造山运动

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两个会造成造山带的地质过程。上图:地壳侵入软流圈造成的拆层效应;下图:海洋地壳隐没。这两个过程产生不同位置的花岗岩(图中气泡点),花岗岩位置是该过程如何作用的证据
海洋地壳在隐没带形成非碰撞造山带
两个大陆板块碰撞形成碰撞造山带。大陆地壳一般不会隐没,只会抬升

  造山运动汉语拼音:Zaoshan Yundong;英语:Orogeny),形成山脉的一种剧烈的地壳运动。又称造山作用。19世纪中期开始使用的术语,最初是指造成山脉中的岩石变形和山岳地貌的产生的作用。造山运动会产生岩石高度变形的带状区域,称为造山带(Orogens或Orogenic belts)。“Orogeny”来自希腊语,“oro”是山,“geny”是“genesis”的略语,诞生或起源的意思。造山运动是造成各大陆山地的主要机制;当大陆地壳因为造山运动产生褶皱和厚度增加时就形成山脉。涉及大范围的地质作用统称造山运动。

  造山运动发生在地壳狭长地带(地槽)中,强烈的水平挤压作用使岩石变形而形成褶皱和断层等构造山系。一般而言,由于地壳的水平缩短,造成岩层的褶皱和冲断层作用,使造山带的地壳增厚,从而隆升为山脉。与其相对的是造陆运动,指地壳的大面积的缓慢而平稳的垂直升降运动,形成巨大的隆起和拗陷,如美国科罗拉多高原中国云贵高原,其上是大面积的水平岩层。但就地貌上的山脉的形成而言,不仅是上述的形成构造变形的造山作用,还涉及地面的外动力作用,如差异风化作用和河流的下切作用等,因此造陆作用形成的高原上,一样可以有深切的峡谷和山峰。

  目前地质上的造山运动是指造成一个地区地壳强烈变形的构造过程,包括形成岩层的褶皱、冲断层和大规模的推覆构造、普遍发育的劈理和片理构造等;区域变质作用和深成岩浆作用,如大量花岗岩的侵入和蛇绿岩的就位;在山前和山间盆地中的反映山脉快速隆升的大量分选差和成熟度差的沉积物,如复成分砾岩和岩屑砂岩等;地层间的显著不整合等。

概述

  造山带的形成是板块隐没作用过程的一部分,出现在海洋地壳潜入大陆地壳以下(非碰撞造山带)或者两个甚至更多大陆地壳碰撞的地区(碰撞造山带)。

  造山运动通常会造成长弧状结构,即造山带(Orogenic belts)。 一般来说造山带会有许多相当长的平行带状岩石构造,而且这些构造都有类似的地质特征。造山带与隐没带一起出现。隐没带是地壳进入地函熔融后产生火山,并形成岛弧的区域。弧状结构可以归因于板块的刚性和岛弧的尖端与下沉岩石圈的裂缝有密切关系。这些岛弧可能在造山运动中与大陆合并。

  造山运动的过程需要经过至少数千万年才能将平原或海床变成山地。造山运动产生的山脉高度与地壳均衡原理有关;就是由较轻的大陆地壳组成的山脉的向下重力和较重的地函对山脉施加的向上浮力的平衡。

  造山运动下形成的岩石经常是严重扭曲和重度的变质作用。造山运动期间深埋的岩石可能会被推升到地表;海底和接近海岸的物质会盖住部分或全部造山带区域。如果造山运动是因为两个大陆版块碰撞,可能会产生极高的山脉(例如喜马拉雅山脉)。

  造山运动的研究可能分成以下部分:

  • 板块构造事件
  • 地理事件
  • 年代排列事件

  造山运动事件可能:

  • 产生与板块运动有关的特殊结构
  • 在特定区域影响岩石和地壳
  • 在特定时期发生

造山轮回

  虽然造山运动包含板块构造论,板块运动的力量造成许多种现象,包含岩浆、变质作用、地壳融化与地壳厚度变厚。在一个特定的造山带发生的任何作用取决于大陆地壳岩石圈的强度和流变学,以及造山运动中这些属性的改变。

  除了造山运动以外,山的形成也有其他的作用;例如沉积作用和侵蚀作用。这些作用是沉积和侵蚀作用多次重复的循环,以及接下来的掩埋和变质作用,和之后的花岗岩岩基形成与构造上升,最终形成山脉,称为造山循环。例如志留纪和泥盆纪的加里东造山运动起因于劳伦大陆和阿瓦隆尼亚大陆以及其他冈瓦那大陆的碎块。加里东造山运动来自这些事件和其他特殊的造山运动循环。

  总的来说,造山运动在长时间改变地质状态中扮演重要角色。造山带只是造山运动循环的一部份;侵蚀作用也是循环中重要的部份。

侵蚀

  侵蚀作用会大量移除山的物质,露出山脉的根部(原本地表下数公里的变质岩出现在地表)。这样的作用可以被发展中造山带地壳均衡的浮力平衡加速进行。对于侵蚀作用对板块变形的程度至今仍有争议;因此,最终形成的主要较老的造山代是一个长弧形的结晶变质岩区,而变质岩区位于远离造山带核心的较年轻沉积物之下。

  造山带可能会因为侵蚀作用完全消失,因此只能研究岩石上造山运动造成的痕迹来判定造山带。造山带通常是细长的弧形岩石区,而且可以看到因为地体或地块岩石的变形所造成的明显线型结构;造山带的分离通常是因为缝合线或逆断层。这些断层有相对较细的,称为推覆体(nappe)或推覆岩席(thrust sheets)的片状岩石;而这些岩石是来自从核心到边缘被缩短的造山带,并且与褶皱运动和变质作用有密切关系。

研究

研究历史

  在19世纪,地质学开始发展以前,山的存在是被圣经中所提到的大洪水做为解释。这是新柏拉图主义思想的延伸,这影响早期基督教作家提出一个完美的创造需要采取一个完美球体的形式。这样的思想一直延续到18世纪。

  Orogeny这个字被Amanz Gressly (1840) 和朱尔斯·舒曼 (1854)用来描述造山带(orogenic)是山脉出现与抬升过程。

  1852年时埃利·得博蒙提出“钳子颚部”(Jaws of a Vise)理论来解释造山运动;但这理论更关注高度,而非包含在造山带内的隐藏结构。他的理论基本上认为高山的出现压缩了某些岩石。

  爱德华·苏斯在1875年认识了水平移动岩石的重要性。这个概念是“地槽的先驱”或者是固体地球初始向下弯曲(詹姆士·霍尔,1859年),1873年时詹姆士·德怀特·达纳进一步完善,在他的造山理论中提出了“压缩”的概念。事后看来,达那的理论有部分错误,因为该理论是源自地球冷却理论。

  直到20世纪60年代地球冷却理论仍是大多数地质学家的的主要模式。这是因为造山运动的理论陷入地壳垂直运动(类似火山灰型板块构造,tephrotectonics)或软流圈、地函内对流两种理论支持者之间的激烈论战。

  1906年时,提出各种型式的造山带,其中包含了“阿尔卑斯型造山带”,特征有复理石(flysch)和磨砾层(molasse)沉积物几何形状;蛇绿岩系、硅质玄武岩和推覆体型的折皱结构。

  利奥波德·冯·布赫在1855年承认造山运动是一个“事件”。在他的理论中,造山运动的时间可已被确定在最年轻的变形岩石和最老的未变形岩石之间。虽然现在地质年代学主要使用放射性定年法,这个原则至今仍然适用。

  H.J. Zwart在1967年[23]注意到了造山带变质作用的差异,并提出了三种造山带形式;1979年W. S. Pitcher进行了一些修改并进一步确定为:

  • 海西型(Hercynotype)(弧后盆地型):
    • 浅、压力低变质作用;细变质带
    • 变质带与温度上升有关
    • 大量花岗岩和混合岩
    • 少量蛇绿岩系,缺乏超基性岩石
    • 小规模和抬升高度低的极宽造山带
    • 推覆体结构少
  • 阿尔卑斯型(海沟型):
    • 深、高压、宽变质带
    • 多种变质作用岩相,与压力减少相关
    • 少花岗岩或混合岩
    • 大量蛇绿岩系与超基性岩石
    • 相对较窄与抬升高度大且快速的造山带
    • 主要是推覆体结构
  • 科迪勒拉(弧)型
    • 主要是钙质碱性岩形式的火成岩、安山岩、花岗岩岩基
    • 一般缺乏混合岩,低地温梯度
    • 缺乏蛇绿岩和深的沉积岩(黑色页岩、燧石等)
    • 低压变质作用,抬升高度中等
    • 推覆体结构少

  板块构造论的提出解释了许多造山带和其特征。主要由勒内·笛卡儿发展的地球冷却理论因此被放弃了,火山灰型板块构造(tephrotectonic style)的垂直运动可以被地壳均衡解释。

  有一些特例存在:例如新西兰是板块撞击界限变成转型断层界限;或者是属于岛弧的新几内亚是在远离大陆后阻体的地方形成。更复杂的状况,例如澳洲的马斯格雷夫区块(Musgrave Block),元古宙大陆和大陆碰撞的造山带在之前是无法解释的(参见Dennis, 1982),可以被后来的震波成像技术了解造山带地壳深处的结构。

与形成山脉的关系

  巨大的现代造山带经常存在于大陆的边界板块的碰撞。阿利根尼造山运动(形成阿巴拉契亚山脉)、拉腊米造山运动,以及安地斯造山运动是在美洲的例子。更古老的已经不活动的造山带,例如阿尔冈纹造山运动、佩尼奥克造山运动,与安特勒造山运动则显示了岩石变形与位于内陆的沉积平原。

  版块分离区域,例如中洋脊和东非大裂谷存在因为地表下方地函高热产生的热浮力(动力地势)造成的山脉。冰岛就是这样的例子。

  在断层系统中,例如圣安德烈亚斯断层,束缚弯曲导致非版缘性造山运动的区域性的地壳缩短和造山。

  热点的火山导致不在板块界线上的孤立山峰的形成和山炼的形成。例如夏威夷群岛。

  经历过地壳上升的区域是岩石圈分层的结果,其中一部份不稳定的低温岩石圈根部向下插入地函,降低了岩石圈的密度,造成浮力;美国加利福尼亚州内华达山脉就是这样的例子。该区域是断块山脉底下岩石圈分层后再经历隆起的构造。

  最后,地壳上升和侵蚀作用与造陆运动有关(大规模的局部性垂直运动,与褶皱、变质作用并无太大关系),并且会产生局部性的地表上升。