最近十年来,地球科学经历了科学史上一次最为完整统一的发展。鉴于传统构造地质学以前所注重的只是地壳的上升、下沉和地质年代,故一种被称为板块构造学说的新概念已为其增添了第四个方面的要素。目前大规模的幅度达数千公里的水平运动已支配着对地壳变形机制的描述。板块构造的概念认为,地球岩石圈或地球表面的最外层,大致可以划分为七块厚度达100公里(60哩)的大刚性球面形盖体,或曰板块。这些板块漂浮在称作“软流圈”或曰地幔的部分熔化了的软薄岩层之上。除太平洋板块和印度洋——澳大利亚板块之外,其它五大板块中的每一块都是以像乘客般被动地嵌在其内的各个大陆而命名的,分别叫作北美洲板块、南美洲板块、欧亚板块、非洲板块和南极洲板块。另外还有几块较小的亚板块,例如纳兹卡板块、科科斯板块和加勒比板块以及一些微小板块。
板块和板块边界
理想的板块可以设想成矩形,板块的一侧是俯冲带,通常以大洋海沟为标志,在那里冷的岩石圈板块陡峭地俯冲潜入到地球的地幔中去,在其完全消融转化为地幔前,俯冲的深度可达700公里。板块俯冲带相反的一侧,分布着大洋中脊,或曰拉离带。当大洋中脊轴部裂谷张开时,其裂口会很快地被喷涌上升的液态玄武岩流和半固体的地幔岩石所充填,这些物质固结而形成了新洋壳。板块另外两个连接洋脊和海沟的相对边缘,称作转换断层边界。在那里,地壳既不会产生,也不会消亡。应用“转换”这个术语,是因为这些断层并不会被生长着的塑性地壳所吸收吞并,而是保持着它们线条分明的错动,直到它们混合交融成或转变为海沟或洋脊时止。板块的连接边界永远不会终结,而只会转变成其它类型的边界,最后形成一个镶嵌网而环绕整个世界。
相邻板块之间的边界可能有三种类型:① 发散边界,新的玄武岩地壳即产生于此。②剪切边界,亦即转换断层,板块在此被比作侧向滑动。③ 汇聚边界,亦即海沟区,二块板块在此互相迭复,其中一块俯冲潜入另一块之下并且消亡。据推断,消亡板块的总量与增生板块的总量恰好相等,因此地球既不致扩大也不会缩小。此外,俯冲的板块并不会完全被地幔所消融吞并,其某些成分(岩浆)会沿着上跨板块的前缘而侵入上升到地表。如果正像大多数情况那样,俯冲带乃系海洋性的,则这些物质形成的就是与海沟伴生的岛屿,如印度尼西亚群岛、日本列岛、菲律宾群岛,它们最后又可能被带至大陆边缘,并成为它的一部分。由于浮力作用,大陆不会俯冲消亡,当洋盆永无休止地处于生长和塌陷的冗长循环中时,嵌在密度较大的岩石圈板块表面的大陆,却始终幸存如故。
板块边界的汇合点称作三联结合点,因为三条边界不可避免地在此相遇汇合。地球上没有四联结合点或五联结合点,这一点或许是很重要的,但是其原因尚不清楚。
板块构造概念的演化
板块构造学说是对包括大陆漂移说和海底扩张说在内的几种早期构造地质学理论的综合。在称为联合古陆的那一大块陆地裂解以后,大陆曾像木筏那样在地球表面漂移了几亿年的这一意见纷纭的学说,最初是在五十多年前由德国的一位气象学家A. Wegener提出的,后来,诸研究者又使其作了进一步的发展。大量证据表明,大陆曾发生过漂移,比如非洲的西海岸和南美洲的东海岸之间在外观上表现出惊人的吻合,但是这一现象却被Wegener的反对者们看作为“软”材料,认为它们恰似意大利像靴子那样不足以说明任何问题。然而,大陆确实因为某种原因发生漂移这种设想,虽然在当时科学上似乎站不住脚,却继续萦绕在地球科学工作者的脑海中,令人难以完全摈弃,直到它由二方面的“硬”材料中获得了新生时止。第一方面的“硬”材料,利用了早就提出的地球磁场周期性倒转的假说。第二方面令人信服的证据来自世界范围的标准地震站网,这些站网原是为监听秘密的原子弹爆炸而建立于1960年的。
驱动力和热点
板块构造的学说中一个主要问题,是对地球表面地壳板块的驱动力尚未很好地加以解决。据此有人坚持在驱动机制尚未解释清楚以前,板块构造学说只能作为一种假说而存在,这也不是毫无道理的。一些地球物理学家们建议用来自地球之外的力,例如潮汐引力来解释之,但是这些想法一般很少得到支持,多少有些类似的是传统地被用来解释大陆漂移的地幔对流体(至少是那些旋回对流体)的假说,现在似乎也不复存在了。
新近的发现支持着板块正在被因冷却而变重的最老的边缘曳入俯冲消亡带的假说,岩石圈板块在大洋中脊产生时是炽热的,但是当它们增生带向外漂移时便逐渐冷却下来,达到完全的冷却至少需要一亿年的时间。此外,当这些冷却了的岩石圈板块向着洋沟俯冲沉降时,逐渐加大的压力势必会在岩石和矿物中导致某些多相变化,这些变化在低温条件下更易发生,并因此而使得冷板块的重量加大。
虽然地壳板块的这一拖引下行假说,似乎很有道理,但是它不可能是驱动力的全部所在,内中必定有多方面的力在相互作用和相互影响,比方说,虽然有些板块,像北美洲的板块和南美洲的板块,它们并不沿着任何边缘俯冲和消亡,但显然所有的板块都发生了漂移。
以前,地质学家通常认为袋状熔岩系发生于靠近地球表面的地方,然而现代发现却把岩浆源归于不断加大的深度,这种深度有时竟可达数百公里。一种极端的主张,甚至认为俄勒岗镍铁矿(一种多少类似发现于陨石中的原生铁镍矿)起源于位于地球表面下约3000公里处的地幔 - 地核的边界处。虽然这种解释看来毫无把握,然而岩石学家们现却已查明所谓的“热点”,其中100多个已得到了验证,确实是源自地幔的深处。
热点就是像散布在积云底下的空气上升通道一样,通过地幔而上升的熔岩柱。很可能热点在驱动板块漂移方面也起着某种作用,因为它似乎总是沿着大洋中脊和三联结合点而出现。它可能通过压迫岩石圈上的薄弱地带而控制着最初发生裂解的位置,也许来自热点中心的粘滞岩石的向外溢流,还对岩石圈造成了一种曳力,而这种曳力有助于将板块从岩浆上升柱处拉离开来。然而,值得注意的是地球上最主要的热点——夏威夷岩浆上升柱,造成了夏威夷群岛皇帝海山链,却没有导致太平洋板块的裂解。
老板块和新板块
板块构造学说认为,当新的板块形成以取代老的板块时,老的板块通过俯冲作用而消亡于海沟之中。现今的太平洋是一个收缩型的大洋,大西洋是一个扩张型的大洋,印度洋则兼备两者的特点。太平洋东北部一个急剧弯曲的磁异常模式(大磁湾),据解释与以前的一个三联结合点有关,亦即和库拉板块有关,该板块现已下滑进入阿留申海沟而完全消失。太平洋中还有另外一些板块,而今也只剩下一些孑遗,如北加里福尼亚和俄勒岗岸外的戈尔达板块。
如果板块构造的地球系处于稳定状态中,这从哲理上讲似乎是最令人满意的了,那么,或者是新板块必须不时形成,或者就是现存板块的漂移矢量必须常常大幅度地重新组合。
地球科学家们尚不知新板块究竟是如何形成的,他们只能这样作一个科学揣猜,即板块产生熔化的岩石,并随着时间的推移而逐渐冷却,如此,板块远离大洋中脊的较老部分比起下伏的软流圈来,密度就似乎要略为大一些。而由于这种密度上的倒置,板块就易于沿某些薄弱地带碎裂,并沿碎裂的边缘而沉陷到上地幔中去。反过来,这作用过程又要求板块需在另外某个地方拉离,形成裂谷,新的洋壳就由此上升溢出。红海似乎就是现代诞生这种新洋盆的例子。
大陆的碰撞一定亦有相当大的影响,因为由于浮力的缘故,它们不可能俯冲潜入海沟。现代的例子是非洲和欧洲的碰撞以及印度和亚洲下腹部的碰撞,前者可能发端于大约三千万年以前,它使迭置其上的欧亚板块的前缘部分上升形成了阿尔卑斯山,并似乎使非洲板块从那时起开始处于相对的静止状态,后者可能发生在同一时期,它在印度板块下冲插入亚洲板块时,使得喜马拉雅山高高崛起,这是世界上唯一一座在高度上能与夹在世界大陆和大洋盆地之间的大陆坡等量齐观的山峰。似乎有一块像印度次大陆本身那样大的陆壳碎片,业已潜入亚洲大陆之下,并且正在沿着大陆的底部在滑动,结果使得西藏高原明显地具有二重大陆那样的厚度。这个概念已经得到了地震证据的支持。
联合古陆的演化序列
大陆在过去已经漂移了二亿年的概念,现在已经明确无误了。然而,同样清楚的是,联合古陆——大陆的裂解和发散,几乎肯定并不是一次绝无仅有的偶发事件,它仅仅是发生距今最近的一次事件而已,凝结在固结的玄武岩中的“化石指南针”,记录着地球磁极的观测位置,它们和今天地球磁极的位置是很不相同的。在旋转的地轴实际上保持不变的情况下,地球磁极的位置却发生了如此明显的变化,显然是由于在地球长达四十六亿年的历史中,至少是后二十七亿年里,岩石圈肯定发生了大规模的水平漂移。在漫长的地质史上,大陆肯定曾几经聚合,成为早先的联合古陆而又几次裂解和发散。现今平均每年为6.6厘米的速度漂移,足以使一块大陆从大约开始于六亿年前的寒武纪初期起,环绕地球40000公里的圆周漂移一周。
有理由认为,在太古年代最初的几十亿年中,地球是没有板块构造的,它只有一块像火星、木星和月球上那样刚性的凝固不变的地壳。
大陆在裂解之后又能再次缝合成统一的联合古陆,这看来似乎是很奇怪的,但是地球是球形的,这样的结合本是板块构造运动图式中的格局。比方说,以地球从现在起再过一亿年后的情况为例,到那时,现代主要的漂移矢量太平洋,将因太平洋板块的消亡殆尽而完全闭合,同时大西洋将不断扩大,终于连成一片而形成一个泛大洋,从而使西半球(美洲)与大洋洲和亚洲缝合在一起。到那时,只有南极洲还能继续作为一个独立的岛陆而存在。
实际应用
1976年7月,中国东北部北京以东发生了一次大地震,造成了巨大损失,夺去了许多人的生命。中国人一向被认为在发展地震预报技术上是颇有所长的,然而对于这次地震,他们显然几乎没有预感。中国这次地震是板块内地震的一个实例,这是用板块构造理论仍难以加以解释的一种地震。地质学家们认为,厚厚的大陆板块就像包覆在活动地幔上的一层坚硬的壳皮,因此大陆上的震中只不过间接地反映了上地幔中的剪切活动而已。
虽然在找矿过程中,盲目地凭直观和运气瞎找一气,有时确实会比用科学方法找矿获得更大的成功,比如到夏威夷群岛和冰岛的玄武地带去寻找金子,这听起来是可笑的。板块构造学说,正在使人们对于地球有一个更透彻的了解,从而可以使人们知道应该到哪里去找金属、非金属和能源。在找石油的过程中,大陆起伏的情况尤为重要,因为它们可能指示出恰好在最初的裂解以后形成的古三角洲堆积,或巨大的盐类沉积的存在,而这些沉积、堆积所创造的条件,是有利于石油的聚积和貯存的。板块构造学说在指导探矿上十分有用,这已经越来越清楚了。近来据指出,世界上大部分斑岩铜矿都分布在古代或现代的俯冲带上。
方兴未艾的变革
无论从哪个角度看,板块构造学说都是一种健康发展中的概念。它和地球行星探索学科一起,成为当今地球科学中最令人心往神驰的“热门”,它已经逐渐被公认为是全球构造的最好模型,地球就是按照它的模式在运动着的。
对板块构造这一新学说的接受是十分突然的,而且很少有具有说服力的反对意见。事实上,反对派已经被大量颇有分量的新证据所压倒和制服,用普林斯顿大学地质学家K. Deffeyes的话来说:就是百分之九十九的职业地质工作者,其中包括相当一批曾在出版物上公开讲过大陆漂移是不可能发生的人,已经不得不承认他们以前是错了,一切都有待于重新谱写。
[《The Science and Future》,1978]