高中地球科學/地殼中的應力

當你想到巨大的岩石圈板塊在地球表面移動時，你可能會想象這個過程並不平滑。大多數地質活動發生在兩個板塊相遇的地方，即板塊邊界。在地震一章中，你將瞭解到幾乎所有地震、火山爆發和造山運動都發生在板塊邊界。在本節中，你將更多地瞭解由於板塊構造而發生的地質活動，特別是造山運動和地震。

當板塊受到推力或拉力時，岩石會受到應力。應力會導致岩石改變形狀或斷裂。當岩石彎曲而不斷裂時，它會發生褶皺。當岩石斷裂時，它會發生斷裂。造山運動和地震是岩石對應力的幾種反應。

課程目標

列出不同型別的應力，它們會導致不同型別的變形。
比較不同型別的褶皺及其形成條件。
比較斷裂和斷層，並定義它們與地震的關係。
比較山脈的形成方式以及它們在哪些型別的板塊邊界處形成。

應力的原因和型別

應力是指作用於物體上的力。在地質學中，應力是指作用於岩石上的單位面積的力。有四種類型的應力作用於材料。

深埋的岩石受到其上方所有物質重量的向下推力。由於岩石被困在一個地方，所以它就像從四面八方受到擠壓一樣。這種推力會導致岩石被壓縮，但它不能變形，因為它沒有可以移動的空間。這被稱為圍壓。
壓縮是指將岩石擠壓在一起的應力。壓縮會導致岩石發生褶皺或斷裂（斷裂）（圖 7.1）。當汽車在停車場周圍行駛時發生碰撞時，壓縮會導致汽車發生扭曲。壓縮是會聚板塊邊界最常見的應力。

被拉開的岩石處於張力（也稱為拉伸）之下。張力會導致岩石伸長或斷裂。張力是發散板塊邊界的主要應力型別。
當力平行作用但方向相反時，應力被稱為剪下（圖 7.2）。剪下應力會導致兩個物質平面相互滑動。這是轉換板塊邊界最常見的應力。

如果作用於岩石的應力量大於岩石的內部強度，岩石就會發生彈性彎曲。這種型別的變化被稱為彈性，因為當應力消除時，岩石會恢復到原來的形狀，就像被擠壓的橡膠球一樣。如果在岩石上施加更多應力，它最終會發生塑性彎曲。在這種情況下，岩石會彎曲，但當應力消除時不會恢復到原來的形狀。如果應力持續，岩石會斷裂；也就是說，它會斷裂。當材料發生形狀變化時，它會發生變形。變形岩石在地質活動地區很常見（圖 7.3）。

**圖 7.3**：當應力作用於材料時，它最初會發生彈性變形。隨著應力的增加，材料會發生塑性變形，當材料的強度超過時，它會發生斷裂。在材料過渡到下一種型別的變形之前，可以施加的應力量取決於材料及其所處的環境條件。

岩石對應力的反應取決於許多因素：岩石型別；岩石所處的環境條件，主要是周圍的溫度和壓力；岩石承受應力的持續時間；以及應力型別。很難想象岩石在承受應力時不會簡單地斷裂。在地表，岩石通常在承受應力後很快就會斷裂。但在地殼深處，溫度和壓力較高，岩石更容易發生塑性變形。突然的應力，比如用錘子敲擊，更容易使岩石斷裂。隨著時間的推移施加的應力往往會導致塑性變形。

地質構造

沉積岩通常以層狀形式出現。這在大峽谷最為壯觀地展示，那裡的岩層像層層蛋糕一樣暴露出來（圖 7.4）。每一層都由沉積物構成，這些沉積物是在特定環境中沉積（沉積）下來的，可能是湖床、淺海域或沙丘。沉積物以水平方式沉積，最底層的沉積物最古老，最頂層的沉積物最新。一些火山岩，如火山灰降落，類似於沉積岩，因為它們也是以水平方式沉積下來的。

在考慮地質構造時，重要的是要記住沉積物是在水平方向沉積的。這是因為你可以透過觀察岩石與其原始水平位置（圖 7.5）的差異來追蹤岩石所經歷的變形。地質構造是由應力引起的褶皺、節理和斷層。

褶皺

當岩石在經歷壓縮應力時發生塑性變形時，岩石會皺成褶皺。褶皺只是岩石中的彎曲。你可以很容易地透過將你的手放在一塊布的相對邊緣，然後將布推在一起來製造褶皺。在層狀沉積岩中，你可以用眼睛追蹤岩層的褶皺（圖 7.6）。

一旦岩石發生褶皺，它們就不會恢復到原來的形狀。如果岩石經歷更多應力，它們可能會發生更多褶皺，甚至斷裂。褶皺通常成組出現。

褶皺有三種類型：單斜、背斜和向斜。單斜是指岩石層簡單彎曲，不再是水平的，而是傾斜的（圖 7.7）。在單斜中，最古老的岩石在底部，最年輕的岩石在頂部。在大峽谷地質柱狀圖中，2 組岩石已經褶皺成單斜。

**圖 7.7**：在科羅拉多國家紀念碑拍攝的照片中可以發現單斜，那裡的岩石傾斜向地面。

背斜是指向上拱起的褶皺。岩石從褶皺中心向下傾斜（圖 7.8）。

最古老的岩石位於背斜的中心，最年輕的岩石在結構頂部覆蓋在它們之上（圖 7.9）。

當岩石向上拱起形成圓形結構時，該結構被稱為穹隆。如果穹隆頂部被侵蝕掉，最古老的岩石將在中心暴露出來。

向斜是指向下彎曲的褶皺。岩石向下彎曲到一箇中心（圖 7.10）。

在向斜中，最年輕的岩石位於中心，最古老的岩石位於外側（圖 7.11）。

當岩石以圓形結構向下彎曲時，該結構稱為盆地。如果岩石暴露，最年輕的岩石將位於中心。盆地可能非常大。例如，密歇根盆地以密歇根州為中心，但延伸到其他四個州和一個加拿大省（圖 7.12）。

褶皺有時會形成地理特徵，如山丘或山谷，但並非總是如此。

在地表起作用的地質過程，如侵蝕，在形成地理特徵方面也很重要。

斷層

承受足夠應力的岩石會斷裂或破裂。當斷裂線兩側仍有巖塊存在時，如圖 7.13 所示，該斷裂稱為節理。節理形成的一個例子是，當卸除深層花崗岩的圍壓時。

如果斷裂兩側一側或兩側的巖塊發生移動，則該斷裂稱為斷層（圖 7.14）。地震發生在斷層發生突然運動時。當岩石斷裂並突然移動時，釋放的能量會導致地震。斷層可能發生在地球表面或地殼更深處。斷層單獨或成群出現，形成斷層帶。

滑移是岩石沿斷層移動的距離。滑移被稱為相對滑移，因為通常無法確定兩側都移動了還是隻有一側移動了。我們唯一能確定的是，一塊岩石塊相對於另一塊岩石塊發生了移動。斷層與地球的水平面呈一定角度。該角度稱為斷層的傾角。傾角決定了斷層的兩種基本型別之一。如果斷層的傾角相對於水平面傾斜，則該斷層為傾滑斷層。滑移可以向上或向下斷層面。

在以下影像中，您正在直視斷層，就好像您站在一條路上，斷層在路塹中暴露出來一樣。上盤是覆於斷層之上的岩石，而下盤則位於斷層之下。您可以透過想象自己在斷層上行走來記住哪一部分是上盤，哪一部分是下盤。上盤就在您頭頂上，下盤就是您的雙腳所處的地方。礦工經常沿著斷層開採礦產資源。他們過去常常把燈籠掛在頭頂上。這就是這些層被稱為上盤的原因。

在正斷層中，上盤相對於下盤下降。正斷層是由拉伸應力引起的，拉伸應力將地殼拉開，導致上盤相對於下盤下滑。當擠壓應力將地殼擠壓到更小的空間時，上盤相對於下盤向上推。這形成了逆斷層（圖 7.15）。

**圖 7.15**：兩種型別的傾滑斷層。在正斷層中，上盤相對於下盤下降。在逆斷層中，下盤相對於上盤下降。

一種逆斷層被稱為逆衝斷層。在逆衝斷層中，斷層面角度幾乎是水平的，岩石可以沿逆衝斷層滑動數英里（圖 7.16）。

正斷層可能非常大。它們可能是導致經歷拉伸應力的區域隆起山脈的原因（圖 7.17）。

走滑斷層

走滑斷層是一種傾滑斷層，其中斷層面的傾角是垂直的。走滑斷層是由剪下應力造成的。如果您站在走滑斷層的一側，一隻腳在一側，另一隻腳在另一側，則一側的巖塊會向您移動，而另一側的巖塊會遠離您移動。如果朝您移動的巖塊是您右腳所在的巖塊，則該斷層被稱為右旋走滑斷層。如果朝您移動的巖塊是您左腳所在的巖塊，則該斷層為左旋走滑斷層（圖 7.18）。

世界上最著名的走滑斷層是加州的聖安德烈亞斯斷層，它是一條右旋走滑斷層（圖 7.19）。由於聖安德烈亞斯斷層是一個板塊邊界，因此它也被稱為轉換斷層。人們有時會說加州有一天會掉進海洋，但這是一個笑話。聖安德烈亞斯斷層以西的部分正在向東北方向移動，有一天洛杉磯將成為舊金山的郊區，但聖安德烈亞斯斷層以西的陸地是大陸地殼的堅固部分，不會完全消失。

斷層可能只斷裂移動過一次，但大多數斷層會反覆活動。造成這種情況有兩個原因。一是板塊構造過程在相同的位置繼續進行。另一個原因是斷層是地殼中的一個薄弱帶，沿著現有斷層移動比在地殼堅固部分產生新的斷層更容易。

應力與造山運動

**圖 7.20**：印度板塊與歐亞板塊碰撞形成世界上最大的山脈，喜馬拉雅山脈。

山脈可以單獨存在，也可以成片存在，這些山脈是在相似的時期以相似的方式形成的。許多過程都可以形成山脈。雖然大多數山脈形成於板塊邊界，但有些山脈是由板內活動形成的。例如，火山在太平洋板塊內部的熱點處向上隆起。

世界上大多數最大的山脈是由會聚板塊邊界處的擠壓造成的。當兩個大陸板塊發生碰撞時，會形成最大的山脈。大陸岩石圈的浮力太大，無法被推入地幔或俯衝，因此當板塊發生碰撞時，地殼會向上褶皺，導致隆起。應力會導致褶皺、逆斷層和逆衝斷層，所有這些都會使地殼變厚並向上隆起。

世界上最高的山脈，喜馬拉雅山脈，是由印度板塊與歐亞板塊碰撞形成的。大約 8000 萬年前，印度板塊與歐亞板塊之間隔著一個海洋（圖 7.20）。隨著印度板塊向北移動，在歐亞大陸下方形成了一個俯衝帶。海底俯衝並導致了一系列大陸弧火山形成。當大約 4000 萬年前，海洋岩石圈完全俯衝時，印度板塊開始與歐亞板塊發生碰撞。一些印度板塊俯衝到亞洲下方，一些亞洲板塊俯衝到印度之上。岩石也發生了褶皺，這加厚了地殼並形成了山脈。在一些地方，位於兩個大陸板塊之間的古老海底被推到亞洲大陸上，並在喜馬拉雅山脈的高處被發現（圖 7.21）。