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了解地球演化与地壳活动

时间:2023-08-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:地质学家研究地球演化的一个重要任务就是要查清一个地区的大地构造位置和演化历史,可以知道岩石圈及地表地貌变迁、地震活动、矿产资源形成的原因和发展过程。截至目前,有20多种关于大地构造运动方式的假说。这一学说把来自沉积建造、岩浆活动和构造形变等不同领域的大量实际资料综合成统一的理论,主导全球区域地质构造和地壳演化的研究及地质找矿工作。按照这一学说,官鹅沟国家地质公园所在的秦岭地区被称为活动海槽。

了解地球演化与地壳活动

我们生存的地球表面由大陆和海洋组成,大陆和海洋内部都有山脉、盆地、平原等地貌形态。在地质历史时期,这些地貌形态都是变化的,或自行消亡,或相互转变。特别是在大陆和海洋交汇的部位,我们称之为大陆边缘地区,这种变化更加复杂和强烈。这种地表地貌形态的变化,是和地壳深部的物质成分、组成方式、物理化学性质息息相关的。地壳深部是个泛指的概念,一般是指从地表到地下60~120 km深度的范围,即地球的地壳到上地幔顶部的范围。地球的这部分我们称之为岩石圈,是现代地球科学研究最详细的部分。在不同地区,岩石圈厚度不均匀,平均厚度约100 km。一般而言,大陆地壳的岩石圈厚度大于海洋地壳的岩石圈厚度。

通常地质学家所说的大地构造,就是研究地区的岩石圈成分、组成方式及变化过程等方面的特征汇总。通俗地说,就是要了解一个地区的地表地貌形态及变化历史。地球形成以来,经历了几次持续几亿年的地表地貌即大陆、海洋位置的巨大变迁,也就是超级大陆的形成和破裂、分离再到拼合的过程。在这些变化过程中,一个地区要么处于大陆环境,要么处于海洋环境,或者处于两者的过渡位置。我们根据这一地区保留下来的岩石、地层、古生物化石等,就可以判断它们当时所处的位置,这个位置就是地质学家所说的大地构造位置。这种位置在地质历史时期是可以变化的,如根据美国地质学家Scotese反演的三叠纪时期全球海陆分布图,官鹅沟国家地质公园所在的西秦岭地区,位于北半球低纬度地区,处在华北(North China)和华南(South China)之间的汪洋大海中(图3-2),经过3000万年的演化,现在这里是陆地(图3-3)。

如果我们根据古生物、同位素地质年代等证据,把岩石、地层的年代搞清楚,按照时间演化序列,从老到新把不同时间的大地构造位置进行梳理,就可以知道这个地区的岩石圈变化历史,这个历史就是大地构造演化历史。地质学家研究地球演化的一个重要任务就是要查清一个地区的大地构造位置和演化历史,可以知道岩石圈及地表地貌变迁、地震活动、矿产资源形成的原因和发展过程。

图3-2 早三叠世(距今237 Ma)时期全球海陆分布图(Scotese,2009)

英文注释:Early Jurassic早侏罗世;195 Ma距今195百万年;Early Triassic早三叠世;237 Ma距 今237百万 年;Pacific ocean太 平 洋;North America北美;South America南美;Africa非洲;Gondwana冈瓦纳大陆;India印度;Australia澳大利亚;Andes Mts安第斯山脉;Proto-Andes Mts原安第斯山脉;Cimmeria辛梅利亚大陆;Gulf of Mexico墨西哥湾;Central Atlantic ocean中大西洋;LAURASIA劳亚大陆;Ural Mts乌拉尔山脉;Malaya马来半岛;Europe欧洲;Siberia西伯利亚;Amurian seaway阿穆尔海道;Turkey土耳其;Iran伊朗;Tethyan trench特提斯海沟;Tethys ocean特提斯洋;Paleo-Tethys ocean古特提斯洋;Tibet青藏高原;North China华北;South China华南;Indochina中南半岛;Southeast Asia东南亚;ancient landmass古陆;ancient landmass现代陆块;Subduction zone(triangles point in the direction of subduction)俯冲带(三角形指向俯冲方向);Sea floor spreading ridge海底扩张脊。西秦岭大致位于图右侧North China和South China之间。

图3-3 早侏罗世(距今195 Ma)时期全球海陆分布图(据Scotese,2001)

(图中英文注释见图3-2)

由于岩石圈处于地下,我们除了利用地表出露的岩石来研究以外,对于深部,地质学家主要利用地球物理和地球化学的方法来研究。地球物理方法是利用地球岩石的物理性质,如导电性、磁性、重力性质及其变化,以及人工地震资料来研究深部物质的变化;而地球化学方法主要利用岩石的化学成分及其变化来研究深部物质的变化。目前能够获得的大多数资料都是间接解释得到的,因此,我们对于岩石圈深部物质组成、变化过程,以及它们导致的岩石圈作为一个块体的变化,即垂直方向、水平方向的变化的认识,是根据观测到的地质现象、地球物理数据来进行推断的。因而,对于大地构造运动的方式,就有不同的假说和学说。截至目前,有20多种关于大地构造运动方式的假说。这些假说和学说,由于受当时观测条件、研究手段的限制,以及分析问题的方法不同,都有一定的局限性。(www.xing528.com)

从地质学的发展历史来看,有两种学说占主导地位。一种是强调岩石圈的垂直运动,由美国地质学家霍尔(John Hall)在1859年提出,并经美国地质学家丹纳(James Dwight Dana,1813—1895年)于1883年完善。他们把大陆地壳分为活动的地槽、稳定的地台及两者的过渡带。这一学说把来自沉积建造、岩浆活动和构造形变等不同领域的大量实际资料综合成统一的理论,主导全球区域地质构造和地壳演化的研究及地质找矿工作。槽台说是20世纪60年代以前近百年时间占有绝对统治地位的学说,因此被称为经典大地构造理论,深刻地影响了地质学的各个领域。按照这一学说,官鹅沟国家地质公园所在的秦岭地区被称为活动海槽。

20世纪60年代以后,由于大洋深部的探测活动,包括磁异常条带的发现,出现了新的大地构造学说——板块构造学说。它强调岩石圈的水平运动,认为全球可以分为6大板块:欧亚板块、太平洋板块、美洲板块、非洲板块、印度板块和南极洲板块。这些板块可以发生相对的离散、漂移、俯冲和碰撞过程。这些变化决定着地球海陆变迁、山脉-盆地及矿产资源的分布等。这些作用常发生于板块边界,即板块之间的接触带。板块边界是板块划分的重要依据,也是板块构造研究的重要位置。板块边界有三种类型:离散型、聚敛型、剪切型。

离散型边界:岩石圈板块沿该边界向两侧发生分裂和扩张,导致地幔物质涌出,产生洋壳和岩石圈地幔,常出现巨量的玄武岩堆积、频繁的浅源地震、广泛的地堑断裂活动。因此,它属于生长型板块边界,如大洋中脊和大陆裂谷带。

聚敛型边界:两个相邻板块做相向运动,是消减型板块边界。消减方式有两种:俯冲聚敛和碰撞聚敛。俯冲聚敛是密度大的板块俯冲潜没于密度小的板块之下,一般说的海沟就是俯冲聚敛边界,如马里亚拉海沟就是太平洋板块向菲律宾板块俯冲的边界。俯冲聚敛边界导致大洋板块沿着俯冲带朝另一板块(大洋或大陆)之下逐渐潜没消亡。在俯冲带及其附近发生强烈的挤压变形、地震活动和动力变质。在俯冲带上盘,俯冲板块在深部被熔融成岩浆,岩浆上涌引发火山喷出和岩浆侵入作用,形成岛弧(山弧)。碰撞聚敛是两个大陆板块的碰撞焊接,故这种边界又称缝合带、碰撞带。当大洋板块俯冲殆尽时,与大洋板块紧密连接的大陆板块就会在大洋板块即将消失的边界处(地缝合线)与边界上盘的大陆板块发生强烈碰撞,产生巨大挤压应力,形成高耸的山脉,如喜马拉雅-阿尔卑斯造山带。

剪切型边界:即转换断层型边界,常常出现在扩张洋脊。沿此类板块边界既无板块的增生,也无板块的消减,而是相邻两个板块在转换点之间沿陡立界面的剪切错动,这种错动也诱发地震,导致变形与岩浆作用。

西秦岭地区经历了比较复杂的板块构造演化过程,其中有很长的时间处于大陆边缘位置。因此,要完全理解西秦岭地区构造演化及官鹅沟峡谷成因,还需要了解大陆边缘的知识。大陆边缘是大陆与大洋的过渡地带,有两种类型:一类为稳定大陆边缘,另一类为活动大陆边缘。

稳定大陆边缘又称被动大陆边缘,其特点是大陆与大洋呈连续过渡关系,没有海沟,地震活动与岩浆活动也都少。一般由四个单元组成,即大陆架、大陆坡、大陆隆和大洋盆地(见图3-4)。其中大陆架是从大陆向外海倾斜的平缓平台,海底坡度平均约0.1°,最大宽度可达1300 km,平均宽75 km,最大水深200~500 m。大陆坡是大陆架向外海延续的部分,其海底倾斜度3°~6°,是海底地形的显著转折带,宽度为数十到数百千米不等,基部水深为1400~3200 m。大陆隆也叫大陆麓、大陆裙、大陆基等,位于大陆坡脚以下,向大洋一侧过渡为深海平原。坡度较大陆坡和缓,一般小于1/400。宽度从数百到近千千米不等,最大深度达1000 m,是沉积物堆积较厚的地区。大洋盆地位于陆隆之外,大洋盆地中的平坦地区称为深海平原。其地形坡度<1/1000,是固体地球表面最平坦的地区,也是海水最深的地区,一般水深为4600~5500 m。官鹅沟地区在三叠纪处于被动大陆边缘位置。

图3-4 稳定大陆边缘与海底地形

活动大陆边缘又称太平洋型大陆边缘、主动大陆边缘,是具有海沟-岛弧-弧后盆地体系的大陆边缘。典型的活动大陆边缘从大洋到陆地有如下结构:大洋-海沟-消减杂岩-弧前盆地-弧内盆地-褶皱冲断带-弧后盆地,不同部位的主导作用不一样。活动大陆边缘是地球上火山和地震最活跃的地区,也是地球上地形高差最大、热流值变化最急剧、重力负异常最显著的地带,因此活动大陆边缘具有独特的沉积、构造、岩浆和变质作用过程。在活动大陆边缘,大陆架与大陆坡均很窄,缺失大陆隆,海沟是横剖面呈不对称“V”字形的狭长凹地,近洋侧缓,近陆侧陡,水深均超过6000 m。海沟中多堆积泥砂质沉积物,其厚度各处不等。岛弧由一系列呈弧形展布的岛屿组成,岩石以安山质熔岩及相关的侵入岩为主。山弧由一系列呈弧形展布的山脉组成,与大陆直接接触,也是现代火山与地震活动最强烈的地带。组成山弧的主要岩石是安山岩类。弧前增生楔位于岛弧或山弧与海沟之间,由大洋地壳的碎片(蛇绿岩套)、浊积岩以及一系列与俯冲带平行的逆断层组成,剖面上呈上大下小的楔形。大洋板块沿海沟俯冲过程中,部分洋壳物质,如厚大的海沟浊积岩以及下伏的超镁铁-镁铁岩通过铲刮逆冲,不断增生到大陆边缘,从而形成增生楔。弧后盆地和边缘海是与岛弧紧密相伴的海盆地。通常情况下,基底为陆壳的称弧后盆地,基底为洋壳的称为边缘海。

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