板塊構造理論

板塊構造理論

地球自從形成以來在地表和內部進行著永不停息的運動變化,地球表面形態特征正是地球的內外力綜合作用的結果,其中內力是形成地球表面差異的重要原因。探討地殼運動的產生原因,需要用大地構造理論加以解釋。

  • 中文名稱
    板塊構造理論
  • 外文名稱
    plate tectonics
  • 提出時間
    20世紀60年代
  • 性    質
    全球構造學說

內容簡介

板塊構造說的理論是在大陸漂移學說、海底擴張學說的基礎上發展起來的。

地球版塊地球版塊

大陸漂移學說

1912年,德國氣象學家A.魏格納(1880—1930)在總結前人有關大陸漂移概念的基礎上,提出一種大地構造假說——大陸漂移說,引起全世界科學界的重視。

魏格納認為:在3億年前的古生代後期,地球上所有的大陸和島嶼是連在一起的,構成一個龐大的聯合古陸,稱為泛大陸(Pangea);周圍的海洋稱為泛大洋(Panthalassa)。從中生代開始,這個泛大陸逐漸分裂、漂移,一直漂移到現在的位置。大西洋、印度洋、北冰洋是在大陸漂移過程中出現的,太平洋是泛大洋的殘餘。

漂移說認為:較輕的花崗岩質(sial)大陸是在較重的玄武岩質(sima)海底上漂移的,並列舉了許多事實來證明這種漂移。如大洋兩岸特別是大西洋兩岸的輪廓,凹凸相合,隻要把南北美洲大陸向東移動,就可以和歐非大陸拼在一起,幾乎嚴絲合縫。又如在為大洋所分割的大陸上,地層、構造、岩相、古生物群、古氣候等也都具有相似性和連續性。以古構造而論,如非洲的開普山和南美的布宜諾斯艾利斯山可以連線起來,被看作是同一地質構造的延續。以古氣候而論,如在南美洲、非洲、印度、澳大利亞洲都發現有石炭二疊紀的冰川堆積物,說明它們當初是連在一起的,並正好處于極地位置,是以後經過分裂、漂移才形成目前這種分布的情勢。諸如此類,例證很多。

漂移說還認為:大陸漂移有兩個明顯的方向性:一是從兩極向赤道的離極運動,是由地球自轉所產生的離心力引起的。東西向的阿爾卑斯山脈喜馬拉雅山脈等,就是大陸殼受到從兩極向赤道的擠壓的結果。一是從東向西的運動,是日月對地球的引力所產生的潮汐(摩擦力)作用引起的。美洲西岸的經向山脈如科迪勒拉山脈和安第斯山脈,就是美洲大陸向西漂移受到矽鎂層阻擋,被擠壓褶皺形成的;亞洲大陸東緣的島弧群、小島,是陸地向西漂移時留下來的殘塊。

這個學說,在當時有兩點引起人們的興趣。一是地球自轉所產生的水準運動對地殼構造形成的主導作用;二是大陸和大洋的位置並不是固定不變的。如李四光在當時也受到此說的影響。但是,大陸漂移的驅動力問題沒有得到解決,有人懷疑地球自轉離心力和日月潮汐摩擦力是否足以使大陸矽鋁層在洋底矽鎂層上漂移;此外還有一些問題不能得到很好的解釋,如果是硬的矽鋁層在較軟的矽鎂層上發生漂移,為什麽矽鋁層的前緣褶皺成山而矽鎂層的邊緣反倒沒有褶皺而隻拗陷為海溝?如果大陸漂移是在中生代開始的,那麽古生代以前的褶皺山脈是怎樣形成的?由于許多問題得不到答案,特別是受到固定論者的堅決反對,到了30年代,此一學說便逐漸消沉下去了。

海底擴張學說

若幹世紀以來,地質工作都是局限于大陸上。第二次世界大戰後,由于科學技術的發展,特別是因為蘇美等國家爭奪戰略要地和海底資源,各種科學伸入到這片佔地球總面積71%的“禁區”,展開了多方面的海洋調查工作,並獲得了大量海洋科學的資料。例如,發現或進一步弄清了大洋中脊形態、海底地熱流分布異常、海底地磁條帶異常、海底地震帶及震源分布、島弧及與其伴生的深海溝、海底年齡及其對稱分布、地幔上部的軟流圈等等。在這些新資料的基礎上,產生了一個嶄新的學說——海底擴張說。

(一)地球表面最長的山脈——大洋中脊:大洋中脊,或稱洋脊,指海底縱橫綿延的山脈,總長度可達65000km,是地球上最長的山脈。其中最典型的為大西洋中脊,它與兩側大陸平行延伸,略呈S形;高出洋底2000—3000m,洋脊中央常為一深陷裂谷,兩側有一系列階梯狀斷層,形成地塹構造。有些海底山脈並不在大洋的中間,一般稱為海嶺,如沿東經90°的東印度海嶺,北冰洋上的羅蒙諾索夫海嶺等。又如太平洋東部的海嶺,沒有明顯的中央裂谷,也不甚崎嶇,稱為太平洋中隆。根據實地勘測,發現洋脊具有如下地球物理方面的特點:第一,洋脊為高地熱流異常區。中央裂谷附近的熱流值常是深海盆正常值的2—3倍。第二,重力測量結果,中央裂谷一帶常表現為重力負異常區。第三,地震波的研究表明,在洋脊下方的地幔中,波速小于正常值,同時莫霍面不清,地殼有明顯變薄的趨勢。以上各項地球物理測量說明洋脊下面是軟流圈物質上涌的部位,溫度較高,密度變小,有部分物質熔融變為岩漿(反映重力值降低,波速降低),洋脊是地熱的排泄口(反映熱流值較高)。

此外,深潛及海底打撈資料證明,在洋脊大部分地段基岩裸露,主要為玄武岩,沒有或隻有極薄的深海沉積物,在較深部位的岩石由于地溫較高,有不同程度的變質現象。

綜上所述,洋脊位于溫度較高的地幔軟流圈上隆的地段,是岩石圈的巨型張裂谷,是岩漿的涌出口和地熱排泄口,也是區域變質發生的地帶。

(二)大洋中脊兩側的地質特征:在洋脊兩側人們發現有許多地質現象,特別是地球物理現象表現出一定程度的對稱性的特點,引起一些學者的重視和思考。

1.地質現象的對稱性從大洋中脊向兩側,基岩風化程度有由淺逐漸變深的趨勢;同時海底沉積層有由薄變厚的趨勢,形成以大洋中脊為中心、兩側地質現象對稱的鮮明特點。這種特點應該同大洋中脊及洋殼的形成過程密切相關。

2.海底磁條帶的對稱排列地球磁場的兩極能使指南針的兩端指向南北,這是盡人皆知的事。但是地球發展過程中磁場的極性特征,可以儲存于不同時代的岩石中,則是近年才被揭示出來的。事實證明,從地下溢出的高溫熔岩,當其溫度下降到居裏點(500—450℃)以下,其中礦物內部原子振動量減小,特別是像磁鐵礦一類的礦物,其內部原子開始受到地球磁場的控製,按照磁力線的方向發生磁化,使每一塊小礦物變成一個極性與地球磁場相平行的小磁石。在外界磁場作用下物質獲得磁性,當外界磁場去掉或改變後,又永遠保持原來的磁性,這稱為剩餘磁性。像熔岩在由熱變冷的過程中即可獲得剩餘磁性,這稱為熱剩餘磁性。大部分火成岩具有這種磁性,部分沉積岩也可獲得剩餘磁性。專門研究岩石中剩餘磁性的科學,稱為古地磁學。用精密儀器可以測定岩石剩餘磁性的方向和大小,並可據以確定古地磁極的位置及強度、追溯地球磁場變化的歷史和確定岩石的年代。

從1956年起,科學工作者開始測量海底岩石的磁化強度,並把正、負磁性異常圈定在圖上進行研究。從60年代起,就陸續有人發現,在橫穿洋脊方向所測得的磁力異常曲線相似,每一側的正負異常都在另一側同樣的位置出現;同時發現在過去億萬年地球發展過程中,地球磁場南北極曾多次反向,現在的磁場叫正向,與現在磁場方向相反的叫逆向。把所有橫剖面上所測得的正負異常連線起來,即可看出在洋脊兩側具有一系列與之平行的磁異常條帶,正向和逆向交替出現,以洋脊為中心對稱排列。每一條磁條頻寬度不超過數十千米,而長度卻可達幾千千米以上。

3.洋底年齡的特征前面提到海底沉積物有從洋脊向兩側由薄逐漸變厚的特點。除此,經過洋底採樣及年齡測定證明,海底沉積物還具有兩個特點:一是最老的沉積物年齡不早于侏羅紀,即不早于2億年,遠比大陸上最古老的岩石(38億年)年輕。二是海底沉積物年齡從洋脊到兩側由新到老對稱分布。結合前述,所有這些現象究竟如何解釋呢?

(三)切穿岩石圈的巨型斷裂——海溝:在環太平洋地帶,有一圈下陷很深的負地形海溝,最深超過負一萬米。

據近年海底深潛觀察和重力、地熱流等測量,發現海溝具有如下特征:

1.海溝是切穿岩石圈的深大斷裂根據近年在中美洲海溝的深潛觀察,發現海溝軸線附近,在靠近大洋一側為一系列平行台階,每個台階高10—30m,寬150—200m,是一些斷距不大的正斷層所組成的階梯狀斷層;在靠近大陸一側,為陡峻谷壁,其上有許多近垂直的V形斷層溝槽和階步(滑階);而在軸線附近為一寬約30m的破碎帶,上有大量角礫碎塊,直徑可達1—3m。由此看來,海溝帶實際上是一條斷層帶,又根據重力測量資料,多數學者認為是切穿岩石圈並切入上地幔的深大斷裂。從斷層性質來看,大陸殼推覆在大洋殼之上,屬于逆斷層性質;大洋殼向下斜插于大陸之下,因下插彎曲而伴生一系列張斷裂或階梯狀正斷層。總之,大洋中脊是將岩石圈拉開,而海溝帶則是使岩石圈受到壓縮。

2.海溝是陸殼和洋殼交叉重疊的復雜地帶根據重力測量和地震資料,證明在這裏大洋殼以較大的角度(45°±15°)向大陸殼下俯沖插入①,換言之,大陸殼向著大洋殼之上仰沖。最初H.貝尼奧夫通過地震在這個帶上作了較詳細的研究,發現向大陸方向震源由淺變深構成一個傾斜帶,後來證明這個傾斜帶就是大洋殼的俯沖帶,所以這一個帶又稱為貝尼奧夫帶。它實際上構成了環太平洋地震帶,而全世界的中、深源地震也主要發生在這裏。

3.海溝是不對稱的地熱流異常區海溝帶和洋脊一樣,都是地熱流異常區,但海溝帶顯示了地熱流值一低一高平行排列的特點。在海溝附近,顯示一種地熱流值較低(0.99—1.16HFU)的特征,一般沒有現代火山活動;而在海溝向陸一側150—200km左右,則往往是一系列火山帶,在地貌上則顯示一系列島弧帶,熱流值顯著升高,可達2.0HFU左右。在島弧的靠大陸一側,往往形成邊緣海(或稱弧後盆地),高地熱流異常區也常擴大到這一地區。

海溝為什麽具有上述基本特點,同樣為人們的思考提供了更多的根據。

海底擴張說

上述這些奇怪現象的發現,引起科學工作者的極大興趣和註意。人們不得不提出一系列希望得到解決的問題。例如,洋脊是岩石圈的張裂帶和地下岩漿涌出口,如果這種作用繼續進行,岩石圈是不是會拉開?越來越多的岩漿流到哪裏去海溝(或貝尼奧夫帶)是岩石圈的擠壓帶,如果這種作用繼續下去,岩石圈將會縮短到什麽程度?深海沉積物既薄而又年輕,如果深海沉積速度以每100年1mm計,從太古代至今,應該有30km以上的厚度,但實際上隻有幾十、幾百米的厚度,這是因為什麽?凡此種種,如果按照傳統的地質學理論是無法加以解釋的。因此,一個新的課題擺在人們面前,那就是大洋殼究竟是如何形成和演化的。1960—1962年,赫斯(H.H.Hess)和迪茨(R.S.Deitz)首先提出一種理論,叫海底擴張說。

海底擴張說認為:密度較小的大洋殼浮在密度較大的地幔軟流圈之上;由于地幔溫度的不均一性,導致地幔物質密度的不均一性,從而在地幔或軟流圈中引起物質的對流,形成若幹環流;在兩個向上環流的地方,使大洋殼受到拉張作用,形成大洋中脊,中脊被拉開形成兩排脊峰和中間谷,來自地幔的岩漿不斷從洋脊涌出,冷凝後形成新的洋殼,所以大洋中脊又叫生長脊,溫度和熱流值都較高;新洋殼不斷生長,隨著地幔環流不斷向兩側推開,也就是如傳送帶一樣不斷向兩側擴張,因此就產生了地磁異常條帶在大洋中脊兩旁有規律的排列以及洋殼年齡離洋脊越遠越老的現象;大洋中脊兩側向外擴張速度(半速度)大約為每年1—2cm,有的可達3—8cm;在向下環流的地方,或在不斷擴張的大洋殼與大陸殼相遇的地方,由于前者密度較大,位置較低,便向大陸殼下俯沖,形成海溝或貝尼奧夫帶;向大陸殼下面傾斜插入的大洋殼,由于遠離中脊,溫度已經變冷,同時海底沉積物中的水分也被帶入深部,形成海溝低熱流值帶;另一方面,由于深部地熱作用,再加上強大的摩擦,在大約深150—200km處,導致大洋殼局部或全部熔融,形成岩漿,岩漿及揮發成分的強大內壓促使其向上侵入,並攜帶大量熱能上升,因此在海溝向陸一側一定距離處形成高熱流值;同時,來自地幔的、以及混雜了重熔陸殼的岩漿噴出地表形成火山和島弧;這些火山噴出的岩漿,由于混入了矽鋁層(沉積物,大陸殼重熔物質)的成分,因此經常是屬于中性的安山岩質(在環太平洋區安山岩出露的界線,稱為安山岩線)。大洋殼俯沖帶,由于其下部逐漸熔化、混合而消亡,所以貝尼奧夫帶又稱為大洋殼消亡帶。

海底擴張說對于許多海底地形、地質和地球物理的特征,都能作出很好的解釋。特別是它提出一種嶄新的思想,即大洋殼不是固定的和永恆不變的,而是經歷著“新陳代謝”的過程。地表總面積基本上是一個常數,既然有一部分洋殼不斷新生和擴張,那就必然有一部分洋殼逐漸消亡。這一過程大約需2億年。這就是在洋底未發現年齡比這更老的岩石的緣故。

大陸漂移說的復活

從60年代起,由于海洋科學和地球物理學等迅速發展,獲得大量的有利于大陸漂移的論據,使大陸漂移的學說得到復活。例如,當初魏格納從地圖上論證了大陸邊界的拼合現象,1965年E.C.布拉德重新研究了這一問題。他認為大陸的邊界不應當以海岸線為準,而應當以大陸殼的邊界即大陸坡的坡腳為準,並應考慮消除在大陸分裂後陸殼的增建(例如非洲尼日三角洲沉積增建數百千米,第三紀和近代火山噴發熔岩形成冰島及其它火山島等)和改造(如外力侵蝕海岸後退等)部分,然後利用電子電腦以數學方法進行拼接,終于取得令人滿意的結果同時,大陸拼接以後,在岩石、構造、地層、古生物等方面也應該對應連線在一起,這如同把一張報紙撕成碎片,不僅可以按碎片形狀拼合復原,而且復原後其上面的文字也應該是連貫的,在這方面也取得令人信服的結果。又如,近年做出的磁極遷移曲線,也證明大陸漂移是確實存在的。把已經測出的不同時代磁極遷移軌跡在圖上用曲線表示出來,稱為極移曲線。若歐美大陸是固定的,隻能得出一條極移曲線,而今得出兩條,因此隻有構想歐美大陸原來是合在一起,後來逐漸分離,直到形成現在的位置,才能解釋這種現象。

板塊構造學說的誕生

1967年,美國普林斯頓大學的摩根(J.Morgan)、英國劍橋大學的麥肯齊(D.P.Mekenzie)、法國的勒皮順(X.LePichon)等人,把海底擴張說的基本原理擴大到整個岩石圈,並總結提高為對岩石圈的運動和演化的整體規律的認識,這種學說被命名為板塊構造學說,或新的全球構造理論。到1973年,這個學說基本成型,直到現在仍在繼續發展。(一)板塊構造的基本思想板塊構造學說認為:地球表層的硬殼——岩石圈(或稱構造圈),相對于軟流圈來說是剛性的,其下面是粘滯性很低的軟流圈。岩石圈並非是整體一塊,它具有側向的不均一性,被許多活動帶如大洋中脊、海溝、轉換斷層、地縫合線、大陸裂谷等分割成大大小小的塊體,這些塊體就是所說的板塊。換言之,整個岩石圈可以理解為由若幹剛性板塊拼合起來的圈層,板塊內部是穩定的,而板塊的邊緣和接縫地帶則是地球表面的活動帶,有強烈的構造運動、沉積作用、深成作用、岩漿活動、火山活動、變質作用、地震活動,又是極有利的成礦地帶。其次,岩石圈板塊是活動的,是圍繞著一個旋轉擴張軸在活動的,並且以水準運動佔主導地位,可以發生幾千千米的大規模的水準位移;在漂移過程中,板塊或拉張裂開,或碰撞壓縮焊結,或平移相錯。這些不同的相互運動方式和相應產生的各種活動帶,控製著全球岩石圈運動和演化的基本格局。

總之,板塊構造說是海底擴張說的發展和延伸,而從海底擴張到板塊構造,又促進了大陸漂移的復活。因此,人們稱大陸漂移、海底擴張和板塊構造為不可分割的“三部曲”。

岩石圈板塊的劃

分1968年勒皮順根據各方面的資料,首先將全球岩石圈劃分成六大板塊,即太平洋板塊、歐亞板塊、印度洋板塊、非洲板塊、美洲板塊和南極洲板塊。除太平洋板塊幾乎完全是海洋外,其餘五大板塊既包括大塊陸地,又包括大片海洋。隨著研究工作的進展,又有人進一步在大板塊中劃分出許多小板塊。如美洲板塊分為北美和南美板塊,印度洋板塊分為印度和澳大利亞板塊,東太平洋單獨劃分為一個板塊,歐亞板塊中分出東南亞板塊以及菲律賓、阿拉伯、土耳其、愛琴等小板塊。

這些板塊都是活動的,如太平洋板塊,從太平洋東部中隆生長脊新生長出來的大洋殼,平均每年以5cm的速度向西移動,兩億年內可移動10000km。從東太平洋中隆至馬裏亞納海溝的消亡帶正好為約10000km,而馬裏亞納及其附近海底岩石年齡也正好為1.5—2億年。這雄辯地說明太平洋底大約每兩億年更新一次。

板塊的邊界及其類型

作為岩石圈活動帶的板塊邊界,可以歸納為三種類型:

1.拉張型邊界又稱分離型邊界,主要以大洋中脊(或中隆、海嶺)為代表。它是岩石圈板塊的生長場所,也是海底擴張的中心地帶。其主要特征是岩石圈張裂,基性、超基性岩漿涌出,並伴隨有高熱流值及淺震。如大西洋中脊、東太平洋中隆等都屬于此種類型。在洋脊兩側或分布有直線排列的火山或平頂山,它們的年齡與離開洋脊的距離成正比。原先在洋脊形成的火山錐,被海浪侵蝕作用把頂截去,形成平頂山,並逐漸向兩側推移,頂部海水深度也隨離洋脊的距離而加大,有時上面被數千米厚的珊瑚礁所覆蓋。在西太平洋和南太平洋分布著許多平頂山。

大陸裂谷也屬于拉張性邊界。絕大多數裂谷為復式地塹構造,中間下陷最深,兩側為一系裂階梯狀斷層,主要為高角度正斷層。典型的裂谷位于隆起帶的頂部,如東非大裂谷、貝加爾裂谷等,垂直斷距可達數千米。在裂谷中火山活動比較頻繁,淺源地震比較活躍。其明顯的高地熱流異常,可以達2HFU以上。有一部分大陸裂谷被認為是胚胎時期的洋脊,可發展形成新的海洋。

2.擠壓型邊界又稱匯聚型邊界或消亡帶,也稱為貝尼奧夫帶。主要以島弧-海溝為代表。在西太平洋這種型式最為典型,如日本島弧-海溝、千島島弧-海溝、湯加島弧-海溝等。這裏是兩個板塊相向移動、擠壓、對沖的地帶。如圖9-24所示,板塊匯聚向下俯沖的彎曲部分的表層處于拉伸狀態,形成一系列正斷層,所以在海溝附近是淺震很多的地方。板塊繼續向下俯沖,另一側板塊向上仰沖,正斷層到深處轉變為逆斷層,板塊間受到強烈的擠壓、摩擦,積累了大量應變能,這種能量常以地震形式突然釋放出來。由于俯沖帶一般向大陸方向傾斜,因此由海到陸形成從淺震到深震有規律的分布。當板塊俯沖到深處完全被地幔熔融,不再發生摩擦作用,因此也就不會再有地震發生。目前已知最大震源深度為720km,據此認為這是板塊俯沖的最大深度,在此深度以下,板塊已經全部熔化、消亡。

大洋岩石圈板塊沿著消亡帶俯沖到大約150—200km深度,由于板塊摩擦所產生的熱和隨深度而增加的熱,使洋殼局部熔融形成岩漿,高溫熔融物質密度相應減低,再加上強大的揮發成分所產生的內壓力,促使岩漿在不同深度上升,形成火山,火山相連形成島弧。若消亡帶的傾角為45°左右,則火山島弧帶距離海溝應為150—200km,並在島弧與海溝之間形成50—100km寬的無火山帶。

除此,也有另外一種型式,如在南美,一側為海溝,一側為安第斯山,叫做山弧-海溝型。

如果是兩個大陸板塊匯合相撞,則出現又一種型式,一側是高山,一側是地縫合線,叫做山弧-地縫合線型。阿爾卑斯-喜馬拉雅褶皺帶,特別是它的東段喜馬拉雅山脈北面的雅魯藏布江一帶,是典型的代表。兩個大陸板塊相向移動,它們的前緣因碰撞而強烈變形,形成褶皺山脈,使原來分離的兩個板塊愈合起來,其出露地表的接觸線,就稱為地縫合線。這種邊界的特點之一是從地形上看,以沒有海溝為標志,而是表現為高峻的山脈。這種邊界的兩側,都是又厚又輕的陸殼,有人認為二者相遇,隻能在碰撞帶壓縮增厚;也有的認為同樣有俯沖和仰沖現象;或者兩種情況兼而有之。以喜馬拉雅山為例,大家普遍認為是印巴次大陸板塊和歐亞板塊互相碰撞的結果,但由于這一帶山脈都有比較發育的中、新生代海相地層,據此斷定在碰撞成山之前,在二個板塊之間存在一片海洋,這就是古地中海(又稱特提斯海)。由于這種情況,有人認為地縫合線是海溝發展末期的產物,即洋殼全部俯沖消亡,海洋封閉消失,跟在後面的陸殼繼續移動,于是出現陸殼與陸殼相撞的現象。對于地縫合線的位置也有不同看法,有人認為喜馬拉雅山就是地縫合線,但目前大多數人認為應該在山脈北側的雅魯藏布江一帶或者更北的地方。

3.剪下型邊界又稱平錯型邊界,這種邊界是岩石圈既不生長,也不消亡,隻有剪下錯動的邊界,轉換斷層就屬于這種性質的邊界。

轉換斷層是威爾遜(J.T.Wilson)于1965年提出的一種新型斷層,它構成了板塊構造模式中最重要的特點之一。大洋中脊常為垂直于它的橫斷層所錯開,並常切成許多段。從表面看,這些斷層非常像平推斷層,但經過地震發震機製等研究,它又和平推斷層有許多差異。其主要區別是:

(1)大洋中脊被平推斷層錯開(比方是左旋),由于在錯開後洋脊持續擴張,使斷層的運動方向跟洋脊錯開的方向變得相反(比方改為右旋),而一越過洋脊,兩盤位移或錯動的方向即改為同向或同步。

(2)斷層持續發展,兩盤位移增加,但被錯開的洋脊之間的距離一般並不增加;如為平推斷層,則隨著斷距的增加,洋脊錯開的距離也增加。

(3)轉換斷層隻有在洋脊之間的地段才有淺震分布;若為平推斷層,則在斷層線上都有淺震分布。

正是由于海底擴張,導致斷層的運動方向和特點發生了改變,所以稱為轉換斷層。

轉換斷層的推斷和證實,在地球物理學界,曾經在海底磁條帶被發現之後,再一次引起震動,並為海底擴張說增加了新的根據,從而使現代活動論在地學領域居于主流地位。

轉換斷層在海底常形成一些深溝,水準斷距可達數百千米。著名的美國西部聖安德列斯斷層為一右旋斷層,其西盤向北移動達1100km,是有名的地震帶。從前被認為是一條平推斷層,威爾遜和瓦因根據地磁資料,證實它是一條錯開太平洋中隆的轉換斷層。

板塊運動與海洋演化

按照板塊構造理論,不僅在海洋中有洋殼分裂、地幔物質涌出、新洋殼的生長,而且在大陸上也有同樣的現象,前面談到的大陸裂谷就是這樣的地帶。東非大裂谷正處于陸殼開始張裂,即大洋發展的胚胎期。若裂谷繼續發展,海水侵入其間,好像紅海和亞丁灣一樣,被認為是大洋發展的幼年期。如果再繼續擴張,基性岩漿不斷侵入和噴出,新洋殼把老洋殼向兩側推移,擴張速率以每年5cm計,大約經過1億年,就會形成一個新的“大西洋”,板塊說認為大西洋就是正處于大洋發展的成年期;而太平洋的年齡比大西洋要老,它正處于大洋發展的衰退期;地中海是寬闊的古地中海經過長期發展演化的殘留部分,代表大洋發展的終了期;印巴次大陸長期北移,最後和歐亞板塊相撞,二者熔合一起,形成巍峨的喜馬拉雅山脈以及地縫合線的形跡,地縫合線代表大洋發展的遺痕。據上所述,海洋從開始形成到封閉,可以歸納為下列過程:大陸裂谷→紅海型海洋→大西洋型海洋→太平洋型海洋→地中海型海洋→地縫合線。這一過程被稱為大洋發展旋回或威爾遜旋回。

地質現象

1.現代地槽根據傳統概念,一個地槽由于長期下沉,接受巨厚的沉積;後來經過回返,沉積岩層受擠壓褶皺,形成褶皺帶,如果是年輕的褶皺帶,則在地貌上表現為高聳的山系。

板塊構造學說認為,地槽可以發生在板塊的不同部位,或海陸的不同部位,其所處部位不同,地槽類型和性質也不同。如在美洲東部大陸邊緣沉積了相當厚的地層,因其所處部位一邊是美洲大陸,一邊是大西洋,同屬于一個板塊,海陸之間沒有俯沖帶,也沒有火山和地震帶,屬于冒地槽性質,稱之為大西洋型地槽。又如在南美洲西部大陸邊緣,一邊是縱貫南北的安第斯山,一邊是深的海溝,位于兩個板塊的擠壓帶上,多火山和地震,沉積物中多火山碎屑物,在大陸斜坡及海溝中常形成濁流沉積,沉積物因受板塊俯沖影響,常發生變形,屬于優地槽性質,稱之為安第斯山型地槽。再如在太平洋西部島弧地帶,其大陸架一般不寬,沉積物中多為陸源碎屑,夾火山碎屑及熔岩,間有侵入岩,在遠海地帶形成碳酸鹽岩,這類地槽稱為島弧型地槽。此外還有日本海型地槽、地中海型地槽等。地槽類型可以在一定條件下轉化,如日本海型地槽指發育在大陸與島弧之間的海盆中的地槽,其中常形成三角洲沉積、淺海沉積、濁流沉積等,如果板塊移動變慢,沉積速度變快,海盆便可被沉積物填滿,甚至覆蓋住島弧,這樣沉積作用便可向海洋方向擴展推進,使地槽轉化為大西洋型地槽。

2.造山作用兩個板塊相撞,會產生很大的擠壓力,使一個板塊對另一個板塊向下俯沖或向上仰沖,從而使地槽沉積褶皺和發生斷裂,並形成山脈。如歐洲的阿爾卑斯山是推覆構造的典型代表,自南向北,前後四次形成大推覆體。這是非洲板塊和歐亞板塊互相碰撞的結果(地縫合線區)。前已述及,世界最高的喜馬拉雅山脈也是板塊碰撞的結果。

3.濁流沉積和混雜堆積在地槽區常形成一些特殊的沉積建造,如復理石建造。地槽說認為它屬于地槽型淺海陸屑建造,是在升降運動相持階段即在振蕩運動情況下形成的巨厚的韻律性明顯的建造;而板塊說則認為它是板塊俯沖帶的一種典型建造。在板塊俯沖帶形成深海溝,並在大陸斜坡上因震動、滑動、重力等原因,形成富含懸浮質點及泥砂的高密度水流,在深海盆邊緣及近海溝形成濁流沉積,其代表岩石就是復理石沉積。

在大陸的地縫合線地帶,還常發現一種特殊的岩石,即在某些地層中含有很多大大小小的外來岩塊(岩塊最大可達數千米),其成分不同(包括沉積岩、火成岩、變質岩)、時代不同、原始產地也不同,混雜堆積在一起,這種堆積體稱為混雜岩或混雜堆積。板塊說認為,板塊相向移動,彼此前緣相碰,一方面俯沖板塊上邊的沉積物被刮下來,堆積在接觸線附近;一方面仰沖板塊上也有破碎的岩塊滑落下來,形成雜亂無章的堆積物。也有人認為板塊向下俯沖時,由于受到對方的阻力,致使下部地層翻轉過來,從而形成在較新地層中混雜有許多外來老地層的岩塊。混雜岩或混雜堆積是確定大陸上地縫合線的重要標志之一。我國近年在西藏、秦嶺、川西等地區都發現有混雜岩,說明這些地區曾是不同時代的地縫合線。

4.蛇綠岩套在地縫合線地帶,常出現一套特有的岩石,稱為蛇綠岩套,也叫奧菲裏建造。人們很早就發現在一些劇烈的褶皺帶,沿著深大斷裂常分布有超基性岩帶。一般都認為它是順著切穿岩石圈的深斷裂從地幔涌上來的岩漿物質所形成的岩石,但是,這些岩體的圍岩一般沒有接觸帶那樣應具有的接觸變質現象。本世紀60年代對它進行深入的研究表明,這種岩體的成分相當復雜,並且具有一定的層序,自下而上往往是超基性岩、基性深成岩(輝長岩)、枕狀基性熔岩(玄武岩)、深海沉積岩(含放射蟲矽質岩或大理岩等),同時其中超基性和基性岩多已變為含綠泥石、蛇紋石等綠色岩石,故名之為蛇綠岩套。通過近年的深海鑽探,人們發現大陸殼上的蛇綠岩套和大洋殼的岩石剖面非常相似,所以認為蛇綠岩套是板塊碰撞帶被推擠上來的古海底(即大洋殼),並作為地縫合線的另一種重要標志。例如,在西藏沿雅魯藏布江谷地出露超基性岩帶,東西延伸達數百千米,人們認為它就是由蛇綠岩套所組成的蛇綠岩帶,而這個地帶就是古板塊的地縫合線。

5.雙變質帶又稱成對變質帶。板塊說認為,兩個板塊相撞,在俯沖一側的上面和仰沖一側的下面,或者說在海溝的靠陸一側,由于海溝熱流溫度較低,帶著冷岩石俯沖,再加上下沖的壓力很大,常常形成以藍閃石片岩為代表的藍片岩帶(其中雜有大量玄武岩和蛇紋質岩石),稱為高壓低溫變質帶。在仰沖板塊的一側(相當島弧或大陸邊緣的火山岩帶),其下俯沖帶因摩擦熔化消失,導致岩漿的形成、侵入或噴出,並常在侵入岩的接觸帶上形成低壓高溫變質帶,也就是常見的接觸變質帶。雙變質帶被認為是板塊聚合或板塊俯沖帶的典型標志。

6.火山活動如果把世界火山分布同全球板塊邊界作一對比,可以發現二者有基本一致的規律,火山主要分布在下述三個地帶:一是沿著大洋中脊分布,如冰島火山等。隨著洋殼不斷產生和擴散外移,活火山逐漸變為死火山,並密集成群對稱排列于洋脊兩側。二是沿著大陸裂谷分布,如東非大裂谷北段曾有多期岩漿噴發活動,形成衣索比亞熔岩高原;乞力馬扎羅火山(5895m)、肯亞火山(5199m)等都是世界著名的火山。三是沿著板塊俯沖帶分布,如環太平洋火山帶及古地中海火山帶,它們構成世界最主要的火山帶。前已述及,在環太平洋板塊俯沖帶,一側是海溝,一側是島弧火山帶,其分界線稱為安山岩線,它的內側為大洋型地殼,以少含K2O的拉斑玄武岩為主;它的外側(即靠近大陸一側),則過渡為大陸型地殼,以噴發大量安山岩(或侵入花崗閃長岩)、火山碎屑岩為主,或噴出含K2O較多的鹼性玄武岩,構成有名的環太平洋火山圈。日本的富士山,菲律賓的皮納圖博火山,印度尼西亞的喀拉喀托火山和義大利的維蘇威火山等都是這一帶的知名火山。

7.地震活動地震的分布規律和成因機製,大體可概括為以下幾點:(1)沿著大洋中脊、轉換斷層、俯沖帶(貝尼奧夫帶)、大陸裂谷、地縫合線分布。(2)世界上的中、深源地震,特別是深源地震,主要分布于俯沖帶傾向大陸的一側。(3)發生于大洋中脊、大陸裂谷的地震主要由拉張所產生;發生于轉換斷層帶的地震主要由扭錯所產生;發生于俯沖帶、地縫合線的地震主要由擠壓、逆掩所產生,但發生于海溝附近的地震有許多是因張裂形成。(4)板塊內部地震較少。

板塊的趨動力問題

是什麽力量趨動板塊進行運動?這是舉世重視的問題。很早有人構想在地殼或岩石圈下存在著熱對流現象,並且有多個對流中心,在對流上升的地方,導致板塊分裂,涌出地幔物質,冷卻固結形成新洋殼。在對流下降的地方,導致板塊俯沖,最後使板塊消亡。至于熱對流的形式,有人設計深對流模式(Orowan等,1969),即在地幔中發生對流;有人設計淺對流模式(Boll等,1971),即僅在軟流圈中發生對流。大陸漂移說曾認為大陸是在某些原因下主動漂流;而海底擴張和板塊說則認為,新洋殼馱在軟流圈上,隨著對流被動移動,從洋脊起像傳送帶一樣運載到海溝,俯沖入地幔並局部熔融,最終消失于軟流圈中,構成一個封閉的迴圈系統。從洋脊到海溝,板塊有數百到數千千米的水準運動。但是,由于技術條件的限製,既不能推導證實是否存在這種對流,也不能用實驗方法製造出來這種對流。有人認為軟流圈的面積很大,而厚度不大,即使能產生對流,也隻能產生半徑很小的對流,根本無法推動板塊數千千米的水準運動。也有人認為地幔是固體,熱隻能靠傳導來傳遞,就像對鐵加熱一樣,而不可能產生對流。還有一種看法,認為地幔物質粘度太大,難以發生對流。

70年代以來,關于板塊趨動力的問題,陸續提出一些新的論點。1972年,摩根(W.J.Morgan)根據衛星資料發現在全球重力圖上,重力高的地方往往是板塊生長和活火山分布的地方。為什麽這些地方重力值較高呢?他構想從近地核處,有深部物質上升形成上升流,他把這種上升流稱為地幔柱。據重力值推測,地幔柱的直徑可達幾百千米,它把深部密度較大的物質和熱量向上帶到軟流圈,在那裏像蘑菇雲一樣向四面八方橫向擴散,從而驅動板塊移動。地幔柱有時沖破岩石圈,向上拱起形成巨大的穹窿,並具有相當高的熱流值。地幔柱中熔融的岩漿噴出地表就形成火山。這些熱流值高的隆起點和火山,稱為熱點,或者說熱點就是地幔柱沖破岩石圈的地方。據統計,目前全球發現的熱點已達122處。熱點相連,可以形成大洋中脊。如冰島正好位于大西洋中脊的一個熱點上,那裏噴出的熔岩較多,就形成了一個較大的島。這些形成于中脊附近的活火山,隨著海底擴張向兩側移動,形成對稱分布的死火山鏈,且沿此鏈越遠,火山年齡越老。此等火山鏈被認為是地幔柱或熱點隨海底擴張留下的痕跡。

後來,有人企圖用重力作用代替對流來解釋板塊運動。1975年,哈珀(Harper)認為,板塊由洋脊向兩側滑動,是因板塊前緣冷卻、加重、下沉引起的。這種構想的根據是,發生于海溝的淺震,已證明是由正斷層所引起。這些正斷層有人用板塊彎曲外緣發生張裂來解釋。根據這一事實有人認為板塊所以俯沖,不是被一種力量推下去的,而是被一種力量拉下去的,其理由是:(1)冷卻的板塊密度增大;(2)下插的板塊因壓力增加,發生物相轉換,使礦物岩石密度增大;(3)洋脊高,海溝低,板塊會像滑坡一樣從洋脊向海溝滑動。總之,由于這些原因可以把板塊給拖下去。哈珀計算下沉的拖拉力比洋脊的推擠力大7倍。但所有這些構想的力,可能實際是存在的,但同樣不能得到直接證據和可靠的數理模擬。福賽斯(Forsyth)和上田誠也(1975)認為板塊運動是8種力綜合作用的結果,但他們認為板塊俯沖時,向下的拉力起了重要作用。

地體的概念

在板塊構造學說中,關于構造事件和造山作用的模式,隻有岩石圈板塊俯沖作用和板塊碰撞作用所形成的島弧、火山和褶皺山脈等。但近年人們發現了很多以斷層為邊界的地質實體,這些地質實體與其相鄰區域相比,顯示出具有不同的地質構造、沉積建造、生物化石群落、地質歷史等,但卻不具有俯沖或碰撞的痕跡,而隻顯示出是從遙遠距離遷移(或漂移)而來的與原地地質體拼貼或聯結在一起的特征,這種呈獨立于鄰區的外來體稱為地體,或稱構造地層地體。換言之,地體就是通過不同途徑拼貼或聯結在大陸邊緣或褶皺帶邊緣的外來的岩石圈碎塊或岩片。

地體的概念,是1972年在研究美國西部加裏福尼亞州克拉馬斯山中、晚古生代地層和中生代三疊-侏羅紀地層時發現它們拼貼在一起而提出來的。後來,在美國阿拉斯加和加拿大西部,發現古生代島弧岩石組合和中生代地層的拼合特征,建立了北美大陸地體拼貼帶中的第一個典型實例——蘭格利亞。地體概念的提出,對現代岩石圈板塊構造模式是一種補充,即除了俯沖和碰撞造山形式外,還有不俯沖不碰撞的地體拼貼這種模式。

但是,迄今對地體的含義還有不同的認識。D.瓊斯(1983)認為地體是為斷層所圍限、具有區域性延伸的地質統一體,以具有與其毗鄰地區不同的地質發展史為特征,地體的規模尺度可大至僅次于大陸,也可以小至僅有幾平方千米。D.豪威爾和郭令智等認為地體既是板塊的一部分,也是推覆體的一部分。地體可以是岩石圈板塊解裂開來的一些小片或地殼板片,板塊和地體的區別就在于前者是伸入地幔的“有根”塊體,而地體一經漂移拼貼在大陸邊緣上,則實際上已脫離了深部基礎。地體也可以是逆沖或滑脫所形成的巨大推覆體,成為具有一系列疊瓦構造的岩片。無論是哪種形式的地體,它們都是外來系統,和原地系統在岩石、構造、生物群、生態等方面有本質的區別,而且古地磁位置、同位素年齡等也有極大差異。地體拼貼形成增生構造,往往改變了原來的地殼或板塊平衡狀態,產生新的俯沖運動;或者使增生的地體再剪下成碎片而分散,形成離散地體。地體的增生和離散,都是在一定的地質時代和一定的地區發生的,同一定的構造事件或地殼運動密切相關。

我國許多地區都可以發現地體構造的實例。如浙江西北部和東南部,被一條NE-SW向大斷裂所分割,這兩部分呈現明顯的地質不連續現象,二者基底也迥然不同,其東南一塊被認為是拼貼上來的地體。又如天山褶皺帶,也發現有許多地體拼貼構造。再如海南島,根據白堊紀岩石樣品古地磁測定,當時是位于現今北部灣地區與華南大陸連在一起,在白堊紀晚期因地殼拉張作用,海南島向南漂移到當前位置。除此,台灣島也是從大陸分離出去的離散地體,于新生代初遷移到現今地點。

存在的問題

板塊構造學說是綜合許多學科的最新成果而建立起來的大地構造的學說,是當代地學的最重要的理論成就,並被認為是地球科學的一次革命。它從大量海洋調查實際材料出發,對大洋殼的新生和代謝過程作了詳盡的論證,獲得最近兩億年來地殼變化的理論模式,從一個側面豐富了地質學和地球物理學的理論。特別是它以地球整個岩石圈的活動方式為依據,建立世界範圍的構造運動模式,所以板塊構造學說又稱全球構造學說,這是其他以大陸範圍內的各種地質現象為依據而建立的各種大地構造學說所無法比擬的。

雖然如此,板塊構造學說畢竟是以海洋和大洋殼為基礎建立起的構造學說,大洋殼上的沉積物年齡隻有2億年,而大陸殼的岩石年齡可以高達30多億年,個別甚至超過40億年,岩漿活動、構造作用、變質作用也復雜得多,目前對板塊邊界和大陸邊緣等活動情況已了解很多,但是對板塊內部(簡稱板內)及大陸地質歷史演化過程,如何利用板塊理論來予以揭示,仍然是一個難題。尤其是關于地殼生長的機製,主要依據上地幔物質對流或熱柱等學說予以解釋,而所有這些說法目前無法以實驗或令人足以信服的方式予以論證。關于板塊驅動力的問題,雖然有關學者提供了多種可能方式,但仍然是處于求索過程中。除此,還有一些難于解釋的矛盾現象,如已知大洋中脊是地幔物質上升形成新洋殼的場所,海溝和島弧是洋殼俯沖消融的地方,但在東太平洋北部發現兩種情況卻在一個地方同時存在。又如,陸殼厚度很大,可達數十千米,褶皺變形非常復雜,而洋殼厚度很小,最薄處隻有5—6km,卻不曾褶皺而隻作剛性運動,這樣現象也是一時不容易講清楚的。

但是,板塊構造理論的建立有著眾多的科學依據和測量資料,其科學基礎是堅實而深厚的。隨著日新月異的科學手段的套用、調查領域的廣度和深度的日益開拓,相信將會獲得越來越多的科學資料。例如,當代除了利用“上天”技術,用衛星監測手段獲得和積累地球的各種信息資料外,還利用“入地”技術即用深鑽的辦法向地球深層進軍。俄國已經在摩爾曼斯克附近的科拉半島上鑽出了12km多的深洞,取出了迄今為止最深的岩心。德國也在鄰近捷克斯洛伐克邊境的上普法爾茨的小城溫迪施埃申巴赫鑽探世界最深的鑽孔,最終目標是12km甚至14km。“入地”比“上天”還難,因為鑽至10km以後,地溫將升至300℃,壓力將超過2500Pa,其壓力相當一個汽車輪胎內壓力的1000倍,但目前已經具有在這樣條件下鑽進的尖端技術。又如,當今“下海”探測技術也已取得飛躍的進展。日本海洋科技中心不僅研製出深水6500m級載人潛水調查船,而且還研製出能夠潛到水深11000m的不載人探測機,可以在承受1.1×109Pa條件進行海溝探測工作。不載人深海探測機的第一個探測目標是世界最深的海溝——馬裏亞納海溝(-11034m)。若探測成功,說明可以在任何海底深潛航行,成為深海研究等地球科學領域研究的重要“武器”。

本世紀70年代以來,在國際間特別強調國際多學科合作,並建立相關組織和製定合作研究計畫。如在國際科學聯合會理事會(ICSU)下建立的“聯合會間岩石圈委員會”(ICL)便是其中之一。至1991年已有62個國家和地區參加國際岩石圈計畫的工作,中國是最早參加國之一。1990年已經執行一個新的岩石圈研究計畫,以全球變化的地球科學、當代動力學和深部過程、大陸岩石圈、大洋岩石圈等為主題,廣泛深入開展研究。

最新研究成果

研究過程

中國安徽宣城溪口農民李六四自發、自費研究地震十七年(截至2010年),他認為:“地震是由地幔中核變的及時效應造成的。煤炭是石油演變產生的,石油是天然氣演變產生的。溶洞是因為液體受熱轉化成氣體,其膨脹壓力造成的,地球生物是在早期地球的液態有機矽中誕生並進化而來的,宇宙大霹靂理論存在誤區。”其理論學說為《地球熱核演變說》。 他的學說有可能成為後人了解地球、地震等的理論基礎。但是,由于條件、知識的局限某些內容尚在研究、完善中。

主要內容

第一章 地震核變成因論:

地震是地幔中核變的及時效應在地殼上的表象。 地幔的長期沉淀、析出、分層,在地球深處形成較純凈的核裂變(如鈾等)物質圈,同時由于地幔的長期析出或內部物質的生成析出或地幔對地表的液態、氣態物質(如海水、石油、空氣等)的吸入、熱解,在地幔的上層(地幔、地殼之間)聚集了較為純凈的核聚變物質(如氫等)。地幔的對流造成核裂變物質相遇,以超過臨界體積,發生核裂變,(如果此時附近存有核聚變物質)進而引發核聚變,產生瞬間極速膨脹,反彈地殼產生縱波,縱波拉伸地殼產生橫波。 餘震的產生機理是因為一方面核變產生溫度熔化地幔,並同時造成地幔溫度的不均勻,加速其對流,以提高核裂變物質相遇的概率 ,另一方面核變產生溫度還可以熔化地殼釋放核聚變物質,同時又可以提高含氫化合物(如海水蒸汽)的熱解比例,以增加核聚變物質的含量。 本章還對預測地震、減少地震,如何開採地震能源等問題作出較深層的分析研究。

農民李六四認為:地球板塊在地球早期曾經的確發生過很多次漂移(俯沖)的現象,但是自然界沒有一種力量可以讓現在的厚厚的牢固的地殼(板塊)發生漂移,除非地震,也就是說地震可以產生漂移,而漂移不可以產生地震,用板塊學說(大陸漂移學說)來解釋地震的成因,是板塊學說最大的誤區,它把人類的智慧引向歧途,從某種意義上講,在一定程度上保護了地震災害的存在。同時,農民李六四深信:那些曾經為板塊學說的創立嘔心瀝血、歷盡艱辛的科學家們,看到一種新的、更接近真理的理論出現,他們一定會很欣慰,因為一個偉大的科學家的最終目標是——科學的進步和人類的幸福。

相關詞條

其它詞條