地壳运动,又称构造运动或大地构造运动。指由于地球内部原因引起的组成地球物质的机械运动,是由于地球内动力作用引起
地壳结构改变、地壳内部物质变位的构造运动。
地壳运动分为水平运动和垂直运动,水平运动引起岩层的褶皱和断裂,可形成巨大的褶皱山系,垂直运动引起地壳大面积的隆起和凹陷,形成海侵和
海退等。
地壳运动引起岩石圈的演变,造成大陆、洋底的增生消亡,形成海沟和山脉,可诱发地震、火山爆发等
概念
定义
地壳运动又称构造运动,指主要由地球内力引起
岩石圈产生的机械运动。它是使地壳产生褶皱、断裂等各种地质构造,引起海、陆分布变化,地壳隆起和凹陷,以及形成山脉、
海沟,产生火山、地震等的基本原因。按时间顺序,将
新近纪(晚第三纪)以前的构造运动称古构造运动,新近纪(晚第三纪)以后的构造运动称新构造运动,人类历史时期发生的构造运动称现代构造运动。构造运动引起
地壳岩石变形和变位,这种变形、变位被保留下来的形态被称为地质构造。
相关定义
地壳
地壳是地球表层的一个坚硬外壳,是由固体岩石构成,其平均密度为2.8g/
立方米。地壳的平均厚度约为17km,有的地方厚,有的地方薄,厚度极不均匀。
大陆地壳比较厚,最厚的地方可达70km,平均约为35km;
海洋地壳薄,最薄的地方不到5km,平均只有6km。
组成地壳的岩石除地壳最表层的
沉积岩外(沉积岩约占地壳岩石总量的5%),其余主要为岩浆岩。根据岩石的物质组成,
地壳可分为两层。
硅铝层
地壳上部岩石的化学成分富含硅、铝,故称硅铝层。构成硅铝层的岩石相当于
花岗石类,又称花岗岩层。
硅镁层
地壳下部岩石的化学成分除硅、铝外,铁、镁相对增多,称硅镁层。构成硅镁层的岩石相当于
玄武岩类,又称玄武岩层。
地质构造
地质构造是地壳或
岩石圈各个组成部分的形态及其相互结合方式和面貌特征的总称。地质构造是构造运动在岩层和岩体中遗留下来的各种构造形态和运动的踪迹,如岩层
褶曲、
断层、劈理、线理等。依其生成时间,地质构造可分为原生构造和次生构造。次生构造是
构造地质学的主要研究对象,但为了查明岩体的变形特征,首先需要了解其原生构造特点。
形成原因
地壳运动成因的主要理论地壳运动的成因理论主要是解释地壳运动的力学机制,主要有对流说、均衡说、地球自转说和板块运动说等。
收缩说
艾利·德·鲍蒙(Elie die Beaumont)1829年提出。收缩说的现代说法是杰弗里斯(H. Jeffreys)表述的。这个假说接受
伊曼努尔·康德一
皮埃尔-西蒙·拉普拉斯太阳系起源说的观点,认为
地球最初是由灼热气体组成,从外向内逐步冷缩而变成熔融状态,在进一步冷却后,于地球外表形成固体的
地壳。地壳以下的熔融物质继续冷却收缩,但地壳为了保持平衡,于是就挤压成褶皱并产生山脉,这个过程类似
苹果的干缩情况。收缩说曾得到许多地质学家的支持并加以发展,如丹纳把地槽的形成归因于地球的收缩;还有一些人根据收缩说,用侧向挤压和模型试验来说明山脉的发生和发展。收缩说对大地构造学的发展曾起了推动作用,但有许多大地构造现象,如世界范围的大裂谷的拉伸、大面积的升降、地壳构造的定向性和构造运动的
周期性等,都不能用收缩说圆满地解释。此外,放射性热源的发现,对收缩说提出了严重挑战,因为放射性热源可以起着和收缩相反的作用。
脉动说
布契尔(W.U.Bucher,1933)提出,他认为
地球既有收缩又有膨胀,呈周期性的交替发展。但对地球胀缩的原因则有不同的看法:一种是从放射性热量聚集与消耗的观点来解释,聚热过程就是地球的膨胀过程,耗热过程就是地球的收缩过程,另一种则从地球最初是冷的和固态的观点来解释,认为组戍地球的微粒因冷收缩,彼比吸引,而产生微粒的较快运动;运动激化又使温度上升,物体发热,引起地球膨胀,在能量消耗后,地球内部的压实作用又占主导地位,再次产生收缩。在地球的膨胀期,
地壳受到引张作用,产生出大规模的隆起与坳陷、大型裂谷和
岩浆喷溢,在地球收缩期,地壳受到挤压作用,产生出褶皱
山系,并伴有岩浆活动。脉动说虽然解释了构造运动的周期性,但却不能解释地壳构造的定向性。
葛利普(Gxabau)根据他于1933及1936—1938所从事的世界古生物发育情况的研究,提出的在
古生代期间的同一时期内,由于
海平面的升降运动,有节奏地反复进行
海侵、
海退的现象,他的这种观点称为脉动说。
对流说
由霍尔姆斯(A.Holmes,1928)提出,对流说认为
地幔物质已经成为塑性状态,并且上部温度低,下部温度高,在温差的作用下会形成缓慢对流,从而导致上覆地壳运动。
均衡说
达顿(C.E.Dutton 1889)根据均衡原理和
大地测量学资料提出的一种阐明
地壳垂直运动的假说,均衡说认为地幔内存在一个重力均衡面,均衡面以上的物质重力均等,因密度不同而表现为厚薄不一,当地表出现剥蚀或沉积时,使重力发生变化,为维持均衡面上重力均等,均衡面上的地幔物质将产生移动,以弥补地表的重力损失,从而导致上覆地壳运动。
地球自转说
李四光提出,
地球自转说认为地球自转速度产生的快慢变化,导致了地壳运动。当地球自转速度加快时,一方面惯性离心力增加,导致地壳物质向
赤道方向运行;另一方面切向加速度增加,导致
地壳物质由西向东运动。当基底黏着力不同时,引起地壳各部位运动速度不同,从而产生挤压、拉张、抬升、下降等地壳变形和变位。当地球自转速度减慢时,惯性离心力和切向加速度均减小,地壳又产生相反方向的恢复运动,同样因基底黏着力不同而引起地壳变形、变位,故在地壳形成一系列纬向和经向的山系、裂谷、隆起和凹陷。
大陆漂移说
大陆漂移的思想由来已久。1620年,
英国哲学家培根(Bacon) 就发现
大西洋两岸的海岸线具有相似性,并指出这种相似性并非偶然的巧合;1858年,地理学家斯奈德(A.Snider)根据
欧洲、
北美洲石炭系
煤层中植物化石的相似性,首次把大西洋两岸拼合起来,并绘制了大西洋周围大陆的复原图;1910年,美国学者泰勒(F.B. Taylor)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。尽管大陆漂移的说法很多,但是第一个全面、系统论述大陆漂移假说的是
阿尔弗雷德·魏格纳。大陆漂移说认为全世界的大陆在
古生代石炭纪以前,是一个统一的整体(原始大陆),在它的周围是辽阔的海洋。后来,特别是中生代末期,这个原始大陆在
天体的引潮力和
地球自转所产生的
离心力的作用下而破裂成几块,在
硅镁层上分离漂移,逐渐形成了今日世界上大洲和大洋的分布情况。
板块构造说
法国的
萨维尔·皮雄、
美国的麦肯齐1967—1968年确立了板块构造学的基本原理。板块构造说是在大陆
漂移说和海底扩张说的基础上提出的,其认为
地球在形成过程中,表层冷凝成
地壳,然后地球内部热量在局部聚集成高热点,并将地壳胀裂成六大板块。各大板块之间由大洋中脊和
海沟分开,地球内部高热点
热能通过大洋中脊的裂谷得以释放,热流上升到大洋中脊的裂谷时,一部分热流遇海水冷却,在裂谷处形成新的洋壳;另一部分热流则沿洋壳底部向两侧流动,从而带动板块漂移。因此,大洋中脊不断组成新的洋壳,而在海沟处地壳相互挤压、碰撞,有的抬升成高大的
山系,有的插入到
地幔内熔解。在挤压碰撞带,因板块间的强烈摩擦,形成局部高温并且积累了大量的
应变能,从而构成
火山带和
地震带。除此之外,各大板块中还可划分出若干次级板块,各板块在
漂移中因基底黏着力不同,使运动速度不一,同样可引起
地壳变形、变位。
主要分类
按运动方式分
水平运动
水平运动指地壳沿地表
切线方向产生的运动。主要表现为
岩石圈的水平挤压或拉伸,引起岩层的褶皱和断裂,可形成巨大的褶皱山系、裂谷和大陆漂移等。如
印度洋板块挤压欧亚板块并插入欧亚板块之下,使五千万年前还是一片汪洋的
喜马拉雅山脉地区逐渐抬升成现在的青藏高原。
垂直运动
垂直运动指地壳沿地表
法线方向产生的运动。主要表现为岩石圈的垂直上升或下降,引起地壳大面积的隆起和凹陷,形成
海侵和
海退等。
按运动结果分
造山运动或褶皱运动
造山运动或褶皱运动运动的结果是形成巨大的褶皱
山系,以及巨形凹陷、岛弧、
海沟等。
造陆运动
造陆运动运动的结果是形成
地壳的隆起和相邻区的下降,形成高原、断块山及拗陷、盆地和平原,还可引起海侵和海退,使海陆变迁。地壳运动控制着
地球表面的海陆分布,影响各种
地质作用的发生和发展,形成各种构造形态,改变岩层的原始状态。
特点
强度和速度上有差异
在地壳的发展过程中,由于各地区组成物质和条件不一,故运动的强度及其表现形式均有差异。即使是同一地点,在不同的地质时期,地壳运动的性质也不一致。同一时期的不同地区或同一地区的不同时期里,地壳运动的速度,也都有差异。如
喜马拉雅山脉,开始时以每年平均约半毫米的速度,从海底缓慢上升,以后上升加快,据1862—1932年70年间的资料,平均上升速度已增为每年1.82厘米。
时间和空间上有差异
水平运动的距离和升降运动的幅度在时间和空间上有差异。某一地区在普遍隆起时期,会有个别短期的下降,或是在普遍下降的时期,会有个别短期的隆起。常常升中有降,降中有升。水平运动和升降运动,两者是互相联系不可分割的。但在不同区域、不同时期,不同条件下,表现常有主次之分。同一时期内,有的地区表现为水平运动,有的地区表现为升降运动;在同一地区,这段时期表现为水平运动,另一段时期可表现为上升或下降运动。
具有周期性
地壳运动还具有一定的周期性。长期、广泛的相对静止状态与快速的剧烈运动,总是相互交替出现,呈明显的旋回性发展。作为一个构造旋回,它常常以和缓的构造运动开始,最终以剧烈的构造运动结束,然后又转入新的构造旋回发展阶段。
影响
改造地壳内部
地壳运动对地壳内部的改造地质历史上,著名的地壳远东活跃期包括
古生代早期的加里东期、古生代晚期海西期、中生带印支期和
新生代燕山期。地壳运动使沉积岩层、沉积变质岩层发生弯曲,形成褶皱、节理、裂缝、断裂等地质构造,造成火成岩岩体中断裂构造的发育分布。
地层岩石及岩体中发育分布的断裂构造,为地壳深部甚至
地幔高温高压
岩浆提供了上升运移的通道,形成了侵入岩,造成了高温高压岩浆上升运移通道周边一定范围岩石的变质形成
变质岩。在整个地质历史时期,
地球经历了众多期次的地壳运动,每一地壳运动期,形成新的地质构造,同时对前一期地壳运动留下的地质构造或强化(叠加),或改造(交接、交切),或破坏;每一地壳运动期高温高压岩浆沿前以地壳运动期形成的断裂构造活动,既形成新一期的侵入岩,又造成侵入通道周边一定距离范围岩体的破坏和岩石的变质。一般而言,在
地壳上升期,
沉积物的粒度变粗,厚度变小,甚至没有沉积,地壳表面仅遭受风化剥蚀,河流深切;地壳下降期,沉积物的粒度变细,厚度变大;地壳运动频繁期,沉积物类型复杂多变,
地层间多呈假整合和不整合关系;地壳运动相对稳定期,沉积物类型简单,地层间多呈整合关系;地壳升降运动造成的地层的褶皱,多表现为大型宽缓的隆起和拗陷,形成的
断层多为正断层或高角度
逆断层。地壳的水平运动,多形成地层的挤压褶皱和逆掩断层、引张断陷和裂谷、平移断层。当今地面以下众多不同形态、不同产状地层岩石、隐伏褶皱、断裂、侵入岩体及其分布格局,正是到今天为止地壳运动对地壳内部改造的结果。
改造地壳表面
地壳运动对地壳表面的改造地壳运动对地壳表面的改造,集中表现在造山运动和造陆运动上。褶皱隆起,形成山脉,如
喜马拉雅山脉、
阿尔卑斯山脉、
安第斯山脉等都是褶皱山脉;褶皱
山系间形成巨形凹陷、岛弧、
海沟等。
向斜成山,向斜两翼岩体完整不易被侵蚀,易成为山岭;
背斜成谷,背斜顶部岩体破碎,容易被侵蚀成
谷地。地壳的隆起和相邻区的下降,形成高原、断块山及拗陷、盆地和平原。出露于地面的大型断裂构造,其内岩体极为破碎,极易剥蚀,成为地面河流延伸的主控因素。
地壳运动特别是地壳的升降运动是地壳演化过程中表现得较为缓慢的一种运动形式。当今地球表面褶皱山脉,褶皱山脉间巨形凹陷、岛弧、海沟,高原、断块山及拗陷、盆地和平原等地貌形态,海陆变迁,乃至与当今河流的分布格局,特别如我国分布的巨型纬向构造体系、经向构造体系、新华夏构造体系、山字形构造、歹字形构造等,正是到今天为止地壳运动对地壳表面改造的结果。
相关研究
相关学科
研究地壳运动及地表形态变化的学科有动力地质学、
构造地质学、大地构造学、
地貌学等。
理论成果
经过10多年的努力,中国对东亚、
中亚地区的现今构造变形幅度、分布、性质等基本特征的认识已初步形成,这在很大程度得益于GPS观测技术广泛应用,以及“中国地壳运动观测网络"的建设,而InSAR技术应用于国内地震变形监测也丰富了
断层变形研究形式和内涵,不同研究者所取得的成就,充分展示了空间技术在推动本领域发展所发挥的关键作用,中国大陆构造变形的定量化研究从总体看,跃上了一个新台阶。
中国利用国家重大科学工程“中国地壳运动观测网络”、“中国构造环境观测网络”和相关项目1999-2011年GPS区域站观测资料,获得了青藏高原东缘地区现今地壳水平运动速度场图像;结合地质构造动力环境和区内发生的特大地震事件,初步分析了GPS观测反映的水平运动空间分布的分区差异性和时间变化的阶段性;进而与本研究区1970s-2011年水准测量获得的垂直运动背景场进行综合对比,进一步研究和探讨了区域现今三维地壳运动的时空分布特征及其机理.结果认为:①青藏高原东缘不同构造地带水平运动强度和方式的差异,受控于青藏高原向北挤压、向东挤出和绕东构造结旋转作用;而运动状态随时间变化的阶段性(尤其是
5·12汶川地震发震断裂及其相关构造地带)与特大地震的孕育、发生有关。②现今三维地壳运动呈现的高原山地挤压缩短隆升、盆地伸展下沉的山、盆构造活动分异与构造动力环境和深部物质活动有关,反映了新构造活动的继承性。③龙门山汶川发震地段长期受压、闭锁积累的
应变能经Ms8.0特大地震集中释放之后处于松弛调整运动状态,但与之相关联的构造部位以及外围的西秦岭、川滇菱形块体东边界等构造地带应变积累仍在持续。
由于青藏高原东部地区记录了高原约50 Ma演化历史中物质东流的构造史,因此受到地学界的广泛重视. 现代
大地测量学与地质研究结果给出了该区现代地壳运动的图像,为
地球动力学数值模拟提供了重要的边界约束条件。利用
重力异常计算的高原及邻区
地幔对流应力场与地表地壳运动格局的明显差异
表征了高原东部地壳与地幔物质的运动解耦。 基于随深度变化
地壳蠕变率的
动力学模拟结果显示,高原东部地壳增厚与高原内部存在很大差异,高原东部地壳增厚主要表现为下地壳的增厚,并且
地幔形变过程与地表变化也不一致,同样显示出地壳、地幔运动的解耦. 研究表明,下地壳低强度分布可能是导致这种解耦的重要原因,而了解高原东部地壳及
上地幔物理力学性质对我们认识高原物质东流至关重要。
科研活动
国内研究
中国开展了高水平的深部
地质调查,地表地质构造和地下深部地质构造不同,而矿产资源与地震都发生在深部。为深化对我国区域地质的认识,原地质矿产部从1980年中法合作进行
喜马拉雅山脉地壳与上地幔研究开始,于1985年开展了喜马拉雅山亚东-青海
格尔木市内蒙鄂济纳旗南北横穿青藏高原的
地球科学大断面研究,1992年又开展了中、美、德、加四国合作的青藏高原深剖面研究(INDEPTH),以及中法第二次、第三次地学合作研究,这些工作一直持续到今天。特别是INDEPTH项目是以深反射地震、广角地震及天然地震阵列综合地震方法为主,加上深、浅两种大地电磁法及重力、磁测、构造地质与
地球化学等综合方法多学科合作,取得了很多重要的地质成果。创造了一种工作样板,引起国际地学界的嘱目。
中国实现了中国科学第一钻。除对构造复杂地区
地球物理学探测结果进行校核外,还对深部地质构造和生物赋存情况有了许多重要的新发现,对大别山榴辉岩层折返机制提出了新的证明。以此为契机,中国又开始了第二个、第三个科学
钻探工作,深化了对我国矿产资源和环境问题的认识,带动了我国钻探技术的发展。
中国应用GNSS研究地壳运动始于20世纪80年代中期,在90年代初期,“现代地壳运动和
地球动力学研究”攀登计划课题的实施,在全国布设了22个不定期复测的GNSS观测站。
滇西地区的GNSS观测站结果显示,监测到剑川
丽江市断裂和红河断裂带的明显活动,并根据活动
断层变形的反演计算,在1993年预测在该断裂带
上将发生一次6.8-7.0级地震,而1996年的丽江发生了7.0级地震与预测震中位置相差仅30km,证实了GNSS的有效性。华北首都圈GNSS监测网共有97个站,结果表明,监测区内几个主要的北东向构造单元之间没有明显的差异运动,而
鄂尔多斯市东缘与其东侧的晋、冀、鲁块体的强烈拉张最为明显。
国土资源部地质调查局与美国自然科学基金会合作在
中国西南地区进行GNSS观测,其资料表明,
鲜水河小江断裂以西的藏东-滇中地区的运动速率总体为8mm/a以上,在该断裂以东地区的运动速率为3mm/a,这对两个顺时针漩涡的认定,以及为青藏高原东部流变构造模型提供了证据。
1991年以来,
中国地震局地震研究所GPS研究室组织了50多次青藏高原GPS观测,在高原及周边地区设置了340个观测点,全国共设置了1056个GPS观测点。他们采用全球
卫星定位系统对中国大陆地壳运动进行了长期监测,从中获得了在国际
地球科学领域内最为丰富的青藏高原GPS数据;并使用独自研制的高精度GPS数据处理软件,获得了中国大陆现今最为精细的地壳运动图像,特别是对“世界青藏高原”青藏高原地壳运动的描述,在国际上处于领先地位。
根据最新研究成果表明:青藏高原南部的
拉萨市地块以每年约30mm的速率向北东38度推移;中部的
昆仑山脉地块以每年平均速度21mm的速度向北东61度推移;再向北到
祁连山脉地块,以每年7-14mm的
速率向北东约80度推移,也就是说青藏高原整体正以每年7-30mm的速度向北和向东方向移动。
国外研究
国外的研究人员通过地质研究表明阿尔金、海原断裂带表现为显著的左旋走滑运动。国内研究人员得到的阿尔金、海原等断裂带的地质滑动速率相对较低,与GNSS观测获取的较低滑动速率比较一致。
重大事件
地震
2003年5月21日,阿尔及利亚北部发生里氏6.2级强烈地震,造成近2300人死亡,1万余人受伤。12月26日,伊朗东南部
克尔曼省巴姆地区发生里氏6.8级强烈地震,造成2.6万人死亡。
2004年2月24日,
摩洛哥北部
阿卢塞马斯地区发生里氏6.5级强烈地震,造成628人死亡,926人受伤。12月26日,
印度尼西亚苏门答腊岛附近海域发生里氏7.9级强烈地震并引发
海啸,波及多个国家,共造成20多万人死亡或失踪,数十万人无家可归。
2005年3月28日,印度尼西亚苏门答腊岛附近海域发生里氏8.5级强烈地震,造成900多人死亡。10月8日,
巴基斯坦控制的
克什米尔发生里氏7.6级强烈地震,造成7.3万多人死亡,数百万人无家可归。
2006年5月27日,印度尼西亚日惹和中爪哇地区发生里氏5.9级地震,造成至少6000人死亡,约2万人受伤,20万人无家可归。7月17日,
印度尼西亚爪哇岛西南海域发生里氏7.3级
海底地震及
海啸,造成654人死亡,329人失踪,978人受伤,约10万人无家可归。
2008年5月12日,中国
四川省汶川县发生里氏8.0级地震,统计显示,地震造成约6.9万人遇难,逾37万人受伤。
2010年1月12日,
海地发生7.3级地震,海地政府统计的数据显示,海地地震造成27万人死亡,48万多人流离失所,370多万人受灾。
2010年4月14日,中国
青海省玉树藏族自治州玉树市发生两次地震,最高震级7.1级,造成2698人遇难。
2011年3月11日,
日本发生里氏9.0级强震,并引发强烈
海啸,造成重大人员伤亡和财产损失,同年4月,官方确认14063人死亡、13691人失踪。
2015年4月25日,
尼泊尔中部地区突发7.9级(
中国地震台网测定为8.1级)强烈地震。地震已经造成尼境内至少8000人遇难,另有数千人受伤。
火山
公元79年8月24日,意大利的
维苏威火山突然喷发,至少造成3360人死亡,死亡总数可能达到1.6万人,废墟直到1748年才被人发现。
1792年,日本九州岛的云仙
火山喷发引起斜坡倒塌,滑落的山体坠入海洋,引发
海啸。塌方和海啸共造成超过1.5万人死亡。
1586年,
印度尼西亚爪哇岛东部的克鲁特火山喷发,共造成1万人死亡;1919年的喷发将一个火山湖喷入附近山谷,导致5500人溺水身亡。
1783年,冰岛拉基火山喷发形成有史以来规模最大的熔岩流,覆盖了218平方英里(约合564平方公里)的区域。此次喷发断断续续,前后历时4个月,火山喷出的
氟气以
氢氟酸形式降落到
冰岛地面,导致大量牲畜死亡,最终有四分之一的冰岛人死于饥饿。
1815年4月,位于印度尼西亚爪哇岛东部的塔姆波拉
火山喷发,火山灰杀死附近岛屿的农作物,大约有9.2万人因缺少食物而被饿死。
1883年8月,位于
印度尼西亚爪哇岛西部的
喀拉喀托火山喷发,其产生的能量是规模最大的
氢弹试验的26倍,喀拉喀托火山山体崩塌后坠入海洋后产生
海啸,致使超过3.6万人丧生。
1902年,位于西印度马提尼克岛的
培雷火山喷发,火山灰以每小时100英里(约合每小时160公里)的速度席卷圣皮埃尔市,全市当时有3万人口,只有两人(也可能是4个)活了下来。更为可怕的是,附近3座城市无一幸免,停靠在港口的16艘船只的船员也同样遭受灭顶之灾。被火山灰烧焦的地方面积达10平方英里(约合26平方公里),共有多达3.6万人丧生。
1980年5月18日,
圣海伦火山开始喷发,最终形成大规模塌方并产生致命的粉末状岩石云,致使57人丧命,其中绝大多数人死于窒息。
1985年11月13日,位于哥伦比亚的
内华达州德鲁兹火山喷发,据统计,此次火山喷发造成的死亡人数高达2.5万人。
1991年6月,
菲律宾的
皮纳图博火山喷发,有100万人的生命安全受到威胁,但优秀的预警系统最终挽救了数千人的生命。大约有350人死于这场火山灾难,而房屋倒塌正是主要死亡原因。
2023年12月2日19时,印尼东努沙登加拉省的伊里莱沃托洛科火山喷发,造成22人死亡。
参考资料
地 壳.中华人民共和国自然资源部.2023-12-22