃分為若干剛性板塊。19671968年法國(guó)人X.勒皮雄、美國(guó)人D.P.麥肯齊將轉(zhuǎn)換斷層概念外延到球面上，定量地論述了板塊運(yùn)動(dòng)，確立了板塊構(gòu)造學(xué)的基本原理。,2. 板塊構(gòu)造的基本觀點(diǎn),（1）由地殼和軟流圈之上的固態(tài)上地幔構(gòu)成的巖石圈以洋中脊、俯沖帶和轉(zhuǎn)換斷層為界，分成若干個(gè)剛性塊體（即板塊）。 （2）以地幔對(duì)流為基本動(dòng)力，板塊在軟流圈上作大規(guī)模的水平運(yùn)動(dòng)。 （3）巖石圈板塊間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)分為三種形式：沿洋脊裂谷系的分離運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致海底擴(kuò)張而生成新的洋殼；沿溝島弧系和大陸新造山帶的匯聚運(yùn)動(dòng)

9、導(dǎo)致大洋板塊俯沖至大陸板塊之下的地幔深處消亡，引起造山運(yùn)動(dòng)和陸殼增生作用；沿轉(zhuǎn)換斷層的平移運(yùn)動(dòng)，這里巖石圈板塊既不生長(zhǎng)也不消減。 （4）板塊內(nèi)部基本不變形。 （5）板塊邊緣是地殼活動(dòng)最強(qiáng)烈的地帶。 （6）板塊的相互作用控制了各種內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用過程，是地球表面最重要的構(gòu)造作用。,3. 板塊的邊界類型及板塊的劃分,從板塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式可將板塊邊界分為三種基本類型: 分離（離散）型板塊邊界 匯聚（會(huì)聚）型板塊邊界 俯沖帶 碰撞帶 平錯(cuò)型板塊邊界,板塊邊界類型及運(yùn)動(dòng)方向,全球巖石圈板塊的劃分,依據(jù)：地震帶 六大板塊(1968年法國(guó)勒皮雄X.LePichon劃分) 歐亞板塊、非洲板塊、印度板塊（或稱

10、大洋洲板塊、印度-澳大利亞板塊）、太平洋板塊、美洲板塊和南極洲板塊。 12大板塊（許多微板塊） 歐亞板塊、北美板塊、南美板塊、非洲板塊、阿拉伯板塊、南極洲板塊； 太平洋板塊、菲律賓板塊、印度-澳大利亞板塊、加勒比板塊、納茲卡板塊和可可板塊。,12個(gè)板塊是在六大板塊基礎(chǔ)上的劃分： 美洲板塊劃分為南美板塊、北美板塊及兩者之間的加勒比板塊； 太平洋板塊西側(cè)劃分出菲律賓板塊； 非洲板塊東北部劃分出阿拉伯板塊； 東太平洋中隆以東與秘魯智利海溝及中美洲之間（原屬南極洲板塊）劃分出納茲卡板塊和可可板塊。,全球十二個(gè)主要板塊的分布,The red lines on this map of the world

11、represent the largest plate boundaries,板塊構(gòu)造理論的提出，成功的回答了先前其他構(gòu)造學(xué)說難于解釋的地學(xué)問題，諸如大陸裂解、大洋擴(kuò)張、板塊俯沖、板塊碰撞、火山地震分布等許多地學(xué)現(xiàn)象。 最大的成功之處就在于解決了這些現(xiàn)象產(chǎn)生的動(dòng)力來源問題，認(rèn)為板塊的相互作用是引起大地構(gòu)造活動(dòng)的基本原因。比如匯聚型板塊邊界，當(dāng)大洋巖石圈與大陸巖石圈板塊相遇時(shí)，比重較大的洋殼板會(huì)下插或俯沖到陸殼板塊之下；但如果是陸殼板塊之間會(huì)聚，由于兩者性質(zhì)相似，將不會(huì)發(fā)生類似洋殼與陸殼板塊之間的俯沖事件，其最終結(jié)果是碰撞上隆形成山脈。,4. 所解決的地學(xué)問題,板 塊 運(yùn) 動(dòng) 及 大 洋 的 形

12、 成,板 塊 運(yùn) 動(dòng) 及 大 洋 的 閉 合,板塊構(gòu)造學(xué)說雖然被稱為地學(xué)革命，但隨著科技的發(fā)展，其不完善之處也逐漸顯而易見，主要表現(xiàn)在板塊構(gòu)造的驅(qū)動(dòng)力問題和板塊內(nèi)部地質(zhì)現(xiàn)象問題等 。,5. 板塊構(gòu)造學(xué)說的困惑,（1） 板塊運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力問題 板塊運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)制或驅(qū)動(dòng)力問題尚未解決 板塊構(gòu)造學(xué)說認(rèn)為板塊運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力來自地幔對(duì)流，認(rèn)為地幔中溫度差或密度差的存在可引起物質(zhì)的緩慢移動(dòng)，熱的、輕的地幔物質(zhì)上升，冷的、重的物質(zhì)下沉，連接起來構(gòu)成一個(gè)個(gè)對(duì)流環(huán)。 從而使馱在軟流圈之上的巖石圈板塊是由于地幔對(duì)流的拖曳作用而運(yùn)動(dòng)的，地幔上升流使板塊分離，下降流使板塊聚合。,但對(duì)于地幔對(duì)流的具體動(dòng)力學(xué)過程有分歧： 一種

13、認(rèn)為地幔對(duì)流囊括整個(gè)地幔； 一種認(rèn)為對(duì)流僅局限于上地幔軟流圈，下地幔粘性太大，不足以引起對(duì)流； 還有一種雙層對(duì)流模式，認(rèn)為對(duì)流分別在上、下地幔兩層中進(jìn)行，因?yàn)樵?50 km深度存在的不連續(xù)面可能是物質(zhì)的分隔界面。,其他如俯沖板塊的重力拖拉作用，中洋脊頂部的推擠作用和順坡下滑作用等驅(qū)動(dòng)力源說，更是無法解釋地質(zhì)歷史中的板塊的形成及板塊運(yùn)動(dòng)的變更。,（2） 板塊內(nèi)部地質(zhì)現(xiàn)象 對(duì)于解釋大陸板塊內(nèi)部為什么會(huì)有大陸溢流玄武巖的出現(xiàn)？大洋板塊內(nèi)部為何出現(xiàn)了火山鏈？等諸多板塊內(nèi)部發(fā)生的地質(zhì)現(xiàn)象，板塊構(gòu)造學(xué)說就顯得力不從心。,A Hotspot Alternative. The rise of a surfac

14、e-related explanation is turning things upside down.,科學(xué)是不斷發(fā)展的，板塊構(gòu)造理論并不是盡善盡美的終極真理，它只是當(dāng)代地質(zhì)學(xué)對(duì)地殼或巖石圈演化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，還存在許多不能解決或解釋的難題。當(dāng)一種理論被局限在某一個(gè)范圍，不能解決更多的問題時(shí)，人們便會(huì)去尋找一種新的理論。 為了彌補(bǔ)板塊構(gòu)造的不足，科學(xué)家們提出了地幔柱構(gòu)造理論。,二、地幔柱理論,地幔柱假說最初是用于解釋夏威夷火山島的成因，逐漸完善后成功地解釋了對(duì)板塊構(gòu)造學(xué)說最具挑戰(zhàn)性的海底火山鏈和大陸溢流玄武巖(CFB )的成因，提出了板塊內(nèi)部和地球深部的活動(dòng)性問題，深化、完善了板塊構(gòu)造學(xué)說。,1

15、. 地幔柱的概念 Morgan 最早描述的地幔柱大致意思是，地幔柱（plume）是一種起源于深部地幔、能在地表形成“熱點(diǎn)”(hot spots)的相對(duì)原始熱物質(zhì)流，其形成主要是由于地幔的熱浮性(thermal buoyancy)。 地幔柱（plume）可以說至今在地學(xué)領(lǐng)域還沒有精確的定義，也沒有得到廣泛的接受，而且在不同學(xué)科里所表示的意義也不盡相同。,What is the plume hypothesis?,Proposed by Morgan (1971). Hot upwellings of relatively primordial material which rise from t

16、he deep mantle originating from a thermal boundary layer and feed hotspots. Thought to rise from the D layer at the CMB. Concept of a plume allows for the return flow of material to the surface relative to subducted slabs.,Numerical simulation of mantle plumes. Red=hot upwellings. Blue=cold downwell

17、ings Keifer and Kellogg, 1998,2.地幔柱的特征 （1）形態(tài) 頭部粗大而頸干細(xì)小的“蘑菇”狀，其在巖石圈底部直徑可達(dá)1000km，經(jīng)水平擴(kuò)展后更是可達(dá)2000km。,(2) How hot are hotspots?,At normal mantle temperatures peridotite cannot produce melt in the correct volumes or rate of that seen at hotspots/flood basalt regions, Cordery et al. (1997). High mantle tem

18、peratures are therefore required to produce the magmatism (Tp in excess of 1600oC). Griffiths and Campbell (1990) - cold head, hot tail. Farnetani and Richards (1995) - hot head, cold tail.,Fitton & Godard - Tp 1500oC for the Ontong Java Plateau Nisbet et al. (1993) - Tp = 1600oC for the Galapagos s

19、tarting plume Gill et al. (1992) - Tp = 1550-1600oC for Iceland starting plume These values lie within the geophysical range so may be regarded as normal mantle temperatures! However, Thompson & Gibson (2000) - Tp = 1700oC for parts of the Tristan starting-plume head.,（3）動(dòng)力學(xué) 地幔柱的根位于深部地幔或核幔邊界的D層。同板塊構(gòu)

20、造系統(tǒng)一樣，它也是以一種地幔對(duì)流形式誘發(fā)的地幔緩慢運(yùn)動(dòng)，熱物質(zhì)流以柱狀形式從下地幔深部上升，而驅(qū)動(dòng)力則在于地核向下地幔的熱能轉(zhuǎn)移。當(dāng)垂直運(yùn)動(dòng)的幔柱到達(dá)巖石圈時(shí)，流動(dòng)變?yōu)樗讲⒏飨驍U(kuò)散，形成具火山活動(dòng)的熱點(diǎn)。而放射狀流體施加給巖石圈板塊的合力以及各板塊沿邊界相互制約所產(chǎn)生的力，確定了板塊的運(yùn)動(dòng)方向。,（1）熱點(diǎn)(hot spots) 熱點(diǎn)(hot spots) 就是所謂地幔流體流出的地方。熱點(diǎn)以板塊的局部隆升、劇烈火山活動(dòng)和高熱流為主要標(biāo)志，通常認(rèn)為是地幔柱在地表的反映。 局部高熱流值和相關(guān)的火山活動(dòng)（熱點(diǎn)）出現(xiàn)在遠(yuǎn)離板塊邊界的地方；熱點(diǎn)不隨板塊漂移而遷移，幾乎靜止不動(dòng)，暗示起源于活動(dòng)巖石圈之下

21、的深部地幔。 最令人信服的證據(jù)來自最近的地震學(xué)研究。下地幔地震波低速異常代表了低密度熱物質(zhì)的存在，例如地震層析揭示冰島地幔存在一低速柱狀物質(zhì)，至少延伸至400km以下，地幔熱柱的直徑為300km，而高溫可能是造成柱中低速物質(zhì)的主要原因。,3. 地幔柱的證據(jù),熱點(diǎn)及火山鏈,（2） 大火成巖省(LIPS) 大火成巖省包括大陸溢流玄武巖和相伴生的侵入巖、被動(dòng)火山邊緣、海底高原、大洋盆地溢流玄武巖以及火山鏈等，是規(guī)模巨大的巖漿在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)形成的，具有極高的噴發(fā)速率，覆蓋范圍也類似。,LIPS的成因顯然不同于正常的洋底擴(kuò)張過程，難以用傳統(tǒng)的板塊構(gòu)造理論來解釋，而與特殊的地幔動(dòng)力學(xué)過程有關(guān)。如On-t

22、ong-Java海底高原是地球上面積最大的火成巖省，較相鄰的深海平原平均高出2 km，地球物理測(cè)量結(jié)果表明下部具有一個(gè)低速的地幔根，深達(dá)300 km，與地幔柱形態(tài)常吻合。因此地幔熱柱學(xué)說是較為理想的解釋LIPS這一熱異常的模型，而且據(jù)估計(jì)地幔熱柱頭的直徑與LIPS的實(shí)際覆蓋范圍也類似。,（3）其他 地幔柱上升過程中會(huì)攜帶巨大的能量對(duì)地殼進(jìn)行烘烤、加熱，使得大陸地殼地溫梯度增高并發(fā)生廣泛的地殼熔融事件，這種大范圍的地殼重熔也可以作為識(shí)別地幔柱的一個(gè)標(biāo)志。如華南地區(qū)新元古代大面積出露的花崗巖的形成可能就是受到了地幔柱活動(dòng)的影響。,從本質(zhì)上看，地幔柱是地球物質(zhì)垂直運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，它與板塊構(gòu)造相互配合，可以更好地理解全球動(dòng)力構(gòu)造及演化規(guī)律。,4. 地幔柱研究意義,（1） 大陸裂解 Courtillot等認(rèn)為地幔柱參與大陸裂解的方式兼有主動(dòng)和被動(dòng)的因素。 Hill和Storey則認(rèn)為地幔柱上升產(chǎn)生的水平應(yīng)力不足以引起大陸的裂解，更可能以被動(dòng)的方式參與大陸裂解，也就是由于板塊邊界重組產(chǎn)生的力導(dǎo)致巖石圈的裂解，地幔柱或軟流圈沿著這些新形成的板塊邊界被動(dòng)上升。這種過程極可能部分地影響了板塊的運(yùn)動(dòng)，甚至在某種程度上決定了大陸裂解的時(shí)間和空間位置。,（2） 板塊俯沖 由于地幔柱的參與，俯沖帶的