第三节 板块边界类型Word文档下载推荐.docx

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北美科迪勒拉造山带

南美安第斯山脉影像

南美安第斯的三阶段模式

爱琴弧后盆地的构造格局

南美的活动边缘和被动边缘

陆－陆会聚的大地构造格局

会聚板块边缘岩浆作用

阿特拉斯山褶皱冲断带

全球现今造山活动带

板块运动的相对速度和方向

转换断层

平移（横推）断层

科利颇顿转换断层的影像

转换断层的三种类型

脊－脊、脊－沟、沟－沟转换断层

脊－脊转换断层的板块运动

圣安得列斯－加利福尼亚湾转换系

板块转换边缘

死海转换系的大地构造环境

东非裂谷及其盐湖

亚喀巴湾的拉分盆地

新西兰阿尔派恩转换断裂系

转换边缘的各种地貌表现

塞浦路斯特鲁多斯转换剪切带

陆上转换断层的地貌表现

圣安得列斯断层的地貌表现

转换挤压与转换引张

Transformfaults

•按运动形式：

纯平移的、张性的和压性的转换断层

•怎么形成的？

？

（与洋脊扩张同时）

一、板块的运动

⏹关于岩石圈板块的刚性

⏹证据：

1、地震S波可以穿越；

2、大洋盆沉积物很少变形；

3、地震震中主要沿板块的边界分布；

4、大陆拼接表明，即使发生大规模的漂移，仍保持原有的轮廓

⏹相对刚性：

⏹大陆内部有造山带；

岩石圈内有低速层；

板内地震

⏹从全球考虑板块在地球上的运动时，可以近似看作刚性体

⏹板块的扩张增生与俯冲消亡之间的平衡

板块的运动

⏹运动基本模式－欧拉定律

⏹把岩石圈板块当作刚性，而且地球体积（半径）不变时，可以使用数学方法来描述其运动；

⏹1776年，瑞士数学家L.Euler指出：

一个刚体沿着半径不变的球面的运动，必定是环绕通过球心的轴的旋转运动。

在球面上任何一点的移动都不是沿着直线，而是沿着弧线；

如果这种运动表现为复杂的曲线形式，那么它的移动轨迹将由许多圆弧小段组成。

⏹刚性岩石圈板块在地球表面的运动，遵循欧拉定律，是一种绕通过地心的轴的旋转运动。

板块沿扩张极点的纬度线旋转

板块1相对板块2的运动

海底地貌图

如何确定板块的相互运动？

⏹对地球表面的任何一个岩石圈板块，它的运动完全由旋转轴和围绕旋转轴旋转的角速度确定。

⏹如果位于旋转赤道上，其移动轨迹为大圆（赤道）；

否则其旋转轨迹是同轴小圆弧－欧拉纬线。

板块、板块边界和运动方向

七大板块和五小板块的相对运动

求解板块运动状态

⏹通常讨论板块运动，是指其相对运动；

⏹只有板块旋转极（欧拉极）和旋转角速度才足以反映出一个岩石圈板块的真实运动状态（板块不同部位的运动方向和大小可以不同！

！

）

⏹原则上说，要确定二个板块相对运动，就归结为查明它们的旋转极的地理坐标和旋转角速度。

⏹求旋转角速度：

可以根据线速度来换算，而线速度可以根据各种方法求得（如VineandMathews法；

大地测量法等）：

ω＝V/R•cosθ•0.01745

ω角速度，V线速度，R地球半径，θ欧拉纬度，0.01745角速度变成弧长的系数

Transformfaults重要性

⏹1968年，Morgan首先注意到，横断大洋中脊的转换断层代表了板块在相应点的相对运动方向，给出了欧拉纬线的走向（弧形弯曲）

⏹板块构造三大假设条件：

1.地球体积不变；

2.地幔是对流的；

3.刚性岩石圈板块在地球表面运动

转换断层证明了假设3。

其他2条无法证明。

Hotspot（热点）无震海岭

Mantleplume（地幔柱）

⏹大洋中除洋脊外还有一些线状延伸的火山海岭，不发生地震－－无震海岭

⏹Wilson首先注意到夏威夷火山海岭的年龄递变现象，并提出热点假设。

Morgan（1972年）进而提出Mantleplume的概念

主要热点和无震脊的分布

热点产生火山照片

夏威夷热点

A.太平洋的热点及板块运动极点

热点分布异常动画

“热点假说”为了解板块的绝对运动开辟了有益途径。

问题：

⏹成因机制；

⏹与对流环的关系；

⏹位置不固定；

⏹不是所有的海岭都符合这一现象；

地慢柱理论的形成与提出

1963年Wilson为解释板内岩浆作用，特别是呈链状分布的火山作用（如夏威夷一皇帝海火山链）时提出“热点”（hotspot）概念，即地幔中相对固定和长期的热物质活动中心。

1972年，Morgan为解释热点的成因而提出地幔柱概念，指的是地幔深处，甚至是核幔边界上产生的圆柱状上升的热物质流，它相对静止，在地表表现为热点。

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，激起软流圈中的水平运动，从而将地幔柱当作板块运动的驱动机制之一。

Morgan进一步推测地慢柱是由地慢对流体系中的上升流构成，并强调热点大体上固定于地幔中，板块相对于热点的运动便是相对于地幔固定部分的运动，也就是相对于地理极或地球自转轴的绝对运动。

地幔柱存在的主要依据

地幔热柱的关键标志是：

（1）大面积洋岛型和大陆裂谷型玄武质火山喷发；

（2）岩石圈尺度的伸展与相应的裂谷盆地的发育；

（3）软流圈埋深浅。

超级地慢柱（Superplumes）

Larson（1991）提出的超级地慢柱（superplumes）概念和热柱活动的周期性。

Larson认为，在白垩纪中期，地慢对流系统曾遭受过一次大规模的扰动，而该事件是源自核慢边界的多个大规模地慢热柱（称为超级地慢柱）上涌的结果。

在超级地慢柱活动期间，洋底扩张和黑色页岩沉积速率显著加快，全球温度上升，海平面上升。

超级地慢柱活动开始时间与白垩纪长期正地磁极期（longnormalmagneticpolaritysuperchron）的起始时间相吻合。

这些现象可能与从核慢边界以超级地慢柱形式导致大量热量的释放和大量深部物质的提取有关。

地慢柱构造学说（PlumeTectonics）

Maruyama（1994）在已有的地慢柱学说基础上，提出了一种新的全球构造观—超级地慢柱构造（PlumeTectonics）。

他根据全球P波层析资料所作的地质解释，认为全球在南太平洋及非洲存在两大超级上升地慢柱，而在亚洲存在一个超级下沉地慢柱，大西洋中脊则是一个次一级的上升地慢柱。

这一格局主宰了现今全球构造。

他强调板块构造理论只能解释地球表层200km内的现象，而只有地慢柱构造才能说明星球各个层次的演化历史。

Stein和Hofmann（1994）认为消减板块不仅可以停留在670km间断面，而且可以下沉至D’’层（核慢边界附近地震波速梯度异常低的区域），而起源于核慢边界的深部物质又可以以地慢柱的形式穿透上、下地慢之间的不连续面到达地表，从而构成巨型幕式旋回。

超级地慢柱构造

GlobalSeismicTopography

地慢柱与大火成岩省

大火成岩省（LargeIgneousProvinces，简称LIP）是指规模巨大，岩性主要为镁铁质的喷出岩和侵入岩。

它包括大陆溢流玄武岩（CFB）和相伴生的侵入岩（如德干高原，西伯利亚溢流玄武岩等），被动火山边缘，洋脊高地，大洋盆地溢流玄武岩（如加勒比海溢流玄武岩）以及火山链（如夏威夷一皇帝海链）。

LIPS具有以下重要特征:

（1）它由面积广瀚的熔岩流组成，覆盖面积通常超过106km2，最大厚度可达5km。

这些规模巨大的岩浆是在相当短的时间内形成的，即具有极高的喷发速率。

喷发时限<

1Ma。

（2）以玄武质熔岩为主导地位，大多数CFB为S02含量较高的石英拉斑玄武岩，在一些地区具有双峰式分布特征。

（3）玄武岩浆喷发之前，地壳通常发生弯隆，垂直幅度为1km。

弯隆区基本与玄武岩覆盖范围相当。

（4）大陆区的LIPS（即CFB）的同位素组成范围很大，由典型洋岛玄武岩组成到接近古老地壳组成。

大多数CFB中等或强烈富集不相容元素，但显示强烈的Nb、Ta负异常。

LIPS是地球上所知最大的火山作用，记录了在某一特定历史时期巨量物质和能量由地球内部向外迁移。

LIPS的成因显然不同于“正常”洋底扩张过程，难以用传统的板块构造理论来解释，而与特殊的地慢动力学过程有关。

在很短时间内形成巨大的岩浆喷出量要求地慢深部有巨大的热异常的存在。

地慢热柱学说是目前解释这一热异常最可能的模型。

Threedistinctmantleplumes:

古地磁资料对板块运移速率的量度

北美与欧洲的视极移曲线

印度漂移与喜马拉亚造山带

二、板块运动的驱动力

板块上的作用力

1.地幔拖曳力FDF：

由板块和下伏软流圈之间的粘性耦合产生的作用于板块底部的剪切力，与板块的面积及板块相对于软流圈的运动速度成比例。

如果在软流圈内有热对流，底部拖曳力就起驱动力的作用；

如果软流圈相对板块运动而言是被动的，底部拖曳力就起阻力作用。

2.大陆拖曳力FCD：

大陆板块下面的软流圈和大洋板块下面的软流圈可能有不同的流变性，因此作用于大陆板块的地幔拖曳力也会与作用于大洋板块的地幔拖曳力不同，从而对大陆板块附加了一拖曳力FCD，作用于大陆板块的地幔拖曳力应为FDF+FCD。

3.洋脊推力FRP：

由于大洋岩石圈随时间变冷与收缩,在板块的大洋地区上积累的水平压力梯度。

Bott（1993）认为洋脊推力主要源自洋脊顶部之下高压上涌地幔的重力楔入效应，是作用在靠近洋脊顶部的岩石圈边缘的板块边界力，而不是岩石圈内的体力。

4.板片拉力FSP：

海沟下面冷的下沉板片比周围地幔物质的密度大，因此受到一由其负浮力产生的体力，即板片拉力。

5.板片阻力FSR：

主要由粘滞拖曳作用引起，集中在板片的下部或前端，与海沟走向垂直，阻碍板块向地幔的推进。

6.海沟吸力FSU：

施加在大陆或仰冲板块上把板块拉向海沟的作用力。

McKenzie（1969）和Sleep等（1971）假设，海沟吸力会在下沉板片上部的上地幔内诱导出一种次级的对流环，这一次级对流环会在岛弧后产生张应力，用来作为解释边缘海打开的一种动力机制。

7.碰撞阻力FCR：

作用在俯冲带内同下降板块接触的上驮板块上的阻力。

碰撞阻力是分布在俯冲的逆冲断层界面上的剪应力作用的结果。

在板块的大陆部分发生碰撞时也会产生碰撞阻力。

8.转换断层阻力FTF：

转换断层处邻接板块的相对运动受阻形成的剪切摩擦力。

这个阻力于每个板块的运动方向相反，是作用在与主转换断层走向平行的方向上。

9.地幔柱力：

除了上述8种力外，随着地幔柱研究的深入，地幔柱力已被认为是驱动板块运动的一种重要的作用力。

Bott（1992,1993）计算得出，上地幔中一个中等规模的地幔柱异常能产生大约260Mpa的偏张力，它能引起大陆裂谷作用而无需其他来源的力。

大陆开裂一旦发生，与地幔柱存在有关的附加洋脊推力就可能大大加快板块运动。

脊推力起源示意图

中脊推力和板块拉力

海沟吸力的可能起源

地幔对流

⏹英国地质学家A.Holmes（1929，1931）最早提出地幔热对流作为一种大陆漂移的驱动力思想，最初的模型认为，地幔对流从板块的扩张中心（洋中脊）上升，向两侧分流转为平流，逐渐冷却，在板块的汇聚边界（海沟）之下又转为下降流，返回地幔。

在地幔深处，又从海沟下面反流到大洋中脊之下，并重新加热，称为上升流，如此循环。

浅对流和深对流

地幔对流驱动板块运动

两种热对流模式

⏹最近岩石学家提出一个更为复杂的地幔成分结构，认为莫霍面至410km的上地幔上部主要为橄榄岩，410km以下橄榄石不稳定，被主要为尖晶石和单斜辉石与石榴子石的组合的岩石所取代，即尖晶石与榴辉岩，410~660km也被称为上地幔过渡层，存在较高的速度梯度，可能相当于一个榴辉岩到石榴子石的相当宽缓的发热相变带，也可能是钙钛矿出溶带。

660km是一特别急剧的成分转换面，以下化学性质和物理性质都有重要变化，被密度更大的钙钛矿的物质所取代。

660km深度的化学和物理性质的变化引起地震波不连续，从而将地幔划分为上地幔和下地幔。

虽然对上下地幔之间界面性质仍存在化学界面及相变界面之争，但都认为这一界面会引起层状对流产生，由此提出层状对流模型。

研究表明，化学界面由化学成分差异产生3%的密度差就足以引起层状对流，而相变界面由于吸热或放热产生的温度差也会引起层状对流。

层状对流模型可以更好地解释地表资料的复杂性，特别是层状对流模型使地球的散热大大减慢，因此成为现在推崇的推动板块运动的地幔对流模型。

三、板块运动的开合旋回——威尔逊旋回

以洋中脊为对称轴对称发育的海底磁异常条带、随着远离洋中脊越来越老的对称的大洋年龄分布以及相对大陆来说大洋的年龄较年轻这些事实使人们确信大洋有生长也有消亡，是变化着的，同时也引发了对大洋起源的进一步思考。

威尔逊从板块运动的观点出发，把大洋的演化归纳为六个阶段，即威尔逊旋回

阶段

实例

主导

运动

特征形态

典型火山岩

典型沉积

变质

作用

I.胚胎期

东非裂谷

抬升

裂谷

拉板玄武岩溢流，碱性玄武岩中心

少量沉积作用

可忽略

II.幼年期

红海、亚丁湾

扩张

狭海（有平行的海岸及中央凹陷）

陆架与海盆沉积，可能油蒸发岩

III.成年期

大西洋

有活动洋中脊的洋盆

拉板玄武岩溢流，碱性玄武岩中心，但活动集中于大洋中央

丰富的陆架沉积

少量

IV.衰退期

太平洋

收缩

环绕边缘的岛弧及毗邻海沟

边缘的火山岩及花岗闪长岩

大量源于岛弧的沉积物

局部

广泛

V.终了期

地中海

收缩并抬升

年轻山系

大量源于岛弧的沉积物，但可能有蒸发岩

VI.遗迹

（地缝合线）

喜马拉雅山的印度河线

红层

威尔逊旋回之陆间裂谷阶段

威尔逊旋回之被动陆缘阶段

被动陆缘阶段示例-大西洋

威尔逊旋回之俯冲阶段

碰撞造山作用阶段

第三章岩石圈研究进展

——超越板块构造

一、岩石圈的纵向和横向不均一性

1、岩石圈的纵向不均一性

•对岩石圈的经典理解

——刚性的固体板块

•超深钻和地球物理探测发现：

a、岩石圈存在垂向的分层性

构造证据：

不同规模、不同层次的层间滑动断裂，如变质岩区普遍存在的顺层韧性剪切带（一定层次）、固态流变构造、大型伸展剥离断层和逆冲推覆构造

地球物理证据：

广泛存在低速层和高导层。

大陆岩石圈存在“三明治”结构。

2、岩石圈横向的不均一性

•不规则的多边形结构（陆块构造）

多级次（10-8~108）的强变形带围绕弱变形域而构成的网结状构造。

•壳内低速层的不连续

•全球统一的软流圈是否存在？

岩石圈之下的软流圈一般为低速层，但有些大陆没有观测到软流圈的低速层。

岩石圈纵横向上的不均一性的发现其意义在于：

•大陆构造是极为复杂的，其成因机制也是复杂的——提出了大陆动力学的研究方向

•对经典板块构造理论提出了质疑

•壳内高导低速层的解释

•显生宙盖层与结晶基底的界面

•上地壳的低速层与含水和岩石破碎有关——来自俄罗斯科拉半岛超深钻的观测资料

•下地壳中包含的沉积岩层

•地壳深处水平层状的物质流动层

•下地壳的部分熔融岩浆

二、岩石圈的力学性质—岩石圈的流变分层性

•传统的岩石圈流变学分层性

均一的地壳

——以石英为代表的流变学行为

均一的上地幔

——以橄榄石为代表的流变学行为

新探测研究发现：

•大陆岩石圈的地壳层中和上地幔内部均发现有明显的低速层存在，结构复杂。

•超深钻钻探表明，地壳内部可能不存在康拉德面（硅铝/硅镁）－－－科拉半岛设计15km，钻至11.5km结束，仍为TTG而不是“玄武岩层”

•三明治式的多层流变模型

存在一个或多个塑性强度低的或不能干的层分隔开具有脆性破裂特征的强度高或能干的层。

这种三明治式的多层流变结构是地壳（岩石圈）厚度、岩石学特征、温度等物理状态的函数。

Ranalli和Murphy

（1987）建立的七种岩石圈流变学剖面模型

三、岩石圈的成分结构

陆壳成分结构的传统认识

对陆壳成分结构的新认识

（主要针对下地壳成分）

大陆岩石圈成分的不均一性

大陆岩石圈的组成和物性变化很大，缺乏一个共同的成因方式，大陆岩石圈的组成上部是由非均一成分和具有复杂构造和热演化史的不同块体拼合而成，因而它们具有不同的强度。

大陆下地壳的性质因地而异，不同的性质造成了复杂多样的效应与结果，诸如活动断裂带的宽度、造山带高度、沉积盆地以及被动大陆边缘的下沉速度的差异等.

四、超越板块构造

（BeyondPlateTectonics）

超越板块构造产生背景

•对大陆地质的研究，大批的高精度定量数据的涌现和相关理念的长足进步，例如：

Ø

地表位移：

以全球定位系统（GPS）和合成孔径干涉雷达（InSAR）为手段的大地测量技术

深部结构：

地震层析技术

时间约束：

精确的热年代学测年技术和宇宙成因同位素测年技术等。

2.作为地质科学带头学科的构造地质学面临着新的发展机遇，出现一些新的学科生长点：

大陆地质构造理论的创新（涉及造山带形成的深部机制,力学过程,地壳和岩石圈地幔结构等）

大地构造与人类居住环境关系（比如,构造与气候以及地球表面过程相互作用关系）的研究

大地构造演化对生物演进的制约研究

地震发生与长期地壳构造变形的关系研究等.

3.大陆地质研究的深入对传统板块构造理论在解释大陆地质方面提出质疑和挑战.比如：

两个大陆间的大洋板块俯冲消减之后,两相碰撞的大陆块体的地壳部分和其深部会采取什么方式继续造山活动

深部过程和拆沉与底侵作用在大陆造山过程中的效应

大陆中、下地壳的相对强度

大陆变形所采取的力学方式及物理化学机制

因此，美国的一批构造地质学家和大地构造学家根据地球科学发展的潮流,于2002年9月在美国科罗拉多州丹佛市召开了题为“构造地质学和大地构造学的新航程（Newdeparturesinstructuralgeologyandtectonics）”的构造研讨会.在此次研讨会中,美国构造地质学家和大地构造学家在相继提出大陆动力学和21世纪地质科学基础研究的机遇等基础上,首次明确指出板块构造理论模式不适合于大陆地质,并提出超越板块构造（BeyondPlateTectonics）概念。

提出当代构造地质学所面临的4个重大课题（超越板块构造研究的方向）

（1）板块构造:

流变学与大陆造山作

用;

（2）丢失的联结:

从地震到造山作用;

（3）大地构造、气候和地表系统的动

态相互作用;

（4）地球和生命的协同演化

大陆构造研究中几个需要思考的方面

（一）　大陆板块与大洋板块的物性差异

1、大洋岩石圈板块呈刚性特征,而大陆岩石圈具有非刚性特征,相对于大洋岩石圈板块,大陆岩石圈板块在强度上要软弱一些.

2、相对大洋板块而言,大陆岩石圈的组成和物性变化很大,不像大洋板块具有上述物质组成的相对均一性,大陆岩石圈的组成缺乏一个共同的成因方式.大陆岩石圈的组成上部是由非均一成分和具有复杂构造和热演化史的不同块体拼合而成,因而它们具有不同的强度.大陆下地壳的性质因地而异,不同的性质造成了复杂多样的效应与结果。

（二）大陆下地壳与地幔的相对强度

目前,地壳和地幔的强度对岩石圈性质所作的贡献的相对大小仍不清楚.软弱的和富含流体的下地壳的想法在过去15年间主导了大陆构造研究.即大陆岩石圈的“三明治”或“五明治”结构。

然而,现在新的研究认为大陆岩石圈是由软弱的中地壳和强的下地壳组成,并且下地壳的强度可能超过其下伏的地幔。

这些论点是基于由地震分布和地形负载的弹性厚度作出的推断。

因为缺乏其他佐证,这样的推断是间接的并具有假定性。

（三）大陆变形的流变学特点

由于大陆与大洋板块力学性质的差异,导致了它们构造变形的不同.大洋板块表现了在俯冲带的相对单一的消减作用,采取的主要是刚性的变形方式.而大陆的非刚性特点,造成了宽广的大陆造山带内广布式变形和内部构造,主要表现为流变学行为与方式.除了考虑介质材料的力学性质之外,流变学研究将时间因素引入变形力学.从广义上讲,流变学包含了所有随时间变化的变形力学.而流变学行为即是在时间因素起作用的条件下的变形方式.在应力保持不变的的条件下,变形强度随时间增强.这一变形的力学方式是大陆与大洋板块变形的最大不同。

两种可能模型：

1、大陆地幔岩石圈相对强硬,因此它以板块形式消减,而软弱的、具浮力的地壳被遗留在后形成加厚的造山带

2、地幔岩石圈的行为的更像流体.地幔回流可能卷入了一个稳定的对称或非对称的下降流,或者幕次式的水滴状回流。

陆—陆碰撞的不同地幔回流方式的数字模型

•大陆岩石圈地幔以板块方式俯冲消减;

•具有幕次式的水滴状脉动的对称回流.

变形轨迹网络显示聚集主密度,箭头表示相对速度矢量

　（四）大陆变形中的流体作用

大陆变形中的流体作用值得重视,因为大陆岩石圈与流体和熔体的相互作用可以大大改变其流变学结构,而我们对流体存在的效应和作用过程还知之甚少.实验研究表明矿物中微量含水组分对改变岩石圈流变学行为的重要性。

极少量的水都会对岩石的延展性和摩擦力产生作用。

如：

发育完整的走滑断裂（如圣安德列斯断裂）的内部各带要比典型的地壳岩石软得多,而断裂带内流体压力的增大是这种软弱性的可能原因。

脆-韧性过渡变形似乎与断裂作用中的流体作用密切相关,这种关系体现在影响断层和寄主岩石的正负膨胀变形机制上。

颗粒粒度减小和岩石与断层泥的混合改变了断层寄主系统的渗透性。

流体迁移影响颗粒接触部位的溶解、运移和胶结物的沉淀。

（五）构造—沉积—地貌—气候协同演化研究

构造地质学－沉积学－构造热年代学－构造地貌学－气候学的紧密结合

美国：

“构造地质学和大地构造学的新航程（Newdeparturesinstructuralgeologyandtectonics）”构造研讨会中确定的超越板块构造研究的4个重大方向之一