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1、 固体地球固体地球演化动力机制演化动力机制中国地质大学地球科学学院中国地质大学地球科学学院刘本培教授刘本培教授2008.52008.5地球成因与原始不均一性地球成因与原始不均一性内核差异旋转与古生物钟内核差异旋转与古生物钟板块构造的机遇与挑战板块构造的机遇与挑战地球整体构造与行星比较地质学地球整体构造与行星比较地质学泛大陆周期的地球动力学解释泛大陆周期的地球动力学解释 宇宙诞生宇宙诞生10- 44秒秒之后便急速展开之后便急速展开, , 10-34厘米厘米的超微宇宙在仅仅的超微宇宙在仅仅10-34秒秒之内迅速膨胀了之内迅速膨胀了10100倍倍, ,称为称为暴胀暴胀( (inflationinfl
2、ation）。 所谓所谓1010-34-34秒秒/ /厘米，就是厘米，就是 “1 “1秒秒/ /厘米的一兆分之一的一兆分之厘米的一兆分之一的一兆分之一的一百亿分之一一的一百亿分之一” ” 极其短暂极其短暂/ /微小的时间微小的时间/ /空间。空间。 而而1010100100倍，就是倍，就是1 1的后面加的后面加100100个个0 0（厘米）。（厘米）。 实际上提出了一个实际上提出了一个“从无到有从无到有”的宇宙起源模式，对于传统的的宇宙起源模式，对于传统的“无始无终无始无终”宇宙观是一个冲击！宇宙观是一个冲击！超微超微宇宙宇宙的的瞬间瞬间暴胀暴胀宇宙暴胀首获直接证据l新证据通过对宇宙微波背景辐
3、射弥漫于宇宙的一种弱光的观察而获得。lNASA(2001)发射的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)，新的分析观察了较小面积（数十亿光年尺度）天空的亮度变化，发现差别很大。l如果没有发生暴胀，小面积天空的光度变化应与在更大范围内观察到的变化大致相同。暗能量占暗能量占全宇宙能全宇宙能量的量的70%70%。宇宙之外宇宙之外有宇宙有宇宙（天外有（天外有天）天）从大爆炸到太阳系形成星云说与超密说l星云说强调初始宇宙空间充满密度极低的星际气体和尘埃物质，在自引力下逐渐聚集成许多大型星系云，再在其中诞生大量恒星而形成星系。反映了宇宙间弥漫星云物质收缩凝聚的“合二而一合二而一”过程。l超密说强调可见宇宙大
4、爆炸过程中抛射出许多超高密度的物质块, 每个块形成一个星系。超密块爆发从核心再向四周演化，星系核心为残留的超密块，因此爆发作用尚未停止。体现了宇宙间物质状态的“一分为二一分为二”方向。l很可能两条途径都与星系形成有关，但究竟以何种方式为主，不同方式出现的条件等，尚待研究。恒星的演化l幼年期幼年期:原始星原始星云云收缩收缩-原原恒星恒星出现出现(氢闪氢闪)l青壮年期青壮年期:内部内部热核反应启动热核反应启动, 恒星恒星形成。星形成。星系内系内90%恒星恒星集中分布于集中分布于主主星序星序。l晚年期晚年期:红巨星红巨星l衰亡期衰亡期:超新星超新星爆发爆发白矮星、白矮星、中子星中子星黑洞黑洞恒星演化
5、与元素起源恒星演化与元素起源l 元素合成理论（元素合成理论（B B2 2FHFH理论）：由）：由E.M. Burbidge夫妇， W.A.Fowler和F.Hoyle于1957年提出。l 宇宙中各种元素并非在一次大爆炸时全部产生，而是在恒星演化的热核聚变过程中逐步合成的。 红巨星中心温度达到10108 8 K K, 3个氦聚变为1个碳碳核； 6 6 10108 8 K K, 2个碳核聚变为1个氧氧核； 10109 9 K K, 氧核聚变为硅硅核； 3 3 10109 9 K K4 410109 9 K K, 硅核聚变为铁铁核。 由于铁核及其外围8个电子结构十分稳固，更重的元素无法在恒星的正常核
6、聚变过程中形成。 “昙花一现昙花一现”的超新星爆发成为重元素诞生的唯一途径。的超新星爆发成为重元素诞生的唯一途径。地球起源与圈层分异l4646亿年前太阳星云中分化形成亿年前太阳星云中分化形成原始地球原始地球，温度，温度较低，轻重元素浑然一体，尚无圈层分异。较低，轻重元素浑然一体，尚无圈层分异。l原始地球一旦形成，有利于原始地球一旦形成，有利于吸集吸集更多星子使体更多星子使体积和重量迅速增加，同时因积和重量迅速增加，同时因重力分异、放射性重力分异、放射性元素蜕变元素蜕变和和星体撞击星体撞击而增温。而增温。l原始地球内部达到熔融状态时，原始地球内部达到熔融状态时，亲铁元素亲铁元素比重比重大而下沉形
7、成大而下沉形成铁镍地核铁镍地核，亲石元素亲石元素上浮组成上浮组成地地幔幔和和原始地壳原始地壳。更轻的液态和气态成分，通过。更轻的液态和气态成分，通过火山喷发溢出地表形成火山喷发溢出地表形成原始大气圈原始大气圈、水圈水圈。l地球初始圈层分异的时间约在地球初始圈层分异的时间约在4242亿年前亿年前。地球的初始不均一性原始地球的熔融与分异l4.464.46GaGa形成的原始地球( (占前由巨型M群星子和L群星子堆积现今地球70-90%70-90%质量)。l原始地球的广泛或全熔形成地核和下地幔分异，大量亲铁元素、可能所有贵金属都进入地核。l过渡层过渡层（400-670km）相当原始地球的熔融分异壳。原
8、始原始地球地球上地幔与地壳的形成上地幔与地壳的形成l4.40-4.454.40-4.45GaGa前，前，由晚期较小（d1000km,平均400km)的C群星子也有L群星子堆积成镶饰的上镶饰的上地幔地幔。l地球的上地幔从未全部熔融过，地壳仅是上地幔的分异产物。l上地幔的贵金属都由陨石带来，占1%即可满足丰度要求。上地幔原始不均一性上地幔原始不均一性l幔源火山岩的同位素和微量元素比值揭示了上地幔无论在全球全球或区域区域性性规模上，都存在明显的化学不均一性。 l印度洋洋脊玄武岩(MORB)的Pb-Sr-Nd同位素特征与太平洋、大西洋不同。大西洋玄武岩的La/Ta值，N22-25为18、N36-63为
9、9。l下地幔的不均一性则低得多。 南半球南半球Dupal异常异常lHart(1984)提出： 南半球Pb、Sr同位素高异常域（ Dupal异常）。lWeiss(1991)解释： 代表一个源于地球深部并长期存在的地幔域。l欧阳自远等（1994）：与地球早期大个体星子撞击有关，其规模可与地幔源区相当。星子间化学上的差异必然在地幔成分上有所反映，并导致固体地球内部物质成分的初始不均一性。l为什麽南半球大陆分布大量富铁矿？中国的富铁矿（含Fe60）仅见于海南岛石碌地区？海南岛和澳大利亚关系密切l海南岛南部崖县寒武系大茅群剖面和澳大利亚相似（沉积相、含磷层时代和木耙虫三叶虫化石）。l再造的寒武纪古大陆图
10、中海海南岛南岛应与澳大利亚关系密切。华北扬子澳大利亚内核差异旋转与古生物钟内核差异旋转与古生物钟地球内部地震波结构l地震波通过不同密度介质时的波速不同，在越过两种不同介质时还会发生折射和弯曲现象。l据地震波速度变化4个突变面，推断地球内部存在密度不同的5个圈层。地壳内核差异旋转l固体地球各个圈层之间不仅有着互相耦合、协同演化的一面，也有相对独立、差异运动的一面。l作为地球内部驱动源的地核，其物理性质和运动特征历来受人关注。l苏维加等（1995）发现地震波在内核的各向异性对称轴与地球的自转轴不重合，两者的夹角还存在不断变化。l宋晓东等（1996）根据近30年来穿越地核的地震波资料研究，发现内核的
11、对称轴(快轴)每年自西向东较地球自转轴多偏移1.1,自19001996年累计已多转1/4圈。意味着地核与整体地球之间存在地核与整体地球之间存在着旋转速度的差异。着旋转速度的差异。l该项研究成果被评为1996年世界十大科技新闻之一。19901996内核差异旋转的原因l已有大量证据说明地质历史中地球旋转速度总体变慢。 理论上：海洋潮汐作用的摩擦力导致地球自转变慢和地月距离加大。地球深部物质上涌导致体积膨胀和转速变慢。 地质证据上：珊瑚、双壳类和叠层石（藻类）的古生物钟生长节律证明4亿年前(泥盆纪)为400天/年，8.5亿年前(晚元古代)为435天/年。l由于液态外核的存在，内核可能保留原始地球的较
12、快旋转速度。珊瑚表壁lWells(1963)根据北美志留泥盆纪珊瑚化石的研究，发现表壁上每隔620mm有一个环隆环隆（代表年生长阶段）。l2个环隆之间有400个纤细环节环节（昼夜生长），环节密度：每mm内有1260个。l对比：现代珊瑚毫无例外每年生长360个环节。l证明环节的出现与一昼夜24小时的环境变化相对应。双壳类生长线l双壳类介壳内的生长线（下）与海水潮汐周期（上）的比较。l注意生长线形成时间与潮水落潮相对应。叠层石正弦生长格局l赤道附近地域，冬夏季节太阳高度和照射方向不同，导致叠层石柱生长方向轴线变化，一个正弦曲线代表一年生长阶段。雅鲁藏布江带洋盆发育Pt3一年约435天黑白纹层代表昼
13、夜交替每年、月日数变化趋势l综合地质历史中珊瑚、双壳、叠层石等多门类古生物化石和双黏土层（代表每日2次潮汐层理）沉积构造。l总体呈现一年、月内日数由多到少的变化趋势。地球有限膨胀假说地球膨胀说与脉动说地球自转速度波动周期l是否地球自转速度总体变慢（点线）趋势下仍存在周期性波动（实线）？l地壳运动构造演化和天文背景之间有何关系？关键在于获得第一手可靠证据。加里东运动印支运动泛大陆裂解泛大陆形成？古特提斯裂解？Rodinia裂解板块构造的机遇与挑战板块构造的机遇与挑战对板块构造的评价对板块构造的评价l 20世纪60年代板块构造学说板块构造学说的出现，首先在地球科学研究领域中建立了全球观全球观概念。
14、雅鲁藏布江缝合带l南侧：印度板块被动陆缘l主体：中、新生代特提斯洋盆，现在被挤压成构造混杂带l北侧：冈底斯火山岩浆弧主动陆缘（J3-K1）新的发现与挑战l1/25万区调新资料：、雅鲁藏布带中贝混杂岩硅泥质岩中发现T2-3放射虫化石； 冈底斯带发现印支期岩浆岩；山南地区T3朗杰学群物源来自北侧岩浆弧带。l挑战了传统的构造演化模式解释！Mz特提斯洋l单一、干净大洋抑复杂结构多岛/多弧盆洋？l洋壳俯冲单一向北抑双向俯冲？l雅鲁藏布江带是单一缝合带抑结构复杂的多元缝合混杂带？对板块生消循环理论的质疑马宗晋（马宗晋（19961996） 对地球动力学发展实况的分析与哲学讨论对地球动力学发展实况的分析与哲学
15、讨论l经典板块理论局限于固体地球自身和平稳运动的封闭性思想。l必需考虑对其进行固、液、气和天体相互作用的开放性思想的冲击。地球整体构造与行星比较地质学地球整体构造与行星比较地质学全球P波和S波对比模式（HilstHilst等，等，19971997）l显示通过下地幔不同深度的P波和S波地震波速的变化。l两边数字是平均波速不同百分比中的最大异常。l蓝色蓝色代表高波速，红色红色代表低波速。l北美北美Farallon板块、南欧亚大陆板块、南欧亚大陆Tethys板块、西太平洋（板块、西太平洋（Izanagi和和Kula)板块、西北太平洋板块及板块、西北太平洋板块及太平洋太平洋Tonga板块板块660km
16、下均有线下均有线性高速异常体。核幔边界区仍存性高速异常体。核幔边界区仍存在。在。板块下的构造及地幔动力学2003.3 2003.3 , 22, 22卷卷3 3期期, , 许志琴等许志琴等l最新的全球地幔地震层析资料揭示了岩石圈板片可以俯冲到核幔边界，超地幔羽可以从核幔边界上升到地壳上部形成热点。l在大陆板块汇聚边界，地幔地震层析图象不仅显示了岩石圈板片的超深俯冲，还保存了拆沉的岩石圈“化石”残片的重要信息。l从地幔深部所获得的新资料为全地幔“单层对流”新模式提供了依据。l研究岩石圈板块必须了解板块下的构造,探索岩石圈板块的驱动力应该从“岩石圈动力学”升华到“地幔动力学”。 Large Igne
17、ous ProvinceLarge Igneous Provincel解释大火成岩省的各种地幔柱模型： (A)扩张模型；(B)热柱头模型； (C) 多级地幔柱模型。全球动力学系统全球动力学系统l大洋板块构造子系统(热地幔柱诱发)与大陆根-柱构造子系统（冷下降流诱发）的联合及其相互作用。l联合大陆下面的下地幔超级冷下降流与洋岛下面的下地幔超级热柱构成全球一级尺度的对流系统（丸山德茂,1994）。l可能是显生宙以来全球动力系统的基本框架 D层层（S. S. Maruyama,1994,1994）丸山德茂等丸山德茂等(1994)(1994)提出提出板块构造只板块构造只是一个表面是一个表面现象，控制现
18、象，控制地幔物质对地幔物质对流，岩石圈流，岩石圈板块活动的板块活动的主导因素是主导因素是超级地幔柱超级地幔柱图中图中: :红色代表热柱红色代表热柱，黄色代表冷柱黄色代表冷柱，绿条为岩石圈绿条为岩石圈板块板块。核幔边界物理参数lCMB是一个明显的物理界面，也是夹在巨大温差所产生的热边界层之间的一个不均匀的化学边界层。l由于核幔边界上的高密度差，地核形态上的不规则性在地球表面的重力位上有所反应。l地磁场起源于液态地核，地磁场的低次谱波也与地核表面形态密切相关。l核幔边界地形或地核形态与重力场和地磁场密切相关，是核幔边界研究的一个重要方面。核幔边界特征l利用特殊地震震相新发现核幔边界超低速带（ULV
19、Z)l该带P波、S波速度分别下降10、30，厚550km。l可能源于某些下地幔物质的部分熔融，或可能由化学不均匀性引起。l产生D层的各向异性，可能是地幔柱的根。地幔对流两种型式l地幔分层对流：形成传统板块构造的传送带式模式。l巨型全地幔对流：热地幔柱上升流 冷地幔柱下降流l两种类型在地质历史中可以交替出现或并存。l热地幔柱：上升头部、尾部l冷地幔柱：俯冲带冷物质积聚下坠过程（抽水马桶模式）全球整体事件（据（据LarsonLarson，19911991）白垩纪地史综合特征：l磁极性倒转l全球洋壳产生率l高纬度海面古温度l长期海平面升降l黑色页岩沉积时间l全球石油资源地球自转速度波动周期l是否地球
20、自转速度总体变慢（点线）趋势下仍存在周期性波动（实线）？l地壳运动构造演化和天文背景之间有何关系？关键在于获得第一手可靠证据。加里东运动印支运动泛大陆裂解泛大陆形成？古特提斯裂解？Rodinia裂解行星构造演化样式 地球、火星和月球的区别。l 从行星比较地质学视角对比： SBL星球表面边界面;MBL地幔边界面 （据Kumazawa等，1994）终端构造泛大陆周期的地球动力学解释泛大陆周期的地球动力学解释l地核对下地幔的差异性加热在空间上究竟是随机发生的，还是有选择地加热某一特定部位？换言之，一个相对于地球坐标长期固定的地幔柱究竟是怎样产生、强化和衰减的？l尽管核幔边界被视作热柱源，但内核与板块
21、运动之间并未能建立起直接的联系，前者对后者是多余的；l在地幔柱模式中，岩石圈板块的运动依然是被动的，它只能在一种似乎随意和不可预测的过程中被幔柱推来推去，无法自主决定其位置归属，在物理上这也令人难以满意。超级地幔柱的成因超级地幔柱的成因中、新生代北大陆聚合南大陆离散晚古生代末泛大陆形成全球冷地幔下降流占主导地位北大陆分离、南大陆聚合早古生代l早古生代冈瓦那超大陆形成与劳亚大陆分裂的格局，正好与中生代以来的冈瓦那大陆分裂与欧亚大陆形成的格局形成鲜明的对照。l晚古生代则是Pangea超大陆形成时期，代表了两个完全相反的大陆全球分布格局转换的过渡，从某种意义上来说，是发展的必然。超大陆聚散的热力学效
22、应“梨形”地球形状北半球略收缩南半球略膨涨l内核内核由于某种原因发生偏移偏移l偏移侧外核外核由于对流层变薄热对流热对流显著加强显著加强l上覆地幔地幔底部(D层)形成上升热地热地幔柱幔柱l上覆岩石圈岩石圈受热而发生破裂,导致发生陆壳板块向另一半球漂移l另半球板块会聚、拆沉拆沉核核-幔幔-壳壳圈圈层层耦耦合合质质心心偏偏移移与与 初始内核的位置就不与地球的球心重合； 地内热过程引起的内部物质调整； 小行星碰撞； 月球被抛射出去的可能； 岩石圈板块集中造成的质量改变效应； 等等。地核偏移的最初原因地内、地外因素不同见解l内核偏移 幔柱活化 岩石圈破裂 板块漂移并会聚于相反半球。实际上代表了固体地球的
23、核幔 壳三个圈层耦合的运动过程。l当上述全过程完成后，发生板块会聚、碰撞的半球质量逐渐增加，直到打破全球引力平衡，导致内核反过来向此半球偏移，从而启动新一轮运动。l上述“四步冲程”模型还具有自反馈的机制，可以往复循环发生和维持下去。不需要其他外界条件加入。l上述过程体现了一个完整的泛大陆旋回，具有双银河年（大约500600Ma)的时间间隔。l太阳系在银河系内的运动过程中，必然会受到银河系内质量分布和邻近星系的引力影响。目前还不能精确地测定，只能求出经验关系，例如G值（向银心力）随时间和空间的变化）。l从地球系统科学视角看，地外宇宙因素与地内核 幔 壳子系统之间存在何种关系，值得进一步探讨。中国
24、大陆上地幔VP结构l据天然和人工地震VP P探测L/A界面(低速层)深度： 青藏挤压高原（118250km） 华南块体（与澳大利亚相似无低速层） 东部大陆裂谷带（6068km）中国大陆根柱构造l中国大陆不同部位岩石圈底界形态： 青藏挤压造山中部克拉通地块带东部大陆裂谷带l中西部是增厚的岩石圈（山根、大陆根），东部是减薄的岩石圈（其下是地幔热柱）。l总称为：大陆根柱构造。A-软流圈; L-岩石圈; L-岩石圈残留碎块S-地表; M-Moho面; L/A-岩石圈与软流圈界面地壳68km40-50km30-35km 岩石圈250km200km70km 中国东部中新生代大陆岩石中国东部中新生代大陆岩石
25、圈演化工作模式圈演化工作模式20022002J前岩石圈和陆壳厚度分别为200250km和40km，J3-K1分别为6080km和5060km，岩石圈丢失了约120km的根带，代表造山环境下的大陆岩石圈巨大减薄作用。课堂讨论1l为什麽米兰科维奇轨道旋回结构转型期往往与地球上的重要地质事件相一致? （从地球系统科学视角论证）l月球正、背面地貌明显不同，与内部地质地球物理结构和月球成因有何关系？（参考月亮女神探月新资料）l为什麽太阳系第一火山高峰、第一深陨击坑出现在火星上?（从比较行星地质学视角论证）l从行星地球视角研究地学基础理论的实例和启迪意义。 参考文献l刘本培、蔡运龙主编，地球科学导论，第三章、第五章。高等教育出版社， 2000。l徐道一、杨正宗、张勤文等，天文地质学概论，第二章。地质出版社，1983。l马宗晋，对地球动力学发展实况的分析与哲学讨论。见地学与发展，129133页，地震出版社，1996。l邓晋福等，中国大陆根柱构造大陆动力学的钥匙。地质出版社，1996。l马宗晋、杜品仁、洪汉净，地球构造与动力学，广东科技出版社，2003。
