板块构造学说是关于全球构造的理论,是当今地球科学界普遍认同的学说。它的发展主要经历了大陆漂移学说、海底扩张学说和板块构造学说三个阶段。
1.大陆漂移说
德国人魏格纳(A.Wegener,1880~1930年)于1912年提出了这个假说。他从南美大陆和非洲大陆边缘轮廓非常吻合,似乎是沿大西洋发生过裂开和漂移这一现象着手,收集了大量有关地质结构、古冰川、岩石和化石等资料,发现有许多相似性与可拼合性,大胆地提出了大陆漂移的设想,开创了大地构造学中的新潮流——活动论。他认为地球上所有的大陆,在大约三亿年前(石炭纪后期),曾经是一个庞大的联合古陆,称为“泛大陆”,海洋也只有一个围绕着它的“泛大洋”,后来在中生代时才逐渐分离、漂移,形成现在的状态(图13-38、图13-39)。
图13-38 大陆壳在漂移过程中几个时代的位置
(魏格纳,1912)
A—晚石炭世;B—始新世;C—早更新世
图13-39 大西洋两岸大陆的拼接
(据E.C.Bullard,1965)
大陆漂移学说认为较轻的花岗岩质大陆壳,在较重的玄武岩质基底之上漂移。大陆漂移沿着两个方向:一个是大陆由东向西飘移,由潮汐摩擦阻力引起的;另一个是大陆由极地向赤道的离极运动,由地球自转产生的离心力所致。由于漂移速度不同,就分裂成各大洲,其间就形成了各大洋。大陆漂移前缘受基底阻碍处就挤压形成了褶皱山脉。
限于当时的科学水平,大陆漂移说未能正确说明大陆漂移的驱动力问题。因为刚性的花岗岩层不可能在刚性的玄武岩层上漂移;潮汐摩擦阻力与地球自转离心力太小,不足以引起大陆长距离漂移。所以,尽管有许多证据的支持,也曾深深震撼了地球科学界,但是仍未得到大部分地质工作者的接受,特别是受到固定论者(槽台说为代表)的坚决反对,到了20世纪30年代便逐渐消沉下去了。
2.海底扩张说
第二次世界大战后,由于战略需要和科学技术的发展,展开了多方面的海洋调查工作,取得了大量成果,其中包括:大洋中脊形态(全球裂谷系)、海底地热流分布异常、海底地磁条带异常、海底年龄及其对称分布、海底地震带及震源分布、岛弧及海沟、地幔上部的软流圈等等。到20世纪60年代初,美国地质学家赫斯(Hess)和迪茨(R.S.Dietz),在总结了对流说和大陆漂移说的基础上,对广泛的海底调查资料综合分析后,创立了一个崭新的学说——海底扩张说。
海底扩张说认为:新的洋底在洋脊裂谷带形成,并不断向两侧扩张,同时老的洋底在海沟处插入地下,返回软流圈,造成物质循环。洋底的扩张运动速度每年约一至几厘米,这就使洋底大约每三、四亿年更新一次。洋底扩张的驱动力是地幔物质的热对流。洋脊轴部是对流圈的上升处,海沟是对流圈的下降处。刚性的洋壳驮在软流圈上被动地随地幔对流体的运动而运动(图13-40、图13-41)。如果上升流发生在大陆下面,就导致大陆的分裂和新大洋的形成,如在红海裂谷中见有高温卤水区,推断红海可能就是新大洋的雏形。
图13-40 海底扩张说示意图
(引自柴东浩等,2000)
图13-41 由地幔对流引起岩石圈板块的移动(海底扩张)
(据P.J.怀利,1980)
海底扩张说的主要证据绝大部分来自海洋地球物理的调查结果,对洋底形成和演化规律进行了系统地解释。虽然还存在很多疑问,却极大地激发了人们进一步探讨的欲望。
3.板块构造的概念
在海底扩张说提出后短短几年时间,人们获得了大量新的研究成果,如地磁场转向年代表、海底地磁条带、深海钻探揭示的海底年龄、洋中脊潜水考察的发现、转换断层的发现、海洋的开闭(威尔逊)旋回等,证实了海底扩张的存在并导致了板块构造学的诞生。
1968年在一次学术交流会上,美国的摩根(W.J.Morgan)、法国的勒比雄(X.Le Pichon)、英国的麦肯齐(D.P.Mckenzie)等不约而同地提出了板块构造学说。把海底扩张说的基本原理扩大到整个岩石圈,并总结提高为对岩石圈运动和演化的总体规律的认识。它的研究所及已覆盖了地球上全部面积,所以称为全球构造理论。
板块构造的概念是:刚性的岩石圈分裂成为许多巨大块体——板块,它们驮在软流圈上作大规模水平运动,致使相邻板块互相作用,板块的边缘便成为地壳活动性强烈的地带。表现为强烈的岩浆活动、地震活动、构造变形、变质作用以及深海沉积作用。板块的相互作用,从根本上控制了各种内力地质作用以及沉积作用的进程。
4.板块边界类型
板块边界有三种类型:离散型边界、汇聚型边界和转换断层。
离散型边界(板块生长边界)主要以大洋中脊(或中隆、裂谷)为代表。沿此边界岩石圈分裂和扩张,地幔物质涌出,从而产生洋壳。这里有大量玄武质岩浆喷发,频繁的浅源地震以及地堑型断裂活动,而且在这里新生的玄武岩因受洋脊高热流影响,广泛出现轻度的变质作用(玄武岩变成绿色片岩,超基性岩变成蛇纹岩等)。东非裂谷、红海裂谷均属于此类边界的早期阶段。
汇聚型边界(板块消亡边界)也称为毕鸟夫带。主要以岛弧-海沟为代表。沿此边界两个相邻板块作相向运动,产生挤压,大洋板块向下俯冲潜没,引起强烈的地震、岩浆作用、变质作用和构造变形。
由于俯冲板块在深部被熔融而形成岩浆,引起岛弧(山弧)火山作用与侵入作用,常形成海沟、岛弧、弧后盆地的地貌组合,称为沟-弧-盆体系。环太平洋构造带是汇聚型边界的典型代表(图13-42)。
图13-42 由于消减作用引起岩浆活动与火山示意图
(据A.N.Strahler,1977)
A—美洲西岸火山带的情况;B—西太平洋岛弧区的情况
另外,还有一种特殊的汇聚型边界——地缝合线,它是两个大陆之间的碰撞带。当大洋中脊的扩张速度减缓或大洋板块俯冲加速,俯冲消减的速度大于增生的速度,导致洋壳面积不断减小,直至消亡,使原来位于大洋两侧的大陆板块发生碰撞和挤压,并最终“焊接”在一起,在板块的结合处形成一系列的山脉,并伴随着强烈的构造变形、岩浆活动以及区域变质作用。如喜马拉雅褶皱带就是由于印度板块与欧亚板块中间的特提斯洋壳消亡,使两个大陆板块碰撞而形成的。喜马拉雅山脉北面的雅鲁藏布江一带,就是地缝合线。
图13-43 转换断层与平推断层区别示意图
A,B—转换断层;C,D—平推断层;双线为洋脊;黑点为震源
转换断层 是一种特殊类型的板块边界,沿此边界既无板块的增生,又无板块的消减,而是相邻两个板块作剪切错动,引起地震和构造变形。它常垂直错断大洋中脊,也可以同海沟、山脊在一起。著名的美国西部圣安德列斯断层,就是一条错开太平洋中隆的转换断层。表面看,转换断层非常像平推断层,但又有许多差异(图13-43)。
5.全球板块的划分
根据板块边界,可将全球板块划分为六大板块:太平洋板块、欧亚板块、澳大利亚-印度板块、非洲板块、美洲板块和南极洲板块(图13-44):
图13-44 全球板块的划分
以上是全球规模的板块,除太平洋板块几乎完全是洋壳外,其余五大板块均包括了洋壳与陆壳。
除以上六大板块以外,还有面积小于1.0×107km2的较小板块,包括:纳兹卡板块(南美洲西岸外)、可可板块(南、北美洲之间的西岸外),加勒比海板块(位于加勒比海及附近地区)、富克板块(北美西岸外)、菲律宾板块(位于菲律宾及其与马里亚纳群岛之间的地带)等。不同的学者对小板块的划分存在一定的差别。实际上大部分的小板块是古板块未完全被俯冲消减的残余部分,如太平洋东岸的几个小板块,可能是原东太平洋板块的组成部分。
6.板块的驱动机制
虽然板块构造学说早已得到地质学界的认同,但是板块的驱动力问题仍未达成共识,这是因为大部分的板块驱动力理论都处于假设阶段,目前尚无法以实验或令人信服的方式予以论证。
目前,大多数地质学家认为板块是驮在地幔对流体上运动的,地幔对流是引起板块运动的根本原因。但是对于地幔对流的形式(涉及的深度)仍有不同的见解:即分层地幔对流模式和全地幔对流模式。
还有一部分学者认为,板块的驱动力主要来自于俯冲板块相变所产生的重力拖曳力和洋脊扩张产生的侧向推挤力。这一观点曾在20世纪80年代占主流地位。
总之,板块构造理论是综合了许多学科的最新成果而建立起来的大地构造学说,它以地球整个岩石圈板块的活动方式为依据,建立了世界范围的构造运动模式,对一些全球构造问题给予了合理的解释。它是当今最重要、最热门的地学理论。