板塊構(gòu)造說

　　bankuai gouzaoshuo

　　板塊構(gòu)造說

　　theory of plate tectonics

　　20世紀(jì)60年代興起的當(dāng)代地球科學(xué)中最有影響的全球構(gòu)造學(xué)說。它認(rèn)為地球的巖石圈分裂成為若干巨大的板塊，巖石圈板塊沿著塑性軟流圈之上發(fā)生大規(guī)模水平運(yùn)動;板塊與板塊之間或相互分離，或相互匯聚，或相互平移，引起了地震、火山和構(gòu)造運(yùn)動。板塊構(gòu)造說囊括了大陸漂移、海底擴(kuò)張、轉(zhuǎn)換斷層、大陸碰撞等概念，為解釋全球地質(zhì)作用提供了頗有成效的格架。

　　簡史　1912年，德國A.L.韋格納首先提出了大陸漂移說。1960至1962年期間，美國H.H.赫斯、R.S.迪茨在大陸漂移和地幔對流說的基礎(chǔ)上創(chuàng)立海底擴(kuò)張說，隨后F.J.瓦因和英國D.H.馬修斯等通過海底磁異常的研究對海底擴(kuò)張說作了進(jìn)一步論證。1965年加拿大J.T.威爾遜建立轉(zhuǎn)換斷層概念，并首先指出，連綿不絕的活動帶網(wǎng)絡(luò)將地球表層劃分為若干剛性板塊。1967至1968年期間，美國W.J.摩根、D.P.麥肯齊、R.L.帕克與法國X.勒皮雄將轉(zhuǎn)換斷層概念外延到球面上，定量地論述了板塊運(yùn)動，確立了板塊構(gòu)造說的基本原理。1968年，美國B.L.艾薩克斯、J.奧利弗和L.R.賽克斯進(jìn)一步闡述了地震與板塊活動之間的聯(lián)系， 并將這一新興理論稱作 “新全球構(gòu)造”。目前常用的術(shù)語“板塊構(gòu)造”，是麥肯齊和摩根在1969年提出的。70年代以來，板塊學(xué)說逐步滲透到地球科學(xué)的許多領(lǐng)域。

　　板塊劃分　固體地球上層在垂向上可分為物理性質(zhì)截然不同的兩個圈層，即上部具一定剛性的巖石圈和下墊的略具塑性的軟流圈。巖石圈包括地殼和一小部分上地幔，厚度不一,約在幾十公里至200公里以上。軟流圈大體相當(dāng)于上地幔低速層，或電導(dǎo)率較高的高導(dǎo)層(低阻層),Q值(介質(zhì)品質(zhì)因素，與地震波衰減程度成反比)較低，表明其物質(zhì)較熱、較輕、較軟，具一定塑性。存在著可以緩慢蠕動的軟流圈，是上覆巖石圈發(fā)生大規(guī)模運(yùn)動的基本前提。

板塊是由地震帶所分割的內(nèi)部地震活動較弱的巖石圈單元。由于板塊的橫向尺度比厚度大得多，故得名。狹長而連續(xù)的地震帶勾劃出了板塊的輪廓，它是板塊劃分的首要標(biāo)志(見海底地震)。全球巖石圈可劃分為六大板塊：歐亞板塊、非洲板塊、美洲板塊、印度板塊(或稱印度洋板塊、澳大利亞板塊)、南極洲板塊和太平洋板塊。有人將美洲板塊分為北美板塊和南美板塊，則全球有7大板塊。根據(jù)地震帶的分布及其他標(biāo)志,人們進(jìn)一步劃出納斯卡板塊、科科斯板塊、加勒比板塊、菲律賓海板塊等次一級板塊(圖1[ 地球巖石圈板塊分布圖] )。板塊的劃分并不遵循海陸界線(海岸線)，也不一定與大陸地殼、大洋地殼之間的分界有關(guān)。大多數(shù)板塊包括大陸和洋底兩部分。太平洋板塊是唯一基本上由洋底巖石圈構(gòu)成的大板塊。板塊邊界　指兩個板塊之間的接觸帶，而板塊邊緣則是指一個板塊的邊緣。板塊邊界是構(gòu)造活動帶。根據(jù)板塊的相對運(yùn)動狀態(tài)，邊界可分為三類：①分離型板塊邊界，②匯聚型板塊邊界,③轉(zhuǎn)換型板塊邊界(圖2[三種板塊邊界類型] )。震源機(jī)制表明，這三類邊界的主導(dǎo)應(yīng)力狀態(tài)分別是引張、擠壓和剪切。

　　分離型板塊邊界　兩個相互分離的板塊之間的邊界，見于大洋中脊軸部或裂谷帶，以淺源地震、火山活動、高熱流和引張作用為特征。隨著兩側(cè)板塊分離張開，軟流圈地幔物質(zhì)沿脊軸上涌,在地球磁場作用下,相繼形成一系列正向、反向磁化相間排列的洋底巖石圈條帶(見條帶狀磁異常)。由于新生巖石圈較為薄弱，故下一次張裂通常仍發(fā)生在中脊軸部,使新生巖石圈分裂為二,各有一半洋底條帶添加于兩側(cè)板塊的后緣。這種邊界也稱為增生板塊邊界或建設(shè)型板塊邊界。洋底巖石圈沿分離型邊界的增生作用通常兩側(cè)是對稱的，致使中脊地形也具有對稱性。

　　匯聚型板塊邊界　指兩個相互匯聚的板塊之間的邊界，相當(dāng)于海溝和活動造山帶。鑒于地球表面積基本不變，因而分離型邊界巖石圈的增生必然為某些地方巖石圈的破壞所補(bǔ)償。巖石圈的破壞或壓縮就發(fā)生在匯聚型邊界。匯聚型邊界有兩種亞型，即俯沖邊界和碰撞邊界。

① 俯沖邊界。在地形上表現(xiàn)為海溝，相鄰板塊相互疊覆，由于大洋板塊較之大陸板塊往往具有密度大、厚度小、位置低的特點(diǎn)，故大洋板塊一般地俯沖于大陸板塊之下。也有大洋板塊俯沖于另一大洋板塊之下的情況(如沿馬里亞納海溝)。俯沖邊界主要展布于太平洋周緣,包括島弧-海溝系與安第斯型大陸邊緣。前者有邊緣海與大陸相隔;后者海溝直接濱臨大陸。通常,在海溝附近出現(xiàn)淺源地震,向陸側(cè)依次出現(xiàn)中源、深源地震,構(gòu)成一傾斜的震源帶,稱貝尼奧夫帶,其傾角變化在15 ～90 之間。貝尼奧夫帶標(biāo)出了板塊俯沖的形跡。貝尼奧夫帶具有很高的Q值，接近于巖石圈,從而也證明巖石圈板塊是沿貝尼奧夫帶向下俯沖的。在俯沖過程中，上覆的大洋沉積物可能隨板塊潛入地下;有時，部分沉積物被刮落下來，添加于海溝陸側(cè)坡，構(gòu)成增生楔形體。增生的混雜巖體逐漸成長并受擠而隆起,組成非火山性外弧,在一定程度上導(dǎo)致大陸增長。當(dāng)板塊俯沖至一二百公里深處，摩擦增熱，導(dǎo)致下插板塊或上覆地幔物質(zhì)產(chǎn)生部分熔融，從而有巖漿上升并噴出地表，形成與海溝平行延伸的火山弧(見島弧)。火山弧與外弧之間發(fā)育弧前盆地?；『罄瓘堊饔脛t形成弧后盆地(亦稱邊緣盆地)。在板塊俯沖作用下，形成統(tǒng)一的溝-弧-盆系。

　?、?碰撞邊界。表現(xiàn)為活動造山帶，也稱地縫合線。隨著大洋板塊俯沖殆盡,大規(guī)模俯沖活動停息,兩側(cè)大陸相遇匯合而開始碰撞。在匯聚碰撞作用下，原大陸邊緣和洋底的沉積物遭受緊密褶皺和逆沖推覆，加之一系列地殼楔沿深部近水平的層間滑脫面(多為巖石圈內(nèi)部低速帶)拆離開來，相互沖掩疊覆,導(dǎo)致地殼壓縮增厚,地面大幅度抬升，形成宏偉的褶皺山系。喜馬拉雅山系便是始新世末期以來印度與歐亞大陸主體碰撞的產(chǎn)物。明顯的均衡正異常表明碰撞山帶地殼均衡狀態(tài)遭到破壞。碰撞邊界伴有淺、中源地震，地震帶甚寬。陸上的板塊邊界，特別是碰撞邊界，常構(gòu)成一條寬闊而復(fù)雜的板塊相互作用地帶。沿匯聚型板塊邊緣,可出露蛇綠巖套,自下而上包括超鎂鐵質(zhì)巖、輝長巖、輝綠巖，直至覆有深海沉積層的玄武質(zhì)熔巖。這一層序類似于大洋地殼和上地幔。一般認(rèn)為蛇綠巖套是大洋巖石圈的殘片，原生成于大洋盆地或邊緣盆地，后在板塊匯聚和洋盆關(guān)閉的過程中被逆沖至陸上。

　　轉(zhuǎn)換型板塊邊界　相當(dāng)于轉(zhuǎn)換斷層，板塊的運(yùn)動方向大致平行于邊界，兩側(cè)板塊或相互剪切錯動，或以不同速率向同一方向推移。可以連接洋脊與海溝，也可以連接洋脊與洋脊，海溝與海溝。轉(zhuǎn)換型邊界兩端，與洋脊或海溝相接處，剪切錯動驟然終止。沿這種邊界，通常既沒有板塊的生長，也沒有板塊的破壞，但伴有頻繁地震活動，可發(fā)生構(gòu)造形變與動力變質(zhì)作用。

　　板塊的運(yùn)動　一般模式　海底擴(kuò)張是板塊運(yùn)動的核心，板塊從大洋中脊軸部向兩側(cè)不斷擴(kuò)張推移(見海底擴(kuò)張說)。就板塊的相對運(yùn)動方向而言，海溝和活動造山帶是板塊的前緣，大洋中脊則是板塊的后緣。脊軸是軟流圈物質(zhì)上涌,巖石圈板塊生長的地方,其熱流值很高，巖石圈極薄(厚僅數(shù)公里)，水深較淺(平均在2500米左右)。隨著板塊向兩側(cè)擴(kuò)張，熱流值與地溫梯度降低，巖石圈逐漸增厚，密度升高，洋底冷縮下沉。大洋邊緣的古老洋底巖石圈的厚度約100公里,水深可達(dá)6000米左右。洋底水深是洋底年齡的函數(shù)。新生的洋底巖石圈下沉最快，下沉作用隨時間呈指數(shù)衰減。這解釋了以下事實(shí)：大洋中脊斜坡在靠近脊頂處坡度較陡，遠(yuǎn)離脊頂坡度逐漸減緩;快速擴(kuò)張的洋脊邊坡較緩(如東太平洋海隆)，慢速擴(kuò)張的洋脊邊坡較陡(如大西洋中脊)。

　　若大陸與洋底組成同一板塊,這時陸-洋過渡帶構(gòu)成穩(wěn)定(或被動)大陸邊緣;若大洋板塊在洋緣俯沖潛入地幔，則形成活動(或主動)大陸邊緣。周緣廣泛發(fā)育被動大陸邊緣的大洋逐漸擴(kuò)張展寬，周緣廣泛發(fā)育活動大陸邊緣的大洋則收縮關(guān)閉。在面積不變的地球上，一些大洋的張開必然伴隨著另一些大洋的關(guān)閉。因此，大洋的開合與大陸漂移都是板塊分離和匯聚的結(jié)果。大洋開合的發(fā)展過程，又稱威爾遜旋回(見海洋起源與演化)。

板塊運(yùn)動幾何學(xué)　全球所有板塊可能都在移動，板塊運(yùn)動通常指一板塊相對于另一板塊的相對運(yùn)動。鑒于板塊內(nèi)部變形與板塊之間的大幅度水平運(yùn)動相比，僅具有次要意義，故從全球角度考察板塊運(yùn)動時，可以近似地將板塊當(dāng)作剛體來處理。球面剛體板塊沿地球表面的運(yùn)動，遵循球面幾何學(xué)中的歐勒定律，環(huán)繞某一通過地心的軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(圖3[ 板塊旋轉(zhuǎn)運(yùn)動示意圖] )。平行于旋轉(zhuǎn)赤道的一系列同軸圓弧，標(biāo)示出板塊旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的方向，它們的垂線(大圓)相交于旋轉(zhuǎn)極。正因?yàn)榘鍓K的運(yùn)動是一種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，板塊上不同地點(diǎn)的運(yùn)動線速度隨遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)極而增大，至旋轉(zhuǎn)赤道線速度最大。板塊的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由旋轉(zhuǎn)極的位置和旋轉(zhuǎn)角速度確定。轉(zhuǎn)換斷層的走向平行于鄰接板塊之間相對運(yùn)動的方向。采用求轉(zhuǎn)換斷層垂線交點(diǎn)的方法，不難得出以轉(zhuǎn)換斷層為界的各對板塊之間相對運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)極。據(jù)線速度的遞變也可以得出旋轉(zhuǎn)極的位置。已知板塊任何一點(diǎn)的線速度，同時求出該點(diǎn)相對于旋轉(zhuǎn)極的緯度，便可以換算出旋轉(zhuǎn)角速度。

　　三個板塊或三條板塊邊界相匯合的點(diǎn)或一個小區(qū)域，稱三聯(lián)接合點(diǎn)(簡稱三聯(lián)點(diǎn))。任何一對板塊間的邊界總是以三聯(lián)點(diǎn)作為端點(diǎn)。圍繞三聯(lián)點(diǎn)的三對板塊之間相對運(yùn)動的向量之和等于零。根據(jù)已知的兩對板塊的相對運(yùn)動向量，就可以確定第三對板塊之間的相對運(yùn)動向量。兩個背離板塊之間的擴(kuò)張運(yùn)動向量一般是已知的，利用一系列三聯(lián)點(diǎn)，已經(jīng)求出了全球所有主要板塊之間的相對運(yùn)動向量，包括匯聚型邊界處的相對運(yùn)動向量。板塊運(yùn)動的速率多為每年數(shù)厘米。

地幔柱與熱點(diǎn)　在板塊運(yùn)動的研究中，地幔柱或熱點(diǎn)可作為重要的參考系統(tǒng)。地幔柱是發(fā)源于軟流圈之下的地幔深部并涌升至巖石圈底部的圓柱形上升流。熱點(diǎn)的含義與地幔柱相近，也可將熱點(diǎn)視為地幔柱的地表反映。地幔柱導(dǎo)致地表穹形隆起，重力和熱流值增高。一般認(rèn)為熱點(diǎn)-地幔柱的位置大體固定。 當(dāng)巖石圈板塊跨越于熱點(diǎn)之上,板塊仿佛被“燒穿”了,地幔物質(zhì)噴出地表,形成火山。先形成的火山隨板塊運(yùn)動移出熱點(diǎn),逐漸熄滅成為死火山;在熱點(diǎn)處又會噴發(fā)形成新的火山。這樣不斷地“推陳出新”，便發(fā)育成由新到老的一列火山鏈(圖4[熱點(diǎn)活動與火山鏈的形成示意圖] )?；实?夏威夷海嶺就是近8000萬年來太平洋板塊越過夏威夷熱點(diǎn)的產(chǎn)物，火山年齡向西北方向變老。這些火山鏈標(biāo)示出板塊漂移過熱點(diǎn)的軌跡，記錄下板塊的運(yùn)動方向。北北西向皇帝海嶺與北西西向夏威夷海嶺之間走向的轉(zhuǎn)折，顯示距今約4000萬年前太平洋板塊的運(yùn)動方向從北北西轉(zhuǎn)變?yōu)楸蔽魑飨?。熱點(diǎn)還可能成為分析板塊絕對運(yùn)動的參照系統(tǒng)，但熱點(diǎn)位置不動這點(diǎn)還有待證實(shí)。驅(qū)動機(jī)制　引起板塊運(yùn)動的機(jī)制是當(dāng)前尚未解決的難題，許多學(xué)者提出不同的看法，主要有：①主動驅(qū)動機(jī)制,認(rèn)為下插板塊因溫度較低和相變導(dǎo)致密度增大,可以把整個板塊拉向俯沖帶;或設(shè)想上侵于大洋中脊軸部的地幔物質(zhì)能把兩側(cè)板塊推出去;板塊還可以沿中脊側(cè)翼傾斜的軟流圈頂面順坡滑移。在這些機(jī)制中，板塊與下伏軟流圈相互脫離，板塊的移動是主動的，而不是由軟流圈地幔流所帶動;板塊的持續(xù)運(yùn)動導(dǎo)致地幔中產(chǎn)生反方向的補(bǔ)償回流(圖5[ 在下插板塊的拉力作用下，板塊滑向俯沖帶] )。主動驅(qū)動機(jī)制的弱點(diǎn)是，巖石圈必須先通過別種機(jī)制破裂成板塊，它難以解釋聯(lián)合古陸的破裂，也難以解釋大洋中脊和俯沖帶開始是如何形成的。②不少學(xué)者主張板塊由地幔對流所驅(qū)動，可稱被動驅(qū)動機(jī)制。但是，還缺乏地幔對流的直接證據(jù)，也不了解對流的確切性質(zhì)、涉及范圍和具體形式(見地幔對流說)。

　　意義與問題　板塊構(gòu)造說以極其簡潔的形式(最基本的就是板塊的生長、漂移、俯沖和碰撞)，深刻地解釋了地震和火山分布,地磁和地?zé)岈F(xiàn)象,巖漿與造山作用;它闡明了全球性大洋中脊和裂谷系、環(huán)太平洋和地中海構(gòu)造帶的形成，也闡明了大陸漂移、洋殼起源、洋殼年青性、洋盆的生成和演化等重大問題。地球科學(xué)第一次對全球地質(zhì)作用有了一個比較完善的總的理解。板塊構(gòu)造研究所闡明的地質(zhì)構(gòu)造背景和巖石圈活動規(guī)律，對于尋找金屬礦、石油等礦產(chǎn)資源，以及預(yù)測地震、火山等地質(zhì)災(zāi)害，有一定指導(dǎo)意義。

　　板塊構(gòu)造說還存在一些有待解決的難題。除驅(qū)動機(jī)制這一最大難題外，現(xiàn)有的板塊構(gòu)造模式不能有效地解釋板塊內(nèi)部的地震、火山和構(gòu)造活動，包括水平變形、隆起和陷落。有些學(xué)者試圖將板塊構(gòu)造模式遠(yuǎn)溯至古生代以至前寒武紀(jì),將大陸邊緣和大洋與地槽相類比,進(jìn)而運(yùn)用大洋開合的發(fā)展旋回解釋地槽造山帶的演化，追索消逝于山脈中的古海洋。但有關(guān)古板塊的研究，仍有一些分歧意見。板塊構(gòu)造模式尚不能圓滿地解釋大陸巖石圈的成因和演化。需要進(jìn)一步研究的課題還可舉出：板塊的生長、漂移和俯沖是連續(xù)的還是冪次性的;板塊俯沖如何開始;俯沖過程中沉積物的結(jié)局;邊緣盆地的形成機(jī)制等。目前，板塊構(gòu)造說仍在不斷修正和發(fā)展中。