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第五章大陆漂移与海底扩张一、大陆漂移说continentaldrift二、海底扩张说seafloorspreading三、现今古大陆再造研究—实例板块构造(一)(一)大陆漂移说的提出大约四百多年前,探险家们航海旅行,为地图家们提供了大量的信息。英国哲学家培根(FrancisBacon,1620)首度发现大西洋两岸海岸线的相似性。Heproposedthattheyoncefittogetherbuthedidn’thaveawaytoexplainit.FrancisBacon,1561-1626In1858,geographermadethesetwomapsshowinghisversionofhowtheAmericanandAfricancontinentsmayoncehavefittogether,thenlaterseparated.二百多年后……A.Snider(斯奈德,1858)(法国地理学家)在《地球形成及其奥秘》一书中:首次把大西洋两侧大陆拼合起来,并利用欧、美两洲古生代煤层中化石的相似性来论证了他的结论。提出所有大陆过去曾经是单一陆块的设想,并绘制了大西洋周围大陆的复原图。Suess’sidea—提出南半球地质相似性与冈瓦纳超大陆Suess(1800s)proposedahypothesis,whichconsideredthattherehadeverbeenasupercontinentcalledGondwanaland,surroundedbySuperOcean.Andthissupercontinenthadbrokenupandthendriftedapart.但一般公认德国气象学和极地探险家魏格纳是大陆漂移创始人Wegener(魏格纳)简介1880.11.1生于伯林,在伯林大学获气象学博士学位,热衷于格陵兰考察,学会用风筝和气球进行气象观察,为北极考察进行了艰苦的体格训练。1906,1912曾两次到北极探险。1913与气象学家Koppen的女儿结婚。1914作为伊丽莎白女王近卫步兵第三团后备役中尉被征召入伍,伤愈后被调往野战气象站。1915发表《海陆起源》。1936第三次去格陵兰探险,并决定留下过冬,在—50C气候下庆祝了他56岁的生日。第二天便失踪了。直到第二年春天才找到他的尸体。AtfredWegener(1880-1936)Wegener大陆漂移假说内容•联合古陆或泛大陆:地球上所有的大陆在中生代以前曾是一统一的巨大陆,称为联合古陆或泛大陆(Pangaea),中生代以来,联合古陆分裂,它的碎片——即现代的各大陆逐渐漂移到目前所处的位置上。•泛大洋(古太平洋):中生代以前以前根本不存在大西洋、印度洋,而只有围绕泛大陆的广阔海洋——泛大洋(古太平洋),以后大陆分离,形成了大西洋和印度洋,泛大洋收缩而形成现今的太平洋。•大陆漂移机制:硅铝质大陆块漂浮在较重的硅镁质岩浆里,当大陆漂移时,前方的洋底被大陆所掩盖,后方的硅镁层洋底不断地露出来。•大陆漂移的驱动力:与地球自转有关2两种力:向西漂移的力和指向赤道的离极力。冰层的裂开Wegener大陆漂移假说内容SupercontinentproposedbyWegenerPangaeaPanthalassaGondwanalandEurasia晚古生代构造复原(二)大陆漂移的证据1.大陆轮廓的拼合2.古生物的证据3.地质构造方面的证据4.古冰川证据5.古气候证据大西洋两岸轮廓有惊人的相似性(据E.J.Tarbuck,1987)1.大陆轮廓的拼合证据魏格纳先是从大西洋两岸的相似性得到启发——即南美洲与非洲大陆轮廓相似——大西洋两岸的相似性GeographicfitofthetwocontinentsE.C布拉德等用计算机方法对美洲、非洲和欧洲进行了大陆的拼合(以陆壳的边界,即大陆坡的附近坡脚为准)大陆拼合证据布拉德对南、北美洲、非洲、欧洲的拼合南美洲、非洲、印度、澳大利亚、南极洲的拼合2.古生物的证据ThiskindofanimalscouldnotswimacrossthesuchhugeoceanasAtlanticOcean.Fossilevidences冈瓦纳舌羊齿植物群分布Driftingbywoods?Walkingalongland-bridges?Jumpingbysmallislands?Orbycontinentaldrift?Howdidanimalscrossocean?3.地质构造方面的证据地质构造与演化的连续性:北美与西北欧的加里东褶皱带和海西褶皱带完全可沿走向相接(美国阿巴拉契亚山海西褶皱带,其东北端没入大西洋,而后在英国西南部和中欧一带又重复出现)造山带(褶皱带)延续性——新、老造山带年龄相似性Somemountainbeltswithsimilarageswouldbematchedupifsomecontinentswerereconstructed.各大陆内古老的克拉通相互拼合的很好,就像被交织的七巧板Ancient“cratons”withincontinentsmatchupwhentheyarebroughttogetherlikeajigsawpuzzle.地质构造方面的证据非洲和美洲岩石单元吻合性RockunitesinAfricaandAmericacanbematchedverywellifwerejointwocontinentsagain.印度-非洲-南美沉积序列相似性4古气候与古冰川证据南美、非洲、印度、澳大利亚和南极洲等地区发现广泛分布的石炭——二叠纪大陆冰川堆积物。但上述地区除南美洲和南极洲外,目前都处于热带或温带地区。这标志着当时曾联合为一个统一的“冈瓦纳大陆”并处于南极附近,后来才分裂并漂移开。若把上述各大陆拼合在一起,则擦痕方向指示存在一个具有共同中心的大陆冰盖。也正好是寒凉型舌羊齿植物群的分布区古气候证据石炭纪联合古陆上古冰川(E)、煤(K)、石膏(G)、岩盐(S)、沙漠砂岩(W)的分布Zhuetal.,GSABulletinZhuetal.,2009,Tectonophysics469,48-60二叠纪火山岩二叠纪花岗岩仲巴地体亲缘性(四)大陆漂移的动力与衰落对垒:大陆漂移的问世,在国际地学界掀起了轩然大波,活动论和固定论逐渐出现了两军对垒、激烈论战的局面。动力问题:魏格纳大陆漂移说的根本弱点,在于大陆漂移的机制方面。当时以英国著名学者杰弗里斯(Jefferys,1924)为首的一大批地球物理学家坚决反对大陆漂移说,他们断言,洋底是坚硬的,大陆航行在洋底或硅镁层之上是根本不可能的,同时离极力太小,不足以推动深厚庞大的陆块Ocean(singlecrust)Continent(Doublecrust)AccordingtoAiry’smodelofisostasy,mountainshadtheirroots,implyingthattheseafloorcrustwassoweakandsoductilethatitallowedcontinentstomoveaboveit.Airy’s均衡模式认为大洋地壳韧性强——大陆可以漂移Pavoni,1997180Ma以来形成超级地幔羽大地水准面隆起:非洲隆升800米,太平洋则为1200米;核幔边界隆起:非洲隆升3500米,太平洋为3000米非洲太平洋Wegener提出的驱动力有两种:离极力—经计算只占重力的几百万分之一,不足以引起两极向赤道漂移;潮汐力—经计算非常小,只有10-4达因/cm2,远不足以推动大陆向西漂移大陆漂移的驱动力Wegener曾利用天文测量成果指出格陵兰东北与欧洲之间的距离,以每年35m的速度在逐年增加,但当时的测量精度及技术条件远不足以来证实或否认大陆漂移,这组误差甚大的大地测量数据引起了许多学者的抨击。其它对漂移说列举的地质、古生物等方面证据,固定论者或不加理睬或另加解释。大地测量数据的精度大陆漂移的衰落当时的许多地球科学家抓住大陆漂移说的某些缺点和错误,结果把合理的内核也抛弃掉了。当1936年魏格纳在格棱兰探险遇难后,所创立的大陆漂移说也随着衰落了。后来古地磁研究决定性地推动了大陆漂移说,包括大陆之间的相对位移的确定(磁极移曲线)和古大陆重建(不同时期的古大陆重建图),并用新的理论来解释大陆漂移的机制。四、古地磁学兴起与大陆漂移说的复活古地磁学:剩磁:在外磁场作用下,物质获得磁性,当外磁场去掉或改变之后,又保持不变的磁性称为剩余磁性。岩石剩余磁性是岩石在形成过程中取得的,磁化方向和当时的地磁场方向一致,并在常温常压下具有较大的稳定性。用精密仪器测定岩石中天然剩磁的方向和强度,就可以知道岩石形成时的地磁南极、北极的地理座标位置——古地磁学的研究内容。地球的磁场磁偏角(D):与子午线的夹角磁倾角(I):与纬度相关古纬度计算根据岩石磁参数,则可计算出标本产地当时所在的古地磁纬度,并可以得出当时的古地磁极位置:tgφ=1/2*tgII—岩石标本磁倾角;φ—古地磁纬度极移曲线英国地球物理学家兰康(S.K.Runcorn):把各地质时代的磁极位置都标在图上,发现地质时代越老,古地磁极偏离现代磁极位置就越远。按时间顺序,把各时代的古地磁极连起来即可得出古地磁极迁移轨迹(又叫极移曲线)。它是相对于移动着的大陆(或其上面岩石)而言,而不是磁极真正在迁移,故确切地说应为视磁极迁移轨迹(ApparentPolarWanderingPath),含义是:假设大陆固定于目前位置上,磁极与大陆之间相对位置随时间而变化。大陆漂移说的复活大陆视磁极迁移得出联合古陆破裂的分离及拼合年代和据地质资料得出的结论惊人的一致。因此古地磁资料从定量方面很出色地证实了大陆漂移。在50年代晚期-60年代初,由于古地磁及其它方面的研究,使大陆漂移说衰而复兴。然而,大陆漂移机制问题,依然悬而未决。而正是海底地球物理调查工作的开展和深海钻探研究的进行,促使海底扩张学说的提出,才为大陆漂移提供了新的机制和决定性的证据。二海底扩张学说Seafloorspreading•大陆漂移假说缺乏圆满的机制,地球物理学家研究证实,硅铝层在硅镁层上漂移是不可能的,随着魏格纳的离世,大陆漂移说很快就消声匿迹了。•直到二次大战以后,年代技术的发展、古地磁学的新发现,科学家对当时一无所知的大洋的科学考察,得到了许多惊人发现,终于爆发了地球科学的革命。(一)海洋地质新认识五、六十年代前后,国际地科联组织进行了全世界大规模的海洋地理、地球物理和地质的调查和研究工作,以及二战海洋探测资料的公开,对于海洋有了许多新的发现:•洋底地形的新发现•陆壳和洋壳厚度与结构新发现•贝尼奥夫带的发现•海底磁异常条带•1洋底地形新发现洋底地貌探测结果表明,洋底并非简单的深海盆地,而是和陆地一样高低不平,而且存在3种特殊类型的地形:⑴大洋中存在巨大的海岭系统,规模比陆地任何山脉都巨大⑵存在弧-沟体系⑶洋底存在一系列的平顶火山大西洋底地形太平洋底地形全球海沟分布图●弧沟体系洋底存在一系列的平顶火山地慢热点与火山岛链JohnTuzoWilson(1908-1993)固定不动的热点和移动的板块2.陆壳和洋壳厚度与结构差异新发现Asoceancrustages,itcoolsandislessbuoyant.Thecoolmantlerootonthiscrusthelpspullitdownintothemantle,resultingindeeperseafloorprogressivelyawayfromtheridges.•洋底沉积物从中脊向两侧从无到到有,逐渐加厚;•洋底玄武岩年龄中脊为零,向两侧逐渐变老•冷却重的洋壳拖动远离洋中脊3.贝尼奥夫带的发现1954年贝尼奥夫根据环太平洋震源深度从大洋向大陆方向有规律地增大的现象,提出海沟下面存在一向大陆倾斜的地震带,即贝尼奥夫带,这意味着大陆和大洋之间存在相互运动。倾斜的地震带(俯冲带--Benioff带)Hu
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