地质学史上的15大地质理论.doc

地质学史上的15大地质理论！ 地质学发展至今，产生了一系列假说和理论。随着技术的发展和实验手段的进步，一些逐渐被验证被广泛接受，一些则被淘汰。小桔梳理了地质学史上的15大地质理论，欢迎大家留言讨论。01水成论18世纪到19世纪之交，地学史上爆发了一场水成论与火成论的激烈争论。水成派认为地质变化的原因是水的作用，所有的岩石都是水成岩。火成派认为地质变化的原因是火山的作用，所有的岩石都是火成岩。水成论学派以德国地质学家魏尔纳（A G.Werner，1749一1817）为代表。魏尔纳认为，所有地层是地球在原始洪水期沉积而成，水是地壳形成与变化的唯一动力，而地下火的作用是次要的、局部的。纪元前，古罗马人已发现尼罗河两岸周期性地被洪水淹没、尼罗河在三角洲不断增大。另外，陆地上存在海相介壳动物化石等这些都是证据。水成岩1787年，魏纳发表著作岩层的简明分类和描述，将萨克逊地区地层从老到新划分为：原生岩，含花岗岩、片麻岩、云母板岩、蛇纹岩、玄武岩、斑岩、正长岩。过渡岩，含硬砂岩、砂质板岩、灰岩。盖层岩，含砂岩、灰岩、石膏、岩盐、煤。冲积岩，含现代粉砂、粘土、沙、砾石、泉华、泥炭。魏尔纳由此推论，这个层序适合于全球，称之为“万有建造”(Universal Fornrations)。02火成论火成论学派以英国地质学家郝顿(J.Hutton，1726-1797)为代表。赫顿认为：花岗岩是熔融岩浆冷却的产物，岩浆充满了地球内部，岩桨上涌形成山脉，而流水长期剥蚀又使高山夷为平地，地面下沉到水面以下接受新的沉积。1795年，赫顿发表了著作地球的理论，证据和说明。他认为被水成论学派列为第一类岩石的花岗岩、片麻岩等不可能在洪水中形成。火成论并不认为火是地质变化的唯一动力因素，而认为水与火都起作用，这一点与水成论认为水是唯一的动力因素有所不同。花岗岩样品赫顿还发现了泥盆系红砂岩与其下志留系的不整合接触，从而推论地球历史上曾有多次这种造山-夷平-沉积的旋回。因此，他提出自然界过程均一不变，自然现象所表现的事件发生过程在历史时期也曾发生，即著名的均变理论。不整合接触赫顿的朋友霍尔从熔融的玻璃慢慢冷却形成不透明的结晶体而迅速冷却形成透明玻璃的现象中得到启发，他从意大利的维苏威火山取来一些典型的火山岩，将它熔化后慢慢冷却得到了类似于玄武岩的结晶体，证实了玄武岩是岩浆慢慢冷却形成的。这对火成论学派是极有力的支持，从而也开创了实验岩石学，“岩石火成论”也由此形成。火成岩结果呢，它们之间的争论持续了约200年，最终以火成论胜利结束，然而人们却逐渐发现“水成岩”和“火成岩”都是存在于自然界中的，并且发现了第三类岩石变质岩的存在。三大岩循环图03灾变论18世纪晚期到19世纪初，多数科学家都已认识到地壳是逐渐形成的，生物也是不断变化的，但是这种变化是突然发生的，还是逐渐发生的，看法不一，形成灾变论和渐变论两种学派。需要明确的是：灾变论和渐变论都从属于古生物学领域。灾变论，是一种与均变论相对的理论。此理论认为在地球历史上发生过多次巨大的灾变事件，每经一次灾变，原有生物被毁灭，新的则被创造出来（特创论）。灾变论的代表人物是法国的古生物学家、比较解剖学家居维叶(Cuvier, Gtorge 1769-1832)。1825年他的地球表面灾变论出版，全面地阐述了他的灾变论的观点。居维叶详细地研究了巴黎盆地沉积层，发现不同地层含有不同的生物化石，地层愈古老，所含生物化石愈简单，与现代生物的差别愈大。他认为这不是环境的缓慢变化造成的，历史上必定发生过突发的灾变，而且这些灾难还应该是具有很大规模的。居维叶地层、古生物序列及其灾变示意表其中，通过对古生物化石的研究，提出在地史近期曾经发生过一次突变，使地球上的低洼地区被上涨的海水迅速而长期的淹没了，这一突发事件是造成南美巨兽以及猛犸象突然绝灭的原因。04渐变论渐变论则认为生物演化是一个长期、平稳而缓慢的渐变过程，漫长的时间足以使微小的渐变逐渐积累，产生惊人的效果，而化石记录中出现的明显变化和突变现象则是由地层缺失造成的。这里的渐变论就是火成论代表赫顿提出的均变论。代表人物有两位，分别是查尔斯莱伊尔和达尔文。1830年1月，被誉为“现代地质学之父”的英国著名地质学家莱伊尔发表了地质学原理第一卷（1831年出版第2卷，1833年5月出版第3卷）。现在是认识过去的钥匙/莱伊尔他坚持并证明地球表面的所有特征都是由难以觉察的、作用时间较长的自然过程形成的。他指出地壳岩石记录了亿万年的历史，可以客观地解释出来，而无需求助于灾变论。莱伊尔强调“现在是认识过去的钥匙”，这一思想被发展为“将今论古”的现实主义原理。1859年，英国著名生物学家、进化论奠基人达尔文的物种起源正式出版，他提出了生物缓慢进化、自然选择、适者生存的生物进化论。地学思想界和古生物界的强强联合，确立了渐变论的统治地位，灾变理论由此进入低潮期。但是，渐变论并不是无懈可击，其中有两大疑惑未能成功解决。疑惑一：“地质记录不完全”的证伪渐变论的基本思想是自然界无跃进，地质记录的不完全现象也只是做了经验性的原因分析，并没有证实。达尔文“地质记录的不完全”原因分析表随着地层学的兴起，利用化石确定地层年代的理论和方法逐渐明确了地质时期的地层顺序。于是，地质学家发现在一些地质界限时期存在的生物化石在之后的地质时期消失不见了。利用化石可以确定和对比地层的先后顺序再到后来的同位素测年技术的发展，经技术测定，白垩纪-古近纪的界限为6500万年，对比地层可以发现，在短时间内灭绝的有孔虫属种以及残留在界限两侧的迥然相异的古生物遗骸，向世界公开质疑了达尔文提出的“地质记录不完全”说法，而且不难想到，地质时期的地壳演化并不是均匀渐变的过程，一定是曾经出现过毁灭性的灾变事件。疑惑二：物种爆发和集群灭绝之谜进入寒武纪之后，生命进化发生了惊天逆转，地球上的生物在一个短暂的“瞬间”突然在数量、规模、形态和结构上涌现出大量的生命形式，呈现出从单样性到多样性、单细胞到多细胞生物格局的飞跃现象。奥陶纪-志留纪交界的生物大灭绝，晚泥盆纪的大灭绝，二叠纪-三叠纪交界的生物大灭绝，三叠纪-侏罗纪交界的生物大灭绝等等，这些渐变论都无法解释。地质史时期的生物科的数目变化05新灾变论1963年，德国古生物学家Schindewolf 提出了新灾变论，认为宇宙和地球演化过程中发生过一系列剧烈而突发性的灾变事件，从地球演化历史来看，这些事件发生的时间是相对短促的，但能量极高，影响面广，同时引起地球上的生物集群绝灭。发生灾变的原因主要归因于地球外来因素，如超新星爆发、小行星或彗星撞击地球等。这些灾变事件的地质证据是在上述生物绝灭界线粘土层中发现有铱异常、微球粒和冲击石英等。铱异常就是小行星撞击地球的有力证据。“天外横祸”的一些记录新灾变论与旧灾变论的区别在于，一是强调宇宙因素，一是完全抛弃了神创观点。虽然新灾变论近年进展很快，颇为盛行，得到许多专家支持，但也有不同看法，如对灾变球外成因证据的质疑；处于同一生态系统的不同生物类群有的绝灭，有的却不绝灭；铱异常层位与生物大规模绝灭是否同时等，都有争论。06固定论大地构造学说的争论焦点之一是地壳运动以垂直运动为主，还是以水平运动为主。垂直论又称固定论，主张大陆自形成以来，其位置不变，从未经过水平运移。与其相对立的是水平论，又称活动论，主张在地壳历史演变过程中，大陆在地球表面上的位置发生过比较显著的水平移动。固定论以地槽-地台说为代表。1859 年，美国地质学者J.霍尔发现美国东部阿巴拉契亚山脉古生代层厚超过1万米，二美国中部平原地区同时期地层厚度约1千米，二者形成鲜明的对比。霍尔认为，浅海相沉积的厚度是如此之大，它必然是边沉降边沉积形成的。因此得出结论：这些褶皱山脉曾经是地壳上巨大的拗陷。东部阿巴拉契亚山脉与中部平原地区的对比1873 年，J.丹纳把这种拗陷及其产物称为地槽。地槽是地壳活动强烈的地带，在地表呈长条状分布，升降速度快，幅度大，逐渐接受巨厚的沉积并有复杂的岩相变化，褶皱强烈，岩浆活动频繁。两种模式对比图1885 年，奥地利的E.修斯提出在地壳上存在一些稳定地区，其上的沉积层十分平缓，地貌也非常平坦，他把这种地壳上稳定的、自形成后不再发生褶皱变形的地区，称为地台。1900 年，法国E.奥格在其著作地槽和大陆块中，明确地把地槽和地台统一起来，作为地壳上的两个基本构造单元。自此以后，地槽和地台理论就作为相互联系的不可分割的完整学说形成和发展起来，称为地槽地台说。地槽地台的发展演化示意从19 世纪末至近代，槽台说在大地构造学说中一直占统治地位。它的形成是以大陆壳的地质构造为基础。但是，槽台说极少涉及现代海洋的构造和演变，具有一定的局限性。那么，活动论是怎么回事儿呢？07地壳均衡理论地壳均衡说（Isostasy）是按照阿基米德原理（轻物质漂浮于液态重物质之上，力求达到均衡的现象），用以解释地壳运动原因的一种假说。地壳均衡的示意图，海拔越高地壳越厚。1855年，普拉德主张地球的固体地壳漂浮平衡于液态底层之上，认为固体地壳各处密度不同，如隆起的山脉部分密度小、下陷的海盆部分密度大，地形起伏不平，但它和液态底层的界面均衡补偿面是水平的。同年，艾里也主张地球的固体地壳漂浮平衡于液态底层之上，但他认为固体地壳各处密度相同，地壳增厚的地区、如山脉与地壳变薄的地区、如海盆，不仅表现于其上界的高低起伏，下界呈镜象反映（山脉越高、山根越深），而且其界面是起伏不平的。艾里模型（左）和普拉特模型（右）的对比1889年，道顿以某一地区的地壳因剥蚀而负荷减轻，另一地区的地壳因沉积而负荷加重，均衡遭到破坏，使负荷减轻的地区上升，负荷加重的地区下降，以求得到的地壳平衡，以此解释地壳升降运动的原因。现代重力测量和地震研究资料表明普拉德和艾里的假设各有可取之处，二者结合可对岩石圈的平衡作出解释，而若按本假说来解释地壳运动的起因很难置信，因为它所表述的升降运动的机制是不可逆的，更无法来解释地壳的水平运动，因而未被广泛接受。08大陆漂移学说1910年，德国著名气象学家、地球物理学家魏格纳发现大西洋两岸形状的互补性产生了大陆漂移思想。30岁的某一天，他在观察世界地图时，意外的发现他认为：全球的陆地在2亿年前还是彼此相连的一个整体，后来由于受到力的作用，才不断分离并漂移到现在海陆分布。为了验证这一想法，他找到了许多证据。证据一：地形吻合大西洋两岸的大陆轮廓基本拼合，且两岸的岩层和构造很相似。另外，两岸的古生物群具有亲缘关系，表明当时这些大陆曾相连接。欧洲、非洲与南、北美洲拼合示意图大西洋两岸的非洲和南美洲的很多动物有亲缘关系。如两岸都有鸵鸟，而鸵鸟不会飞，更不会游，所以无法跨越大西洋。非洲、美洲、大洋洲的动物分布不妨看一下，一些古生物学家提出的物种交换的假想模型。证据二：化石证据舌羊齿化石是2.5亿年前的一种蕨类植物，在非洲、南美洲、澳大利亚、印度和南极洲都发现了舌羊齿化石。舌羊齿化石舌羊齿化石的全球分布特征证据三：气候证据北冰洋以北的岛上发现了热带植物化石；南极洲发现大量的煤矿；印度发现古代冰川。古冰川示意图魏格纳的这一“石破天惊”的观点立刻震撼了当时的科学界，但是招致的攻击远远大于支持。随着魏格纳本人在科学探险中献身于格陵兰雪原，大陆漂移说一度陷于沉寂。09海底扩张学说20世纪60年代初期，由美国地质学家迪茨（Dietz，1961）正式提出“海底扩张”的概念，赫斯（Hess，1962）加以深入阐述。海底扩张说是对大陆漂移说的进一步发展。赫斯在阐述他的海底扩张说时，很清楚他的理论“与大陆漂移说并不完全相同”。海底扩张学说的主要观点是：大洋中脊是地幔物质上升的出口，上升的地幔物质冷凝形成新的洋壳，并推动先形成的洋底逐渐向两侧对称扩张；海底在洋中脊处的扩张导致新大洋两侧的大陆逐渐彼此远离，也可能使老的洋壳在大陆边缘的海沟处沿贝尼奥夫带（俯冲带）向下俯冲潜没，重新回到地幔中去，从而完成对老洋壳的更新；海底扩张是刚性岩石圈块体驮在软流圈上运动的结果，运动的驱动力是地幔物质的热对流；如果地幔对流的上升流发生在大陆下面，就将导致大陆的分裂与大洋的开启。海底扩张学说的简易模型图海地扩张学说对大陆漂移的动力来源做了很好的解释。海底扩张学说的成立少不了一些证据的支持。证据一：海底磁异常条带1963年，英国剑桥大学的Vine和Matthews发现了海底地磁转向。沿洋中脊呈带状对称分布的磁性正负异常带就是海底磁异常条带，单个磁异常条带宽约数公里到数十公里，纵向上延伸数百公里而不受地形影响。海底磁异常条带的形成模式图解洋中脊处形成的玄武岩中的古地磁记录了当时的地磁场方向。不同的磁异常条带反映的是不同的磁化方向。证据二：深海钻探成果深海钻探表明，深海沉积物由洋脊向两侧从无到有，从薄到厚，沉积层序由少到多，最底部沉积物的年龄越来越老，并且与海底磁异常条带所预测的年龄十分吻合。全球大洋地壳的年龄分布洋中脊处新洋壳不断形成，两侧离洋中脊越远处洋壳越老，洋壳的年龄不老于侏罗纪，相对于大陆地壳40多亿年的年龄而言十分年青，证明了大洋底在不断扩张和更新。证据三：转换断层1965年，加拿大地球物理、地质学者威尔逊发现了转换断层。横向错断大洋中脊、断层的运动方向和性质在断层的两端突然发生改变的断层就是转换断层。大西洋底地貌，中间的山脉是大洋中脊（中央裂谷和转换断层）1965年，威尔逊在发表转换断层时勾勒出了板块构造的最初轮廓。海底扩张说较好地解释了一系列海底地质的地球物理现象，使大陆漂移说由衰而兴，主张地壳存在大规模水平运动的活动论取得胜利。直到60年代后，被人们一度冷落的“大陆漂移”学说（板块构造学说也称新大陆漂移学说）又重新受到人们的重视。10板块构造学说1968年，法国地质学家勒皮雄与麦肯齐、摩根等人提出的一种板块构造学说，它是海底扩张说的具体引伸。主要观点是：岩石圈不是整体一块，被构造带分割成许多板块板块处在不断的运动中，板块运动形成地表基本形态板块内部比较稳定，板块交界处地壳比较活跃，多火山地震。板块构造学说提出了六大板块划分与三种板块边界类型。全球的岩石圈分为亚欧板块、非洲板块、美洲板块、太平洋板块、印度洋板块和南极洲板块，共六大板块。板块边界类型划分为离散型、汇聚型和转换型三种。离散型板块边界汇聚型板块边界（B为俯冲边界、C为碰撞边界）板块运动对地表产生不同影响，形成不同地貌。板块张裂：形成裂谷、海洋和海岭。陆陆碰撞：形成山脉、高原。海陆碰撞：形成岛弧、海岸山脉、海沟。板块运动形成的不同现代地貌1973年，加拿大地球物理、地质学者威尔逊（J.T.Wilson）联系现代各种海洋实例，按照大洋盆的生命周期顺序，把大洋发展史分成六个阶段，形象的概括了大洋从张开到闭合的整个过程。杜威和伯克将这一发展过程称为威尔逊旋回。威尔逊旋回模式图大陆漂移说、海底扩张说和板块构造说被称为全球大地构造理论发展的三部曲。至此，海陆成因的迷雾被逐渐拨开。其实，在大地构造学的发展史中，曾出现过许多学说，如收缩说、重力均衡说、对流说、脉动说、膨胀说、重力分异说、放射性旋回说、振荡说、放射性热融化说等等。大地构造学在我国地质界影响最大的主要是地槽地台说、地质力学说及板块构造说这三种学说。中国地处环太平洋构造带和特提斯构造带的丁字接合处，具有中国特色的大地构造特征。“波浪状镶嵌构造学说”、“地质力学”、“多旋回构造”、“地洼说”和“断块构造说”是老一辈地质学家对我国大地构造特征的总结，被称为“中国五大地质构造学派”。11地质力学20世纪40年代，地质学家李四光在研究中国和东亚构造的基础上于创立了地质力学。李四光教授曾形象化地讲过“地质力学是一门边缘学科，它的一条腿站在地质学方面，另一条腿站在力学方面。”主张用力学的观点研究地质构造现象，研究地壳各部分构造形变的分布及其发生、发展过程，用来揭示不同构造形变间的内在联系。地质力学既研究地壳运动产生的各种形变现象的规律，也研究由地壳运动产生的物质的变化规律，以及两者的相互联系。反映地壳运动的一切现象都是它考察研究的对象，包括构造体系的规律、海洋运动的遗迹、岩浆活动的现象、变质岩带的发生和矿产的形成等。用此理论的分析了中国东部地质构造特点，提出沉降带具有储油层的观点。20世纪6070年代，地质力学在我国一些金属矿产和石油资源（比如大庆油田、胜利油田的发现）的找矿勘探中，得到广泛推广和应用。12“多旋回构造运动”学说1954年，黄汲清院士在其著作中国主要地质构造单位中正式提出“多旋回说”。这是一种关于地壳演化规律的学说。该学说认为，一个地槽系的发生，发展到结束，不只经历一个而是若干个构造旋回（即多旋回），才逐步转化成褶皱系的。多旋回构造运动有广义和狭义的两种概念：广义的多旋回，在空间上说是全球性的，在时间上说包括巨旋回、旋回和亚旋回；狭义的多旋回，在空间上主要指一个地槽系，在时间上指一个巨旋回之内的多旋回发展。多旋回说是在地槽地台学说的基础上发展起来的。其理论意义在于揭示了地壳呈多旋回开合向复杂方向演化的规律。由于构造运动是多旋回的，必然导致产生相应的多旋回岩浆活动和多旋回沉积作用等。多旋回岩浆活动，必然导致生成与岩浆活动相关的各种有用矿产。如“多层生油，多层储油”的提出，就是多旋回说在石油地质工作中的具体化。黄汲清还提出了陆相沉积生油学说，即油田的形成必须具备三个条件：一是能生油，二是能储油，三是要有地层封盖。具体部署、指导了中国石油天然气地质普查勘探，为我国油气资源的重大突破。13“波浪状镶嵌构造” 学说1962年，张伯声提出波浪状镶嵌构造说，这是一种阐明地壳的统一构造格局及地壳运动规律的假说。他认为，整个地壳的构造是由大小不同的地壳块体和大小不同的活动带镶嵌而成的复杂构造图案，称为地壳的镶嵌构造。同一级别的活动带与地块带相间分布,在构造地貌上显示峰谷起伏及疏密相间，并具有近等间距性，称为波浪状构造。全球地壳表现为几个系统的一级套一级的活动带与地块带的定蓑排列，因而在几个方向上表现出一级套一级的波浪状构造。地壳几个系统的、从宏观到微观级级相套的地壳波浪状构造的交织与叠加，形成了十分复杂、但有一定规律的地壳的波浪状镶嵌构造。波浪状镶嵌构造学说对中国大陆内部地壳构造的波浪状演化特征研究较多，而对洋陆边缘附近构造特征的研究比较薄弱，模拟实验及定量化研究也较欠缺，对地壳以下的深部研究和认识还很不够。14“断块构造”学说1974年，中国科学院地质研究所张文佑教授提出了断块构造说。它是以地质力学为基础，吸取了地槽地台学说和板块构造学等的有关内容，在研究中国及邻区大地构造特征和模拟实验的过程中建立和发展起来的。断块构造学说认为岩石圈固结之后，断裂活动就占据了主导地位。断块就是被岩石圈中不同深度的断裂及层间滑动断裂所切割成的块体，各块体之间在物质组成、构造滑动性和地质演化诸方面均有明显的差异。断裂块体分为4个等级，即岩石圈断块、地壳断块、基底断块和盖层断块。断块构造说强调块缘的形成与形变研究，因为它们是认识断块形成演化及其运动学和动力学的主要标志；同时也重视块内结构不均一性的研究，因为块内各种不均一地质因素，都可在同一区域应力场情况下导致块内应力的分布形式和边界条件的变化，使块内应变图像变得十分复杂。他还提出了针对油气勘探的定凹探边、定凹探隆的指导思想。15地洼学说1956年，中国科学院陈国达院士在总结中外地质资料的基础上提出了地洼学说，形成了发源于中国的国际地洼学派。地洼学说认为，在地壳演化史上，不只活动区可以转化为“稳定”区，而“稳定”区也可转化为新的活动区。大陆地壳的发展由地槽-地台-地洼。其大地构造性质既不是地台，也与地槽有别，而是一种新型活动区，故称地洼。该学说认为，地洼阶段是一个重要成矿期，其特点是形成丰富的有色金属、稀有金属、分散元素及放射性元素等矿床；汞、氟、金刚石等也很重要。地洼盆地中也产生石油、天然气、煤、油页岩、石膏、盐，以及沉积铜、铀、铁等矿。其矿床特点常以小面积内可以集中大储量著称。该学说还认为，地洼区常可继承先成的构造单元的矿产，形成矿床叠加，其成矿作用又可将先成矿床改造富化，形成新的矿床或使先成地层中分散的成矿物质富集形成工业矿床。因此，在地洼区内矿产综合多样，且常见大而富的多因复成矿床。 由于地壳演化新阶段具有如此的成矿作用，因此引起国内外成矿学者的高度重视。有人把第三构造类型与板块构造并列为决定当代地质学家发展的新学说。