板塊構造說
正文
20世紀60年代興起的當代地球科學中最有影響的全球構造學說。它認為地球的岩石圈分裂成為若干巨大的板塊，岩石圈板塊沿著塑性軟流圈之上發生大規模水平運動；板塊與板塊之間或相互分離，或相互匯聚，或相互平移，引起了地震、火山和構造運動。板塊構造說囊括了大陸漂移、海底擴張、轉換斷層、大陸碰撞等概念，為解釋全球地質作用提供了頗有成效的格架。簡史 1912年，德國A.L.韋格納首先提出了大陸漂移說。1960至1962年期間，美國H.H.赫斯、R.S.迪茨在大陸漂移和地幔對流說的基礎上創立海底擴張說，隨後F.J.瓦因和英國D.H.馬修斯等通過海底磁異常的研究對海底擴張說作了進一步論證。1965年加拿大J.T.威爾遜建立轉換斷層概念，並首先指出，連綿不絕的活動帶網路將地球表層劃分為若干剛性板塊。1967至1968年期間，美國W.J.摩根、D.P.麥肯齊、R.L.帕克與法國X.勒皮雄將轉換斷層概念外延到球面上，定量地論述了板塊運動，確立了板塊構造說的基本原理。1968年，美國B.L.艾薩克斯、J.奧利弗和L.R.賽克斯進一步闡述了地震與板塊活動之間的聯繫， 並將這一新興理論稱作 “新全球構造”。目前常用的術語“板塊構造”，是麥肯齊和摩根在1969年提出的。70年代以來，板塊學說逐步滲透到地球科學的許多領域。
板塊劃分 固體地球上層在垂向上可分為物理性質截然不同的兩個圈層，即上部具一定剛性的岩石圈和下墊的略具塑性的軟流圈。岩石圈包括地殼和一小部分上地幔，厚度不一,約在幾十公里至200公里以上。軟流圈大體相當於上地幔低速層，或電導率較高的高導層（低阻層）,Q值(介質品質因素，與地震波衰減程度成反比)較低，表明其物質較熱、較輕、較軟，具一定塑性。存在著可以緩慢蠕動的軟流圈，是上覆岩石圈發生大規模運動的基本前提。
板塊是由地震帶所分割的內部地震活動較弱的岩石圈單元。由於板塊的橫向尺度比厚度大得多，故得名。狹長而連續的地震帶勾劃出了板塊的輪廓，它是板塊劃分的首要標誌(見海底地震)。全球岩石圈可劃分為六大板塊：歐亞板塊、非洲板塊、美洲板塊、印度板塊（或稱印度洋板塊、澳大利亞板塊）、南極洲板塊和太平洋板塊。有人將美洲板塊分為北美板塊和南美板塊，則全球有7大板塊。根據地震帶的分布及其他標誌,人們進一步劃出納斯卡板塊、科科斯板塊、加勒比板塊、菲律賓海板塊等次一級板塊（圖1）。板塊的劃分並不遵循海陸界線（海岸線），也不一定與大陸地殼、大洋地殼之間的分界有關。大多數板塊包括大陸和洋底兩部分。太平洋板塊是唯一基本上由洋底岩石圈構成的大板塊。 板塊邊界 指兩個板塊之間的接觸帶，而板塊邊緣則是指一個板塊的邊緣。板塊邊界是構造活動帶。根據板塊的相對運動狀態，邊界可分為三類：①分離型板塊邊界，②匯聚型板塊邊界,③轉換型板塊邊界（圖2）。震源機制表明，這三類邊界的主導應力狀態分別是引張、擠壓和剪下。
分離型板塊邊界 兩個相互分離的板塊之間的邊界，見於大洋中脊軸部或裂谷帶，以淺源地震、火山活動、高熱流和引張作用為特徵。隨著兩側板塊分離張開，軟流圈地幔物質沿脊軸上涌,在地球磁場作用下,相繼形成一系列正向、反向磁化相間排列的洋底岩石圈條帶（見條帶狀磁異常）。由於新生岩石圈較為薄弱，故下一次張裂通常仍發生在中脊軸部,使新生岩石圈分裂為二,各有一半洋底條帶添加於兩側板塊的後緣。這種邊界也稱為增生板塊邊界或建設型板塊邊界。洋底岩石圈沿分離型邊界的增生作用通常兩側是對稱的，致使中脊地形也具有對稱性。
匯聚型板塊邊界 指兩個相互匯聚的板塊之間的邊界，相當于海溝和活動造山帶。鑒於地球表面積基本不變，因而分離型邊界岩石圈的增生必然為某些地方岩石圈的破壞所補償。岩石圈的破壞或壓縮就發生在匯聚型邊界。匯聚型邊界有兩種亞型，即俯衝邊界和碰撞邊界。
① 俯衝邊界。在地形上表現為海溝，相鄰板塊相互疊覆，由於大洋板塊較之大陸板塊往往具有密度大、厚度小、位置低的特點，故大洋板塊一般地俯衝於大陸板塊之下。也有大洋板塊俯衝於另一大洋板塊之下的情況(如沿馬里亞納海溝)。俯衝邊界主要展布於太平洋周緣,包括島弧-海溝系與安第斯型大陸邊緣。前者有邊緣海與大陸相隔;後者海溝直接濱臨大陸。通常,在海溝附近出現淺源地震,向陸側依次出現中源、深源地震,構成一傾斜的震源帶,稱貝尼奧夫帶,其傾角變化在15°～90°之間。貝尼奧夫帶標出了板塊俯衝的形跡。貝尼奧夫帶具有很高的Q值，接近於岩石圈,從而也證明岩石圈板塊是沿貝尼奧夫帶向下俯衝的。在俯衝過程中，上覆的大洋沉積物可能隨板塊潛入地下；有時，部分沉積物被刮落下來，添加于海溝陸側坡，構成增生楔形體。增生的混雜岩體逐漸成長並受擠而隆起,組成非火山性外弧,在一定程度上導致大陸增長。當板塊俯衝至一二百公里深處，摩擦增熱，導致下插板塊或上覆地幔物質產生部分熔融，從而有岩漿上升並噴出地表，形成與海溝平行延伸的火山弧（見島弧）。火山弧與外弧之間發育弧前盆地。弧後拉張作用則形成弧後盆地(亦稱邊緣盆地)。在板塊俯衝作用下，形成統一的溝-弧-盆系。
② 碰撞邊界。表現為活動造山帶，也稱地縫合線。隨著大洋板塊俯衝殆盡,大規模俯衝活動停息,兩側大陸相遇匯合而開始碰撞。在匯聚碰撞作用下，原大陸邊緣和洋底的沉積物遭受緊密褶皺和逆沖推覆，加之一系列地殼楔沿深部近水平的層間滑脫面（多為岩石圈內部低速帶）拆離開來，相互沖掩疊覆,導致地殼壓縮增厚,地面大幅度抬升，形成宏偉的褶皺山系。喜馬拉雅山系便是始新世末期以來印度與歐亞大陸主體碰撞的產物。明顯的均衡正異常表明碰撞山帶地殼均衡狀態遭到破壞。碰撞邊界伴有淺、中源地震，地震帶甚寬。陸上的板塊邊界，特別是碰撞邊界，常構成一條寬闊而複雜的板塊相互作用地帶。沿匯聚型板塊邊緣,可出露蛇綠岩套,自下而上包括超鎂鐵質岩、輝長岩、輝綠岩，直至覆有深海沉積層的玄武質熔岩。這一層序類似於大洋地殼和上地幔。一般認為蛇綠岩套是大洋岩石圈的殘片，原生成於大洋盆地或邊緣盆地，後在板塊匯聚和洋盆關閉的過程中被逆沖至陸上。
轉換型板塊邊界 相當於轉換斷層，板塊的運動方向大致平行於邊界，兩側板塊或相互剪下錯動，或以不同速率向同一方向推移。可以連線洋脊與海溝，也可以連線洋脊與洋脊，海溝與海溝。轉換型邊界兩端，與洋脊或海溝相接處，剪下錯動驟然終止。沿這種邊界，通常既沒有板塊的生長，也沒有板塊的破壞，但伴有頻繁地震活動，可發生構造形變與動力變質作用。
板塊的運動 一般模式 海底擴張是板塊運動的核心，板塊從大洋中脊軸部向兩側不斷擴張推移（見海底擴張說）。就板塊的相對運動方向而言，海溝和活動造山帶是板塊的前緣，大洋中脊則是板塊的後緣。脊軸是軟流圈物質上涌,岩石圈板塊生長的地方,其熱流值很高，岩石圈極薄（厚僅數公里），水深較淺（平均在2500米左右）。隨著板塊向兩側擴張，熱流值與地溫梯度降低，岩石圈逐漸增厚，密度升高，洋底冷縮下沉。大洋邊緣的古老洋底岩石圈的厚度約100公里,水深可達6000米左右。洋底水深是洋底年齡的函式。新生的洋底岩石圈下沉最快，下沉作用隨時間呈指數衰減。這解釋了以下事實：大洋中脊斜坡在靠近脊頂處坡度較陡，遠離脊頂坡度逐漸減緩；快速擴張的洋脊邊坡較緩（如東太平洋海隆），慢速擴張的洋脊邊坡較陡（如大西洋中脊）。
若大陸與洋底組成同一板塊,這時陸-洋過渡帶構成穩定（或被動）大陸邊緣；若大洋板塊在洋緣俯衝潛入地幔，則形成活動(或主動)大陸邊緣。周緣廣泛發育被動大陸邊緣的大洋逐漸擴張展寬，周緣廣泛發育活動大陸邊緣的大洋則收縮關閉。在面積不變的地球上，一些大洋的張開必然伴隨著另一些大洋的關閉。因此，大洋的開合與大陸漂移都是板塊分離和匯聚的結果。大洋開合的發展過程，又稱威爾遜旋迴（見海洋起源與演化）。
板塊運動幾何學 全球所有板塊可能都在移動，板塊運動通常指一板塊相對於另一板塊的相對運動。鑒於板塊內部變形與板塊之間的大幅度水平運動相比，僅具有次要意義，故從全球角度考察板塊運動時，可以近似地將板塊當作剛體來處理。球面剛體板塊沿地球表面的運動，遵循球面幾何學中的歐勒定律，環繞某一通過地心的軸作鏇轉運動（圖3）。平行於鏇轉赤道的一系列同軸圓弧，標示出板塊鏇轉運動的方向，它們的垂線（大圓）相交於鏇轉極。正因為板塊的運動是一種鏇轉運動，板塊上不同地點的運動線速度隨遠離鏇轉極而增大，至鏇轉赤道線速度最大。板塊的鏇轉運動由鏇轉極的位置和鏇轉角速度確定。轉換斷層的走向平行於鄰接板塊之間相對運動的方向。採用求轉換斷層垂線交點的方法，不難得出以轉換斷層為界的各對板塊之間相對運動的鏇轉極。據線速度的遞變也可以得出鏇轉極的位置。已知板塊任何一點的線速度，同時求出該點相對於鏇轉極的緯度，便可以換算出鏇轉角速度。 三個板塊或三條板塊邊界相匯合的點或一個小區域，稱三聯接合點（簡稱三聯點）。任何一對板塊間的邊界總是以三聯點作為端點。圍繞三聯點的三對板塊之間相對運動的向量之和等於零。根據已知的兩對板塊的相對運動向量，就可以確定第三對板塊之間的相對運動向量。兩個背離板塊之間的擴張運動向量一般是已知的，利用一系列三聯點，已經求出了全球所有主要板塊之間的相對運動向量，包括匯聚型邊界處的相對運動向量。板塊運動的速率多為每年數厘米。
地幔柱與熱點 在板塊運動的研究中，地幔柱或熱點可作為重要的參考系統。地幔柱是發源於軟流圈之下的地幔深部並涌升至岩石圈底部的圓柱形上升流。熱點的含義與地幔柱相近，也可將熱點視為地幔柱的地表反映。地幔柱導致地表穹形隆起，重力和熱流值增高。一般認為熱點-地幔柱的位置大體固定。 當岩石圈板塊跨越於熱點之上,板塊仿佛被“燒穿”了,地幔物質噴出地表,形成火山。先形成的火山隨板塊運動移出熱點,逐漸熄滅成為死火山；在熱點處又會噴發形成新的火山。這樣不斷地“推陳出新”，便發育成由新到老的一列火山鏈(圖4)。皇帝-夏威夷海嶺就是近8000萬年來太平洋板塊越過夏威夷熱點的產物，火山年齡向西北方向變老。這些火山鏈標示出板塊漂移過熱點的軌跡，記錄下板塊的運動方向。北北西向皇帝海嶺與北西西向夏威夷海嶺之間走向的轉折，顯示距今約4000萬年前太平洋板塊的運動方向從北北西轉變為北西西向。熱點還可能成為分析板塊絕對運動的參照系統，但熱點位置不動這點還有待證實。 驅動機制 引起板塊運動的機制是當前尚未解決的難題，許多學者提出不同的看法，主要有：①主動驅動機制,認為下插板塊因溫度較低和相變導緻密度增大,可以把整個板塊拉向俯衝帶；或構想上侵於大洋中脊軸部的地幔物質能把兩側板塊推出去；板塊還可以沿中脊側翼傾斜的軟流圈頂面順坡滑移。在這些機制中，板塊與下伏軟流圈相互脫離，板塊的移動是主動的，而不是由軟流圈地幔流所帶動；板塊的持續運動導致地幔中產生反方向的補償回流（圖5）。主動驅動機制的弱點是，岩石圈必須先通過別種機制破裂成板塊，它難以解釋聯合古陸的破裂，也難以解釋大洋中脊和俯衝帶開始是如何形成的。②不少學者主張板塊由地幔對流所驅動，可稱被動驅動機制。但是，還缺乏地幔對流的直接證據，也不了解對流的確切性質、涉及範圍和具體形式（見地幔對流說）。
意義與問題 板塊構造說以極其簡潔的形式（最基本的就是板塊的生長、漂移、俯衝和碰撞），深刻地解釋了地震和火山分布,地磁和地熱現象,岩漿與造山作用；它闡明了全球性大洋中脊和裂谷系、環太平洋和地中海構造帶的形成，也闡明了大陸漂移、洋殼起源、洋殼年青性、洋盆的生成和演化等重大問題。地球科學第一次對全球地質作用有了一個比較完善的總的理解。板塊構造研究所闡明的地質構造背景和岩石圈活動規律，對於尋找金屬礦、石油等礦產資源，以及預測地震、火山等地質災害，有一定指導意義。
板塊構造說還存在一些有待解決的難題。除驅動機制這一最大難題外，現有的板塊構造模式不能有效地解釋板塊內部的地震、火山和構造活動，包括水平變形、隆起和陷落。有些學者試圖將板塊構造模式遠溯至古生代以至前寒武紀,將大陸邊緣和大洋與地槽相類比,進而運用大洋開合的發展旋迴解釋地槽造山帶的演化，追索消逝于山脈中的古海洋。但有關古板塊的研究，仍有一些分歧意見。板塊構造模式尚不能圓滿地解釋大陸岩石圈的成因和演化。需要進一步研究的課題還可舉出：板塊的生長、漂移和俯衝是連續的還是冪次性的；板塊俯衝如何開始;俯衝過程中沉積物的結局;邊緣盆地的形成機制等。目前，板塊構造說仍在不斷修正和發展中。
參考書目
P.J.懷利著,張崇壽等譯：《地球是怎樣活動的》,地質出版社，北京，1980。(P.J.Wyllie，The Way the Earth Works，John Wiley ＆ Sons，New York,1976.)
K. C. Condie, Plate Tectonics and CrustalEvolution，2nd ed.,Pergamon Press，New York,1982.
