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地质板块动力学（上）

2018/07/31   维加斯新闻报
刘文旺

    摘要：本文包括两个部分：板块理论的困惑，阐述了现在地幔对流说存在的问题，进而论证了地幔对流说是不成立的；随后给出了板块运动的动力学机制。为板块的重力下滑运动找到了理论解释。
    关键字：地幔对流说，转换断层、板块构造学说、转换断层密度、刘文旺极限、大陆漂移、海底扩张、地球自转偏向力、转动惯量、地震、火山、磁异常、大洋中脊、粘滞系数、海沟、海盆、地幔柱等。
    一、板块理论的困惑（一）
    动力问题仍是板块产生与运动的一个根本性问题
    那么，什么力量驱动板块进行移动的哪？这个动力学问题至今没有令人信服的结果。很早就有人设想在地壳或岩石圈下存在着热对流现象，并且有多个对流中心，在对流上升的地方，导致板块分裂，涌出地幔物质，冷却固结形成新洋壳。在对流下降的地方，导致板块俯冲，最后使板块消亡。至于热对流的形式，有人设计深对流模式（Orowan等，1969），即在全地幔中发生对流；有人设计浅对流模式（Boll等，1971），即仅在软流圈中发生对流。但都存在不能解释的自相矛盾的地方，而不能自圆其说。
    大陆漂移说曾认为大陆是在地球自转离心力、潮汐力等原因下漂流；而海底扩张和板块说则认为，新洋壳驮在软流圈上，随着对流被动移动，从洋脊起像传送带一样运载到海沟，俯冲入地幔并局部熔融，最终消失于软流圈中，构成一个封闭的循环系统。从洋脊到海沟，板块有数百到数千千米的水准运动。但是，由于技术条件的限制，既不能推导证实是否存在这种对流，也不能用实验方法制造出来这种对流。有人认为软流圈的面积很大，而厚度不大，即使能产生对流，也只能产生半径很小的对流，根本无法推动板块数千千米的水准运动。
    上世纪70年代以来，关于板块趋动力的问题，陆续提出一些新的论点。1972年，摩根（W.J.Morgan）根据卫星资料发现在全球重力图上，重力高的地方往往是板块生长和活火山分布的地方。为什么这些地方重力值较高呢？他设想从近地核处，有深部物质上升形成上升流，他把这种上升流称为地幔柱。据重力值推测，地幔柱的直径可达几百千米，它把深部密度较大的物质和热量向上带到软流圈，在那里像蘑菇云一样向四面八方横向扩散，从而驱动板块移动。地幔柱有时冲破岩石圈，向上拱起形成巨大的穹窿，并具有相当高的热流值。地幔柱中熔融的岩浆喷出地表就形成火山。这些热流值高的隆起点和火山，称为热点，或者说热点就是地幔柱冲破岩石圈的地方。
    据统计，目前全球发现的热点很多处（这本身就是一个问题，它的产生机制是什么。为什么在恰好需要的地方产生）。热点相连，可以形成大洋中脊。如冰岛正好位于大西洋中脊的一个热点上，那里喷出的熔岩较多，就形成了一个较大的岛。这些形成于中脊附近的活火山，随着海底扩张向两侧移动，形成对称分布的死火山链，且沿此链越远，火山年龄越老。此等火山链被认为是地幔柱或热点随海底扩张留下的痕迹。
    后来，又有人企图用板块自身的重力作用代替对流来解释板块运动。1975年，哈珀（Harper）认为，板块由洋脊向两侧滑动，是因板块前缘冷却、加重、下沉引起的。这种设想的根据是，发生于海沟的浅震，已证明是由正断层所引起。这些正断层有人用板块弯曲外缘发生张裂来解释（图9-24）。根据这一事实有人认为板块所以俯冲，不是被一种力量推下去的，而是被自身重力拉下去的。这个观点是正确的，但是没有给出为什么其处于较高的地势上。而我的理论给出了这一解释。
    其理由是：（1）冷却的板块密度增大；（2）下插的板块因压力增加，发生物相转换，使矿物岩石密度增大；（3）洋脊高，海沟低，板块会像滑坡一样从洋脊向海沟滑动。总之，由于这些原因可以把板块给拖下去。哈珀计算下沉的拖拉力比洋脊的推挤力大7倍。
    但所有这些设想的力，同样不能得到直接证据和可靠的数理模拟。福赛斯（Forsyth）和上田诚也（1975）认为板块运动是8种力综合作用的结果，他们认为板块俯冲时，向下的拉力起了重要作用。这种思想是正确的，担仍存在很多问题。这一点我们会在后边进行阐述。
    板块构造学说是综合许多学科的最新成果而建立起来的大地构造的学说，是当代地学的最重要的理论成就，并被认为是地球科学的一次革命。它从大量海洋调查实际材料出发，对大洋壳的新生和代谢过程作了详尽的论证，获得最近两亿年来地壳变化的理论模式，从一个侧面丰富了地质学和地球物理学的理论。特别是它以地球整个岩石圈的活动方式为依据，建立世界范围的构造运动模式，所以板块构造学说又称全球构造学说，这是其他以大陆范围内的各种地质现象为依据而建立的各种大地构造学说所无法比拟的。
    虽然如此，板块构造学说毕竟是以海洋和大洋壳为基础建立起的构造学说，大洋壳上的沉积物年龄只有2亿年，而大陆壳的岩石年龄可以高达30多亿年，个别甚至超过40亿年，岩浆活动、构造作用、变质作用也复杂得多，目前对板块边界和大陆边缘等活动情况已了解很多，但是对板块内部（简称板内）及大陆地质历史演化过程，如何利用板块理论来予以揭示，仍然是一个世界级的难题。
    尤其是关于地壳生长的机制，主要依据上地幔物质对流或热柱等学说加以解释，而所有这些说法目前无法以实验或令人足以信服的方式予以论证。关于板块驱动力的问题，虽然有关学者提供了多种可能方式，但都仍然只是处于假设阶段。此外，还有一些难于解释的矛盾现象，如已知大洋中脊是地幔物质上升形成新洋壳的场所，海沟和岛弧是洋壳俯冲消融的地方，但在东太平洋北部发现两种情况却在一个地方同时存在。
    此外，我们知道物体间的作用总是相互的。陆壳厚度很大，可达数十千米，褶皱变形非常复杂，而与其发生相互作用的洋壳，虽然厚度很小，最薄处只有5—6km，却不在彼此间的相互作用过程中发生褶皱而只作近乎直线的运动，这样现象在物理上是不能解释的。
    科学理论和科学技术总是互相促进而携手发展的。随着新的科学观测手段的应用、调查领域的广度和深度的日益开拓，相信将会获得越来越多的科学资料。例如，当代除了利用“上天”技术，用卫星监测手段获得和积累地球的各种资讯资料外，还利用“入地”技术即用深钻的办法向地球深层进军。俄国已经在摩尔曼斯克附近的柯拉半岛上钻出了12km多的深洞，取出了迄今为止最深的岩心。德国也在邻近捷克斯洛伐克边境的上普法尔茨的小城温蒂施埃申巴赫钻探世界最深的钻孔，最终目标是12km甚至14km。“入地”比“上天”还难，因为钻至10km以后，地温将升至300℃，压力将超过2500Pa，其压力相当一个汽车轮胎内压力的1000倍，但目前已经具有在这样条件下钻进的尖端技术。又如，当今“下海”探测技术也已取得飞跃的进展。日本海洋科技中心不仅研制出深水6500m级载人潜水调查船，而且还研制出能够潜到水深11000m的不载人探测机，可以在承受1.1×109Pa条件进行海沟探测工作。不载人深海探测机的第一个探测目标是世界最深的海沟——马里亚纳海沟（－11034m）。若探测成功，说明可以在任何海底深潜航行，成为深海研究等地球科学领域研究的重要“武器”。
    上世纪70年代以来，在国际间特别强调国际多学科合作，并建立相关组织和制定合作研究计画。如在国际科学联合会理事会（ICSU）下建立的“联合会间岩石圈委员会”（ICL）便是其中之一。至1991年已有62个国家和地区参加国际岩石圈计画的工作，我国就是最早参加国之一。1990年已经执行一个新的岩石圈研究计画，以全球变化的地球科学、当代动力学和深部过程、大陆岩石圈、大洋岩石圈等为主题，广泛深入开展研究。
    德国气象学家魏格纳创建了大陆漂移学说。但没有找到有说服力的大陆漂移动力。
前面我们已经详细介绍过，1928年英国地质学家A.霍姆斯认为存在地幔对流现象。1939年D.T.格里格斯进一步指出，由于岩石热传导不良，放射热的聚集使地幔下层升温、膨胀、变轻而产生对流。
    随着大洋中脊两侧对称的地磁异常的发现，美国学者赫斯提出海底扩张学说，认为地幔软流层物质的对流上升推动中脊两侧海底向两侧扩张，最后在海沟地区俯冲沉入大陆地壳下方。
    板块构造学说是1968年法国地质学家勒皮雄等人，根据大陆漂移学说和海底扩张学说、及大量的海洋地质、地球物理、海底地貌等资料提出的新的大陆漂移说。并认为地幔对流是板块运动的驱动力。
    在地转偏向力的作用下，岩浆不会做直线运动，怎能在数亿年的时间内推动板块直线运动；大西洋中脊的海底扩张，并不伴有大洋板块的俯冲消失现象，相反，在北太平洋方向，存在板块的俯冲消失现象，但不存在中脊的扩张；大洋板块相对较薄，在把大陆板块挤压产生褶皱山系的同时，自身却不发生形变这不可能;地幔对流要求在中脊处的地幔中温度相对较高。但在整个地幔中，为什么温度高的对流区呈线状分布？
    在大洋中脊广泛分布著近乎平行排列的转换断层，在这些转换断层的两侧，地幔对流产生反向推力，不会产生整体的同步运动。同样的大洋板块俯冲运动，为什么在太平洋东西两侧产生不同的地质构造——在太平洋板块的东侧挤压形成山系，西侧及亚洲大陆的东侧明显体现出拉张、断裂运动状态，产生很多的大陆岛、在太平洋西侧反常地出现新生代的地质构造。在太平洋板块的东北、西北存在磁异常带——“大磁弯”现象，这些都是为什么？
    根据深源地震资料等事实，多数学者认为地幔对流层的最大深度只有700公里左右。因此，在同一个板块下面就应该存在几个甚至十几个对流环，这样，相邻对流环中的流动方向相反，对浮于其上的岩石层板块的拖动力方向相反，作用为零。反向对流的相互抑制，也会使这种对流不能持续进行。这被称为地幔对流研究中的“纵横比予盾”。
   
   
   
    为此，有人又提出全地幔对流说。对流层的深度扩展到核幔边界的2900公里深处，板块水准尺度与对流层深度之比为1的量级，纵横比的矛盾就可以解决了。
    但这是不成立的。从地核到地表的不同的圈层角速度逐渐减小。因此，自转中的地核对上述地幔对流圈的作用是不同的。如上图所示，向东自转的地核与右边的对流圈运动方向相反，阻止其对流运动；与左边的对流圈运动方向相同，加速左侧地幔对流运动。这样，左侧的地幔对流会加强，大洋中脊左侧的大洋板块向西运动速度大；大洋中脊右侧的大洋板块向东运动速度减慢。同时，根据角动量守恒，赤道处物质在软流圈上升 50公里，造成的线速度差将达到26公里/小时，2.3万公里/年。虽然因为上升过程中物质有相互作用使此减弱，但上升过程中也会造成严重西偏。这些都会使大洋中脊左右不对称现象，而大西洋板块东西两侧的对称性、各大洋中脊两侧的磁异常带的对称性与此不相容。
    尤其是，地震波CT等新探测手段不断发现，岩石圈的厚度存在明显的不均一性，在地下700公里深处存在一个“化学不连续面”、在1000公里深处存在上下地幔间的分层介面，400公里深处存在上地幔C′层与B″层之间的分层介面。若存在“全地幔对流”的话，就不会有这些存在于地幔层中清晰可见的分层介面。板块下软流圈并不普遍存在，在大洋中脊之下上涌的热岩浆一般只有200-300km，这也否定了全地幔对流说。
    即使存在地幔对流，板块也不会在地幔的对流运动中产生与运动。因为运动的物质在寇里奥利力的作用下，不做直线运动而做回旋运动。例如，在大洋的表面，大气在寇里奥利力的作用下，产生南北半球反向旋转的大气高压区。在地表流动的河水对河床右侧的冲击大于对左侧的冲击等。
    大洋板块是由中脊处溢出的岩浆冷却产生的，因此，若中脊处核裂变材料是富集的，则大洋板块就是由富含裂变材料产生的，而此不是事实。
    地幔对流的产生，需要在中脊与大陆板块边缘之间存在温度差，因此，这需要中脊下放射性物质相对较多，而大陆根处放射性物质少。这样才能在中脊处存在相对的高温造成对流的产生。但是，这种对流的存在会造成包括裂变材料在内的各种物质的混合而最终趋向均匀因此，为什么还在中脊处始终存在裂变元素的富含状态？这里溢出的岩浆中裂变材料的补充源在哪里？
    放射性物质在中脊出的富集优势不会总存在。
由于铀是亲氧物质，因此，它基本集中于地球的表层，地热学研究也指出放射性物质在地壳最多，放射性热量随着深度呈指数减小，因此说中脊下放射性物质相对较多，而大陆根处放射性物质少根本就不可能。
    维持对流的能量的一部分通过效率很低的塑性和固体摩擦方式去推动板块移动也是很困难的。
    为了配合这套理论，洋壳要下插，下插的洋壳和陆壳间需要很大的压力，二者之间是固体之间的摩擦，这个摩擦要比塑性地幔和洋壳之间的摩擦高效得多。尤其是这里主要是体现出板块之间的碰撞力 。地幔对流的拖曳力只有大于这个力才能推动版块的运动，但是目前没有试验证明，流动的岩浆与板块之间的摩擦力大于大洋板块与大陆板块之间的挤压力。若流动的岩浆与板块之间的摩擦力小于大洋板块与大陆板块之间的挤压力，就会造成流动的岩浆仍然在运动，而板块不能被拖动。就像汽车轮在泥浆中旋转而不能拖动汽车运动一样。
    地幔对流不可能等于板块的运动速度，这就会造成地幔对流能的摩擦损耗，这种损耗，能使地幔对流持续下去吗？
尤其是这种靠摩擦力拖动板块运动的同时，反作用力会使对流在背离中脊的方向上慢慢减速，这就会造成岩浆的堆积，最后从中脊溢出直接在大洋板块的上边像大陆板块方向流动，因为外边的阻力小于内侧的阻力，尤其是大洋板块表层存在明显的高度差，如太平洋板块南高北低，因此，从中脊溢出的岩浆根本就不会沿垂直于中脊的方向运动，而会聚集在太平洋板块的表层的北侧，在那里形成岩浆聚集区，而此不是事实。这说明大洋板块下根本就不存在从中脊到大陆边缘的对流。因此，地幔对流推动板块运动的思想根本就不成立。
    现有的裂变材料铀等是亲氧物质，主要存在于浅层。地热学方面得出的结论也是放射性物质在地壳最多，放射性热量随着深度呈指数减小，也就是说大洋中脊下放射性物质富集根本就不存在。
    对大洋中脊所做的侧扫声纳研究（Meyerhoff等，1997）表明，平行于洋脊的线性构造所反映的洋脊深部的流体，是沿着洋脊方向运动的，这一点在印度洋尤其明显，岩浆在印度洋中脊的表层沿中脊方向流动。这与板块构造的地幔对流理论不相容。
    还有，太平洋西岸的海沟、阿留申群岛，其构造弧几乎都是“凸面向洋，凹面向陆”，这在力的作用方向上与“大洋板块向海沟俯冲”的作用原理相悖。
    为什么岛屿都集中分布在大陆的东侧——亚洲大陆东侧，非洲大陆东西侧，而在大陆的西侧相对较少，且多为深海沟？
    科学家在非洲地区发现三个地壳分张带：西带，南大西洋洋脊带；中带，东非裂谷系统；东带，印度洋洋脊带（见下图）。按照板块说的理论，这是地球岩石圈上的三个南北向的裂谷分张系统。但在这里没有相应的板块的俯冲运动的存在。
    大西洋中脊非常发达，然而几乎见不到海沟。印度洋中脊有三个分支，也只有一条爪哇海沟。西太平洋存在大量海沟，同纬度又缺乏对应的大洋中脊；南半侧存在东太平洋中脊但西侧不存在大洋板块向西侧大陆板块下的俯冲，相反，在这里存在印度洋板块向太平洋板块下的俯冲（新西兰附近）。就全球范围而言，全球大洋中脊和海沟没有一一对应关系。
    新产生的印度洋板块俯冲到古老的太平洋板块下，这说明地势较低的太平洋的南侧一定翘起过。这正好证明了我的太平洋板块地下岩浆从北向南运动的思想的正确性。这是因为北大西洋的先产生，地下岩浆的溢出造成这里的大陆等下沉而反向挤压地下的岩浆，使其南移的结果。现阶段不断上升的洋面，仍不能抵消南太平洋板块的隆起和北太平洋板块的下沉，造成南太平洋板块的岛屿不断抬升！！！
    印度洋西侧为什么是体现拉张的东非大列谷而见不到向下俯冲的挤压运动的存在？
   
 
    对流力在中脊两侧应该是对称的，但由于与不同的大陆相连，所有中脊左右板块的重量是不一样的，因此，移动的速度不同，这会造成左右大洋板块的对称性消失，而此在大西洋我们找不到这样的事实。
    大洋中脊的不同区域存在高度差，在印度洋发现了中脊的岩浆沿中脊移动，但在其他大洋中脊没有，这说明在中脊处溢出的岩浆是缺乏流动性的，这样的岩浆自身流动都成为困难，怎能推动板块的运动那？
这样的问题很多，为了避免重复，我们将在下文中一边指出一边给出解释。
    地质学与人类生存和生活息息相关。但地质学对我们这个行星上海陆的起源、山脉的形成、地震与火山活动等一系列问题，至今不能给出科学的解释。
    真理只能有一个，地质学的基础理论－地壳运动与大地构造理论，从“冷缩说”开始，提出的假说不下上百种。互相对立的假说众多（收缩说与膨胀说，漂移论与固定论……），却没有一种是没有争议的。上世纪70年代开始，地质学接受了板块说，作为地球科学的基础理论。但是，经过40年实践检验，板块说暴露出重大缺陷。1994年5月“地球构造及其动力学”香山科学讨论会上，马宗晋院士总结发言中谈到：“已发现很多与板块理论不相符合的事实，大洋内也有很多现象不能用板块构造理论解释，过去作的深海钻探其实很浅。地球科学理论的发展已出现多元化局面和用新理论替代的趋势。已有很多新资料对其提出了质疑和否定”。