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近現代大地構造發展概況

2021/02/23   維加斯新聞報
梁光河

    摘要:大地構造是地球科學的上層建築,是研究地球演化的最重要學科。魏格納提出大陸漂移假說拉開了近現代大地構造研究的序幕,該假說認為大陸板塊漂浮在大洋上會發生大規模水平漂移。其動力主要包括向赤道的離極力,因地球自轉產生向西的力。之後地球物理學家經過理論計算發現這兩個力太小,不可能驅動大陸板塊漂移。因此大陸漂移學說被否認,為了解決大陸漂移的動力,海底擴張假說被提出,進而發展為板塊構造系統假說。可以說現代大地構造學說的發展歷程是三部曲:“大陸漂移說—海底擴張說—板塊構造說”,三個學說都是基於大陸漂移學說提出的“大陸塊漂浮在較重的粘性大洋軟流圈上”這一基本出發點。形像地比喻:“就好像很多輪船(大陸板塊)漂浮在大洋上(大洋軟流圈)”。它們的關鍵不同點是:大陸漂移說認為輪船能夠自己行走,海水是不動的;而海底擴張說和板塊構造說認為輪船是自己不會行走的,是依靠海水流動(動力源是地幔對流)帶動輪船行走。大陸漂移說之所以遭到後來者的拋棄就是因為其提出的驅動輪船行走的動力機制是錯誤的。之後美國科學家提出地體構造和超越板塊構造,現在大家逐步認識到地球歷史上存在多個超大陸聚合分離旋回,較大的大陸板塊大多由多個微板塊聚合而成,在漂移過程中又會發生裂解離散。地球表層大陸板塊的演化歷史就是“聚聚散散”的歷史。這種聚聚散散的地球演化歷史也非常合理地解釋了槽台學說所描述的地質現象,因此大陸漂移學說是一個完全向下兼容的學說。
1 魏格納大陸漂移說
    1915年,德國氣象學家兼地質學家魏格納(A. Wegner)在《大陸與大洋的起源》一書中正式提出了“大陸漂移”的概念,認為較輕矽鋁質的大陸塊漂浮在較重的黏性的矽鎂層之上,發生漂移。但受當時科技發展水平的限制,未能為該學說找到令人信服的證據,尤其是未能提出合理的動力學機制。

    為魏格納提出的大陸漂移模型,這裡稱之為舊大陸漂移模型以區別於我們提出的新大陸漂移模型。該模型認為大陸板塊和大洋板塊是分離的,大陸板塊密度小,漂浮在大洋板塊上發生漂移。存在的問題有兩個:第一,以南美洲為例,以花崗岩為主的堅硬的南美洲西部在漂移過程中,由於受阻產生了褶皺,形成了科迪拉山系。而很薄且含水柔性的以玄武岩為主的洋殼,並沒有發生顯著擠壓變形和褶皺,這與事實不符。更何況在大西洋裂解數千公里的過程中,該模型要求大陸板塊前部的洋殼縮短上千公里,如果這樣必然會在前部堆疊起來上百公里高的洋殼山脈,這也與事實不符。第二,在該模型中,魏格納提出的驅動力主要是地球自轉形成的向西運動力和指向赤道的離極力。後經地球物理學家計算,這兩個力都太小,僅僅相當於重力的百萬之一數量級,不足以推動大陸板塊漂移,更何況它們都是系統力,如果它們是主要驅動力,那麼地球上的所有大陸板塊應該統一向一個方向運動,這與事實不符。因此這一學說在提出不久後逐漸歸於沉寂。

2 海底擴張和板塊構造說
    直到20世紀60年代,通過大洋勘探發現了洋中脊的海底擴張現象,才為大陸漂移理論注入了新的生命力。 1968年,基於大陸漂移學說和海底擴張學說,一種新的理論——板塊構造學說被正式提出。板塊構造學說認為岩石圈(包括地殼和部分上地幔)的構造單元是板塊,板塊的邊界是洋中脊、轉換斷層、俯衝帶和地縫合線,板塊在洋中脊分離、擴大,在俯衝帶和地縫合線處下衝、消失。據此,全球可以劃分為六大板塊:亞歐板塊、太平洋板塊、美洲板塊、非洲板塊、印澳板塊和南極洲板塊。

    板塊構造學說強調板塊的大規模水平運動認為板塊可以產生、生長、消亡,而且這種變化可以定量預測。例如,大西洋洋中脊每年向外擴張約2厘米。 1974年在板塊構造學說的基礎上,“威爾遜旋回”理論被提出,用以解釋大陸岩石圈在水平方向上的演化過程。根據此理論,東非大裂谷和紅海會逐漸裂開成為新的大洋,大西洋仍將繼續擴張、面積不斷增大;而太平洋的面積已經在持續萎縮了。

    根據板塊構造學說,地幔對流是大陸漂移和海底擴張的主要推動力,具體機制為:洋中脊是地幔對流上升的地方,地幔物質由此處湧出、冷卻固結成新的洋殼,新形成的洋殼又把先前形成的洋殼對稱性地向兩側推移,於是自洋中脊向兩側呈條帶狀不斷地生長出新的洋殼。圖2說明在大西洋洋中脊擴張驅動力的作用下,南美洲大陸板塊向西運動。這個理論與大量的地質現象相吻合,能夠解釋海洋中和陸地上的絕大部分問題,故而迅速為主流觀點所接受。

    但是由於地球系統整體的複雜性,其中仍有一些難以解釋的現象,現有的理論尚有需要繼續完善的地方。特別是大洋中發現很多古老的大陸殘片(任紀舜,2015),這是海底擴張模型難以合理解釋的。還有諸多磁異常條帶並不平行洋中脊展佈也是海底擴張模式難以合理解釋的(梁光河,2020)。

    海底擴張假說對南美洲運動特徵的解釋中的問題,A是大西洋中發現的古大陸殘片的平面圖,B是海底擴張驅動機制剖面圖。大洋中發現大陸殘片是海底擴張難以解釋的。因為海底擴張認為動力源在洋中脊,這要求大洋殼和大陸板塊(即圖中的南美板塊,它包括南美洲大陸和大西洋板塊的西半部分)是以同一個速度在運動,如果這樣就不可能在大洋中散落古大陸殘片。大西洋中出現大陸殘片,意味著大陸板塊運動速度大於大洋殼運動速度,說明驅動力在大陸板塊本身。

3 板塊運動驅動力
    近現代大地構造發展的歷史就是尋找驅動大陸板塊運動的動力機制的歷史,無論舊的大陸漂移假說還是海底擴張和板塊構造假說,都是在尋找這個驅動力的驅使下一步步發展的。為什麼這個驅動力這麼重要?因為這是所有地質運動的原動力,例如地震是一個自然災害過程,地震與斷裂活動密切相關,但斷裂為什麼會活動?其驅動力是什麼?歸根結底也是板塊運動的驅動力起了主導作用。

    板塊運動的驅動力一直是困擾地學界的一個重要的科學問題。傳統的驅動機制模型主要有地幔對流(mantle convection)、俯衝板片拖曳(slabpull)、洋脊推擠(ridge push)等。地幔對流對板塊驅動是海底擴張假說的基礎,該機制的解釋初看比較合理,但實際存在不少問題:地幔對流是全地幔對流還是分層對流?在密度、粘度都很大的地幔中究竟能不能發生大規模的物質對流?如果地幔能夠發生對流,說明地幔主要顯示為塑性,那麼深源地震如何聚集彈性能量?深源地震如何產生?如果地幔不能發生對流,說明地幔主要顯示為脆性,那麼海底擴張又缺乏驅動力。另外其對流速度能否達到或超過板塊運動的速度?這些都是極具爭議的問題。

    俯衝板片拖曳力的核心是密度差(孫衛東,2019),理論計算表明當俯衝深度達到70 km以上時,洋殼開始轉化為榴輝岩,密度高於周圍地幔約3%,才能產生拖曳力。事實上洋殼密度小於上地幔密度,因此在俯沖開始階段,洋殼是阻礙俯衝進行的。那麼起始俯衝是如何啟動的?從沒有得到合理解釋,且該驅動機制難以合理解釋南美洲的運動特徵。由此可見單純的榴輝岩負浮力產生的拖曳力無論在物理基礎還是事實證據面前都缺乏說服力。

    洋脊推擠強調重力的作用,認為板塊從洋脊到海溝的運動,主要是由板塊前緣的不斷冷卻、下沉和順坡下滑所引起。認為這種下沉拖拉力比洋脊的推擠力大得多,並足以引起現今板塊運動。但這種基於海底擴張框架的對驅動力的解釋無法合理解釋大洋中的古大陸殘片,而且在大陸剛裂解開的時候,還沒有較大體量的洋殼產生,不會形成洋殼順坡下滑的巨大推力。

    但該模型中大陸地殼依靠自身體重順坡下滑的動力機制是正確的,那就是新大陸漂移動力機制,新形成的洋殼是大陸主動漂移拉伸後面洋殼形成的岩漿上湧。根據大洋地殼岩性和差應力結構特徵,大洋洋殼和下伏岩石圈是粘合在一起的,而只有大陸地殼和下伏岩石圈是解耦的,它們中間的解耦界面就是莫霍面。這說明大陸地殼能夠沿著傾斜界面以莫霍面為滑脫面發生漂移,而洋殼區域因不存在莫霍面附近的軟弱層則不能發生滑移,可以看出,在洋殼區域,大洋地殼和岩石圈是粘結在一起的。

    海底擴張模型要求大陸板塊的漂移方向必須垂直於洋中脊分佈。而新的大大陸漂移模型說明,大陸板塊漂移過程中,無論後面是否存在洋中脊並不重要,重要的是要存在一個地幔上湧,產生了一個斜坡。例如大陸板塊後面地幔上湧,除了形成洋中脊,還有火山島弧也是一系列地幔上湧的結果,也可以產生一個斜面,驅動大陸板塊發生漂移。

    總之,自大陸漂移學說提出以來,大陸漂移的驅動力來源是地球科學界一直在探討的卻又懸而未決的問題。雖然有眾多假說,包括地球旋轉離極力、地幔對流海底擴張、負浮力拖拽、洋脊重力推力等驅動力被提出來,但都難以合理解釋大洋鑽探中發現的諸多古大陸殘片,還有很多難以解釋的地球物理現象,比如並不是所有的洋中脊都與磁異常條帶平行。這說明基於海底擴張的板塊構造對大陸漂移的驅動力問題還沒有徹底解決。我們提出的新大陸漂移模型可能是徹底解決這個驅動力的一個新進展。

    魏格納為什麼錯了還能被無數人記住?因為他提出的大陸會大規模水平漂移是正確的,能夠合理解釋地球上的大地構造運動和所發生的地質現象,雖然動力機制可能是錯的,但主體思想沒有問題。而海底擴張和板塊構造的提出者,只有專業學者能夠記住他們的名字,並不被普通民眾記住,是因為他們的假說主體思想(動力機制)還存在很多爭議和問題。


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