北京大学-地史学3章-历史构造分析和全球构造体系

1、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断层类型断层类型1地层的变形和位移与地壳构造运动的地层的变形和位移与地壳构造运动的表现形式表现形式1）地壳运动基本表现形式及其在物质记录中的特征：）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

2、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）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

3、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 belt，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

4、和古生代以来的盖层沉积。造山带造山带 (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。 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） 2地壳构造运动与沉积记录的关系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。n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

5、征（山脉） -地壳构造活动强烈地区n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。n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。n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。n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。n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

6、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）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。2）沉积厚度与地壳的升降

7、幅度）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。 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。在理想

8、的情况下，沉积速率、沉积厚度和地在理想的情况下，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：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沉积速率、沉积厚度和地壳下降幅度之间的三种基本关系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

9、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与构造背景沉积组合沉积组合（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

10、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。n陆地稳定区陆地稳定区：n准平原-游移盆地湖泊碎屑沉积组合n内陆盆地-内陆盆地河湖相砂泥质组合n近海平原-近海盆地含煤碎屑组合n陆地活动区陆地活动区：n高大山系-山麓山间粗碎屑组合磨拉石n陆缘火山带-大陆火山喷发-碎屑组合n海洋稳定区海洋稳定区：n陆表海和陆棚海-滨浅海碎屑组合或碳酸盐组合n海洋活动区海洋活动区：n非补偿边缘海-非补偿边缘海炭质硅质组合n火山岛弧海-岛弧硬砂岩(greywacke)-火山喷发组合n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

11、理想化的蛇绿岩套模式n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n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 褶皱带与板块构造褶皱带与板块构造 -全球大地构造体系全球大地构造体系1褶皱带（造山带）与构造阶段褶皱带（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。n早古生代褶皱带：加里东(Caledonian)褶皱带n晚古生代褶皱带：海西(Hercynian)褶皱带n中生代早期褶皱带：n印支(I

12、ndosinian)褶皱带（东亚）n中生代晚期褶皱带：n老阿尔卑斯(Old Alpedic)褶皱带（欧洲）n燕山(Yanshanian)褶皱带（东亚）n新生代褶皱带：n新阿尔卑斯(Neo Alpedic)褶皱带（欧洲）n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：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 (Indosin

13、ian)（三叠纪） 燕山阶段 (Yanshanian) （侏罗、白垩纪） 喜马拉雅阶段 (Himalayan) （新生代）2. 认识山脉的成因认识山脉的成因-从固定论到活动论从固定论到活动论1）地槽地台学说简介）地槽地台学说简介地槽 (geosyncline)：冒地槽(miogeosyncline) 优地槽(eugeosyncline2）大陆漂移的兴衰）大陆漂移的兴衰i.大陆漂移说的提出大陆漂移说的提出 Suess和冈瓦纳大陆 （Gondwanaland）魏格纳 (Wegner)与大陆漂移大陆漂移 (continent drift)ii.大陆漂移说的证据大陆漂移说的证据大陆形貌的拟合古气候化石

14、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）大陆漂移的兴衰i. 大陆漂移说的提出大陆漂移说的提出魏格纳 （1880-1930）魏格纳复原的大陆漂移过程中龙是石炭-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。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-白垩纪玄武岩层红色砂岩层含舌羊齿植物化石的煤层和黑色泥岩沉积含中龙的页岩沉积冰碛层南方大陆石炭南方大陆石炭-侏罗

15、纪时期沉积层序示意图侏罗纪时期沉积层序示意图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。3）大陆漂移说的复活）大陆漂移说的复活-古地磁研究的突破古地磁研究的突破i. 剩余磁性剩余磁性 (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

16、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。 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连线4）海底扩张）海底扩张（Sea floor spreading）i. 海底磁性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。洋中脊平均磁场强度瓦因和马修斯认为是地球磁场周期性反转的结果。ii. 海底地貌特征海底地貌特征海山岛链的分布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

17、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）板块的边界分离（扩张）边界分离（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，大洋不断扩大在汇聚的边界，发生洋壳的俯冲消减作用，大洋不断缩