造山運動

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造山運動Orogeny)是指地殼結構因為板塊運動產生劇烈變化,屬地殼變動的一種。這種作用會產生岩石高度變形的帶狀區域,稱為造山帶OrogensOrogenic belts)。“Orogeny”來自希臘語,“oro”是山,“geny”是“genesis”的略語,誕生或起源的意思。造山運動是造成各大陸山地的主要機制;當大陸地殼因為造山運動產生褶皺和厚度增加時就形成山脈。涉及大範圍的地質作用統稱造山運動[1][2]

地形學[编辑]

兩個會造成造山帶的地質過程。上圖:地殼侵入軟流圈造成的拆層效應英语Delamination (geology);下圖:海洋地殼隱沒。這兩個過程產生不同位置的花崗岩(圖中氣泡點),花崗岩位置是該過程如何作用的證據[3]
海洋地殼隱沒帶形成非碰撞造山帶。
兩個大陸板塊碰撞形成碰撞造山帶。大陸地殼一般不會隱沒,只會抬升。

造山帶的形成是板塊隱沒作用過程的一部分,出現在海洋地殼潛入大陸地殼以下(非碰撞造山帶)或者兩個甚至更多大陸地殼碰撞的地區(碰撞造山帶)[4]

造山運動通常會造成長弧狀結構,即造山帶Orogenic belts)。 一般來說造山帶會有許多相當長的平行帶狀岩石構造,而且這些構造都有類似的地質特徵。造山帶與隱沒帶一起出現。隱沒帶是地殼進入地函熔融後產生火山,並形成島弧的區域。弧狀結構可以歸因於板塊的剛性和島弧的尖端與下沉岩石圈的裂縫有密切關係[5]。這些島弧可能在造山運動中與大陸合併。

造山運動的過程需要經過至少數千萬年才能將平原或海床變成山地。造山運動產生的山脈高度與地殼均衡原理有關[6];就是由較輕的大陸地殼組成的山脈的向下重力和較重的地函對山脈施加的向上浮力的平衡[7]

造山運動下形成的岩石經常是嚴重扭曲和重度的變質作用英语Metamorphism。造山運動期間深埋的岩石可能會被推升到地表;海底和接近海岸的物質會蓋住部分或全部造山帶區域。如果造山運動是因為兩個大陸版塊碰撞,可能會產生極高的山脈(例如喜馬拉雅山脈)。

造山運動的研究可能分成以下部分:

  • 板塊構造事件
  • 地理事件
  • 年代排列事件

造山運動事件可能:

  • 產生與板塊運動有關的特殊結構
  • 在特定區域影響岩石和地殼
  • 在特定時期發生

造山輪迴[编辑]

雖然造山運動包含板塊構造論,板塊運動的力量造成許多種現象,包含岩漿變質作用、地殼融化與地殼厚度變厚。在一個特定的造山帶發生的任何作用取決於大陸地殼岩石圈的強度和流變學,以及造山運動中這些屬性的改變。

除了造山運動以外,山的形成也有其他的作用;例如沉積作用侵蚀作用[2]。這些作用是沉積和侵蝕作用多次重複的循環,以及接下來的掩埋和變質作用,和之後的花崗岩岩基形成與構造上升,最終形成山脈,稱為造山循環[8][9]。例如志留紀泥盆紀加里東造山運動起因於勞倫大陸阿瓦隆尼亞大陸以及其他冈瓦那大陆的碎塊。加里東造山運動來自這些事件和其他特殊的造山運動循環[10]

總的來說,造山運動在長時間改變地質狀態中扮演重要角色。造山帶只是造山運動循環的一部份;侵蝕作用也是循環中重要的部份。

侵蝕[编辑]

侵蝕作用會大量移除山的物質,露出山脈的根部(原本地表下數公里的變質岩出現在地表)。這樣的作用可以被發展中造山帶地殼均衡的浮力平衡加速進行。對於侵蝕作用對板塊變形的程度至今仍有爭議;因此,最終形成的主要較老的造山代是一個長弧形的結晶變質岩區,而變質岩區位於遠離造山帶核心的較年輕沉積物之下。

造山帶可能會因為侵蝕作用完全消失,因此只能研究岩石上造山運動造成的痕跡來判定造山帶。造山帶通常是細長的弧形岩石區,而且可以看到因為地體或地塊岩石的變形所造成的明顯線型結構;造山帶的分離通常是因為縫合線逆斷層。這些斷層有相對較細的,稱為推覆體(nappe)或推覆岩席(thrust sheets)的片狀岩石;而這些岩石是來自從核心到邊緣被縮短的造山帶,並且與褶皺運動變質作用有密切關係 [11]

生物學[编辑]

在1950和1960年代,造山運動的研究配合生物地理學[12]、地理學和中洋脊的研究,對於板塊構造論有相當大的幫助。甚至在極早的地質年代中,存在於海洋中的生命因為能影響大氣的成分而扮演了相當重要的角色。海洋的存在對於海床的延伸與隱沒是相當重要的[13][14]

與形成山脈的關係[编辑]

國際太空站上觀測的內華達山脈东侧陡峭的落差达3000米的山麓与山下平坦的欧文谷,這是分層效應造山的結果。

山的形成會有數種機制[15][16][17]

山脈複雜的構造源自於不規則的連續性是因為海底擴張、岩石圈板塊位移、轉型斷層和碰撞、聚合與非聚合性大陸邊界。
——[18]

巨大的現代造山帶經常存在於大陸的邊界板块的碰撞。阿利根尼造山運動(形成阿巴拉契亞山脈)、拉臘米造山運動,以及安地斯造山運動是在美洲的例子。更古老的已经不活動的造山帶,例如阿爾岡紋造山運動佩尼奧克造山運動,與安特勒造山運動則顯示了岩石變形與位於內陸的沉積平原。

版塊分離區域,例如中洋脊東非大裂谷存在因為地表下方地函高熱產生的熱浮力(動力地勢)造成的山脈。冰岛就是这样的例子。

斷層系統中,例如聖安德烈亞斯斷層束縛彎曲導致非版緣性造山運動的區域性的地殼縮短和造山。

熱點的火山導致不在板塊界線上的孤立山峰的形成和山鍊的形成。例如夏威夷群岛

經歷過地殼上升的區域是岩石圈分層的結果,其中一部份不穩定的低溫岩石圈根部向下插入地函,降低了岩石圈的密度,造成浮力[19];美國加利福尼亞州內華達山脈就是這樣的例子。該區域是斷塊山脈[20]底下岩石圈分層後再經歷隆起的構造[19][21]

最後,地殼上升和侵蝕作用與造陸運動有關(大規模的局部性垂直運動,與褶皺、變質作用並無太大關係)[22],並且會產生局部性的地表上升。

發展歷史[编辑]

在19世紀,地質學開始發展以前,山的存在是被聖經中所提到的大洪水做為解釋。這是新柏拉圖主義思想的延伸,這影響早期基督教作家提出一個完美的創造需要採取一個完美球體的形式。這樣的思想一直延續到18世紀。

Orogeny這個字被Amanz Gressly (1840) 和朱爾斯·舒曼 (1854)用來描述造山帶(orogenic)是山脈出現與抬升過程。

1852年時埃利·得博蒙提出「鉗子顎部」(Jaws of a Vise)理論來解釋造山運動;但這理論更關注高度,而非包含在造山帶內的隱藏結構。他的理論基本上認為高山的出現壓縮了某些岩石。

愛德華·蘇斯在1875年認識了水平移動岩石的重要性。這個概念是「地槽的先驅」或者是固體地球初始向下彎曲(詹姆士·霍爾,1859年),1873年時詹姆士·德懷特·達納進一步完善,在他的造山理論中提出了「壓縮」的概念。事後看來,達那的理論有部分錯誤,因為該理論是源自地球冷卻理論

直到20世紀60年代地球冷卻理論仍是大多數地質學家的的主要模式。這是因為造山運動的理論陷入地殼垂直運動(類似火山灰型板塊構造,tephrotectonics)或軟流圈地函內對流兩種理論支持者之間的激烈論戰。

1906年時,提出各種型式的造山帶,其中包含了「阿爾卑斯型造山帶」,特徵有復理石(flysch)和磨礫層(molasse)沉積物幾何形狀;蛇綠岩系、矽質玄武岩推覆體型的摺皺結構。

利奧波德·馮·布赫在1855年承認造山運動是一個「事件」。在他的理論中,造山運動的時間可已被確定在最年輕的變形岩石和最老的未變形岩石之間。雖然現在地質年代學主要使用放射性定年法,這個原則至今仍然適用。

亨德里克·揚·茲瓦特在1967年[23]注意到了造山帶變質作用的差異,並提出了三種造山帶形式;1979年華勒斯·史賓塞·皮徹進行了一些修改[24]並進一步確定為[來源請求]

板塊構造論的提出解釋了許多造山帶和其特徵。主要由勒內·笛卡兒發展的地球冷卻理論因此被放棄了,火山灰型板塊構造(tephrotectonic style)的垂直運動可以被地殼均衡解釋。

有一些特例存在:例如紐西蘭是板塊撞擊界限變成轉型斷層界限;或者是屬於島弧的新幾內亞是在遠離大陸後阻體的地方形成。更複雜的狀況,例如澳洲的馬斯格雷夫區塊(Musgrave Block),元古宙大陸和大陸碰撞的造山帶在之前是無法解釋的(參見Dennis, 1982),可以被後來的震波成像技術了解造山帶地殼深處的結構。

參見[编辑]

注釋[编辑]

  1. ^ Tony Waltham. Foundations of Engineering Geology 3rd. Taylor & Francis. 2009: 20. ISBN 0415469597. 
  2. ^ 2.0 2.1 Philip Kearey, Keith A. Klepeis, Frederick J. Vine. Chapter 10: Orogenic belts. Global tectonics 3rd. Wiley-Blackwell. 2009: 287. ISBN 1405107774. 
  3. ^ N. H. Woodcock, Robin A. Strachan. Chapter 12: The Caledonian Orogeny: a multiple plate collision. Geological history of Britain and Ireland. Wiley-Blackwell. 2000: 202, Figure 12.11. ISBN 0632036567. 
  4. ^ Frank Press. Understanding Earth 4th. Macmillan. 2003: 468–469. ISBN 0716796171. 
  5. ^ Gerald Schubert, Donald Lawson Turcotte, Peter Olson. §2.5.4 Why are island arcs arcs?. Mantle convection in the earth and planets. Cambridge University Press. 2001: 35–36. ISBN 0521798361. 
  6. ^ PA Allen. Isostasy in zones of convergence. Earth Surface Processes. Wiley-Blackwell. 1997: 36 ff. ISBN 0632035072. 
  7. ^ Gerard V. Middleton, Peter R. Wilcock. §5.5 Isostasy. Mechanics in the earth and environmental sciences 2nd. Cambridge University Press. 1994: 170. ISBN 0521446694. 
  8. ^ David Johnson. The orogenic cycle. The geology of Australia. Cambridge University Press. 2004: 48 ff. ISBN 0521841216. 
  9. ^ Five characteristics of the orogenic cycle are listed by Robert J. Twiss, Eldridge M. Moores. Plate tectonic models of orogenic core zones. Structural geology 2nd. Macmillan. 1992: 493. ISBN 0716722526. 
  10. ^ N. H. Woodcock, Robin A. Strachan. Chapter 12: The Caledonian Orogeny: a multiple plate collision. cited work. : 187 ff. ISBN 0632036567. 
  11. ^ Olivier Merle. §1.1 Nappes, overthrusts and fold-nappes. Emplacement Mechanisms of Nappes and Thrust Sheets: Volume 9 of Petrology and structural geology. Springer. 1998: 1 ff. ISBN 0792348796. 
  12. ^ For example, see Patrick L Osborne. Tropical ecosystems and ecological concepts. Cambridge University Press. 2000: 11. ISBN 0521645239. "Continental drift and plate tectonics help to explain both the similarities and the differences in the distribution of plants and animals over the continents"  and John C Briggs. Biogeography and plate tectonics. Elsevier. 1987: 131. ISBN 0444427430. "It will not be possible to construct a thorough account of the history of the southern hemisphere without the evidence from both the biological and the earth sciences" 
  13. ^ Paul D. Lowman. Chapter 7: Geology and biology: the influence of life on terrestrial geology. Exploring space, exploring earth: new understanding of the earth from space research. Cambridge University Press. 2002: 286–287. ISBN 0521890624. 
  14. ^ Seema Sharma. Atmosphere: origin. Encyclopaedia of Climatology. Anmol Publications PVT. LTD. 2005: 30 ff. ISBN 8126124423. 
  15. ^ Richard J. Huggett. Fundamentals of geomorphology 2nd. Routledge. 2007: 104. ISBN 0415390842. 
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  17. ^ http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E9%80%A0%E5%B1%B1%E9%81%8B%E5%8B%95&action=submit Ian Douglas, Richard John Huggett, Mike Robinson. Companion Encyclopedia of Geography: The Environment and Humankind. Taylor & Francis. 2002: 33. ISBN 0415277507. 
  18. ^ Peter J Coney. The Geotectonic Cycle and the New Global Tectonics. Geological Society of America Bulletin. 1970, 81 (3): 739–748. doi:10.1130/0016-7606(1970)81[739:TGCATN]2.0.CO;2. 
  19. ^ 19.0 19.1 Lee, C.-T. Osmium Isotopic Evidence for Mesozoic Removal of Lithospheric Mantle Beneath the Sierra Nevada, California. Science. 2000, 289: 1912. doi:10.1126/science.289.5486.1912. 
  20. ^ John Gerrard. Mountain environments: an examination of the physical geography of mountains. MIT Press. 1990: 9. ISBN 0262071282. 
  21. ^ Manley, Curtis R. Timing of volcanism in the Sierra Nevada of California: Evidence for Pliocene delamination of the batholithic root?. Geology. 2000, 28: 811. doi:10.1130/0091-7613(2000)28<811:TOVITS>2.0.CO;2. 
  22. ^ Arthur Holmes, Doris L. Holmes. Holmes principles of physical geology 4rth. Taylor & Francis. 2004: 92. ISBN 0748743812. 
  23. ^ Zwart, H. J., 1967. The duality of orogenicb elts. Geol. Mijnbouw. 46, 283-309 (referred in Pitcher 1979)
  24. ^ W.S. Pitcher, The nature, ascent and emplacement of granitic magmas, Journal of the Geological Society 1979; v. 136; p. 627-662

參考資料[编辑]

  • Élie de Beaumont, J.-B., 1852. Notice sur les Systèmes de Montagnes ("Note on Mountain Systems"), Bertrand, Paris, 1543 pp. (English synopsis in Dennis (1982))
  • Buch, L. Von, 1902. Gesammelte Schriften, Roth & Eck, Berlin.
  • Dana, James D., 1873. On some results of the Earth's contraction from cooling, including a discussion of the origins of mountains, and the nature of the Earth's interior. American Journal of Science, 5, pp. 423-443.
  • Dennis, John G., 1982. Orogeny, Benchmark Papers in Geology, Volume 62, Hutchinson Ross Pulishing Company, New York ISBN 0-87933-394-4
  • Hall, J., 1859. Palaeontology of New York, in New York National Survey No. 3, Part 1, 533 p.
  • Suess, Eduard, 1875. Die Entstehung Der Alpen lit. The Origin Of The Alps, Braumüller, Vienna, 168 p.
  • Harms, Brady, Cheney, 2006. Exploring the Proterozoic Big Sky Orogeny in Southwest Montana, 19th annual Keck symposium.

外部連結[编辑]