板块构造理论的历史发展

板块构造理论的历史发展


发布日期: 2024-04-24 更新日期: 2024-04-24 编辑:xuzhiping 浏览次数: 477

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摘要: 板块构造学是解释地球岩石圈运动和行为的科学理论,地球岩石圈由地壳和上地幔组成。该理论认为,地球的岩石圈被分成一系列板块,这些板块在地核产生的热量的驱动下不断运动。当这些板块移动时,它们相互作用,导致一系列地质现象,例如地震、火山爆发和山脉的形成。 板块构造理论...

板块构造学是解释地球岩石圈运动和行为的科学理论,地球岩石圈由地壳和上地幔组成。该理论认为,地球的岩石圈被分成一系列板块,这些板块在地核产生的热量的驱动下不断运动。当这些板块移动时,它们相互作用,导致一系列地质现象,例如地震、火山爆发和山脉的形成。

板块构造理论是在 20 世纪 60 年代和 1970 年代基于地球物理数据和地球表面特征观测的结合而发展起来的。它取代了早期的“大陆漂移”和“海底扩张”理论,为理解地球地质历史和自然资源分布提供了统一框架。与板块构造相关的一些关键概念包括板块边界的类型、俯冲和海底扩张的过程、山脉和洋脊的形成以及世界各地地震和火山活动的分布。板块构造对于我们理解自然灾害、气候变化和地球生命的进化具有重要意义。

板块构造

除了仅仅描述当前的板块运动之外,板块构造学还提供了一个连接地球科学许多要素的总体框架。板块构造学是一个相对年轻的科学理论,需要 20 世纪 50 年代和 1960 年代观测和计算技术的进步才能得到充分阐述。它的解释性的严肃性和观测证据的分量克服了人们最初对地球表面的真实移动性的怀疑,板块构造学很快被全世界科学家普遍接受。

板块构造理论的历史发展

板块构造理论是地质学领域最基本、最具影响力的理论之一。该理论解释了地球岩石圈的结构以及驱动地球构造板块运动的过程。板块构造理论的发展是许多科学家几个世纪以来贡献的结果,以下是板块构造理论历史发展中的一些关键发展:

  • 阿尔弗雷德·韦格纳 (Alfred Wegener) 提出的大陆漂移假说 (1912): 阿尔弗雷德·韦格纳 (Alfred Wegener) 于 1912 年首次提出大陆曾经相连、后来逐渐分离的观点。韦格纳的假设基于大陆的契合度、岩石类型和化石的相似性。 大西洋两岸,以及过去冰川作用的证据。
  • 古地磁学研究(1950 年代):20 世纪 50 年代, 岩石磁化研究海底这种模式提供了海底扩张的证据, 并有助于支持大陆漂移的观点。
  • Vine-Matthews-Morley hypothesis(1963):1963 年, Fred Vine、Drummond Matthews 和 Lawrence Morley 提出了一个假说, 用海底扩张的角度解释了海底的对称磁条。 该假说表明,新的洋壳在洋中脊处形成, 并以相反的方向远离洋脊,形成磁条图案。
  • 板块构造理论(1960年代末):20世纪60年代末, 大陆漂移和海底扩张的思想被合并到板块构造理论中。 该理论解释了由大陆和洋壳组成的地球岩石圈板块的运动。 板块响应地幔对流产生的力而移动, 并且它们在板块边界处相互作用, 这与地震、火山活动和造山有关。
  • 后续完善:自从板块构造理论发展以来, 我们对板块运动和板块边界的理解有了许多完善和进步, 这些包括识别不同类型的板块边界(例如,发散、汇聚和变换)、热点和地幔柱的研究以及使用全球定位系统(GPS)跟踪板块运动。

该理论的证据

该理论的证据

板块构造理论得到了各个研究领域的广泛证据的支持,以下是一些示例:

  • 古地磁学:岩石含有微小的磁性矿物, 在形成时它们会与地球磁场对齐。 通过测量这些矿物的方向, 科学家可以确定岩石形成的纬度。 当比较来自不同大陆的岩石时, 它们表明它们的磁性方向是匹配的, 就像它们曾经连接在一起一样。
  • 海底扩张:新洋壳形成的洋中脊是地球上最长的山脉。 当岩浆在山脊上升并凝固时, 它会产生新的洋壳, 并以相反的方向远离山脊。 通过测量海脊两侧岩石的年龄, 科学家们发现海底正在分开。
  • 地震和火山:大多数地震和火山发生在板块边界, 这提供了板块移动的进一步证据。
  • GPS 测量:全球定位系统 (GPS) 技术使科学家能够非常准确地测量地球板块的运动。 这些测量证实板块确实在移动, 并提供有关板块运动的速率和方向的信息。
  • 化石证据:在大西洋的两侧发现了相同生物体的化石, 这表明大陆曾经连接在一起。

总体而言,板块构造理论得到了来自各种来源的大量证据的支持,为地球岩石圈板块的运动和相互作用提供了强有力的解释。

板块边界:类型和特征

板块边界是指构成地球岩石圈的板块相互作用的区域。板块边界主要有三种类型:发散型、会聚型和变换型,每种类型都有特定的特征和地质过程。

  • 发散的板块边界:这些发生在板块彼此远离的地方。 岩浆从地幔中升起,并在冷却和凝固时形成新的地壳。 这个过程称为海底扩张,并导致洋中脊的形成。 陆地上也出现分歧边界,形成裂谷。 不同边界的例子包括大西洋中脊和东非裂谷区。
  • 会聚板边界:这些发生在板块相互靠近的地方。 根据所涉及的板块类型, 汇聚边界分为三种类型:大洋-大洋、大洋-大陆和大陆-大陆。 在大洋-大洋交汇边界处, 一个板块俯冲(潜入)另一个板块, 形成深海海沟。 俯冲还在上方板块上形成了火山弧。 大洋交汇边界的例子包括阿留申群岛和马里亚纳群岛。 在海洋-大陆汇聚边界处, 密度较大的海洋板块俯冲到密度较小的大陆板块下方, 形成大陆火山弧。海洋-大陆交汇边界的例子包括安第斯山脉和喀斯喀特山脉。 在大陆-大陆汇聚边界处,两个板块都不会俯冲, 因为它们的浮力太大。相反,它们会皱缩和折叠, 形成巨大的山脉。 大陆与大陆交汇边界的例子包括喜马拉雅山脉和阿巴拉契亚山脉。
  • 变换板边界:这些发生在板彼此滑动的地方。 它们的特点是走滑断层,其运动是水平的而不是垂直的。 变换边界与地震有关, 最著名的例子是加利福尼亚州的圣安德烈亚斯断层。

板块边界的特征与板块相互作用的类型以及在这些边界发生的地质过程有关,了解板块边界的类型对于了解板块构造和塑造地球的地质过程至关重要。

板块边界:类型和特征

板块构造如何运作

板块构造学是描述地球岩石圈的大部分(地壳和地幔最上部)在较弱的软流圈顶部运动的理论。岩石圈被分解成一系列板块,这些板块以每年几厘米的速度相对移动,这些板块的运动是由地球内部产生的力驱动的。

板块构造过程包括以下步骤

  • 在大洋中脊形成新的海洋岩石圈, 岩浆从地幔中升起并凝固形成新的地壳, 这称为海底扩张。
  • 俯冲带古老海洋岩石圈的破坏, 其中一个板块被迫进入另一个板块下方进入地幔, 此过程伴随着地震能量的释放,引起地震。
  • 板块由于其边界处产生的力而运动, 这些力可以发散、会聚或变换。

板块之间的相互作用,可能导致山脉的形成、海洋盆地的打开或关闭以及火山的形成。总的来说,地球板块的运动造成了我们在地球上观察到的许多地质特征。

什么是板块?

地球岩石圈是地球最外层的固体层,分为几个大大小小的板块,漂浮在下面的延性软流圈上。这些板块由地壳和地幔最上层组成,它们可以相互独立移动。大约有十几个主要板块,分别是太平洋板块、北美板块、南美板块、欧亚板块、非洲板块、印度-澳大利亚板块、南极板块和纳斯卡板块,以及几个较小的板块。

板块边界

板块边界是两个或多个构造板块相遇的区域。板块边界主要有三种类型:发散边界,板块彼此分开;会聚边界,板块相互移动并碰撞;并改变板块相互滑过的边界。这些边界具有特定的地质特征和现象,例如裂谷、洋中脊、俯冲带和地震。板块边界处的相互作用导致了许多地质过程,包括造山、火山活动和海洋盆地的形成。

不同的边界:特征和示例

发散边界是两个构造板块彼此远离的位置。这些边界既可以在陆地上也可以在海底找到。当板块分开时,岩浆上升到地表并冷却形成新的地壳,从而在板块之间形成间隙或裂痕。

发散边界的特点

  • 大洋中脊:在大洋板块之间不同边界处形成的水下山脉。 最广泛和最著名的洋中脊是大西洋中脊。
  • 裂谷:在不同板块边界的陆地上形成的深谷,例如东非裂谷。
  • 火山:当岩浆在不同的边界上升到地表时, 就会形成火山,特别是在边界位于海底的地区, 这些火山通常是盾状火山,面积广阔且倾斜缓慢。

发散边界的示例

  • 大西洋中脊:北美板块和欧亚板块的分界线。
  • 东非大裂谷:非洲板块与阿拉伯板块的分界线。
  • 冰岛:一座火山岛,位于北美板块和欧亚板块交界处的大西洋中脊上。

不同的边界:特征和示例

收敛边界:特征和示例

会聚边界是两个构造板块碰撞的区域,这些边界的特征和特征取决于正在聚合的板块类型,无论是海洋板块还是大陆板块,以及它们的相对密度。收敛边界可分为三种类型:

  • 大洋-大陆辐合:在这种类型的辐合中, 海洋板块俯冲到大陆板块下方, 形成深海海沟和火山链。 海洋板块的俯冲导致地幔部分熔化, 从而导致岩浆的形成。 岩浆上升到地表, 在大陆板块上形成火山链。 这种边界的例子包括南美洲的安第斯山脉和北美洲的喀斯喀特山脉。
  • 大洋-大洋辐合:在这种类型的辐合中, 一个大洋板块俯冲到另一个大洋板块下方, 形成深海沟和火山岛弧。 海洋板块的俯冲导致地幔部分熔化, 从而导致岩浆的形成。 岩浆上升到地表并形成火山岛弧, 此类边界的例子包括阿拉斯加的阿留申群岛和西太平洋的马里亚纳群岛。
  • 大陆-大陆辐合:在这种类型的辐合中, 两个大陆板块碰撞,形成高山脉。 由于两个大陆板块的密度相似, 因此两者都不能俯冲。 相反,板块被向上推, 形成具有广泛褶皱和断层的高山脉。 这种边界的例子包括亚洲的喜马拉雅山脉和北美的阿巴拉契亚山脉。

在汇聚边界,由于发生强烈的地质活动,地震、火山爆发和山脉的形成是常见的特征。

变换边界:特征和示例

变换边界是两个构造板块以水平运动相互滑过的区域,这些边界也称为保守边界,因为岩石圈没有净创造或破坏。以下是变换边界的一些特征和示例:

特征

  • 转换边界通常以岩石圈中的一系列平行断层或裂缝为特征。
  • 与变换边界相关的断层长度可以从几米到数百公里不等。
  • 变换边界可以在地球表面创建线性特征,例如山谷或山脊。
  • 板块沿变换边界的运动会产生地震。

示例

  • 圣安德烈亚斯断层是变换边界的一个著名例子, 它标志着北美板块和太平洋板块之间的边界。
  • 新西兰的阿尔卑斯断层是转换边界的另一个例子, 标志着太平洋板块和澳大利亚板块之间的边界。
  • 中东的死海转换是一个复杂的转换断层系统, 连接红海裂谷和东安纳托利亚断层带。
  • 变换边界在板块构造中发挥着重要作用, 它们有助于适应板块沿地球表面的运动。

变换边界:特征和示例

板运动和板运动学

板块运动是指构造板块之间的相对运动。对板块运动的研究称为板块运动学,板块运动学涉及测量构造板块运动的方向、速率和方式。

板块运动是由地幔中岩浆的运动驱动的,导致板块以不同的方向和不同的速度运动。板块的运动可以使用多种技术来测量,包括 GPS(全球定位系统)和卫星图像。

板块边界可分为三种类型:发散型、会聚型和变换型。在不同的边界处,两个板块相互远离,在此过程中形成新的地壳。在会聚边界处,两个板块彼此靠近,密度较大的海洋板块俯冲到密度较小的大陆板块下方。在变换边界处,两个板水平地相互滑过。

板块运动的方向和速度会受到多种因素的影响,包括岩石圈的密度和厚度、岩石圈板块的强度和方向以及地幔对流单元的分布。板块运动学的研究对于了解地壳的形成和演化以及预测和减轻地震和火山喷发的影响至关重要。

板块构造的驱动力

板块构造的驱动力是引起地球构造板块运动的力,驱动力主要有两种类型:

  • 山脊推力:这种力是由洋中脊岩浆向上推力产生的, 从而形成新的洋壳。 当新地壳形成时,它将旧地壳推离山脊,导致其移动。
  • 板块拉力:这种力是由俯冲海洋岩石圈的重量引起的, 它将板块的其余部分拉向俯冲带。 当板块被拉动时,可能会导致变形、地震和火山活动。

板块构造的其他可能驱动力包括地幔对流(地核热量导致地幔缓慢运动)和重力(可导致板块横向运动)。

板块构造与地震

板块构造和地震是密切相关的现象。当两个板块在其边界相互作用时就会发生地震。板块边界分为三种类型:发散型、会聚型和变换型,三种类型的边界都会发生地震,但地震的特征因边界类型而异。

在不同的边界,地震往往是浅层和低震级的。这是因为板块正在分开,岩石上的摩擦和应力相对较小。然而,随着板块进一步分开,地震的深度可能会增加。

在聚合边界处,地震可能是深震级和高震级的。这是因为板块碰撞,岩石承受着高应力和压力。俯冲带,即一个板块被压在另一个板块之下的地方,特别容易发生大规模的破坏性地震。变换边界也会经历大地震。这些边界出现在两个板块水平滑过彼此的地方,岩石上的摩擦和压力会导致大地震。

总体而言,板块构造是地球上大多数地震背后的驱动力,了解构造板块的运动和相互作用对于预测和减轻地震灾害至关重要。

板块构造和火山作用

板块构造和火山活动密切相关,因为地球的大部分火山活动发生在板块边界。岩浆从地幔中升起,并在构造板块运动的作用下被迫向上,形成火山喷发。火山的类型和喷发方式是由岩浆的成分和粘度决定的。在不同的板块边界,岩浆从地幔中升起,形成新的地壳,形成通常不会爆炸的盾状火山,大洋中脊是此类火山活动的例子。

在会聚板块边界处,密度较大的海洋板块俯冲到密度较小的大陆板块下方,使俯冲板块熔化形成岩浆。这种类型的火山活动会导致爆炸性喷发和成层火山的形成,太平洋火环是一个火山活动强烈的区域,发生在聚合板块边界处。转换板块边界通常不会产生火山活动,但它们可以产生火山特征,例如裂缝喷发和火山喷口。

综上所述,板块构造对火山的形成和位置起着重要作用,火山活动类型由板块边界类型和岩浆成分决定。

板块构造与造山

板块构造在造山或造山运动中发挥着重要作用,山脉是由于地壳的变形和隆起而形成的。造山过程有两种类型:1)收敛边界造山和2)板内造山。

汇聚边界造山发生在两个构造板块碰撞并引起隆起和变形的地方,这种山地建筑最突出的例子是喜马拉雅山脉。印度次大陆与欧亚板块碰撞,导致喜马拉雅山隆起。板内造山发生在构造板块在地幔柱上移动的地方。当板块在地幔柱上移动时,岩浆上升到地表,形成火山岛和山脉。夏威夷群岛是板内造山的一个示例。

板块构造还在其他地质结构的形成中发挥着作用,例如裂谷和海沟。在裂谷中,地壳被构造力拉开,形成山谷。大洋海沟形成于俯冲带,其中一个构造板块被推到另一个构造板块下方并进入地幔。当板块下降时,它会弯曲并形成深沟。

板块构造和岩石循环

板块构造和岩石循环是塑造地球表面及其地壳组成的密切相关过程。岩石循环描述了岩石通过风化、侵蚀、热量和压力、熔化和凝固等地质过程从一种类型转变为另一种类型的过程。板块构造通过俯冲、碰撞和裂谷过程循环和改变地壳,在岩石循环中发挥着重要作用。

俯冲带是一个构造板块被迫位于另一个构造板块之下的区域,它们与火山弧和岛弧的形成有关。当俯冲板块下降到地幔中时,它会升温并释放出水,从而降低周围岩石的熔化温度并产生岩浆。这些岩浆上升到地表并形成火山,将新的矿物质和气体释放到大气中。

碰撞区发生在两个构造板块汇聚并抬升地壳的地方,导致山脉的形成。例如,印度板块和欧亚板块的碰撞创造了喜马拉雅山脉。这个过程还会导致岩石变质,因为碰撞的高温和压力将它们转变为新型岩石。

裂谷带是构造板块分开的区域,导致新洋盆和洋中脊的形成。随着板块分开,地壳变薄,岩浆上升填充间隙,最终凝固并形成新的地壳。这个过程会产生火山活动,并可能导致新矿床的形成。总之,板块构造通过俯冲、碰撞和裂谷过程创造新地壳、回收旧地壳以及改造岩石,从而驱动岩石循环。

板块构造与生命演化

板块构造在地球生命的进化中发挥了重要作用。随着时间的推移,它塑造了地球的环境,并促进了生命的发展和多样化。以下是板块构造影响生命进化的一些方式:

  • 大陆的形成:板块构造导致了大陆的形成及其随时间的运动。 大陆的分离和碰撞为不同类型的生物的进化创造了多样化的栖息地。
  • 气候变化:板块构造通过改变陆地和海洋的分布以及海洋和大气的环流模式来影响气候变化, 这通过创造新的栖息地和改变环境条件影响了物种的进化。
  • 生物地理学:大陆的运动为物种的迁徙创造了障碍和路径, 导致独特的生态系统和生物地理格局的发展。
  • 火山作用:板块构造导致了火山的形成, 火山通过提供新的栖息地和营养丰富的土壤,促进了生命的进化。

总体而言,板块构造一直是塑造地球环境并为生命进化和多样化创造必要条件的关键因素。

板块构造与矿产资源

板块构造对矿产资源的形成和分布起着重要作用。矿床,包括金、银和铂等贵金属,以及铜、锌和铅等工业金属,通常与板块边界有关。

在汇聚板块边界,俯冲带可产生大型矿床,包括斑岩铜、浅成热液金、银以及块状硫化物矿床。这些沉积物是由俯冲板片和上覆地幔楔释放的热液形成的,导致周围岩石中的矿物沉淀。此外,新洋壳形成的洋中脊可能蕴藏着富含铜、锌和其他金属的硫化物矿物沉积物。这些沉积物是由热液喷口形成的,热液喷口将富含矿物质的流体释放到周围的海水中。

板块构造也影响碳氢化合物沉积物的形成,例如石油和天然气。这些矿床通常发现于与裂谷、被动边缘和汇聚边缘相关的沉积盆地中。随着时间的推移,富含有机物的沉积岩被埋藏和加热,导致碳氢化合物的形成。

总体而言,板块构造是矿产资源形成和分布的关键因素,了解与板块边界相关的地质过程对于识别和开发这些资源至关重要。

热点

尽管地球上的大部分火山活动都集中在板块边界沿线或附近,但也有一些重要的例外,这种活动发生在板块内。最显著的例子是远离板块边界、长度数千公里的线性岛屿链。这些岛链记录了沿岛链从火山岛到岸礁到环礁,最后到水下海山的典型海拔下降序列。一座活火山通常存在于岛链的一端,而岛链的其余部分则逐渐出现较古老的死火山。加拿大地球物理学家 J.Tuzo Wilson 和美国地球物理学家 W.Jason Morgan 将这种地形特征解释为热点的结果。

构成地球岩石圈的主要构造板块。此外,还有数十个热点,炽热的地幔物质羽流在板块下方上涌。

地震区,火山世界地震带出现在红色带中,并且大部分与地球构造板块的边界重合。黑点表示活跃火山,而空心点表示不活跃火山。

热点

描绘环礁形成过程的图表,环礁是由下沉的火山岛的残余部分形成的。

这些热点的数量不确定(估计范围为 20 到 120 个),但大多数发生在板块内而不是板块边界。热点被认为是巨大热羽流的表面表现,称为地幔羽流,从地幔深处上升,可能是从地表以下约 2,900 公里(1,800 英里)的核心-地幔边界上升,这些羽流被认为相对于在其上方移动的岩石圈板块而言是静止的。火山建立在羽流正上方的板块表面上。然而,随着板块的移动,火山与其下面的岩浆源分离并灭绝。死火山在冷却和沉降时受到侵蚀,形成岸礁和环礁,最终沉入海面以下形成海山。

这一过程的最佳例子保存在夏威夷-皇帝海山链中。羽流目前位于夏威夷下方,由岛屿、环礁和海山组成的线性链向西北延伸 3,500 公里(2,200 英里)至中途岛,并进一步向西北北延伸 2,500 公里(1,500 英里)至阿留申海沟。随着距夏威夷距离的增加,这条火山链上火山活动灭绝的年龄也逐渐变大,这是支持这一理论的关键证据。热点火山活动不仅限于海洋盆地;它也发生在大陆内,例如北美西部的黄石国家公园。

测量结果表明,热点可能会相对移动,这是经典模型无法预测的情况,经典模型描述了岩石圈板块在静止地幔柱上的运动。这给这一经典模型带来了挑战。此外,热点和羽流之间的关系也引起了激烈的争论。

经典模型的支持者认为,这些差异是由于羽流上升时地幔循环的影响造成的,这一过程称为地幔风。来自替代模型的数据表明,许多羽流并不是根深蒂固的。相反,他们提供的证据表明,许多地幔柱以线性链的形式出现,将岩浆注入裂缝中,这是由相对较浅的过程造成的,例如局部存在富含水的地幔,源于大陆地壳的绝缘特性(导致地幔热量积聚和地壳减压),或者是由于大陆地壳和海洋地壳之间界面的不稳定。此外,一些地质学家指出,其他人归因于地幔柱行为的许多地质过程可能可以用其他力来解释。

本文内容来源于网站:https://geologyscience.com/geology/plate-tectonics/,由小编整理编译。

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