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 并向两侧散开时,大陆就会裂开形成海洋，而当地幔对流体经长距离迁移逐渐冷却加重后,就会下沉回到地馒深处,并将海底向下牵引形成海沟传送带模式这是板块构造学说兴起以来最著名的动力学机制解释他们认为岩石圈板块的运动完全取决于深部地幔的对流环板块被冷的、重的、向下运动的地幔所带动而产生俯冲作用,在热的、向上运动的地幔影响下造成洋底板块扩张,上部地幔的水平运动带动了板块的水平运移 按照地幔对流假说,地幔运动速度必须大于岩石圈板块的运动速度夏威夷群岛火山链是该区洋底火山是地幔热物质向上运动、发生局部熔融在地表的表现,后来称之为热点对于夏威夷火山链的火山岩年龄,呈现为从西北向东南逐渐变新,这是由于地表附近的板块在向西北运移,而代表地幔热活动中心的热点则是其参照系,基本不动火山链就是岩石圈相对于热点运动的轨迹根据这些热点的资料,必然的结论是地幔运动速度很小,几乎静止,岩石圈板块无能运动则可以比地幔快得多,每年运移几到十几厘米那么这样就出了问题,运动速度很小的地幔如何能带动速度较快的板块移动呢!另外,绝大多数地幔热活动的中心都不与板块扩张的中心相对应,板块扩张中心的深部没有地幔物质上涌的现象,地幔对流环就难以形成。
这些问题传送带模式都不能很好的回答[6] 国内外的学者没有停止对地幔对流的研究，单斌用现今板块运动速率作为上边界及对流驱动力,反演地幔物质在地球形成以来的对流状况,结合地球的由热及冷的热动力演化史,可以认为现今地幔的混合程度是比较高的[8] 利用三维地幔对流模型计算了在当今板块构造运动的驱动下地幔对流的形态和演化过程,并由此分析对流作用下地幔物质的混合程度模拟发现：1)地幔的混合程度主要受板块驱动作用的影响；2)上地幔的混合程度高于下地幔极型场加环形场的情况下,有80%左右的上地幔区域经受过两条以上的对流轨迹曲线穿入,同时下地幔相应的穿入率也达到60%以上；3)混合程度受对流时间影响较明显时间越长,混合程度越高,但混合程度的增长速率随时间增加逐渐减小,这使得全地幔对流情况下地幔物质保持各向不均一性成为可能；4)地幔混合还与流场类型有关,环形场的存在很大程度上增加了地幔的混合程度 上地幔的混合程度比下地幔高,不同的混合尺度和粘滞性结构虽然对此有影响,但整体呈现出上地幔高、下地幔低的趋势这表明,目前上地幔的物质均匀性 高于下地幔,但由于本文的模型是以当今的板块构造运动作为上边界和驱动力的,而真实地幔的物质分异是经过几十亿年的演化形成的,几十亿年前的板块构造形态与当今存在着很大的不同。
因此,本文的模拟结果只能在一定程度上解释地幔物质各向不均一性的现象模型计算得到的上下地幔混合程度差别的变化小于两者黏滞的变化 除了受地表驱动力的影响之外,不同对流场的形态对于混合程度也有较大的影响计算发现,环形场较为杂乱,能够传递很远的地方,而极型场则主要形成螺旋状的运动形态,影响尺度较小所以,环形场的存在对于地幔物质的混合起着重要的作用,大大增加了不同区域间的物质交流 混合程度与时间的关系随着对流演化时间的增大,物质在空间传播的距离也越大,混合程度就越高然而,物质的混合程度与时间并非成线性关系,而是随着时间的增加,逐渐趋向稳定,也就是说,无论时间的长短,总有一些区域接受不到混合的作用,这可能是海岛物质异常现象的主要原因 在对流模式的研究上较多的四种对流模式为：全幔对流,上地幔对流,双层对流及与之并存的次一级局部对流,黄定华提出了瑞利对流、瑞利对流、台劳流、粘性指凸几种新的对流模式各种模式都只能找到某方面的证据，不能全面解决对流模式在解释地质现象时遇到的问题 2.2内核偏移引起的板块运动 地球的内。