第三章内动力地质作用

1第三章内动力地质作用内动力地质作用是地球或地壳变化发展的根本动力。内动力地质作用可分为地壳运动或构造运动、地震运动、岩浆作用和变质作用等四种方式。其中又以地壳运动最为重要，地壳运动常引起岩浆活动、变质作用，而地震也主要是由地壳运动产生的岩石断裂引起的。本章着重介绍了地壳运动及其产物的一般知识，对地震岩浆作用和变质作用也作了介绍。第一节构造运动构造运动是主要由地球内部能量引起的组成地球物质的机械运动。构造运动使地壳或岩石圈的物质发生变形和变位，其结果一方面引起了地表形态的剧烈变化，如山脉形成、海陆变迁、大陆分裂与大洋扩张等；另一方面在岩石圈中形成了各种各样的岩石变形，如地层的倾斜与弯曲、岩石块体的破裂与相对错动等。此外，构造运动还是引起岩浆作用与变质作用的重要原因，并且对地表的各种表层地质作用具有明显的控制作用。因此，构造运动在地质作用中处于最重要的地位。构造运动按其运动方向可分为垂直运动和水平运动两类。垂直运动是指地壳或岩石圈物质垂直于地表即沿地球半径方向的运动。常表现为大面积的上升、下降或升降交替运动，它可造成地表地势高差的改变，引起海陆变迁等。因此，这类运动过去常称为造陆运动。水平运动是指地壳或岩石圈物质平行于地表即沿地球切线方向的运动。常表现为地壳或岩石圈块体的相互分离拉开、相向靠扰挤压或呈剪切平移错动，它可造成岩层的褶皱与断裂，在岩石圈的一些软弱地带则可形成巨大的褶皱山系。因此，传统的地质学常把产生强烈的岩石变形（褶皱与断裂等）并与山系形成紧密相关的水平运动，称为造山运动。水平运动与垂直运动是构造运动的两个主导方向。实际上对于某一个地区，常表现为既有水平运动又有垂直运动的复杂情况。构造运动在整个地质历史时期中都在不断进行。新第三纪以来的构造运动常在地形、地物上保存较好，人们常把新第三纪以来发生的构造运动称新构造运动；其中有人类历史记载以来的构造运动称现代构造运动。新第三纪以前发生的构造运动称古构造运动。一、构造运动在地形、地物上的表现1、地形变测量反映的现代构造运动构造运动的速率大多数是极其缓慢的，人们在短时期内常常不容易觉察到。但是，随着科学技术的发展，人们可以凭借测量仪器来观测这种极缓慢的运动。其基本原理是在现在地形面2上设置一系列的观测点，然后用经纬仪与水准仪测量这些观测点的位置及高程随时间的变化情况，由此了解地形面的变化情况，并可推断构造运动的特征，这种方法称为地形变测量。它是研究现今构造运动的一种重要方法。在地形变测量中，测量观测点相对于大地水准面的高程变化称为水准测量。水准测量对于了解现今地壳的垂直运动具有重要意义。我国从1951年至1982年先后进行了两次全国范围和多次区域性的精密水准测量，积累了大量的基础资料，在此基础上编制出了中国大陆现代地壳垂直形变速率平面图，反映了我国大陆近30年来地壳垂直运动的总体情况。基本上以昆仑山—秦岭—大别山一线为界，南部以上升为主，北部以下降为主。在南部以青藏高原上升最快，一般为5～10mm/a；云南西南部次之，为5～7mm/a；广大的华南地区一般为2～4mm/a。在北部以准噶尔盆地、塔里木盆地及东北三江平原下降较快，一般为2～5mm/a。在地形变测量中，为了观测地形面的水平运动情况，一般使用三角测量法，即在地形面上设置多个观测点组成三角网，通过测定各个三角形的边长及内角随时间的变化，计算出各处观测点的水平位移矢量，由此得出水平运动的状况。地形变测量揭示现代水平运动的典型例子是美国西部圣安得烈斯断层。在美国旧金山附近跨越圣安得烈斯断层布置了三角测量网，在1882～1946年的65年间作了4次定时测量，得出了各三角测量点水平位移矢量。各点运动矢量不尽相同，但总方向是与断层线基本平行。断层西侧主要向西北方向移动，平均速度约4cm/a；而断层东侧只作相对较小的往复式移动。近些年来，大地测量技术有了很大进展。人们通过设置跨国界、跨洲际的超长基线（VLBI），并利用电磁波干涉测距、激光测距等高精度的测量新方法，可以观测大区域、甚至跨洲际的水平运动情况。特别是近几年新发展的全球定位系统（GPS）方法，利用地球上空的人造卫星网，定时地对全球地面上的观测点或观测站进行精确的定位，可以了解全球范围内不同尺度、不同地区的水平运动情况，不仅提高了精度，而且使地形变测量变得更灵活、更简便和更实用。初步测量结果表明，全球各大陆间或洲际间的相对水平运动速率一般为每年数毫米到数厘米。2、构造运动在地物上的表现尽管岩石圈的构造运动速率是极其缓慢的，但是长期积累就可以造成大规模的位移。地物是指人类在地面上所建造的建筑物，地物建成后，如果地面发生构造运动，地物便成为记录运动的良好标志，再结合对地物的考古资料，我们便可了解构造运动的特征。地物记录地壳垂直运动的一个典型实例，是意大利那不勒斯湾海岸的塞拉比斯城镇的遗迹。这个城镇建于公元前105年的古罗马时代，当时城镇虽临近海岸，但无疑应在海面以上。后3来，该城镇逐渐下沉到海面以下，并被火山灰所掩埋，以后又上升到海面以上。1749年，人们从火山灰中将该古镇废墟挖掘出来。在城镇废墟中耸立着三根高12m的大理石柱，每根石柱上均保留着相同的地质遗迹：石柱地基以上3.6m是被火山灰掩埋部分，柱面光滑；其上2.7m一段被海生动物钻蚀了无数密集的小孔；柱子上段5.7m一直未被海水淹没过，但遭受风化，不甚光滑。由此可知，这三根柱子建成时在海面以上，后来逐渐下沉以致被海水淹没了6.3m，其中下部被火山灰淹埋部分因受到保护而未被海生动物蛀蚀，而未掩埋部分则被蛀蚀，海面以上的5.7m则遭受风化作用。1749年挖掘废墟时，这些石柱已经整体升到了海面以上。结合历史材料的考证，得知这些石柱是在公元1500年下沉到海面以下6.3m的；公元1600年开始上升。18世纪中期（发掘时）全柱升出海面，1800年石柱处于最高位置；以后又下降，1826年石柱被淹没了0.3m，1878年被淹0.65m，1913年被淹1.53m，1933年被淹2.05m，1954年被淹2.5m。显然，在古城建成后，这个地区曾经历过下降、上升、再下降的过程。水平运动与垂直运动常常是兼而有之，地物记录也充分证明了这一点。例如，在我国宁夏石咀山市西南的贺兰山东麓红果子沟附近，明代修建的一条长城被错断。该长城遗迹总体呈东西向延伸，大致与山麓走向垂直。长城由于山麓断层的运动而被错断，其水平错开距离约1.45m，垂直错断距离约0.9m。据考证，该长城修建于公元1448～1485年，距今约500a。所以，该地区500年来，既有垂直的差异运动，也有水平的差异运动。3、构造运动在地貌上的表现地貌是地质作用所形成的特定地表形态，构造运动对一些地貌的形成具有明显的控制作用。反过来，这些与构造运动有关的地貌成为我们研究构造运动的有力证据。由于古老的地貌往往早已被剥蚀殆尽，所以现今地貌一般反映的是新构造运动所造成的结果。反映地壳垂直运动的常见地貌有河流阶地、深切河曲、夷平面、海成阶地、多排溶洞等。河流阶地和深切河曲在地壳运动相对稳定时期，河流以侧蚀作用为主，河谷不断侧向迁移，形成宽阔的河谷，河谷中形成由冲积物构成的河漫滩。如果地壳运动使该区域处于上升状态，则河流侵蚀基准面下降，河流的下蚀作用重新加强，使河床降低，原有的河漫滩相对升高，一般洪水已不能达到，形成分布于河谷谷坡上、洪水已不能淹没的、顶面较平坦的台阶状地形，称为河流阶地（riverterrance）。若该区域地壳运动表现为多次的上升—稳定—上升的过程，就会沿河谷出现多级阶地，其中位置愈高的形成时间愈早，通常从河漫滩以上最低一级阶地算起，从下而上或由新到老依次称为一级、二级、三级阶地……。因此，河流阶地常可看作地壳垂直运动的标志之一，阶地面的相对高差大致反映了地壳上升的幅度。在地壳相4对稳定时期经长期演变已经发展成蛇曲的河流，若地壳转为上升，河流下蚀作用加强，河床降低，并深切至基岩，形成在河谷横剖面形态上成“V”形谷，而河谷在平面上仍保留极度弯曲的蛇曲形态的不协调现象，称为深切河曲（incisedmeander）。它反映了地壳由相对稳定转向强烈上升运动的特征。准平原和夷平面地壳处于相对稳定时期，流水及其他各种表层地质作用长期共同对陆地表面进行改造，其总趋势是把原来地表高差较大的形态，经过风化、剥蚀把它削低，同时又将破坏下来的物质搬运到地表低洼处进行堆积，以减少地表的高差。这种“削高填低”的结果，使广大地区内形成只存在零星分布的、高度不大的剥蚀残丘，整个地区变得比较平坦，这种近似平原的地形称为准平原（peneplane）。当地表演变到准平原阶段之后，如果地壳又重新上升，准平原被抬高，并遭受流水切割而成为山地，这时在山地的顶部可以残留着原有准平原的遗迹，即相当平坦的顶面。其范围可大可小，上面可见到准平原时期的沉积物或风化壳，而且一系列相邻的平坦山顶大致位于同一高度，它们代表了已被破坏的原来准平原的表面，称为夷平面。根据夷平面上沉积物或风化壳的年代可以判断其形成年代，根据夷平面的高度可以推算准平原形成后地壳的上升幅度。例如，近年来的研究成果证明，具有“世界屋脊”之称的我国青藏高原，在上新世时期地壳相对稳定，逐渐形成了地势起伏较小的准平原，当时准平原的高度大致为海拔1000m左右，随着上新世末期以来青藏高原的强烈上升，原来的准平原解体，遭受剥蚀、切割而成为夷平面，现今该夷平面的海拔高程一般为4000～5000m。所以，上新世末期以来，青藏高原的整体隆升幅度达3000～4000m。反映垂直运动的海（湖）岸地貌也非常丰富。如地壳稳定时期在海（湖）面附近形成的波切台、波筑台，由于地壳重新上升可形成明显高出海（湖）面的海（湖）成阶地。如果地壳多次地稳定—上升，则可形成多级海（湖）成阶地。又如岩岸地区形成于海面附近的海蚀凹槽，由于地壳的间歇性上升，可形成高出海面的多排海蚀凹槽，等等。一个地区多排溶洞的出现也是垂直运动的证据。因为成排的溶洞原来一般是在潜水面附近经潜蚀作用而形成的，如果出现多排溶洞，则表明该地区在垂直运动的影响下潜水面与岩层的相对位置曾发生过显著的变动。总之，垂直运动在地貌上的表现丰富多样，不胜枚举。地壳或岩石圈的水平运动在地貌上也留下了丰富的痕迹。水平运动可以使线状延伸的水系（河流、冲沟等）发生同步弯曲和错断。例如在四川西部的鲜水河谷地中，一系列穿过鲜水河断裂带的水系，由于断层的水平运动而发生弯曲和错断，形成“S”形、肘状或梳状水系。水平运动还常常使山脊或山梁错断或弯曲。二、构造运动在地层中的表现5不同地质历史时期形成的岩石记录或地层，都蕴藏着丰富的构造运动信息，通过这些信息，进行深入的剖析，就能了解当时构造运动的一些性质和特点。1、地层的岩相变化及厚度地层是一定地质历史时期形成的层状岩石。其中，沉积岩地层往往是在一定的地表沉积环境（如浅海、滨海、湖泊、河流等）中形成的，不同的沉积环境形成了不同的岩石特征及生物化石组合，这种能反映沉积岩或沉积物形成环境的岩石及所含生物化石的各种特征称为岩相。因此，一定的岩相就代表了一定的沉积环境，岩相变化就意味着沉积环境的变化。沉积环境可简单地分为两类：海洋环境与大陆环境。海洋环境中又有深海、半深海、浅海、滨海等环境；大陆环境中又有湖泊、沼泽、河流、冰川等环境。一个地区沉积环境或岩相的剧烈变化，与构造运动存在着千丝万缕的联系。例如，一个地区从早期的浅海沉积，逐渐转变为滨海沉积，此后又转变为陆上河流沉积，这说明了该地区的地壳是逐渐上升、海水逐渐退出的；相反，如果一个地区从早期的陆上河流、湖沼沉积，逐渐变为滨海、浅海、甚至深海沉积时，则说明了这个地区的地壳是逐渐下降、海水逐渐侵入并加深的。因此，研究一个地区不同时期的岩相变化，一方面能查明沉积环境或古地理的变迁情况，同时也揭露了地壳升降运动的过程。利用沉积物或沉积岩的厚度资料，不仅可以分析地壳升降运动的性质，而且还能定量地确定古代地壳垂直运动的幅度。在地壳稳定的情况下，一定沉积环境下形成的沉积物厚度有一极大值，如浅海中沉积厚度的极大值一般不超过200m、河流沉积的最大厚度不超过河谷的深度、湖泊沉