地球的板块运动

地球的板块运动

在讨论板块的球面运动时，通常认为板块是刚性或近于刚性的，并认为地球表面积保持不变，这样就有可能用数学方法来描绘板块运动了。

板块相对运动及其几何学

板块运动一般是指地球表面一个板块对于另一个板块的相对运动。举例来说，大西洋中脊两侧的欧亚板块和北美板块正在相互分离，但这并不能断定大西洋中脊相对于地理极是静止的，也无法确定两个板块之中哪一个是静止不动的，我们只能假定其中一个板块静止不动，然后去分析另一板块相对于它的运动。由此可知，欧亚板块相对于北美板块是向东运动，而北美板块相对于欧亚板块则是向西运动。欧亚板块相对于太平洋板块是向西运动，相对于印度洋板块则是向南运动。举例说来，大西洋四周各大陆间的距离，在过去2亿年的时间内，至少移动了数千千米，而利用现代空间技术所观测到的现代板块间的相对运动，则可以达到每年几个厘米的量级（图5．27）。

刚体板块沿地球表面的运动，应遵循球面运动原理，即必定是环绕通过球心（地心）轴的旋转运动（图5．28）。在球面上，任何一点的移动都不是沿着直线而是沿着弧线的运动。平行于赤道（离旋转极90°的大圆）的一系列同轴圆

弧（欧拉纬线）标明了板块旋转运动的方向，同轴圆弧的垂线（大圆）相交于旋转极。正因为板块运动是一种旋转运动，所以，板块上不同位置的线速度随远离旋转极而增大，至旋转赤道线速度最大。板块的旋转运动由旋转极（欧拉极、扩

张极）的地理坐标（γ、）和旋转角速度（ω）确定。

界上一些点的相对速度和方向，也可反演两板块间相对运动的欧拉矢量。

由于转换断层的走向平行于相邻板块之间的相对运动方向，也就是说，相邻板块在球面上的运动轨迹就是转换断层（图5．29），故采用求转换断层为界的

各对板块之间相对运动的旋转极（ρ），例如，采用作图法对大西洋中脊不同转换断层分别作垂直于它们的球面大圆，结果都相交于球面上一个很小的范围内，理解为一个极点，即旋转极，实际位置在58°E及38°W附近。

有了扩张极（旋转极），利用扩张速率便可求出旋转角速度，即：ω＝ν/R·cos θ·0.017 45式中ω为旋转角速度（度/a）；ν为扩张速率（cm/a）； R为地球半径（6.37×108cm）；θ为欧拉纬度； 0.017 45为角度的弧长系数。表5．2即为明斯特（J.B.Minster etal， 1974）和蔡斯（C.Chase 1978）等人求出的全球部分板块之间现代运动的扩张极和角速度，根据所求得的旋转极位置和角速度大小，板块边界上各点的线速度可以很方便地换算出来。

表5．2 全球部分板块的旋转及旋转速度

由于板块的刚性是近似的，故板块旋转运动的定量计算值不可能是实际值。不过利用现代空间技术观测到的板块间相对运动速率显示板块运动方向和速率的地学估计与短时间尺度的直接测量结果大体上还是一致的。

由前述可知，当两个各具边界形态的板块发生运动时，它们都有自己的旋转轴及旋转极，若三个板块同时发生运动则它们三者不可能是绕同一旋转极的转动，其中第三个板块的旋转极必然随转动而移动变位，所以，其旋转极只能是一个平均数。另外，每对板块扩张极的位置在时间上是变化的，所以，板块运动的旋转极只具有瞬时的位置性质。判断板块运动的标尺是时间段落，所以，旋转极就总是一个平均数，空间上是一个理想的点。对重建古大陆位置而言，确定板块旋转极的位置非常重要。

板块的绝对运动

板块的绝对运动是指板块相对于深层地幔（地幔—热点）的运动。相对于深层地幔平均位置固定的框架，称为板块绝对运动参考架（参照系），这种参考架是通过热点和岩石圈的无整体旋转（No-net-rotation）或称为平均岩石圈参考架来实现的。热点参考架的含义是，在地幔中存在一系列热点，一些学者认为，热点位置相对于地球自转轴和深层地幔是长期固定的，板块相对于热点的运动也就是板块的绝对运动，它可通过测量跨越热点火山链的年龄和长度得到。岩石圈无整体旋转参考架的含义是，如果岩石圈与软流圈的耦合侧向均匀，并且板块边界的力矩对称作用于两个相邻板块，则平均岩石圈参考架就是相对于深层地幔不动的参考架。板块相对于该框架的运动就是板块的绝对运动。图5．30即为基于上述两种参考架所标定的全球各主要板块的绝对运动（A.E.格里普等，1990；

D.F.阿古斯等，1991）。可见，在大多数板块上两种参考架标定的绝对运动基本一致，但也有一定的差别，这主要是由平均岩石圈参考架相对于热点参考架有整体西向漂移的缘由所致。

除上述两种参考架外，也有学者（Л.П.佐年沙英等，1981）以西太平洋岛弧—海沟系作为参照系，计算了 1000万年以来全球各主要板块以及一些热点相对于它的板块运动（图5．31），发现夏威夷热点、南大西洋热点、非洲提贝斯提热点等的位移量都很少，从而认为西太平洋岛弧—海沟参照系与这些热点组成了一个统一的系统，该系统可作为至少1000万年以来板块绝对运动的参照系统。这样就大致标明了上述时间内各大板块的绝对运动，其中以太平洋板块的运动速率最大，它主要是向西偏北方向运动；印度板块主要向北运动；北美和南美板块主要向西偏南方向运动，北美板块的旋转极位于白令海中，该极点四周的北美板块（部分），以及亚洲东北端均环绕该极做旋转运动，方向比较复杂；

非洲板块的旋转极位于几内亚湾内，它基本上是环绕该极做左旋运动；欧亚板块主要是向西和向北运动，特别是更新世以来，亚洲大陆向北推移趋势明显。由此可知，板块的相对运动和绝对运动是不同的，以欧亚板块和太平洋板块为例，它们的绝对运动有可能都向西或都向东或向其他方向，但它们之间的相对运动则必须是相互汇聚的。这明确表示，板块绝对运动的旋转极，不同于一对板块之间相对运动的旋转极。

板块运动的全球图式及变动特征

巨大的太平洋板块朝西北、西及北的海沟俯冲推移。太平洋板块与欧亚板块和印度板块的汇聚速率，在日本—汤加海沟—带达到最大，可达9cm/a。汤加海沟以南，日本海沟以北，汇聚速率递减，向南至克马德克海沟，向北至阿留申海沟减至7cm/a左右。在马里亚纳和菲律宾海沟附近，海沟出现分叉现象，其间夹着菲律宾海板块，由于间夹板块处于环太平洋汇聚挤压带范围内，故其间并未出现离散型边界。欧亚板块与次级菲律宾海板块之间相对运动的旋转极在日本北海道东北，它们的汇聚速率在日本九洲附近为（3～4）cm/a，向南逐渐增大，至我国台湾以南增大到7cm/a以上。太平洋板块东边侧，沿秘鲁—智利海沟，次级可可板块和纳兹卡板块与南美板块相互对冲（俯冲和仰冲），其汇聚速率也在9cm/a 以上。