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1、岩石圈板块运动,黄定华 中国地质大学（武汉） 地球生物学系,行星地球形成以来，就处在不停的运动之中。但全球规模的大陆漂移，却曾被无情地嘲笑为一个不合时宜的狂想曲；而不可思议的海底扩张，则被幸运地赞誉成一首壮丽的地质史诗。板块运动理论，正是在这一起伏跌宕的科学争论中，所诞生的一次地学革命。我们不妨从大陆漂移开始，去透视一下这一20世纪最伟大的三大自然发现之一。,固定论与活动论之争,1. 板块运动的证据和争论,有证据而没有机制的大陆漂移,大陆漂移的发现，本身就是一个有趣的传奇20世纪初时，年轻的德国气象学家魏格纳发现：美洲大陆和非洲大陆的边缘形态十分相似，如果将它们互相移近，则两者的边缘几乎可以完
2、全嵌合。于是，他进一步根据古生物化石、岩石和地质构造的相似性，大胆提出大西洋两岸曾属于一个统一的联合古陆（Pangea）。后者于2亿年前开始破裂并发生大规模的大陆漂移后，才慢慢分离形成今天的陆洋分布格局。,大西洋两侧拟合而成的大陆,电子计算机对大陆边缘进行拟合的结果,构造和同时代岩石带的对比,古生物与冰川、气候分带性证据,南半球各大陆找到的二叠纪三叠纪的植物群与两栖类、爬行类等陆生生物有惊人的相似性,晚古生代南半球各大陆冰川分布现在看来毫无规律，但若把各大洲包括南极在内的大陆拼合在一起，则冰川的分布就不难理解了。,古地磁测定的极移轨迹,过对北半球不同时代古地磁北极位置的测定，把各地质时期古地磁
3、极位置在图上连结成一个线，这条线称为地质时代极移轨迹。大量的资料表明，北美和欧洲所测的极移曲线并不相合，但形态大致相似。若将两大陆拼合在一起，则这两条极移曲线就会基本重合，说明大西洋的确曾经不存在，两个大陆曾经是相连接在一起的。,以上事实可以解释为：在距今大约2.5亿年以前地以上事实说明，在距今大约2.5亿年以前地球上有一个“联合古陆”。它大约在三叠纪后期（约2亿年前）开始破裂，并逐渐漂移,成为现今的海陆布局。,20世纪60年代初，借助于丰富的海底调查资料和古地磁学证据，赫斯和迪茨几乎同时提出了一个类似的观点大洋底部在洋中脊处裂开，地幔岩浆从这里涌出，冷却固结成新的大洋岩石圈，并把先期形成的岩
4、石向两侧对称地推挤，导致大洋海底不断扩张。另一方面，扩张的大洋岩石圈在到达大陆边缘的海沟处后，将沿着消减带向大陆岩石圈之下俯冲，重新消亡于地幔中，从而构成一个完整的循环。这就是被称作地质史诗的海底扩张。,瑰丽璀灿的地质史诗海底扩张,关键证据地磁条带对称,以大洋中脊为对称轴，往两侧地磁条带的正反极性是对称分布的 以大洋中脊为起点，距离越远的岩石年代越老。,1963年英国的瓦因和马修斯推断：,地磁的正负异常对应于古地磁场的正反方向变化。 这样海底就起到一台磁带录音机的作用，根据地磁场的正反方向变化记录下海洋扩张的历史。 通过对太平洋、大西洋和印度洋所测得的地磁转向年表，可见正向期与反向期是一致的。
5、从而证明海底扩张的普遍意义。,大洋底部地磁条带记录的海底扩张,海底扩张的机制地幔对流,受热的深部岩浆从大洋中脊上升形成新的大洋地壳，冷却的洋壳在大陆边缘俯冲下沉。由此构成完整的热对流环，推动全球板块运动。,把染色的水放入装满高密度、高粘度的葡萄糖浆容器，然后在底部缓慢地加热。这时在糖浆中开始出现上升的水柱。与此相应，在容器周边部分形成方向相反的下降流。这种现象是因为在热梯度的驱动下，受热扰动的高温低粘度物质会向热边界层最低处汇集，然后随着温度升高而形成上升热流；反之，低温高粘度的物质会因重力而下沉，两者合成一个完整的热对流环。地幔热对流在物理机制上与此大致类同。,实验室条件下的热对流实验,对大
6、陆漂移和海底扩张现象的认可，最终导致了廿十世纪最重要的自然科学发现之一板块运动： 地球表层的岩石圈不是一块完整的刚性外壳，而是由十几个不同的大陆板块和大洋板块组成的岩石圈块体，受地幔对流的驱动，漂浮在高温、塑性的软流圈上，进行着缓慢、但不停息的水平移动。这一过程激活了地震与火山，控制着矿产形成，决定了陆洋分布，影响到生命进程。因此，板块运动是地球最重要的运动。,2. 板块运动的理论和内涵,根据地质学、地球物理学和地球化学的证据，全球岩石圈一共可以划分为17个板块，其中，规模较大的7个板块分别是：太平洋板块，南极板块，欧亚板块，非洲板块，澳大利亚印度板块，以及南美板块和北美板块,全球板块的划分,
7、根据板块的相对运动方式，可以确定三种不同类型的板块边界 离散型板块边界 两侧板块沿着相反的方向运动，以频繁的线状玄武岩浆上涌，拉张作用引起浅源地震和高速热流为特征。所有大洋中脊都是本类型板块边界。,南大西洋打开轨迹,南大西洋打开前的复原图,汇聚型板块边界 以产生深源地震，形成褶皱山系（海岸山脉增生楔），引起玄武质和安山质火山活动（火山弧、弧前盆地和弧后盆地）为特征。太平洋东西两岸的海沟-岛弧带为其代表。 小资料：日本为什么多地震在大洋地壳和大陆地壳发生碰撞的汇聚板块边界，往往会出现大洋板块向大陆板块底部俯冲的现象。由于碰撞和俯冲造成强烈的地壳变形与热效应，这一部位因此成为地球表层火山与地震活动
8、最强烈的地带。,岛弧岩浆岩组合,转换断层型边界 这种边界既不形成新的岩石圈，原来的岩石圈也不会消减。转换断层是使相邻板块发生沿边界方向的平移错位。此类边界具有水平位移的浅源地震特征，往往伴随着板块的分离和火山活动。,三种不同类型的板块边界： A）离散型板块边界 B）汇聚型板块边界 C）转换型板块边界,威尔逊旋回,威尔逊（1973）从板块构造观点出发，揭示了岩石圈从大陆破裂到大洋形成，从大洋形成到闭合的完整过程，划分为六个阶段（演化期）： 胚胎期幼年期青年期壮年期衰退期终结期,地幔的活化可以引起稳定的大陆壳的破裂形成三叉裂谷：红海、亚丁湾、东非裂谷就是最著名的实例。地幔的活化使其热熔物质喷流或上
9、涌对流，岩石圈及陆壳随之变薄，破裂成三叉型的一系列地堑。其中东非裂谷即胚胎期典型代表。,a.胚胎期 (大陆破裂),b.幼年期 (红海),红海、亚丁湾在1525百万年前开始扩张。最后大陆进一步分离，洋脊终于出现并形成了新的洋壳岩石圈，这一年青的洋脊系统及其伴生的洋盆就是红海（幼年期） 。,目前红海随着阿拉伯与非洲的分离正在逐渐加宽，最后必然会演化成为新的大洋如大西洋（青年期）,c.青年期 (大西洋),D-f.壮年期终结期：陆洋转换,当新的大洋继续扩张，其大陆边缘就会出现如下三种情况，一种是西太平洋型（壮年期）；另一种是东太平洋(南美)型（衰退期）；最后一种是喜马拉雅山型（终结期）。地质学家们并把
10、它们解释为一个演化系列。,d.西太平洋型,太平洋板块沿着亚洲东部大陆边缘的千岛海沟，日本海沟，琉球海沟，菲律宾海沟，向欧亚板块下面俯冲，形成(海)沟(火山岛)弧(边缘海)盆型的汇聚带，它由海沟、火山岛弧和弧后边缘海盆地组成现今亚洲东缘花彩列岛式的地理面貌。,e.东太平洋安第斯山型,纳兹卡板块在秘鲁智利海沟向南美板块下俯冲形成沟弧型的板块汇聚带。它由海沟、火山弧组成。安第斯山脉即位于火山岩浆带中,f.喜马拉雅型,印度板块与欧亚板块的碰撞属于陆陆碰撞型汇聚带。由于大陆壳较轻而漂浮在软流圈上，多数不可能被带往深部。当两个大陆碰撞时，板块运动会减慢或停止。两个大陆板块碰撞的地带称为板块缝合带或线（su
11、ture）。缝合带是大陆重叠而大大加厚和山脉形成的地方。喜马拉雅山和青藏高原的形成就是陆陆碰撞的例子,板块运动的机制最初是由海底扩张的机制地幔对流来加以解释的。但由于地球内部实际条件的限制，地幔对流的规模、方式和起因都受到了广泛质疑。从20世纪80年代后，又陆续产生了一些新的解释。,3.板块运动的机制,全幔还是分层对流？ 物理与化学界面的困难； 对流元胞形态与规模上的困难； 物质状态的困难；,670,14000,地幔对流机制面临的困难,热-流体力学限制-瑞利流的形成条件：,平行平板的容器 均匀加热的过程 均一的外重力场,非 非 非,从“热点”到超级地幔柱,太平洋中北部的夏威夷海岭是一个无地震而
12、有火山活动的岛链。摩根用热点地幔深部上升的热物质喷射到地表的产物来解释这种无震脊上的火山中心。认为热点下面的柱状热流在地幔中的位置是固定的，当岩石圈板块在热点上移过时，就留下了一个年龄逐渐由老变新的火山（岛）链。,丸山茂德进一步推断：岩石圈下插板块一直可以沉降到且滞留于670km深的上、下地幔边界处，并被软化、流动，当滞留板块积累到一个临界量之后，就会塌落到下地幔。为了填补因塌落而形成的“空间”，下地幔就会产生向上运动的热地幔柱。把塌落的滞留板块称为“冷地幔柱”，上升地幔物质称为“热地幔柱”。这就是超地幔柱假说。,按照对地幔柱模式的共识，幔柱的生成是因为外核中熔融铁散发的热量通过传导过程穿透核
13、幔边界，在该界面上方的100200km内，由地幔底层的固态硅酸盐岩石吸收；当这一过程持续到积累了足够的热能后，这层因过热而密度显著降低的地幔岩石将上升近3000km，到达岩石圈底部而形成地幔柱,地幔热柱说 “热柱起源于核幔边界”,夏威夷热点的迁移,地核对下地幔的差异性加热在空间上究竟是随机发生的，还是有选择地加热某一特定部位？换言之，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？,超级地幔柱的解释仍然语焉不详,尽管核幔边界被视作热柱源，但内核与板块运动之间并未能建立起直接的联系，前者对后者是多余的；,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
14、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,我们的假说: SCM模型,如果因某种原因，使内核发生偏移而离开球心位置； 在偏移侧的外核中，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，吸引内核反向会聚板块所在的半球运动,SCM模型的基本内涵,内核偏移能否发生,mic,1地球非严格的旋转椭球体2 地球内
15、部物质分布是不均匀的,初始内核的位置就不与地球的球心重合； 地内热过程引起的内部物质调整； 小行星碰撞； 月球被抛射出去的可能； 岩石圈板块集中造成的质量改变效应，等等,地核偏移的最初原因：,内核偏移改变了核幔之间的热传导距离，使该距离较短的半球内的热传导优于另一半球尤其是在外核中存在热对流时，即使是内核的很小偏移，也将引起核幔之间热传导的强烈变化,内核偏移能否导致外核差异对流,尽管由于磁耦合作用，内核还有对于壳、幔的差异旋转，但两者激发机制不同，时间尺度不同，故内核差异旋转与内核偏移在物理上是可以叠加，但相互独立、互不干涉的两种运动 综上所述，在附图所示的各个相继发生的环节之间存在着确定且有
16、效的耦合与驱动关系，因此SCM所描述的全球运动在物理上应该是有可能发生的,关于SCM模型的几点说明,自洽且自足的动力学体系 如果地球的运动确实是依照SCM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它外界条件的加入，也不能缺少已有（分层及物态）条件中的任何一部分,包含板块运动在内的这种圈层耦合运动，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地外因素可以暂时地干挠或中断这一过程，但却不能改变它运动的永久规律这些都使我们相信：地球是一部按照自然界的最简原则组织得十分完美的机器，圈层耦合及其驱动的板块运动就是这样进行的。,一次因意外撞击而提前发生的必然性生态危机？,P末大绝灭的扳机,没有地外撞击能否发生大绝灭？ 地史转折期处在圈层耦合过程中的什么阶段？,Class over. Thank you,
