8.2: 地壳
- Page ID
- 202231
学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 表示构成地壳的主要岩石类型
- 解释板块构造理论
- 描述裂谷带和俯冲带之间的区别
- 描述断层带和山地建筑之间的关系
- 解释地球上发生的各种火山活动
现在让我们更详细地研究一下我们星球的外层。 地壳是一个充满活力的地方。 火山喷发、侵蚀和各大洲的大规模移动不断改变着我们星球的表面。 从地质学上讲，我们的星球是最活跃的星球。 本节中描述的许多地质过程也发生在其他行星上，但通常发生在遥远的过去。 巨型行星上的一些卫星的活动水平也令人印象深刻。 例如，木星的月球艾奥有大量的活火山。
地壳的组成
地壳主要由海洋玄武岩和大陆花岗岩组成。 它们都是火成岩，该术语用于任何从熔融状态冷却的岩石。 所有火山产生的岩石都是火成岩（图\(\PageIndex{1}\)）。
我们在地球上熟悉另外两种岩石，尽管事实证明这两种岩石在其他星球上都不常见。 沉积岩由火成岩碎片或活生物体壳组成，这些碎片通过风或水沉积并粘合在一起而不会融化。 在地球上，这些岩石包括常见的砂岩、页岩和石灰岩。 变质岩是在高温或高压在物理或化学上改变火成岩或沉积岩时产生的（变质一词的意思是 “形态改变”）。 变质岩是在地球上产生的，因为地质活动将表层岩石带到相当深的深度，然后将它们带回地表。 没有这样的活动，这些变化的岩石就不会存在于地表。
第四类非常重要的岩石可以告诉我们很多关于行星系统的早期历史的信息：原始岩石，它在很大程度上逃脱了加热的化学改性。 原始岩石代表了构成行星系统的原始材料。 地球上没有留下任何原始物质，因为整个星球在其历史的早期就被加热过。 要找到原始岩石，我们必须寻找较小的物体，例如彗星、小行星和小型行星卫星。 我们有时可以在从这些较小的物体掉落到地球的样本中看到原始岩石。
地球上的一块石英岩是由经历了所有这四种状态的材料组成的。 它最初是地球诞生之前的原始材料，在早期地球被加热形成火成岩，经过化学转化并再沉积（可能多次）形成沉积岩，最后在地球表面以下几公里处变成了我们今天看到的坚硬的白色变质石。
板块构造
地质学是对地壳和历史上塑造地壳表面的过程的研究。 （尽管 geo-的意思是 “与地球有关”，但天文学家和行星科学家也在谈论其他行星的地质学。） 从内部散发的热量为我们星球的山脉、山谷、火山乃至大陆和海洋盆地本身的形成提供了能量。 但是直到二十世纪中叶，地质学家才成功地理解了这些地貌是如何形成的。
板块构造学是一种理论，它解释了地幔内的缓慢运动如何移动大部分地壳，从而导致大陆逐步 “漂移” 以及山脉和其他大规模地质特征的形成。 板块构造是地质学的基本概念，就像自然选择的演化是生物学或重力是理解行星轨道一样。 从另一个角度来看，板块构造是地球将热量从其积聚的内部高效输送到太空的一种机制。 它是地球的冷却系统。 所有行星在进化过程中都会产生传热过程；由于化学成分和其他限制，机制可能与地球上的机制有所不同。
地壳和上地幔（深度约为60千米）分为大约十二块构造板块，它们像拼图游戏的碎片一样组合在一起（图\(\PageIndex{2}\)）。 在某些地方，例如大西洋，板块正在分开；在其他地方，例如在南美西海岸附近，它们被迫聚在一起。 移动板块的力量由地幔的缓慢对流提供，在这个过程中，热量通过温暖物质的向上流动和较冷物质的缓慢沉没从内部逸出。 （对流，即能量从温暖的区域（例如地球内部）输送到较凉的区域，例如上地幔，这是我们在天文学中经常遇到的一个过程，无论是恒星还是行星。 在学习天文学考试时，用开水冲泡咖啡也很重要。）
美国地质调查局提供了最近的地震地图，显示了构造板块的边界以及相对于这些边界的地震发生地点。 你可以近距离观察美国，也可以缩小以获得全局视图。
随着板块缓慢移动，它们相互碰撞，并随着时间的推移导致地壳发生巨大变化。 地壳板块在其边界处可能有四种基本的相互作用：（1）它们可以分开，（2）一个板块可以在另一个板块下挖洞，（3）它们可以并排滑动，或者（4）它们可以卡在一起。 这些活动中的每一项对于确定地球的地质都很重要。
阿尔弗雷德·韦格纳：捕捉板块构造的漂移
在学习地球地图或地球仪时，许多学生注意到，只要稍作调整，北美和南美的海岸就很适合欧洲和非洲的海岸。 看来这些伟大的陆地本来可以聚在一起然后以某种方式被撕裂了。 其他人也想到了同样的想法（包括早在1620年的弗朗西斯·培根），但直到二十世纪，这样的提议才不仅仅是猜测。 1920 年为大陆漂移辩护的科学家是一位名叫阿尔弗雷德·韦格纳的德国气象学家和天文学家（图）。
韦格纳于 1880 年出生于柏林，从小就对他梦寐以求的世界上最大的岛屿格陵兰岛着迷。 他曾在海德堡、因斯布鲁克和柏林的大学学习，通过重新审视十三世纪的天文表获得了天文学博士学位。 但是，他的兴趣越来越多地转向地球，尤其是它的天气。 他用风筝和气球进行了实验，成就卓著，以至于他和他的兄弟在1906年乘坐气球飞行了52个小时，创造了世界纪录。
韦格纳于 1910 年在地图集中查看世界地图时首次构思了大陆漂移问题，但他花了两年时间才收集足够的数据在公开场合提出这个想法。 他于 1915 年以书本形式出版了研究结果。 韦格纳的证据远远超出了各大洲形状的一致性。 他提出，仅在南美和非洲发现的化石之间的相似之处表明，这两个大陆是同时连接在一起的。 他还表明，假设各大洲曾经在一个他称之为 Pangea的超大陆（来自希腊元素的意思是 “所有陆地”）中相互连接，可以最好地解释不同大陆活体动物物种之间的相似之处。
韦格纳的建议遭到了大多数科学家的敌对反应。 尽管他为自己的假设整理了一系列令人印象深刻的论据，但他缺少了一个机制。 没有人能解释坚固的大陆如何漂移到数千英里以上。 一些科学家对韦格纳的工作印象深刻，他们继续寻找更多证据，但许多人发现移动大陆的概念过于革命性，无法认真对待。 对机制（板块构造）的理解需要在地质学、海洋学和地球物理学方面取得数十年的进一步进展。
韦格纳对他的建议被接受感到失望，但他继续进行研究，并于1924年被任命为格拉茨大学专门为他设立的气象学和地球物理学特别教授职位（但他在那里被大多数地质系的排斥）。 四年后，在他第四次前往心爱的格陵兰岛的探险中，他与同事一起庆祝了自己的五十岁生日，然后徒步前往岛上的另一个营地。 他从来没有成功；几天后他被发现死于明显的心脏病发作。
科学批评者经常将对大陆漂移假说的抵制作为科学家看待新思想的错误方式的一个例子。 （许多拥有先进的 crackpot 理论的人都声称他们被不公正地嘲笑了，就像韦格纳一样。） 但我们认为，从更积极的角度来看待韦格纳的建议故事。 当时的科学家们一直持怀疑态度，因为他们需要更多的证据和符合他们对自然的理解的明确机制。 一旦证据和机制明确，韦格纳的假设很快就成为了我们对动态地球的看法的核心。
看看大陆的漂移如何改变了我们星球地壳的外观。
裂谷和俯冲区
板块在地幔上升流的驱动下，沿着裂谷区域（例如中大西洋山脊）相互分开（图\(\PageIndex{4}\)）。 在陆地上发现了一些裂谷区。 最著名的是中非裂谷——非洲大陆正在慢慢分裂的地区。 但是，大多数裂谷地带都在海洋中。 熔岩从下方升起，填补后退板块之间的空间；这种岩石是玄武岩熔岩，是构成大部分海洋盆地的那种火成岩。
通过了解海底如何扩散，我们可以计算出洋壳的平均年龄。 已经确定了大约60,000公里的活跃裂谷，平均分离率约为每年5厘米。 每年新增到地球的面积约为2平方千米，足以在1亿多一点的时间内更新整个大洋地壳。 这是一个非常短的地质时间间隔，不到地球年龄的3％。 因此，现在的海洋盆地被证明是我们星球上最年轻的特征之一。
随着新的地壳被添加到地球，旧的地壳必须去某个地方。 当两个板块聚集在一起时，一个板块通常被迫在另一个板块下方，即所谓的俯冲区（图\(\PageIndex{4}\)）。 总的来说，厚厚的大陆块无法俯冲，但较薄的海洋板块很容易被推入上地幔。 俯冲带通常以海沟为标志；这种特征的一个很好的例子是亚洲沿海的日本深海沟。 俯冲板被迫向下进入高压和高温区域，最终在地表以下几百公里处融化。 它的材料被回收成向下流动的对流流，最终平衡了沿着裂谷区域上升的物质流动。 俯冲带被摧毁的地壳数量大致等于在裂谷区形成的数量。
俯冲带沿线，地震和火山标志着板块的死亡阵痛。 历史上一些最具破坏性的地震发生在俯冲带沿线，包括1923年造成10万人死亡的横滨地震和大火、造成20多万人死亡的2004年苏门答腊地震和海啸以及导致俯冲带崩溃的2011年东北地震日本的三座核能反应堆。
断层带和山地建筑
沿着它们的大部分长度，地壳板块彼此平行滑动。 这些板块边界以裂缝或缺陷为标志。 沿着活跃的断层带，一个板块相对于另一个板块的运动每年为几厘米，与沿裂谷的扩张速度大致相同。
最著名的断层之一是加利福尼亚的圣安德烈亚斯断层，它位于太平洋板块和北美板块之间的边界（图\(\PageIndex{5}\)）。 这个断层从加利福尼亚湾一直延伸到旧金山西北部的太平洋。 太平洋板块向西移动，携带洛杉矶、圣地亚哥和南加州海岸的部分地区。 几百万年后，洛杉矶可能成为旧金山沿海的一个岛屿。
对我们来说，不幸的是，沿断层带的运动并不顺利进行。 板块相互间的爬行运动会增加地壳中的应力，这些应力是在突然的剧烈滑动中释放出来的，从而产生地震。 由于板块的平均运动是恒定的，地震之间的间隔越长，地表最终移动时应力就越大，释放的能量也越多。
例如，在过去的一个世纪中，加利福尼亚中部城镇帕克菲尔德附近的圣安德烈亚斯断层部分每25年左右滑一次，平均每次移动约1米。 相比之下，洛杉矶地区两次大地震之间的平均间隔约为150年，平均运动间隔约为7米。 圣安地列斯断层最后一次滑入该地区是在1857年；从那以后，紧张局势一直在加剧，而且很快就会消失。 放置在洛杉矶盆地内的敏感仪器表明，随着这些巨大的压力积聚在地表之下，该盆地的面积正在扭曲和收缩。
示例\(\PageIndex{1}\)：断层区和板块运动
在科学家绘制了地壳中构造板块之间的边界并测量了板块的年移动速度（约为每年5厘米）之后，我们可以对地球地质变化的速度进行相当多的估计。 举个例子，假设南加州圣安德烈亚斯断层沿线的下一次滑点发生在2017年，它完全缓解了该地区积累的压力。 要发生这种情况需要多少滑点？
解决方案
太平洋板块相对于北美板块的运动速度为每年 5 厘米，即每世纪 500 厘米（或 5 米）。 南加州的最后一次地震发生在1857年。 从1857年到2017年的时间为160年，即1.6个世纪，因此完全缓解压力的滑点将为5米/世纪×1.6世纪 = 8.0 m。
练习\(\PageIndex{1}\)
如果下一次南加州大地震发生在2047年，并且只能缓解一半的累积压力，那么会发生多少滑动？
- 回答
-
从 1857 年到 2047 年的时间差为 190 年，即 1.9 个世纪。 因为只有一半的应变被释放，这相当于年运动速率的一半。 总滑点为0.5×5米/世纪×1.9世纪 = 4.75 米。
当两个大陆块在碰撞路线上移动时，它们会在很大的压力下相互推动。 地球起伏和折叠，将一些岩石拖到地表深处，然后将其他褶皱抬高到数千米的高度。 这是地球上许多（但不是全部）山脉的形成方式。 例如，阿尔卑斯山是非洲板块撞向欧亚板块的结果。 但是，正如我们将看到的，在其他星球上产生山脉的过程截然不同。
一旦地壳向上冲形成山脉，其岩石就会受到水和冰的侵蚀。 尖峰和锯齿状边缘与最初形成山脉的力量几乎没有关系。 相反，它们是由摧毁山脉的过程造成的。 冰是一种特别有效的岩石雕刻家（图\(\PageIndex{6}\)）。 在没有移动冰层或自来水的世界中（例如月亮或水星），山脉仍然平滑而暗淡。
火山
火山标志着熔岩上升到地表的位置。 一个例子是大洋中脊，它们是长长的海底山脉，由地幔在板块边界升起的熔岩形成。 第二种主要的火山活动与俯冲带有关，火山有时也出现在大陆板块碰撞的地区。 在每种情况下，火山活动都为我们提供了一种从地球更深处采样一些物质的方法。
其他火山活动发生在地幔 “热点” 上方，即远离板块边界的区域，但热量仍在从地球内部升起。 最著名的热点之一是夏威夷岛之下，它目前为维持三座活火山提供热量，其中两座在陆地上，一座在海底。 夏威夷热点已经活跃了至少 1 亿年。 在此期间，随着地球板块的移动，热点形成了长达3500公里的火山岛链。 夏威夷最高的火山是地球上最大的单座山之一，直径超过 100 千米，高出海底 9 千米。 夏威夷的火山山之一，现已处于休眠状态的莫纳克亚岛，已成为世界上从事天文学的绝佳地点之一。
美国地质局提供了著名的 “火环” 的交互式地图，该火环是环绕太平洋的火山链，并显示了其中的夏威夷 “热点”。
并非所有的火山喷发都会产生山脉。 如果熔岩从长裂缝中迅速流出，它就会散开形成熔岩平原。 已知最大的陆地喷发，例如在美国西北部产生蛇河玄武岩的喷发或印度的德干平原的喷发，都属于这种类型。 在月球和其他陆地行星上也发现了类似的熔岩平原。
关键概念和摘要
陆地岩石可以分为火成岩、沉积岩或变质岩。 第四种类型，即原始岩石，在地球上找不到。 我们星球的地质学以板块构造为主，地壳板块在地幔对流作用下缓慢移动。 板块构造的表面表现形式包括大陆漂移、海底回收、山地建筑、裂谷带、俯冲带、断层、地震和来自内部的熔岩火山喷发。
词汇表
- 对流
- 在重力的影响下，由于较热、因此密度较低的物质呈上升趋势，导致气体或液体内部的移动，而较冷、密度较高的物质倾向于沉没，从而导致热量传递
- 故障
- 在地质学中，是指行星地壳的裂缝或断裂，可以沿着裂缝或移动，伴随着地震活动
- 火成岩
- 熔融状态冷却产生的岩石
- 变质岩
- 在高温和高压下通过物理和化学变化（未熔化）产生的岩石
- 板块构造
- 行星外层的片段或板块在下层地幔上的运动
- 原始岩石
- 岩石没有经历过很大的热量或压力，因此仍然代表来自太阳星云的原始凝结物质
- 裂谷区
- 在地质学中，地壳被内力撕裂的地方，通常与地幔注入新物质以及构造板块的缓慢分离有关
- 沉积岩
- 岩石是由细颗粒物质沉积和粘合而成的岩石，例如火成岩碎片或生物壳
- 俯冲
- 一块地壳板块的边缘向侧身和向下移动到另一个板块下的地幔中
- 火山
- 来自行星地幔的物质在其表面喷发的地方