地球圈层和板块构造

2018-11-17 22:07

本次提交材料由1.文本(含图片),2.部分动画文件,3.影片(张广成提供)构成;文本部分主要源自中科院研究生院魏课件和著作《Earthquakes》Timothy Kusky,2008

值得说明的是,虽然本文第7部分仍然沿用了大陆漂移-海底扩张-板块构造的结构,但考虑到后两者本属同宗,难以区分,仍不建议将其分开展示。

(6) 地球的内部圈层构造

地球的形成过程起始于一团巨大的“云”,这些云由灰尘、气体等基本物质组成,它们在高速旋转中互相碰撞、粘结,最终聚积形成了行星。由于频繁、高速的碰撞,聚积过程产生了巨大的热量,形成了熔融状态的早期地球,科学家们称之为岩浆海,其深度可达数百公里。受重力影响,重金属元素,如铁(Fe)、镍(Ni)等下沉形成地核,而较轻的成岩元素上浮形成地壳。这一过程致使地球分异成数层同心球状的圈层,每一层都具有不同的密度和成分,正是这种分层结构控制了今天地球大尺度的构造。

图6.1地球剖面,左侧为化学分层(地壳,地幔,地核),右侧围物理分层(岩石圈,软流圈,中间圈,外核,内核)(备选图1~2可用)

19世纪以来,科学家们探索了大量探索地球内部的手段,能够在地球内部传播的地震波便是其中之一。正如俄国地球物理学家伽利津所言“地震是照亮地球内部的一盏明灯”。随着数据的积累,前克罗地亚科学家莫霍诺维奇和美国学者古登堡分别在1909和1912年识别出地表以下33~70和2900km处各存在一层地震波速突变面,分别称之为莫霍面(M)和古登堡面(G)。以之为界将地球内部划分为三个圈层。居于最外侧的叫做地壳,即莫霍面以上圈层;仅邻其内的(M~G)是地幔;古登堡面以下直至地心为最内的地核圈层。

地壳:依据化学成分和矿物组成,在横向上地壳又可分为陆壳和洋壳。陆壳平均厚度约35公里,高大山系地区可达70km;洋壳相对较薄,约10km,局部只有5km。一般认为,陆壳浅部主要由密度较轻的硅铝质矿物组成,称为硅铝层;深部存在或缺失由密度较大的硅镁质矿物构成的圈层,称为硅镁层。洋壳一般缺失硅铝层,仅有硅镁层构成。

图6.2 地球外部圈层剖面

上图展示了典型的洋陆转换带,下图展示了典型的岛弧形边界。小图展示了不同比例的地壳构成。

地幔:地幔是地球的主体,介于地壳与地核之间,依据地震波的传播特性地幔又可以分为上下两层:上地幔自莫霍面到100—120公里深处,硅铝质矿物逐渐减少,铁镁质矿物逐渐增加,由于其化学成分和矿物组成上与橄榄岩相近,又称橄榄岩带;下地幔呈非晶质状态,大约是铬的氧化物和铁镍的硫化物。

地核:地核是地球的最内部圈层,自莫霍面以下直至地心。地核主要由铁镍元素构成,依据物质状态,又可将地核分为外核和内核两部分。自莫霍面至地幔以下大约5100公里处地震横波不能通过,为液态的外核部分;5100—6378km为固态的内核,科学家们推测,正是铁镍质地核的旋转引起了地球的磁场。

以上圈层之所以在地震学意义上存在突变性的差异,极有可能是化学成分的突变造成的。除以上化学圈层划分方案外,地质学家们依据能干性的差异,另行划分了五个物理圈层:刚性的外部圈层被称为岩石圈,厚75~150km;岩石圈漂浮在上地幔中的一层高密度、部分熔融的岩石层上,该层被称为软流圈;其下部还包括中间圈、液态外核和固态内核。

随着20世纪60年代板块构造的发现,地质学家意识到地球的外部圈层同样可以划分为数个不同区域,不同区域间存在很大的力学性质差异:1.刚性板块,板块内部相对稳定;2.造山带,板块之间相互运动,发生强烈的造山运动。

7、 大地构造及板块学说

对于大陆、海洋、山脉和地震的起因,地质学家和自然哲学家们思索了上百年。早期的地质学家们将众多的大陆和海洋的构造现象进行了分类:克拉通是大陆中古老稳定的部分,它们在过去数十亿年间几乎不发生活动,仅表现为缓慢的抬升和沉降;造山带是狭长的发生强烈褶皱和断裂的岩石带,并往往伴随有火山喷发和地震活动;海盆是稳定平坦的深海底部;洋脊是海底正在发生火山、地震活动的山脉。

早期众多的地质学家尝试解释地球大尺度的构造现象,并提出了很多假设,

包括后来流行的地球膨胀-收缩说(分别对应海盆和山脉的形成)和地槽-地台学说。这些学说的特点是地球表面主要发生垂向运动,在水平方向保持稳定,成为固定论。随着气象学家魏格纳的发现,固定论逐渐的被活动论取代。自大陆漂移学说到海底扩张学说,直至板块构造理论及地幔柱构造假说,标志着活动论的逐渐成熟。

图7.1 Alfred Lothar Wegner(1880-1930)大陆漂移

7.1. 大陆漂移学说

1910年到1925年,阿尔弗雷德魏格纳发表了一系列经典的论述,在其中提出了大陆漂移学说的概念,具有代表性的是1912年的专著《海陆起源》(The Origin of Continents and Oceans)。很多在该书中首次提出的基本观点构成了后来地球板块构造模型的基础。

大陆漂移学说的主要观点是:

1. 大陆由较轻的刚性硅铝质组成,漂浮在较重的硅镁质洋壳之上。 2. 全球大陆在约300Ma前连成一体,为一泛大陆,其周围为泛大洋。 3. 在潮汐力与地球自转离心力的作用下,自250Ma前开始,泛大陆逐渐破

裂、分离、漂移,形成现代海陆分布的基本格局。 其主要证据包括:

1. 地质构造方面:美洲的阿巴拉契亚山脉和非洲阿特拉斯山脉是同一条东

北-西南走向的山脉。斯堪的纳维亚山脉与苏格兰、爱尔兰的山脉是与阿巴拉契亚山脉同源。

2. 大陆边缘的吻合:将大西洋两岸的非洲和南美洲拼在一起时,两岸的大

陆边缘能十分吻合。非洲某处海岸的岩层,恰与拼合后的南美洲海岸的岩层相同。

3. 古生物化石方面:活在约2亿年前的中龙是一种住在陆上淡水沼泽的爬

虫类,无法越过大洋。地质学家在大西洋两侧的南美洲与南非发现了中龙化石

4. 气候的证据:在印度南部有冰川作用的痕迹,证明印度曾经位于中高纬

度地区。地理学家在南极洲发现丰富的煤矿,煤是由远古植物遗骸变化而成,证明南极洲曾在低纬度地区,有茂密的森林。

5. 古磁场的证据:把非洲、南美洲、澳洲、印度和南极洲各大陆连接在一

起时,各大陆测得的古生代磁极边缘轨迹大致重合在一起。

图7.2 潘集亚大陆陆地分布示意图(备选图3可用)

7.3海岸线吻合(大陆架吻合效果更佳)

7.4古生物证据

7.5地层分布证据


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