北京大学-地史学3章-历史构造分析和全球构造体系

第三章历史构造分析和全球构造体系§3.1地壳构造运动及其物质记录—历史构造分析在地质历史中，地壳的构造运动不但导致地壳物质结构改变和位移，同时也在不断地塑造着地球表面的形貌特征。尽管目前我们对地壳构造运动的根本原因的认识还十分薄浅，地质历史中的地壳构造运动我们也无法观察到，但保存在地质记录中的大量地壳构造运动的痕迹（如变形、位移和不整合）和地层记录本身为我们提供了有关地壳构造运动历史的重要信息。强烈褶皱的地层宽缓褶曲--背斜（右上）和向斜（右下）岩层中的小正断层美国著名的圣安德列斯走滑断层地壳运动断层类型1．地层的变形和位移与地壳构造运动的表现形式1）地壳运动基本表现形式及其在物质记录中的特征：垂直运动和水平运动是地壳构造运动两种最基本的表现形式从一个地区的地层变形和位移特征上，我们可以知道它是垂直运动的结果，还是水平运动的结果，或是两种运动方式叠加的结果。a.垂直运动为主的地壳构造运动地表形成大面积的隆起或凹陷引起大规模的海侵或海退。产生比较简单的地壳变形（如大型宽缓褶曲）和垂向为主的位移（如正断层[normalfault]和高角度逆断层[reversefault]）。青藏高原和渤海湾可以说是近代地壳垂直运动的代表。b.水平运动为主的地壳构造运动表现为水平方向的挤压。地质记录中往往形成强烈的地壳变形（褶皱）及有些大型低角度逆掩断层（overthrust）并常常伴随有大量的岩浆活动和区域变质作用的发生。水平运动的结果往往形成高大的褶皱山系，故水平运动也称为褶皱运动或造山运动（orogenicmovement）。如现代的阿尔卑斯山脉，喜马拉雅山脉。2）大地构造分区一百多年以前，地质学家就发现，根据古生代以来形成地层的变形程度差异可以把陆地上的地壳划分出两类大地构造性质不同的地区：一类是长期以来地壳构造活动性微弱，地层变形简单或无变形的相对稳定地区，这类地区往往构成了大陆的核心区域，另一类是曾经或仍在强烈活动，地层强烈变形的地区，它们常常环绕相对稳定的地区呈狭长带状分布。地质学家分别给它们命名为克拉通(craton)和造山带(orogenicbelt，又称褶皱带)。它们构成了大陆地壳的基本大地构造单元。克拉通(craton)：由古生代之前的古老褶皱变质结晶岩系构成基底的大陆地壳区域。地盾(shield)--克拉通内古老褶皱变质结晶岩系出露的地区。地台(platform)--有古生代以来沉积盖层覆盖的地区。地台二元结构：古生代之前的古老褶皱变质基底和古生代以来的盖层沉积。造山带(orogenicbelt)：在克拉通周围边缘的、经历了古生代以来强烈构造挤压变形的一些狭长地区。今天，我们可以通过高频率的地震活动和火山喷发识别最年轻的造山带。而过去的造山带则以地层的强烈变形和变质，地壳的位移，大量火成岩侵入等为特征，与陆地上的山脉地区相对应。早古生代（加里东）褶皱带、晚古生代（海西）褶皱带、中生代（印支，燕山）褶皱带、新生代（喜马拉雅）地壳运动思考题：地质学家为什么要以古生代为界把地壳分为克拉通和褶皱带两种构造性质的区域？或古生代之前的地壳是否也存在这两种构造性质的区域？2．地壳构造运动与沉积记录的关系地势差异是地壳构造活动性（或构造状态）差异通过地壳构造运动在地表的地貌表现。大幅快速上升的地区会由于来不及被剥蚀夷平而保持高峻的地形特征（山脉）--地壳构造活动强烈地区快速下降的地区会由于来不及被沉积物填满而成为地表的凹陷区（山间盆地，海沟）。--地壳构造活动强烈地区。大面积缓慢升降的地区则表现为呈现为广阔的平原、陆棚浅海。地壳构造活动性微弱地区----相对稳定的地区。由地势分异所产生的各种特定沉积环境，其内的沉积作用，除了有自然地理环境意义外，必然还具有构造环境的意义。大幅快速升降的地区也必将发生强烈的剥蚀作用和快速的堆积作用。大面积缓慢升降的地区则必将出现充分的风化侵蚀作用和缓慢的沉积作用。一个地区的地壳构造活动性（构造状态性质）在地质历史中会由于地壳的结构改变而发生变化。通过地层沉积物的性质，岩石组合类型及地层的厚度等特征及其演变规律分析和推论一个地区地壳构造活动性发展变化规律的方法---历史构造分析。1）沉积物性质与构造环境条件一个地区的构造活动性可以通过沉积物的性质（组分、结构和几何形态）反映出来。具有板状或席状几何形态的高成熟度沉积物是地壳构造活动性相对稳定的重要标志。如冲积平原和陆棚浅海沉积。具有楔状或带状几何形态的低成熟度沉积物是地壳构造活动性相对活动的重要标志。如山间盆地和山麓地区的冲积扇沉积；火山岛弧周围大量堆积的棱角状火山物质和岩屑、泥质沉积；稳定陆棚外侧的大陆斜坡上形成的巨厚浊流沉积虽然在矿物成分上是高成熟度，但在结构上属于低成熟度。地壳运动2）沉积厚度与地壳的升降幅度当地壳的某一部分下降时，就会不断接受沉积；相反，地壳隆起时就会遭受剥蚀。一般来说，下降幅度越大，沉积物的堆积厚度就越大。因此，某个时期沉积岩层的厚度和沉积相更替是了解一个沉积盆地沉积底盘相对沉降幅度的重要线索。例如：天津地区，第四纪河流相沉积有700米厚。山西太原石炭-二叠系海陆交互相含煤沉积有100余米厚。地壳运动在相对稳定构造背景和沉积环境变化不大的情况下，沉积厚度与沉积底盘的下降幅度基本保持一致，这种情况只是反映了沉积速率与地壳沉降速度相同。实际情况中，沉积厚度与地壳沉降幅度之间的关系会由于沉积速率的变化而不同。这种差异可以在沉积相的垂向变化上体现出来。沉积厚度分析—补偿和非补偿的概念在理想的情况下，沉积速率、沉积厚度和地壳下降幅度之间存在三种基本关系：补偿沉积非补偿沉积过补偿沉积a)补偿沉积：沉积盆地底盘的沉降速度与沉积物堆积的速度相同，沉积物的堆积厚度等于盆地的沉降幅度，因此，沉积盆地水深保持不变；沉积相保持不变。h0h1amh0：开始时的水深；h1：结束时的水深；a：地壳下降幅度；m：沉积物厚度沉积速率、沉积厚度和地壳下降幅度之间的三种基本关系b)非补偿沉积沉积盆地底盘的沉降速度大于沉积速度，沉积厚度小于沉降幅度；沉积盆地水深逐渐变深；沉积相由浅水型逐渐变为深水型。h0h1amh0：开始时的水深；h1：结束时的水深；a：地壳下降幅度；m：沉积物厚度c)过补偿沉积：沉降速度小于沉积速度，沉积厚度大于沉降幅度，沉积盆地水深逐渐变浅；沉积相由深水型逐渐变为浅水型。补偿沉积的一种特例。h0h1am海平面升降也可产生相似的岩相变化有多种因素会影响沉积厚度h0：开始时的水深；h1：结束时的水深；a：地壳下降幅度；m：沉积物厚度沉积组合3）沉积组合与构造背景沉积组合（sedimentaryassociation）：地史中某个时期形成的、能够反映其沉积过程中主要构造环境特征的沉积相共生综合体。各种地理环境中形成的沉积相并非孤立存在，它们的时空分布特征及其与周围相邻沉积相的共生组合关系也受到构造环境条件的控制。陆地稳定区：准平原---游移盆地湖泊碎屑沉积组合内陆盆地---内陆盆地河湖相砂泥质组合近海平原---近海盆地含煤碎屑组合陆地活动区：高大山系---山麓山间粗碎屑组合—磨拉石陆缘火山带---大陆火山喷发-碎屑组合海洋稳定区：陆表海和陆棚海----滨浅海碎屑组合或碳酸盐组合海洋活动区：非补偿边缘海---非补偿边缘海炭质硅质组合火山岛弧海---岛弧硬砂岩(greywacke)-火山喷发组合大陆斜坡和深海沟---深海、半深海砂泥质复理石组合和蛇绿岩套(ophilitesuit)组合理想化的蛇绿岩套模式稳定类型：沉积岩层厚度分布稳定沉积相相变变化不大沉积物成熟度高活动类型：沉积岩层厚度变化大沉积相相变迅速沉积物成熟度低，多火山物质§3.2褶皱带与板块构造---全球大地构造体系1．褶皱带（造山带）与构造阶段褶皱带内地层强烈褶皱和含有大量岩浆侵入及变质作用的现象。“强烈凹陷”的沉积区，经历了后来的地壳构造运动而褶皱成山。褶皱带的形成，反映了地壳的构造活动性由活动状态向相对稳定状态的转变。早古生代褶皱带：加里东(Caledonian)褶皱带晚古生代褶皱带：海西((Hercynian)褶皱带中生代早期褶皱带：印支(Indosinian)褶皱带（东亚）中生代晚期褶皱带：老阿尔卑斯(OldAlpedic)褶皱带（欧洲）燕山(Yanshanian)褶皱带（东亚）新生代褶皱带：新阿尔卑斯(NeoAlpedic)褶皱带（欧洲）喜马拉雅(Himalayan)褶皱带（东亚）对全球地表褶皱带的深入研究和大量的地史资料的获得，使人们清楚地认识到：古生代以来形成的褶皱带在时空间分布上具有一定的规律性：a）褶皱带环克拉通呈带状分布；b）早期形成的褶皱带靠近克拉通的内侧，晚期形成的褶皱带靠近克拉通的外侧；c）褶皱带的形成过程与克拉通内地台上形成的巨大升降和海水进沉积退旋回具有一定的一致性，反映了全球地壳构造演化的旋回性和阶段性。地质历史的构造阶段划分：加里东阶段(Caledonian)（早古生代）海西（或华力西）阶段(Hercynian或Variscan)（晚古生代）阿尔卑斯阶段(Alpedic)（中、新生代）中国和东亚地区中、新生代地壳演化阶段：印支阶段(Indosinian)（三叠纪）燕山阶段(Yanshanian)（侏罗、白垩纪）喜马拉雅阶段(Himalayan)（新生代）2.认识山脉的成因---从固定论到活动论1）地槽地台学说简介地槽(geosyncline)：冒地槽(miogeosyncline)优地槽(eugeosyncline地壳运动2）大陆漂移的兴衰i.大陆漂移说的提出Suess和冈瓦纳大陆（Gondwanaland）魏格纳(Wegner)与大陆漂移(continentdrift)ii.大陆漂移说的证据大陆形貌的拟合古气候化石沉积记录大陆漂移说的不足：大陆漂移的动力学机制2）大陆漂移的兴衰i.大陆漂移说的提出魏格纳（1880-1930）AlfredLotharWegener触发魏格纳产生“大陆漂移”的灵感：大西洋两边非洲和南美洲的海岸线形状的相似性奥地利地质学家E.Suess有关冈瓦纳大陆的文章所列举了的大西洋两岸陆地上同时存在的一些特征植物和动物化石，以及地质现象1912年提出了大陆漂移的观点；1915年正式发表了“TheOriginofContinentsandOceans”一文，明确提出了泛大陆（Pangea）概念和大陆漂移(Continentdrift)的假说：在中生代初始的时候，现今分离的各个大陆曾经连在一起，构成了一个超级的联合大陆—Pangea（泛大陆）。该大陆被一个超级的大洋—Panthalassa（泛大洋）所环绕；从侏罗纪开始，Pangea开始解体，彼此漂移分离，逐渐形成了今天的海陆分布地理格局。魏格纳复原的大陆漂移过程魏格纳大陆漂移说的代表性证据：古生物学证据：被大西洋和印度洋分隔的大陆上存在一些相同的化石生物群。舌羊齿(Glossopteris)、中龙(Mesosaurus)、水龙兽(Lystrosaurus)、犬颌兽(Cynognathus)等在冈瓦纳大陆上的分布。大西洋东、西两岸的北美和欧洲古生代海生无脊椎动物化石组合的相似性。中龙是石炭-二叠纪时期一种生活在淡水-半咸水环境的爬行类动物。舌羊齿是石炭-二叠纪时期的一种蕨类植物。大陆漂移说的兴衰水龙兽和犬颌兽是三叠纪时期的两种陆生爬行类水龙兽犬颌兽大西洋东、西两岸的北美和欧洲地区出露的古生代地层中具有非常相似的海生底栖无脊椎动物群地质学和沉积学证据：大西洋两岸的北美洲和欧洲的古生代地层在岩石组成上十分相似，并且在构造变形等方面也有一致性。如：北阿巴拉契亚褶皱带和加里东褶皱带印度、南美洲、非洲和澳大利亚等地发育的石炭-侏罗纪时期的地层在沉积层序、岩性变化和化石组成等方面非常一致。而之后形成的地层则差别很大。在北美格陵兰和欧洲斯堪地纳维亚地区存在同时期、同构造方向的褶皱带加里东褶皱带北阿巴拉契亚褶皱带石炭纪二叠纪三叠纪侏罗-白垩纪玄武岩层红