第四章板块与活动地块学说1.

武汉大学许才军《地壳形变》第四章板块与活动地块学说（一）《地壳形变》1、绪论2、地壳形变测量3、地球参考系与参考框架4、板块构造学说与活动地块学说5、地壳运动监测与数据处理6、地壳应力与应变分析7、连续形变、应变观测与数据处理8、地震活动的大地测量研究方法全球性板块运动板块构造学说地球的岩石圈分解为若干巨大的刚性板块即岩石圈板块，重力均衡地位于塑性软流圈之上，并在地球表面发生大规模水平转动；相邻板块之间或相互离散，或相互汇聚，或相互平移，引起地震、火山和构造运动。板块构造学说囊括了大陆漂移说、海底扩张说、转换断层、大陆碰撞等概念和学说，为解释地球地质作用和现象提供了极有成效的模式，是当代最有影响的全球构造理论。板块构造学说的发展和创立大致可分3个阶段：①1912年德国学者A.L.魏格纳提出了大陆漂移说，50年代古地磁的研究测得各地在地质时代中的磁极位置变化多端，用大陆固定论无法解释，采用大陆漂移说则可得到圆满解释，大陆漂移说随之受到重视。②60年代美国地质学家H.H.赫斯和R.S.迪茨提出了得到海底磁异常研究支持的海底扩张说，论述了地壳的产生和消亡，并获得深海钻探的验证。③1965年加拿大学者J.T.威尔逊建立转换断层概念并指出，连绵不绝的活动带网络将地球表层划分为若干刚性板块。1967～1968年法国人X.勒皮雄、美国人D.P.麦肯齐将转换断层概念外延到球面上，定量地论述了板块运动，确立了板块构造学的基本原理。转换断层（transformfault）转换断层与一般平移断层的区别在于：①平移断层的活动沿断裂带整个长度发生，而转换断层的错动则局限于脊轴之间的段落（图1中BC段），在与脊轴相交处错动骤然终止。②转换断层与平移断层的错动方向恰好相反，如图1所示转换断层为右旋，平移断层为左旋错动。③平移断层持续活动会使两侧脊轴之间的错开幅度越来越大，转换断层的活动却不能使错开幅度增大。地震资料表明，断裂带地震活动只发生于BC段，BC段以外则为断裂带被动段落（AB、CD段)。转换断层.exe转换断层是板块边界的一种特殊形式，是联结发散边界和汇聚边界的一种板块边界，它是连接洋脊(也称中脊)与洋脊、洋脊与海沟、海沟与海沟的走向滑动断层，断层错动在其两端突然终止，转换成洋脊的拉张或海沟的挤压板块构造运动板块构造学说认为相邻两板块之间的相对运动实际上是围绕通过地球中心的一个轴的旋转运动，通常用欧拉定理来表述。刚体绕某一固定点的转动可表示为绕过此固定点的某一瞬轴的转动。如果把地球看成一个球体，把球心看成强制在地球表面上运动的刚性板块运动的固定点，则这些刚体板块的运动可表示为绕过球心的某定轴的转动，这个轴即为欧拉轴。板块相对运动以某一板块为参考的板块运动，称为板块相对运动，包括两个参数：速度和方向板块平面运动是板块A相对于板块B的运动速度,是板块B相对于板块A的运动速度ABVBAVABVBAVjViVVyxAB=-板块相对运动sinru对于板块球面运动，已知两板块之间的相对运动的角速度和观测点相对于旋转极的角距离,则两板块相对运动的速度为：板块球面运动描述板块运动框架示意板块边界上的点相对运动速度矢量ijjiuuVrVijji)(iiiijjjjejiiiijjjnjiRRVRRV))cos(cossinsin(cos))cos(cossinsin(cos)sin(cos)sin(cos22ejinjiijVVVejinjijiVVarctg板块绝对运动相对于某一与板块无关的参考标架的板块运动，称为绝对板块运动绝对参考架（平中圈框架）的确定：相对于下层地幔平均位置固定的框架，即假设下层地幔是固定的，或至少其内部运动相对于板块运动小得多。实现途径：①Wilson-Morgan的热点假设：在地幔中存在一系列热点，其位置相对于下层地幔固定，板块相对热点的运动即为板块的绝对运动，这可通过测量跨越热点的火山链的年龄和长度得到；②岩石圈无整体旋转(No-Net-Rotation)假设：如果岩石圈与软流圈的耦合是侧向均匀的，并且板块边界的力矩对称作用于两个相邻板块，则岩石圈无整体旋转(或叫平均岩石圈)参考架就是相对于下层地幔不动的绝对参考架，相对于该框架的运动即为板块的绝对运动。全球板块运动模型建立板块运动模型的方法1、地质－地球物理方法a.热点假说建立板块运动模型是第i个火山传播速率或方位角，是第i个数据的模型估计值，它是该板块相对于热点旋转的欧拉矢量的函数，是第i个数据的标准差.22minobsprediiplatehsiddobsidpredidhsplateib.岩石圈无整体旋转参考框架（NNR）下建立板块运动模型观测量：1)相邻板块的相对运动速率观测值：包括海底扩张速率、汇聚速率和错动速率；2)板块相对运动方向的主要观测量为：转换断层方位角和地震滑动矢量。rVpqpqprqrpqppopomQ83rDFpm)(rrDFrT相对于岩石圈参考架整个地球的角动量为零0)(rrdADpppmp拖曳力力矩IQpp38对任一板块O，ompopm→)(pppSIAQ第P个板块的转动惯量张量设“板块”m代表下地幔，相对它的速度为板块的绝对速度D是拖曳系数板块相对运动NUVEL-1模型(G.J.I,1990,101:425-478)板块绝对运动NUVEL1-NNR模型(GRL,1991,18(11):2039-2042)板块绝对运动HS2-NUVEL-1模型(JGR,1990,17(8):1109-1112)NNR-NUVEL-1A,DeMetsC,GordonR,ArgusDetal.GRL,1994,21:21912、空间大地测量方法zyxrnerrrrrVV0coscossinsinsinsincoszyxGzyxxyxzyzVVV000sincos0sincossinsincoscoscoscossinsinexnyuzGVVVVVVxyzzyx/arctan/arcsin2/1222全球板块运动模型NNR-ITRF2000VEL协议地球参考系应遵循的一条标准是地球参考架定向随时间的演变要满足相对于地壳无整体(残余)旋转的条件,而（朱文耀等）发现ITRF2000参考架不满足无整体旋转的条件，推导出在构建ITRF参考架时满足无整体旋转的条件方程，建立了新的无整体旋转的全球板块运动模型NNR-ITRF2000VEL在构建ITRF过程中实现参考架无整体旋转1,用NNR-NUVELlA地质模型实现Tisserand条件2,基于全球板块运动模型的Tisserand条件3,ITRF2000全球板块运动模型及ITRF2000角动量和的计算朱文耀等，ITRF2000的无整体旋转约束及最新全球板块运动模型NNR-ITRF2000VEL,第33卷增刊SCIENCEINCHINA(SeriesD)用NNR-NUVELlA地质模型实现Tisserand条件相对于这个参考架整个地球的角动量为零:国际协议地球参考系的定义采用相对于地壳无整体旋转NNR-NUVELlA全球地质板块运动模型满足Tisserand条件,可以利用速度7参数转换公式将ITRF速度场转换到NNR-NUVELlA模型的速度场上，使ITRF满足Tisserand条件基于全球板块运动模型的Tisserand条件全球地壳共划分有14个大板块利用ITRF2000中的速度场计算板块的欧拉矢量小板块由于台站数量不够，欧拉矢量口不能直接确定，可近似利用NUVELlA相对地质模型结合已上述求出的绝对模型，利用左式间接获得这些板块的欧拉矢量构建ITRF过程中实现参考架无整体旋转应参加联合计算的条件方程式ITRF2000全球板块运动模型及ITRF2000角动量和的计算台站选择的要求ITRF2000定向核心站的分布板块运动的驱动力有关板块驱动机制讨论有三个观测上和理论上的问题：1)这一机制是否可以提供板块运动的机械能的消耗，如地震释放的能量，地幔粘滞耗散的能量等?2)是否可以解释板块内部和边界上的应力分布?3)是否可以提供一个运动的模式，而这一模式将由海底扩张来验证?关于板块运动驱动力的研究集中在两个方面：1)板块构造本身和热对流的研究，即板块主动驱动其自身运动论2)地幔对流驱动运动论1.12.2软流圈中的对流和流动可能驱动岩石圈板块运动的三种机制软流圈内的对流全地幔对流产生于核—幔边界的热柱及其在地表引起的热点地幔热对流活动地块学说1、断块、构造块体、活动地块的概念2、活动地块学说与断块、板块学说的区别3、活动地块、构造块体的相对运动分析断块及断块学说•断块学说由我国地质学家张文佑先生提出，他在1984年出版了“断块构造导论”（北京：石油工业出版社，1984.）断块观点认为：变形一般从褶皱到断裂，一旦产生断裂，便对以后的变形起决定性的控制作用。断裂形成常由剪切始而由拉张发展完成。因受力方式、边界条件等的不同，断裂常构成不同型式的组合，称之断裂体系。有三种最基本的断裂体系（X型、Y型和I型），五种断裂活动方式（纯挤压、纯拉张、纯剪切、剪切－挤压和剪切一拉张），按切割深度可分出四种断裂（岩石圈断裂、地壳断裂、基底断裂和盖层断层），此外还有不同深度上的层间滑动断裂。所谓断块，就是为不同深度的断裂所围限的块体。断块与板块的关系，通俗地说，断块是大陆上的板块，板块是最大一级的断块即岩石圈断块，是被岩石圈断裂围限的、以相应深度的层间滑动断裂为底界的块体。断块断块的活动方式主要有拉张、挤压、断隆、断陷、抬斜和掀斜。断块构造运动的驱动力源断块学说认为决定地球构造运动的基本因素是恩格斯说的“吸引与排斥这一古老的两极对立”。地球内部物质在重力作用下发生收缩作用和重力分异作用是“吸引”，在热作用下发生体积膨胀和某种方式的热对流则是“排斥”，它们引起地球自转速度的变化和自转轴的摆动，并导致离心力、科里奥利力、极移应力等的产生，以及地球内部各圈层相对扁率的变化和滑动，于是有了岩石圈各断块间的相互错动。应该把驱动断块运动的力与形成断块的力统一起来考虑。（1）离极力（pole-fleetingforce）（2）科里奥利力（CoriolisForce）（3）旋转速度不均一效应（4）地球自转速率的变化断块的活动方式断块就是为断裂所围限的块体，直观地看，在中国大陆内，有菱形的塔里木盆地，矩形的鄂尔多斯黄土高原，斜方形的四川中生代红色盆地，三角形的松潘甘孜三迭纪地槽区，近于平行四边形的西藏高原等。所有这些单元都是被各种类型的断裂系统切割限定的深部断块的地表表现形式地球沿着垂向可分为若干壳层，各壳层间的滑动面称层间滑动断裂；这些壳层沿着横向又被不同深度的断裂所分割。这两种断裂的结合所厘定的地质构造单元，就是断块。断块分类：依其边界断裂的深度亦可分为相应的四类，即：为岩石圈断裂所围限的块体称岩石圈断块，为地壳断裂所围限的块体称地壳断块，为基底断裂所围限的块体称基底断块，为盖层断裂所围限的块体称盖层断块。在岩石圈断块内部被各种地壳断裂所切割的块体就是地壳断块，或者说，岩石圈断块是由若干地壳断块拼合而成的。同样，在地壳断块内部又可分出基底断块，或说地壳断块是由若干基底断块拼合而成的；在基底断块内部又可分出盖层断块，或说基底断块是由若干盖层断块拼合而成的。断裂、断层是指岩石沿某个面的破裂和沿该面的位移，实际种常常将断裂一词用作断裂面的同义词。断裂活动的五种方式锯齿状断裂的活动