海洋地質學

海洋地質學

海洋地質學是研究地殼被海水淹沒部分的物質組成、地質構造和演化規律的學科。研究內容涉及海岸與海底的地形、海洋沉積物、洋底岩石、海底構造、大洋地質歷史和海底礦產資源。它是地質學的一部分,又與海洋學有密切聯繫,是地質學與海洋學的邊緣科學。

研究意義

海洋地質學海洋地質學

海洋覆蓋面積約占地球表面積的71%。它是全球地質構造的重要組成部分,也是現代沉積作用的天然實驗室。海底蘊藏著豐富的礦產資源,是人類未來的重要資源基地。海洋環境地質和災害地質直接關係到人類的生產和生活。海洋地質調查還是海港建設、海底工程和海底資源開發的基礎。因此,海洋地質學具有重要的理論和實踐意義。

研究簡史  

海洋地質學海洋地質學

1872~1876年英國“挑戰者”號環球海洋調查,第一次取得深海樣品,發現了深海軟泥和錳結核。1891年由英國的J.默里和比利時的A.F.勒納爾將這次調查成果編製成第一幅世界大洋沉積分布圖及寫成《海洋沉積》一書,標誌著近代海洋地質研究的開始。

“挑戰者”號之後的幾十年問,海洋地質的研究進展甚微。1925~1927年,德國“流星”號調查船遠航南大西洋,首次採用電子回聲測深技術揭示了深洋底崎嶇不平的地形,發現了縱貫整個大西洋的中央海嶺;又用柱狀取樣管取樣,進行樣品的岩石學和礦物學研究,並首次推算了深海區的沉積速率。

20世紀20~30年代,電子回聲測深儀用於海底地形調查,發現了縱貫大西洋的洋中脊,柱狀樣取樣成功,潛艇海洋重力測量,發現了與海溝有關的重力負異常,對海底構造理論的發展具有深遠意義。二次大戰期間,由於戰爭的需要,海底地形測量和海洋地質調查有了新的進展。戰後,海底油田的開發促進了海洋地質調查的蓬勃發展,技術方法有了長足的進步。40年代中期,已經積累了大量海洋地質資料。40年代末,美國F.P.謝潑德的《海底地質學》(1948)、蘇聯M.B.克蓮諾娃的《海洋地質學》(1948)和荷蘭P.H.奎年的《海洋地質學》(1950)相繼問世。海洋地質學成為獨立學科。
20世紀50年代初期,回聲測深技術大為改進,高解析度的精密聲吶投入使用,測程達萬米,為編制各大洋洋底地形圖提供了可靠的手段。同時,重力、磁法和地震探測等地球物理儀器也獲得較大改進。這期間,奎年成功地進行了濁流的實驗研究,指出濁流沉積具有遞變層理。1952年,希曾和尤因研究了1929年紐芬蘭附近大灘地震後的海底電纜折斷事故,認為該事件是由強大的高速濁流引起。此後,濁流概念逐漸被廣泛接受。

海洋地質學海洋地質學

20世紀50~60年代後期,是大規模的海洋地質地球物理調查促進海洋地質理論大發展的時期。高解析度聲吶系統的投入使用,為海底地貌調查提供了新手段。重力、磁法和地震等地球物理勘探方法也有重大進展。大規模國際海洋調查計畫,如“國際地球物理年”、“國際印度洋考察”、“國際熱帶大西洋合作調查”、“上地幔計畫”、“深海鑽探計畫”等,提供了大量海洋地質資料,發現了大洋地殼結構與大陸地殼的區別,以及全球規模的大洋中脊體系和條帶狀磁異常。在此基礎上,產生了海底擴張說轉換斷層的概念和板塊構造學,從而從根本上動搖了固定論的長期統治,被稱為地球科學的一場“革命”。
60年代後期至今是海洋地質界致力於深海鑽探以驗證板塊構造理論,進而開闢海洋地質研究新領域的時期。在這一時期內,單一國家的和國際合作的大規模海洋考察有了新的發展。通過“國際海洋考察十年”、“法摩斯計畫”、“地球動力學計畫”和“國際岩石圈計畫”、“大洋鑽探計畫”的實施,通過新的觀測手段和調查設備的採用,人們對大洋裂谷、洋殼構造、板塊俯衝帶及大陸邊緣演化過程有了新的認識,海底礦產資源也進入了大規模工業開發的新階段,從而推動地球科學的發展。

研究方向

海岸動力地貌學
海洋沉積學及沉積動力學
海底構造學
海洋地球化學
海洋地球物理學
古海洋學
海洋微體古生物學
海洋礦產地質學
海洋工程地質學

海洋地質調查技術和方法

(一)海底地形地貌測量
1、回聲測深(單、雙頻)
2、多波束測深(三維海底立體地形圖)
3、旁側聲納掃描(二維海底平面地形圖)
(二)海底地層探測
1、聲學地層剖面儀(淺、中、深)
地層厚度、層理結構和地層中異常埋藏體(淺層氣、斷層、埋藏古河道)
2、地震勘探(單道、多道、三維)
震源(氣槍和電火花)和接收系統(接收器、放大器和記錄儀)
3、海底地震觀測
(三)重力測量
根據重力異常值推算具有異常密度的地質體及密度變化界面的形狀和埋藏深度。
用於研究區域構造、沉積盆地和大斷裂走向,探測海底礦產資源
海底、船舶走航和航空重力測量
(四)地磁測量
利用磁性地質體在海底產生的磁異常信息,研究區域構造和沉積盆地,尋找隱伏火成岩體、斷裂構造和海洋油氣資源等,論證海底擴張-板塊構造。
海洋磁力儀(質子鏇進式)
(五)海底熱流測量

研究內容  

海洋地質學海洋地質學
海洋地質學綜合性強,涉及許多學科領域和技術方法。其主要內容如下:
①海底地形。包括海底的地貌景觀及其空間分布和成因。這是海洋地質學的經典內容之一。大陸邊緣、大洋盆地和大洋中脊是海底的三大地形單元。深海底的大地形大多是構造地形和火山地形。內力作用對地形發育起主要作用。其基本格局受海底擴張板塊構造的控制。海底地形的調查手段主要是海底測深及側掃聲吶。套用高精度的聲波測深技術和定位技術,可以查明海底的微地形。
②海底沉積。主要包括海底沉積物的類型、形成作用、時空分布及其與大洋演化歷史的關係。海底沉積物主要是陸源碎屑、海洋生物骨骸以及海洋化學與生物化學作用的產物。其分布與沉積區所處位置有密切關係。瀕臨陸地的近海,陸源沉積作用居主導地位,沉積物的分布受波浪、潮汐、海流的影響,沉積物的粒度向海洋深部逐漸變細。來自上覆水體的細粒懸浮物和生物骨骸的沉落作用,在遠洋沉積作用中居主導地位。海洋環流格局、海底微地貌、濁流和其他偶發事件,以及氣候和緯度帶對沉積作用和沉積物的分布都有顯著影響。海洋沉積物連續性較好,保存了豐富的環境條件信息,是研究海洋演化歷史的基礎。海底沉積物的測年有多種方法。現已建立起海底沉積物的地層系統。研究海底沉積地層的劃分、對比,是大洋地層學的任務。
③海底構造。包括海洋地殼的結構,海底主要構造單元及其相互關係,以及海底岩石圈的演化歷史。洋底地殼具3層結構,上部為沉積層,中部為玄武質熔岩和岩牆,下部為輝長岩。洋殼厚5~10公里,比陸殼薄,也更年輕,空間上有很大變化。在洋中脊的軸部,厚僅2~6公里,在無震海嶺或海底高地,厚度可達20公里以上。有的海台還有殘存的花崗岩質陸殼。海底主要構造單位包括大洋板塊和板塊邊緣。大洋盆地是大洋板塊的主體。其地層平整,除斷裂構造外,一般沒有褶皺。板塊邊緣有匯聚邊緣、離散邊緣和轉換邊緣 3類。洋底構造的研究是解決地殼起源、演化等地質學根本問題的基礎。對海底成礦作用的研究也至關重要。
海洋地質學海洋地質學
④洋底岩石。研究洋底岩石的組成、產狀、分布和成因。洋底岩石有兩個顯著的特點:一是年輕,至今尚未發現早於1.7億年前形成的洋殼岩石;二是其化學成分高鐵鎂而低矽鹼。洋底也發現有變質岩和中、酸性火成岩,但數量上都不能與玄武岩相比。洋底玄武岩有不同類型。大洋中脊玄武岩分布最廣,以大離子親石元素和輕稀土元素含量低為特徵。板塊內部火山活動形成的玄武岩構成海山,以富含輕稀土和大離子親石元素為特徵。洋殼岩石是地幔岩漿活動的產物。也是海底礦產的主要物源。它們在時間和空間上的變化,反映了洋殼的形成和演化歷史,是當前大洋鑽探中最引人注目的一個研究領域。
⑤海底礦產資源。包括各種海底礦產資源的形成、分布規律及其經濟意義。海底礦產資源的重要性正與日俱增。在濱岸帶,由陸源有用礦物富集形成的砂礦床已被廣泛利用。作為建築材料的砂和卵石,亦已大規模開發。在大陸架,油氣資源早已進入工業開發階段。其產量已達全球石油總產量的1/4。深海錳結核儲量極大,在諸大洋均有分布,尤以太平洋為最多。多金屬泥及塊狀硫化物礦床的研究正在深入。其他如磷酸鹽海綠石等亦有經濟價值。隨著技術進步和陸上資源儲量的減少,海底礦產在人類資源結構中的比例將與日俱增。

展望

今後的海洋地質學,將在區域調查的基礎上,從深度和廣度兩方面加強基礎理論和資源開發研究。洋殼結構,尤其是深部結構,洋殼生長、擴張和俯衝、消亡機制的研究,以及沉積動力學和古海洋學將進一步得到發展,海底資源的調查和開發試驗將加緊進行,海底石油在人類能源結構中的比例將繼續增長,一個綜合開發海底資源的時代已為期不遠;成礦作用的研究將出現一個勃興的局面。此外,大規模的國際合作和新技術、新方法的套用,必將促進海洋地質學的高速發展。

參考書目

1,F.P.謝帕德著,梁元博、於聯生譯:《海底地質學》,科學出版社,北京,1979。(F.P. Shepard, Submarine Geology,3rd ed.,Harper & Row,New York,1973.)
2,J. P. Kennett, Marine Geology, Prentice-Hall,London,1982.
3,http://www.ikepu.com/geography/geological/branch/marine_geology_total.htm

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