岩石圈板块运动的动力学机制研究现状

岩石圈板块运动的动力学机制研究现状
摘要:板块构造理论,在全球构造的形态学与运动学方面取得了显著的新成绩,获得了大量的新证据,它已经不是处在一种假说的阶段。

但是动力学机制问题至今尚未解决。

本文结合前人的研究成果总结出现今被接受的假说和比较合理的观点，全面展现岩石圈板块运动的动力学机制的研究现状。

关键词:板块运动，动力学机制
0引言
1915年,德国的魏格纳提出了轰动地学界的大陆漂移假说,1928年英国爱丁堡大学的霍姆斯提出了地幔对流假说。

其后,McKenzie,Parker,Morgan和Pichon 等将岩石圈划分为6个板块,并且建立起了板块之间的运动模式,板块运动的动力一般认为是由于地幔的对流[1]。

但到目前为止,国内外学者对板块运动的动力源还未达成共识,随着观测资料的积累和研究的不断进展，不同的学者提出了各种假说和模型，总结起来动力学机制问题主要有几种观点、假说被普遍接受动力学机制，大体上可分为外生力源和内生力源两大类。

1板块运动的外生力源
1.1银河系对太阳系的向心力的周期变化
地球作为天体中的一员,遵循万有引力定律,无时无刻不在受到宇宙中其它天体的作用力。

板块作为地球上最大的结构单元,其运动规律应该受到天体运行
规律的影响,地球是一个开放性体系,因此我们不能忽视地球作为宇宙中的一员与宇宙空间进行的能量交换。

早在60、70年代不少学者就注意到地球公转、自转速率的变化以及银河年周期对地球演化的影响,例如大量的古地磁倒转资料证明倒转的长周期规律与银河年一致,即正向极性百分比出现的极值时间往:的峰值相对应(朱炳泉,周新化,1976)。

蔡东升根据地球上存在的突变事件以及地球在演化过程中其岩浆活动、变质作用以及造山运动周期与银河系对太阳系的向心力的周期改变有关[2]。

现代天体物理模式的观察和计算表明140M和360Ma时太阳系受到银河系的向心力为极大值,而这基本正好对应着侏罗纪和泥盆纪两次大的板块聚合一离散转换期,即两次联合古陆拼合-解体转换期。

前侏罗纪的联合古陆,侏罗纪开始解体。

早在1915年就由大陆漂移说的创始人魏格纳提出并被后来的大量地质地球物理证据所证实,这一联合古陆拼合一解全期与140Ma银河系对太阳系的向心力极大值相吻合。

而泥盆纪全球性红层的出现标志着这一时期存在一个全球性造陆事件,与板块构造相联系应该代表又一次联合古陆形成期,这方面的研究还很缺乏。

泥盆纪末这又一泛大陆解体正好对应着360Ma银河系对太阳系的又一向心力极大值期。

晚元古代还存在一个联合古陆的认识成为1993年在智利召开的第五届环太平洋国际地体会议的重要话题。

晚元古代末全球性裂谷盆地沉积标志这一泛大陆走向解体。

以此为测算起点,板块的联合一解体周期大约为600Ma至360Ma和360Ma至140Ma,其时间差为240—220Ma,这与现代恒星视向速度观察和射电天文资料计算的银河年周期220—250Ma极为吻合。

蔡东升认为全球板块的聚合—离散周期合乎银河年周期准则，即全球性板块大约在一个银河年时间内(220—250Ma)离散—聚合一次。

古生代以来已有两次聚合，即有两次泛大陆形成过，现在正进人第三个泛大陆形成期。

推动板块运动的动力与银河系对太阳系的向心力有关[1]。

1.2固体潮引起板块的运动
在日、月引潮力的作用下，固体地球产生的周期形变的现象。

月球和太阳对地球的引力不但可以引起地球表面流体的潮汐（如海潮、大气潮），还能引起地球固体部分的周期性形变。

太阳的质量虽然比月球的质量大，但月球同地球的距离比太阳同地球的距离近，月球的引潮力比太阳的引潮力大（前者是后者的2.25
倍）。

由于其他天体距地球甚远，对地球的引力甚微，在固体潮的研究中一般可略而不计。

引潮力是作用在地球的单位质点上的日、月引力和地球绕地月（和地日）公共质心旋转所产生的惯性离心力的合力。

随着作用点的位置不同和日、月相对于地球的位置变化，引潮力的大小、方向也发生改变。

受固体潮的影响，地面不停的变形[1]。

由于地球的自转,大约在赤道附近的质点受到的固体潮力的大小在时刻变化,并且每大约旋转90°其方向会发生一次变化。

但在两极和两极附近的很大面积的地区受到的固体潮力的方向大致是不变的,基本大致都指向赤道方向。

而板块的运动也具有稳定的持续性和同向性,李启成认为固体潮力可能就是使板块运动的力源之一[2]。

固体潮力提供了大范围、长时间、同方向作用于板块的力。

作用在小范围的固体潮应力比较小,但是,在整个地球范围内固体潮的合力因此认为很大。

这个力推动板块运动也是可能的。

而这种理论还可以把“印度洋板块向NNE 方向挤压中国大陆”解释成中国大陆SSW向挤压印度洋板块[3]。

随着测量技术的发展和精度的提高，关于板块的绝对运动Argus等(1991)导出另一个绝对运动模型NNR-NUVEL1。

在图2中给出了在运动模型NNR-NUVEL1参考架下板块的运动趋势[4]。

从图2中可以看出,位于北半球的板块普遍的有大致向南的运动趋势,而位于南半球的板块普遍有大致向北的运动趋势。

这与固体潮力的方向十分相近(图1),我们假设如果地球板块的运动是地球其他部分推动(内力)的结果,根据动量守恒定律,地球其他部分必定向相反方向运动。

但观测的结果板块的运动是由两极向赤道,这不可能是内力的作用结果。

只有固体潮力提供了方向稳定的、时间持久的、范围广泛的作用力,它非常可能就是驱动板块运动的主要外力[5]。

图1地球表面固体潮力的分布
图2NNR-NUVELI运动模型中板块运动趋势
陨击诱发板块运动的假说
地球是宇宙大体系的一分子,尤其是太阳系内部小行星对于地球的撞击作用对于固体地球表层的影响是不可忽视的。

近30年来,由陨击作用而诱发板块运
动的假说,已受到愈来愈多的重视。

这是一种立足于太阳大系统,或者说是宇宙大系统的动力学工作假说。

结合地幔羽假说万天丰提出陨石撞击地球引发板块运动[6]。

地幔羽假说是地幔羽驱动岩石圈板块运动的假说,强调的是由于地幔热流体的大量上升和地幔头部的上顶,在岩石圈底面发生局部熔融,造成岩浆向上侵位,引起岩石圈上部产生放射状张裂,有时还可以使原来的一个岩石圈板块张裂成几个板块,由于岩浆的大量上涌、充填断裂,就不断地推动了岩石圈板块在水平方向上、朝四周扩张、裂开。

受地幔羽控制的大规模岩浆活动,当岩浆喷出地表就形成分布面积十分巨大的溢流玄武岩区,侵入到近水平的界面中就形成大范围的岩床,而在其下部常沿着陡倾斜的放射状张裂隙而构成岩墙群。

所有这些岩浆活动的时间都应该是准同时的,即岩石形成的同位素年龄误差应在1Ma之内。

岩石圈,作为很薄的地球表层(平均厚度约为地球半径的1/60),发生板块运动,产生显著的差异应力,造成较强的构造变形,很可能是地球内部演化和陨石撞击共同作用的结果。

从核幔边界升起的超级地幔羽,可能导致岩石圈板块的长时期(上亿年)的、缓幔板块扩张。

至于一些无根的热点和地幔底辟,则有可能是陨石撞击作用诱发而形成的,它们可能解释短周期(上千万年)的板块运动及其运动方向的多变性。

地幔羽假说与陨石撞击诱发假说可以起到互补作用。

2板块运动的内生力源
2.1深部热地幔对流
热运动的三种基本方式,即热辐射、热传导与热对流,在地球热系统的演化历史与现今过程中均有存在。

借助不同的介质和边界条件,上述各种方式的热运动均可独立或共同对岩石圈构造运动施以不同影响,因而由热对流引起的板块运动仅是其中的一种而非全部效应。

由此可以推知，深部热运动与岩石圈板块的热致运动之间必然存在着复杂对应的非线性相关,而岩石圈尺度的大规模构造运动更可能是地球热演化过程发展到一定阶段之后的结果[7]。

针对大陆漂移及板块运动的动力问题,英国爱丁堡大学的霍姆斯(A.Homles)于1928年提出了地幔对流假说。

霍姆斯认为,当地幔对流体上升到大陆中央底部
并向两侧散开时,大陆就会裂开形成海洋，而当地幔对流体经长距离迁移逐渐冷却加重后,就会下沉回到地馒深处,并将海底向下牵引形成海沟。

传送带模式这是板块构造学说兴起以来最著名的动力学机制解释。

他们认为岩石圈板块的运动完全取决于深部地幔的对流环。

板块被冷的、重的、向下运动的地幔所带动而产生俯冲作用,在热的、向上运动的地幔影响下造成洋底板块扩张,上部地幔的水平运动带动了板块的水平运移。

按照地幔对流假说,地幔运动速度必须大于岩石圈板块的运动速度。

夏威夷群岛火山链是该区洋底火山是地幔热物质向上运动、发生局部熔融在地表的表现,后来称之为热点。

对于夏威夷火山链的火山岩年龄,呈现为从西北向东南逐渐变新,这是由于地表附近的板块在向西北运移,而代表地幔热活动中心的热点则是其参照系,基本不动。

火山链就是岩石圈相对于热点运动的轨迹。

根据这些热点的资料,必然的结论是地幔运动速度很小,几乎静止,岩石圈板块无能运动则可以比地幔快得多,每年运移几到十几厘米。

那么这样就出了问题,运动速度很小的地幔如何能带动速度较快的板块移动呢!另外,绝大多数地幔热活动的中心都不与板块扩张的中心相对应,板块扩张中心的深部没有地幔物质上涌的现象,地幔对流环就难以形成。

这些问题传送带模式都不能很好的回答[6]。

国内外的学者没有停止对地幔对流的研究，单斌用现今板块运动速率作为上边界及对流驱动力,反演地幔物质在地球形成以来的对流状况,结合地球的由热及冷的热动力演化史,可以认为现今地幔的混合程度是比较高的[8]。

利用三维地幔对流模型计算了在当今板块构造运动的驱动下地幔对流的形态和演化过程,并由此分析对流作用下地幔物质的混合程度。

模拟发现：1)地幔的混合程度主要受板块驱动作用的影响；2)上地幔的混合程度高于下地幔。

极型场加环形场的情况下,有80%左右的上地幔区域经受过两条以上的对流轨迹曲线穿入,同时下地幔相应的穿入率也达到60%以上；3)混合程度受对流时间影响较明显。

时间越长,混合程度越高,但混合程度的增长速率随时间增加逐渐减小,这使得全地幔对流情况下地幔物质保持各向不均一性成为可能；4)地幔混合还与流场类型有关,环形场的存在很大程度上增加了地幔的混合程度。

上地幔的混合程度比下地幔高,不同的混合尺度和粘滞性结构虽然对此有影响,但整体呈现出上地幔高、下地幔低的趋势。

这表明,目前上地幔的物质均匀性
高于下地幔,但由于本文的模型是以当今的板块构造运动作为上边界和驱动力的,而真实地幔的物质分异是经过几十亿年的演化形成的,几十亿年前的板块构造形态与当今存在着很大的不同。

因此,本文的模拟结果只能在一定程度上解释地幔物质各向不均一性的现象。

模型计算得到的上下地幔混合程度差别的变化小于两者黏滞的变化。

除了受地表驱动力的影响之外,不同对流场的形态对于混合程度也有较大的影响。

计算发现,环形场较为杂乱,能够传递很远的地方,而极型场则主要形成螺旋状的运动形态,影响尺度较小。

所以,环形场的存在对于地幔物质的混合起着重要的作用,大大增加了不同区域间的物质交流。

混合程度与时间的关系随着对流演化时间的增大,物质在空间传播的距离也越大,混合程度就越高。

然而,物质的混合程度与时间并非成线性关系,而是随着时间的增加,逐渐趋向稳定,也就是说,无论时间的长短,总有一些区域接受不到混合的作用,这可能是海岛物质异常现象的主要原因。

在对流模式的研究上较多的四种对流模式为：全幔对流,上地幔对流,双层对流及与之并存的次一级局部对流,黄定华提出了瑞利对流、瑞利对流、台劳流、粘性指凸几种新的对流模式。

各种模式都只能找到某方面的证据，不能全面解决对流模式在解释地质现象时遇到的问题。

2.2内核偏移引起的板块运动
地球的内部结构从内向外部依次为固态（内核）-液态(外核）-固态(地幔）熔融态(接近液态,软流圈）-固态(岩石圈,包括上地幔顶层和地壳)，其中有3个固态圈层和2个液态或接近液态圈层。

以大陆飘移和海底扩张为基础,以地幔热对流为核心而建立的板块构造理论,很难解释一个相对于地球坐标长期固定的地幔柱究竟是怎样产生、强化和衰减的。

此外,尽管核幔边界被视作热柱的发源地,但内核与板块运动之间并未能建立起直接的联系。

而且在地幔柱模式中,岩石圈板块的运动依然是被动的,它只能在一种似乎随意和不可预测的过程中被幔柱推来推去,无法自主决定其位置归属,在物理上这也令人难以满意。

对这些疑问,黄定华认为只有考虑到内核偏移和板块漂移对全球祸合运动机制的作用后,才可以得到一个自洽的解释。

因此他建立了基于壳-幔-核藕合的全球动力学模型[9]。

壳-幔-核藕合的全球动力学模型的运动过程可叙述为:如果因某种原因,使内核发生偏移而离开球心位置；在其偏移侧的外核中,由于对流层厚度减小，热对流将显著加强,使同侧地幔底部受到更强烈的烘烤，从而形成超地幔柱并上升至岩石圈底层；上升幔柱烘烤岩石圈使之破裂,同时产生新的地壳；新生地壳随着破裂的岩石圈板块朝另一半球运动,到达且会聚于某个新的(极限)位置；在会聚板块发生碰撞和俯冲的过程中,这一部位的质量也逐渐增加,直到打破全球引力平衡,并吸引内核反过来向会聚板块所在的半球运动；当内核偏移到这一半球后,将重新导致此侧外核对流强化、地幔底部物质加速熔融、使该部位的地幔柱开始逐渐生成和活跃起来；被激化的新生地幔柱加剧活动,会聚板块再次被烘烤、撕裂并漂移开的运动过程可叙述为：如果因某种原因,使内核发生偏移而离开球心位置，在其偏移侧的外核中,由于对流层厚度减小,热对流将显著加强,使同侧地幔底部受到更强烈的烘烤,从而形成超地幔柱并上升至岩石圈底层；上升幔柱烘烤岩石圈使之破裂,同时产生新的地壳；新生地壳随着破裂的岩石圈板块朝另一半球运动,到达且会聚于某个新的(极限)位置；在会聚板块发生碰撞和俯冲的过程中,这一部位的质量也逐渐增加,直到打破全球引力平衡,并吸引内核反过来向会聚板块所在的半球运动；当内核偏移到这一半球后,将重新导致此侧外核对流强化、地幔底部物质加速熔融、使该部位的地幔柱开始逐渐生成和活跃起来；被激化的新生地幔柱加剧活动,会聚板块再次被烘烤、撕裂并漂移开[10]。

岩石圈和内核是圈层偶合的运动主体,地幔则成为岩石圈运动的主要能源通道和动量源；液态的外核和熔融态的软流圈分别提供了内核作偏移运动和岩石圈作球面运动的空间和力学条件，如果地球的运动确实是依照核-幔-壳的方式进行的,那么对于地球的实际组成而言,这种运动既不需更多其他外界条件的加入,也不能缺少已有(分层及物态)条件中的任何一部分。

从这一意义上讲,按核-幔-壳运动的地球恰好构成一个自洽且自足的动力学体系.在地幔对流和地幔柱模型的基础上,加上对内核偏移的可能性和板块漂移效应的考虑,这一模型包容了原有的地幔热对流模型和地幔柱模型中的合理成分,而克服了它们存在的部分困难—除了上节对泛大陆问题的解释外,对热柱如何发生、强化和衰退的问题,在核-幔-壳中也可以用内核偏移和岩石圈板块聚散的影响来做定性的解释乃至预测.这样,地幔柱的演化和板块运动一样,也成为核-幔-壳中的圈层祸合过程的一个
必然环节,它的发生、强化和衰减也就有了合理的地球物理学基础.据此可知,地幔柱在一定阶段中确实会相对于固定的地球坐标系而存在,但在其他时间,如前所述，它的位置和数量都将会发生相应的改变,并因此引发可以定性预测的板块运动.作为一个完整和自足的地球动力系统,核-幔-壳还提供了一种就地球现有结构和物态条件而言最简单也最有效的运动方式。

它的反馈机制及自组自稳的特征,使得板块乃至核一幔之间的运动和演化可以长期维持,并可以表现出各种复杂的但却确定的行为,如板块的周期性变向运动,泛大陆的周期性聚散和地幔柱的迁移,等等。

并且,这些圈层之间存在的藕合关系,也使我们有可能对地磁场的产生和维持,对全球变化过程中的影响因子及其控制方式等问题,与这种特定的深部背景联系起来,去寻求更加合理的解释。

与现有理论模型相比,核-幔-壳具有可预测的阶段性、周期性和物理上的自洽性,包含板块运动在内的这种圈层祸合运动,在固态内核形成之后,到液态外核完全固化以前,可以仅仅依靠地球自身的圈层结构和内部能量,有先有后,无始无终地运动下去。

2.3重力学机制
由钱德拉塞卡质量极限可知：一个大约为太阳质量一倍半的冷恒星不能支持自身以抵抗自己的引力。

如果一颗冷恒星的质量比“钱德拉塞卡质量极限”小,那么它最后会停止收缩并变为一颗半径为几千公里、密度为每立方厘米上百吨的“白矮星”。

如果一颗冷恒星的质量比“钱德拉塞卡质量极限”大,那么它将无法支撑“自引力”的作用而最终坍缩成一点而变为“黑洞”。

研究板块运动的驱动机制，重力因素是一个不可忽视的因素[11]。

克鲁泡特金等在探讨岛弧和海沟区的重力异常时指出:“这种变化可能与壳下基底中物质水平方向上的流出与流人有关,或者至少可能与基底的致密情况有关，长期的垂直运动是由于深部物质的水平运动产生的”。

地核是地表2900km以下的部分。

据地震波在该处的传播速度推测可能是高压状态下铁、镍成分的物质，所以密度比较大，达到平均密度大约为每立方厘米10.7克；地幔上部以橄榄岩为主要成分，下部以金属氧化物、硫化物为主，密度次之；地壳上部为花岗岩层，富含硅铝，下部为玄武岩层，富含硅镁，密度最小。

地球各个部分的密度不均等是重力能够驱动板块运动的原因。

有很多关于重力驱动板块运动的动力机制模型，板块运动纬向重力模式就是其中的一种比较合理模型。

板块运动纬向重力模式[12]是在“纬向正常密度假说”的基础上建立的。

“纬向正常密度假说”的基本观点认为：地幔的纬向正常密度是按照“地幔纬向正常密度函数”规则分布的，如果地幔的纬向密度是正常分布的，其物质分布状态在水平方向就是稳定的而如果地幔的纬向密度是异常分布的，其物质分布在水平方向就是不稳定的，地幔纬向密度异常区就会引起水平方向的纬向重力。

纬向重力总把地幔物质从地幔密度异常高的地区推向地幔纬向异常低的地区。

在纬向重力的驱动下，地幔物质沿水平方向发生迁移和调整，最终达到地幔纬向的正常的分布状态。

板块运动纬向重力模式的基本观点认为：岩石圈板块的水平运动与垂直运动是一种辩证关系。

一方面，纬向重力驱动岩石圈沿水平方向由正异常的地区向负异常的地区运动。

另一方面因纬向重力驱动软流圈物质沿水平方向运动而使得岩石圈沿垂直方向发生运动。

正异常地区的岩石圈会因为软流圈物质的流出而下沉造成盆地沉陷，负异常地区的岩石圈会因为软流圈物质的流入而上升造成山脉隆升。

图3盆地沉陷
图4山脉隆升
讨论与认识
针对大陆漂移及板块运动的动力学问题,还有很多不解和未知到目前为止还没有亿个完美的理论模型能很好的回答板块运动理论出现的问题，每种理论只顾及到观测数据和现象的一个或几个方面，但又与其他的数据和现象相矛盾。

板块运动的动力学机制现在仍然是地质学上的一个未解之谜。

地球的演化是一个逐渐衰变的不可重复的过程，地球是宇宙中的一分子，应该考虑到外太空对地球的影响；银河系对太阳系向心力的周期改变、太阳月球对地球引力的周期变化及小行星陨石撞击地球都可能是板块运动的力源，而且有观测的数据和地质现象可以部分印证。

越来越多的学者放弃地幔对流模式，寻找其他的板块运动的力源机制，但是地球物理探测资料显示地幔上部岩石圈确实存在似流体的物质,地幔对流可能是板块运动的结果而不是原因。

内核偏移假说可以让地球的演化以一种自洽模式无始无终的运行下去，似乎是一种很合理的解决方案。

类似的假说还有地球内核快速转动，内核对称轴比地球旋转轴每年向东偏移，但运动的线速度是地幔速度的几十万倍，也不太可能。

重力是笔者比较倾向的板块运动的驱动力源因素之一，由冷恒星的坍塌可以类推地球在演化过程中收缩或物质分异，纬向重力模式把岩石圈的垂直运动和水平运动结合起来，还可以解释。