大陆动力学研究进展现状

如题所述

近十多年来由于一系列新技术、新方法的广泛应用,在大陆岩石圈及其内部各主要构造单元的研究方面,获得了许多新的发现和新的认识,主要有[3][4]

1)大陆岩石圈的概念需要更新,大陆软流圈可能不具全球性质

(1)近年来的研究表明,一些大陆的古老地块下面往往缺失软流圈,或软流圈发育不好,下伏在地壳之下的地幔被牢固地贴在上覆的大陆上,构成了很深的大陆根(柱),向下延伸可达400km,实际上构成了下伸到上地幔中的大陆井。这些大陆根的存在,对上地幔的对流格局产生了一定影响。

(2)大洋岩石圈可视为一个位于软流圈之上的年轻的薄的火山岩层,它位于地幔对流层之上,它既是地幔对流系统的地表热边界层,又是使板块构造具有刚性特征的力学边界层,而且还是作为板块或新地壳在大洋中脊诞生的分异产物的化学边界层。但大陆就不同,一些地段软流圈缺失,岩石圈和软流圈界线模糊,大陆的化学边界层和热边界层与岩石圈不吻合,要比大洋厚得多和老得多,而且力学边界层也与大洋不同。显示了大陆岩石圈与大洋岩石圈具有不同的特性。

(3)认识到大陆并非由单一的刚性体组成,而是由多种不同作用形成的低密度岩石的非均质集合体。否定了大陆岩石圈刚性板块模式,建立了非均一的三维粘弹性新模式。

2)威尔逊旋回解释不了大陆造山作用的全过程和复杂性,非威尔逊旋回在大陆造山带可能起主导作用

(1)板块构造学说认为造山带是板块汇聚作用的产物,碰撞后没有大的构造作用,只有风化剥蚀等活动。但80年代中期以来,发现大陆碰撞之后构造活动依然强烈,表现为山脉隆升、构造伸展作用、岩浆活动以及随后的垮塌作用等。此外,在若干造山带核部发现含柯石英、金刚石的超高压变质岩(如我国大别、苏鲁地区,哈萨克斯坦北部),推测其形成深度可能大于100km,单靠风化作用是剥露不出来的。这些发现表明造山带在板块碰撞之后依然非常活跃。

(2)关于碰撞之后的造山过程有两种比较成型的模型:拆沉作用和伸展垮塌作用。拆沉作用是指板块碰撞之后造山带底下岩石圈地幔部分发生快速机械减薄,与上覆的地壳相剥离而下沉到更深的地幔中。这一模式对解释造山带厚度内部比外部薄、造山期后的岩浆成因、超高压变质带的形成与剥露和壳幔再循环等问题有着独到之处。伸展垮塌作用系指造山带隆起的山体在板块碰撞产生的支撑力逐渐消失时,在其自重作用下发生垮塌。这一模式很好地解释了许多造山带的后期伸展构造、山前推覆构造以及山根消失现象。

3)大陆地壳的物质组成与洋壳不同,花岗岩为其主要物质组成标志

(1)有关花岗岩的岩浆活动:花岗岩是大陆地壳不同于大洋地壳最重要的物质组成标志。地球化学和其他证据都表明花岗岩通常来源于熔融地壳和地幔物质的混合体。根据已有研究发现至少有以下3种构造方式能产生巨量花岗岩:斜向俯冲作用;下冲作用与地壳增厚作用;拆离作用与岩浆底辟作用。

(2)关于花岗岩侵位与构造变形作用方面取得的进展:研究表明花岗岩的侵位主要与走滑作用和伸展作用有关。到达地壳深部的剪切带可以为岩浆上升侵位到较高的地壳层位提供通道。而巨量花岗岩岩浆的侵位可能更主要地与伸展构造有关。

4)地幔流动及垂向作用对大陆具有重大影响

(1)大陆具有独特的物质增生与消减过程,垂直增生也是大陆生长的重要方式。近年来大陆地质研究成果表明,来自地球深部软流圈或上地幔玄武质岩浆和下地壳底部花岗质岩浆的底侵作用也是大陆岩石圈生长的一种方式,称为大陆垂直增生和改造的方式,陆壳侧向水平增生并不是地壳生长的唯一方式。另外,底侵作用也是大陆深部的重要地质作用,具有重要的动力学意义,它不仅使地壳加厚,而且由于底侵过程中带来的热和CO2流体等,改变了下地壳组成及物性结构,使物质发生迁移,形成伸展崩塌作用,引起下地壳水平拉伸,并使莫霍面变得平坦等。

(2)地幔流动对岩石圈和地壳演化起主导作用。地幔对流、地幔底辟和地幔热柱对岩石圈和地壳底部施加力量,导致岩石圈弯曲和地壳变薄或加厚,并通过岩浆注入的方式进行质量输入。

(3)大陆内部地幔热柱对上部大陆岩石圈,地幔、软流圈对岩石圈,以及壳内流体层对上地壳的影响都很大,大陆内部的“垂向作用”和板块边界的“水平作用”一起构成大陆运动和内部变形的主要驱动力。

5)大陆内部结构具有多层性、层间活动性及非耦合性,原有的刚性岩石圈及其整体运动模式已不适用

大陆岩石圈在垂向结构上有着明显的流变分层性,特别是在中下地壳普遍具有一层或几层软弱层。通常脆性行为出现在中、上地壳以及下地壳和上地幔的镁铁质和超镁铁质岩石中,而韧性行为常发生在5~10km之下的富石英岩石中。异常的热体制,如上升的地幔柱、逆掩断层造成的地壳双重加厚或来自于地幔的岩浆贯入,都会大大增强地壳的整体韧性。这样不同层次的脆性和韧性行为便构成大陆岩石圈不同于大洋岩石圈的“三层”或“四层”流变学结构。从宏观上看,大陆深部据流变学特点可分以下几层:

(1)上地壳,在地质尺度上表现为刚性;

(2)流体(相对软流圈而言)地壳层;

(3)固态下地壳;

(4)岩石圈的地幔部分。

关于地球内核与其他层圈间的相互作用,除了岩石内部层圈相互作用外,地球内核与其他层圈间的相互作用研究也有新的重大发现。研究结果表明,地球内核和地球一起朝同一方向旋转,但内核的旋转速度要快于地壳和地幔。

关于大陆结构的非耦合性,近年来的研究还发现,在大陆演化的不同阶段,地幔和地壳之间的耦合关系会发生变化,可形成非耦合关系,甚至会形成立交桥式的结构。

6)大陆岩石圈变形的受力是多元的,也是多源的

(1)板块构造理论只注意了板块边界相互作用力对大陆板块边部变形的影响。近年来的研究发现,与大洋相反,大陆板块边界上的变形可以一直延伸到大陆内部,而大陆内部的地盾、克拉通和老的元古宙地块却表现为刚性,构成大陆典型的弥散型变形型式,即典型的盆山系统结构,称为板内变形。

(2)从变形的方式看,大陆内部除了挤压造山作用外,还存在着拆离、伸展和走滑变形相叠加的运动,使大陆板块边界变得很宽,可达2000km,在大陆边缘和内部古接合带地区,构成了复杂的变形地带。

(3)现已认识到,对大陆变形的总的控制因素是脆/韧性反差和热体制的性质,而壳内软弱层和地幔软流圈的相对影响程度则对大陆变形的型式起着关键作用。在挤压或伸展造山期间,厚地壳、高热流地区往往是通过壳内软弱层来容纳其岩石圈地幔和固态下地壳中的应变,并导致上地壳出现宽阔的弥散性变形,而低热流、地壳相对薄的地区,其岩石圈的应变通常主要由软流圈来容纳。

(4)通过大量原位应力资料系统分析,已获得全球岩石圈上部20~25km脆性部分的应力来源特征。岩石圈应力主要来源为:①板内应力场主要受板块边界几何形状的制约;②但活动拉伸的板内地区通常与高地形有关,而与这些地区内地壳变厚和岩石圈变薄有关的浮力应力,则在板内应力场中占主导地位;③叠置的局部应力可引起区域水平方向的旋转。

(5)对全球主要板块的空间大地测量表明,从板内获得的多年资料可与3~5Ma的典型板块运动学模型相吻合,过去几年中板块运动的平均速度与过去数百万年中的平均速率基本相同。但这一速度并不出现在板块边界上,那里的运动以间断性滑移和局部旋转为主。

(6)近年来的研究发现,除板块边界力外,壳幔系统各层圈的相互作用对地幔地壳至地表都有影响,软流圈流动对岩石圈,壳内流体层运动对上地壳变形的影响都是很大的。总之,岩石圈板块的相互作用力解释不了大陆内部变形的多样性和复杂性。显然大陆变形的驱动力是多元的,也是多源的。除板块边界相互作用力外,还有大型板块内部及其底面系统方面的应力,其中有层圈的相互作用,软流圈上涌作用、岩浆贯入、底侵及其浮力,拆沉作用造成的底部牵引力、浮力抬升以及伸展作用;地质流体的动力,地下的相变力以及化学反应动力等都非常重要。

(7)此外,近年来的研究还发现,大陆的变形不仅取决于驱动力系统,而且还取决于大陆对驱动力的响应程度,即大陆变形还受到大陆本身的物质特性、结构以及流变不均一性控制,还与局部的热、密度和地壳厚度的变化,大陆内部的流体地质作用等都有关系。

目前地学界虽然对大陆内部变形的驱动力的认识还有分歧,但已共同认识到大洋岩石圈是由一种作用即洋中脊裂谷作用形成的,而大陆却是由众多作用形成和改造的由各种组分构成的一个大拼合体。这种复杂性是大陆最明显的特征。大洋占地球表面积的2/3,但它只记录了地球最后5%的近代历史。而大陆却记录了40多亿年来塑造了地球内部和表面的多种作用过程及其相互作用的漫长而又复杂的历史。大陆记录了固体地球的演化动力学。

在第30届国际地质大会上,K.Burke认为大陆是在旋转板块上被动地移动着的,但是板块构造,即刚性物体沿地球表面的旋转,对于组成大陆活动部分的变形而多山的板块边界却并不适用。现今已变为刚性的这些活动部分,是经历了长期演变才呈现目前的构造,当时它们也位于板块的边界带内。因此,大陆动力学着重研究组成大陆造山带的这些古代和现代板块边界带内的岩石和构造。下个世纪大陆动力学研究的重点很可能仍然是活动的造山环境,这是由于它们可能造成地震、火山、洪水和滑坡灾害的缘故。

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