高中地球科学/地壳中的应力

当你想到巨大的岩石圈板块在地球表面移动时，你可能会想象这个过程并不平滑。大多数地质活动发生在两个板块相遇的地方，即板块边界。在地震一章中，你将了解到几乎所有地震、火山爆发和造山运动都发生在板块边界。在本节中，你将更多地了解由于板块构造而发生的地质活动，特别是造山运动和地震。

当板块受到推力或拉力时，岩石会受到应力。应力会导致岩石改变形状或断裂。当岩石弯曲而不断裂时，它会发生褶皱。当岩石断裂时，它会发生断裂。造山运动和地震是岩石对应力的几种反应。

课程目标

列出不同类型的应力，它们会导致不同类型的变形。
比较不同类型的褶皱及其形成条件。
比较断裂和断层，并定义它们与地震的关系。
比较山脉的形成方式以及它们在哪些类型的板块边界处形成。

应力的原因和类型

应力是指作用于物体上的力。在地质学中，应力是指作用于岩石上的单位面积的力。有四种类型的应力作用于材料。

深埋的岩石受到其上方所有物质重量的向下推力。由于岩石被困在一个地方，所以它就像从四面八方受到挤压一样。这种推力会导致岩石被压缩，但它不能变形，因为它没有可以移动的空间。这被称为围压。
压缩是指将岩石挤压在一起的应力。压缩会导致岩石发生褶皱或断裂（断裂）（图 7.1）。当汽车在停车场周围行驶时发生碰撞时，压缩会导致汽车发生扭曲。压缩是会聚板块边界最常见的应力。

被拉开的岩石处于张力（也称为拉伸）之下。张力会导致岩石伸长或断裂。张力是发散板块边界的主要应力类型。
当力平行作用但方向相反时，应力被称为剪切（图 7.2）。剪切应力会导致两个物质平面相互滑动。这是转换板块边界最常见的应力。

如果作用于岩石的应力量大于岩石的内部强度，岩石就会发生弹性弯曲。这种类型的变化被称为弹性，因为当应力消除时，岩石会恢复到原来的形状，就像被挤压的橡胶球一样。如果在岩石上施加更多应力，它最终会发生塑性弯曲。在这种情况下，岩石会弯曲，但当应力消除时不会恢复到原来的形状。如果应力持续，岩石会断裂；也就是说，它会断裂。当材料发生形状变化时，它会发生变形。变形岩石在地质活动地区很常见（图 7.3）。

**图 7.3**：当应力作用于材料时，它最初会发生弹性变形。随着应力的增加，材料会发生塑性变形，当材料的强度超过时，它会发生断裂。在材料过渡到下一种类型的变形之前，可以施加的应力量取决于材料及其所处的环境条件。

岩石对应力的反应取决于许多因素：岩石类型；岩石所处的环境条件，主要是周围的温度和压力；岩石承受应力的持续时间；以及应力类型。很难想象岩石在承受应力时不会简单地断裂。在地表，岩石通常在承受应力后很快就会断裂。但在地壳深处，温度和压力较高，岩石更容易发生塑性变形。突然的应力，比如用锤子敲击，更容易使岩石断裂。随着时间的推移施加的应力往往会导致塑性变形。

地质构造

沉积岩通常以层状形式出现。这在大峡谷最为壮观地展示，那里的岩层像层层蛋糕一样暴露出来（图 7.4）。每一层都由沉积物构成，这些沉积物是在特定环境中沉积（沉积）下来的，可能是湖床、浅海域或沙丘。沉积物以水平方式沉积，最底层的沉积物最古老，最顶层的沉积物最新。一些火山岩，如火山灰降落，类似于沉积岩，因为它们也是以水平方式沉积下来的。

在考虑地质构造时，重要的是要记住沉积物是在水平方向沉积的。这是因为你可以通过观察岩石与其原始水平位置（图 7.5）的差异来追踪岩石所经历的变形。地质构造是由应力引起的褶皱、节理和断层。

褶皱

当岩石在经历压缩应力时发生塑性变形时，岩石会皱成褶皱。褶皱只是岩石中的弯曲。你可以很容易地通过将你的手放在一块布的相对边缘，然后将布推在一起来制造褶皱。在层状沉积岩中，你可以用眼睛追踪岩层的褶皱（图 7.6）。

一旦岩石发生褶皱，它们就不会恢复到原来的形状。如果岩石经历更多应力，它们可能会发生更多褶皱，甚至断裂。褶皱通常成组出现。

褶皱有三种类型：单斜、背斜和向斜。单斜是指岩石层简单弯曲，不再是水平的，而是倾斜的（图 7.7）。在单斜中，最古老的岩石在底部，最年轻的岩石在顶部。在大峡谷地质柱状图中，2 组岩石已经褶皱成单斜。

**图 7.7**：在科罗拉多国家纪念碑拍摄的照片中可以发现单斜，那里的岩石倾斜向地面。

背斜是指向上拱起的褶皱。岩石从褶皱中心向下倾斜（图 7.8）。

最古老的岩石位于背斜的中心，最年轻的岩石在结构顶部覆盖在它们之上（图 7.9）。

当岩石向上拱起形成圆形结构时，该结构被称为穹隆。如果穹隆顶部被侵蚀掉，最古老的岩石将在中心暴露出来。

向斜是指向下弯曲的褶皱。岩石向下弯曲到一个中心（图 7.10）。

在向斜中，最年轻的岩石位于中心，最古老的岩石位于外侧（图 7.11）。

当岩石以圆形结构向下弯曲时，该结构称为盆地。如果岩石暴露，最年轻的岩石将位于中心。盆地可能非常大。例如，密歇根盆地以密歇根州为中心，但延伸到其他四个州和一个加拿大省（图 7.12）。

褶皱有时会形成地理特征，如山丘或山谷，但并非总是如此。

在地表起作用的地质过程，如侵蚀，在形成地理特征方面也很重要。

断层

承受足够应力的岩石会断裂或破裂。当断裂线两侧仍有岩块存在时，如图 7.13 所示，该断裂称为节理。节理形成的一个例子是，当卸除深层花岗岩的围压时。

如果断裂两侧一侧或两侧的岩块发生移动，则该断裂称为断层（图 7.14）。地震发生在断层发生突然运动时。当岩石断裂并突然移动时，释放的能量会导致地震。断层可能发生在地球表面或地壳更深处。断层单独或成群出现，形成断层带。

滑移是岩石沿断层移动的距离。滑移被称为相对滑移，因为通常无法确定两侧都移动了还是只有一侧移动了。我们唯一能确定的是，一块岩石块相对于另一块岩石块发生了移动。断层与地球的水平面呈一定角度。该角度称为断层的倾角。倾角决定了断层的两种基本类型之一。如果断层的倾角相对于水平面倾斜，则该断层为倾滑断层。滑移可以向上或向下断层面。

在以下图像中，您正在直视断层，就好像您站在一条路上，断层在路堑中暴露出来一样。上盘是覆于断层之上的岩石，而下盘则位于断层之下。您可以通过想象自己在断层上行走来记住哪一部分是上盘，哪一部分是下盘。上盘就在您头顶上，下盘就是您的双脚所处的地方。矿工经常沿着断层开采矿产资源。他们过去常常把灯笼挂在头顶上。这就是这些层被称为上盘的原因。

在正断层中，上盘相对于下盘下降。正断层是由拉伸应力引起的，拉伸应力将地壳拉开，导致上盘相对于下盘下滑。当挤压应力将地壳挤压到更小的空间时，上盘相对于下盘向上推。这形成了逆断层（图 7.15）。

**图 7.15**：两种类型的倾滑断层。在正断层中，上盘相对于下盘下降。在逆断层中，下盘相对于上盘下降。

一种逆断层被称为逆冲断层。在逆冲断层中，断层面角度几乎是水平的，岩石可以沿逆冲断层滑动数英里（图 7.16）。

正断层可能非常大。它们可能是导致经历拉伸应力的区域隆起山脉的原因（图 7.17）。

走滑断层

走滑断层是一种倾滑断层，其中断层面的倾角是垂直的。走滑断层是由剪切应力造成的。如果您站在走滑断层的一侧，一只脚在一侧，另一只脚在另一侧，则一侧的岩块会向您移动，而另一侧的岩块会远离您移动。如果朝您移动的岩块是您右脚所在的岩块，则该断层被称为右旋走滑断层。如果朝您移动的岩块是您左脚所在的岩块，则该断层为左旋走滑断层（图 7.18）。

世界上最著名的走滑断层是加州的圣安德烈亚斯断层，它是一条右旋走滑断层（图 7.19）。由于圣安德烈亚斯断层是一个板块边界，因此它也被称为转换断层。人们有时会说加州有一天会掉进海洋，但这是一个笑话。圣安德烈亚斯断层以西的部分正在向东北方向移动，有一天洛杉矶将成为旧金山的郊区，但圣安德烈亚斯断层以西的陆地是大陆地壳的坚固部分，不会完全消失。

断层可能只断裂移动过一次，但大多数断层会反复活动。造成这种情况有两个原因。一是板块构造过程在相同的位置继续进行。另一个原因是断层是地壳中的一个薄弱带，沿着现有断层移动比在地壳坚固部分产生新的断层更容易。

应力与造山运动

**图 7.20**：印度板块与欧亚板块碰撞形成世界上最大的山脉，喜马拉雅山脉。

山脉可以单独存在，也可以成片存在，这些山脉是在相似的时期以相似的方式形成的。许多过程都可以形成山脉。虽然大多数山脉形成于板块边界，但有些山脉是由板内活动形成的。例如，火山在太平洋板块内部的热点处向上隆起。

世界上大多数最大的山脉是由会聚板块边界处的挤压造成的。当两个大陆板块发生碰撞时，会形成最大的山脉。大陆岩石圈的浮力太大，无法被推入地幔或俯冲，因此当板块发生碰撞时，地壳会向上褶皱，导致隆起。应力会导致褶皱、逆断层和逆冲断层，所有这些都会使地壳变厚并向上隆起。

世界上最高的山脉，喜马拉雅山脉，是由印度板块与欧亚板块碰撞形成的。大约 8000 万年前，印度板块与欧亚板块之间隔着一个海洋（图 7.20）。随着印度板块向北移动，在欧亚大陆下方形成了一个俯冲带。海底俯冲并导致了一系列大陆弧火山形成。当大约 4000 万年前，海洋岩石圈完全俯冲时，印度板块开始与欧亚板块发生碰撞。一些印度板块俯冲到亚洲下方，一些亚洲板块俯冲到印度之上。岩石也发生了褶皱，这加厚了地壳并形成了山脉。在一些地方，位于两个大陆板块之间的古老海底被推到亚洲大陆上，并在喜马拉雅山脉的高处被发现（图 7.21）。