第七节 板块运动的驱动机制
地球作为一个处于转动状态的行星，它表层的板块运动显然主要与地球的深层活动有关。对此，地球科学家们提出了种种假设和推测，其中主要的是地幔对流说。
地幔对流的设想最早是由英国地球物理学家霍姆斯（A.Holmes）于1928年为解释魏格纳的大陆漂移而提出来的，霍姆斯的这一设想使大陆漂移说渡过了它最为艰难的时期。由于这一设想在当时可能过于超前，所以，对很多地质学家来说也很难对它作出评价，直到20世纪60年代经赫斯和迪茨等学者的努力，才使霍姆斯的“大陆被载在地幔对流传送带上移动”这一设想成为光辉的学说（图5．32）。
现已得知，地幔对流是地球内部能量——热力和重力联合作用的结果。热力主要来自放射性物质蜕变的热能（主要能源），重力主要来自物质重力分异释放出的重力能。尽管地幔基本上是固体的，但在高温及长期应力作用下能发生缓慢的塑性流动，热而轻的低密度物质上升，形成上升流，上升流在岩石圈底部附近向外扩散，转变为背弛的水平流，相向而行的水平流因热传导变冷而汇聚向下，形成下降流，下降流在地幔深处分散，形成反向水平流，尔后补给上升流，如此循环往复即形成了地幔物质的对流运动，即对流环。实验岩石学的证据是，借助室内高温—高压实验可精确地绘出熔点—压力（深度）曲线，通过测定大陆、大洋的热流值可以绘出温度—深度（压力）曲线，将这两类曲线绘于一张图上（图5．33），即可分别求出大陆和大洋温度随深度增长曲线与熔点—压力曲线的两个交点，由于交点深度与地震波所确定的低速带，即软流圈的深度大体一致，表明岩石圈板块可能是在其上发生位移的。另据艾里亚马（Iriyama，1977）的估算，地球演化期间丧失的能量约为2.9×1026J，其中地幔对流丧失的能量约为 2.1×1026J，占 72.4％，热传导丧失的能量占 27.5％，其余为火山、热泉等所散失。因此，地幔对流是地球热能传递、消耗的极为重要的机制，板块运动的能量可能主要是通过地幔对流供给的。因此，一般认为，驮在软流圈之上的岩石圈板块是由于地幔对流的拖曳作用而运动的，地幔上升流使板块分离，下降流使板块聚合。
关于地幔对流的模式，20世纪60年代一些学者主张对流可囊括整个地幔，而另一些学者则认为对流仅限于软流圈（图5．34），当时的倾向性意见则是软流圈对流。到了20世纪90年代，虽仍有两种不同的认识，即地幔分层对流（上地幔及上、下地幔分别各自对流）和全地幔对流，但最新研究成果的倾向性意见则是全地幔对流，因为由于分层对流的670km的不连续面深度是一个（Mg，Fe）2 SiO4系统的矿物相转化深度，该反应为吸热反应，计算表明，仅靠此热效应还不足以引发地幔分层流动，地震层析技术也没有发现全球性670km深处的地幔的显著不连续现象，因此一些学者认为，地幔分层对流只是局部的或过渡性质的，而全地幔对流则是主导性的、稳定的地幔物质循环方式。
另据我国学者谢鸿森等人（1997）的研究，地幔中可能存在5种形态的对流，它们是全地幔大尺度对流、上地幔小尺度（二级）对流、层状对流、D″层中小尺度对流和热（羽）柱对流，这5种对流构成了地幔热动力系统，图5．35是这一系统的一种理想模式。
由于全地幔大尺度对流，对流空间较大（600～ 10 000km），所以它仍然是全球板块构造的热动力学基础。对于一个宽约8000km的对流环，如果板块运动的速率为2cm/a，则其完成一个对流循环的时间为1×109a。这一循环时间对于地幔动力学和构造学是很重要的。因为地球的年龄大约为4.6×109a，如果此种形态的对流开始于地球形成地幔及地分异之后，那么地幔仅仅被搅动5次或者多一些。因此可以认为地幔，特别是下地幔仍是不均匀的，它可能保持了分异之后的原始状态。上地幔小尺度对流，同样由于它的对流空间较小（500～600km），所以它可能在区域或板块内部构造学中起重要作用。层状（分层）对流并不在全球范围内发生，它可能是全地幔对流的一部分，也就是说，全地幔对流包括两种形态，单一环形对流和多层环状对流。D″层位于地幔底部，是一个厚200～300km的薄层，其对流尺度为100～200km的极小尺度热对流，虽然它更多的是受其内部对流系统的控制，但通常将D″层看作全地幔对流的下边界热边界层。热羽柱对流虽然并不能作为全球板块运动的驱动力，但它（热点）可以用来构成不动框架来描述板块绝对运动。热羽柱的活动是连续的，但在地质时间尺度上它又具有一定的间歇性，这可用于解释热点轨迹分布的图像。
板块运动也还有其他驱动力源说，如重力体力驱动的推—拉模式（W.M.埃尔萨塞，1967），该模式认为在重力场中运动的板块，主要是受洋脊推动力和下沉板片的拉力而运动的。由于岩石圈板块向西漂移和东西反对称性，所以我国学者（马宗晋等，1992）认为，用岩石圈与地幔之间发生了差异性运动来解释可能更合理一些，而这种差异运动的实质则是由于地球自转运动中地核、地幔、岩石圈三个层次之间的角速度差异所引起，地幔转速最快，岩石圈次之，地核转速最慢。当然，从力的量级考虑，上述惯性力差异可能并不足以推动板块相对运动持续地进行，但它可能是重要的导向和触发作用力。
学者们普遍认为，地球科学发展到今天，可能已不能用某一种单一的驱动力源来解释复杂的岩石圈板块运动了。根本的动力源应是地球内部的能量，主要是放射性元素衰变释放的热能和地球转动惯性力的综合。考虑到板块运动的非平稳性和节律性，还需要考虑大气层，以及地外天体对地球动力的影响。所有这些也还必须考虑一个时间因素，还必须在动态中进一步探索板块运动驱动机制的方方面面。