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1、 第三节板块构造的基本原理 目录 一 板块构造理论的要点二 板块的划分三 板块的边界类型四 转换断层五 大洋中脊与板块的扩张六 贝尼奥夫带与板块的俯冲七 板块的运动八 大洋的演化 威尔逊旋回九 热点 地幔柱假说十 板块的驱动机制 在普通地质学中我们已经学习过板块构造理论的一些内容 首先回忆一下 什么是板块 板块 地球的岩石圈并不是连续的 它被一些首尾相连的构造活动带 洋中脊 海沟和转换断层 分割为若干大小不一的块体 称为板块 板块内部的地震活动相对比较微弱 边缘则由于板块之间的频繁相互作用导致火山地震活动频发 一 板块构造理论的要点 1 强调地球的物理性质截然不同的两个圈层 上部的刚性岩石圈和
2、下部的塑性软流圈 的对立 2 岩石圈可以划分成为若干大小不一的板块 板块是运动的 3 岩石圈板块横跨地球表面的大规模水平运动为一种球面上的绕轴旋转运动 全球范围内分离型板块边界的扩张增生与汇聚型边界的压缩消亡相互补偿抵消 使地球的半径保持不变 即 新板块的增生与旧板块的消亡是相互补偿的 4 岩石圈板块运动的驱动力来自地球内部 最可能是地幔物质的对流 二 板块的划分 板块之间的界线 洋中脊 转换断层 海沟或年轻的造山带板块划分的标志 地震带 全球的地震带是板块边界的相对运动造成的 全球各地震带相互交接 首尾相连 地貌标志 板块边界由于强烈的构造运动 对地面形态有强烈的塑造作用 容易形成洋中脊 海
3、沟 褶皱山系等 六大板块的划分方案 全球板块的划分至今仍然存在争议 但全球主要板块的划分方案却是清晰的 一般将岩石圈划分为六大板块 此外还有十二板块 十五板块等分类方法 每个大板块也可再分为许多次一级的小板块 目前常用的六大板块的划分方案是由法国的勒皮雄 X LePichon 1968 提出的 加勒比板块 菲律宾海板块 阿拉伯板块 可可板块 纳兹卡板块 三 板块的边界类型 分离型 离散型 边界 相当于大洋中脊轴部 两侧板块相对离开 应力状态为拉张 汇聚型 聚敛型 边界 相当于海沟及年青的造山带 两侧板块垂直于边界相向而行 应力状态为挤压 可进一步划分为俯冲边界和碰撞边界两种亚型 平错型 剪切型
4、 板块边界 相当于转换断层 两侧板块相互滑过 既没有板块的生长 也没有板块的破坏 离散型 聚敛型 转换断层 四 转换断层 定义 转换断层是垂直发育在大洋中脊并将大洋中脊切割错断的断裂带 位移突然终止或者改变形式和方向的平移断层 断层崖壁 转换断层的特点 断层两侧的两段中脊之间的距离不随时间推移而加大 相互错动只发生在两段中脊之间的一段上 错动突然终止 断层所预期的错动方向与平移断层相反 是切穿整个岩石圈的深断裂 洋脊轴部的浅震由拉张引起 洋脊之间断裂带上的地震有水平剪切作用产生 转换断层与平移断层的区别 转换断层的类型 分类依据 平移段的运动方向和两端构造带类型及其组合特征 按平移段的运动方向
5、 右旋 左旋 按构造带类型的组合特征 最常见的为洋脊 洋脊型转换断层 除了洋脊 洋脊型转换断层外 还有连接洋脊和海沟 海沟和海沟的转换断层 威尔逊提出了六种转换断层类型 即洋脊 洋脊型 洋脊 凹弧形 洋脊 凸弧形 凹弧 凹弧形 凹弧 凸弧型 凸弧 凸弧形 根据转换断层的应力状态 兼具有拉张或挤压性质 可分为张性转换断层和压性转换断层 压性转换断层 构造变形十分强烈 往往有软流圈物质上涌 出现火山活动 局部可形成新洋壳 张性转换断层 往往发育狭长的沟槽 转换断层的形成机制 大陆分成两块时 新的张性破裂追踪先成的断裂或脆弱带 或受其影响出现拉张段和平移段 地幔物质沿拉张段上涌演化为洋中脊 平移段演
6、化为中脊 中脊型转换断层 解释赤道大西洋中脊 中脊型转换断层 原始海沟两侧的A板块和B板块各自在不同地段上俯冲到对方之下 一侧为A板块俯冲 一侧为B板块俯冲 消耗和增生情况的差异导致剪切破裂和平移 形成转换断层 解释新西兰阿尔卑斯断层 五 大洋中脊与板块的扩张 大洋中脊的主要特征 高耸于深洋盆之上的巨大海底山系 洋脊轴部出现宽阔裂谷带 中轴裂谷带 各大洋中脊彼此相连 形成环绕全球 长度极长的中脊系统 大西洋中隆位于大西洋中央 大洋中脊 太平洋中隆位于太平洋东侧 东太平洋中隆 火山地震活动强烈 主要由火山岩经拉张产生断裂导致岩浆喷发形成 重力异常与两侧的洋盆区近于相等 中脊轴部的重力异常明显低于
7、两侧洋盆区 大洋中脊轴部热流值很高 向两翼低温梯度和热流值变小 大西洋中脊 位于大西洋中部 如图所示 可见垂直于洋中脊的转换断层 东太平洋中隆 位于太平洋东部 板块扩张 1 洋底岩石圈厚度的变化 洋底岩石圈形成于中脊轴部 岩石圈形成之后经历的冷却时间越长 软流圈顶部填充于晶粒间的玄武岩熔体结晶成为固体的越多 使岩石圈不断增厚 2 洋底在扩张中的沉降 冷却结晶后 玄武岩熔体密度增加 体积减小 软流圈顶部玄武岩熔体冷凝转化为岩石圈的组成部分 伴随体积减小 洋底岩石圈表层向下陷落 3 海底扩张与海平面变动 洋中脊的形成与消失 对大洋盆地的容积有显著影响 洋中脊上升 洋盆体积缩小 海进洋中脊下降 洋盆
8、体积扩大 海退 4 平顶海山 珊瑚礁与洋底的沉降 大洋中平顶海山的形成与洋底扩张沉陷有关 中洋脊轴部火山活动强盛之处往往形成火山岛 火山岛随板块向外扩张推移 火山活动逐渐平息 珊瑚礁追随海平面上升而生长 生长速度大致与基底的沉降速度相当 洋底边扩张边沉降 中脊顶部水深较小 其沉积物与中脊顶部所处的水深有关 一般 顶部位于CCD以上 形成钙质沉积物沉降至CCD以下 硅质沉积或深海红粘土所以 洋底岩石圈自洋中脊形成以后 同时在发生扩张 冷却 固结 沉陷 接受沉积 六 贝尼奥夫带与板块的俯冲 环太平洋地震带是全球最强烈的地震带 震源深度通常靠洋侧较浅 靠陆侧较深 构成一个倾斜的地震带 称贝尼奥夫带
9、贝尼奥夫带总与大洋边缘的海沟相伴随 除分布在太平洋边缘地区以外 也见于印度洋的爪哇海沟 大西洋的波多黎各海沟等 贝尼奥夫带的特点 岛弧下较陡 多 45 陆缘山弧下较缓 多 30 且随深度增大倾角变陡 长度或最大深度在各地不尽相同 强烈地震的数量和最大震级均随震源强度增大而减少 长度和倾角与板块俯冲速度有关 俯冲速度越大 贝尼奥夫带越长 倾角越小 与海沟相伴随 一般倾向大陆 也有例外 一些海沟之下发现另一列较弱的震源带 倾向于贝尼奥夫带相反 长度有限 可能与大洋板块俯冲弯曲导致板块断裂有关 长度不超过大洋板块的厚度 大陆边缘类型 活动 主动 大陆边缘 太平洋型板块边缘 大陆边缘形成巨大的岛弧 山
10、弧和火山地震带 存在洋壳向陆壳的俯冲消减 被动 稳定 大陆边缘 大西洋型板块边缘 大陆边缘没有形成岛弧 山弧 海沟和火山地震带 不存在洋壳向陆壳的俯冲消减 板块俯冲的证据 Benioff带活跃的地震活动 Benioff带具有很高的Q值 反映滞弹性 海沟 岛弧或大陆一侧的斜坡内发现有复杂的叠瓦状逆掩构造 代表大洋基底的强反射面逐渐倾伏于海沟陆侧之下 海沟常出现弱的正 负 磁异常 板块俯冲是对板块扩张的补偿所要求的 洋底岩石圈与软流圈平均密度的差异和密度倒置现象 海沟地形和明显的负重力异常 岛弧 海沟系和安第斯型大陆边缘的特征 1 地球上最强烈的火山地震带 2 地球表面上地形高差最大的地带 3 地
11、球上最大的负重力异常带 地壳均衡状态被剧烈破坏 4 热流值变化最显著的地带 海沟热流值最低 5 强烈的区域变质带 发生高压低温作用和低压高温作用 双变质带 即板块俯冲带来的一些结果 板块俯冲的两种主要类型 A式俯冲 古洋壳板块已消失 俯冲带两侧的板块直接碰撞 板块交界处硅铝层增厚 常隆起巨大山脉 如喜马拉雅山 B式俯冲 密度较小的洋壳向下俯冲到密度较大的陆壳下方 板块交界处常形成火山地震带 岛弧 山弧 等 如太平洋边缘 A式俯冲 B式俯冲 七 板块的运动 板块沿球面的旋转运动 欧拉定律 E Euler 1776 一个刚体沿半径不变的球面的运动 必定是环绕通过球心的轴的旋转运动 在球体表面 任何
12、一点的移动都不是沿着直线 而是弧线 如果这种移动表现为复杂的曲线形式 那么它的移动轨迹将有许多圆弧小段组成 板块的运动遵循欧拉定律 旋转轴通过地心 旋转轴与地球表面的交点叫做旋转极 板块的运动表现为绝对运动和相对运动 绝对运动 板块相对于地球旋转轴的运动 相对运动 一板块相对于另一板块的运动 旋转运动 一板块相对于另一板块或球面上某一点的旋转运动 板块旋转运动的确定 主要用板块的旋转轴或旋转极的位置和旋转角速度来确定板块的相对运动观点认为 不仅板块本身可移动 板块的各类边界及旋转极也可移动 相对移动 板块边界的迁移 渐变式和突变式两种 最常见渐变式 渐变式板块边界的迁移不存在汇聚型板块边界 仅
13、是某一边界在缓慢移动 突变式迁移表现为扩张脊轴发育位置的突然变更 在大陆 大陆 大陆 岛弧 岛弧 岛弧之间 其相互碰撞可导致俯冲带消失 在其他地方形成新的俯冲带 板块的三联点 板块的分布图上 常可见到三条板块边界相交于一点 这个点与三个板块相邻接 叫做板块的三联结合点 活三联点 任何一对板块间的边界总是以三联点作为端点 三联点处相接的板块边界 可以是分离型 会聚型或转换型边界 最常见的是裂谷 裂谷 裂谷型 如印度洋中脊三个分支的交点 对于三个刚性板块A B C而言 三个板块在三联点上的相对速度矢量和满足 VAB VBC VAC 0 可据此确定板块的性对运动状态及边界类型 旋转极的确定 转换断层
14、指示欧拉纬线的走向 沿球面做这些纬线的垂线就是欧拉经线 欧拉经线的交点就是旋转极 求板块旋转的角速度 式中 角速度 单位 a V 线速度 cm a R 地球半径 cm 欧拉纬度 通过上面的结论可知 板块距离旋转极远的 线速度小 距离旋转极近的 线速度大 赤道上的板块旋转线速度最大 测定板块旋转速度的瓦因 马修斯法 测定地层中磁异常条带的宽度和该条带地质时间跨度的比值 现代板块运动的全球图式 环太平洋板块的汇聚边界把全球划分成不对称的两大部分 太平洋部分和地球表面的其他部分 大洋中脊大部分分布在南半球 且在南端相互串联 北端没入大陆之下 使得全球板块具有向北运动的趋势 八 大洋的演化 威尔逊旋回
15、 大洋开闭旋回 从板块构造观点看 洋壳盆地并非永久存在 而是经历开裂 扩张 收缩和闭合的过程 加拿大地质学者 J T Wilson 1973 提出大洋开闭的多阶段发展模式 系统总结了两个大陆板块之间洋壳盆地开闭发展的历史 1974年 J F Dewer和K C A Burke将这种描述大洋开闭演化的模式成为威尔逊旋回 威尔逊旋回大致可以分为六大阶段 胚胎期 陆壳拉张变薄形成大陆裂谷 未出现海洋环境 形成一系列断裂和地堑 如东非裂谷带 初始期 陆壳继续开裂 拉断 陆壳失去完整性 出现狭窄海湾 局部出现洋壳 如红海 成熟期 大洋中脊两侧不断增生 海洋边缘未出现俯冲消减 大洋迅速扩大 如大西洋 衰退
16、期 大洋中脊两侧不断增生 边缘的一侧或两侧出现俯冲消减带 大洋减小 如太平洋 残余期 洋壳海域缩小 两侧陆壳逼近 其间仅残余小型洋壳盆地 如地中海 消亡期 两侧大陆碰撞 海洋完全消失 出现高大山系 沿碰撞带出现地缝合线 如阿尔卑斯山脉 地缝合线的三个标志 蛇绿岩套 混杂堆积 双变质带 蛇绿岩套 由代表洋壳组分的超基性 基性岩 橄榄岩 蛇纹岩 辉长岩 枕状玄武岩和远洋沉积 放射虫软泥等 组成的 三位一体 的共生组合 混杂堆积 海沟 俯冲带的典型产物 主要是被一系列逆冲断裂切碎和推覆上来的洋壳或陆壳构造残片 以及板块俯冲刮削下来的沉积物和早先形成地层的岩块 双变质带 强烈挤压作用形成的岛弧外侧的高压低温变质带 蓝闪石片岩为标志 与岛弧内侧的高温低压变质带 红柱石 蓝晶石 矽线石为标志 九 热点 地幔柱假说 1 无震海岭和热点说无震海岭的特点 线状伸展 常与大洋中脊垂直或斜交 其上无裂谷发育 不发育转换断层 地形不很崎岖 热点 地球的液态外核供给热能 使热的地幔物质从幔核边界沿狭窄的圆柱形通道形成羽缕状上涌 到达岩石圈底部形成热点 熔融物质从热点上涌形成火山 地幔柱假说 为解释板块内部的火山
