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近现代大地构造发展简述 精选

已有 3648 次阅读 2021-1-11 15:36 |个人分类:大陆漂移|系统分类:论文交流

近现代大地构造发展简述

梁光河

lgh@mail.iggcas.ac.cn

摘要:大地构造是地球科学的上层建筑,是研究地球演化的最重要学科。魏格纳提出大陆漂移假说拉开了近现代大地构造研究的序幕,该假说认为大陆板块漂浮在大洋上会发生大规模水平漂移。其动力主要包括向赤道的离极力,因地球自转产生向西的力。之后地球物理学家经过理论计算发现这两个力太小,不可能驱动大陆板块漂移。因此大陆漂移学说被否认,为了解决大陆漂移的动力,海底扩张假说被提出,进而发展为板块构造系统假说。可以说现代大地构造学说的发展历程是三部曲:“大陆漂移说—海底扩张说—板块构造说”,三个学说都是基于大陆漂移学说提出的“大陆块漂浮在较重的粘性大洋软流圈上”这一基本出发点。形象地比喻:“就好像很多轮船(大陆板块)漂浮在大洋上(大洋软流圈)”。它们的关键不同点是:大陆漂移说认为轮船能够自己行走,海水是不动的;而海底扩张说和板块构造说认为轮船是自己不会行走的,是依靠海水流动(动力源是地幔对流)带动轮船行走。大陆漂移说之所以遭到后来者的抛弃就是因为其提出的驱动轮船行走的动力机制是错误的。之后美国科学家提出地体构造和超越板块构造,现在大家逐步认识到地球历史上存在多个超大陆聚合分离旋回,较大的大陆板块大多由多个微板块聚合而成,在漂移过程中又会发生裂解离散。地球表层大陆板块的演化历史就是“聚聚散散”的历史。这种聚聚散散的地球演化历史也非常合理地解释了槽台学说所描述的地质现象,因此大陆漂移学说是一个完全向下兼容的学说。

1 魏格纳大陆漂移说

1915年,德国气象学家兼地质学家魏格纳(A. Wegner)在《大陆与大洋的起源》一书中正式提出了“大陆漂移”的概念,认为较轻硅铝质的大陆块漂浮在较重的黏性的硅镁层之上,发生漂移。但受当时科技发展水平的限制,未能为该学说找到令人信服的证据,尤其是未能提出合理的动力学机制。

图1为魏格纳提出的大陆漂移模型,这里称之为旧大陆漂移模型以区别于我们提出的新大陆漂移模型。该模型认为大陆板块和大洋板块是分离的,大陆板块密度小,漂浮在大洋板块上发生漂移。存在的问题有两个:第一,以南美洲为例,以花岗岩为主的坚硬的南美洲西部在漂移过程中,由于受阻产生了褶皱,形成了科迪拉山系。而很薄且含水柔性的以玄武岩为主的洋壳,并没有发生显著挤压变形和褶皱,这与事实不符。更何况在大西洋裂解数千公里的过程中,该模型要求大陆板块前部的洋壳缩短上千公里,如果这样必然会在前部堆叠起来上百公里高的洋壳山脉,这也与事实不符。第二,在该模型中,魏格纳提出的驱动力主要是地球自转形成的向西运动力和指向赤道的离极力。后经地球物理学家计算,这两个力都太小,仅仅相当于重力的百万之一数量级,不足以推动大陆板块漂移,更何况它们都是系统力,如果它们是主要驱动力,那么地球上的所有大陆板块应该统一向一个方向运动,这与事实不符。因此这一学说在提出不久后逐渐归于沉寂。魏格纳后来也认识到大陆漂移的驱动力问题,坦言“大陆漂移中的牛顿还没有出现”。

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图.1 魏格纳大陆漂移模型(旧大陆漂移模型)

2 海底扩张和板块构造说

直到20世纪60年代,通过大洋勘探发现了洋中脊的海底扩张现象,才为大陆漂移理论注入了新的生命力。1968年,基于大陆漂移学说和海底扩张学说,一种新的理论——板块构造学说被正式提出。板块构造学说认为岩石圈(包括地壳和部分上地幔)的构造单元是板块,板块的边界是洋中脊、转换断层、俯冲带和地缝合线,板块在洋中脊分离、扩大,在俯冲带和地缝合线处下冲、消失。据此,全球可以划分为六大板块:亚欧板块、太平洋板块、美洲板块、非洲板块、印澳板块和南极洲板块。

板块构造学说强调板块的大规模水平运动认为板块可以产生、生长、消亡,而且这种变化可以定量预测。例如,大西洋洋中脊每年向外扩张约2厘米。1974年在板块构造学说的基础上,“威尔逊旋回”理论被提出,用以解释大陆岩石圈在水平方向上的演化过程。根据此理论,东非大裂谷和红海会逐渐裂开成为新的大洋,大西洋仍将继续扩张、面积不断增大;而太平洋的面积已经在持续萎缩了。

根据板块构造学说,地幔对流是大陆漂移和海底扩张的主要推动力,具体机制为:洋中脊是地幔对流上升的地方,地幔物质由此处涌出、冷却固结成新的洋壳,新形成的洋壳又把先前形成的洋壳对称性地向两侧推移,于是自洋中脊向两侧呈条带状不断地生长出新的洋壳。图2说明在大西洋洋中脊扩张驱动力的作用下,南美洲大陆板块向西运动。这个理论与大量的地质现象相吻合,能够解释海洋中和陆地上的绝大部分问题,故而迅速为主流观点所接受。

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图2 海底扩张假说对南美洲运动特征的解释

但是由于地球系统整体的复杂性,其中仍有一些难以解释的现象,现有的理论尚有需要继续完善的地方。特别是大洋中发现很多古老的大陆残片(任纪舜,2015),这是海底扩张模型难以合理解释的。还有诸多磁异常条带并不平行洋中脊展布也是海底扩张模式难以合理解释的(梁光河,2020)。

图3给出了海底扩张假说对南美洲运动特征的解释中的问题,A是大西洋中发现的古大陆残片的平面图,B是海底扩张驱动机制剖面图。大洋中发现大陆残片是海底扩张难以解释的。因为海底扩张认为动力源在洋中脊,这要求大洋壳和大陆板块(即图中的南美板块,它包括南美洲大陆和大西洋板块的西半部分)是以同一个速度在运动,如果这样就不可能在大洋中散落古大陆残片。大西洋中出现大陆残片,意味着大陆板块运动速度大于大洋壳运动速度,说明驱动力在大陆板块本身。更重要的是在大西洋洋中脊附近也发现大量大陆残片,这说明海底并没有主动扩张,大西洋洋壳没有大规模水平移动,大西洋的海底扩张是大陆主动发生漂移引起的撕裂和被动拉张。

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图3. 海底扩张假说对南美洲运动特征的解释中的问题,A是大西洋中发现的古大陆残片的平面图,B是海底扩张驱动机制剖面图。

3 板块运动驱动力

近现代大地构造发展的历史就是寻找驱动大陆板块运动的动力机制的历史,无论旧的大陆漂移假说还是海底扩张和板块构造假说,都是在寻找这个驱动力的驱使下一步步发展的。为什么这个驱动力这么重要?因为这是所有地质运动的原动力,例如地震是一个自然灾害过程,地震与断裂活动密切相关,但断裂为什么会活动?其驱动力是什么?归根结底也是板块运动的驱动力起了主导作用。其实从槽台说开始就没有说清楚这个驱动力是什么,魏格纳本来想说清楚,但还说错了;而海底扩张和大陆漂移自以为说对了,结果还是说错了。

板块运动的驱动力一直是困扰地学界的一个重要的科学问题。传统的驱动机制模型主要有地幔对流(mantle convection)、俯冲板片拖曳(slab pull)、洋脊推挤(ridge push)等。

地幔对流对板块驱动是海底扩张假说的基础,该机制的解释初看比较合理,但实际存在不少问题:地幔对流是全地幔对流还是分层对流?在密度、粘度都很大的地幔中究竟能不能发生大规模的物质对流?如果地幔能够发生对流,说明地幔主要显示为粘塑性,那么深源地震如何聚集弹性能量?深源地震如何产生?如果地幔不能发生对流,说明地幔主要显示为脆性,地幔就难以对流,那么海底扩张又缺乏驱动力。另外其对流速度能否达到或超过板块运动的速度?这些都是极具争议的问题。

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?更何况榴辉岩是由高温高压下的玄武质岩浆结晶形成,这要求俯冲物质必须达到熔融或部分熔融状态。而部分熔融或熔融状态的大洋壳是不可能形成巨大拉力的。且该驱动机制难以合理解释南美洲的运动特征。由此可见单纯的榴辉岩负浮力产生的拖曳力无论在物理基础还是事实证据面前都缺乏说服力。

洋脊推挤强调重力的作用,认为板块从洋脊到海沟的运动,主要是由板块前缘的不断冷却、下沉和顺坡下滑所引起(图4)。认为这种下沉拖拉力比洋脊的推挤力大得多,并足以引起现今板块运动。但这种基于海底扩张框架的对驱动力的解释无法合理解释大洋中的古大陆残片,而且在大陆刚裂解开的时候,还没有较大体量的洋壳产生,不会形成洋壳顺坡下滑的巨大推力。

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图4 洋脊推挤-重力滑脱驱动机制模型

 但该模型中大陆地壳依靠自身体重顺坡下滑的动力机制是正确的,那就是新大陆漂移动力机制(图5),新形成的洋壳是大陆主动漂移拉伸后面洋壳形成的岩浆上涌。根据大洋地壳岩性和差应力结构特征,大洋洋壳和下伏岩石圈是粘合在一起的,而只有大陆地壳和下伏岩石圈是解耦的,它们中间的解耦界面就是莫霍面。这说明大陆地壳能够沿着倾斜界面以莫霍面为滑脱面发生漂移,而洋壳区域因不存在莫霍面附近的软弱层则不能发生滑移,因为从图5B可以看出,在洋壳区域,大洋地壳和岩石圈是粘结在一起的。大洋中发现大陆残片也否定了大陆板块是随岩石圈一起运动的,如果它们和洋壳是一起随岩石圈运动,那么便不可能遗撒大陆残片在洋壳上,再说洋中脊处也不可能不断制造出新的岩石圈。

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图5 大陆地壳重力滑脱驱动机制-新大陆漂移驱动机制示意图,A是大陆岩石圈岩石力学结构特征,B是大洋岩石圈力学结构特征。

图6给出了新大陆漂移模式(梁光河,2013,2018),该模式认为大陆板块能够自动发生漂移,动力机制是大陆板块后面连续不断的岩浆上涌,连续造斜形成一系列斜坡,大陆板块在该斜坡上发生重力滑脱。这个模式合理地解释了大洋中大陆残片,那就是大陆主动滑移漂移过程中从尾部被撕裂的大陆残片。

海底扩张模型要求大陆板块的漂移方向必须垂直于洋中脊分布。而新的大陆漂移模型说明,大陆板块漂移过程中,无论后面是否存在洋中脊并不重要,重要的是要在大陆板块后面存在地幔上涌,形成一系列连续的斜坡。例如西北太平洋地区有一系列的火山岛弧,它们也是一系列地幔上涌的结果,也可以产生一个个斜面,驱动大陆板块发生大规模水平漂移。

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图6 新大陆漂移模型示意图(梁光河,2013,2018)

总之,自大陆漂移学说提出以来,大陆漂移的驱动力来源是地球科学界一直在探讨的却又悬而未决的问题。虽然有众多假说,包括地球旋转离极力、地幔对流海底扩张、负浮力拖拽、洋脊重力推力等驱动力被提出来,但都难以合理解释大洋钻探中发现的诸多古大陆残片,还有很多难以解释的地球物理现象,比如并不是所有的洋中脊都与磁异常条带平行。这说明基于海底扩张的板块构造对大陆漂移的驱动力问题还没有彻底解决。我们提出的新大陆漂移模型可能是彻底解决这个驱动力的一个新进展。

魏格纳为什么错了还能被无数人记住?因为他提出的大陆会大规模水平漂移是正确的,能够合理解释地球上的大地构造运动和所发生的地质现象,虽然动力机制可能是错的,但主体思想没有问题。而海底扩张和板块构造的提出者,只有专业学者能够记住他们的名字,并不被普通民众记住,是因为他们的假说主体思想(动力机制)还存在很多争议和问题。



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