03-第三章-大地构造和地球动力学主要假说

第三讲地球动力学假说一、地球收缩与膨胀说二、地球脉动说与自转说三、重力分异说与重力作用说四、地幔分异说与对流说五、热点地幔柱说六、陨石撞击说Howdomountains,basins,continentals,andoceansorigin?

地球动力学总体可归结为5大系统

重力系统膨胀-收缩与脉动系统地幔分异与对流地球自转星际作用总论地球动力学——研究地球及其组成分运动、变形动力学过程，探讨地球运动和演化规律的科学过去一百年各种学说不胜枚举，迄今没有一种地球动力学模式（型）是完善的地球动力学合理性满足3个条件（马宗晋，2003）：1）对全球构造特征及其空间分布、构造演化作出解释；2）动力学因素即有足够能量，又能解释地球变形场特征；3）符合物理-化学原理和地球内部物理化学性质趋势与思路：多种因素、综合分析、资料和技术积累一、地球收缩与膨胀说A、收缩说（Contractiontectonics）源于皱缩苹果与冷却地球的直观对比Becauseofcoolingandcontracting,theearth’scrusthasgraduallybeencompressed,formingmountainrangesfulloffoldedandfaultedstrata,justasskinofdriedapple.一、地球收缩与膨胀说A、收缩说（Contractiontectonics）主要动力:受康德-拉普拉斯太阳系起源影响：地球早期（炽热气体）——从内向外逐步冷却（熔融状态）——进一步冷却（形成铁质核及硅质幔）——幔部冷却向外凝固、传导冷却——上部地壳为保持平衡而褶皱形成山脉由于大陆和大洋收缩量差异，任何造山效应都是在大陆大洋交接部位表现最为突出一、地球收缩与膨胀说A、收缩说（Contractiontectonics）JamesDana（1813--1895）：大洋是冷却收缩下沉而成的，在收缩程度不同的块体的交接部位会出现裂缝、褶皱隆起和抬升。JohnPratt(1809--1877)：解释重力异常，认为山脉是较热的部分，密度较小；而海盆是较冷的部分，密度较大，由于热量分布不均匀，致使地球表面不均匀收缩而形成山脉。收缩说存在问题：固定论、认为全球应力场都相同、无大规模水平运动一、地球收缩与膨胀说A、收缩说（Contractiontectonics）JamesDana（1813--1895）：大洋是冷却收缩下沉而成的，在收缩程度不同的块体的交接部位会出现裂缝、褶皱隆起和抬升。JohnPratt(1809--1877)：解释重力异常，认为山脉是较热的部分，密度较小；而海盆是较冷的部分，密度较大，由于热量分布不均匀，致使地球表面不均匀收缩而形成山脉。收缩说存在问题：固定论、认为全球应力场都相同、无大规模水平运动一、地球收缩与膨胀说B、膨胀说（Expansiontectonics）基本动力因素：

地球不断在膨胀（F.Bacon,1620提出)基本原理：假定地球由若干圈层组成；顶层——地壳，下部为膨胀层，造山作用发源于膨胀层，所产生的应力使得地壳屈服——解释岛弧和海沟形成及造山要素之间联系Hilgenberg(1933)地球膨胀——硅铝质地壳

拉张破裂——大陆裂解、大洋形成一、地球收缩与膨胀说B、膨胀说（Expansiontectonics）Gilikson(1980)根据前寒武纪硅铝质和硅镁质地壳组成与比例，提出自40亿年，地球半径增加40-50%Carey(1976)认为大陆漂移、海底扩张、裂谷作用归因于地球膨胀扩张，地球膨胀具有非对称性，南半球膨胀显著，陆块向北运动一、地球收缩与膨胀说B、膨胀说（Expansiontectonics）地球膨胀的动力学机制：1）热效应：2）气球内部物质化学变化或相变3）万有引力常数减小问题：地球膨胀能量——地球内部无法满足

万有引力系数减小——获得的能量也不足膨胀动力学机制无法解决！——不可能有大的膨胀研究仍在进行：Owen(1992)——根据海洋地球扩张和地质数据，提出过去200Ma地球膨胀20%Kremp(1992)——核幔边界温度差异（200°C），提出过去200Ma地球为现在的60%二、地球脉动说与自转说A、脉动说——膨胀和收缩交替出现基于膨胀说和收缩说，提出地球是收缩和膨胀脉动式的膨胀期：地壳受到引张——大规模的隆升和凹陷，裂谷与岩浆喷发收缩期：地壳受到挤压——褶皱山系形成、岩浆活动特点：解释了地球周期性运动规律，将隆升剥蚀、沉降、沉积结合在一起问题：膨胀收缩的动力学机制问题无法解决二、地球脉动说与自转说A、脉动说脉动说由W.H.Buchener（1933）提出，一直受到关注改良KPONOTKH(1989)

提出了一个将脉动说与壳下流、大陆活动论结合起来的地球动力学模式。按此观点，当地球收缩和膨胀交替时，收缩效应集中在一些带上，而膨胀效应集中在另一些带上.问题：膨胀收缩的动力学机制问题无法解决二、地球脉动说与自转说A、自转说岩石圈构造变形主要受地球自转惯性能和地球自转速度的变化所控制。地球自转说强调:在地壳不同层——具有不同的运动方式，存在纬向和经向的水平错动沿经向的水平错动——把地壳上层物质从高纬度向低纬度推动的趋势；沿纬向的水平运动——有把大陆向东、西两方面分裂，使大陆边缘挤压成为雄伟的褶皱山岭的趋势。造成这些趋势的原因，是地球自转速度的变化。A、自转说李四光（1973）：地球角速度增大引起大规模的构造运动，运动之后角速度减小。跟不上基底往东加速前进的大陆表层部分出现向西错动的趋势。例如南、北美洲就可能是这样的大陆块，由基性岩组成的比较坚硬的太平洋底可能阻挡了南、北美洲向西运动，以及在这两个地向斜中隆起的褶皱山脉很可能就是这种作用形成的。Doglioni(1990)：从地球自转的角度对板块运动解释：

1）岩石圈与下伏地幔（软流圈）间的差异，可能是板块运动变化的原因；2）岩石圈和软流圈之问存在一滑脱带，其深度与软流圈顶部的低速带一致。3）岩石圈和软流圈之间去耦作用的差异，可以解释所观测到的板块边界的变形。4）全球性滑脱面上板块有不同的运动速度，才产生了板块之间的分离和碰撞。裂谷与挤压带大致与流线垂直，张扭或压扭地区与流线的总走向斜交；新生代裂谷带的伸长轴和山链的缩短轴与全球的流线一致。A、自转说Meyerhoff等(1992)列出了朝东定向的构造现象：①火山弧和弧后盆地集中在西太平洋，弧形指向东方；②位于加勒比海的火山弧都有弧后盆地，是另外两个凸面朝东的火山弧；③大陆内的火山弧沿太平洋东缘分布；④SN向沉积盆地沉积中心向东迁移；⑤

SN向褶皱带作用时间向东迁移A、自转说地球自转说局限:地球自转速度变化而引起的构造应力值为几个帕，这样小的应力也许能使一些共轭剪切节理发生重新活动或者在特定条件下诱发地震，但不可能引起大规模固体岩石圈变形(王仁等，1979)。三、重力分异说和重力说A、重力分异说机制：放射性热作用，地壳下层物质熔化、重力分异，轻的物质上升、重的物质下沉，形成垂直流，引起地壳的垂直运动。由于不同深度的温压条件不同，分异作用的发展是多层的：浅层分异作用：较强、较快，导致地槽剧烈运动；深层的分异：较为缓慢，导致地台缓慢运动。浅层分异作用开始早结束也早，使地槽转化为地台；深层分异作用继续进行，使已稳定了的浅层局部重新活动，产生地台活化现象。在重力分异过程中，随着热能的变化构成一个构造旋回。固定论：垂直运动为主三、重力分异说和重力说A、重力作用说马杏垣(1987)：重力作用导致岩石圈-软流圈重力失稳，会产生势能驱动全球板块的水平运动。特点：把地球的垂直运动与水平运动联系在一起，解释局部水平位移和构造形变问题：1）重力失稳难以解释地表大规模的水平运动，因为地表的水平位移量远远地大于垂直位移量。2）重力不是构造作用的起始原因。重力滑动构造基本组成：下伏系统（即原地系统）、润滑层、滑面、滑动系统、前缘推挤带。下伏系统：主滑动面以下的岩系，为重力滑动构造的基底润滑层：下伏系统与滑动系统之间润滑作用的软弱层滑面：滑动岩系藉以滑动的破裂面或断层面滑动系统：滑面之上进行滑动的岩系前缘推挤带：滑动系统外缘形成的挤压带１．滑动系统分带性：后缘拉伸带：滑动系统发生并起始运移带，以拉伸为主，形成倾向与滑向一致的正断层、地堑、地垒。中部滑动带外缘推挤带：以紧闭倒转至平卧褶皱及叠瓦式逆断层为特色。重力滑动构造的构造样式（1）滑褶型是由一系列褶皱组成，但褶皱轴面定向倾向后缘A、向一个方向倒转，根部构造简单，褶皱开阔，发育正断层系，前缘褶皱紧闭，发育逆断层系。B、根部发育重褶，中部褶皱较开阔，前缘褶皱紧闭、逆断层。C、后根部发育有下滑反褶皱构造。滑褶型三种构造样式（2）滑片型是由一系列相互叠置的铲状、勺状断层和叠瓦逆冲断层及共间所夹断片构造A—断裂为弧形曲面，互相大体平行或重叠，最高的滑面形成最晚；B—次级断裂多呈弧形曲面，与主滑面呈入字型关系，靠近根带的次断裂形成最晚；C—由一系列正断层组成的旋滑叠片型，新的滑片位于老滑片的前面，位移次序指向前缘；D—新的断裂切割老的滑片，新的滑片位于老的滑片之上或前面。E—倒序堆积。新新新新新四、地幔分异与对流说兰康(1962)提出深地幔对流说机制：地幔高温的热物质，由于地幔内部存在密度和温度的差异，导致固态物质也可以发生流动。1931年霍姆斯用来解释大陆漂移，但未被重视。随着板块学说的诞生，有人对地球演化期间热能产生和消耗情况的估算，地幔对流说为更多人所接受。据艾里亚马（Irigama，1977）估计，地球演化期间丧失的能量约2.9×1038尔格，其中地幔对流丧失能量2.1×1038尔格，占72.4%,热传导丧失的占27.5%，其余（0.1%）为火山、热泉等方式散失两种模式（1）深地幔对流模式，60年代，朗科恩提出对流发生在整个地幔。（2）浅地幔对流模式，60年代末-70年代初提出，对流仅发生在软流圈。四、地幔分异与对流说Wilson，(1970）、LePichon（1973)把板块运动与地幔对流假说相结合，提出了板块构造的第一个动力学机制——传送带模式机制：岩石圈板块的运动取决于深部地幔的对流环；板块被冷的、重的、向下运动的地幔所带动而产生俯冲作用，在热的、向上运动的地幔影响下造成洋底板块扩张，上部地幔的水平运动带动了板块的水平运移。——板块构造学说早期的重要论点。四、地幔分异与对流说对流环无法穿过地幔中许多相变分层，从而提出了岩石圈-软流圈对流、分层对流和热柱等对流模式。Wilson(1963)夏威夷群岛是洋底火山是热地幔向上运动、局部熔融在地表的表现（热点）软流圈对流传送带模式的弱点：地幔热点基本不动，岩石圈板块每年运移几到十几厘米；运动速度很小的地幔如何能带动速度较快的板块移动呢?2024/8/1727内核的快速转动

宋晓东等（Songetal.，1996）根据近30年来穿越地核的地震波研究，发现内核是不均一的，有很小的系统变化，使内核的对称轴比地球旋转轴每年向东偏移1.1

，其后苏维加（Suetal.，1996）认为内核的对称轴比地球旋转轴每年向东偏移2～3

外核旋涡，影响地磁场的形成演化和全地幔对流五、热点与地幔柱

（HotSpot

and

MantlePlume）热点（hotspot）热点：Wilson(1963)研究夏威夷群岛提出，是seamountain是热地幔向上运动、局部熔融在地表的表现（热点），火山从热点处移开并熄灭成为死火山，新的火山又在热点上方形成，形成了一串年龄定向分布的线状火山链。JohnTuzoWilson(1908-1993)热点（hotspot）热点的特征：Wilson（1973）热点的特征概括为1)上隆，基岩出露于海平面之上；2)上隆处有火山作用，产生碱性玄武岩和流纹岩以及海底拉斑玄武岩，它们有独特的同位素比值和地球化学特征；3)重力高和高热流热点形成的火山岛链它们比周围洋底高1-2km，形成一条长1000—2000km的异常地形高地。海山链中的海山，称之为洋岛，它主要由拉斑玄武岩组成，又称为洋岛玄武岩（OIB）。热点形成示意图夏威夷群岛火山链年龄与运动方向夏威夷火山链的走向记录了太平洋板块的运动方向，即在4000万年前为NNW向运动，最晚在2600万年以后转变为NWW向运动。1964：J.TuzoWilson–Asanindependentlineofevidenceforseafloorspreading,consideredHawaiiasahotspot,whosesourceisrelativelyfixed,anddeep,dapperthanthePacificplate,thisleavingatrailoftheHawaii-Emperorseamountchains.Hawaiian-EmperorChain运动速率全球热点的分布地幔柱（Mantleplum）1.地幔柱的提出：是摩根(Morgan，1972)为解释热点成因而提出的概念，是指地幔深处，甚至核—幔边界上产生的圆柱状上升的热物质流，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，激起软流圈的水平运动，从而可将地幔柱当作板块运动的驱动机制。Core认为Wilson（1963）所指的固定热地幔源区，实际上是一个产于地幔底部热边界附近的热幔柱，把炽热的圆筒状岩石类物质流，称之为地幔柱（MantlePlume，或译地柱、地幔羽、热柱、热幔柱、幔羽、幔柱、地幔热柱、地幔热流柱构造等）。Morgan（1972）指出:热点是地幔隆升和地幔柱上升的地点。地幔柱思想的产生，最初起源于热点假说。地幔柱（Mantleplum）上升的炽热地幔柱可把上覆岩石圈抬升，使地壳呈现巨大穹隆构造，当地幔柱冲破岩石圈则形成热点。因此，热点是地幔热柱在地表的反映，以火山作用、高热流和隆起为标志（Wilson，1973）。JasonMorgan‘s1971PlumeModelMorgan认为地幔柱源于接近地核的地幔深处，由于热不稳定而上升，直径约150km，移动速度相对较小，为火山作用提供热和火山物质，是板块移动的驱动力。地幔柱（Mantleplum）2地幔柱形态特征(White

etal.1989)：①热点底下有一个狭窄(150～200km宽)的中心热柱，它由温度异常高的上地幔物质组成②上涌地幔流在板块下散开，形成一蘑菇状头部，其温度比正常温度高100～200℃；③蘑菇状柱头的直径为1000～2000km；④地幔柱引起的岩石圈上隆幅度可达1～2km。3地幔柱的结构特征—巨大的球状顶冠+狭窄的尾部结构

在狭窄的通道中流体快速上升巨大的冠形柱头：深部的热浮物质难以快速上升、大规模运移，而大量堆积狭长的尾柱：高温、低粘度地幔物质沿已有通道可以快速上升。地幔柱顶冠大小与尾柱直径粗细取决于热柱与周围物质的粘性差，粘性差越大尾柱越细4地幔柱化学成分特征洋岛玄武岩（OIB)的化学成分可较好反映地幔柱化成成分。洋岛玄武岩富含大离子不相容元素，具有较高的87Sr/86Sr和143Nd/144Nd，反映地幔柱来源于富集地幔（下地幔）头部化学成分随捕获成分不断变化尾部成分基本近于源区成分5地幔柱的产生和运动1）地幔柱的起源位置热地幔柱的产生需要一个热的边界层，这样的边界层可能发生在2种（A、B）不同的认识：A—上、下地幔之间的热边界（670km）A：为分层对流，下地幔(D’’层)产生的地幔柱无法穿越B—核幔边界的D’’层富集型地幔、可以提供足够热源、能满足地幔柱头巨大规模（1000-2000km)上升：一个典型地幔柱从核幔边界到达地表需要100Ma，其相对运动速率为1mm/a地幔柱的形成6地幔柱与岩浆作用Griffiths（1990）实验表明，热物质呈球状上升，并以下部圆冠形尾柱与热物质源区相通。在岩石圈底部，地幔热柱顶冠可能形成约30—60km厚的部分熔融层，引发强烈的岩浆活动。岩浆热又使硅铝壳发生局部熔融，引发中酸性岩浆活动，形成构造—岩浆活动带。/wp-content/uploads/2012/07/Mantle_Plume_Model.jpeg地幔柱：较好的解释了热点、大陆裂谷与大陆岩石圈裂解、洋底高原6.地幔柱结构与岩浆活动地幔柱与大火成岩省（LargeIgneousProvinces,LIPs)大火成岩省：规模巨大的镁铁质喷出岩和侵入岩(CFB),包括大陆溢流玄武岩与侵入岩,如德干高原、西伯利亚溢流玄武岩6.地幔柱结构与岩浆活动地幔柱与大火成岩省（LIP)板块构造无法解释大陆溢流玄武岩成因Morgen（1971,1972）一开始就认识到全球范围内大陆溢流玄武岩与热点的对应性大火成岩省——是地幔柱巨大球状冠顶上升地表发生减压熔融的产物。大火成岩省与热点的对应性GlobaldistributionofLIPs地幔柱、热点与地表构造对大陆裂谷和火山岩的解释：裂谷发育于热点之上的热穹隆上，地幔柱中岩浆可以穿透陆壳，形成包括玄武岩、过碱性镁铁质岩和碳酸岩、过碱过铝性的长英质岩石等各种火成岩。对克拉通之上穹窿与构造盆地解释：当地幔柱之上为稳定的克拉通时，产生穹隆，形成高点；而在热点或高点之间，一般是较大的盆地，对应着深部的地幔下沉带。对海山、洋脊、大洋盆地的解释：大洋中线状火山岛屿或海山——大洋岩石圈在热点之上运动所形成的轨迹；而扩张脊和大洋盆地等，则是地幔热点之上大陆裂谷—大洋裂谷的发展与演化的结果。热点与地幔柱的分类——构造位置Wilson（1973）曾将热点分为：①南大西洋和东太平洋中脊其附近；②裂谷带有关的年轻热点；③海底的年轻热点；④已被掩盖的老热点。热点与地幔柱的分类——起源与演化Maruyama（1994）和Fukao等（1994）按起源深度分3类：以核-幔界面（2900km）上地幔底界（670km）岩石圈底界（100km）将地幔热柱划分为一、二、三级。从演化的角度，地幔柱又可分为4类：①初始阶段的地幔柱；②上升阶段的地幔柱；③作用于地壳的地幔柱；④衰退阶段的地幔柱。HawaiianIslandsHawaii=theclassicmantleplumethefoundationofmantleplumehypothesisButwhereisthemantleplumehead?TongaKamchatka?LouisvilleSMCHawaii-EmperorSMCAfterNOAAGeophysicalDataCenter堪察加岛弧和鄂霍次克海基底是夏威夷地幔柱头的产物.北斐济海台-汤加岛弧基底是Louisville地幔柱头的产物.Drilling,drilling!atidealsitesJOIDESResolution2024/8/1756~200Ma三叠纪

南、北美、非洲之间的地幔羽，

冈瓦纳的裂解？2024/8/1757白垩纪地幔柱和热点迁移峨眉山玄武岩大火山岩省（P2）

(LIP,largeigneousprovince)面积2.5·105km2,岩系厚度为2000~250m,附近上千千米范围内发生张裂,大范围异常地温梯度:金沙江37°C/km;澜沧江群44°C/km;墨江36~38.5°C/km;广西大容山52.6°C/km;十万大山49°C/km可能存在峨眉山地幔底辟(是目前中国大陆唯一被多数学者所公认的)，至今无地幔羽的证据？？？？峨眉山大火成岩省地慢柱作用的中心在云南大理至四川米易一带。茅口灰岩存在差异剥蚀：自西到东自南到北可分为：深度剥蚀带(内带)部分剥蚀带(中带)古风化壳或短暂沉积间断带(外带)连续沉积带地表最大抬升为一正态分布的曲线,抬升幅度自地慢柱中心向外围逐渐减小,且在地慢柱直径范围附近地表抬升曲线有一个梯度变化带。峨眉山玄武岩的下伏岩石为中二叠统茅口灰岩,上为上二叠统到上三叠统、侏罗系所覆盖ELIP年龄范围很宽：251～263Ma。范蔚茗等大规模快速喷发发生在253～256Ma

峨眉山玄武岩根部非地幔羽金沙江碰撞带绍兴-十万大山碰撞带峨眉山地幔底辟峨眉山大火山岩省喷出相（左）与侵入相（右）与矿床分布六、陨石撞击说陨石撞击假说(33±3)Ma的周期(Rampino，1984、1988)、规模巨大的陨击作用，造成陨击坑。巨大陨击坑——地表岩石发生破裂——质量亏损诱发深部地幔物质的上涌——形成浅源的地幔柱——大规模的岩浆活动(溢流玄武岩)，从而派生出放射状和环状的张性断裂——形成岩石圈板块裂开的三联点，推动板块向四周的水平运动(万天丰，1996；Wan，1997)。2024/8/1765巨大陨击诱发板块运动工作假说

（万天丰，2014）陨击事件的过程：太阳系穿越银道面，引力场突变，易发生陨击大洋中的陨击坑（直径-数百km，深度几十km）粉尘升空，气候异常（先局部热，后全球冷）磁极突然翻转海平面变化,地理环境巨变生物大量灭绝质量亏