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06-2 地球内营力的地质作用

 生态学时空 2021-11-20

本文内容为复旦大学在中国大学MOOC网站上《自然地理学》课程的图文课件。如果你对该内容有兴趣,请扫描二维码参加该课程的学习。

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同学们好!


地球自它诞生以来,从未停止过活动。最为神奇的是,我们的茫茫大地竟然能够象巨轮一样,漂泊数千里,生生不息。其驱动力就是我们今天要介绍的地球内营力的地质作用。

正如我们前面的课程所说,地球内营力是来自地球的内部力量,它会引起诸如地壳运动、岩浆活动、变质作用等地质作用,总体上使地面变得高低不平。这里所说的地壳运动,实际上是指岩石圈相对于 软流圈以下的地球内部的运动,最明显的表现就是大陆板块的运动,也就是大陆漂移。

我们现在说大陆漂移的时候,已经是一个常识了。但是在一个世纪以前,如果这样说,可能会被认为是天方夜谭,痴人说梦。那我们就从魏格纳的大陆漂移学说说起。

1910年,德国气象学家魏格纳应征入伍,参加第一次世界大战,然后就受伤了住院,在医院特别无聊,就注视墙上的世界地图,突然发现大西洋两岸大陆边缘的几何形状,似乎可以拼合起来。于是,他就把地图上大西洋两岸的大陆剪下来,像拼板一样拼合起来,发现除了非洲大陆的尖角稍微有一些变形突出,和美洲大陆有些重叠以外,简直是天衣无缝。他非常激动,没有等病好就出院搜集有关的资料。在1912年时发表了《海陆的起源》,正式提出了大陆漂移学说。那个时候呀,地质学上普遍认为地壳和海洋的关系是恒久不变的,魏格纳说大陆是活动的,纯属瞎扯。这个学说受到冷落,后来这魏格纳到格陵兰岛探险去世,也就再没有其他人重视了。它一度沉寂了30多年。

直到20世纪60年代,大陆漂移学说终于在大洋深处找到了答案。海洋地质学和地球物理学的诸多发现,包括古地磁学,深海钻探、海底地貌、地球物理及海洋地质等学科的发展,使得大陆漂移学说再度复活起来。不仅找到了新的证据,解决了“漂移”的地球物理机制,而且发展为海底扩张,板块构造理论体系。那究竟是怎么回事儿呢,且听我细细道来。

其实,当时魏格纳为证实大陆漂移所收集的大量资料,至今仍然是难以辩驳的铁证。其中,大陆岸线的吻合是最吸引人的证据。巴西东端的直角突出部分与非洲西岸直角凹进的几内亚湾非常吻合。1965年,布拉德用计算机对大西洋两侧大陆进行拼合,发现最佳方案并非海岸线,而是海平面以下915米的等深线,其平均误差小于1个经度。大西洋两岸北美和北欧之间地质构造具有一致性,具有如此高的拟合度不可能是偶然造成的。

另外,非洲与南美洲古生代和中、新生代也具有相似性,并且可以越过印度洋跟踪到南极和澳大利亚,南半球各大陆找到的二叠纪—三叠纪的植物群与两栖类、爬行类等陆生生物有惊人的相似性。

更令人信服的是,两岸相同地质年代的山系、地层或岩块都可以一一对应和拼接起来。这就象被撕碎的书页,不仅毛边可以拼接,连印刷文字都能恰好齐整切合,仅仅用巧合来解释就说不通了。

晚古生代南半球各大陆冰川的分布乍看起来,就是这张图上的样子,是毫无规律的,但若把各大洲包括南极在内的大陆拼合在一起,则冰川的分布就不难理解了。

前面说的都是南半球的事儿,那么在北半球呢。通过对北半球不同时代古地磁北极位置的测定,把各地质时期古地磁极的位置在图上连结成一个线,就是我们前面所提到的磁极移轨迹。我们发现,北美和欧洲所测的磁极移轨迹并不重合,但形态大致相似。如果将两大陆拼合在一起,那么这两条极移曲线就会基本重合,说明大西洋曾经的确是不存在的,两个大陆曾经是相连接在一起的。

将这些事实综合起来进行分析,得出,地球在距今大约2.5亿年以前还是一个统一的大陆,称为联合古陆。联合古陆大约在三叠纪后期,即约2亿年前开始破裂,并逐渐漂移,成为现今的海陆布局。

在实际地球磁场强度的研究中,测定值与理论磁场强度是有区别的,这种区别就称磁异常。上世纪50年代后期,有人对东太平洋进行地磁研究,发现海底地磁呈整齐的条带,并都呈南北向展开,条带的间距可以达到几十公里。如果把所测定的磁异常标记到图上,就是现在图中这个样子。如果沿中脊轴对褶过来,那么磁异常条带东西两侧是能够重合的。对于这种对称性一直使学者们感到困惑不解。1963年,英国的两位科学家瓦因和马修斯发现:地磁的正负异常正好对应于古地磁场的正反方向变化。这样海底就起到了一台磁带录音机的作用,根据地磁场的正反方向变化可记录海洋扩张的历史。之后,人们测定了太平洋、大西洋和印度洋的地磁转向年表,也标在地图上,发现正向期与反向期是一致的,从而证明海底扩张的普遍意义。

上世纪60年代开始,英国海洋地质学家赫斯(1962)和迪茨(1961)提出了海底扩张的观点,并在之后经过不断补充完善。该观点认为,海底扩张是大洋岩石圈 在洋中脊处裂开,地幔炽热的溶浆从这里涌出,冷却后固结成新的大洋岩石,并把先期形成的岩石向两侧对称地推挤,导致大洋海底不断扩张。另一方面,地球并不会因为海底扩张而膨胀,那么大洋岩石圈必定在大陆边缘的海沟处沿着消减带向大陆岩石圈的下面俯冲,消亡于软流圈中。形成海沟和群岛。并通过计算表明,大约经过2亿年,整个洋底将彻底更新一遍。

过去人们相信洋底像巨大的“平底锅”一样,是一马平川的。19世纪,人们在铺设海底电缆时,发现大西洋中央比两侧高出了许多。1918年,德国科学家利用超声波回声测深仪发现大西洋中央明显变浅,宽度有1千多公里。然后他们就开展3年的测深,发现整个大西洋底潜伏着一条与两岸轮廓相似,巨大无比S形中央海岭。后来,人们又发现中央海岭是一种全球性的现象。1956年,美国科学家根据回声测深资料,编绘了全球洋底地形图。图上赫然呈现出一条横贯全球、首尾相连的中央海岭系统。

60年代以来,人们在各大洋打了上千个钻孔,根据所采集的放射虫标本鉴定,发现它们的年龄都不超过2亿年,相比之下大陆上测出最老的岩石可达38亿年,这说明洋底十分年轻,更老的洋壳 已被深海沟吞没了。而且,洋底年龄是以洋中脊为对称轴,向两侧有序地增加,最年轻的洋底都在洋中脊上,自那里向两侧,洋底的年龄逐渐由新到老排列。而特别惊人的事实是,沉积物的年龄与磁异常条带所预测的年龄完全一致。所以我们通常说:古老的海洋,年轻的洋底。

这就是年轻的大西洋中脊的照片。

在大陆漂移学说和海底扩张学说的基础上,法国科学家 勒比逊1968年提出了板块构造理论。根据这一新学说,地球岩石圈并非整体一块,而是分裂成许多块,这些大块岩石称为板块,洋壳和陆壳都是板块的组成部分,镶嵌在板块中的大陆 随着板块运动,速度为每年1厘米到10厘米。所以,“大陆漂移”完全是板块运动的结果,大陆只是传送带上的乘客“。全球地壳呢,划分为六大板块:太平洋板块、亚欧板块、非洲板块、美洲板块、印度洋板块和南极洲板块。其中除太平洋板块几乎全为海洋外,其余五个板块既包括大陆又包括海洋。

从海底扩张和板块学说的观点来看,有的大陆边缘是板块的真正边缘,受到强烈的拉张、挤压或剪切作用,因此是地球上的强烈活动地带。但也有的大陆边缘位于板块内部,并不是板块实质性的边缘,那里是地球上相对稳定的地区。这分别对应着我们后面将要讨论的太平洋型和大西洋型大陆边缘。

太平洋型大陆边缘又称活动大陆边缘。从大洋中脊新产生的大洋岩石圈,把老的大洋岩石圈向两侧推挤,到大陆边缘的海沟处,老的大洋岩石圈沿消减带俯冲到上地幔软流圈中。此类大陆边缘具有强烈的地震、火山活动、构造变形和变质作用等现象,是地球上强烈的活动地带。

另一种是大西洋型大陆边缘,又称稳定大陆边缘,位于板块内部,并不是板块的边界,只是早年大陆裂开时的裂谷边缘。这里的大陆架十分平坦而宽阔,最宽可达1000多千米,而且没有岛弧与海沟等高差悬殊的地形存在,在大陆坡的基部是沉积物堆积很厚的大陆隆。它既不受到挤压,也不受到拉张,因此这里十分稳定,没有强烈的火山和地震活动。

由于地球表面积是有限的,板块在运动中必定会相互作用,形成不同类型的板块边界。板块边界是地球上最活跃的地带,具有强烈的火山、地震活动、地质构造变形和变质作用等。根据板块间相互作用方式可以分为三种基本类型:其一为彼此远离的分离型板块边界;其二为彼此交错的转换型板块边界;其三为彼此接近的汇聚型板块边界。从力学性质来说,它们分别代表着拉张、挤压和剪切三种基本方式。板块本身是不会变形的,地球表面活动便都在这三种状态下集中发生。每一个板块都可能以上述三种类型的边界组合为自身的界限。

由于板块边界处存在着强烈的相互作用,成为了地震或火山活动地带。其实,地震、火山带的分布,正是全球板块划分的重要依据。

大陆漂移、海底扩张和板块运动的概念,使人们对于洋盆演化的认识发生了根本的改变。这种新活动论认为,在地球漫长的岁月中,海洋与陆地是在不断变迁的,经历着分久必合、合久必分的历史过程。加拿大科学家威尔逊首先注意到大洋开启和闭合的不同发展趋势,将大洋盆地的演化过程归纳为萌芽、幼年、成熟、收缩、结束,大陆碰撞造山等六个阶段,然后在外营力的作用下夷为平地后,再开始一轮新的循环。其中,前三个阶段显示大洋的开张和生成,后三个阶段代表大洋的收缩和关闭。

威尔逊旋回中的萌芽、幼年、成熟、收缩、结束,完成大陆碰撞造山等阶段,我们在地球上能找到相应的实例,形成从东非裂谷,到红海亚丁湾,再到大西洋、太平洋、地中海,最后是喜马拉雅山。

魏格纳在他的《海陆的起源》这本书中,认为大陆漂移的驱动力来自潮汐力和地球自转时的离心力,不过这两种力实在太微弱了,很难说服别人。其他研究者也始终没有找到大陆漂移的真正原因,因此这也是该学说当时没有得到重视的一个原因。即使到目前为止,对板块运动的驱动力,目前还存在着许多不同的看法。比如:浅地幔对流假说、地幔对流假说、地幔柱假说和板块拉动假说。在所有观点中,讨论最多的是地幔热对流说,这也是海底扩张说传统的看法。即认为板块是驮在地幔对流体上以传送带的方式运动的。

为了理解地幔热对流,我们来看一个烧汤的例子。当火焰从下面加热的时候,被加热的汤从锅底上升,翻滚后外流到边缘冷却,冷却的汤密度增加下沉,呈现出一个对流过程。地幔热对流中,洋中脊处地幔流呈上升态,把深部的热 源源不断地带出。它一方面使上覆岩石圈受到烘烤,同时地幔高温物质沿裂谷带涌出也使洋脊的热流值大大提高。海沟的情况则相反,这里的地幔流呈下降态势,同时大洋岩石圈远离洋中脊,温度已降低。此外,板块向下俯冲时携带了大量海水进入地幔,因此热流值也大大降低。

最近几年,地学领域在印度洋上有著名的两大新发现,都刊登在NATURE周刊上,并有大量相关新闻报导,这有可能改变我们刚刚讲的这些知识。也就是说,不管是海底扩张,还是地幔柱假说可能需要重新评估,大陆板块漂移的力学机制究竟是什么呢?请大家扫描这个二维码,阅读相关报道和文献,并思考:这两大发现的重要意义是什么?魏格纳认为大陆漂移的驱动力来自潮汐力和地球自转时的离心力,是否有道理呢?

那么我们同时再思考一个问题,地球,作为一个球体,是均衡旋转的,海陆分布理应是均衡的,可为什么偏偏就出现了极不一致性呢?难道仅仅是上天的偶然安排吗?或者说是上天特别青睐北半球吗?有人解释这是引潮力的结果,那么结合前面的那个问题,这二者之间是否有什么关联呢?请扫描这个二维码阅读相关解释。

这一部分的内容到此结束。同学们,再见!



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