岩石圈板块为什么会运动———板块构造的动力学机制问题

2025-02-07 05:57:00

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回答1：

现在，地球科学家一致认为，岩石圈的变形与变位都受到板块运动的控制，在同一过程中形成，互相关联。同一时期，不同的板块可具有不同的运移方向和速度，不同时期的同一板块，也可以有不同的运移方向和速度。而且运移的距离可以很大，可达上千千米的距离，可以跨越赤道，发生全球性的大运移。然而，岩石圈板块到底为什么会运移呢?也即岩石圈板块构造的动力学机制问题，则仍是一个至今尚未解决的难题。

板块构造学说刚提出来时，不少学者曾经以为刚性的岩石圈既然在软流圈上面运移，想当然地认为一定是地幔对流带着它运移，认为地幔中由于存在温度差异或密度差异，可能引起物质的缓慢移动，热的、轻的物质上升，造成大洋脊的热显示，同时带动大洋脊两侧岩石圈板块作相背移动，在俯冲带处大洋板块下插，使冷的、重的物质下沉。于是地幔物质就形成了对流环，好像“传送带”一样带着岩石圈板块运移。这就是板块构造学说早期所主张的地幔对流的“传送带模式”。初看起来，这种板块驱动机制的解释十分精彩，但事实上，问题很多。在全球“热点”(即地幔物质向上运动的热显示处)研究中，共发现100多处热点，除少数分布在大洋脊上，大多数却都散布在板块内部。由热点位置变化所反映的地幔物质运移速度，一般认为都只有几毫米每年，而岩石圈板块的平均运移速度却比软流圈大一个数量级，即平均在几厘米每年(据M.H.P.Bott，1984)。于是问题就出来了，低速运行的“传送带”怎么能够带动其上的岩石圈以较高的速度运移呢?更何况，现在能肯定存在的是由超临界热流体所构成的地幔热对流，至于固体的地幔物质是否能够发生比板块运动速度大的运移和大对流，则至今尚无足够的证据。

近20年来，有些学者曾经认为板块的扩张作用不是主要的，“冷”板块俯冲时下沉拖拉力才是板块运移的主要驱动力，他们用数学模拟的方法论证了这种可能性。然而，近年来也有人证明，这种下沉拖拉力不可能太大，毕竟这些“冷”的洋底玄武岩的密度(约2.8g/cm³)不可能比深部地幔岩石的密度(3～5g/cm³)更大。

地球是一个不停旋转的行星，并且旋转速度也还是有一点变化的。地球自转速度变化对改变地球面貌似乎应有点作用，例如大气环流的形成。曾经有一些学者认为地球自转速度变化是造成岩石圈变形的主要动力。但是，由地球自转速度变化所造成的固体地球表层岩石应力增大或减小的数值，经国内外许多学者计算，只可能达到1～10Pa，即小于万分之一的大气压力，仅能达到使岩石变形所需构造应力的百万分之一至千万分之一。因而，由地球自转速度变化而促使岩石圈板块运动的可能性几乎近于零。也有的学者想用地球周期性的膨胀、收缩或有限膨胀来解释板块运动，主要根据是海平面的确一直在不断地升降变化，古大陆残留的面积远远小于地球总面积，因而，以为地球有胀缩变化，并在不断地膨胀着。这种设想似乎颇能适合宇宙大爆炸说。然而，天文与地质观测资料都不支持地球在近40亿年来曾经有过显著膨胀(例如10%～15%或者更多)的观点，而认为地球在近40亿年以来，体积没有显著的变化，质量仅增加了1/600左右，体积加大了1/100多一点，主要靠陨石撞击地球来增加质量。另外，如果想要采用地球膨胀观点，来解释岩石圈曾经发生过数百万米的水平位移的事实，也是难以想象的。

近20年多来，根据大洋钻探的成果，发现大洋中有两次巨大的陨石撞击事件(B.P.Glass，1982)，在海底沉积物中形成上亿吨的微玻璃陨石(microtektite)。撞击中心点正好与几个板块的拼接点位置相近。巨大陨击作用(陨石直径约1km)有可能造成直径几十万米、深度几万米的陨击坑，使岩石圈表层物质发生显著的亏损，在岩石圈均衡补偿作用的影响下，诱发深部地幔物质局部上涌，造成海洋板块的放射状张裂、扩张，从而使周邻板块沿着不同的方向运移(图10-14)。这种观点，尽管似乎比以前的假说更合理一点，然而受到当前技术条件的限制，所获的资料有限(洋底钻探的深度一般仅为上千米)，只能较好地解释古近纪以来的两次陨击作用与板块运动的关系。

图10-14 微玻璃陨石与洋脊的分布(据B.P.Glass，1982，改编)

要想解决岩石圈板块构造的动力学机制问题，还要积累更多的资料，预计在未来几十年内是有可能解决的。其动力来源无非是地球内部的变化和宇宙体系中的某些因素。应该注意的是，岩石圈毕竟只是固体地球上的一层表皮(其厚度仅为地球半径的1/100到1/30)，仅仅从地球内部来找寻原因，看来是不够的，有必要从宇宙因素与地球内部变化的角度综合起来考虑问题。但要确定什么是主导因素，目前看来，依据还不够充分，有待于进一步的努力。

思考题

1.岩石圈为什么会发生变形?变形的主要表现形式是什么?

2.通过哪些现象可以认识岩石圈的垂直变位?

3.岩石圈的水平变位是怎样被认识的?

4.为什么板块构造学说能在20世纪中叶出现?它依靠的基础是什么?

5.有哪些因素在影响岩石圈板块的运动?解释这些运动遇到了什么难题?

进一步阅读书目

1.Glass B P.1982.Introduction to planetary geology.Cambridge University Press.

2.Bott M H P，Kusznir N J.1984.The origin of tectonic stress in the lithosphere.Tectonophysics，105:1～13.

3.Press F，Siever R.1982.Earth.Freeman W H and Company，613pp.

4.万天丰.1988.古构造应力场.北京:地质出版社.

5.万天丰.2004.中国大地构造学纲要.北京:地质出版社.