闆塊構造說

闆塊構造說

現代地學理論
闆塊構造說(theory of plate tectonics)是指現代地學理論之一。20世紀60年代中,在大量海洋地質、地球物理和海底地貌等資料分析的基礎上建立起來的一種大地構造學說。源于加拿大地球物理學家威爾遜(J.T. Wilson,1908-)的“闆塊”(plate)概念。1965年,他指出大洋中脊、轉換斷層、島弧一海溝系是三種類型的構造活動帶,它們首尾相接、連綿不辍,從一種活動帶轉換成另一種活動帶,形成地殼運動;地殼被這些活動帶分割成大大小小的“闆塊”。該學說認為地球的岩石圈分裂成為若幹巨大的闆塊,以重力均衡的方式漂浮于塑性軟流圈之上,并在地球表面發生大規模水平運動;闆塊與闆塊之間或相互分離,或相互彙聚,或相互平移,引起了地震、火山和構造運動。闆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,為解釋地球地質作用和現象提供了極有成效的模式。[1]
    中文名:闆塊構造說 外文名:theory of plate tectonics 适用領域: 所屬學科:地理學 定義提出者:(德國)A.L.魏格納 提出時間:1912年 應用領域:地質構造

簡介

它認為地球的岩石圈分裂成為若幹巨大的闆塊。岩石圈闆塊塑性軟流圈發生大規模水平運動;闆塊與闆塊之間或相互分離.或相互彙聚.或相互平移,引起了地震、火山和構造運動。闆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.魏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,随後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,并首先指出,連綿不絕的活動帶網絡将地球表層劃分為若幹剛性闆塊。

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.勒皮雄将轉換斷層概念外延到球面上,定量地論述了闆塊運動,确立了闆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闆塊活動之間的聯系,并将這一新興理論稱作“新全球構造”。現今常用的術語“闆塊構造”,是麥肯齊和摩根在1969年提出的。70年代以來,闆塊學說逐步滲透到地球科學的許多領域。

基本觀點

闆塊的劃分——七大塊

岩石圈并非是整體一塊,它被許多活動帶分割成大大小小的塊體,這些塊體就是所說的闆塊。岩石圈可以劃分成太平洋闆塊、歐亞闆塊、印度一澳大利亞闆塊、非洲闆塊、北美洲闆塊、南美洲闆塊和南極洲闆塊等七個大闆塊。

闆塊的邊界——三類型

①拉張型邊界,又稱離散型邊界,主要以大洋中脊為代表。它是岩石圈闆塊的生長場所,也是海底擴張的中心地帶。其主要特征是,岩石圈張裂,岩漿湧出,形成新的洋殼,并伴随着高熱流值和淺源地震。大陸裂谷也是拉張型邊界。

②擠壓型邊界,又稱彙聚型邊界或者比尼奧夫帶。主要以海溝一島弧為代表,是闆塊相向移動、擠壓、俯沖、消減的地帶。

③剪切型邊界,又稱平錯型邊界或者轉換斷層邊界。在這種邊界上,既沒有闆塊的新生。也沒有闆塊的消亡,隻是表現為闆塊的平移和錯斷。這種邊界以轉換斷層為特征。

闆塊的演化——六階段

加拿大地質學家威爾遜于1969年把一個大洋發展的完整過程分為六個階段(見圖)。

①胚胎期:地幔的活化,引起大陸殼(岩石圈)的破裂。形成大陸裂谷,東非裂谷就是最著名的實例。

②幼年期:地幔物質上湧、溢出。岩石圈進一步破裂并開始}¨現洋中脊和狹窄的洋殼盆地,以紅海、亞丁灣為代表。

③成年期:洋中脊的進一步延長和擴張作用的加強,洋盆擴大,兩側大陸相向分離,出現了成熟的大洋盆地,洋盆兩側并未發生俯沖作用,與相鄰大陸間不存在海溝和火山弧,稱為被動大陸邊緣。大西洋是其典型代表。

④衰退期:随着海底擴張的進行,洋盆一側或者兩側開始出現了海溝,俯沖消減作用開始進行,主動大陸邊緣開始出現,洋盆面積開始縮小,兩側大陸相互靠近,太平洋即處于這個階段。

⑤殘餘期:随着俯沖消減作用的進行,兩側大陸相互靠近,其間僅殘留一個狹窄的海盆,地中海即處于這個階段。

⑥消亡期:最後兩側大陸直接碰撞拼合,海域完全消失,轉化為高峻山系。橫亘歐亞大陸的阿爾卑斯一喜馬拉雅山脈就是最好的代表,它是歐亞闆塊與印度闆塊碰撞接觸的地帶,是一條很長的地縫合線。

闆塊的動力

闆塊相對于下伏的軟流圈來說,是相對剛性的,漂浮在軟流圈之上。闆塊的驅動力來自于地幔,是由地幔對流驅動的。由于地幔對流受熱不均勻,在受熱強烈、溫度比較高的地方,地幔物質上湧,上湧的物質受到岩石圈的阻擋,在岩石圈的底下向兩側運移,到溫度較低的地方下沉,形成一個完整的地幔對流旋回。在對流上升的地方,導緻闆塊分離和新的洋殼的形成;而在對流下沉的地方,導緻闆塊的俯沖和闆塊的消亡。

闆塊的運動

一般模式海底擴張是闆塊運動的核心,闆塊從大洋中脊軸部向兩側不斷擴張推移(見海底擴張說)。就闆塊的相對運動方向而言,海溝和活動造山帶是闆塊的前緣,大洋中脊則是闆塊的後緣。脊軸是軟流圈物質上湧,岩石圈闆塊生長的地方,其熱流值很高,岩石圈極薄(厚僅數公裡),水深較淺(平均在2500米左右)。随着闆塊向兩側擴張,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公裡,水深可達6000米左右。洋底水深是洋底年齡的函數。新生的洋底岩石圈下沉最快,下沉作用随時間呈指數衰減。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闆塊,這時陸-洋過渡帶構成穩定(或被動)大陸邊緣;若大洋闆塊在洋緣俯沖潛入地幔,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随着另一些大洋的關閉。因此,大洋的開合與大陸漂移都是闆塊分離和彙聚的結果。大洋開合的發展過程,又稱威爾遜旋回(見海洋起源與演化)。

闆塊運動幾何學

全球所有闆塊可能都在移動,闆塊運動通常指一闆塊相對于另一闆塊的相對運動。鑒于闆塊内部變形與闆塊之間的大幅度水平運動相比,僅具有次要意義,故從全球角度考察闆塊運動時,可以近似地将闆塊當作剛體來處理。球面剛體闆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旋轉運動(圖3)。平行于旋轉赤道的一系列同軸圓弧,标示出闆塊旋轉運動的方向,它們的垂線(大圓)相交于旋轉極。正因為闆塊的運動是一種旋轉運動,闆塊上不同地點的運動線速度随遠離旋轉極而增大,至旋轉赤道線速度最大。闆塊的旋轉運動由旋轉極的位置和旋轉角速度确定。轉換斷層的走向平行于鄰接闆塊之間相對運動的方向。采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闆塊之間相對運動的旋轉極。據線速度的遞變也可以得出旋轉極的位置。已知闆塊任何一點的線速度,同時求出該點相對于旋轉極的緯度,便可以換算出旋轉角速度。三個闆塊或三條闆塊邊界相彙合的點或一個小區域,稱三聯接合點(簡稱三聯點)。任何一對闆塊間的邊界總是以三聯點作為端點。圍繞三聯點的三對闆塊之間相對運動的向量之和等于零。根據已知的兩對闆塊的相對運動向量,就可以确定第三對闆塊之間的相對運動向量。兩個背離闆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闆塊之間的相對運動向量,包括彙聚型邊界處的相對運動向量。闆塊運動的速率多為每年數厘米。

地幔柱與熱點

在闆塊運動的研究中,地幔柱或熱點可作為重要的參考系統。地幔柱是發源于軟流圈之下的地幔深部并湧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,也可将熱點視為地幔柱的地表反映。地幔柱導緻地表穹形隆起,重力和熱流值增高。一般認為熱點-地幔柱的位置大體固定。當岩石圈闆塊跨越于熱點之上,闆塊仿佛被“燒穿”了,地幔物質噴出地表,形成火山。先形成的火山随闆塊運動移出熱點,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鍊(圖4)。皇帝-夏威夷海嶺就是近8000萬年來太平洋闆塊越過夏威夷熱點的産物,火山年齡向西北方向變老。這些火山鍊标示出闆塊漂移過熱點的軌迹,記錄下闆塊的運動方向。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4000萬年前太平洋闆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闆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

引起闆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,認為下插闆塊因溫度較低和相變導緻密度增大,可以把整個闆塊拉向俯沖帶;或設想上侵于大洋中脊軸部的地幔物質能把兩側闆塊推出去;闆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,闆塊與下伏軟流圈相互脫離,闆塊的移動是主動的,而不是由軟流圈地幔流所帶動;闆塊的持續運動導緻地幔中産生反方向的補償回流(圖5)。主動驅動機制的弱點是,岩石圈必須先通過别種機制破裂成闆塊,它難以解釋聯合古陸的破裂,也難以解釋大洋中脊和俯沖帶開始是如何形成的。②不少學者主張闆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,也不了解對流的确切性質、涉及範圍和具體形式(見地幔對流說)。

意義與問題

闆塊構造說以極其簡潔的形式(最基本的就是闆塊的生長、漂移、俯沖和碰撞),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。闆塊構造研究所闡明的地質構造背景和岩石圈活動規律,對于尋找金屬礦、石油等礦産資源,以及預測地震、火山等地質災害,有一定指導意義。

闆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,現有的闆塊構造模式不能有效地解釋闆塊内部的地震、火山和構造活動,包括水平變形、隆起和陷落。有些學者試圖将闆塊構造模式遠溯至古生代以至前寒武紀,将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回解釋地槽造山帶的演化,追索消逝于山脈中的古海洋。但有關古闆塊的研究,仍有一些分歧意見。闆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:闆塊的生長、漂移和俯沖是連續的還是幂次性的;闆塊俯沖如何開始;俯沖過程中沉積物的結局;邊緣盆地的形成機制等。如今,闆塊構造說仍在不斷修正和發展中。

闆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,現有的闆塊構造模式不能有效地解釋闆塊内部的地震、火山和構造活動,包括水平變形、隆起和陷落。有些學者試圖将闆塊構造模式遠溯至古生代以至前寒武紀,将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回解釋地槽造山帶的演化,追索消逝于山脈中的古海洋。但有關古闆塊的研究,仍有一些分歧意見。闆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:闆塊的生長、漂移和俯沖是連續的還是幂次性的;闆塊俯沖如何開始;俯沖過程中沉積物的結局;邊緣盆地的形成機制等。如今,闆塊構造說仍在不斷修正和發展中。

闆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,現有的闆塊構造模式不能有效地解釋闆塊内部的地震、火山和構造活動,包括水平變形、隆起和陷落。有些學者試圖将闆塊構造模式遠溯至古生代以至前寒武紀,将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回解釋地槽造山帶的演化,追索消逝于山脈中的古海洋。但有關古闆塊的研究,仍有一些分歧意見。闆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:闆塊的生長、漂移和俯沖是連續的還是幂次性的;闆塊俯沖如何開始;俯沖過程中沉積物的結局;邊緣盆地的形成機制等。如今,闆塊構造說仍在不斷修正和發展中。

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