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1、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
2、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normal fault和高角度逆断层reverse fault）。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
3、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（orogenic movement）。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(orogenic bel
4、t，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(orogenic belt)：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。
5、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
6、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
7、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：
8、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
9、保持不变；沉积相保持不变。,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。,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,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。,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
10、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（sedimentary association）：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
11、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(ophilite suit)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(Caled
12、onian)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(Old Alpedic)褶皱带（欧洲）燕山(Yanshanian)褶皱带（东亚）新生代褶皱带：新阿尔卑斯(Neo Alpedic)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
13、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(eu
14、geosyncline,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(continent drift),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）Alfred Lothar Wegener,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
15、象,1912年提出了大陆漂移的观点；1915年正式发表了“The Origin of Continents and Oceans”一文，明确提出了泛大陆（Pangea）概念和大陆漂移(Continent drift)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
16、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
17、。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,南方大陆石炭-侏罗纪时期沉积层序示意图,古气候证据：现代地球表面的主要气候分带（热带、温带和寒带）主要受地理纬度控制。如果说，各大陆的地理位置在地质历史中没有发生变化的话，那么在这些大陆上发现的古代沉积物所反映的古气候条件应该与现在这些大陆的气候条件相近。但是魏格纳发现许多事实与此假设不符,北半球中高纬度地区以及北极附近分布
18、有：大量的古代珊瑚礁和无年轮的植物化石形成的含煤沉积；许多古生代的蒸发盐类和红层沉积。大面积的古生代石灰岩沉积。这些在典型温带和热带气候条件下形成的沉积如何可以分布到这些中高纬度地区，甚至北极一带？,南方各大陆上广泛分布有石炭-二叠纪的冰川沉积；冰川的运动方向是从海洋向大陆内部流动。现代的冰川活动都是由陆地向海洋方向运动。,大陆漂移的观点提出以后，受到了当时地质学界和科学界传统保守势力的猛烈攻击。引起了地质学史上一次有关“固定论”和“活动论”的激烈辩论。Utter,damned rot!said the president of the prestigious American Philoso
19、phical Society.If we are to believe this hypothesis,we must forget everything we have learned in the last 70 years and start all over again,said an American scientist.,魏格纳的大陆漂移动力学机制：,在地球的自转作用下，大陆在洋壳上滑动，在大陆前进的边缘附近形成山脉。,除了门户偏见外，对大陆的漂移动力学机制解释是魏格纳大陆漂移说不被当时科学界认可的主要原因。玄武岩质的洋壳是刚性的；地球的自转不足以产生这样大的力量使大陆在刚性的洋壳
20、上滑动。,3）大陆漂移说的复活-古地磁研究的突破,i.剩余磁性(remnant magnetism)记录在岩石中的，反映岩石形成时地球磁场磁化作用的磁性。,根据岩石的剩余磁性特征（磁倾角和磁倾向）我们可以确定岩石形成时所处的磁纬度，进而计算地球磁场磁极的大致位置。,ii.视极移曲线(apparent polar wandering curves),从不同地区、不同时期形成的岩石中获得的古磁极位置不但与现在的磁极不一致，而且彼此也不一致。地质历史中地球具有多极性的磁场，还是磁极在发生移动？不同大陆上的极移曲线彼此不重合。,北美和欧洲的视极移曲线,极移曲线：一个大陆在不同地质时期地球磁场磁极位置的
21、连线,4）海底扩张（Sea floor spreading）,i.海底磁性大洋海岭两侧存在线状对称分布的地磁场强度异常。,瓦因和马修斯认为是地球磁场周期性反转的结果。,很快人们认识到这是海底扩张和地球磁极反转共同作用的结果。并且从深海沉积物的年龄分布方面也得到了验证。,ii.海底地貌特征,海山岛链的分布特征从洋中脊向外辐射,大洋中脊,死火山,活火山,年龄增大,火山岛链特征示意图,靠近洋中脊一端为活火山，远离洋中脊一端为死活山,iii.海底沉积物年龄现代大洋中的沉积物都是侏罗纪以来形成的；越老的沉积物越远离大洋中脊大洋沉积物都没有变形,海底扩张：海底断块相对于另一断块因地幔对流而相对运动。,依据
22、海底磁异常条带，科学家计算出了海底扩张的速率为1-10cm/年。并被现代的卫星观测结果所证实。,3 板块构造理论,1）板块构造理论的基本要点：全球岩石圈是由“漂浮”在软流圈之上的7个大板块和20多个小板块构成；在地幔物质热对流的驱动下，在洋中脊发生海底扩张，在岛弧海沟附近发生俯冲碰撞。海底扩张使板块之间发生相对的运动；板块的边界是地壳构造活动性强烈的地方。,板块划分,板块的识别,2）板块的边界类型,分离边界（divergent boundary）-大洋中脊汇聚边界（convergent boundary）-岛弧、海沟水平错动边界-转换断层（transformed fault）,板块的边界,地壳
23、运动,板块边界地壳的行为,分离（扩张）边界（divergent boundary）-大洋中脊,在大洋中脊处，通过地幔物质的上涌而形成海底扩张，使两边板块上的大陆相互分离，大洋不断扩大,汇聚（碰撞）边界（convergent boundary）-岛弧、海沟,在汇聚的边界，发生洋壳的俯冲消减作用，大洋不断缩小，最终使两边的大陆碰撞拼合，形成褶皱带。,消减俯冲-碰撞-褶皱成山,3)板块边界地壳的行为,洋壳-洋壳洋壳-陆壳陆壳-陆壳，碰撞褶皱成山缝合带（地壳缝合线）：板块碰撞后陆壳与陆壳的结合带蛇绿岩套：板块碰撞后陆壳缝合带内的洋壳残余地质历史中的褶皱带和地壳构造活动性：褶皱带是地质历史中的板块汇聚边界一个地区的大地构造活动性是由其所在板块边界的地壳行为决定的。,板块边界地壳的行为,板块边界地壳的行为,蛇绿岩套,板块边界地壳的行为,水平错动边界-大洋中脊附近的转换断层（transformed fault）,两个板块之间发生水平错动的运动,威尔逊旋回（Wilson Cycle）：在地质历史中一个板块从分离扩张到最后聚合碰撞的演化过程。,由褶皱带反映的地壳演化构造阶段实际是地壳板块威尔逊旋回的体现。,4.威尔逊旋回（Wilson Cycle）与构造阶段,
