大地构造学-第5章-地球动力学理论讲义

地球动力学理论地球隆起说❁岩浆侵入沉积岩中和火山活动的壮观景象，给隆起说学者以深刻启发。他们推论地壳的各种地质现象都是由地下热能在上升过程中造成的。从而认为地壳运动中起主导作用的是垂直方向的上升运动，隆起的原因在于熔融岩浆的上升。岩浆向上侵入岩层，还会派生出斜压力或水平侧压力，导致岩层褶皱变形并围绕隆起中心向四周推挤。地球隆起说地球收缩说❁该学说认为地球最初是由炽热气体组成的，在其发展的早期，从外向内逐步冷缩而变成熔融状态，进一步的冷却，分异为一个铁质的核部和一个基本上是硅质的幔部，幔部从液态铁核处的基底向外凝固，通过传导逐渐变冷，地表700km以下范围内，从地球开始凝固以来还没有来得及发生任何显著的冷却或体积变化；700km-70km范围内，冷却使这一范围内的物质收缩；0-70km范围内，岩石早已冷却，靠太阳辐射维持热平衡。❁也就是说70km以下的熔融物质冷却收缩，以上的地壳为了保持平衡而挤压成褶皱山系，与苹果失水干缩原理类似。地球收缩说❁地球收缩说无法解释板块运动与大陆位移，不能解释构造运动的成因，而且该学说认为全球的应力场是相同的，这与实际事实不符。地球收缩说地球膨胀说地球膨胀说❁地球膨胀的机制：①热效应；②地球内部物质的化学变化或相变；③万有引力常数的缓慢减小。❁地球膨胀说优势是可以解释岛弧和海沟的形成以及海洋造山运动。地球膨胀说❁地球膨胀说认为地球的引力常数减小的速率为5×10-11/a，地球膨胀速率约为0.025mm/a，即地球半径40亿年间共膨胀了大约100km，体积增大了1.18％，而地球形成初期半径只有现在的50％。❁地球膨胀说的难题是解释地球膨胀所引起的巨大密度变化，按照地球的直径增加了2倍来算，体积增加了8倍，密度就减小了8倍，现在地球的平均密度为5.5g/cm3，那么地球开始膨胀前的平均密度应达到44g/cm3，这样大的密度变化带来的结果是，地球开始膨胀前的地表重力加速度是现今值的4倍，这是不符合地质事实的。地球脉动说地球自转说❁地球上朝东定向的构造现象：①火山弧和弧后盆地集中在西太平洋，弧形指向东方；②位于加勒比海和斯科舍海边缘的火山弧都有弧后盆地，是另外两个凸面朝东的火山弧；③大陆内的火山弧沿太平洋东缘分布，并且有关的深海沟紧贴大陆；④许多褶皱带中的SN方向的火山深成岩带，随着时间向东迁移；⑤走向NW一SE，SW—NE，W—E的火山深成岩带的尖端部分也随时间向东迁移；⑥SN向褶皱带内的区域构造作用随时间向东迁移；⑦SN向盆地的沉积中心随时间向东迁移。地球自转说❁这些现象用地球自转的动力作用最容易解释，如凸面朝东的岛弧—海沟系，从地球自转角度可以提出下述解释：在大陆块体向西运动过程中，后缘地带普遍处于拉张状态，导致其与大陆分离，并相对大陆而言表现为落后的运动状态而形成向东的突出的弧形。白箭头：地幔流向东运动；黑箭头：各大板块向西运动；地球自转说❁地球自转说可以解释地块的有限水平位移，其致命弱点在于没有定量计算这种自转速度的变化到底能够在地壳内引起多大的构造应力。计算结果显示，地球自转速度变化而引起的构造应力值为几个Pa，不到大气压力的万分之一，而实测出来的地壳构造应力值却都在几十到上百GPa，这样小的应力也许能使一些共轭剪切节理发生重新活动或者在特定条件下诱发地震，但不可能引起大规模固体岩石圈变形。重力分异说❁重力分异说认为地球最初是冷的固态的，在放射性热的作用下，地壳下层物质熔化而引起重力分异作用，轻的物质上升，重的物质下沉形成垂直流，引起地壳的垂直运动。不同深度的压力和温度条件不同，熔化和分异作用的发展是多层的，主要有浅层和深层两层：浅层的分异作用较强较快；深层的分异作用较为缓慢。重力分异说❁重力作用可以影响一切构造变形，在岩石圈-软流圈中由各种因素引起重力失稳的动力系统中，会有足够的势能驱动全球板块的水平运动。重力分异说❁重力分异说把地球的垂直运动与水平运动联系在一起，并能解释局部的水平位移和构造形变，但把地表大规模的水平运动都用岩石圈-软流圈的重力失稳来派生却很困难，因为地表的水平位移量远远地大于垂直位移量。就地壳运动而言，重力虽然无处不在，但它往往不是构造作用的起始原因，而是某种构造作用破坏了地壳或岩石圈的均衡状态，均衡恢复才导致随后的隆起或沉降。。地幔对流说❁地幔对流是板块运动的第一个动力学机制，认为岩石圈板块的运动完全取决于深部地幔的对流。板块被冷的、重的、向下运动的地幔所带动而产生俯冲作用，在热的、向上运动的地幔影响下造成洋底板块扩张，上部地幔的水平运动带动了板块的水平运移。地幔对流原理地幔对流说地幔对流说❁夏威夷火山链被认为是热地幔向上运动、局部熔融在地表的表现，后来称之为热点。对于夏威夷火山链的火山岩年龄，从西向东逐渐变新的现象，被解释为地表附近的板块在向西运移，而代表地幔热活动中心的热点则是其参照系，基本不动。火山链就是岩石圈相对于热点运动的轨迹。地幔对流说❁热点深部地幔运动速度很小，几乎静止，岩石圈板块则可以每年运移几到十几厘米。这样就出现一个问题，运动速度很小的地幔如何能带动速度较快的板块移动呢？这就成了地幔对流说的致命软肋。涌流构造说❁地表构造包括板块构造不能解释的一些构造现象，可用软流圈的涌动来解释。软流圈涌动的驱动机制是地球收缩引起的岩石圈塌陷，当冷却凝固的岩石圈块段塌陷到软流圈中时，部分岩浆按重力法则上涌，一直达到岩浆密度与周围岩石密度基本平衡的位置上才会稳定下来。这一过程像巨型液压机一样，遵循帕斯卡定律，能将所受压力通过岩浆的涌动传递到各个方向，强的岩浆涌动对构造运动起决定作用。涌流构造说❁涌流通道可分为洋盆涌流通道、大陆边缘涌流通道和大陆涌流通道三大类。大洋中脊及其主要分支下的通道，是洋盆涌流通道中的主干通道，其长度可达几千km，宽度可以从1000km到大于3000km。这些通道可为构造运动提供浅层作用机制，它们的存在可以用全球地热图来证实。涌流构造说❁涌流构造的触发机制是地球收缩引起的岩石圈塌陷，但地球收缩引起岩石圈塌陷的可能性和强度以及地球收缩与地质旋回的相关性等还不够完善。层块构造热涌说❁层块构造热涌说认为，在热涌过程中，被动的涌流物质也表现为一种构造热动力作用；热作用和热涌运动的发源地是软流圈，软流圈中热物质的小对流、平流和涌动受上地幔层块构造变动的导引和驱动，软流圈物质的运动又驱动和控制着岩石圈层块的运动；热涌是幕式的，或者软流圈是时空上幕式变化的动态系统，这是由软流圈周期性的热聚集和热释放决定的，或者是受其它周期性动力因素的调制。❁上地幔内部强硬层的张开而造成的暂态低压通道，将产生对地幔物质强烈的导引和控制作用，即高围压中的局部瞬态负压腔效应将驱使幔内软流物质呈被动的涌入，并沟通上下的软流圈和壳内软层；幔内软流物质涌动流的路径可能是复杂的，但主要是受上地幔内分层结构和强硬层的破裂格局所控制；幔内软流物质幕式化涌动和涌出地表，造成洋底的被动开裂和海底火山喷发；大陆岩石圈更薄的分层结构和更窄的破裂通道导引幔内软流物质的涌入和喷发，表现出更为复杂的大陆地区火山活动。层块构造热涌说❁地幔柱：是指地幔深处甚至核-幔边界上产生的圆柱状上升的热物质流，它携带地幔物质和热能直至地幔上层，并在岩石圈和软流圈分界处四散外流，激起软流圈的水平运动，可以解释板块运动的驱动机制。地幔柱地幔柱❁地幔柱提出：太平洋中的夏威夷海岭和天皇海岭，是由成线状展布的一系列火山锥构成的火山链，从夏威夷岛沿岛链向西北，随着距离的增加火山岩的年龄依次增加，在夏威夷海岭与天皇海岭的转折处，火山年龄约4000万年。天皇海岭呈NNW走向伸向堪察加半岛东侧，北端的明治海山的年龄则达7000万年。一般认为，随着岩石圈板块经过热点的不停运动，先形成的火山从热点处移开并逐渐熄灭成为死火山，新的火山又在热点上方形成，结果就形成了一串年龄定向分布的线状火山链。火山链的走向，实际上记录了太平洋板块的运动方向，即在4000万年前为NNW向运动，最晚在2600万年以后转变为NWW向运动。地幔柱地幔柱❁热点和地幔柱的特征：①热点底下有一个狭窄(150～200km宽)的中心热柱，它由温度异常高的地幔物质组成；②上涌地幔流在板块下散开，形成一蘑菇状头部，其温度比正常温度高100～200℃；③蘑菇状柱头的直径为1000～2000km；④地幔柱引起的岩石圈上隆幅度可达1000～2000m。地幔柱地幔柱❁流体力学模拟实验表明，产生于地幔中的低粘度地幔柱，好像是一个连着输液管的上升的球形囊，也就是说，地幔柱的最早阶段是体积很大的柱头的发育和上升。它拖着一条狭窄的、可能长期活动的柱尾。易漂浮的源物质通过这条管道不断补充到上升的柱头中。地幔柱头在通过地幔上升时，其直径估计可达800～1200km。起源于核—幔边界的地幔柱头上升至接近地表处，扩展成一个热物质的圆盘。其直径为1500～2500km、厚度达100～200km，这接近于几个大陆溢流玄武岩区大小。起源于650km震间断面的地幔柱，在地表扩展的直径仅达600km。地幔柱地幔柱❁地幔柱的产生：要求地幔中存在一个高温、低粘度的热边界层，其温度要高出周围地幔物质的温度300～400℃，粘度要比周围地幔低几个数量级，这个高温低粘度层具有极不稳定的物理性质，一旦受到某种热扰动，就会在浮力作用下呈柱状上升。地幔中符合这样条件的边界层只有两个，一个是上下地幔之间的不连续面，其深度在650～700km；另一个是核—幔边界附近的D”层。地幔柱❁多数学者则认为地幔柱来自核幔边界附近的D”层，其理由是：①与洋中脊玄武岩和岛弧玄武岩相比，大陆溢流玄武岩、洋底高原玄武岩和大洋岛玄武岩等典型地幔柱成因的玄武岩常反映“富集型”地幔特点，而上地幔由于分异出地壳后常表现“亏损型”地幔的化学组成，因此地幔柱不可能来源于上地幔；②与大洋中脊玄武岩相比，大洋岛弧玄武岩具有较高的3He/4He比值，反映出原始地球形成物质的特点，表明地幔柱来源于地幔更深部位；地幔柱❁③理论模拟计算表明，如果地幔柱起源于上地幔底部，那么由地幔柱释放出的热量将占整个地球放热的60％，而实际上由地幔柱释放的热量仅是整个地球放热的6％～10％，这个热量释放范围刚好与地核释放的热量比例相近，说明地幔柱来源于核幔边界附近；④理论模拟还表明，在所许可的上升速度范围内，从上下地幔边界起动的地幔柱穿过上地幔这样的距离，最多只能形成直径为300km的球状柱头，而实际上许多地幔柱头的直径都超过1000～2000km；⑤上下地幔间不连续面的性质目前并不完全清楚，也有资料显示其为相变界面而非化学界面。地幔柱❁核幔边界附近D”层的稳定性的二维对流模拟结果表明，如果D”层受到某种局部热扰动，地幔柱就会激发产生。热扰动会使D”层物质的粘度降低，流动必增强，在热梯度的驱动下，所有受热扰动作用的高温低粘度物质会向热边界层最低处汇聚，并在那里形成地幔柱。地幔柱地幔柱❁据估算外核温度高达3800K左右，而下地幔底部温度为3000K左右，二者之间存在800K左右的温度差。这样地核会不断向地幔中释放热量。由于原始地核物质组成不均或其他某些因素，这种放热作用在不同位置可能有所不同，从而产生热扰动，导致地幔柱的产生。地幔柱地幔柱❁近来的研究表明即使地幔柱与周围地幔物质的粘度差高达l04，其上升速度也是非常缓慢的。并且地幔的实际粘度并非恒定，而是随温度降低呈指数增加。因此在一个新起动的地幔柱上升过程中，随着热量的不断散失和温度的不断降低，其上升速度会变得愈来愈慢。地幔柱❁一个新地幔柱在上升过程中其自身化学成分会发生一定变化，这种变化主要表现在地幔柱的头部。柱头在上升过程中，会不断地加热周围地幔物质，使其粘度降低，浮力增大，并与柱头融合在一起上升。柱头不仅含有源区的化学成分，还含有捕获的地幔物质成分。柱尾在上升过程中始终近于直立，基本不捕获地幔物质，其化学成分变化很小。比如那些以苦橄质或科马提质为特征的大洋岛火山链，可能是柱尾喷发形成的，代表源区物质成分特点；大陆溢流玄武岩和大洋高原玄武岩是由柱头喷发形成的，反映源区和周围地幔化学成分的混合特征。地幔柱❁洋岛火山链和大陆溢流玄