(六)板块的趋动力问题
是什么力量趋动板块进行运动?这是举世重视的问题。很早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。大陆漂移说曾认为大陆是在某些原因下主动漂流;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平运动。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平运动。也有人认为地幔是固体,热只能靠传导来传递,就像对铁加热一样,而不可能产生对流。还有一种看法,认为地幔物质粘度太大,难以发生对流。
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已达122处。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,有人企图用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)。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,而是被一种力量拉下去的,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,可能实际是存在的,但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,但他们认为板块俯冲时,向下的拉力起了重要作用。
(七)地体的概念
在板块构造学说中,关于构造事件和造山作用的模式,只有岩石圈板块俯冲作用和板块碰撞作用所形成的岛弧、火山和褶皱山脉等。但近年人们发现了很多以断层为边界的地质实体,这些地质实体与其相邻区域相比,显示出具有不同的地质构造、沉积建造、生物化石群落、地质历史等,但却不具有俯冲或碰撞的痕迹,而只显示出是从遥远距离迁移(或漂移)而来的与原地地质体拼贴或联结在一起的特征,这种呈独立于邻区的外来体称为地体,或称构造地层地体。换言之,地体就是通过不同途径拼贴或联结在大陆边缘或褶皱带边缘的外来的岩石圈碎块或岩片。
地体的概念,是1972年在研究美国西部加里福尼亚州克拉马斯山中、晚古生代地层和中生代三叠-侏罗纪地层时发现它们拼贴在一起而提出来的。后来,在美国阿拉斯加和加拿大西部,发现古生代岛弧岩石组合和中生代地层的拼合特征,建立了北美大陆地体拼贴带中的第一个典型实例——兰格利亚。地体概念的提出,对现代岩石圈板块构造模式是一种补充,即除了俯冲和碰撞造山形式外,还有不俯冲不碰撞的地体拼贴这种模式。
但是,迄今对地体的含义还有不同的认识。D.琼斯(1983)认为地体是为断层所围限、具有区域性延伸的地质统一体,以具有与其毗邻地区不同的地质发展史为特征,地体的规模尺度可大至仅次于大陆,也可以小至仅有几平方千米。D.豪威尔和郭令智等认为地体既是板块的一部分,也是推覆体的一部分。地体可以是岩石圈板块解裂开来的一些小片或地壳板片,板块和地体的区别就在于前者是伸入地幔的“有根”块体,而地体一经漂移拼贴在大陆边缘上,则实际上已脱离了深部基础。地体也可以是逆冲或滑脱所形成的巨大推覆体,成为具有一系列叠瓦构造的岩片。无论是哪种形式的地体,它们都是外来系统,和原地系统在岩石、构造、生物群、生态等方面有本质的区别,而且古地磁位置、同位素年龄等也有极大差异。地体拼贴形成增生构造,往往改变了原来的地壳或板块平衡状态,产生新的俯冲运动;或者使增生的地体再剪切成碎片而分散,形成离散地体。地体的增生和离散,都是在一定的地质时代和一定的地区发生的,同一定的构造事件或地壳运动密切相关。
我国许多地区都可以发现地体构造的实例。如浙江西北部和东南部,被一条NE-SW向大断裂所分割,这两部分呈现明显的地质不连续现象,二者基底也迥然不同,其东南一块被认为是拼贴上来的地体。又如天山褶皱带,也发现有许多地体拼贴构造。再如海南岛,根据白垩纪岩石样品古地磁测定,当时是位于现今北部湾地区与华南大陆连在一起,在白垩纪晚期因地壳拉张作用,海南岛向南漂移到当前位置。除此,台湾岛也是从大陆分离出去的离散地体,于新生代初迁移到现今地点。
(八)板块构造学说存在的问题
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予以解释,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,但仍然是处于求索过程中。除此,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。又如,陆壳厚度很大,可达数十千米,褶皱变形非常复杂,而洋壳厚度很小,最薄处只有5—6km,却不曾褶皱而只作刚性运动,这样现象也是一时不容易讲清楚的。
但是,板块构造理论的建立有着众多的科学依据和测量数据,其科学基础是坚实而深厚的。随着日新月异的科学手段的应用、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信息资料外,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科拉半岛上钻出了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迪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”。
本世纪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划。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划的工作,中国是最早参加国之一。1990年已经执行一个新的岩石圈研究计划,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。
综上所述,板块构造学说在新形势下一定可以获得更大的成就,同时整个地球科学也将会取得辉煌的成果。