板块构造(Platetectonics),板块构造(Platetectonics)是什么?

创闻科学2020-11-16 15:26:32

板块构造学说,又称板块构造假说、板块构造论或板块构造学,相对于称为固定论的槽台学说,称为活动论。是在20世纪60年代以来快速发展的学说,并在80年代引入中国。板块构造学说解释了大陆与洋盆,陆壳与洋壳的形成和演化,地震和火山作用,地磁和地热现象,阐明了全球性的中洋脊和裂谷系、岛弧一海沟系以及环太平洋和地中海构造带的形成,揭示了地槽、造山作用及地台活化的机理。它将许多地学分支学科联系起来,构建了一个科学的范式。

地球的圈层结构

要更好的理解板块构造学说,首先要了解地球的圈层结构及各圈层的性质。

地球是九大行星之一,平均半径为6370km,自内向外呈层状结构。

按照其成分,从内向外地球分为地核(半径3450km)、地幔(厚2900km)、地壳(35km以上)(图2 );按照物理性质,地核分为固态的内核(半径1220km)和液态的外核,地核之外是固态的中圈(mesosphere),然后被塑性固态(注意:很多科普作品甚至教科书认为其是液态,塑性固态在地质历史的时间尺度中,确实可以看做可以流动,但是仍是塑性固态。)的软流圈(asthenosphere)包围,最外层是漂浮在软流圈之上的刚性岩石圈(lithosphere,厚100 ~ 200km)(图2、图3)。

岩石圈包括上地幔的顶部(称为地幔岩石圈)和整个地壳(称为地壳岩石圈),厚度100 ~ 200km。

地壳的厚度比较复杂,一般陆壳:>35km(青藏高原最厚达75km以上);大陆型过渡壳: 20 ~ 35km;大洋型过渡壳:10 ~ 20km;洋壳:5~ 10km(图4)。

研究历史

全球板块构造理论的提出开启了地球科学发展历史的新篇章。如果我们以魏格纳的大陆漂移说作为活动论范式的开端,从大陆漂移的提出到板块构造学说的确立经历了半个多世纪的曲折过程。这段历史再次说明,新学说的出现一开始总是不完善的,但只要它代表所在学科的发展方向并适应时代和社会进步的需求,就必然会受到有志者的关注而不断成长。

先驱者的足迹

有关地质体水平方向运移的设想和证据早在19世纪后期就已提出,但是作为一种系统的大地构造理论应始于魏格纳( A. L. Wegener)1912年提出的大陆漂移学说。

大西洋两岸南美洲和非洲大陆轮廓的匹配是这一假说的最初出发点和最直观的证据。如果它们原来曾经是一个大陆,因后来大西洋在其间生成才彼此远离,那么寻找两者裂离以前的对应点,犹如根据撕开纸张之间参差的毛边把它们重新拼合起来,就可以再造大陆裂离以来的海陆变迁历史。魏格纳在1922年出版的《海陆的起源》(第三版)中提出,阿根廷布宜诺斯艾利斯省南部山地是南非开普山脉的延续,因为两者的地质组成和构造走向都一致;巴西东北部与西非尼日尔、格陵兰西北部及北美大陆之间也存在类似的对应关系。魏格纳根据当时所掌握的南半球各大陆爬行类和哺乳类等陆生动物资料,发现它们之间存在相当多的共有属种。统计数据还表明,这些共有属种占全部属种的比例从石炭纪往后是逐渐递减的。魏格纳还指出,包括印度在内的整个南半球各大陆石炭、二叠纪时普遍发育冰成岩和冷水沉积,而北半球大陆同时期的沉积却以含热带植物群为特征。这三个系列的证据从不同侧面说明它们最初应是一个统一的超级大陆,现在的海陆分布是这个超大陆在石炭纪后期破裂并漂移的结果。

根据当时掌握的有限重力、地震波传播速度资料以及陆高-海深曲线的双峰式分布,魏格纳提出洋底和大陆分别由硅镁质( 平均密度2. 95g/cm3)和硅铝质(平均密度2. 79g/cm3 )层组成。密度差异使大陆可以像冰山一样在易变形的硅镁质层.上面漂浮。漂移的原因是地球自转和日-月引力产生的对地球表面向西和离极力。南、北美洲西缘的科迪勒拉-安第斯山系代表大陆因前进受阻而在其前缘生成的褶皱变形带,西太平洋的岛弧和边缘海则是亚洲大陆西移留在后面的残余。由于这个假说简单明了地解释了人所皆知的地理和地质事实,在当时的科学界引起了轰动。1926 年美国石油地质协会(AAPG) 主持召开了第一届大陆漂移会议。《海陆的起源》也被译成包括中文在内的多种版本在各国广泛传播。

可是这个假说对漂移机制的解释不正确。硅镁层的刚度事实上大于硅铝质层。当时的权威地球物理学家杰弗里斯( Jeffreys,1924) 论证大陆在洋底或硅镁层上滑移在力学上是不可能的。离极力或潮汐引力对于推动大陆运动来说也显得太小。加上魏格纳假说所暗含的活动论思维和当时处于上升阶段的槽台理论主流在观念上的冲突,这一假说在魏格纳1930年在格陵兰逝世以后就很少有人提及;尽管少数学者,如杜特瓦(Du Toit)等仍一直遵循这一学术观点从事研究和发表著述。

第二次世界大战后运用新技术进行的全球大洋考察使人类对地球的认识实现了一次新的飞跃。20世纪50年代的折射地震研究表明洋壳厚度只有7~8km,与平均厚度35km的陆壳截然不同;发现存在一个全球性的大洋中脊系,它的高热流以及在地表出露部分,如冰岛的地堑、活火山、热泉和浅源地震等都表明是一个正在张裂的活动构造带。与此同时,1954年贝尼奥夫(H. Benioff)发现环太平洋洋、陆边缘发育倾斜地震带,震源深度从海沟下面向大陆方向有规律地增大,据此提出大陆和大洋之间存在相互运动。为纪念他的贡献,人们把这个大洋岩石圈沿之向大陆下消减的倾斜地震带称为贝尼奥夫带,如图6所示。

地球物理资料的采集需要相应的仪器设备,精密磁力仪的发明是揭示海底磁异常条带的前提。伦柯恩( Keith Runcorn) 整理了当时所拥有的古地磁测定数据,把不同地质时期的古磁极位置标绘到图上,1954年和1956年分别发表了来自欧洲和来自北美样品得出的两条古地磁极移轨迹。结果发现它们的形态相似但不重叠,所以仅用极移不能完全解释。需要两大陆相对移动才能使两条曲线重合。受到这些发现的启迪,赫斯(Harry Hess) 和迪茨( Robert Dietz)同一年(1962 年)分别提出了海底扩张假说。

赫斯(Harry Hess)等提出,上述似乎互不相关的发现可以用地幔对流来统一解释。洋中脊是地幔上升流的出口,洋壳就是地幔的水合物——蛇纹岩的地表露头。它在洋中脊连续产出,将大陆向两侧推开,如图7。为了容纳新地壳的增添,地球或者膨胀,或者一部分洋壳在地表的另一部位等量消减。依据当时所掌握的资料,赫斯选择了后一种解释,提出岛弧-海沟地区的地震活动带代表地幔下降流的所在地,洋壳在那里返回地幔。根据原大陆漂移说中的证据,赫斯认为地幔大致以1cm/a的速度对流,从而海底扩张速度约为2cm/a (两侧对称拉开)。按此速度计算,所有现存的大洋底都是在最近2亿年期间生成。这意味着一个前所未有的提法:地球表面积的2/3是在地球历史的最近5%时间内生成的,即大洋年轻而且短命,或者说古老的大洋水下部分却是一个年轻的大洋底。另一方面大陆虽然永存,但却只是被动地被拉开、合拢或是彼此滑移。这个新的假说很快从两个方面得到证实。

板块构造学说的基本思想

1 地球上层在垂向上可划分为物理性质显著不同的两个圈层,即上部的刚性岩石圈( lithosphere )和下垫的塑性软流圈( asthenosphere) ;

2 刚性的岩石圈在侧向上可划分为若干大小不一的板块( plate),它们漂浮在塑性较强的软流圈之上作大规模的运动;

3 板块内部是相对稳定的,板块的边缘则由于相邻板块间的相互作用而成为构造活动强烈的地带;

4 板块之间的相互作用从根本上控制着各种地质作用的过程,同时也决定了全球岩石圈运动和演化的基本格局。

从板块之间的相对运动方式来看,可将板块边界分为三种基本类型(图8、图9) :离散型板块边界(divergent plate boundaries),如洋中脊(mid-ocean ridge)、洋隆( rise ),板块沿此边界相背运动,新的洋壳在此形成,故又叫建设性板块边界( constructive margins);汇聚型板块边界( convergent plate boundaries),如海沟( trench)、俯冲带( subduction zone),板块沿此相向运动,洋壳沿海沟向下俯冲消亡,故又称破坏性板块边界( destructive plate boundaries) ;转换型板块边界( transform plate boundaries),如转换断层( transform fault),板块沿此边界作相对平移运动,板块既不消减,也不增生,故又称守恒板块边界。

1968年,法国地球物理学家勒·皮雄将全球岩石圈划分为六大板块:欧亚板块、非洲板块、印度板块(或称大洋洲板块、印度-澳大利亚板块)、太平洋板块、美洲板块(包括北美和南美)和南极洲板块(图3.6)。此后,在上述六大板块的基础上,人们将原来的美洲板块进一步划分为南美板块、北美板块及两者之间的加勒比板块;在原来的太平洋板块西侧划分出菲律宾板块;在非洲板块东北部划分出阿拉伯板块;在东太平洋中隆以东与秘鲁-智利海沟及南美洲之间(原属南极洲板块)划分出纳兹卡板块和科克斯板块。这样,原来的六大板块便增至12个板块以及一些亚板块,图10,测出了各板块相对运动方向和速度图11。

板块构造学说的主要内容

核心内容

经典板块构造理论的核心内容可归纳为下述四点:

1 地球的最外层岩石圈并非浑然一体,而是由为数不多的刚性板状块体组成。它们彼此镶嵌排列,并以每年几厘米到十几厘米的速度相对运动。地壳变形是板块相互作用的结果,所以它们只出现在板块边界上。变形的性质和板块边界类型有关。

2 板块在垂向上包括整个地壳和最上部地幔,两者合称岩石圈。岩石圈以刚性和弹性与下伏相对塑性的软流圈相对照。所以板块的全名应是岩石圈板块。岩石圈和软流圈的界面由地震低速带标示出来。这里也是大规模层圈间水平运动发生的地方。

3 板块沿地球表面的运动符合欧拉几何学,可以用绕一通过地心的选定轴的转动来描绘。由于地史期间地球半径未显示出恒定的增大或者缩小,所以在全球范围内新板块的产生和旧板块的消亡总体.上保持平衡。

4 岩石圈板块运动的驱动力来自地球内部,最可能的一种机制是地幔对流。地震活动是圈定现代板块轮廓最主要的依据,因为地震的发生意味着两侧地质体在相互运动。地震分布具有明显的规律,全球95%以上的地震集中在环太平洋、阿尔卑斯-喜马拉雅带和大洋中脊。前两者的震源深度从大洋边缘朝向大陆内部明显增大,最深可达720km。全世界的大洋中脊则是连续的浅源地震带。按照这些形迹结合洋底地貌和磁异常条带可得出如图12所示的板块划分。可以看出全球可分出欧亚、太平洋、美洲、非洲、印度-澳大利亚和南极洲等六大板块以及位于其间的一些规模较小的板块,如菲律宾海、阿拉伯、纳兹卡及加勒比板块等。每一板块几乎都包含陆地(陆壳)和海域(洋壳),海陆边缘与板块界线多数情况下并不一致。

板块边界类型

1 离散型边界:此类边界沿大洋中脊分布,海岭中央的轴部裂谷是新生洋壳的上涌场所。它推挤已生成的较老地壳向两侧做背向运动而使洋盆加宽。因此变形机制是伸展作用。被动陆缘沉积是这一过程在大陆边缘的反映。板块增生的速度相差很大,可以从大西洋的1 ~ 2cm/a到太平洋的> 10cm/a。

2 汇聚型边界:两侧板块相向运动的边界,通常一侧板块俯冲,另一侧仰冲,俯冲入口处位于海沟,如图13。在两侧都是大洋板块的情况下,平行海沟的火山岛弧是下行板块到达一定深度以后部分熔融产物在上盘板块中的表现,如西太平洋的小笠原-马里亚纳弧。如果洋、陆板块相向运动,由于密度和高度的差异,一般都是前者俯冲,在后者前沿形成大陆边缘火山-深成岩带,如南美西缘的安第斯山系。如果两侧都是大陆板块,就会产生大陆碰撞造山带,如喜马拉雅山系。由于多数情况下板块兼有海域和陆地,所以大陆碰撞往往发生在长期俯冲消减的最后阶段。所有汇聚型边界的变形都以挤压作用为主,结构也要比离散型的边界复杂。

3 转换或走滑型边界:这类板块边界为切穿岩石圈的大型走滑断层,邻接板块沿之相对侧向滑移,总体既没有增生也没有消减,如北美西南的圣安德烈斯断层,它是太平洋和北美板块之间唯一从陆上通过的边界。构成板块边界的走滑断层由调节或转换断层两端板块运动性质、方向或幅度的差异而产生,所以称转换断层。对圣安德烈斯断裂而言,它是调节断裂北端东侧的法拉隆残留板块果尔达脊向东南扩张和断裂南端西侧加利福尼亚湾中脊向西北扩张而产生,所以一直保持右行运移。

由于自然界中板块的相互运动方向大多呈斜向,板块边界因形态不规则或与不同板块交接其性质沿走向可能发生变化(如印-澳板块和欧亚板块之间的汇聚型边界在近东西向的喜马拉雅和印尼巽他段以近正向挤压为主,而在它们之间泰马半岛以西的近南北向段则以走滑侧移为主),以及同一边界在演化过程中的性质改变(如太平洋板块和欧亚板块的边界在新近纪以前因太平洋板块相对东亚向北运移成走滑型,以后因改向西而使边界转化成岛弧型的汇聚边界)等情况,板块边界往往同时具有汇聚( 或拉张)和走滑分量。古板块边界在不同发展阶段性质也可能不同,必须具体分析。

板块运动学

板块的运动可以根据欧拉定理定量描述。

地壳从大洋中脊产生、在海沟消减的运动方向决定了板块是背离中脊、朝向俯冲带方向运动的。所以一般把汇聚型边界作为板块的前缘,洋中脊作为后缘。转换型边界则勾画了板块的移动轨迹。欧拉定理表明,任一刚体在球面上的运动可以描述成绕一通过球心的轴转动。它的线速度是变化的:在旋转极(转轴和地球表面的交点)等于零,到离旋转极90°的大圆.上达到最大值。移动迹线在球面上不是直线而是圆弧。这样板块在地球表面的运动就可以用旋转极的位置( 经纬度)和旋转角速度这两个值确定(图14)。这里所说的旋转极、纬线和赤道都是和地理坐标无关的设想的几何要素。

图14(左)板块B正相对板块A向东运动,板块上任一点的运动轨迹给出了它的运动方向。这个方向和旋转纬圈一致,横切大洋中脊的破裂带( fracture zone) 就代表这个方向。旋转极则位于垂直这些圆弧所做法线的交点(图14(右))。洋底磁异常条带相当于板块移动的等时线,它在任一点的宽度和持续时间的商理论上等于该点板块运动的线速度。旋转角速度可以通过下式由线速度求出:。这里角速度按年计算,线速度v单位cm/a,r是地球半径,取,为旋转纬度,为角弧换算系数。

大洋探测表明,洋底存在一系列平行排列的巨型破裂带,把洋中脊沿走向分割成不同的块段。这些破裂带长达几千千米,宽100~200km,呈线形陡崖出露在洋底,两侧地形高差可达2000m或更多,被誉为地球表面最直的天然形迹。对东太平洋底近东西向、长1850km的门多西诺(Mendocino)破裂带两侧磁异常条带的对比,发现其错距高达1160km。所以它们实际上是一些规模巨大的走滑断裂。威尔逊(Wilson,1965)把它们称为转换断层(transformfault),因为地震分布表明,这些巨型断层实际上只是在被错开的中脊之间这一小段上保持活动,向两侧中脊以外的部分只是中脊扩张过程中留下的遗迹。错断沿走向消失提示它只起转换不同性质构造活动带或不同速度地段运动的作用。转换断层的另外两个特征是:它的错移方向和平移断层所预期的相反,以及它不进入邻接大陆。威尔逊认为这三点都证明洋底确实在扩张,洋底不同方位的破裂带为板块运动方向的变化提供了可靠依据。

20世纪70年代后期,各主要板块之间的相对运动参量已经全部求出。按照全球板块上述相互运动的方向和矢量,太平洋板块正夹持菲律宾海板块向西北方向运移,中国东部晚中生代以来的构造变动与由此发生的洋、陆岩石圈相互作用有关;非洲板块则通过阿拉伯半岛向欧亚大陆做逆时针推挤,沿喜马拉雅造山带走向挤压向东增强,从而影响了中国西部新近纪以来的地应力场。

据Nitecki et al. (1978) 的统计,1961 年只有27%的西方地质学者接受板块构造学说,60年代中期出现“ 链式反应”后到1977年支持者已高达87%。在中国,1972 年尹赞勋通过《板块构造简介》系统介绍了板块构造的理论根据、发展和基本现象。李春昱(1973)在《再谈板块构造》一文中提出秦岭南北地层发育的巨大差异、西秦岭发现的混杂堆积和蓝闪石片岩高压变质带可能反映了不同板块大陆边缘以及中国东南华夏系和西藏沿雅鲁藏布江超基性岩带可能的板块构造含义。70年代中期以后板块构造理论才在中国迅速普及。

从20世纪60年代末以来,近半个世纪的全球地质工作实践也是对板块构造理论正确性的群众性检验。由生物古地理区系、古地磁极移轨迹和同位素地球化学等多种研究手段揭示出的全球南、北大陆通过多世代特提斯洋的开启和闭合相互作用,罗迪尼亚和潘基亚超大陆的聚集和裂解历史,以及中国各陆块源区和演化的再造等( 见以下各论部分)证实了这一学说的基本论点。我们对洋底地质、洋陆壳相互作用以及对岩石圈板块的大尺度位移有了前所未有的了解。威尔逊(1968)指出这场地学革命的意义可以和达尔文的进化论相比。他指出三种不同的测量数据:①洋底熔岩流的磁极方位,一种以百万年(Ma)为单位的时间向量;②洋底磁异常条带宽度,以千米(km) 为单位的水平距离;③深海岩心磁场沿深度以厘米(cm)为单位的变化三者以完全相同的比例更换,而且这些比例在全世界都相同。这种精确性过去从未有过。他当时建议用这些新的观念重新编写教科书和实施教学,使彼此脱节的地球科学各学科结合成为统一的动力地球科学。地球科学认识的一个新时代由此诞生。

但是我们同时也应意识到,没有一个全球构造模式可以认为是永久不变的。因为认识在不断深入,事物本身也在永恒地发展,而地质、地球物理和地球化学等客观观测数据总是对不同学术观点和理论开放的。图15,威尔逊旋回。