地球系统与海底科学课件.ppt
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1、第二章第二章 地球系统与海底科学地球系统与海底科学2.1 2.1 地球的基础知识地球的基础知识2.1.1 2.1.1 地球的宇宙环境地球的宇宙环境n宇宙是空间、时间无限的物质世界,目前人类观测到的宇宙范围叫做总星系,半径约150 亿光年。总星系中约有10 亿个星系。星系有大有小,小者有几万颗恒星,大者有上千亿颗恒星。太阳所在的星系叫做银河系。n宇宙是由各种形态的天体和电磁波等物质组成的。n在无限的宇宙空间中,地球只不过是沧海之一粟,它处在永不止息的运动中:自转和公转。2.1.2 2.1.2 地球的形状地球的形状n地球的形状一般是指全球静止海面的形状,根据人造卫星运行轨道分析测算的结果,地球是一
2、个梨形的球体。2.1.3 2.1.3 地球的圈层结构地球的圈层结构n地球是一个具有同心圈层结构的非均质体,以地球固体表面为界分为内圈和外圈,它们又可分别再分为几个圈层,每个圈层都有自己的物质运动特征和物理化学性质。一、地球外部圈层n地球固体表面以上,根据物质性状可以分为大气圈、水圈和生物圈。n气圈是包围着地球的气体,厚度有几万千米,总质量约5136108t。由于受地心的引力,以地球表面的大气最稠密(约有3/4 集中在地面到100km 高度范围内),向外逐渐稀薄,过渡为宇宙气体。n根据温度和密度等大气物理特征可将大气圈自下而上分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层。n与人类关系最密切的是对流层
3、和平流层。n水圈是地球表层的水体,占地球总质量的0.024。其中绝大部分汇集在海洋里(占总水量的97)。n生物圈是地球上生物(包括动物、植物和微生物)生存和活动的范围。n现代地球的大气圈、水圈和岩石圈构成了一个适宜生命存在的环境。n在太阳系中,地球是唯一具有水圈和生物圈的行星。二、地球内部圈层结构n地球物理学家对天然地震波传播方向和速度的研究证明,地球内部物质呈同心圈层结构。n在各圈层间都存在着地震波速度变化明显的界面(或称不连续面),其中最重要的界面有莫霍面(M 面)和古登堡面(G 面),它们把地球内部分为地壳、地幔和地核三大圈层。n地幔又分为上地幔和下地幔,地核又分为外核和内核。n地壳是指
4、M 面以上的岩石物质层,厚度变化很大,从洋底的不足5km直至大陆造山带的70km 以上,平均约15km。n地壳是一个不均匀的圈层,根据其结构、物质组成和厚度的差异可以分为大陆性和海洋性地壳两大类。n大陆性地壳较厚,平均厚33km,为双层结构:上地壳一般叫“硅铝层”,因物质组成与花岗岩相当,过去曾称为“花岗岩质层”;下地壳通常叫“硅镁层”,因物质成分与玄武岩相当,习惯上称作“玄武岩质层”。n海洋性地壳很薄,平均厚度约6km,有三层结构:上部为沉积层,主要是松散至半固结的沉积物;中间为基底层或火山岩层,以玄武岩为主、上部夹有固结沉积岩的混合层;下部为大洋层,很可能由辉长岩、闪长岩为主,近M 面处由
5、含蛇纹石化橄榄岩组成,它是海洋性地壳的主体。n地幔位于地壳之下,界于M 面与G 面之间,厚度约2800km,质量和体积分别占地球的67.6和83,由铁、镁、硅酸盐物质组成,与辉石橄榄岩相当。n地核以G 面与地幔分界,其成分可能相当于铁陨石,主要是铁以及含520的镍和少量硅、氧。2.1.4 2.1.4 地球的起源与地质时代地球的起源与地质时代一、地球的起源n地球的起源与太阳系密切相关。n自18 世纪以来,先后提出过30 多种地球起源的假说。如拉普拉斯的“星云假说”、康德的“微粒假说”、施密特的“俘获假说”、霍伊尔的“新星云假说”等,对认识天体形成和演化曾起到了一定积极作用。n大约在50-60 亿
6、年前,在银河系所在部位存在一个巨大的气体“尘埃”星云,叫作太阳云。一开始它就在不稳定地自转,同时在自身引力作用下进行收缩,使大量物质聚集于中心部分。体积缩小导致自转速度加快,离心力随之加大,太阳云逐渐变扁成圆盘状。太阳云在收缩过程中,密度、压力加大,导致温度急剧上升,向外强烈辐射释放出巨大能量,于是光芒四射的原始太阳就此产生。n原始太阳经过一个不稳定阶段,抛射出大量物质。太阳抛出的物质参加到围绕它旋转的圆盘中去。在围绕太阳旋转的盘状星云赤道面上,尘埃物质作为气体凝聚的核集结成一个个大小团块,并沿赤道下沉,形成一圈圈有规律间隔的尘环。环内物质在不均匀引力作用下,大质点吸引小质点,逐渐聚结成为行星
7、胚胎,最终形成行星。二、地球的演化与地质年代n原始地球接近于均质体,以后由于内部热作用,导致物质运动并发生重者下沉、轻者上浮的分异作用,于是形成地核、地幔和地壳,从而具有圈层结构。n广泛的火山活动和巨大陨石冲击时释放的气体,形成了原始大气圈,其中的水汽冷凝而形成水圈。最后,在有碳、氧、氢和氮化合物存在的情况下,通过闪电放电或紫外线辐射,或两者兼有的作用,产生愈益复杂的有机分子,它们再进一步结合为能够自身繁殖的有机分子,最后形成生物圈。n地球自形成以来大约经历了(45-46)108 年的历史。计算地球年龄的方法有绝对地质年龄和相对地质年代两种。n绝对地质年龄是根据岩石中存在的微量放射性元素蜕变规
8、律测定出岩石生成的绝对年龄;n相对地质年代是根据生物的发展和岩层形成顺序,将地壳历史划分为与生物发展相对应的一些自然段,每一自然段所代表的时间称为地质时代单位,最大的时代单位叫作宙,宙分为代,代分为纪,每个纪又可分为若干世。按时代早晚顺序把地质年代编年称为地质年代表。2.2 2.2 海与洋海与洋2.2.1 2.2.1 地表海陆分布地表海陆分布n陆地面积占地表总面积的29.2;海洋面积占地表总面积的70.8。海陆面积之比为2.51,地表大部分为海水所覆盖。n地球上的海洋是相互连通的,构成统一的世界大洋;而陆地是相互分离的。在地球表面,是海洋包围、分割所有的陆地,而不是陆地分割海洋。n地表海陆分布
9、极不均衡。在北半球,陆地占其总面积的67.5,在南半球,陆地占总面积的32.5。地球还可分为“陆半球”和“水半球”。n地球表面是崎岖不平的。海洋的深度大于陆地的高度。n2.2.2 2.2.2 海洋的划分海洋的划分n地球上互相连通的广阔水域构成统一的世界海洋。根据海洋要素特点及形态特征,可将其分为主要部分和附属部分。主要部分为洋,附属部分为海、海湾和海峡。n洋或称大洋,是海洋的主体部分,一般远离大陆,面积广阔,约占海洋总面积的90.3;深度一般大于2000m;盐度、温度等不受大陆影响,且年变化小;具有独立的潮汐系统和强大的洋流系统。n世界大洋通常被分为四大部分,即太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋。
10、太平洋是面积最大、最深的大洋,北冰洋是世界最小、最浅、最寒冷的大洋。n太平洋、大西洋和印度洋靠近南极洲的那一片水域,在海洋学上具有特殊意义。它具有自成体系的环流系统和独特的水团结构,既是世界大洋底层水团的主要形成区,又对大洋环流起着重要作用。因此,从海洋学的角度,一般把这片水域称为南大洋或南极海域。联合国教科文组织将南大洋定义为:“从南极大陆到南纬40为止的海域,或从南极大陆起,到亚热带辐合线明显时的连续海域。”n海是海洋的边缘部分,全世界共有54 个海,面积只占海洋总面积的9.7。n海较浅,平均深度在2000m以内。温度和盐度等水文要素受大陆影响很大,并有明显的季节变化。水色低,透明度小,没
11、有独立的潮汐和洋流系统,但潮汐涨落往往比大洋显著。n按照海所处的位置可将其分为陆间海、内海和边缘海。陆间海指位于大陆之间的海,面积和深度都较大,如地中海和加勒比海。内海是伸入大陆内部的海,面积较小,如渤海和波罗的海等。陆间海和内海一般只有狭窄的水道与大洋相通,其物理性质和化学成分与大洋有明显差别。边缘海位于大陆边缘,以半岛、岛屿或群岛与大洋分隔,如东海、日本海等。n海湾是洋或海延伸进大陆且深度逐渐减小的水域,一般以入口处海角之间的连线或入口处的等深线作为与洋或海的分界。海湾中的海水可以与毗邻海洋自由沟通,故其海洋状况与邻接海洋很相似,但在海湾中常出现最大潮差,如我国杭州湾最大潮差可达8.9m。
12、n由于历史上形成的习惯叫法,有些海和海湾的名称被混淆了,有的海叫成了湾,如波斯湾、墨西哥湾等;有的湾则被称作海,如阿拉伯海等。n海峡是两端连接海洋的狭窄水道。海峡最主要的特征是流急,特别是潮流速度大。海流有的上、下分层流入、流出,如直布罗陀海峡等;有的分左、右侧流入或流出,如渤海海峡等。由于海峡中往往受不同海区水团和环流的影响,故其海洋状况通常比较复杂。n2.2.3 2.2.3 海水的起源与演化海水的起源与演化n一般认为海水是地球内部物质排气作用的产物,即通过岩浆活动和火山作用不断从地球内部排出的。地球早期火山作用排出的水汽凝结为液态水,积聚成原始海洋,另一些不溶或微溶于水的气体则组成了原始大
13、气圈。n海水的化学成分,一是来源于大气圈中或火山排出的可溶性气体,如CO2,NH3,Cl2,H2S,SO2 等,这样形成的是酸性水;二是来自陆上和海底遭受侵蚀破坏的岩石,受蚀破坏的岩石为海洋提供了钠、镁、钾、钙、锂等阳离子。另外,受蚀的岩石也为海洋提供了部分可溶性盐。n大洋海水的体积和盐分的显著变化发生在前寒武纪的漫长地球历史时期,自古生代(距今约6108 年)以来,大洋水的体积和盐度已大体与现代相近。2.3 2.3 海底的地貌形态海底的地貌形态2.3.1 2.3.1 海岸带海岸带n世界海岸线全长44104km,是陆地和海洋的分界线。水位升高便被淹没,水位降低便露出的狭长地带即是海岸带。n海岸
14、带是海陆交互作用的地带。海岸地貌是在波浪、潮汐、海流等作用下形成的。一般包括海岸、海滩和水下岸坡三部分。海岸是高潮线以上狭窄的陆上地带,大部分时间裸露于海面之上,仅在特大高潮或暴风浪时才被淹没,又称潮上带。海滩又称潮间带。水下岸坡是低潮线以下直到波浪作用所能到达的海底部分,又称潮下带,通常约10-20m。n海岸形态错综复杂,国内外没有统一的海岸分类标准。中国海岸带和海涂资源综合调查简明规程将中国海岸分为河口岸、基岩岸、砂砾质岸、淤泥质岸、珊瑚礁岸和红树林岸等六种基本类型。2.3.2 2.3.2 大陆边缘大陆边缘n大陆边缘是大陆与大洋之间的过渡带,按构造活动性分为稳定型和活动型两大类。一、稳定型
15、大陆边缘n稳定型大陆边缘没有活火山,也极少地震活动,反映了近代在构造上是稳定的,以大西洋两侧的美洲和欧洲、非洲大陆边缘比较典型,故也称大西洋型大陆边缘,此外也广泛出现在印度洋和北冰洋周围。n稳定型大陆边缘由大陆架、大陆坡和大陆隆三部分组成。n大陆架简称陆架、大陆浅滩或陆棚。定义为“邻接海岸但在领海范围以外深度达200m或超过此限度而上覆水域的深度容许开采其自然资源的海底区域的海床和底土”,以及“邻近岛屿与海岸的类似海底区域的海床与底土”。n大陆架是大陆周围被海水淹没的浅水地带,是大陆向海洋底的自然延伸。其范围是从低潮线起以极其平缓的坡度延伸到坡度突然变大的地方为止。n大陆架最显著的特点是坡度平
16、缓,宽度与深度变化较大,东海大陆架是世界较宽的大陆架之一,最大宽度达500km 以上,其外缘深度130-150m。n大陆架表面常见的地形主要有:(1)沉没的海岸阶地(2)中低纬地带沉溺的河谷和高纬地带沉溺的冰川谷(3)海底平坦面(4)水下沙丘、丘状起伏和冰碛滩等微地貌形态。n大陆坡是一个分开大陆和大洋的全球性巨大斜坡,其上限是大陆架外缘(陆架坡折),下限水深变化较大。大陆坡的坡度一般较陡,但不同海区差别很大,Sherpard(1973)计算的世界大陆坡的平均坡度为417。n多数大陆坡的表面崎岖不平,发育有复杂的次一级地貌形态,最主要的是海底峡谷和深海平坦面。n海底峡谷是陆坡上一种奇特的侵蚀地形
17、,它形如深邃的凹槽切蚀于大陆坡上,横剖面通常为不规则的“V”型,下切深度数百米甚至上千米,谷壁最陡40以上。深海平坦面是大陆坡表面坡度接近水平的面,宽数百米至数千米,长数十千米。n大陆隆又叫大陆裾或大陆基,是自大陆坡坡麓缓缓倾向洋底的扇形地,位于水深2000-5000m 处。它跨越陆坡坡麓和大洋底,是由沉积物堆积而成的沉积体。大陆隆表面坡度平缓,沉积物厚度巨大,常以深海扇的形式出现。大陆隆的巨厚沉积是在贫氧的底层水中堆积的,富含有机质,具备生成油气的条件。地震探查证实富含沙层的大陆隆很可能是海底油气资源的远景区。n二、活动型大陆边缘n活动型大陆边缘是全球最强烈的构造活动带,集中分布在太平洋东西
18、两侧,故又称太平洋型大陆边缘。太平洋型大陆边缘的最大特征是具有强烈而频繁的地震(释放的能量占全世界的80)和火山(活火山占全世界80以上)活动,有环太平洋地震带和太平洋火环之称。n太平洋型大陆边缘又可进一步分为岛弧亚型和安第斯亚型两类,两者都以深邃的海沟与大洋底分界。海沟是由于板块的俯冲作用而形成的深水(6000m)狭长洼地,往往作为俯冲带的标志。海沟长数百至数千千米,宽数千米至数十千米,横剖面呈不对称的“V”形,一般是陆侧坡陡而洋侧坡缓。全球已识别的海沟20 多条,绝大多数分布在太平洋周缘,其中深度超过万米的6 条海沟也全部在太平洋。n岛弧亚型大陆边缘主要分布在西太平洋,其组成除大陆架和大陆
19、坡外一般缺失大陆隆,以发育海沟-岛弧-边缘海盆地为最大特点。这类大陆边缘的岛屿在平面分布上多呈弧形凸向洋侧,故称岛弧,大都与海沟相伴存在。在岛弧与大陆之间以及岛弧与岛弧之间的海域称为边缘海,其中的深水盆地往往具有洋壳结构,位于岛弧后方,又叫弧后盆地。海沟、岛弧和弧后盆地构成沟-弧-盆体系。n安第斯亚型大陆边缘分布在太平洋东侧的中美-南美洲陆缘,高大陡峭的安第斯山脉直落深邃的秘鲁-智利海沟,大陆架和大陆坡都较狭窄,大陆隆被深海沟所取代,形成全球高差(15km 以上)最悬殊的地带。n2.3.3 2.3.3 大洋底大洋底n位于大陆边缘之间的大洋底是大洋的主体,由大洋中脊和大洋盆地两大单元构成。n一、
20、大洋中脊n又称中央海岭,是贯穿四大洋、成因相同、特征相似的海底山脉。全长6.5104km,顶部水深大都在2-3km,有的露出海面成为岛屿,是世界上规模最巨大的环球山系。n大洋中脊北端在各大洋分别延伸上陆,轴部发育有沿其走向延伸的断裂谷地,称为中央裂谷。中央裂谷是海底扩张中心和海洋岩石圈增生的场所,沿裂谷带有广泛的火山活动。n中脊地形比较复杂,纵向呈波状起伏形态,横向呈岭谷相间排列。构造上并不连续,被一系列断裂带切割成许多段落,并错开一定的距离。n大洋中脊体系是全球性地震活动带,但震源浅、强度小。n二、大洋盆地n大洋盆地是指大洋中脊坡麓与大陆边缘之间的广阔洋底,约占世界海洋面积的1/2。大洋盆地
21、的轮廓受洋中脊分布格局的控制,分布着一些隆起的正向地形,进一步把大洋盆地分割成许多次一级盆地。大洋盆地水深一般为4-6km,局部可超过6km。n把大洋盆地分隔开的正向地形主要是一些条带状的海岭和近于等轴状的海底高原。海岭往往由链状海底火山构成。海底高原又叫海台,是大洋盆地中近似等轴状的隆起区。n在大洋盆地中还有星罗棋布的海山,相对平坦的区域是深海平原。2.4 2.4 海底构造与大地构造学说海底构造与大地构造学说n60 年代诞生于海洋地质领域的海底扩张-板块构造学说已影响到地球科学的几乎所有领域,是研究海底构造的理论核心和指导思想。板块构造学说是大陆漂移和海底扩张的引伸和发展。n2.4.1 2.
22、4.1 大陆漂移大陆漂移n魏格纳是大陆漂移说的创始人,他主张地球表层存在着大规模水平运动,海洋和陆地的分布格局处在永恒的变化过程中。作为新地球观核心的活动思想论即由此发端。n魏格纳1912 年提出了大陆漂移的见解,1915 年著成海陆的起源一书,全面系统地论述了大陆漂移问题。他认为地球上所有大陆在中生代以前是统一的联合古陆,或称泛大陆,其周围是围绕泛大陆的全球统一海洋泛大洋。中生代以后,联合古陆解体、分裂,其碎块即现代的各大陆块逐渐漂移到今日所处的位置。由于各大陆分离、漂移,逐渐形成了大西洋和印度洋,泛大洋(古太平洋)收缩而成为现今的太平洋。n大陆漂移的主要依据有海岸线形态、地质构造、古气候和
23、古生物地理分布等。尽管大陆漂移说合理地解释了许多古生物、古气候、地层和构造等方面的事实,但未能合理解释大陆漂移的机制问题。直到50 年代,古地磁学研究的进展又使大陆漂移说重新复兴,60年代海底扩张和板块构造学说的创立再赋予大陆漂移说以新的认识。n2.4.2 2.4.2 海底扩张海底扩张n二战后,各种地球物理技术广泛应用于海洋地质研究,在海底发现或确认了许多未曾预见到的全球规模的地质现象,成为海底扩张说产生、发展的基础和主要依据。nHess(1960,1962)和Dietz(1961)几乎同时提出了“海底扩张”这一概念,以阐明主要与海底生成和消亡过程有关的理论。n大洋中脊轴部裂谷带是地幔物质涌升
24、的出口,涌出的地幔物质冷凝形成新洋底,新洋底同时推动先期形成的较老洋底逐渐向两侧扩展推移,这就是海底扩张。n海底扩张在不同大洋表现形式不同。一种是扩张着的洋底同时把与其相邻接的大陆向两侧推开,大陆与相邻洋底镶嵌在一起随海底扩张向同一方向移动,随着新洋底的不断生成和向两侧展宽,两侧大陆间的距离随之变大,这就是海底扩张说对大陆漂移的解释。另一种方式是洋底扩展移动到一定程度便向下俯冲潜没,重新回到地幔中去,相邻大陆逆掩于俯冲带上。洋底的俯冲作用导致沟-弧体系的形成,太平洋就是这种情况。n海底扩张说能够解释海洋地质学和海洋地球物理学领域的大部分问题,其机制符合物理学理论,并与许多地质、地球物理观测结果
25、一致。n2.4.3 2.4.3 板块构造板块构造n“板块”一词是Wilson(1965)在论述转换断层时首先提出的,后经Morgan等不断综合和完善,于1968 年正式提出了板块构造学说:“地球最上部被划分为岩石圈和软流圈,软流圈在缓慢而长期的作用力下,会呈现出塑性或缓慢流动的性质,岩石圈可以漂浮在软流圈之上作侧向运动”。n岩石圈并非铁板一块,它被一系列构造活动带分割成许多大小不等的球面板状块体,每一个构造块体就叫岩石圈板块,简称板块。全球划分为六大板块:欧亚板块、太平洋板块、美洲板块、非洲板块、印度-澳大利亚板块和南极洲板块;后来又把美洲板块划分为北美板块和南美板块,这样全球可划分为七个板块
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