地壳板块的运动及其驱动力

第２６卷第３期２００８年３月
河南科学ＨＥＮＡＮＳＣＩＥＮＣＥ
Ｖｏｌ．２６Ｎｏ．３
Ｍａｒ．２００８收稿日期：２００７－１２－１１
基金项目：河南省基础与前沿技术研究计划项目（０５１１０１２０００）
作者简介：申小海（１９６５－），男，河南武陟人，副教授，从事地球物理的研究．
文章编号：１００４－３９１８（２００８）０３－０３４３－０５地壳板块的运动及其驱动力
申小海１，
曾峰２，薛克武３（１．焦作师范高等专科学校，河南焦作４５４０００；２．云南大学数理学院，昆明
６５０２００；３．西南大学计科系，重庆４００７１５）
摘要：分析了热力和离极力对地壳板块的作用．通过引入质心的概念，对两亿年以来板块的运动及其未来趋势
进行了讨论，特别是对南极洲和印度板块的过去和未来，有较为新颖的认识．
关键词：热力；离极力；质心；大陆板块；大洋板块
中图分类号：Ｐ５５３文献标识码：Ａ
板块构造学说把大陆漂移说推向了更深入的层次，它大大地丰富而且刷新了大陆漂移论的内涵，按照板块学说：地球表面是由若干壳状的岩石板块构成，它们以洋中脊、海沟、地震带、火山带等为界，大陆和海洋就载在这些板块上，板块之间的相对运动导致大陆的漂移．根据法国地球物理学家勒皮松（ＬｅＰｉｃｈｏｎ）在１９６８年绘制的地壳板块划分图，地壳被分成六大板块（图１），即太平洋板块、欧亚板块、美洲板块、非洲板块、印度板块和南极板块，图中“－－－”表板块之间的分离边界，“—”表板块之间的汇聚边界．分离边界往往是海底扩张形成的洋中脊，板块在那里向两侧运动；汇聚边界则是两个板块相互挤压或相互淹没的地带．此外还有既不分离也不挤压的转换断层边界，相邻板块在那里只是朝着相反的方向错动．所有板块的边界都是地震带，地球上９５％以上的地震都集中在这些边界上．
还有将地壳划分为十二个板块的方案，它是在以上六大板块划分方案的基础上，将美洲板块分为南美板块和北美板块，另外再划出几个小板块，如菲律宾海、阿拉伯、加勒比等板块，形成十二个板块（图２），现在我们以六大板块的方案并参照部分十二板块的内容来讨论板块之间的相对运动．
１板块运动的驱动力
板块运动靠什么力来驱动呢？按照赫斯（Ｈ．Ｈ．Ｈｅｓｓ）
的学说，地幔的热对流是导致板块运动的直接（也是主要的）原因，在厚度约１００ｋｍ的地壳板块下面，是温度较高的处于熔融状态且可以流动的软流层———地幔，温差和重力使地幔产生热对流，从而导致板块之间相对运动［１］，这里的有关细节，已由赫斯和众多的地球物理学家作了详尽的论述，这个驱动板块运动的力，我们且把它称为“热力”．除此之外，德国地球物理学家
第２６卷第３期河南科学魏格纳（Ａ．Ｗｅｇｅｎｅｒ）指出的由地球自转产生的驱动大陆漂移的离极力，当然也是导致地壳板块相对运动的驱动力．巨大的板块就是在这两种力的共同作用下，按经典力学的规律，在漫长的地质年代里，无休止地运动着．
离极力Ｆ＿是由地球自转产生的离心力Ｆｒ的水平分量（图３）．在两极，由于处在地球的自转轴上，离心力Ｆｒ为０，因而水平分量的离极力Ｆ＿也为０，所以两极只有引力存在，不存在离极力，而在两极以外的不同纬度，离心力Ｆｒ随着纬度的减小而增加，在赤道上达到最大值．对于位于任一纬度的一个质量为!ｍ"的板块元，离心力Ｆｒ的垂直分量Ｆ⊥抵消该板块元的一部分重力，而水平分量Ｆ＿（离极力）则迫使该板块元向赤道方向挤压，由经典力学有：
Ｆｒ＝!ｍ"!２ｒ＝!ｍ"!２Ｒｃｏｓ"
式中：!为地球自转的角速度；
Ｒ为地球的平均半径；ｒ为该板块元的绕轴半径；"为其所在纬度．而
Ｆ＿＝Ｆｒｓｉｎ"＝!ｍ"!２Ｒｃｏｓ"ｓｉｎ"＝!ｍ"!２Ｒｓｉｎ２"／２．
当"＝±４５°时，Ｆ＿有极大值：
Ｆ＿＝!ｍ"!２Ｒ／２．
而当"＝０°或９０°时，Ｆ＿＝０
可见这个驱使板块向赤道方向移动的离极力Ｆ＿，从两极到赤道是随着
ｓｉｎ２"的值变化的，在两极和赤道Ｆ＿＝０，而在南北纬４５°则有极大值．
可以设想，在这样一个随纬度变化的离极力和颇难捉摸的热力的共同
作用下，板块的运动将是十分复杂的．２２亿年以来大陆漂移的过程和当前的状态
大陆漂移实际上是由载有大陆的刚性板块在地幔上的移动［２］，就同一板块而言，显然载有大陆的部分（大陆板块）总是比不载有大陆的部分（大样板块）更厚重，在地球自转作用下，大陆板块将受到比大样板块要大的额外离极力的作用，因此，在地幔热力和这一额外离极力的共同作用下，大陆板块将比大样板块更具有活力，更具有漂移的趋势．我们以近２亿年以来联合古陆（ｐａｎｇａｎｅａ）的演变过程为例来介绍大陆漂移的过程．
魏格纳把两亿年前已形成的超级大陆称为联合古陆，其北部叫劳亚古陆（Ｌａｕｒａｓｉｎ）它包括现今的欧亚大陆和北美洲；南部叫冈瓦纳古陆（Ｇｏｎｄｗａｎａｌａｎｄ），包括现今的南极洲、非洲、马达加斯加、阿拉伯半岛、南美洲、印度和澳洲［３］．经过２亿年漫长岁月的演变，联
合古陆分裂漂移，逐渐形成了当今大陆分布的格
局，根据迪茨（Ｒ．Ｓ．Ｄｉｅｔｚ）和霍尔登（Ｊ．Ｃ．Ｈｏｌｄｅｎ）等人
１９７０年在《地球物理研究杂志》发表的四幅图（图
４），可以看出２亿年以来大陆是如何漂移的．
图４ａ是１．８亿年以前的联合古陆，其中各大陆
的位置已很清楚，箭头表示它们的漂移方向；图４ｂ
是１．３５亿年以前的大陆分布，可以看见，北大西洋
继续张开，南美洲、非洲已经完全脱离南极洲，印度
北漂，印度洋开始张开；图４ｃ是６．５千万年以前的
大陆分布，南美洲和非洲已经分开，南美洲向西北
漂，北美洲向西南漂，南大西洋随之张开，印度继续
北漂，澳洲开始和南极洲分离，印度洋继续扩张．
此后，北大西洋裂谷终于延伸到北冰洋，整个大西
洋不断加宽，南美洲继续往西北漂，北美洲往西南
漂，澳洲北漂远离南极洲，中美地狭形成，使南北美
洲连在一起，印度和亚洲大陆相遭遇，中国的西南
图３离极力Ｆｉｇ．３ＰｏｌｅｆｌｅｅｉｎｇｆｏｒｃｅＦ＿
３４４－－
２００８年３月翼（现今的青藏高原）开始上升……，终于形成了现今各大洲分布的格局，图４ｄ．
根据这几幅图，可以看见大陆漂移有以下两个明显的趋势：
１）向赤道漂移的趋势
处于南北半球的各大洲，
２亿年以来，总是向赤道漂移，原因很明显，这是离极力在起作用，离极力由南北半球指向赤道，且随纬度增大而增大，在南北纬４５°达到极大值，然后逐渐减小，在赤道上，离极力为０，看来漂移的大陆最后会在赤道及其附近稳定下来．但是在这里，印度的情况显然反常，当它跨过赤道时不仅未在赤道上稳定下来，而且一个劲地北漂，不顾愈来愈大、随时迫使它返回赤道的离极力的作用，终于和亚洲大陆相碰撞．这一颇为离奇的现象，我们且留到后面再作解释．
２）向东西两方分散的趋势
各大洲向赤道漂移的同时，还向东西两方分散，这除了因为地球赤道附近较膨大，使本来相邻的大陆在向北漂向赤道的过程中会离得越来越远的简单原因外，还有热力的作用，地幔的热对流导致地壳板块的移动，如大西洋的洋中脊形成的分离边界，正在使东西两边的大陆离得越来越远．根据地块漂移均衡论的见解，这种趋势将会继续下去，直到各地块沿赤道的分布达到力学上的均衡状态为止［４－５］．事实证明这个过程是永无止境的，因为离极力使大陆漂向赤道，而热力往往会使之离开赤道．
３板块移动的未来趋势
为了说明地壳板块在离极力和热力共同作用下在地幔上的水平移动，先引入经典力学中“质心”（质量中心）的概念：
刚性板块的运动，可以由该板块质心的运动来表征，在这里，我们把每个板块的质量看作集中于其质心，而质心所受的力则等于作用于该板块的外力的矢量和．
地壳板块的大小不一，就以六大板块的方案来说，各板块纵横约有几千到万余千米，但它们的厚度都差不多，约１００ｋｍ，所以它们实际上是一层很薄而面积很大，边界又很不规则的薄壳，像已破裂但还封闭着的鸡蛋壳一样，因此各板块的几何中心大体上就是它们的质心．可以在地球仪上，用几何方法确定其大致位置，图５中，“★”表各板块的质心位置．应当注意到薄壳似的弧面形板块，其质心往往不在板块上，而是在板块之下，大的板块更是如此，所以这里的描述是近似的［６－７］．
现在，我们可以通过热力和离极力的共同作用，以及板块质心的概念，来阐述各板块未来的移动趋势．１）非洲板块
从图５可以看出，运载非洲大陆
的非洲板块，其东西南三面的边界都
是分离边界，只有北面是汇聚边界，
虽然就整个非洲板块的位置来看，其
质心大体上已位于赤道附近，作用于
该板块的离极力在质心的合力基本
上为０，但热力的作用仍在继续着，
使非洲板块仍然在向北面的欧亚大
陆西南翼挤压，所以阿尔卑斯山、小
亚细亚、波斯湾以北一带，将仍然是
很活跃的地质区域．
２）南美板块
运载南美洲的南美板块，（图２，
十二个板块划分中的南美板块），它
包括南美洲和南大西洋的一部分，该板块大部分还在赤道以南，其质心离赤道还有相当一段距离，因而离极力仍然在驱使它北移．另一方面，该板块东面是分离边界，西面是汇聚边界，热力正在继续使它向西挤压，因此，在向北的离极力和向西的热力的共同作用下，这个板块正在向西北方向移动，所以南美洲的西沿（安弟
斯山一带）仍然是很活跃的地质区域．
申小海等：地壳板块的运动及其驱动力３４５－－
第２６卷第３期河南科学３）印度板块
包括印度、澳洲和部分印度洋、太平洋的印度板块，自从冈瓦纳古陆分裂以来，一直北移不止，直到今天，该板块的质心仍然在赤道以南，这意味着离极力还在对它作用，驱使它北移．另外该板块的南和西南边界都是分离边界，热力还在使它向东北方移动，这样在向北的离极力和向东北的热力共同作用下，印度板块正在向北偏东的方向移动，使喜马拉雅山直到印尼列岛，继续成为活跃的地质区域，由于印度板块的北沿对中国青藏高原的挤压，青藏高原还要继续上升．
印度德干高原由年龄为１．８亿到几百万年的熔岩流构成，这些熔岩中的古地磁磁化记录，表示出印度从南纬４５°附近移到北半球现今位置的移动速度，先是以近１ｃｍ／ａ的速度移动了８千万年，而后速度明显加快，直到５千万年前跨过赤道时，速度又减慢了，最后与亚洲大陆相碰撞，这一事实，正好说明由南北半球沿子午线指向赤道、按正弦规律变化的离极力的部分“功绩”．
以上内容，也回答了前面提到的为什么印度陆块北漂，越过赤道以后，仍然不停下来的原因．
４）南极板块
运载南极洲的南极板块，包括太平洋、印度洋和大西洋的各一小部分（图６），南极洲大致位于该板块的中央，而该板块的质心大致就在南极附近，南极几乎成为叶形的南极板块的对称中心，具有这样一个特殊的位置条件，使作用于该板块质心的离极力接近于０，不仅如此，该板块和与之相邻的几个板块（非洲板块、印度板块、太平洋板块和南美等板块）的边界又几乎都是分离边界，因此作用于该板块的热力因对称原因相互抵消接近于０，所以现今的南极板块是一个比较稳定的板块．
图６
南极板块的位置Ｆｉｇ．６Ｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆａｎｔａｒｃｔｉｃｅｐｌａｔｅ
由图４可以看出，从冈瓦纳古陆分裂至今，南极洲的位置也是变化的，但变化不大，它和原相连的几个大陆分裂以后，逐渐移动到现今的位置，随着今后板块平衡状态的逐渐变化，南极洲的位置也会随之变化，只是说在较近的地质年代内，这个变化要相对小一些罢了．
５）欧亚板块和北美板块
欧亚板块和北美板块的质心还远离赤道（图５），而北纬５０°大致在它们的质心附近，所以强大的离极力正在驱使两个板块南移，不同的是它们分别位于大西洋中脊的两侧（分离边界），而它们的另一侧又都是太平洋板块的汇聚边界，所以热力正在驱使欧亚板块东移，北美板块西移，这样在热力和离极力的共同作用下，欧亚板块向东南移，而北美板块则向西南移．
６）太平洋板块
太平洋板块基本上全部是大洋板块，其质心大致已在赤道上，因而离极力的作用很小，板块的东南是分离边界，东北、西、西北是汇聚边界，这意味着该板块还在向西北方向挤压，所以它的东北沿（北美洲洛矶山），北沿和西沿（阿留申群岛、千岛群岛、日本、菲律宾一带）都是比较活跃的地质区域．
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２００８年３月５结束语
本文引用质心的概念，通过分析热力、离极力对地壳板块的作用，对２亿年以来大陆漂移过程作了新的解释，并讨论了未来的漂移趋势，其结论大体上和迪茨与霍尔登根据古地磁的研究结果及板块构造学所得的
结果是一致的［８］，
但和勒皮松的结果稍有出入，这只要对比一下图１和图５中箭头及指向就知道了．参考文献：
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ＳｈｅｎＸｉａｏｈａｉ１，ＺｅｎｇＦｅｎｇ２，ＸｕｅＫｅｗｕ３
（１．ＪｉａｏｚｕｏＴｅａｃｈｅｒｓＣｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉａｏｚｕｏ４５４０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＹｕｎｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ６５０２００，Ｃｈｉｎａ；
３．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４００７１５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｈａｓａｎａｌｙｓｅｄｔｈｅａｃｔｉｏｎｏｆｈｏｔｆｏｒｃｅａｎｄｐｏｌｅｒｌｅｅｉｎｇｆｏｒｃｅｆｏｒｃｒｕｓｔａｌｐｌａｔｅｓ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎｏｆｃｅｎｔｒｅｍａｓｓｉｎｔｒｏｄｕｃｔｅｄ，ｗｅｓｔｕｄｙｔｈｅｍｏｔｉｏｎｏｆｃｕｒｓｔａｌｐｌａｔｅｓａｎｄｉｔｓｆｕｔｕｒｅｗａｙ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｏｎｐａｓｔａｎｄｆｕｔｕｒｅｏｆｃｏｎｔｉｎｅｎｔｓｏｆＡｎｔａｒｃｔｉｃａａｎｄＩｎｄｉａｈａｖｅａｎｅｗｋｎｏｗｌｅｄｇｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｏｔｆｏｒｃｅ；ｐｏｌｅｆｌｅｅｉｎｇｆｏｒｃｅ；ｃｅｎｔｒｅｏｆｍａｓｓ；ｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌｐｌａｔｅ；ｏｃｅａｎｉｃｐｌａｔｅ申小海等：地壳板块的运动及其驱动力３４７－－。