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大陆漂移的驱动力到底是什么?有多大?

已有 2121 次阅读 2020-3-10 10:16 |个人分类:大陆漂移|系统分类:论文交流| 大陆漂移, 动力机制, 动力计算

大陆漂移的驱动力到底是什么?有多大?

梁光河

lgh@mail.iggcas.ac.cn

    本文主体是基于2019年12月9日在中国地震局地壳应力研究所举办的第二届大陆地壳动力学研讨会上,笔者所做的主题报告“大陆漂移动力与地震成因机制”中部分内容修编而成。

1 前人这么说

    自板块构造理论建立以来, 对板块运动的动力来源这一问题一直存在争议(陈凌等,2020)。早期的观点认为驱动力来源于地幔对流系统,而现今较为普遍接受的观点认为驱动力主要来源于大洋板块俯冲产生的拖曳力(负浮力)。万博等(2019)用该假说解释了特提斯单向裂解-聚合的动力。

    俯冲板片拖曳力的核心是密度差(孙卫东,2019),理论计算表明当俯冲深度达到70 km以上时,洋壳开始转化为榴辉岩,密度高于周围地幔约3%,才能产生拖曳力。事实上洋壳密度小于上地幔密度,因此在俯冲开始阶段,洋壳是阻碍俯冲进行的。那么起始俯冲是如何启动的?从没有得到合理解释。 

    大洋板块俯冲驱动模式难以合理解释大西洋的裂解形成的大陆漂移,以南美洲大陆板块为例,按照大洋板块俯冲的观点,太平洋板块向东俯冲在南美洲之下,形成向东的驱动力。而大西洋板块如果从东向西俯冲在南美洲之下,形成向西的驱动力。那么,南美洲东西两侧如果都存在俯冲,到底哪个俯冲产生的拖拽力更大?但大量的地质证据表明南美洲是向西漂移了,很多石油地震勘探结果说明,大西洋板块没有俯冲在南美洲东侧。更何况如果大西洋俯冲在南美洲之下,应该在南美洲东侧出现深源地震,而实际上那个区域却不是地震带。

    该模式也难以合理解释印度大陆板块的北漂,印度大陆板块目前仍以每年数厘米的速度向北俯冲, 用俯冲板块拖曳的模型也不能合理解释。因为印度欧亚碰撞已经超过50Ma了,俯冲洋壳早已断离。

    孙卫东(2019)提出“岩浆引擎”,认为大洋板块滑移力是主要驱动力,数值计算显示, 板片滑移力高于前人估算的俯冲板片拖曳力最大值约一个数量级, 高于前人估计的洋脊推挤力数十倍。

    这些假说都是建立在海底扩张框架理论下,而诸多观测事实说明海底扩张存在重大缺陷,以印度大陆的北漂为例,印度洋中的磁异常条带和散落的古大陆残片都是海底扩张难以合理解释的。大洋板块重力滑脱产生的推力,计算过程和思路没有问题,但难以解释大西洋刚刚裂解时候,大洋板块还很小,推力也很小,它是如何推动两侧巨大的大陆板块运动。更何况这种模式都要求所有的陆块漂移方向垂直于洋中脊,这并不符合观测事实,至少对印度陆块和新西兰陆块是难以解释的

    毛小平(2020)总结比较了前人的主要驱动力的量级大小,如表1所示,其中只有重力、陨石撞击力所产生的应力量级可以高达100MPa。它们有可能是驱动板块运动的主要动力,其他力可以忽略。并提出了周向应力的拱桥模式,周向应力由重力派生,从数量级上看它和实测的地应力特征是一致的。推测该应力在20 km深处约为900 MPa。足以驱动板块运动(>500 MPa)。存在的问题是:周向应力的被动释放无法解释板块的大规模远距离迁移。

    孙卫东(2019)和毛小平(2020)提出的这两个力的计算思路是正确的,大陆漂移的主要驱动力应该是重力派生的力起主导作用,它可以大致定量估算。

表1各种地球动力的数量级(毛小平,2020;吴汉珍,1997)

2 大陆漂移热隆升派生的重力滑移

    近期大量地球物理观测表明,海底扩张假说和板块构造的两大支柱(条带状海底磁异常、深海钻探)都存在很多反证,不足以支撑海底扩张假说。作者基于大量观测事实总结提炼,提出了一个新大陆漂移模型,认为大陆板块可以在热力驱动下自己发生漂移,这个推动力来自一个个连续的伸展构造形成过程。当地幔上涌,在地壳莫霍面造斜,在地下流体的润滑下因重力作用使得两侧地块向两边发生重力滑脱而移动,处于中心的上涌地幔因上升最高首先凝固,而已经移动的地块必然会在后面腾出空间,产生低压诱发下面地幔进一步上涌,上涌的地幔再进一步造斜从而推动地块进一步移动(图1),这是一个连锁的造斜和重力滑脱过程。造成的结果是大陆板块仰冲在大洋板块之上发生漂移(图2)。 1.png

图1 大陆板块热隆升派生的重力滑脱漂移过程示意图

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图2 新大陆漂移模型示意图

3重力滑移推力的定量估算

    这个重力滑移的推力有多大?为了能够得到定量计算结果,我们需要简化上述模型,给出如图3的一个地幔上涌模型,假设一个地幔上涌(或地壳流上涌)产生一个斜坡,一个裂离的陆块在斜坡上产生重力滑移,那么就可以定量计算陆块沿倾斜面的重力分量所致的底部剪切力(吴汉珍,1997)。公式为p=g.ρ.H.(h/L)

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图3 地幔上涌造成的大陆板块重力滑脱模型

式中,重力加速度g=9.8m/s2

假设:板块平均密度ρ=3*103Kg/m3

大陆板块厚度40公里H=40*103 m

伸展构造宽度80公里, 半边宽度L=40*103 m

伸展构造上涌高度4公里,h=4*103 m

则可得到重力滑移力:

p=9.8m/s2 *3*103Kg/m3 *40*103 m*(4/40)=117.6*106N/m2=117.6MPa

    假设地幔上涌高度到板块厚度的一半20公里,则重力滑移推力可达588 MPa。刘鎏等(2012)通过数值模拟得出,只有在印度板块边缘施加450 MPa以上的推力,才能符合印度板块向北移动的观测结果。事实上如印度板块南侧的马尔代夫岛链已经涌出海面,说明其能够在部分区域上涌到整个板块厚度的40公里,那么这时候可以产生高达1176MPa的推力。

    利用实测水平主压应力梯度33MPa/Km(毛小平,2020),也可以得到在40Km的深度,水平主压应力可达1320MPa。这说明地幔上涌造成的重力滑移产生的应力与实测应力在一个数量级,它应该是大陆漂移的主要驱动力。Hales(1969)和Jacoby(1970)的研究说明,地块在坡度 1/3000即可产生滑动。新大陆漂移模型中大陆板块后面持续的地幔上涌坡度远远大于这个坡度,而且会持续造斜产生新的坡度。形成如图4所示的大陆连续漂移(单边跑模式)。


图4 单边跑大陆漂移动画图

    该驱动模式能够得到诸多地质和高精度地球物理勘探证据的支持(梁光河,2020)。它不但能够合理解释全球地形地貌成因机制,也能合理解释全球构造特征及空间分布规律和演化过程,也能解释全球地震分布特征(图5)。

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图5 东半球大陆漂移轨迹及新大陆漂移模型

4 平底热锅上的黄油自己会跑

    新的大陆漂移模型的动力机制什么?简单地比喻:大陆板块的漂移就像平底热锅上的黄油自己会跑。相对于半径6371km的地球而言,厚度仅5-10km的洋壳仅仅相当于一层凝固的油膜(图6)。


图6 平底热锅上的黄油与大陆漂移对比动画图

    地幔上涌,洋壳会产生重力滑移吗?现有的人工高精度地震勘探结果表明,只有陆壳和上地幔之间存在可追踪的比较连续的莫霍面,而在大洋中,洋壳和上地幔之间不存在可连续追踪的莫霍面。这意味着在大陆地壳和上地幔之间存在一个可以滑动的解耦的莫霍面,而洋壳和上地幔之间不存在这个界面,大洋地壳和上地幔之间是连续变化的,它们之间可能是物性的渐变过度关系,由此推测洋壳不会产生重力滑移。但如果固态的洋壳之下如果存在熔融态的上地幔,那么这个重力滑移也应该会产生。而诸多证据说明上地幔以固态为主,因此洋壳的重力滑移也难以成立。

5 大西洋是两侧大陆主动漂移拉开的

    大西洋的裂解过程是盘古大陆首先在中间发生了地幔上涌,之后大陆板块在连续的地幔上涌下自动发生漂移,最后形成宽阔的大西洋(图7)。诸多证据说明大西洋是两侧陆块主动漂移拉开的,不是海底扩张推开的(图8)。这说明大西洋裂解是大陆板块双边跑模式,而从冈瓦纳上裂解出来的陆块北漂是单边跑模式 7.png

图7 大西洋裂解过程与新大陆漂移模型

图8 大西洋裂解过程

    大西洋裂解中可能会在洋中脊留下大陆残片,这个模式合理地解释了大西洋洋中脊和大洋中发现的古大陆残片(任纪舜等,2015)。根据新的大陆漂移模型,大西洋裂解后随着大陆漂移会形成新的洋壳,洋壳应该从大洋中脊向两侧逐渐变新,而事实上,在大洋钻探第2航次(Leg2)横跨北大西洋5个钻探孔位的结果(Peterson,1970;Bukry,1970)已经证明,新大陆漂移模型是正确的(图9)。

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图9 横跨北大西洋的深海钻探结果(改自Peterson,1970;Bukry,1970)

    但第二航次这个钻探结果没有被普遍认可,因为它与海底扩张不符。后来深海钻探在第三航次中,转到南大西洋进行钻探。通过很不可靠,存在很多问题的报告,号称证实了海底扩张。作者强烈质疑这个结论。

    大洋中脊岩浆推挤作用不能解释板块扩张。如果板块扩张的力来自于洋脊推挤,那么洋壳应该处于挤压应力状态。实际观察表明,在洋中脊的顶部和大西洋板块中,往往发育正断层和正断层地震, 说明至少洋脊推挤力并没作用于洋中脊离散板块边界的顶部(孙卫东,2019)。

    很多石油地震勘探剖面能够证明,大西洋两岸的含油气盆地也是张性环境(图10),这说明洋脊推力的说法不准确。大陆漂移的主要推力应该在更靠近被动大陆边缘的大陆板块内部

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图10 巴西东部海域桑托斯盆地石油地震勘探剖面与大陆漂移动力模型


6结论 

    大陆漂移的主要动力是大陆板块后面持续的热上涌,由热上涌产生的倾斜面,使得大陆板块产生重力滑移,滑移后在大陆板块后面产生降压,进一步诱发热上涌,如此连续产生造斜运动,产生连续的大陆漂移。这个重力滑移力巨大,当地幔上涌高度达到板块厚度的一半20公里时,重力滑移推力可达约588 MPa,足以推动大陆板块运动。


参考文献:

1.陈凌, 王旭, 梁晓峰, 万博, 刘丽军. 2020. 俯冲构造vs.地幔柱构造—板块运动驱动力探讨. 中国科学: 地球科学, 50, doi: 10.1360/SSTe-2019-0106.

2.万博, 吴福元, 陈凌, 赵亮, 梁晓峰, 肖文交, 朱日祥. 2019. 重力驱动的特提斯单向裂解-聚合动力学. 中国科学: 地球科学, 49, doi: 10.1360/N072019-0057

3.孙卫东. “岩浆引擎”与板块运动驱动力. 科学通报, 2019, 64: 2988–3006.

4.毛小平, 陆旭凌弘, 王晓明等.周向应力在地壳运动中的作用.地学前缘.2020, 27(1): 222-234.

5.梁光河.印度大陆板块北漂的动力机制研究.地学前缘, 2020, 27(1): 212-221

6.刘鎏, 魏东平.中国大陆及邻区板内应力场的数值模拟及动力机制探讨[J].地震学报, 2012, 34(6): 727-740.

7.吴汉珍. 旋转地球动力学[M]. 北京: 地质出版社, 1997:134.

8.任纪舜,徐芹芹,赵磊,等.寻找消失的大陆[J].地质论评,2015,61(5):969-989.

9.Hales A L,Gravitational sliding and continental drift. Earth Planet Sci Lett. 1969,6:31-34.

10.Jacoby W R, Instability in the upper mantle and global plate movements. J Geophys Res, 1970,75:5671-5680.

11.Bukry, D., 1970, Coccolith Age Determinations, Leg 2, Deep Sea Drilling Project. In Peterson, M. N. A. et al, 1970, Initial Reports of the Deep Sea Drilling Project, Volume II. Washington (U.S. Government Printing Office) pp. 343-349.

12.Peterson, M. N. A. et al, 1970, Initial Reports of the Deep Sea Drilling Project, Volume II. Washington (U.S. Government Printing Office) — H pp.




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2 高建国 杨光

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