板塊運(yùn)動(dòng)地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制探究

方　曙

1　內(nèi)蒙古自治區(qū)第十地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，赤峰市王府大街東段，024005

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板塊運(yùn)動(dòng)地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制探究

方曙1

1內(nèi)蒙古自治區(qū)第十地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，赤峰市王府大街東段，024005

對(duì)前人提出的多種地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制特別是地幔對(duì)流說(shuō)進(jìn)行剖析，提出板塊運(yùn)動(dòng)地球動(dòng)力來(lái)源于地轉(zhuǎn)離極作用和旋轉(zhuǎn)半徑變化造成的地轉(zhuǎn)不同步作用，并受到剛性巖石圈板塊應(yīng)力平衡作用、慣性作用和彈性作用等內(nèi)在規(guī)律的制約，另外規(guī)律性的固體潮作用和偶然性的隕石撞擊作用是影響板塊運(yùn)動(dòng)的附加應(yīng)力因素。

板塊運(yùn)動(dòng)；動(dòng)力學(xué)機(jī)制；巖石圈；旋轉(zhuǎn)半徑；離極同步說(shuō)

板塊運(yùn)動(dòng)機(jī)制是板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)的研究重點(diǎn)。以往的各種地球動(dòng)力假說(shuō)(包括地質(zhì)研究早期的地球收縮說(shuō)、地球膨脹說(shuō)、地球脈動(dòng)說(shuō)；從1895年開始占據(jù)近一個(gè)世紀(jì)統(tǒng)治地位的槽臺(tái)學(xué)說(shuō)；近代伴隨著大陸漂移說(shuō)、海底擴(kuò)張說(shuō)和板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)產(chǎn)生的地幔對(duì)流說(shuō)、地幔柱說(shuō)、涌流構(gòu)造說(shuō)；我國(guó)地質(zhì)學(xué)家提出的地質(zhì)力學(xué)說(shuō)、多旋回構(gòu)造說(shuō)、地洼說(shuō)、斷塊說(shuō)和波浪狀鑲嵌構(gòu)造說(shuō)等)從某一個(gè)或某幾個(gè)方面的地質(zhì)現(xiàn)象來(lái)分析，都有其合理性，但結(jié)合不同的地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行分析時(shí)就會(huì)矛盾重重。因此，建立一個(gè)完善、科學(xué)的板塊運(yùn)動(dòng)地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制學(xué)說(shuō)顯得尤為重要。

1　前人提出的地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制

1.1地幔對(duì)流說(shuō)

地幔對(duì)流是“地幔物質(zhì)由于熱量的增加，密度減小，形成熱流上升，達(dá)到地殼下部再向不同方向分別流動(dòng)，隨著溫度的下降，又轉(zhuǎn)向地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的過(guò)程”[1]。20世紀(jì)60年代以來(lái)，地幔對(duì)流的思想成為解釋海底擴(kuò)張和板塊運(yùn)動(dòng)大地構(gòu)造學(xué)說(shuō)的重要理論之一[2-3]。但也有很多學(xué)者對(duì)地幔對(duì)流說(shuō)提出質(zhì)疑[4-5]。

1)地幔對(duì)流說(shuō)在現(xiàn)實(shí)板塊構(gòu)造以及板塊運(yùn)動(dòng)地質(zhì)歷史演化過(guò)程中找不到實(shí)例。根據(jù)板塊構(gòu)造現(xiàn)實(shí)及板塊運(yùn)動(dòng)歷史分析，在同一個(gè)大洋中找不到俯沖和拉張同時(shí)發(fā)生、發(fā)育一個(gè)完整的理論對(duì)流環(huán)的實(shí)例。如現(xiàn)今的太平洋板塊，其東北部的洋中脊已經(jīng)俯沖到北美大陸之下，且洋中脊與俯沖帶交叉，該巖石圈之下無(wú)法推測(cè)所謂的地幔對(duì)流環(huán)；再如自白堊紀(jì)以來(lái)斷續(xù)拉開的大西洋本身并不存在板塊俯沖，用地幔對(duì)流(環(huán))作為動(dòng)力解釋似乎無(wú)能為力。

2)地幔對(duì)流說(shuō)是驅(qū)動(dòng)板塊運(yùn)動(dòng)動(dòng)力的觀點(diǎn)違反物理學(xué)基本原理。地幔對(duì)流為板塊運(yùn)動(dòng)動(dòng)力源包括推、運(yùn)、拉3種動(dòng)力模式。

首先為推的模式。其認(rèn)為“大洋中脊頂部乃是地幔物質(zhì)上升的涌出口，上升的地幔物質(zhì)冷凝形成新的洋殼，并推動(dòng)先形成的洋底逐漸向兩側(cè)對(duì)稱地?cái)U(kuò)張。隨著熱地幔物質(zhì)源源不斷地上升并形成新的洋底，先成的老洋底不停地向大洋兩緣擴(kuò)張推移”。但巖漿上涌的應(yīng)力是朝上的，噴發(fā)又是開放環(huán)境，如何把巖漿向上的力轉(zhuǎn)化為向兩側(cè)的擠壓應(yīng)力？在遠(yuǎn)端大陸板塊之間碰撞褶皺造山的同時(shí)，為何洋中脊以及近端相對(duì)較薄的大洋板塊卻沒(méi)有被擠壓褶皺而顯示拉張?zhí)卣鳎?/p>

其次為運(yùn)的模式。假定地球內(nèi)部存在地幔對(duì)流運(yùn)動(dòng)，并假設(shè)地幔對(duì)流運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中是靠巨大的齒輪帶動(dòng)地球表面固體巖石圈移動(dòng)，而且?guī)r石圈底部也有與地幔對(duì)流圈咬合的巨大齒輪。根據(jù)物理傳動(dòng)理論可知，帶動(dòng)基本上閉合在一起的巖石圈向前運(yùn)移需要足夠大的動(dòng)力，且齒輪要堅(jiān)固地附著在巖石圈和地幔循環(huán)外圈上。但實(shí)際上，地表向下幾km巖石剛性就開始變?nèi)?，再向下逐漸變?yōu)轫g性或半塑性狀態(tài)，而且?guī)r石圈板塊與地幔上部之間不但沒(méi)有咬合的齒輪或者高度黏合在一起，反而兩者之間存在著液態(tài)的、完全起潤(rùn)滑作用的高溫巖漿軟流圈。因此，即使地幔對(duì)流真地存在，也不可能帶動(dòng)漂浮在軟流圈之上、基本閉合的剛性巖石圈前行。

最后為拉的模式。其認(rèn)為“俯沖帶處冷的洋殼下沉”，“洋殼下沉拽動(dòng)后面的洋殼運(yùn)動(dòng)”。這種觀點(diǎn)存在一個(gè)誤區(qū)，即把熱與輕、冷與重等同起來(lái)。因?yàn)閷?duì)流的原理是液-氣態(tài)物質(zhì)因溫差或濃度差引起密度差造成的，并非存在熱物質(zhì)與冷物質(zhì)就能進(jìn)行對(duì)流。冷的洋殼比重(平均密度3.0 g/cm3)小于熱的地幔比重(上地幔3.4 g/cm3、下地幔4.7 g/cm3)，由于液體中物質(zhì)的沉浮與溫度無(wú)關(guān)而與比重有關(guān)，在沒(méi)有外力作用的情況下，小比重的洋殼不會(huì)自動(dòng)下沉到大比重的地幔之中，當(dāng)然也就不會(huì)拉動(dòng)后面的洋殼運(yùn)動(dòng)。同理，由于上面相對(duì)輕的巖石或者巖漿不會(huì)自動(dòng)下沉，下面相對(duì)重的地幔物質(zhì)也不會(huì)自動(dòng)上涌，因此，在無(wú)外力作用的情況下，所謂的地幔對(duì)流也就無(wú)從談起。

3)地幔對(duì)流的支持證據(jù)之一是地幔柱的存在[6]。地幔柱是“深部地幔的一股上升的圓柱狀固態(tài)物質(zhì)的熱塑性流”，即從軟流圈或下地幔涌起并穿透巖石圈而成的熱地幔物質(zhì)柱狀體[1]，在水平面上是點(diǎn)狀而非線狀上升的熱塑性流，應(yīng)力也是向上的，其與推動(dòng)地殼運(yùn)移的動(dòng)力似乎沒(méi)有直接關(guān)系。即使點(diǎn)狀地幔柱真地發(fā)育也不能證明其就是強(qiáng)大的板塊運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)力。

因此本文認(rèn)為，地幔對(duì)流是驅(qū)動(dòng)板塊運(yùn)動(dòng)動(dòng)力的觀點(diǎn)缺少嚴(yán)密的物理學(xué)理論支撐。且地幔對(duì)流是否存在還不得而知，但可以推測(cè)地幔流動(dòng)應(yīng)該存在：1)大陸板塊拉張和收縮造成大洋板塊的增生和俯沖消亡，必然造成巖石圈之下地幔物質(zhì)發(fā)生補(bǔ)償性和排擠性運(yùn)移；2)比重較小的包括含水和含有機(jī)物的沉積物(巖)的固態(tài)洋殼俯沖進(jìn)入比重大的地幔之中，在熔融后變成較輕的巖漿，加上高溫及化學(xué)變化生成的氣體和液體就會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，直至侵入或者噴發(fā)。由于上升物質(zhì)分散在畢鳥夫帶之上，必然造成畢鳥夫帶附近和其上地幔擾動(dòng)。

1.2其他地球動(dòng)力學(xué)說(shuō)

16～17世紀(jì)歐洲學(xué)者提出收縮說(shuō)和膨脹說(shuō)以及兩者交替的地球脈動(dòng)說(shuō)，現(xiàn)在看來(lái)其認(rèn)識(shí)過(guò)于單純。19世紀(jì)霍爾、丹納等提出的槽臺(tái)學(xué)說(shuō)看到了穩(wěn)定的地臺(tái)之間存在強(qiáng)烈活動(dòng)造山的地槽這種表象，卻沒(méi)有認(rèn)識(shí)到巖石圈存在大規(guī)模水平運(yùn)動(dòng)，未找到槽臺(tái)演化的真正原因。1912年德國(guó)氣象學(xué)家魏格納提出的大陸漂移說(shuō)找到了認(rèn)識(shí)地殼運(yùn)動(dòng)的正確入口，發(fā)現(xiàn)了中生代以來(lái)大陸與大陸之間的分離運(yùn)動(dòng)。1915年出版的《海陸的起源》一書中給出的力源是“因地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向赤道的離極力，因地球自轉(zhuǎn)受日月引力而產(chǎn)生向西的潮汐摩擦力，重力均衡產(chǎn)生的垂直向上的力”。由于當(dāng)時(shí)的地球物理學(xué)家計(jì)算，東西向的潮汐力根本不足以推動(dòng)大陸的漂移，因此這種動(dòng)力原因很少被后人承認(rèn)(筆者認(rèn)為地球自轉(zhuǎn)作為大陸漂移源動(dòng)力這一大方向無(wú)疑是正確的，魏格納幾乎找到了大陸漂移的原因)。20世紀(jì)60年代初，美國(guó)地質(zhì)學(xué)家赫斯和迪茨提出海底擴(kuò)張說(shuō)，在古地磁勘測(cè)和大量的大洋鉆探探索過(guò)程中，逐漸證明了大陸漂移和海底擴(kuò)張的客觀真實(shí)性。這一學(xué)說(shuō)使地球動(dòng)力學(xué)研究向前發(fā)展了一大步，但其認(rèn)為海底擴(kuò)張的動(dòng)力來(lái)源是地幔對(duì)流，再次把這一研究引向了一條缺乏可操作性、可能永遠(yuǎn)無(wú)法證實(shí)的不歸路。板塊構(gòu)造說(shuō)歸納和發(fā)展了大陸漂移說(shuō)和海底擴(kuò)張說(shuō)，是當(dāng)今最具影響、最能客觀反映地殼空間形態(tài)、分布特征、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)規(guī)律的全球大地構(gòu)造學(xué)說(shuō)，遺憾的是至今未能對(duì)動(dòng)力來(lái)源問(wèn)題作出合理的解釋。涌流構(gòu)造說(shuō)認(rèn)為，軟流圈涌動(dòng)是造成板塊運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源，其與地幔對(duì)流說(shuō)相似，也無(wú)法解釋造成板塊大規(guī)模移動(dòng)的動(dòng)力問(wèn)題。李四光[7]提出地球構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)相關(guān)，雖然并不是針對(duì)板塊構(gòu)造，但與魏格納的力源觀點(diǎn)相近，認(rèn)為地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生了“離極力”和“大陸向西的力”，提出了大陸車閥理論。黃汲清的多旋回說(shuō)闡述了大地構(gòu)造演化發(fā)展具有多旋回性這一基本規(guī)律，與現(xiàn)代板塊學(xué)說(shuō)關(guān)于造山帶的發(fā)展規(guī)律具有一致性，但沒(méi)有說(shuō)明動(dòng)力學(xué)原理。斷塊說(shuō)、地洼說(shuō)和波浪狀鑲嵌構(gòu)造說(shuō)從不同角度認(rèn)識(shí)和研究了地殼的展布規(guī)律，但都沒(méi)能完整地解釋地殼的演化發(fā)展過(guò)程和動(dòng)力來(lái)源。

2　板塊運(yùn)動(dòng)地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制分析——離極同步說(shuō)及其他制約因素

科學(xué)合理的地球動(dòng)力學(xué)說(shuō)要滿足以下3個(gè)基本條件：1)符合物理學(xué)基本原理；2)其產(chǎn)生的能量足以使巖石圈板塊產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)；3)不但能解釋現(xiàn)今板塊的分布和運(yùn)動(dòng)特征，還能對(duì)板塊運(yùn)動(dòng)演化歷史進(jìn)行合理恢復(fù)。

本文在前人觀點(diǎn)和理論研究基礎(chǔ)上認(rèn)為，地轉(zhuǎn)離極作用和地轉(zhuǎn)不同步作用及其他制約因素是板塊運(yùn)動(dòng)的地球動(dòng)力學(xué)原因。離極作用和不同步作用的地球動(dòng)力學(xué)認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)稱離極同步說(shuō)。

2.1地轉(zhuǎn)離極作用

地球自轉(zhuǎn)使漂浮在軟流圈之上的巖石圈板塊產(chǎn)生從高緯度向低緯度運(yùn)移的離極應(yīng)力作用，造成板塊南北向俯沖、碰撞和板塊拉張成洋。地轉(zhuǎn)離極作用產(chǎn)生的力稱為地轉(zhuǎn)離極力，是地球自轉(zhuǎn)向心力在經(jīng)度線上的水平應(yīng)力分量。本文認(rèn)為，地轉(zhuǎn)離極力是板塊運(yùn)動(dòng)的重要?jiǎng)恿?，其不但造成了板塊的南北向運(yùn)動(dòng)，也是造成板塊東西向運(yùn)動(dòng)的重要起因。

2.1.1地轉(zhuǎn)離極作用理論分析

自轉(zhuǎn)地球表層上作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)產(chǎn)生垂直地軸的地轉(zhuǎn)向心力(圖1)，地轉(zhuǎn)向心力F向=mω2r=mω2R·cosα(m為質(zhì)量，ω為角速度，R為地球半徑，α為緯度，r=R·cosα為旋轉(zhuǎn)半徑)。地轉(zhuǎn)向心力在經(jīng)度線上遠(yuǎn)離極點(diǎn)的水平應(yīng)力分量稱為地轉(zhuǎn)離極力，地轉(zhuǎn)離極力F離=F向·sinα=mω2R·cosα·sinα。地轉(zhuǎn)向心力在垂直方向的應(yīng)力分量稱為地轉(zhuǎn)垂向力，地轉(zhuǎn)垂向力F垂=F向·cosα=mω2R·cos2α。

圖1　地轉(zhuǎn)向心力與地轉(zhuǎn)離極力的關(guān)系Fig.1　Relationship between rotation radial force and pole-fleeing force

在跟隨地球自轉(zhuǎn)過(guò)程中，一定旋轉(zhuǎn)半徑的球面上(不同緯度)單位質(zhì)量的物體產(chǎn)生的地轉(zhuǎn)向心力及其分力(地轉(zhuǎn)離極力和地轉(zhuǎn)垂向力)數(shù)值稱為地轉(zhuǎn)系數(shù)。從表1中的地轉(zhuǎn)系數(shù)可以看出，地轉(zhuǎn)離極力在中緯度地區(qū)最大，隨著緯度降低或升高逐漸變小，極點(diǎn)和赤道處為0；地轉(zhuǎn)垂向力在極點(diǎn)

為0，隨著緯度變小而增大，赤道處最大。該力可能是造成地球赤道半徑大于兩極半徑的主要原因。

2.1.2地轉(zhuǎn)離極力計(jì)算分析

取地球自轉(zhuǎn)角速度為0.000 072 72 rad/s，地球平均半徑6 371 km，巖石圈平均厚度100 km、平均密度3 000 kg/m3(下同)。板塊在不同緯度產(chǎn)生的離極力見表1。

巖石圈厚度是不均勻的，大陸巖石圈厚度在110 km以上，最高達(dá)160～180 km，大洋巖石圈厚度一般為50 km左右，洋中脊最薄為30～40 km[8]。以45°緯度分別計(jì)算不同厚度巖石圈的離極力(表2)?？梢钥闯?，大陸巖石圈產(chǎn)生的離極力達(dá)到每km2巖石圈板塊(505～910)×1010N，是大洋巖石圈的2～6倍。如此大的力差能否使大洋屈服而俯沖，筆者還無(wú)法計(jì)算得出，但在中新生代的確存在較大規(guī)模的板塊近南北向俯沖碰撞(新特提斯洋消失)和拉伸大洋(南印度洋、南大西洋和南太平洋)擴(kuò)張活動(dòng)(圖2、圖3)。

2.2地轉(zhuǎn)不同步作用

巖石圈板塊因旋轉(zhuǎn)半徑發(fā)生變化致使漂浮在軟流圈之上的不同板塊之間以及與地球自轉(zhuǎn)之間產(chǎn)生不同步作用而發(fā)生板塊運(yùn)動(dòng)(不同步作用產(chǎn)生的力相當(dāng)于地轉(zhuǎn)偏向力)。本文認(rèn)為，地轉(zhuǎn)不同步作用是板塊東西向運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)動(dòng)力。

2.2.1地轉(zhuǎn)不同步作用理論分析

地轉(zhuǎn)不同步作用主要涉及兩個(gè)物理公式：1)作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，線速度ν=ωr(ω為角速度，r為旋轉(zhuǎn)半徑)；2)動(dòng)能Ek=1/2mν2，其與線速度和質(zhì)量相關(guān)。

假設(shè)旋轉(zhuǎn)線速度保持不變，板塊旋轉(zhuǎn)半徑增大則角速度變小，致使板塊落后于地球自轉(zhuǎn)而相對(duì)向西運(yùn)動(dòng)；板塊旋轉(zhuǎn)半徑減小則角速度變大，致使板塊超前于地球自轉(zhuǎn)而相對(duì)向東運(yùn)動(dòng)。

表1　不同緯度巖石圈離極力

表2　不同厚度巖石圈在中緯度的離極力

1 更新世-上新世；2 中新世；3 漸新世；4 始新世；5 古新世；6 白堊紀(jì)；7 侏羅紀(jì)。藍(lán)色雙斷線為消失的古大洋所在位置或板塊縫合帶圖2　現(xiàn)代洋殼年齡及部分古大洋閉合位置圖Fig.2　The age of the modern oceanic crust and the closed position of paleo ocean

1 現(xiàn)代洋中脊和轉(zhuǎn)換斷層；2 單向俯沖帶或縫合帶；3 雙向俯沖縫合帶；4 現(xiàn)代板塊運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；5 新特提斯洋收縮碰撞前的板塊運(yùn)動(dòng)方向； ①古亞洲洋縫合帶；②古太平洋縫合帶；③新特提斯洋縫合帶；④西(北)太平洋俯沖帶；⑤東太平洋俯沖帶圖3　板塊構(gòu)造及板塊運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.3　Plate tectonics and plate movement

假設(shè)旋轉(zhuǎn)角速度保持不變，如果板塊旋轉(zhuǎn)半徑增大則線速度需要變大，線速度變大則需要增加動(dòng)能，致使板塊產(chǎn)生向西的滯后能量。此時(shí)，質(zhì)量大的大陸巖石圈板塊比質(zhì)量相對(duì)小的大洋巖石圈板塊需要增加的動(dòng)能要大，大陸巖石圈與大洋巖石圈產(chǎn)生動(dòng)能差，致使大陸板塊向西側(cè)大洋板塊擠壓，大洋板塊發(fā)生俯沖運(yùn)動(dòng)。

因此，旋轉(zhuǎn)半徑的變化是造成地轉(zhuǎn)不同步的原因。在地球自轉(zhuǎn)過(guò)程中，造成旋轉(zhuǎn)半徑變化的原因主要有兩種情況：板塊離極運(yùn)動(dòng)緯度發(fā)生變化；海拔高程發(fā)生變化。

1)緯度變化造成旋轉(zhuǎn)半徑變化。緯度代表著旋轉(zhuǎn)軌跡，地轉(zhuǎn)離極作用使板塊從高緯度向低緯度移動(dòng)，致使板塊旋轉(zhuǎn)半徑增加。如圖4，在離極力的作用下，質(zhì)點(diǎn)從A1逐漸運(yùn)動(dòng)到A2，旋轉(zhuǎn)半徑從r1逐漸變到r2，在線速度ν不變的情況下，角速度就必須從ω1=ν/r1=ν/Rcosα1降為ω2=ν/r2=ν/Rcosα2，角速度變小致使板塊向西運(yùn)動(dòng)而與地球自轉(zhuǎn)不同步。

R為地球平均半徑；r1為A1點(diǎn)旋轉(zhuǎn)半徑； r2為A2點(diǎn)旋轉(zhuǎn)半徑；α1為A1點(diǎn)緯度； α2為A2點(diǎn)緯度；O為地球中心；O1為A1點(diǎn)旋轉(zhuǎn)中心； O2為A2點(diǎn)旋轉(zhuǎn)中心圖4　 緯度與旋轉(zhuǎn)半徑關(guān)系圖Fig.4　Relationship between latitude and radius of rotation

2)高程變化造成旋轉(zhuǎn)半徑變化。在板塊演化過(guò)程中，大陸板塊仰沖、板塊碰撞造山、陸內(nèi)地殼差異性抬升等都會(huì)造成板塊的海拔增高；而大洋板塊俯沖、大陸裂谷、弧后盆地、大洋擴(kuò)張沉降、地殼差異性下降、風(fēng)化剝蝕等都會(huì)造成板塊的海拔降低。海拔高程的變化雖然不及緯度變化造成的影響大，但也不容忽視。

與離極作用造成的旋轉(zhuǎn)半徑單一變大、只有向西的不同步作用不同，高程變化有升高和降低兩種：海拔升高旋轉(zhuǎn)半徑變大，需要的動(dòng)能變大，不同步作用產(chǎn)生向西的滯后應(yīng)力；海拔降低旋轉(zhuǎn)半徑變小，多余的動(dòng)能變大，不同步作用產(chǎn)生向東的前沖應(yīng)力。

2.2.2地轉(zhuǎn)不同步產(chǎn)生的動(dòng)能計(jì)算分析

1) 緯度變化造成的動(dòng)能變化計(jì)算。板塊在不同緯度具有的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能不同，極點(diǎn)處為0，從極點(diǎn)向赤道逐漸增大(表3)。根據(jù)計(jì)算，赤道處1 km2巖石圈板塊的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能為3 220×1016J。巖石圈板塊從高緯度向低緯度移動(dòng)過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)半徑和線速度不斷變大，向東支撐板塊的動(dòng)能也需要不斷變大(表4)。從極點(diǎn)向赤道每移動(dòng)10°需要增加的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能不同，以中緯度最大，質(zhì)點(diǎn)從50°移動(dòng)到40°每km2巖石圈板塊旋轉(zhuǎn)動(dòng)能增加559 ×1016J。根據(jù)能量守恒定律，需要增加的旋轉(zhuǎn)能量無(wú)法得到滿足，使板塊慢于地球自轉(zhuǎn)，相對(duì)向西運(yùn)動(dòng)。

表3　不同緯度大陸巖石圈的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能

表4　從高緯度向低緯度移動(dòng)的板塊需要的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能

以中緯度(50°和40°)厚度為180 km、150 km和100 km的大陸板塊和厚度為50 km和30 km的大洋板塊為例，分別計(jì)算不同厚度巖石圈所具有的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能(表5)?？梢钥闯?，大陸巖石圈在50°和40°具有的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能達(dá)到每km2(1 330～3 401)×1016J，是大洋巖石圈的2～6倍。大陸巖石圈從50°移動(dòng)到40°需要增加的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能也是大洋巖石圈的2～6倍(表6)。大陸與大洋巖石圈具有如此大的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能差，造成大陸向西擠壓大洋，發(fā)生東西向的板塊俯沖和拉張運(yùn)動(dòng)。

2)海拔高程變化造成的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能變化計(jì)算。以緯度45°為例，取大陸巖石圈厚度100 km，大洋巖石圈厚度40 km。巖石圈在不同海拔高程的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能見表7。

表5　在中緯度不同厚度巖石圈的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能

海拔高程的變化直接造成板塊線速度和旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的變化(表8)。大陸從海拔1 000 m升高到2 000 m，每km2巖石圈板塊需要增加旋轉(zhuǎn)動(dòng)能0.51×1016J；大洋擴(kuò)張過(guò)程中，從海拔-3 000 m的洋中脊下降到-5 000 m的大洋盆地，每km2巖石圈板塊多余出旋轉(zhuǎn)動(dòng)能0.4×1016J。盡管這與離極作用所造成的旋轉(zhuǎn)半徑增加產(chǎn)生的動(dòng)能量級(jí)相差較大(相差幾百至幾千倍)，但是這一數(shù)量級(jí)產(chǎn)生的滯后應(yīng)力或者前沖應(yīng)力，推測(cè)足以影響板塊運(yùn)動(dòng)的進(jìn)展和變化程度，甚至起到關(guān)鍵性作用。

表6　不同厚度巖石圈在從緯度50°移動(dòng)到40°需要增加的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能

表7　中緯度不同海拔高程巖石圈旋轉(zhuǎn)動(dòng)能

表8　海拔高程變化巖石圈板塊需要的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能

2.3板塊運(yùn)動(dòng)的其他制約因素

2.3.1板塊應(yīng)力平衡作用

板塊應(yīng)力平衡作用是指在地球自轉(zhuǎn)過(guò)程中，板塊通過(guò)相對(duì)移動(dòng)或變形使相互不平衡的應(yīng)力達(dá)到平衡的自然要求，主要通過(guò)大陸拉分裂谷成洋、大洋轉(zhuǎn)換斷層、洋殼俯沖、板塊碰撞褶皺造山、陸內(nèi)斷裂巖漿活動(dòng)等方式體現(xiàn)出來(lái)，是一種不斷變化的動(dòng)態(tài)平衡。

2.3.2板塊運(yùn)動(dòng)慣性作用

板塊運(yùn)動(dòng)慣性作用是指保持板塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的自然要求，質(zhì)量越大慣性越大。

2.3.3剛性巖石圈的彈性作用

1)剛性的巖石圈具有彈性限度，并基本滿足廣義胡克定律[9]。當(dāng)板塊俯沖碰撞后，超出彈性限度的巖石褶皺、斷裂破碎或斷裂走滑，而主體巖石圈板塊大多處于彈性限度內(nèi)，有擠壓收縮就有反彈拉伸，造成板塊運(yùn)動(dòng)中普遍存在的島弧(或陸緣弧)巖漿侵入噴發(fā)活動(dòng)、碰撞后伸展、后造山等現(xiàn)象，繼續(xù)發(fā)展可能生成新的裂谷、弧后盆地或大洋。

2)當(dāng)大洋板塊遭受擠壓，由量變到質(zhì)變而突發(fā)斷裂俯沖，或者大洋板塊俯沖末期與大陸板塊發(fā)生碰撞，由于剛性巖石圈板塊具有彈塑性，在應(yīng)力傳遞方式上是彈性波動(dòng)傳播，必然造成球面上板塊之間及板塊內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)持續(xù)的、逐漸減弱的、波動(dòng)性的壓-張應(yīng)力轉(zhuǎn)換，從而顯示出板塊運(yùn)動(dòng)具有的波動(dòng)性特征。由于地球的整體性，應(yīng)力的波動(dòng)傳遞會(huì)繞地球一周而產(chǎn)生疊加應(yīng)力，從而產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力轉(zhuǎn)換過(guò)程。

2.3.4日月引力造成的巖石圈固體潮作用

太陽(yáng)與地球和月球與地球之間變化著的引力作用會(huì)造成地球表面流體周期性的潮汐。由于巖石圈板塊漂浮并封閉在軟流圈之上，還會(huì)造成地球表面固體(巖石圈)的周期性形變——固體潮[10]，為地殼不平衡的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)添加了不均勻的、周期性的應(yīng)力改變。

2.3.5星體撞擊作用

隕石或星體的偶然撞擊作用可能會(huì)對(duì)地球自轉(zhuǎn)和板塊運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，影響程度與星體質(zhì)量、速度、方向和撞擊位置等相關(guān)。

2.4地轉(zhuǎn)離極作用和地轉(zhuǎn)不同步作用及其他制約因素耦合關(guān)系

地轉(zhuǎn)離極作用和地轉(zhuǎn)不同步作用是板塊運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力根源。其中地轉(zhuǎn)離極作用產(chǎn)生的應(yīng)力不僅是板塊南北向運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)動(dòng)力，還是誘發(fā)板塊東西向運(yùn)動(dòng)的初始動(dòng)力；地轉(zhuǎn)不同步作用產(chǎn)生的能量是板塊東西向運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)動(dòng)力，兩者應(yīng)力矢量疊加，構(gòu)成了巖石圈板塊運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力源。

板塊應(yīng)力平衡作用、慣性作用和彈性作用是具有彈塑性固體巖石圈應(yīng)力作用、應(yīng)力傳遞和應(yīng)力轉(zhuǎn)換的物理作用，是板塊運(yùn)動(dòng)遵循的內(nèi)在規(guī)律。

固體潮作用和隕石撞擊作用是影響板塊運(yùn)動(dòng)的附加應(yīng)力因素，前者具有規(guī)律性疊加，后者具有偶然性疊加。

2.5實(shí)現(xiàn)地轉(zhuǎn)離極作用和地轉(zhuǎn)不同步作用的充要條件

地球的自轉(zhuǎn)以及地球獨(dú)有的液態(tài)大洋、洋陸相間相伴、洋陸巖石圈厚度差異、巖石圈之下發(fā)育液態(tài)軟流圈等特征為地轉(zhuǎn)離極作用和地轉(zhuǎn)不同步作用造成板塊運(yùn)動(dòng)提供了充要條件：1)地球自轉(zhuǎn)提供了板塊運(yùn)動(dòng)初始動(dòng)能；2)液態(tài)大洋(水)的存在使巖漿冷凝，可以生成相對(duì)較薄的洋殼；3)大陸板塊與大洋板塊構(gòu)成一對(duì)相輔相成的矛盾體——大陸拉張生成大洋，洋殼俯沖大陸碰撞增生；4)大陸與大洋板塊的厚薄差異形成離極力差和不同步能量差，造成大洋板塊屈服，發(fā)生俯沖運(yùn)動(dòng)；5)地表剛性巖石圈之下發(fā)育液態(tài)軟流圈，既為巖石圈運(yùn)動(dòng)消減了摩擦力，又為洋殼俯沖提供容納場(chǎng)所。

2.6板塊運(yùn)動(dòng)陸洋轉(zhuǎn)換模式——威爾遜旋回基本過(guò)程

當(dāng)占地球表面積相對(duì)較小的陸殼聚集在一起(泛大陸)，其余地殼主要為洋殼時(shí)，地轉(zhuǎn)離極力使大陸板塊向赤道移動(dòng)造成大洋南北向俯沖，相應(yīng)造成了大陸板塊旋轉(zhuǎn)半徑變大，在地轉(zhuǎn)不同步作用下，大陸板塊產(chǎn)生向西的滯后應(yīng)力，泛大陸的西緣處于擠壓狀態(tài)，造成應(yīng)力集中(圖5(a))。當(dāng)擠壓應(yīng)力達(dá)到屈服極限，其西側(cè)洋殼發(fā)生斷裂、俯沖消減，從而大陸板塊缺少了支撐，擠壓應(yīng)力得到釋放，角速度變小，逐漸落后于地球自轉(zhuǎn)角速度而向西運(yùn)動(dòng)。由于球面巖石圈的整體性特征，大洋板塊的俯沖造成巖石圈應(yīng)力釋放，中低緯度東西向上整體處于拉張狀態(tài)，致使泛大陸被拉伸分解，被肢解的大陸塊體之間生成裂谷(圖5(b))。隨著裂谷進(jìn)一步裂開，地表海水進(jìn)入，同時(shí)地下巖漿伴隨著地殼的開裂在壓力失去平衡的情況下向上涌出，冷凝形成洋殼。隨著拉開的繼續(xù)，洋殼逐漸增生，在洋中脊兩側(cè)發(fā)育成大洋板塊(圖5(c))。然而向西運(yùn)動(dòng)的大陸板塊在未遭受阻擋的情況下往往不會(huì)停下，在慣性作用下直至陸緣前方出現(xiàn)島嶼或島弧或大陸發(fā)生碰撞，板塊運(yùn)動(dòng)才會(huì)不同程度地暫?；蛲Ｖ?圖5(d))。后面尾隨前進(jìn)的大洋板塊在前方大陸板塊停止的情況下，由于慣性作用而屈服斷裂，大洋板塊繼續(xù)俯沖(圖5(e))，直至大洋俯沖消失，大洋兩側(cè)大陸板塊碰撞造山(圖5(f))。

(a) 地轉(zhuǎn)不同步作用造成泛大陸板塊西緣向西擠壓；(b) 大洋板塊屈服，斷裂俯沖，應(yīng)力釋放，泛大陸解體，發(fā)育裂谷；(c) 俯沖繼續(xù)，裂谷發(fā)展成大洋；(d) 俯沖大洋板塊消失，大陸碰撞造山，運(yùn)動(dòng)相對(duì)停止，在慣性作用下，新的大陸板塊東側(cè)遭受擠壓；(e) 后面大洋板塊屈服斷裂俯沖；(f) 大洋俯沖消失，大陸板塊再次碰撞造山，形成新的泛大陸和泛大洋，進(jìn)入新一輪威爾遜旋回圖5　板塊運(yùn)動(dòng)威爾遜旋回示意圖Fig.5　The Wilson cycle sketch map of plate movement

這一過(guò)程中，洋殼被俯沖進(jìn)入軟流圈及地幔之中并逐漸消亡，陸緣碰撞褶皺造山、陸殼增生，兩個(gè)大陸板塊合并成新的大陸板塊——新泛大陸，同時(shí)相應(yīng)拉開，生長(zhǎng)出新的大洋板塊——新泛大洋。伴隨著新的地轉(zhuǎn)離極作用、地轉(zhuǎn)不同步作用和擠壓后板塊彈性發(fā)揮作用而應(yīng)力失衡，洋殼還會(huì)被迫發(fā)生俯沖，陸殼又將被拉張，從而巖石圈進(jìn)入了新一輪的應(yīng)力調(diào)整周期(或威爾遜旋回)。

值得注意的是，地轉(zhuǎn)離極力造成大陸板塊向赤道聚集而發(fā)生板塊南北向運(yùn)動(dòng)，由于巖石圈板塊球面一體性特征，同樣會(huì)造成板塊南北向大陸分解、拉張成洋運(yùn)動(dòng)。由于是向低緯度聚集運(yùn)動(dòng)，其造成板塊的南北向運(yùn)動(dòng)距離一般不會(huì)超過(guò)1/4周，如南美洲、非洲、印度、澳大利亞遠(yuǎn)離南極洲向北漂移逐漸終結(jié)于特提斯洋的關(guān)閉而與歐亞大陸碰撞(圖2、圖3)。在地轉(zhuǎn)離極力與地轉(zhuǎn)不同步能量共同作用下，板塊運(yùn)動(dòng)在方向上會(huì)呈現(xiàn)規(guī)律性運(yùn)動(dòng)，直到總體應(yīng)力達(dá)到平衡。同時(shí)，在板塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于巖石圈板塊具有慣性、彈性和固體潮等特征，板塊運(yùn)動(dòng)壓張變化會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)反復(fù)，即在整體拉伸的大環(huán)境下會(huì)多次擠壓，在整體擠壓的大環(huán)境下也會(huì)多次拉伸，造成板塊運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)和多級(jí)旋回性特征。

2.7地轉(zhuǎn)離極作用和地轉(zhuǎn)不同步作用在板塊構(gòu)造中的實(shí)例

1)地轉(zhuǎn)離極作用造成板塊南北向運(yùn)動(dòng)，如東北亞-阿拉斯加一帶向南擠壓造成北太平洋相對(duì)向北俯沖形成阿留申島弧(圖3)。

2)地轉(zhuǎn)離極作用造成南美洲、非洲、印度、澳大利亞在中新生代相繼向北運(yùn)動(dòng)，形成了發(fā)育近東西向洋中脊的南大西洋、南印度洋和南太平洋；地轉(zhuǎn)不同步作用致使北移的這些板塊普遍向西運(yùn)動(dòng)并相互分離——南美洲與非洲之間東西向分離形成了大西洋，非洲與印度以及澳大利亞之間東西向分離形成了印度洋(圖2、圖3)。

3)海拔高程的增加造成旋轉(zhuǎn)半徑增大，其需要增加的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能會(huì)造成板塊向西擠壓，如第四紀(jì)板塊俯沖造成的青藏高原和美洲科迪勒拉山脈的不斷增高加劇了仰沖力度。

4)大洋板塊向東俯沖，隨著俯沖洋殼深入，俯沖體旋轉(zhuǎn)半徑逐漸變小，在俯沖體線速度增大或基本不變的情況下，半徑變小，角速度變大(ω=ν/r)，洋殼向東向下俯沖，加上變大的旋轉(zhuǎn)角速度增加了前沖的幅度，體現(xiàn)在俯沖帶的傾角上就會(huì)很緩，如東太平洋板塊的俯沖帶多為緩傾角[11]。反之，大洋板塊向西俯沖，隨著洋殼向西向下俯沖，旋轉(zhuǎn)半徑變小，角速度逐漸增大，形成向東的反作用力減緩了向西俯沖的幅度，體現(xiàn)在俯沖帶的傾角上就會(huì)越向下越陡，如西太平洋板塊俯沖帶傾角多較陡，且越向下越陡以至直立[11]。

3　結(jié)　語(yǔ)

1)提出地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離極作用和不同步作用是板塊運(yùn)動(dòng)的根本原因。地轉(zhuǎn)離極作用指地球自轉(zhuǎn)使漂浮在軟流圈之上的巖石圈板塊產(chǎn)生從高緯度向低緯度運(yùn)移的離極力，造成板塊南北向俯沖和板塊拉張成洋。地轉(zhuǎn)不同步作用指巖石圈板塊因緯度或高程變化引起旋轉(zhuǎn)半徑變化，致使漂浮在軟流圈之上的不同板塊與地球自轉(zhuǎn)不同步而發(fā)生板塊東西向俯沖和板塊拉張成洋。

2)板塊運(yùn)動(dòng)其他制約因素還包括：①自轉(zhuǎn)地球表層巖石圈板塊應(yīng)力平衡作用；②板塊運(yùn)動(dòng)物理慣性作用；③剛性巖石圈的彈性作用；④日月引力造成的巖石圈規(guī)律性固體潮作用、隕石或星體的偶然撞擊作用。

3)地轉(zhuǎn)離極作用和地轉(zhuǎn)不同步作用及其他制約因素等地球動(dòng)力學(xué)認(rèn)識(shí)，可以說(shuō)從理論上發(fā)展和完善魏格納 “大陸漂移”說(shuō)(地球自轉(zhuǎn)“離極力”和“向西的力”)。該認(rèn)識(shí)對(duì)困擾地學(xué)界一個(gè)世紀(jì)以來(lái)的大陸漂移說(shuō)、海底擴(kuò)張說(shuō)和板塊構(gòu)造說(shuō)的動(dòng)力源問(wèn)題提供了新的思路，論證了威爾遜旋回的合理性，可以解釋板塊運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的大陸板塊主動(dòng)性與大洋板塊被動(dòng)性特征。

4)本文對(duì)單位面積巖石圈板塊的離極力和不同步能量進(jìn)行了簡(jiǎn)化定量計(jì)算，但缺少按巖石圈板塊實(shí)際發(fā)育狀況和歷史演變進(jìn)行精確的定量化計(jì)算。未來(lái)可以根據(jù)現(xiàn)代各個(gè)板塊的實(shí)際分布、高程、質(zhì)量以及地質(zhì)歷史等，進(jìn)行多學(xué)科、多理論的計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，以測(cè)算不同地點(diǎn)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)研究板塊運(yùn)動(dòng)歷史、現(xiàn)代板塊運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)以及地震預(yù)測(cè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

致謝：該文的中心認(rèn)識(shí)已經(jīng)有10多年了[12]，但一直沒(méi)有系統(tǒng)總結(jié)，感謝葛夢(mèng)春老師在2014年初夏鼓勵(lì)我把該認(rèn)識(shí)寫成論文。感謝肖慶輝、潘桂堂、鄧晉福、陸松年和李錦軼等老師近年來(lái)在大地構(gòu)造研究上的指導(dǎo)。感謝同事張忠、徐學(xué)員和張瑞彪等在論文編寫過(guò)程中的幫助。感謝趙勝金的審閱意見以及在英語(yǔ)翻譯方面的幫助。最后在《海陸的起源》著作出版100周年之際，向該書作者——為追求真理而獻(xiàn)身的偉大的地球科學(xué)先驅(qū)、大陸漂移說(shuō)創(chuàng)始人魏格納表達(dá)最崇高的敬意。

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About the author:FANG Shu, professor, majors in regional geology, tectonic geology, tectonic stress field and geotectonics, E-mail：nmcffs@163.com.

Exploration of Geodynamic Mechanism of Plate Movement

FANGShu1

1Inner Mongolia Autonomous Region Tenth Institute of Geological and Mineral Exploration and Development,East-Wangfu Street, Chifeng 024005, China

According to the distribution of lithospheric plates and their known evolution, the author analyzes the basic characteristics of plate motion as well as a variety of geodynamic mechanisms proposed by predecessors, specifically mantle convection. The author proposes that the earth dynamics of crustal movement comes from "unsynchronized action" caused by the "pole-fleeing" of the earth’s rotation and the change of the radius of gyration, and that the earth dynamics are also affected by the inherent laws of the rigid lithospheric plate, such as stress balance, inertia and elasticity. In addition, the role of regular tidal and the occasional meteorites are additional stress factors on plate movement.

plate movement; dynamic mechanism; lithosphere; rotation radius; the theory of pole-fleeing synchronous

2015-09-18

方曙，正研級(jí)高級(jí)工程師，主要從事區(qū)域地質(zhì)、構(gòu)造地質(zhì)、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和大地構(gòu)造等方面的研究，E-mail：nmcffs@163.com。

10.14075/j.jgg.2016.09.006

1671-5942(2016)09-0775-09

P313

A