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