左右地球科学发展的重要假说Word格式文档下载.docx

1、Davison （1888）提出过类似设想：地球只在上层中发生收缩（由冷却引起），这些层处于内部引张的状态。由于大陆压力的影响，大陆之下的引张量必将远小于大洋区下的引张量。这种状况趋于使大洋盆地更进一步沉降，而且也是导致大洋盆地成为永久性的一条物理上的原因。任何造山效应都是在大洋与大陆交接的地方表现得最为突出，这就使人们提出了大地生长的思想。 对四面体收缩说的主要批评意见是，从性能上看，地球最上层的皮无法阻止其本身的面积因切向力的作用而发生改变。此外，这样一个外壳的变形理论似乎表明，这种变形应该是屈曲，而屈曲球壳的变形是对称于一条直径的，其形状的偏离由一系列沿着以对称直径为轴的平行纬圈的球调和

2、函数给出。这就反把四面体收缩的设想给排除了。 早期的收缩说一直流行至20世纪50年代。由于地球在地质历史进程中很可能发生过某种收缩，因此，对收缩说的研究并没有因它有上述明显不足而终止。后来还发展过两种收缩假说。第一种是弹性不稳定说。按这种假说，当地球变冷时，岩石圈因褶皱作用而变弯（皱缩的苹果）。Jeffreys （1962）认为，这种皱缩幅度极大，以致它们在弹性上可能不稳定，即断裂-收缩假说（Jeffreys， 1962； Meyerhoff et al.， 1972）。MacDonald（1963）论证，由于放射性元素衰变产生的热量，地球并不是一开始就产生收缩，而是一直到最后的11亿年前左右

3、才有收缩发生。他主张的收缩模式也是断裂-收缩模式。最近Meyerhoff et al.（1992）等提出了一种全球构造的新概念-涌流构造，把地球的收缩作用作为构造运动的触发器。可见，虽然单独的收缩作用不能解释所有构造运动的成因，但地球的收缩作用在地球动力学中的影响仍是需要考虑的。 2 地球膨胀学说 地球膨胀说认为地球一直在不断膨张。从1620年培根（F. Bacon）提出地球膨胀的观点以来，曾经提出过好几个地球膨胀的假说，来解释造山运动和大陆及大洋的形成等。膨胀说假定地球是由若干层组成的，最顶上一层代表地壳，其下相邻的一层代表膨胀层。造山效应就发源于这个膨胀层，所产生的应力又转而使地壳屈服。这

4、一假说可以岛弧和海沟的形成以及造山要素之间的联系做出解释，特别是能解释海洋造山运动。也有人用地球膨胀作为大陆的成因。例如Hilgenberg（1933）根据大陆可以拼合为一个球面的实况，认为初期的地球比现在小得多，并被硅铝壳所覆盖，后因地球膨胀，体积增大，硅铝壳因受拉张而破裂，其碎块逐渐分离形成大陆。与此同时，地球的大洋也随表层的崩解而形成和发展。 地球的洋脊、裂谷系统理所当然地被地球膨胀论者作为支持其据说的重要证据。据推测，膨胀是从像大西洋中脊那样的大破裂口开始的。随着对洋脊、裂谷系探测研究的深入开展，20世纪50-60年代以来，地球膨胀说一度又显得十分活跃。Carey（1976）把大陆漂移

5、、海底扩张和地球上各级规模的构造都归因于地球的膨胀。他提出，地球的膨胀是非对称的，南半球比北半球膨胀得更显著，因此所有大陆皆向北移动，而所有环绕太平洋的大陆看来正向着太平洋运动。 地球膨胀说的主要问题是其难以解释地球膨胀所引起的巨大密度变化。例如，如果地球的直径以因数2增加，将引起面积以因数4增加，体积以因数8增加，密度以因数8减小。现代地球的平均密度为5.5g/cm3，地球开始膨胀前的平均密度就必然达到大约44g/cm3。这样大的密度变化带来的结果是，地球表面相应的重力加速度将是现代的4倍，地球的惯性矩将是现代的1/4，地球的自转将比现代快得多。古生物钟和天文观测证实，一天的长度（日长）只比

6、现代的少约10%，远不是地球膨胀说所期望的值。 引起地球膨胀的可能机制据认为主要有：1、热效应；2、地球内部物质的化学变化或相变；3、万有引力常数的缓慢减小。虽然在地球历史中，特别是在地球的早期，有可能存在着热的纯增长，因而有地球整体的轻微膨胀，但是，其效应看来只不过能造成一些深海沟等，不可能有更大的影响。将引起膨胀所要求的能量和在化学键中的可用能量进行对比，来估计地球内部的化学变化或相变能否导致地球大规模的膨胀，发现地球半径均匀地膨胀20%所要求的能量，要等于打破组成地球的分子的几乎全部化学键所需的能量。因此，地球内部物质的化学变化这种机制产生的能量也不足以造成大陆的大规模膨胀。估算由引力常

7、数的减小所能得到的能量，同样无法说明大于100km的地球半径增长存在可能性。总之，地球膨胀说在机制问题上也遇到不可克服的困难，很难找到引起膨胀的机制。 虽然地球膨胀说存在种种问题，这些问题目前仍未能得到合理解决，但仍有一些支持者在继续探索。 （1989）得出伴有质量增大的地球膨胀会使自由落体加速度（g）的值大增。古地球的g仅为现今地球g值的40%。G的增大伴随着地壳下物质密度增大，最终将导致较老地壳相对于年轻地壳不断上浮。地壳的这一性状正好被地质资料所证实。例如，在大西洋型和太平洋型洋壳与陆壳的相连地区，老地壳逐步占据了较高位置。所以，相对于更年轻地壳发生了老地壳的不断出露。他还作了地球质量和

8、体积随时间呈指数增长来探讨地球发展历史的8项推断。由它们引伸的主要论点，与实际资料不相矛盾，又可详细说明地质现象的物理化学原理，一些重要的大地构造作用得到合乎逻辑的阐明，同时许多大地构造概念得到了运用。他还推断，由于膨胀，地球族行星的爆炸是不可避免的。 Owen（1992）认为，Carey的地球膨胀说正处于大陆漂移说早期被否定的那种状况；Carey对地球动力学的贡献未受到应有的重视。Owen根据大量海洋地壳扩张数据和地质及古生物资料，论证了地球在过去200Ma期间不仅发生过大陆漂移，还发生过膨胀，从今天直径的80%膨胀到今天的值。他还用横贯太平洋的卫星激光测距结果来证明其论断。卫星激光测距结果

9、表明，太平洋中大陆的收敛明显小于为了平衡扩张所需要的值。他指出，从地核是稳态和均变论的思想出发无法理解地球膨胀的概念。Kremp（1992）依据核-幔边界处的外核温度比地幔底部D层的温度至少高200的地震学新探测结果，讨论了地球在过去200Ma期间快速膨胀的可能性。他的结论是地球的大小在过去200Ma时为现在的60%。 3 地球脉动说 地球收缩说和地球膨胀说都包含一定合理性，又都存在一定问题。在这两种假说基础上很自然地便产生了地球一段时期膨胀，另一段时间收缩，膨胀和收缩交替发生的地球脉动说。在地球膨胀期，地壳受到引张作用，产生出大规模的隆起与拗陷，大型裂谷和岩浆喷发；在地球收缩期，地壳受到挤压

10、作用，产生出褶皱山系，并伴有岩浆活动。 脉动学说虽然较好地解释了构造运动的周期性，但却不能解释地壳构造的方向性，并且对胀、缩的原因有不同看法，因此，自1933年布契尔（W. N. Bucher）提出这一学说以来，一些研究者曾试图将此学说加以改进。 （1989）提出了一个将脉动说与壳下流和大陆活动论结合起来的地球动力学新模式。他认为，地球动力学模式既要考虑地球的收缩，也要考虑它的膨胀，即建立在脉动假说的原则上。按此观点，当地球收缩和膨胀交替时，收缩效应集中在一些带上，而膨胀效应集中在另一些带上，在此种情况下，处于中间的断块应该从拉张带移向挤压带，所以在脉动的地球动力学模式中自然包括大陆活动论原则

11、。这一模式还考虑了在地球半径增减交变作用下地幔内物质的移动，认为地球挤压力可促使壳下流观点主张的物质分离和移动。该模式的提出者认为，体现脉动假说和解释岩石圈移动的假说相结合的地球动力学模式是目前最有前景的模式。 4 涌流构造（Surge Tectonic）说 涌流构造是迈耶霍夫等（Meyerhoff et al. 1992）提出的一个新全球构造和地球动力学模型。他们认为，大多数地表构造，包括板块构造不能解释的一些构造现象，可用软流圈的涌动来解释。软流圈涌动的驱动机制是地球收缩引起的岩石圈塌陷。当冷却凝固了的岩石圈块段塌陷到软流圈中时，部分岩浆按重力法则上涌，一直达到岩浆密度与周围岩石密度基本平

12、衡的位置上，才会稳定下来。这一过程像巨型液压机一样，遵循帕斯卡定律，能将所受压力通过岩浆的涌动传递到各个方向。强的岩浆涌动对构造运动起决定作用。 岩浆涌动的通道，迈耶霍夫等（Meyerhoff et al. 1992）称为涌流通道，是岩石圈中最基本的构造单元，可以通过近40种物性标志加以鉴别。涌流通道暂分为洋盆涌流通道、大陆边缘涌流通道和大陆涌流通道三大类。大洋中脊及其主要分支下的通道，是洋盆涌流通道中的主干通道，其长度可达几百万米，宽度可以从1000km到大于3000km。这些通道可为构造运动提供浅层作用机制。它们的存在可以用全球地热图来证实。 迈耶霍夫等（Meyerhoff et al.

13、1992）认为，全球高热流带（55mW/m2）相互连通的网状分布形式，用现有的地球动力学假说无法解释，但可以认为这些高热流带是由下伏的浅层岩浆通道-涌流通道形成的。如果涌流通道被强烈压缩，它们应该变成裂谷带或褶皱带。每个通道的变形形式是它上面的岩石圈厚度的函数。 据说，在由从事板块构造研究的科学家自1965年以来汇集的36个数据集中，用板块构造学说只能解释13个。它们是洋中脊、大陆裂谷、走滑带、岩浆弧、大洋和大陆山区、深海沟、贝尼奥夫带、地槽、造山岩体、蛇绿岩套、混杂岩、变质核杂岩体和拆离断层带。其余23种构造现象的时代都为侏罗纪或更新一些，它们仅出现在高热流带之下，都和浅部的岩浆运动，因而和

14、涌流通道有关。这23种现象包括高热流带、微地震带、长的线性断裂和裂隙带、构造带分段性、两侧对称的双向褶皱带、地幔底辟、构造地层地体、与褶皱带平行的拉抻线理、反向变质梯度、地幔片麻岩穹隆、热泉链、成行的熔岩区、岩墙群、非造山岩体链、金伯利岩筒、长条状蒸发岩盆地、岩石圈低速带、异常上地幔透镜体、高导层、向东迁移的构造带、弥散板块边界、大地电磁复合体和旋卷构造等。 声谱仪显示洋中脊被成千上万条平行洋中脊的裂隙切割，证实洋中脊下面软流圈流动并不与洋中中脊垂直，而是与洋中脊平行。迈耶霍夫等（1992）把这作为批判海底扩张和证实岩浆通道存在的证据。 涌流构造假说的提出者认为，这一假说的一个重要优点是，它不

15、仅提供了一个将岩浆活动和构造作用的各个方面统一起来的机制，而且还在解释所观测到的所有构造现象上具有内在的协调一致性。不过应该看到，他们对许多构造现象的解释还是很初步的。例如，前已提及，迈耶霍夫等列出了54种向东迁移的构造现象，笼统地指出这与地球自转有关，但未作深入的机制分析。涌流构造的触发机制是地球收缩引起的岩石圈塌陷。地球收缩引起岩石圈塌陷的可能性和强度以及地球收缩与地质旋回的相关性等也是涌流构造假说还须深入解决的问题。虽然还不能说涌流构造假说已很完善，但它对板块构造假说的批判和所提出的许多问题对地球动力学研究确实是有启发性的。 5 大陆漂移说 大陆漂移的思想由来已久。英国哲学家培根（Bac

16、on, 1620）指出，大西洋两岸海岸线的吻合并不是一种偶然的巧合。地理学家斯奈德（Snider, 1858）在地球形成及其奥秘一书中，用欧、美两洲古生代煤层中化石的相似性作为依据，首次把大西洋两侧大陆加以拼合。美国学者泰勒（Taylor, 1910）指出，欧亚、北美和澳大利亚大陆的移动，是形成环太平洋岛弧和褶皱山系的原因。 德国气象学家和地球物理学家魏格纳（Wegener）将这些简朴、零散的大陆漂移思想加以发展，在其1912年的大陆的生成和1915年的海陆的起源一书中，系统地论述大陆漂移问题，创建了大陆漂移说（Wegener, 1929; Wegener, 1966; Wegener, 20

17、01）。 魏格纳认为，大陆由较轻的刚性硅铝层组成，它漂浮在较重的粘性硅镁质洋底上。在中生代以前，地球上所有大陆曾经结合成统一的巨大陆块，称之为联合古陆或泛大陆（Pangaea）；围绕泛大陆的广阔海洋，叫做泛大洋。中生代开始，联合古陆裂解、分离，产生了大西洋和印度洋，分离出的碎块逐渐漂移到目前所在的位置，而泛大洋则收缩为现在的太平洋。魏格纳用图解表示的过去大陆的位置与20世纪50年代以后根据崭新的资料得出的模式异常类似。为发展大陆漂移说，魏格纳利用了现代植物和化石的分布；古代冰川作用在现代热带地区的一些地质证据；尤其是海洋对面两岸海岸线的对称相配，如南大西洋两侧的非洲和南美洲的海岸线就是相配的。

18、魏格纳还认为，年轻的海床比老海床浅；大陆漂过海盆犹如木筏漂过大海。这些都可与现代板块构造学说对照。 魏格纳的观点与现代板块构造学说的区别，可用加里福尼亚地区的运动加以说明。魏格纳（1924）把加里福尼亚看成一块薄的裂片，离开它的母体向北美东南方向漂移，它犁过下地壳，使下加里福尼亚变得弯曲，并沿着加里福尼亚海岸基底凸起。板块构造学说则认为，是两个厚板块彼此在圣安德烈斯断裂和加里福尼亚湾作剪切运动，下加里福尼亚是沿着位于主要板块边界邻近的次级断裂的延伸，不是受到挤压。 移动大陆的原动力是什么？根据大陆漂移的方向主要有两种趋势，一是自地球的两极向赤道的离极运动，如原来聚在南极的冈瓦纳古陆分离后逐渐北

19、漂；另一趋势西漂，如美洲大陆向西漂移，在其西缘形成科迪勒拉和安第斯山系，在其东缘形成一系列群岛（如亚洲、澳大利亚东缘的群岛）。魏格纳认为，大陆漂移的驱动力主要是向西漂移的力和指向赤道的离极力；西漂的力源于日、月引力所产生的潮汐摩擦力；离极力则来自地球自转的离心力。计算表明，这些力的数据确实太小。虽然魏格纳强调，小的力如果长期作用也可能移动大陆，但大多数人认为，这些力都不足以克服对大陆运动的摩擦阻力。因此，杰弗里斯（Jeffreys, 1929）在其地球一书中有力地指出，大陆漂移说在理论上根本是不可能的。 在有关大陆漂移机制的讨论中，霍姆斯（Holmes, 1931）首先提出了地幔对流模式。他认

20、为，大陆由有上覆硅铝层的厚玄武岩质地壳组成，地球内部的重力能和热能可以引起地幔对流，如果地幔内的流体上升到大陆中央并向两侧散开时，大陆就会从这里向两侧裂开，大陆块体被地幔对流携运，留下了大陆之间的破裂和延伸区，成为新的大洋，随着玄武岩浆在对流上升流之上喷出，大洋的面积增大，在对流下降处，玄武岩被转换为榴辉岩并下沉入地幔，为前进的大陆让出位置，并在深处熔融而成玄武岩质岩浆，重新在对流上升处升起，完成对流循环。 魏格纳等将大陆看成是主动的因素，认为大陆本身是把坚硬的地幔推开而前进的；霍姆斯则引入了像在传送带上那样被携运的被动大陆的概念。霍姆斯的假说后来发展成海底扩张假说和地幔对流说。 6 海底扩张

21、说： 19世纪70年代，通过英国挑战者号调查船的环球考察，已知道北大西洋中部有一条海底山系。1925-1927年间，通过德国流星号的回声探测，确定了整个大西洋纵列着一条长达17000km的大洋脊，由于它正好绵延于大西洋的中部，因而，常称之为大洋中脊。20世纪50年代，通过对洋底的勘测进一步发现：世界各大洋都有大洋脊存在，一般都位于大洋中部，并比以前设想的更接近于连续，洋中脊下面曾发生过某种上涌；大洋盆的年龄比较年轻，大洋盆中的沉积也比以前所假定的少得多。原有的大地构造学说未能对大洋底的这些构造现象做出预测，也不能给出确切解释。 20世纪60年代初，一些学者提出，大洋中脊的高热流有可能用地幔中的

22、上升对流来说明，这样也可解释大洋脊的拉张性质。其中，美国地质学家赫斯（Hess, 1962）和迪茨（Dietz, 1961）把对流方案发展，提出了海底扩张的概念。迪茨1961年的论文首先提出了洋底扩张这一名词，但是，首创海底扩张说的还是赫斯（就连迪茨本人也承认这一点），虽然赫斯的论文大洋盆的历史1962年才发表。 海底扩张说圆满地解释了大洋的主要地壳层（大洋层3）的厚度均一性、洋底年龄及洋脊上沉积物超复等当时难以理解的地质问题。赫斯认为，大洋层3底部代表现代的或过去的500等温面。在洋中脊处，随地幔对流涌出的橄榄岩和水通过这个等温面时发生作用产生蛇纹岩，形成新洋壳；在远离洋中脊的地方，500等

23、温面已下降到较深位置，已有的蛇纹岩不会转变成橄榄岩；由于缺乏水，未蛇纹岩化的橄榄岩也不会转变成蛇纹岩。这样，就基本保持了它们在洋中脊处形成时的厚度。按照海底扩张说，如果对流的运动速度为1-2cm/a，洋底便可每200Ma或300Ma完全更新一次。这可以解释洋底的年龄为什么比较年轻，洋底的沉积物厚度为何较小。 迪茨的模式与赫斯的模式相似。但迪茨认为，洋壳是玄武岩质的辉长岩，上地幔则为榴辉岩。玄武岩在高压下变为榴辉岩的地方就是莫霍面。另外，迪茨还把地球表面至70KM深处的层位叫坚硬的岩石圈，试图把它作为一个重要的力学单元，并认为，在岩石圈的下面有一个软层，岩石圈在它上面能够比较自由地活动。实际上，

24、后来的板块构造设想就是由此萌芽的。 威尔逊（Wilson, 1963a）热烈支持海底扩张说，他认为，大西洋的火山岛原来是在洋中脊处形成的，随着在共同的对流体传送带上移动，于是岛屿的年龄离洋中脊越远越老。如靠近大洋中脊的扬马延岛所有岩石的年龄比1000万年更新，亚速尔诸岛加到2000万年，再远一点的百慕大群岛为3600万年，费罗群岛为5000万年，靠近非洲西海岸的费尔南多波岛和普林西比岛则为1.2亿年。在印度洋和太平洋中，他也列出了类似的岛屿年龄数据。这不仅证实了大陆漂移的原来说法，也为海底扩张提供了有力证据。 应当指出的是，赫斯和迪茨的海底扩张说中的地幔对流包括，这既不同于早先认为地幔对流发生

25、在玄武岩质地壳下的霍姆斯模式（Holmes, 1931），也不同于后来将地幔对流限制在岩石圈下的威尔逊模式（Wilson, 1963a）。 从板块构造角度，海底扩张说可概括为：地幔物质在大洋中脊随地幔上升流上涌形成新的大洋岩石圈，新生的岩圈随着软流圈的侧向流动推挤着原有的岩石圈从洋中脊向两侧扩张移动，在海沟处大洋岩石圈随着地幔下降流而俯冲消亡，不断更新。洋中脊是大洋岩石圈的生长带，海沟是大洋岩石圈的消亡带。 7 板块构造学说： 板块构造学说是20世纪60年代中期由Wilson（1965），McKenzie et al.（1967），Morgan（1968），Le Pichon（1968），等人

26、提出的大地构造学说。它是大陆漂移和海底扩张学说的自然引伸，还包括了岩石圈、软流圈、转换断层、板块俯冲、大陆碰撞和地幔对流等一系列概念，有人称为全球构造学说。板块这一术语是Wilson（1965）在论述转换断层的一篇短文中首先提出的。它表示地球表层（岩石圈）被活动带分割所成的大小不一的球面盖板。它的面积很大，厚度很小，并按地球表面轮廓弯曲。 依据构成板块的岩石圈类型，板块可分为大洋板块和大陆板块。构成板块的岩石圈顶层为大洋地壳的板块为大洋板块，如太平洋、大西洋、菲律宾海等板块。岩石圈顶层的一部分为大陆地壳的板块是大陆板块，如欧亚、北美、南美、非洲等板块。 板块构造学说就是关于这些岩石圈板块相互作

27、用，并认为这种相互作用是大地构造活动基本原因的学说。初期的板块构造学说的要点如下： 1固体地球上层在垂向上分成弹粘性的岩石圈和粘性软流圈，下垫弹粘性的中圈。岩石圈在软流圈表面作相对运动。 2岩石圈在侧向上分成数目有限的大、小板块，它们是刚性的和相对稳定的，并按球面运动规律不断改变着彼此之间的相对位置。 3板块边界分为三种类型：A分离扩张型；B俯冲会聚型；C平移剪切型或转换型。 4板块在离散边界处的扩张增生得到会聚边界处俯冲消减的完全补偿，地球体积保持不变。 5地幔中的热对流是板块运动的驱动力。 8 热点-地幔柱假说： 太平洋中的夏威夷海岭和天皇海岭，是由成线状展布的一系列火山堆构成的火山链，其

28、岩石年龄的分布具有明显的定向性。岛链东南端的夏威夷岛火山年龄不超过80万年，岛上的基拉韦厄火山是目前仍在活动的活动火山。从夏威夷岛沿岛链向西北，随着距离的增加火山岩的年龄依次增加。在夏威夷海岭与天皇海岭的转折处，火山年龄约4000万年。天皇海岭呈NNW走向伸向堪察加半岛东侧，北端的明治海山的年龄则达7000万年。 威尔逊（Wilson, 1963b）为解释火山岛链年龄的递变现象而提出了热点的概念。所谓热点是地幔中相对固定和长期的热物质活动中心，它们向活火山提供富集各种微量元素的岩浆。随着岩石圈板块经过热点的不停运动，先形成的火山从热点处移开并逐渐熄灭成为死火山，新的火山又在热点上方形成，结果就

29、形成了一串年龄定向分布的线状火山链。这类火山活动时，熔浆向外溢出，无地震发生，因此，所形成的火山链也叫无震海岭。上述夏威夷-天皇海岭火山链的走向，实际上记录了太平洋板块的运动方向：在4000万年前是从南向北沿NNW向运动，最晚在2600万年以后转变为从东向西沿NWW向运动。 地幔柱是摩根（Morgan, 1972b）为解释热点成因而提出的概念。地幔柱是地幔深处，甚至核-幔边界上产生的圆柱状上升的热物质流。它携带地幔物质和热能直至地幔上层，并在岩石圈和软流圈分界处四散外流，激起软流圈中的水平运动，从而可将地幔柱当作板块运动的驱动机制。热点处的火山活动是地幔柱物质喷出地表的反映。由于炽热的地幔物质向上涌流，导致密度较高的物质盈余，形成正重力异常，因而重力特高的地方，也往往是火山分布的地方。摩根还强调，热点大体上固定于地幔中，因此，板块相对于热点的运动，便是相对于地幔固定部分的运动，也就是相对地理极或地球自转轴的绝对运动。摩根（Morgan, 1972a）用夏威夷-天皇海岭、莱恩-土阿莫土海岭和马绍尔海岭这三列热点轨迹资料，计算了8000万年来太平洋板块相对于热点的运动。所得结果与后来的板块绝对运动模型AM-1和AM-2型求得的相对于热点系的运动大体相同。 热点假说在深海钻探第55航次钻探夏威夷-天皇海