普通地质学ecit09第九章 全球动力学模式：从板块构造到地幔柱

Alfred Wegner was a German Meteorologist in the early 1900s who studied ancient climates. Like most people, the jigsaw puzzle appearance of the Atlantic continental margins caught his attention. He put together the evidence of ancient glaciations and the distribution of fossil to formulate a theory that the continents have moved over the surface of the Earth, sometimes forming large supercontinents and other times forming separate continental masses. He proposed that prior to about 200 million years ago all of the continents formed one large land mass that he called Pangea.
决了“地球是怎样活动的”问题，极大地推动了
地球科学的发展。而地幔柱的提出完善了板块构
造学说的诸多不足 。
一、板块构造理论
Plate Tectonics is a theory developed in the late 1960s, to explain how the
outer layers of the Earth move and deform.
大陆漂移说最大的缺陷就是未能正确说明大陆漂 移的动力学机制，所认为的驱动大陆漂移的潮汐 摩擦力和指向赤道的离极力太小，不足以引起大 陆漂移。
海底扩张学说(Sea-Floor Spreading)
随着魏格纳的献身于格陵兰草原，大陆漂移说一度陷 于沉寂。直到英国学者霍姆斯提出地幔对流驱动大陆漂移 的机制，这一概念才为现在的海底扩张说所采纳。 海底扩张说是赫斯和迪茨上世纪60年代初在肯定了巨 大的地幔对流体是影响岩石圈构造运动的基础上提出的。 认为大陆是在与相邻的洋底焊接以前，被动的驮在下伏地 幔对流体上，犹如传送带上一样，被运载着缓缓漂移。作 为海底扩张说的自然延伸，1968年一个新的大地构造学 说——板块构造说诞生了。
板块构造归纳了大陆漂移和海底扩张取得的重要 成果，并及时吸取当时对地球上部层圈——岩石 圈和软流圈所获得的新认识，从全球统一的角度， 阐明了地球活动和演化的许多重大问题。板块构 造的提出，被誉为地球科学上的一场革命。
板块构造学的发展和创立大致可分 3 个阶段： 1912年德国学者A.L.魏格纳提出了大陆漂移说，50年代古地磁的 研究测得各地在地质时代中的磁极位臵变化多端，用大陆固定论 无法解释，采用大陆漂移说则可得到圆满解释，大陆漂移说随之 受到重视。 60年代美国地质学家H.H.赫斯和R.S.迪茨提出了得到海底磁异常 研究支持的海底扩张说，论述了壳的产生和消亡，并获得深海钻 探的验证。 1965年加拿大学者J.T.威尔逊建立转换断层概念并指出，连绵不 绝的活动带网络将地球表层划分为若干刚性板块。1967～1968年 法国人 X.勒皮雄、美国人D.P.麦肯齐将转换断层概念外延到球面 上，定量地论述了板块运动，确立了板块构造学的基本原理。
（4）板块内部基本不变形。 （5）板块边缘是地壳活动最强烈的地带。
（6）板块的相互作用控制了各种内动力地质作用过程，是地球表面 最重要的构造作用。
3. 板块的边界类型及板块的划分
从板块之间的相对运动方式可将 板块边界分为三种基本类型: 分离（离散）型板块边界 汇聚（会聚）型板块边界 俯冲带 碰撞带 平错型板块边界
科学是不断发展的，板块构造理论并不是尽善尽美的 终极真理，它只是当代地质学对地壳或岩石圈演化规律的
认识，还存在许多不能解决或解释的难题。当一种理论被
局限在某一个范围，不能解决更多的问题时，人们便会去 寻找一种新的理论。
为了弥补板块构造的不足，科学家们提出了地幔柱构
造理论。
二、地幔柱理论
地幔柱假说最初是用于解释夏威夷火山岛的成因，逐 渐完善后成功地解释了对板块构造学说最具挑战性的海底
2. 板块构造的基本观点
（1）由地壳和软流圈之上的固态上地幔构成的岩石圈以洋中脊、俯
冲带和转换断层为界，分成若干个刚性块体（即板块）。 （2）以地幔对流为基本动力，板块在软流圈上作大规模的水平运动。
（3）岩石圈板块间的相对运动分为三种形式：沿洋脊裂谷系的分离 运动导致海底扩张而生成新的洋壳；沿沟岛弧系和大陆新造山带的汇聚 运动导致大洋板块俯冲至大陆板块之下的地幔深处消亡，引起造山运动 和陆壳增生作用；沿转换断层的平移运动，这里岩石圈板块既不生长也 不消减。
第九章 全球动力学模式： 从板块构造到地幔柱
A day early, but the Earth is happy you remembered.
一、板块构造理论(Plate Tectonics)
二、地幔柱理论(Mantle Plume)
上世纪六十年代末兴起的板块构造学说，从
全局上囊括全球构造演化多方面的基本问题，解
板块构造学说的孕育，先后经历了六十年的坎坷曲折 的历程，它发端于1912年魏格纳创建的大陆漂移说，经过 海底扩张假说，最终形成板块构造学说。
大陆漂移学说(Continental Drift)
魏格纳根据大西洋两岸海岸线吻合和中生代前地质古 生物相似的特点，提出了大陆漂移学说。 认为地球表面曾存在一个统一的大陆，称为泛大陆， 并根据地质构造上的联系，特别是各大陆之间古生物的联 系在何时中断，得出泛大陆是从侏罗纪开始破裂的，在这 之后才漂移散开。现今的各大陆和大西洋，印度洋都是经 过大陆漂移后形成的。 这一结论在多年以后被古地磁及其其他地质资料所证 实。
一种认为地幔对流囊括整个地幔； 一种认为对流仅局限于上地幔软流圈，下地幔粘性太大，不足以 引起对流； 还有一种双层对流模式，认为对流分别在上、下地幔两层中进行， 因为在650 km深度存在的不连续面可能是物质的分隔界面。
其他如俯冲板块的重力拖拉作用，中洋脊顶
部的推挤作用和顺坡下滑作用等驱动力源说，更
板块构造学说认为板块运动的驱动力来自地幔对流，认 为地幔中温度差或密度差的存在可引起物质的缓慢移动，热 的、轻的地幔物质上升，冷的、重的物质下沉，连接起来构 成一个个对流环。 从而使驮在软流圈之上的岩石圈板块是由 于地幔对流的拖曳作用而运动的，地幔上升流使板块分离， 下降流使板块聚合。
但对于地幔对流的具体动力学过程有分歧：
地幔的热浮性(thermal buoyancy)。 地幔柱（plume）可以说至今在地学领域还没有精确 的定义，也没有得到广泛的接受，而且在不同学科里所 表示的意义也不尽相同。
What is the plume hypothesis?
Proposed by Morgan (1971). Hot upwellings of relatively primordial material which rise from the deep mantle originating from a ‘thermal boundary layer’ and feed ‘hotspots’. Thought to rise from the D’’ layer at the CMB. Concept of a plume allows for the return flow of material to the surface relative to subducted slabs.
The theory has caused a revolution in the way we think about the Earth. Since the development of the theory, geologists have had to reexamine
almost every aspect of Geology.
板 块 运 动 及 大 洋 的 形 成
板 块 运 动 及 大 洋 的 闭 合
5. 板块构造学说的困惑
板块构造学说虽然被称为地学革命，但随着科技的发
展，其不完善之处也逐渐显而易见，主要表现在板块构
造的驱动力问题和板块内部地质现象问题等 。
（1） 板块运动的驱动力问题
板块运动驱动机制或驱动力问题尚未解决
板块边界类型及运动方向
全球岩石圈板块的划分
依据：地震带 六大板块(1968年法国勒皮雄X.LePichon划分) 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、美洲板块和南极洲板块。 12大板块（许多微板块） 欧亚板块、北美板块、南美板块、非洲板块、阿拉伯板 块、南极洲板块； 太平洋板块、菲律宾板块、印度-澳大利亚板块、加勒 比板块、纳兹卡板块和可可板块。
12个板块是在六大板块基础上的划分：
美洲板块划分为南美板块、北美板块及两者之间的加勒
比板块； 太平洋板块西侧划分出菲律宾板块； 非洲板块东北部划分出阿拉伯板块； 东太平洋中隆以东与秘鲁—智利海沟及中美洲之间（原
属南极洲板块）划分出纳兹卡板块和可可板块。
全球十二个主要板块的分布
பைடு நூலகம்
The red lines on this map of the world represent the largest plate boundaries
Numerical simulation of mantle plumes. Red=hot upwellings. Blue=cold downwellings Keifer and Kellogg, 1998
2.地幔柱的特征
（1）形态
头部粗大而颈干细小的“蘑菇”状，其在岩石圈底部直 径可达1000km，经水平扩展后更是可达2000km。
火山链和大陆溢流玄武岩(CFB )的成因，提出了板块内部
和地球深部的活动性问题，深化、完善了板块构造学说。
1. 地幔柱的概念 Morgan 最 早 描 述 的 地 幔 柱 大 致 意 思 是 ， 地 幔 柱 （plume）是一种起源于深部地幔、能在地表形成“热
点”(hot spots)的相对原始热物质流，其形成主要是由于
是无法解释地质历史中的板块的形成及板块运动
的变更。
（2） 板块内部地质现象 对于解释大陆板块内部为什么会有大陆溢流玄武岩的出现？
大洋板块内部为何出现了火山链？等诸多板块内部发生的地质
现象，板块构造学说就显得力不从心。
A Hotspot Alternative. The rise of a surfacerelated explanation is turning things upside down.
Plate tectonics has proven to be so useful that it can predict geologic events and explain almost all aspects of what we see on the Earth.
1. 板块构造学说的诞生背景
4. 所解决的地学问题
板块构造理论的提出，成功的回答了先前其他构造学
说难于解释的地学问题，诸如大陆裂解、大洋扩张、板块俯 冲、板块碰撞、火山地震分布等许多地学现象。
最大的成功之处就在于解决了这些现象产生的动力来源 问题，认为板块的相互作用是引起大地构造活动的基本原因。 比如汇聚型板块边界，当大洋岩石圈与大陆岩石圈板块相遇 时，比重较大的洋壳板会下插或俯冲到陆壳板块之下；但如 果是陆壳板块之间会聚，由于两者性质相似，将不会发生类 似洋壳与陆壳板块之间的俯冲事件，其最终结果是碰撞上隆 形成山脉。