區(qū)域大地構(gòu)造學(xué)第一章緒論、巖石圈、造山帶

1、區(qū)域大地構(gòu)造學(xué)課程目的了解區(qū)域大地構(gòu)造基本概念了解區(qū)域大地構(gòu)造基本分析方法了解中國區(qū)域地質(zhì)基本輪廓課程特點涉及學(xué)科多涉及地域廣涉及資料量大，綜合性強強調(diào)三基：基本概念、基本理論、基本方法、理論體系活動論的理論思想體系新全球構(gòu)造授課方式授課與文獻查閱緊密結(jié)合典型性與全面性的結(jié)合課程總體安排理論與術(shù)語體系研究方法基本輪廓作業(yè)：基本概念、基本理論、基本方法實例分析總結(jié)考試：基本概念、基本理論、基本方法重要區(qū)域大地構(gòu)造類型基本特征重要中國區(qū)域構(gòu)造單元基本地質(zhì)特征第一章 區(qū)域大地構(gòu)造基本概念一、巖石圈：1、概念 概念始于19世紀(jì)末20世紀(jì)初，指的是地球的石質(zhì)外殼，現(xiàn)代巖石圈的概念與板塊構(gòu)造相聯(lián)系。 一般

2、理解：地球表層的剛性殼，由能夠獨立地相互運動的不連續(xù)的板塊組成，這種板塊的組合就構(gòu)成地球的巖石圈。厚50200km，地球分層結(jié)構(gòu)及巖石圈分層性對巖石圈含義的四種不同理解力學(xué)的巖石圈 彈性或繞曲的巖石圈，相對剛性，可以在塑性的軟流圈上發(fā)生漂移。熱學(xué)的巖石圈 支撐一個熱傳導(dǎo)梯度的地球的冷的外層，計算厚度約100km地震波的巖石圈地震波的巖石圈 地震發(fā)生或人工爆炸時，能量就會以彈性波的形式向各個方向傳播，并通過折射和反射先后到達地面接收點。由于地震波傳播速度取決于地球介質(zhì)的彈性和密度，接收點所獲得的不同波速就反映了地球內(nèi)部介質(zhì)的性質(zhì)和組成，因此地球內(nèi)部的分層（殼、幔、核及巖石圈等）就是這樣確定的。當(dāng)

3、地球內(nèi)部的物質(zhì)組成和性質(zhì)發(fā)生突然變化時，地震波就表現(xiàn)出突變和不連續(xù)性，構(gòu)成不連續(xù)面（震波間斷）。 巖石圈底界就是一個地震波不連續(xù)面，其下波速降低低速層，或者稱之為軟流圈。界面深度在年輕大洋下不到45km，大陸下約為150km。巖石圈的速度結(jié)構(gòu)根據(jù)地震波速變化，巖石圈可分大陸巖石圈、大洋巖石圈和過渡巖石圈三大類，相應(yīng)地殼分陸殼、洋殼和過渡性地殼。他們具有不同的速度結(jié)構(gòu)。陸殼：傳統(tǒng)的大陸巖石圈分上地殼（硅鋁層）、下地殼（硅鎂層）、上地幔固體表層（巖石圈地幔）。許多資料顯示康拉德面并非到處可見，科拉半島超深鉆揭示，原預(yù)測的7km深處的康拉德面并不存在，在該深度以下仍為斜長片麻巖、花崗片麻巖和角閃巖

4、，只是隨著深度增加角閃巖夾層增多。因此現(xiàn)在康拉德界面莫霍面（Moho）陸殼通常采用三層模型:上地殼: Vp 5.96.3km/s中地殼：Vp6.46.7km/s下地殼：Vp 6.87.6km/s陸殼平均厚30-38km，變化于30-80km之間。洋殼：傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，大洋巖石圈包括洋殼和巖石圈地幔，洋殼與陸殼的不同在于缺硅鋁層，只有硅鎂層。目前根據(jù)大洋鉆探洋殼一般分三層：沉積層: Vp 2.2km/s玄武巖層：Vp5.2km/s輝綠、輝長巖組成的席狀巖墻雜巖：Vp 6.7km/s洋殼厚度57km，洋脊洋島變化在1520km巖石圈地幔：地殼與軟流圈之間的剛性地幔部分。其地震波速值與構(gòu)造活動性有關(guān)。

5、洋盆區(qū)Vp 7.98.5km/s；大陸地盾區(qū)：Vp 8.18.5km/s；大陸裂谷區(qū)和洋中脊區(qū)往往不存在巖石圈地幔。（after Songlin Li et al., U.S. Geological Survey, 1998)Crustal thickness (km) obtained primarily from seismic refraction/ wide-angel reflection experiments (after U.S. Geological Survey, 1998). 莫霍面兩種意義上的莫霍面（1）巖石學(xué)莫霍面：輝長巖與橄欖巖之間的界面，或者是角閃巖、中性高壓變粒

6、巖與橄欖巖、榴輝巖之間的界面。存在化學(xué)不連續(xù)面與相轉(zhuǎn)換面之爭（2）地震莫霍面（殼幔之間的地震波速不連續(xù)面）： 正常地殼P波速7km/s；其下的波速8.00.2km/s；過渡帶（地震莫霍面）P波速6.87.8 km/s。巖石學(xué)莫霍面與地震波速莫霍面兩者可能不一致軟流圈：位于巖石圈之下，與上地幔過渡層之間。大陸區(qū)位于100220km深處，厚度100150km密度小，大洋區(qū)位于50400km深處，厚約350km。軟流圈是地震波速低速帶，并具有低阻、低Q值。地震波速下降0.2-0.3km/s，橫波由4.6-4.7km/s下降到4.3-4.4km/s，縱波（Vp)由8.08.2下降到7.77.8 km/

7、s。軟流圈的低速、低阻和低Q值傾向于認(rèn)為是由于角閃石、斜長石和透輝石等低熔點礦物的存在，在軟流圈的溫壓條件下導(dǎo)致局部熔融而成。大洋巖石圈的成分結(jié)構(gòu)自上而下：1、遠洋深水沉積2、為基性枕狀熔巖，為大洋拉斑玄武巖3、為輝綠巖墻或巖床，底部為席狀巖墻群4、鐵鎂質(zhì)深成雜巖，輝長巖、角閃巖5、橄欖巖（大洋巖石圈地幔）巖石圈成分結(jié)構(gòu)陸殼成分結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)認(rèn)識對陸殼成分結(jié)構(gòu)的新認(rèn)識（主要針對下地殼成分）科拉半島超深鉆揭示，原預(yù)測的7km深處的康拉德面并不存在，在該深度以下仍為斜長片麻巖、花崗片麻巖和角閃巖 ，只是隨著深度增加角閃巖夾層增多。剝露到地表的麻粒巖相下地殼成分以長英質(zhì)片麻巖、麻粒巖為主體。很多新的火山

8、巖攜帶的大量下地殼包體也以長英質(zhì)片麻巖、麻粒巖為主體。因此現(xiàn)在一般理解的陸殼的下地殼成分仍以長英質(zhì)或花崗質(zhì)成分為主。大陸巖石圈成分的不均一性大陸巖石圈的組成和物性變化很大，缺乏一個共同的成因方式，大陸巖石圈的組成上部是由非均一成分和具有復(fù)雜構(gòu)造和熱演化史的不同塊體拼合而成，因而它們具有不同的強度。 大陸下地殼的性質(zhì)因地而異，不同的性質(zhì)造成了復(fù)雜多樣的效應(yīng)與結(jié)果，諸如活動斷裂帶的寬度、震后響應(yīng)和震間應(yīng)變、造山帶高度、沉積盆地以及被動大陸邊緣的下沉速度的差異等.巖石圈的力學(xué)結(jié)構(gòu)陸殼力學(xué)結(jié)構(gòu)的幾種基本認(rèn)識1、 由2030 km 和4060 km 兩個韌性層及其 間的兩個脆性層和一個上地幔脆性層組成2

9、、由下地殼韌性層和上、下兩個脆性層構(gòu)成的 “三明治”結(jié)構(gòu). 共同點都認(rèn)為下地殼屬于弱的塑性層3、 新的研究認(rèn)為大陸巖石圈是由軟弱的中地殼和強的下地殼組成，并且下地殼的強度可能超過其下伏的地幔。這些論點是基于由地震分布和地形負(fù)載的彈性厚度作出的推斷，但缺乏其他佐證。Ranalli和Murphy(1987)建立的七種巖石圈流變學(xué)剖面模型模式a: 40km的石英花崗質(zhì)地殼前寒武地盾區(qū)，如加拿大地盾（1）上地殼（20-25km以內(nèi)）脆性（2）下地殼(25-40km)塑性（3）上地幔上部（40-80km)脆性（4）上地幔下部強度逐漸減小模式b: 40km厚的地殼，但上地殼為石英花崗質(zhì)地殼；下地殼為中基性

10、部分前寒武地盾區(qū) 整個地殼和上地幔均為脆性，僅在上地殼和下地殼底部存在薄的塑性層。模式c: 60km的石英花崗質(zhì)地殼中新生代大陸對接帶 與模式a類似，但因地殼厚度大，其塑性的下地殼厚度大，且強度很低模式d: 60km厚的地殼，但上地殼為石英花崗質(zhì)；下地殼為中基性造山帶區(qū)與模式b不同的是，由于地殼厚度的加大，在20-30km處和40-60km處各存在一個塑性變形帶，分隔三個脆性層。模式e: 30km厚的地殼，脆性層10-15km厚，其它部分以塑性變形為主，但在莫霍面附近蠕變強度有一個突然變化。可能的構(gòu)造區(qū)大陸伸展構(gòu)造區(qū)、板內(nèi)或板間走滑構(gòu)造帶。模式f: 30km的地殼厚度。上地殼為石英花崗質(zhì)；下地

11、殼為中基性。（1）10-15km有一個塑性層，分隔上地殼和下地殼內(nèi)部的脆性層。莫霍面附近也存在蠕變強度突變帶。模式g: 地殼很薄，約10km,由基性巖組成。大洋巖石圈40km以上巖石圈為脆性層。巖石圈力學(xué)強度模型（Jackson，2003）巖石圈的溫度結(jié)構(gòu) 殼幔的溫度狀態(tài)主要是通過熱流量獲得的。熱流是地表單位面積上在單位時間內(nèi)由地球內(nèi)部散發(fā)出來的熱量，單位:HFU微卡/（厘米2.秒，1HFU=41.8mW/(m2.s)全球已有測量數(shù)據(jù):大陸和大洋平均值：1.5HFU洋中脊：2.53HFU，最高達8HFU海溝：約1HFU；島弧及邊緣海：約2HFU 巖石圈熱狀態(tài)主要與U、Th、40K等生熱放射性同

12、位素有關(guān)，它們主要富集在大陸花崗巖、流紋巖中，比基性、超基性巖生熱率大上千倍。巖石圈的化學(xué)結(jié)構(gòu)大陸地殼：復(fù)雜的成分結(jié)構(gòu)地幔巖石圈：多認(rèn)為是橄欖石、輝石和石榴石的某種組合殼幔的化學(xué)過程：主要通過幾個方面研究： 玄武質(zhì)巖石的信息 花崗質(zhì)巖石的信息 捕虜體與捕虜晶的研究：巖石探針 流體包裹體的研究2、巖石圈構(gòu)造基本類型大陸巖石圈大陸裂谷、地臺、造山帶過渡巖石圈島弧、邊緣海、陸間裂谷、弧前盆地、弧間盆地大洋巖石圈大洋中脊、大洋盆地、大洋火山島、海溝3、對巖石圈結(jié)構(gòu)的一些新認(rèn)識（1）巖石圈的縱向和橫向不均一性對巖石圈的經(jīng)典理解剛性的固體板塊超深鉆和地球物理探測發(fā)現(xiàn)：a、巖石圈存在垂向的分層性構(gòu)造證據(jù)：不

13、同規(guī)模、不同層次的層間滑動斷裂，如變質(zhì)巖區(qū)普遍存在的順層韌性剪切帶（一定層次）、固態(tài)流變構(gòu)造、大型伸展剝離斷層和逆沖推覆構(gòu)造地球物理證據(jù)：廣泛存在低速層和高導(dǎo)層，大陸巖石圈存在“三明治”結(jié)構(gòu)。b、巖石圈存在橫向的不均一性不規(guī)則的多邊形結(jié)構(gòu)（陸塊構(gòu)造） 多級次（10-8108）的強變形帶圍繞弱變形域而構(gòu)成的網(wǎng)結(jié)狀構(gòu)造。殼內(nèi)低速層的不連續(xù)全球統(tǒng)一的軟流圈是否存在？ 巖石圈之下的軟流圈一般為低速層，但有些大陸沒有觀測到軟流圈的低速層。巖石圈縱橫向上的不均一性的發(fā)現(xiàn)其意義在于：大陸構(gòu)造是極為復(fù)雜的，其成因機制也是復(fù)雜的提出了大陸動力學(xué)的研究方向?qū)?jīng)典板塊構(gòu)造理論提出了質(zhì)疑殼內(nèi)高導(dǎo)低速層的解釋顯生宙蓋層

14、與結(jié)晶基底的界面上地殼的低速層與含水和巖石破碎有關(guān)來自俄羅斯科拉半島超深鉆的觀測資料下地殼中包含的沉積巖層地殼深處水平層狀的物質(zhì)流動層下地殼的部分熔融巖漿(2)、巖石圈的力學(xué)性質(zhì)巖石圈的流變分層性傳統(tǒng)的巖石圈流變學(xué)分層性均一的地殼以石英為代表的流變學(xué)行為均一的上地幔以橄欖石為代表的流變學(xué)行為三明治式的多層流變模型 存在一個或多個塑性強度低的或不能干的層分隔開具有脆性破裂特征的強度高或能干的層。這種三明治式的多層流變結(jié)構(gòu)是地殼（巖石圈）厚度、巖石學(xué)特征、溫度等物理狀態(tài)的函數(shù)。Ranalli和Murphy(1987)建立的七種巖石圈流變學(xué)剖面模型模式a: 40km的石英花崗質(zhì)地殼前寒武地盾區(qū)，如加拿大地盾（1）上地殼（20-25km以內(nèi)）脆性（2）下地殼(25-40km)塑性（3）上地幔上部（40-80km)脆性（4）上地幔下部強度逐漸減小模式b: 40km厚的地殼，但上地殼為石英花崗質(zhì)地殼；下地殼為中基性部分前寒武地盾區(qū) 整個地殼和上地幔均為脆性，僅在上地殼和下地殼底部存在薄的塑性層。模式c: 60km的石英花崗質(zhì)地殼中新生代大陸對接帶 與模式a類似，但因地殼厚度大，其塑性的下地殼厚度大，且強度很低模式d: 60km厚的地殼，但上地殼為石英花崗質(zhì)；下地殼為中基性造山帶區(qū)與模式b不同的是，由于地殼厚度的加大，在20-30km