第二章-岩石圈构造

第二章岩石圈构造涉及到地球的起源和基本特征、地球动力学的主要假说。起源研究：古老的岩层（最原始的地球岩石年龄40亿年）、陨石、宇宙探索。圈层结构地球的非对称性地球构造活动的韵律性假说第二章岩石圈构造第一节地球的起源和特征第二节岩石圈与软流圈第三节岩石圈的生长与演化第四节岩石圈运动学与动力学第一节地球的起源和特征•一、地球起源•二、特征非对称性、构造韵律•一、地球起源1.与整个太阳系联系在一起。由于不能从行星直接取样—陨石2.两种模型：均匀聚集模型和非均匀聚集模型。区别：先冷凝后聚集（均匀）同时发生（非均匀）3.最晚38亿年，存在洋壳与陆壳差异，陆地出现剥蚀-搬运-沉积的地质过程•二、地球特征非对称性证据（南北不对称）：1.陆地2/3以上在北半球（北-陆半球，南-海）2.大洋脊3/4位于南半球3.1900-2001M=8级地震共47次，30在北半球大陆M=7的强震几乎都在北半球4.热流分布，南高于北5.大气运动的赤道带略向北偏，大气运动北繁南简非对称性证据：6.洋流的形式与环流带位置南北不对称7.全球中、新生代造山带3/4集中在北半球8.根据海陆、地震、大气等不对称的事实，马宗晋（2003）提出构造球的概念，构造球的赤道北偏10度左右9.全球大的（一级）构造系统不对称。东西半球也不对称。地球构造活动的韵律性地球在46亿年中，发生了不同时间尺度的韵律性变化。马宗晋（2003）划分为长韵律、中韵律、短韵律和微韵律四个层次，12个韵律级别。认为：不同韵律层次的存在是不同类型天文周期对地球作用的效应。太阳系与银心距离的周期变化，太阳系通过银河旋臂结构所受的影响，以及大小麦哲伦星云对银河系的作用，可能对25亿年、8±2亿年、2±0.5亿年和1亿年左右的韵律地球构造活动的韵律性地球轨道偏心率、黄赤交角（地轴斜度）、岁差的周期变化，可能给影响地球以千万年级别到万年级别的韵律尺度。（米兰克维奇气候曲线）部分韵律证据：超级大陆聚散（10-2.5亿年）沉积、构造波动周期—250~50Ma生物集群灭绝---50~5Ma古地磁磁极倒转32~34Ma陨击事件32~33Ma……………第二节岩石圈与软流圈•一、岩石圈纵向结构及特征•二、岩石圈类型及特征一、岩石圈纵向结构及特征根据成分和力学性质可将地球内部划分为不同的同心圈层，其分层主要是依据地震波在地球内部传播速度的变化。波速成速度梯度有明显变化的深度称为不连续面或分界面，介于界面之间的则是界面间层。一、岩石圈纵向结构及特征重要的界面：1.莫霍面壳-幔2.古腾堡面幔-核3.康拉德面上下地壳深(超深)钻与物探：地壳结构研究的两个方面。但是，物探和地表地质确定的深度1500米的既定目标几乎都未得到钻探的证实！一、岩石圈纵向结构及特征根据地球内部的力学或流变强度及变形反应方式可分为岩石圈、软流圈、中间圈和地核一、岩石圈纵向结构及特征(一)岩石圈又叫构造圈，是地球的刚性外壳，包括地壳和上地幔的刚性顶盖，厚20-150km。大陆区110—150km。大洋盆地70一80km，洋脊、岛弧区为20一50km。一、岩石圈纵向结构及特征大陆岩石圈自上而下可分为四个层圈：1．上地壳由盖层和结晶基岩层两部分组成。盖层厚度变化很大，由0一10余km。其中软弱层构成滑脱面，沿滑脱面常形成重力滑动构造、伸展构造、褶皱和逆冲推覆构造。这些没有结晶基底卷入的盖层滑脱型构造常称为薄皮构造。盖层纵波速度在2.0—5.5km/s。一、岩石圈纵向结构及特征结晶基岩层由花岗岩、花岗闪长岩和深变质的花岗片麻岩、片岩等中酸性岩石所组成。由于埋藏浅、温压低，以脆性变形为主。这些有结晶基岩卷入的上地壳构造，常称为厚皮构造。纵波速度一般为5.7—6.3km/s。一、岩石圈纵向结构及特征2.中地壳•中地壳与上地壳成分相似，平均成分接近花岗闪长岩，但物态不同，为一塑性层。•上地壳的伸展作用、逆冲作用受中地壳拆离面的控制。•中地壳厚约8-20km，横向分布很不均匀，埋深一般为10-15km。由于埋藏深、温压较高、放射性元素最集中，而具有塑性性质。•中地壳是上、下两部地壳的过渡层，而不是一个简单的速度界面。从渤海湾盆地深部地震资料可知，中地壳夹有三段低速层，中地壳可能是由多个软硬相间层所组成，易产生塑性流动、顺层拆离。一、岩石圈纵向结构及特征3.下地壳•厚10-15km。上部组分偏中性，波速6.2-6.7km/s。下部含较多的基性、超基性成分，为角闪岩相—麻粒岩相高温高压变质相。由上向下，偏脆性变形渐变为偏塑性变形。其下部与莫霍面一起也构成一个重要的拆离或调节带，控制着地壳构造的发育。•莫霍面也是一个过渡层，由镁铁质麻粒岩和超镁铁质岩所组成，厚约l一5km，由高低速薄层组构成。纵波速度通过莫霍面由7.6km/s突增至8.1km/s。但在裂谷区纵波速度为低速，仅7.0-7.8km/s，这是由裂谷带之下有一高温、低密度、低速的异常地幔或地幔垫(枕)塑性物质所致。一、岩石圈纵向结构及特征4.上地幔的刚性层由橄榄岩、辉岩和榴辉岩等组成。厚度从30-150km，纵波速度为8.1-8.5km/s。即由于以高熔点的橄榄石为主，故形成密度大、强度高的刚性层。板块构造认为岩石圈驮在下伏的软流圈上滑移。一、岩石圈纵向结构及特征（二）软流圈•在岩石圈一下的弱流变区，下界难确定，一般认为不超过350±30km深度。顶部有厚约100km的地震低速带，纵波和横波速度均明显降低，横波速度的降低大于纵波速度降低。解释为在低速带中有部分(小于3％)的熔融。•软流圈及其有关低速带的存在是板块构造理论的基础。一、岩石圈纵向结构及特征（三)中间圈包括下地幔的其余部分，厚度通常大于2200km。(四)地核由古腾堡面至地心，包括液态外核、过渡层和固态内核。二、岩石圈类型及特征(一)岩石圈类型•岩石圈主要由玄武质层(硅镁铁层)、花岗质层(硅铝层)和沉积岩层所组成，由于地壳是岩石圈的主体，所以对于岩石圈的类型划分可以通过地壳加以讨论。•根据地壳厚度、结构和组成的不同，地壳可以分为三类：大陆型地壳、大洋型地壳和过渡型地壳。二、岩石圈类型及特征1.大陆型地壳大陆型地壳简称大陆壳或陆壳，主要指大陆和被海水淹没的大陆部分，约占全部地壳面积的1/3。平均厚度为35km，在大陆边缘地区厚度较薄约20km，但在年青造山带厚度很大，可达60-70km(如喜马拉雅山区)。二、岩石圈类型及特征陆壳的结构自上而下可分为三层：顶层为沉积岩盖层。厚0-10km，密度为1.46g/cm3。纵波波速Vp=2-4km/s；中层为花岗岩质层，厚度为10-20km，密度为2.7g/cm3，纵波波速Vp=5.8-6.2km/s；下层为玄武岩质层，厚度为1.5-2.5km，密度为2.9g/cm3，纵波波速Vp=6.5-6.9km/s。•其中顶层和中层组合称上壳层，与下层的下壳层形成明显的双层结构，康拉德面为上、下壳层间的分界面。•地震和电导资料分析，陆壳区的康拉德面并不十分清楚，可能呈逐渐过渡关系。•大陆型地壳的物质成分比较复杂，其中上壳层的成分大致与花岗闪长岩或石英闪长岩相当，下壳层的成分大致与辉长岩、闪长岩或硅质石榴石麻粒岩成分相当。二、岩石圈类型及特征2．大洋型地壳大洋型地壳简称大洋壳或洋壳，分布于大洋盆地之下，约占地壳面积的2／3，全为4km深的海水覆盖。洋壳顶部除有薄层沉积外广泛发育玄武岩质的硅镁层，缺少陆壳中所特有的花岗岩质层，故洋壳内部结构较陆壳简单，组分也较单一。二、岩石圈类型及特征•洋壳可分为三层：•表层为水体下松散或半松散末固结的沉积物，厚度0-1km，Vp=2-4km/s,在海岭区较薄，大洋盆地较厚；•中层为玄武岩质火山岩，厚度为0.7-2.0km，Vp=4.5-5.5km/s；•下层由大洋型拉斑玄武岩与辉长岩组成，厚度为3-7km，Vp=6.5-6.9km/s。•洋壳平均厚度为6—8km，铁镁质层的厚度相当均匀。二、岩石圈类型及特征3．过渡型地壳•一般情况下，洋壳、陆壳并不是以海岸线为界，而是在大陆架外缘和大陆坡之间，陆壳逐渐过渡为洋壳，此类地壳被称为过渡型地壳，其地壳厚度平均在23km。沟通大陆之间构造联系的海底地壳，如南美大陆、非洲大陆和新西兰与南极大陆之间的海底地壳，常具过渡型地壳特征；稳定大陆边缘(如大西洋型大陆边缘)和若干岛弧、陆缘弧附近的地壳也具过渡型地壳性质。二、岩石圈类型及特征不论是洋壳、陆壳或过渡壳，其厚度因地而异，总趋势是大洋区薄、大陆区厚。在大洋区，洋脊和海岭的地壳比大洋盆地厚，而岛弧区地壳厚度可超过大洋盆地一倍。在大陆区老褶皱带比新褶皱带地壳厚度要小。二、岩石圈类型及特征(二)主要岩石圈类型特征根据地质和地球物理特征可进一步将岩石圈划分出不同的岩石圈类型。二、岩石圈类型及特征1．克拉通(kraton)一般认为，克拉通是大陆均衡的正向部分，在构造上，它比邻近的活动带更稳定。(1)地盾•地盾是地壳的稳定部分，由前寒武纪岩石组成，其上的沉积盖层很薄，或者完全没有沉积；以变质岩和深成岩为主；所经历的埋藏深度从5km到35km以上。•地盾区表现出地形的起伏很小，而且长期保持构造上的稳定性。•地盾区占地壳总体积的12％左右。最大的几个地盾分布在非洲北美和南极洲。二、岩石圈类型及特征(2)地台•地台也是指地壳的稳定部分，地形上也仅有小的起伏，其基底也是由前寒武纪岩石组成，但其上覆盖有1-3km厚的相对未变质的沉积岩。地台的前寒武系基底和地盾一起称为克拉通。•地台上沉积盖层的年龄可从前寒武纪至新生代，局部地区盖层厚度可达5km以上。地台占地壳体积约35％，占地壳面积约18％。二、岩石圈类型及特征2．造山带造山带系指造山作用中经受强烈变形的地壳所形成的狭长形山带。·传统的地槽系统认为造山带演化的前期为狭长坳陷和沉积带，后期回返遭受剧烈构造变动和深成作用，随后是造山作用上隆成山，但只有这样一次单旋回的事件实际上是很少见的。“多旋回的造山运动是全球大地构造的特征”（黄汲清）。二、岩石圈类型及特征·板块构造学说认为造山作用发生于板块聚敛边界，它是板块俯冲、碰撞作用引起的。造山带实际上就是俯冲带和碰撞带，它们是地球岩石圈结构和构造最复杂的地带。•还有些盆岭区和裂谷旁侧山系和全球性大洋海岭系统都是岩石圈伸展所致的，如夏威夷群岛就是由海底扩张、洋底火山活动所形成的山脉。二、岩石圈类型及特征因此，不仅挤压收缩成山。而且扩张伸展也可成山，只不过是在岩石圈发展的不同阶段、不同部位而已。有的造山带是古生代、中生代或新生代的，有的造山带位于大陆上，有的位于大洋中。二、岩石圈类型及特征3．盆地盆地是岩石圈的又一重要组成类型，简单地说，盆地就是指地表的负向汇水单元。盆地的类型主要有大洋盆地、边缘海盆地、海沟、陆内海盆地及大陆内沉积盆地。二、岩石圈类型及特征•大洋盆地占地球表面积的41％•在构造上很稳定，盖有薄的沉积物，厚约0.3km，且具有线状磁异常特征。•大洋盆地总体上较平坦，但仍具有深海丘陵、海山、平顶海山和大洋岛屿。•深海丘陵是大洋底最普遍的地貌特征。可能与岩石国内地幔柱(热点)的活动有关；海山是海下火山，既有活火山，也有死火山；平顶海山是由海浪夷平作用形成的火山台地，由于海底的沉降而没于水下。•大洋盆地的地壳厚度较稳定，平均为7km。二、岩石圈类型及特征•边缘海盆地常位于岛弧之间(如菲律宾海)或岛弧与大陆之间(如日本海和鄂霍次克海)有洋壳的地区。·就现代而言，太平洋西部地区边缘海最发育。以地堑和地垒式的构造格局为特征、并大体上平行于相邻岛弧系的大断裂。·盆地内沉积物厚度是多变的，物源主要来自大陆或岛弧区。边缘海盆地地壳厚度范围为10-15km。二、岩石圈类型及特征•大洋海沟是俯冲带活动的地方，伴有强烈的地震活动。·平行于大陆边缘上的岛弧或火山链，深度5-8km，是大洋中最深的部分；·常充填有来自岛弧附近或大陆的少量沉积物；·海沟下边的地壳厚度变化很大，一般为3-12km，而且变厚和变薄都发生在下部地壳中。秘鲁-福利海沟海岸山脉日本海沟二、岩石圈类型及特征•陆内海盆地是完全被大陆包围的盆地(如黑海和墨西哥湾盆地)。构造