板块构造的驱动力与速度

1.驱动力问题

板块构造的驱动力尚未被明确地查明,目前的解释是与塑性的软流圈在大对流圈中不断缓慢地搅动有关。根据这种观点,热的物质在扩张脊上升,部分溢出形成新的岩石圈,其余的物质在岩石圈之下向旁边扩张,并在这一过程中慢慢地冷却。当它向外流动时,它拖曳着上覆的岩石圈随它一起向外,所以脊部不断地扩张;当它冷却的时候,流动的物质密度变得大到足以使其向深处沉降回到软流圈。这种现象也许正在消减带下发生。

软流圈中是否有这种对流现象,至今尚未明确地证实,流动的软流圈能否有足够的力量将其上覆的岩石圈产生侧向的推动,并构成对流,这些亦有待证实。目前有另一种解释,即消减带上密度大,向下俯冲的板块可以拖曳其后缘板块的其他部分一起运动。最有可能的是上述这些机制的综合,引起板块产生运动,当然亦可能有其他的机制尚未发现。

2.板块运动的速度

板块运动的速度和方向可以通过多种方式来确定。如前所述,大陆岩石古地极可用于确定大陆是如何漂移的。而海底扩张是确定板块运动的主要方式。海底扩张的方向是从脊部向两侧运动。海底扩张的速度可以通过对海底岩石年龄的测定以及所测岩石距洋中脊轴部的距离获得。例如,在距脊部100km的地方采集到一块年龄为1000万年的海底样品,这表示在这一时段内海底扩张的平均速度100km/1000万年。即其速度约是1cm/a。

通过地幔热点亦可研究板块运动速度和方向。如前所述,在地球上分布着与板块边界无关的独立火山活动区。这些火山反映了热点之下的不寻常的地幔。如果我们假设当岩石圈板块从其上部移过时,地幔热点在位置上保持固定,其结果应该是最年轻的火山,最靠近热点。仍以夏威夷火山岛链为例。夏威夷岛有活火山,最靠近地幔热点,中途岛与夏威夷岛相距2700km,其火山年龄为2500万年,该时期地幔热点(即板块)移动的速度是2700km/2500万年,即约11cm/a,而运动方向是自东南向西北。大约在4000万年前火山链方向转向北,即板块运动方向转变。大陆也会有地幔热点,只是大陆地壳较厚,不易被穿透,难以发现。

目前,发现的板块运动平均速度为2~3cm/a,亦有测到大于10cm/a的。这种看来数值不大的运动速度,积累起来将十分惊人。试想每年2cm的速度,100万年将是2000km的漂移,而100万年仅是地球历史中非常短暂的瞬间。从洋底岩石的测定,最老的板块构造运动已有2亿年的历史,而大陆岩石磁性的测定已可重建10亿年古磁极的位置,大陆上未受扰动的古老岩层较少,使了解板块运动究竟有多古老产生一定难度。但目前地质学界相信,大陆在地球表面漂移至少已有20亿年的历史。在塑造地球形态方面,板块构造起了主导作用,今后仍将继续下去。

3.板块构造与岩石循环

根据岩石循环的概念所有的岩石都是相关的。按板块构造的观点来看岩石循环,则是新的人成岩形成于扩张脊或消减带中软流圈岩浆的上涌。岩浆冷却所散发的热可以导致变质作用,伴随着以升高的温度改变围岩结构或矿物成分的重结晶作用。这些围岩的一部分也可以自行熔化形成新的人成岩。在敛合边缘的板块碰撞作用,通过增加作用于岩石上的压力也产生变质作用。大陆的风化和剥蚀使所有的原生岩石成为沉积物。这些沉积物的大部分将被搬运至大陆边缘,在那儿沉积在深水盆地中。通过巨厚沉积物之下的埋藏作用,它可以固结成沉积岩。沉积岩也可以通过板块边缘的应力和岩浆活动被变质,甚至被熔融。部分这些沉积岩或变质物质随着俯冲的大洋岩石圈被往下携带,被熔化以及最终重新循环成火山岩。所以板块构造活动在地球上不断进行,在原生旧岩石形成新岩石的过程中具有重要的作用。

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