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第九章岩石圈板块构造第一节大陆漂移第二节海底扩张第三节板块构造问题：全球海陆面貌的形成?地质历史中地壳或岩石圈演化发展的方式和规律?各种地质作用特别是内部地质作用的机理及相互联系?收缩说16S意大利学者布鲁诺最早提出，把苹果干缩的褶皱表皮与地壳岩层褶皱相对比。19S中叶法国学者博蒙重新提出，认为地球内部由热变冷是地球表部收缩和褶皱及其它构造形成的原因。但收缩说不能解释地球表部由拉张形成的众多大规模裂陷或裂谷带。膨胀说17S英国学者培根最早提出，与收缩说对立。19S末和20S初一些学者用地球膨胀说来解释大西洋两岸形状的相似性和非洲裂谷系等现象，但膨胀说不能解释地球上众多大规模挤压褶皱山系。地槽－地台学说19S中后叶，美国学者霍尔、丹纳和奥地利学者休斯相继提出地槽、地台概念，从而建立地槽－地台学说。地槽是指地壳上的强烈活动带，一般呈长条形，长达数百至数千公里、宽几十至几百公里。地槽的发展一般经历两个阶段：早期为大幅度沉降并形成巨厚沉积层；晚期为褶皱挤压形成山系，伴随强烈岩浆活动和变质作用。地台是大陆上相对稳定的地区，具面积大、地形起伏小、构造活动弱的特点。该学说认为地壳的基本构造单元是由地槽区和地台区组成，地槽褶皱回返后经剥蚀、夷平可转变为地台。该学说自提出后直到20S中叶在地学界长期占统治地位，对地球科学的发展起了促进作用。但其忽视大规模水平运动，对地槽－地台演化的动力机制及全球动力系统之间的关系也没有满意的解释。地质力学学说我国地质学家李四光1926年提出，后不断补充完善。该学说主张运用力学原理研究地壳构造及其成因，将地壳构造归纳为3大类构造体系：纬向构造体系、经向构造体系和扭动构造体系。构造运动的动力是由于地球自转的速度变化引起的。但是，对于地球自转速度变化能否产生足够大的动力形成全球海陆分布与大规模的褶皱山系，地壳上不同方向、不同时代的各种纷繁复杂的地质构造与地质现象能否全用这种动力系统加以解释，存在不同看法。岩石圈板块构造学说现代地球科学对全球动力学认识的主流，被誉为地球科学的革命，是在确立了对大陆漂移与海底扩张的认识的基础上建立起来的。第一节大陆漂移茫茫大陆，就像硕大无比的巨轮，竟然可以一漂千里。它经历过长期的漂移，而且至今仍在不停地漂移着。大陆漂移的概念今天已广为人们接受。但这一概念从提出到接受并不是一帆风顺的，而是经历了提出、衰落到重新兴起的过程。大陆漂移的思想早有萌芽。第一次全面系统论述是德国气象学和地球物理学家魏格纳。魏格纳最初于1912年发表大陆漂移观点，至1915年著成《海陆的起源》一书，系统论述了大陆漂移问题。两亿年前所有陆地拼合到一起的联合大陆可能的图形图中南极周围影区是推测的当时冰川覆盖区魏格纳认为：较轻的硅铝质的大陆块就像一座座块状冰山一样漂浮在较重的硅镁层之上，并在其上发生漂移。全世界的大陆在古生代晚期曾连接成一体，称为联合古大陆或泛大陆，围绕联合古大陆的广阔海洋称为泛大洋；可能由于某种作用力的影响，自中生代开始，泛大陆逐渐破裂、分离、漂移，形成现代海陆分布的基本格局。魏格纳的主要根据：大陆形状相似性、地层、地质构造、古生物、古气候等证据。（1）魏格纳最初从大西洋两岸非洲和南美洲海岸弯曲形状的相似性得到启发；（2）然后进一步发现美洲、非洲、欧洲在地层、构造和古生物化石的分布方面均有密切联系。南美洲和非洲岩石和构造的拼合如非洲西部的古老岩石分布区（老于20亿年）可与巴西的古老岩区衔接，且两者间岩石结构、构造彼此吻合；非洲南端的开普勒山脉与南美的布宜诺斯艾利斯附近山脉在地层和构造上可彼此衔接等。对此魏格纳比喻：大陆的拼合好象撕碎的报纸外形和文字都可以拼合古生物学家早就发现，在目前远隔重洋的一些大陆之间古生物面貌有着密切的亲缘关系。例如，中龙是一种淡水小型爬行类，既见于巴西石炭—二叠系的淡水湖相地层中，也出现在南非的石炭—二叠系同类地层中，世界上其它地区都未见，这表明巴西和南美之间一定有过陆地相联系。又如舌羊齿植物化石，广布于澳大利亚、印度、南美、非洲等南方诸大陆的晚古生代地层中。为解释这些现象，古生物学家曾提出“陆桥说”，设想在这些大陆之间的大洋中，一度有陆地或一系列岛屿把遥远的大陆联系起来，后来这些陆桥沉没消失，大陆被大洋完全分隔。而魏格纳认为，各大陆之间古生物面貌的相似性，并不是因为它们之间有什么陆桥相联系，而是由于这些大陆本来是直接毗连在一起，到后来才分裂漂移开来。（3）漂移说中古气候的证据占有重要地位，其中尤以古冰川的分布最具说服力。在晚古生代，南美洲、非洲、澳大利亚、印度和南极洲都发生过广泛的冰川作用，从冰川遗迹分布的规模与特征判断，当时的冰川为发育在极地附近的大陆冰川。古冰川与大陆漂移但正是这些特征为大陆漂移说提供了强有力的证据。漂移说看来，上述出现古冰川的大陆在当时连结在一起，且处在南极附近，冰川中心位于非洲南部，古大陆冰川由中心向四方放射状流动，这就很合理地解释了古冰川的分布与流动特征。且南美、印度和澳大利亚的古冰川遗迹残留在大陆边缘地区，可从冰川擦痕判断古冰川的流动方向，冰川运动方向从岸外指向内陆，反映古冰川不是源于本地。解释这种古冰川的分布及流向特征，过去一直是地质学的难题。除古冰川遗迹外，蒸发盐、珊瑚礁、红层等作为古气候标志，也可用来推断其形成时产生的古纬度。魏格纳等曾将石炭纪蒸发盐、煤等的分布标在联合古大陆上，其中岩盐、石膏、沙漠砂岩均集中在干燥的亚热带，与其所要求的古气候条件完全相符，从而为联合古陆的存在提供了佐证。大陆漂移学说的论据虽然很多，但漂移机制并未很好解决。因此当时受到许多地球物理学家和地质学家的反对。20世纪30年代，大陆漂移说便逐渐衰落。到50年代，由于一些新的、独立的大陆漂移证据的发现，使大陆漂移说再度复活。其中最有力的是古地磁学研究成果。地史时期地球周围也同样存在地磁场，称古地磁场。岩石在形成时受当时古地磁场的磁化可获得磁性，磁化方向与古地磁场方向一致。例如岩浆岩当冷却经过居里温度点时，岩浆中的铁磁性矿物就会顺当时的地磁场方向排列而发生磁化，岩浆冷凝成岩后这种磁性就保存下来；沉积岩在沉积和固结成岩过程中，由于一些铁磁性矿物颗粒受当时地磁场影响发生顺磁力线方向的定向排列，也会获得较弱的磁性。这种岩石在形成过程中所获得的磁性称为天然剩余磁性或化石磁性。这种化石磁性一经形成便具较强的稳定性，可一直保存至今。借助于岩石的化石磁性，可以追溯岩石形成以后所发生的水平运动情况。近代地磁场的观测表明，地磁极是围绕地理极附近作周期性移动的，若从数千年以上的时间尺度来看，地磁极的平均位置可看作与地理极重合。可把地史时期的古地磁极近似地当作古地理极；把古地磁场的磁子午线方向当作古地理经线；古地磁场的等磁倾角线则可看作古地理纬度线，磁倾角与纬度值之间可用简单数学公式进行换算。岩石形成时所产生的剩余磁性的磁化方向可用来确定古经线的方向，测定岩石中化石磁性的磁倾角可确定所处的古纬度。古地磁研究在20世纪50年代盛极一时。英国学者布莱克特和朗科恩等测定了大批岩石，并根据化石磁性的古地磁要素，求出某一时代岩石标本所在地的古纬度及相应的古地磁极位置。他们发现，一些地区所测得的古纬度往往与目前所处纬度有很大差别，说明这些地区或大陆曾发生过大规模的水平位移。这就为大陆漂移提供了重要证据。北美大陆和欧洲大陆极移曲线图如果假设大陆固定于目前的位置上不动，把同一大陆上不同时代的岩石化石磁性得出的磁极位置都标在地图上，发现地质时代越古老，古地磁极位置偏离现代磁极位置越远，把各时代的古地磁极连起来即可得出该大陆的古地磁极的迁移轨迹。但实际上，地磁极基本上位于地理极附近不动，极移曲线本身反映了大陆漂移的路线。北美大陆和欧洲大陆极移曲线图不同的大陆岩石还测出了不同的极移轨迹：这说明这些大陆之间必定发生过相对位移。如根据欧洲大陆和北美大陆岩石测出的两条极移曲线在现代相交于一点，随着时代变老两者偏离越远，为把北美的极移曲线与欧洲的重合，就必须将北美大陆向东退回30个经度左右，这时大西洋消失，北美大陆与欧洲拼贴在一起，这恰好恢复了魏格纳漂移说所提出的联合古陆的情况。所以古地磁资料再次令人信服地证实了大陆漂移。古地磁研究使漂移说复苏以后，英国学者布拉德等借助电子计算机对大西洋两岸（按约1000m的等深线）进行了十分完美的拼接，为验证大陆漂移提供了最形象的证据。南美洲和非洲岩石和构造的拼合然而大陆漂移的机制问题依然悬而未决。这期间，海底地质与地球物理的研究飞速发展，终于为大陆漂移机制的解决带来了曙光。第二节海底扩张一、海底扩张说的提出二、海底扩张说的验证第二节海底扩张一、海底扩张说的提出二次世界大战后，工业发达的西方各国出于军事、资源与能源等方面的考虑，开展了广泛的海底地形与地质调查。例如，利用回声测深等方法绘制出精确的海底地形图；用重力、地震、地磁及地热等地球物理勘探方法研究海底的地质构造特征等。到60代初，海底调查已获得了大量新成果与新资料，为海底扩张说的建立准备了条件。其中比较重要的有下述3个方面。1.全球大洋中脊及中央裂谷系的发现大洋中脊在各大洋中互相连接，总长达64000km，总面积超过陆地面积的一半，是世界上最长最大的山系，无疑也是地球上最重要的构造单元之一。在洋中脊轴部常发育有平行洋脊的巨大的中央裂谷，谷深可达1000～2000m，谷壁陡峭，实际上是一系列向谷内陡倾的张性断裂。这种张性断裂作用造成的谷地，显示洋中脊附近存在巨大的张力作用。大洋中脊轴部具有很强的构造活动性，常发生浅源地震及火山活动，并有高的地热流异常（可达(3～5)×41.686mW/m2），反映中脊轴部是地热的排泄口和深部岩浆物质上涌的地方。2.海沟及贝尼奥夫地震带海沟--主要见于太平洋及印度洋东北部大陆边缘，沿岛弧或海岸山脉线状延伸。其横剖面呈V字形，沟底深度大于6000m，深者可达10000m以上（马里亚纳海沟深达11033m），沟底与岛弧或海岸山脉的相对高差可达13000m以上。所以海沟附近是地球上高差最为悬殊，其中一定包含着极重要的地质含义。地球物理调查表明，海沟的重力值相当低，出现负重力异常，说明海沟下方物质的密度轻，类似高山之下的地壳“山根”插到地幔之中。但据地壳重力均衡原理，密度低的物质必将上浮形成高的地势，这与海沟的地势相矛盾。故可推测在海沟处必定有一种向下拉或冲的作用力存在，破坏了重力均衡，使轻的地壳物质强制下陷。而且，海沟的地热流显著低，说明海沟下面的物质比较冷。海沟附近是最强烈的构造活动带，如沿太平洋边缘的海沟及其附近，形成著名的环太平洋火山带与地震带。北海道－千岛群岛贝尼奥夫带上震源深度分布剖面图在环太平洋地震带中，地震震源深度变化很有规律：海沟附近都是浅源地震，向大陆逐渐出现中源地震、深源地震，震源排列成为一个由海沟向大陆方向倾斜的带，其倾角一般45°左右。海沟附近的这种震源排列形式由50年代美国学者贝尼奥夫发现，故称为贝尼奥夫地震带。这说明，沿海沟存在着倾向大陆的、正在活动的巨大断裂带。3.洋底地壳的新认识20世纪50年代，广泛的地震勘探确定了洋底地壳的3层结构。洋壳第1层即沉积层非常薄，平均不过0.5km,故洋底沉积物年龄应比较新。采样未发现比白垩纪更老的岩石。如果大陆和海洋的位置固定不变，洋底年龄就应与大陆一样老，在洋底也应存在大量古老的沉积岩或褶皱山系，但事实完全相反。这都说明洋底地壳形成较新。洋壳发生着新旧更替，古老的洋壳已经消失。海底地质新成果与新资料的积累，加之大陆漂移说的重新兴起，终于迎来了地球科学理论的重大革新。60年代初，美国地质学家赫斯（Hess,1962）和迪茨（Dietz,1961）首先提出海底扩张说。海底扩张示意图这一学说认为，大洋中脊顶部是地幔物质上升的涌出口，上升的地幔物质冷凝形成新的洋壳，并推动先形成的洋底逐渐向两侧对称地扩张。随着热地幔物质源源不断地上升并形成新的洋底，先成的老洋底不停地向大洋两缘扩张推移，洋底移动扩展的速度大约是每年几个厘米。在不同海区，海底扩张可有两种情况。一种是扩张着的洋底同时把邻接的大陆向两侧推开，大陆仿佛冻结在相邻的洋底上，与洋底一起