全球巖石圈板塊為什么會運移？

萬天豐，尹延鴻

①中國地質大學 地球科學與資源學院，北京 100083；②中國地質調查局 青島海洋地質研究所，山東 青島266071

關于全球巖石圈板塊為什么會運移，即全球巖石圈板塊構造運動的動力學機制的問題，一直都是個不可回避的大問題，甚至可以說是當今固體地球科學中最大的難題。20世紀70年代，板塊學說的創(chuàng)立者[1-2]就引用他們老師[3-4]的觀點，用“傳送帶模式”假說來解釋巖石圈板塊水平運動的機制，認為地幔流變就可以帶動板塊的運移。此假說流傳很廣，影響很大。在獲得許多數(shù)據(jù)的基礎上，前英國皇家地球物理學會主席Bott和Kuznir[5-6]得出“與其說地幔帶動板塊運動，不如說板塊帶動地幔運動”的結論。他們發(fā)現(xiàn)板塊的運移速度(1～17 cm/a)顯著大于上地幔的運移速度(根據(jù)地幔內熱點的遷移速度，一般僅為每年幾毫米，個別達到2 cm/a)，低速移動的“傳送帶”不可能使“貨物”——巖石圈板塊快速運移的。在二十世紀七八十年代，許多地球物理學家[7-8]都強調板塊俯沖對板塊運移起到了主導作用。他們認為一般情況下，板塊在地表附近的擴張、牽引和俯沖作用的構造應力值大多在20～30 MPa，而在大洋板塊俯沖帶深部前緣的巖石密度可以顯著增大，使板塊受到向下的拉伸應力(稱為“負浮力”)可以達到1 000 MPa，這一數(shù)據(jù)被顯著地夸大了。后來，許多學者[9]考慮了更多的因素(如各種物性參數(shù)隨深度的變化、俯沖速度、板塊的厚度、不同的俯沖過程、深部地幔密度很大等)，計算出板塊的負浮力遠沒有這么大，僅為40～290 MPa。其實，大洋型巖石圈的密度(2.9～3.0 g/cm3)雖然要比大陸巖石圈的密度(2.6～2.7 g/cm3)大一些，但是怎么能大于中地幔的密度 (3.3～5.56 g/cm3)呢？大洋板塊在向下俯沖的過程中，會受到高密度地幔的巨大阻力。怎能把大洋板塊(盡管局部可變成高密度的榴輝巖)向下的拖拽力——“負浮力”當作板塊運移的主導作用力呢？因此，1990年國際大地測量與地球物理學會(IUGG)主席只能委婉地說：“板塊構造的動力學機制將在未來二三十年內得到解決?！逼鋵崳搯栴}至今仍未解決。不過，近年來還是有一些學者[10-11]仍堅持認為，地幔運移速度大于板塊運動的速度是地幔羽在推動板塊運移或匯聚造成的。

漫長地質歷史演化的大量信息都埋藏在巖石圈和地幔內部，很少出露地表，所以想要研究地球早期演化的板塊運動特征，實在缺乏資料。然而，由于近2億年來的地質記錄在地表附近出露得比較多，資料也比較可靠，我們可以借此進行一些探討。作者認為，近2億年來地球7次穿越銀道面時，地表受到巨大的隕星撞擊是引起全球巖石圈板塊運移的主要動力來源，下面分別論述之。

1 三疊紀末期(2億年前)板塊運動的機制

很多學者[12-14]都贊成潘幾亞(Pangea)大陸的裂解是與三疊紀末期(2億年前)以非洲西部為中心、形成放射狀巖墻群的作用相關的(圖1)，也就是說可能是地幔物質上隆與巖漿向上侵入，這些巖墻群內的巖漿巖(鉀玄巖)都采用40Ar/39Ar法測定年齡，其誤差僅在1 Ma的區(qū)間內，溢出巖漿巖的體積達7×106km3。此三疊紀的地幔上隆，至今還無法獲得當時深部狀況的資料加以證實，因此也不能確切地知道這是來自地幔底部的“地幔羽”，還是僅僅與發(fā)育在上地幔的“地幔底辟”相關。筆者推斷：此處可能是受到巨大隕石的撞擊作用，造成地表巖石被炸飛、破碎，形成巨大的隕擊坑，為保持地球重力場的均衡，就必然誘發(fā)深部地幔物質上升，形成巖漿活動的中心，同時派生了放射狀的裂隙，以致貫入了鉀玄巖漿，形成巖墻群(巖墻的走向：北美大陸為北西向，南美大陸為南西向，非洲大陸為北東和南東向)。根據(jù)巖墻分布的特征(圖1)來判斷，這個巨大隕石的撞擊作用并非完全垂直的，而可能是高角度斜向的，撞擊可能近于垂直并略微朝北東方向傾斜。由此就造成了原來的潘幾亞大陸板塊的放射狀張裂、離散和運移, 開始形成原始的大西洋。應該說，此處板塊的放射狀張裂，只影響了西半球大陸板塊的張裂和運移。此時東半球則完全沒有受到此隕擊作用影響，東半球的大陸地塊(包括中國的地塊群)受到特提斯洋擴張的影響，正在向東北方向匯聚。這是中國和亞洲大部分大陸地塊完成拼合的關鍵時期[15-16]。

圖1 三疊紀末期地幔羽相關的巖漿活動

2 中侏羅世(1.77億年前)板塊運動的機制

侏羅紀中期(1.95～1.77 億年前)在非洲、南極洲和南美洲之間存在一個規(guī)模巨大的卡羅－弗拉爾－喬艾克溢流玄武巖省(圖2)[17-18]。在非洲南部的卡羅火山活動發(fā)生在1.95～1.77億年前，火山巖的分布面積達300萬km2，火山活動的高潮是在1.77億年前后。弗拉爾玄武巖省是南極洲最主要的富鎂鐵質熔巖流、巖床和巖墻群，火山巖的同位素年齡在1.93～1.70億年前。Storey等[17-18]認為在?？颂m(即馬爾維納斯)群島旁的圓形文德海灣是這3個玄武巖省的火山活動中心，它們合在一起，是受一個巨大的地幔羽(super plume)所控制的巖漿活動中心。正是此地幔羽，構成了一個板塊的三聯(lián)點，使位于南極附近的岡瓦納大陸發(fā)生了裂解，其伸展作用所形成的斷裂可能控制了地幔流體物質進入這3個溢流玄武巖省的通道。以此為中心的板塊放射狀運移，使南美洲、非洲、印度和南極洲分別向北運移(運移速度均為每年幾厘米)，澳大利亞板塊則僅為0.8 cm/a[19]。

圖2 侏羅紀中期南大西洋—南極附近地區(qū)地幔羽。點線為巖漿巖內高鈦與低鈦的分界線；深灰色為玄武巖流；白色為推測的超級地幔羽的范圍；淺灰色為岡瓦納古陸；深灰色圓環(huán)為3個巖漿活動中心

Storey等[17-18]推斷在南極附近存在地幔羽的假設是很值得探討的。地幔羽是在地幔底部和液態(tài)外地核之間，由于運轉速度差異而起源的超臨界流體 (圖3)[20]。液態(tài)外地核在相當于赤道深部的流體旋轉線速度最快，最容易形成垂直上升的超臨界流體——地幔羽。由于上升的周期也很漫長，地幔羽主要形成在地球的赤道附近而不可能是在兩極附近。筆者推斷在南極附近的巖漿活動與板塊的張裂，很可能是由巨大隕石幾乎垂直的撞擊所誘發(fā)，造成了地表巖石大量地被炸飛，派生了地幔底辟的形成(僅發(fā)育在上地幔)，從而造成大規(guī)模的巖漿活動、玄武巖噴發(fā)和各板塊的放射狀、張性破裂和向北運移。

圖3 地外核擾動引起D″層產(chǎn)生地幔羽的模式圖

3 侏羅紀末期(1.38～1.35億年前)的板塊運動機制

根據(jù)第三代洋底磁條帶的研究，Moore[21]最早提出：在侏羅紀末期(1.38～1.35億年前)古太平洋地區(qū)的各個板塊呈現(xiàn)為放射狀的運動模式(圖4(a))，即伊佐奈岐 (Izanagi，古日本的稱謂)板塊朝西北方向運移、俯沖和擠壓[21-23]，太平洋板塊在南半球朝西南方向的澳大利亞板塊運移和俯沖，法拉龍板塊 (Farallon Plate)朝東北方向的北美板塊運移和俯沖，而鳳凰板塊 (Phoenix Plate)則朝東南方向的南美板塊運移和俯沖。上述這種4個板塊的放射狀的運動模式，很可能使人推測在赤道附近其中心存在超級地幔羽的上升，從而誘發(fā)板塊向四周運動的假說[14,24]。當然，這也可能是巨大的隕石幾乎垂直地撞擊所誘發(fā)的。

4 白堊紀中期(1.00億年前)板塊運動的機制

白堊紀中期是全球磁場的靜默時期，即沒有磁場的翻轉現(xiàn)象，全球海平面和氣候都發(fā)生劇烈的變化，形成了全球海洋缺氧事件(OAE)，大量海洋生物滅絕，以致在海域中廣泛地形成了烴源巖(石油與天然氣的母巖)[19,24]。在此階段，全球的大陸與大洋板塊都在向北運移(圖4(b)和圖5)，岡瓦納大陸則繼續(xù)處在離散之中[15,21]。全球絕大多數(shù)板塊都在向北運移，這就意味著全球板塊的擴張中心應該在南極附近，很可能就在南極冰蓋之下。不過，遺憾的是至今尚未在南極冰蓋之下發(fā)現(xiàn)巨大的隕擊坑，這一說法有待進一步的探索與研究。

圖4 古太平洋地區(qū)侏羅紀以來的古構造復原[15,21]：(a)侏羅紀—白堊紀分界時期(1.35億年前)；(b)白堊紀—第三紀分界時期(1億年前～ 6 700萬年前)；(c)古近紀—新近紀分界時期(3 600萬年前)；(d)現(xiàn)代的板塊運動模式

5 白堊紀末期(6 600萬年前)板塊運動的機制

白堊紀末期(中生代與新生代之交，6 600萬年前)，全球大陸上的沉積地層大多保持了連續(xù)的沉積、構造作用穩(wěn)定的特征，或有一些沉積間斷，形成了一些假整合的沉積間斷現(xiàn)象?？梢钥隙ǖ卣f，全球大陸板塊在此階段基本保持了穩(wěn)定的現(xiàn)象，沒有形成明顯的構造變形。然而，此時期是一個生物滅絕時期，全球普遍發(fā)生了巨大的生物滅絕事件[25]。在中美洲尤卡坦半島旁邊的墨西哥灣內，發(fā)現(xiàn)了此時期形成的巨大隕石撞擊坑，這或許就是造成恐龍和裸子植物滅絕的原因[26]。不過，至今還沒有發(fā)現(xiàn)此隕擊作用對于全球巖石圈板塊的運移產(chǎn)生的影響[15,21]，很可能是因為此時的隕石撞擊在海水之中，對固體地球表層的影響不太大。根據(jù)深海鉆探與大洋鉆探的研究成果(圖5)結合古太平洋地區(qū)所有板塊運移的資料(圖4(b))，得出此時全球各大板塊都在向北運移，其速度一般每年幾厘米而已的結論。但是，印度板塊(含印度次大陸與印度洋)的運移速度可高達17 cm/a[27]，有的研究者甚至認為速度可達20 cm/a。這用地幔垂直上隆或巨大隕石的垂直撞擊是不好解釋的。這很可能是巨大隕石在南極附近以較低的角度斜向撞擊，直指印度板塊所致，從而造成所有板塊都在緩慢地、放射狀地向北運移，而印度板塊則以幾乎大于其他板塊10倍的速度向北運移。

圖5中黑色圓點為在南半球印度洋和大西洋所測得的熱點之上的大洋板塊表層玄武巖的同位素年齡數(shù)據(jù)。洋底較老的玄武巖已經(jīng)向北運移到印度半島，而較年經(jīng)的玄武巖則都在大洋的南端。由板塊在熱點之上的遷移軌跡(深藍色線段)可以清晰地看到，南半球所有的板塊1億多年以來向北運移了數(shù)千千米。

圖5 深海鉆探(DSDP)與大洋鉆探(ODP)的研究成果(單位：Ma)

6 始新世晚期(3 600萬年前)板塊運動的機制

始新世晚期發(fā)現(xiàn)太平洋板塊突然從以速度為7.1 cm/a朝NNW向運移，轉為以速度為10.6 cm/a朝WNW方向運移和俯沖(圖6)。根據(jù)微玻璃隕石帶的分布(B，圖7)[29]，筆者認為這可能是中美洲—東南亞規(guī)模巨大的低角度(WSW向)微玻璃隕石斜向撞擊作用，使板塊受到了速度為8.7 cm/a的作用力 (圖6 紅色箭頭所示)而造成的[28-30]。微玻璃隕石分布在洋底400多米之下的地層中，呈WSW方向的帶狀展布，撞擊中心位于東太平洋洋脊—加利福尼亞西側附近[29]，其隕擊中心正好位于東太平洋洋脊的三聯(lián)點B(圖7)。隕星的總質量為(1～10)×109t，直徑在0.9～2.5 km之間。與此同時，在太平洋地區(qū)還發(fā)生了古生物種群滅絕，出現(xiàn)沉積地層的間斷和界線地層元素的地球化學特征的巨變。對于海洋來說，這是一個從“溫室”走向“冰室”的轉折時期[31]。

圖6 始新世晚期(36 Ma)太平洋板塊從NNW向運移(綠色箭頭)轉為朝WNW向運移(黃色箭頭)和俯沖

圖7 加勒比—東南亞和亞澳微玻璃隕石的分布：A為亞、澳早更新世末期微玻璃隕石散落區(qū)；B為加勒比—東南亞始新世晚期微玻璃隕石散落區(qū)(紅色弧形點線為北美加利福尼亞附近的洋底弧形斷裂，可能是巨大隕石撞擊的地點)。R1為東太平洋洋脊；R3為印度洋洋脊；R4為環(huán)南極洲洋脊。小黑圓點為深海鉆探計劃(DSDP)鉆孔取樣的位置

7 早、中更新世之交(78萬年前左右)時期板塊運動的機制

在早、中更新世之交，存在著亞、澳微玻璃隕石撞擊事件[29]，粒徑小于1 mm的微玻璃隕石埋藏在印度洋、東南亞和澳大利亞附近的洋底之下不足10 m深的層位，一個近橢圓形的范圍內。其覆蓋的面積接近地球表面積的1/10(A，圖7)，用K-Ar和裂變徑跡法測得的年齡在90～70萬年之間，估計可能是兩次隕擊作用的結果。其隕石的總質量估計約1億t，撞擊的中心地區(qū)可能位于印度洋板塊西側的三聯(lián)點附近，可以使非洲和澳大利亞大陸之間以及印度和南極大陸之間進一步地擴張、離散。此撞擊事件使印度板塊進一步向北運移，加強了印度與歐亞大陸板塊之間的碰撞作用，使青藏高原的地殼發(fā)生了近40 km的縮短和進一步的隆升，造成了我國西部地區(qū)廣泛地出現(xiàn)了早、中更新世地層之間的角度不整合[15]。當然，這次撞擊也在亞洲南部地區(qū)形成一些微玻璃隕石的散落物。

總的來說，早、中更新世之交的隕擊作用對于全球板塊運移的影響不太大。歐亞、澳大利亞、非洲和美洲等板塊都處在緩慢 (2～5 cm/a)向北運移過程中[17]。太平洋板塊繼續(xù)以平均10 cm/a的速度朝WNW方向運移；而菲律賓海板塊在向NW方向運移的同時，還派生了NNE-SSW方向伸展；大西洋地區(qū)則仍以1～2 cm/a的速度在東西方向上擴展[17,24,30]。它們幾乎沒有受到亞、澳微玻璃隕石撞擊事件的影響。

8 討論與結論

從上述板塊運動模式的變化可以看出，全球各個地區(qū)每隔3 300萬年左右板塊運動模式就會發(fā)生一次顯著的變化，其中有些是在擴張的中心周圍發(fā)生放射狀運移，有的則可能是以單向運移為主。當巨大的隕擊作用以高角度撞擊地表時(如2億年前在西非洲，1.7億年前在南極洲，1.35億年前在古太平洋地區(qū)的中部，1億年前在南極地區(qū)，以及78萬年前在印度洋中部的三聯(lián)點附近)，就造成板塊的放射狀運移；以極低的角度斜向撞擊地表時(如66 Ma前在南極地區(qū)和36 Ma前在北美—東南亞的隕擊事件)，便使得某一板塊單方向地快速運移，從而致使地球上的巖石圈板塊，在中新生代的不同地區(qū)發(fā)生了7次不同的運動模式。然而，很遺憾，至今廣泛流傳的板塊運動的動力學機制還都在說，是地幔流變或地幔羽以傳送帶的模式帶動板塊運移的?！皞魉蛶Ｊ健奔僬f無視地幔流變的速度顯著低于板塊運移速度，也無法解釋主要發(fā)育在赤道附近的、緩慢上涌的地幔羽(即超臨界流體)，如何能解釋全球各地區(qū)的板塊運動速度不同以及在短時間(約33 Ma)內發(fā)生運移方向多變的事實。

應該注意的是，地球表面的巖石圈是很薄的，僅為地球半徑的1/60左右。當?shù)厍蛟谟钪婵臻g中運行時，是很容易受到其他天體影響的。平時在夜空中常見的流星就是小隕石在進入大氣圈時被燒毀的情景。當?shù)厍螂S著太陽系穿越星際物質較密集的銀道面時，引力場發(fā)生了巨大的變化，在地球運行軌道外側的大量小行星就最容易改變運行軌道。其中，有些較大的小行星撞向地球，造成很大的隕擊坑，使得地球巖石圈發(fā)生放射狀的張性破裂或使之沿著某一個地表的切線方向運移。小行星與地球的撞擊作用是宇宙體系內的一種由于引力場變化而產(chǎn)生的自然現(xiàn)象，因而不能說這是一種外因決定論。地球表面巖石圈板塊內的表層上現(xiàn)存數(shù)以百計的、散布極不規(guī)則的地幔熱點(hot spot)，它們沒有造成板塊的張裂，但是誘發(fā)了玄武巖漿的噴溢。地球物理探測的結果表明這些地幔熱點都是沒有“根”的，也就是說它們與地幔羽無關，不是起源于核幔的邊界[14]，它們很可能是較小的隕石撞擊地球表面所留下的遺跡。據(jù)統(tǒng)計，近40億年以來，隕石的不斷撞擊使地球的質量逐漸增加了1019t，即大約增加了地球質量的1/600。石耀霖[32]估計，38億年來地球上形成了約有20萬個、直徑20 km以上的隕擊坑，其中直徑大于1 000 km的隕擊坑估計就有100～200個?？梢婋E星撞擊對地球發(fā)展有著很大的影響。不過，由于地球表面的強烈風化、剝蝕與沉積作用，現(xiàn)在保留下來明顯的隕擊坑僅有130余個。小行星撞擊地球是地球發(fā)展過程中引起地球表層發(fā)生改變的最重要和最直接的原因，也是引起巖石圈板塊運移最主要的動力來源。因而，在研究地球演化歷史的過程中，僅僅把地球當作一個孤立系統(tǒng)來研究是不妥當?shù)?，應該把地球放到宇宙體系中來研究。

Rampino和Stothers[33-34]以及殷鴻福等[35]早就指出，巨大隕擊事件的周期性和地球演化的周期性關系十分密切。主要存在著兩種周期：(33±3)Ma(即3 300萬a)和(265±60) Ma。(33±3)Ma的周期與太陽系穿越銀道面有關。銀道面附近星際物質密集分布，太陽系穿越時空間引力場發(fā)生巨大變化，小行星或彗星等很容易脫離原有軌道，出現(xiàn)隕石撞擊地球的現(xiàn)象。(265±60)Ma (即2.65億a)的周期是銀河年的周期，即太陽系繞銀河系旋轉一周所需要的時間。在一個銀河年內，太陽系可以8次反復穿越銀道面。3 300萬年左右是巨大隕擊事件的周期，與上述中生代以來每隔3 000多萬年全球板塊運動方向發(fā)生突然變化的周期一致，這說明它們之間顯然存在著成因上的聯(lián)系。即，如果隕擊作用是高角度、幾乎垂直地撞擊地表則易誘發(fā)巖石圈板塊的放射狀張裂和運移；而當隕石以極低角度撞擊地表時，就會使某一板塊發(fā)生快速的運移。就現(xiàn)有的資料來看，用巨大隕石的隕擊作用誘發(fā)地幔底辟，出現(xiàn)板塊三聯(lián)點，形成板塊的放射狀張裂，或者使板塊運動方向發(fā)生單方向的突變來解釋中、新生代每隔3 000多萬年就發(fā)生一次板塊運動模式變化，可能是一種比較合理的假說。

由于至今還沒有獲得比較可靠的線索，資料嚴重不足，三疊紀以前，古生代的板塊運動模式的變化還沒有人能提出較為令人信服的板塊構造動力學機制的假說。對于三疊紀以前長周期(2億多年)的大陸裂解和匯聚模式的變化(如哥倫比亞大陸、羅丁尼亞大陸以及岡瓦納大陸等的形成和裂解)，一些學者推測很可能是深部地幔羽活動的產(chǎn)物。Torsvik等[11]對古生代板塊運動的動力學機制試圖采用地幔羽上升，從而派生板塊的水平運移的假說來解釋，并給出圖示論證Pangea超級大陸的形成過程。非洲深部的地幔羽上隆，造成潘幾亞大陸的裂解是比較好理解的。但是，非洲深部的地幔羽，如何能在古生代使潘幾亞大陸在非洲上部都匯聚起來？這個問題似乎就很難解釋?？上麄兊牟孪胩?，論據(jù)卻不足，有待今后進一步研究。

大約在78萬年前，地球剛剛穿越了一次銀道面，經(jīng)歷了火與血的考驗，形成了的規(guī)模巨大的亞、澳微玻璃隕石群撞擊地球的現(xiàn)象，使一些生物滅絕。至于3 200萬年之后，巨大隕石的撞擊作用是否會毀滅地球上的人類社會？筆者認為這是不可能的。屆時，當巨大的隕石飛向地球時，世界各國一定會聯(lián)合起來，齊心協(xié)力，以更加精密的計算和先進的技術，發(fā)射帶核彈頭的火箭到宇宙中，將隕星炸碎或使其改變運行軌道，避免其撞擊地球。人類必定會化解巨大隕星毀滅地球人類的危險。

總之，巖石圈作為很薄的地球表層發(fā)生板塊運移，產(chǎn)生顯著的差異應力，造成較強的構造變形，很可能是地球內部演化和天體運行、隕石撞擊共同作用的結果。從核幔邊界升起的超級地幔羽，可能導致巖石圈板塊長期(上億年)的、緩慢的擴張與運移。至于一些無根的熱點，即地幔底辟，則有可能是隕石撞擊作用誘發(fā)的，它們有可能解釋較短時期(約3 000多萬年)的板塊運動動力作用突變的原因，也可以解釋板塊運動方向多樣性產(chǎn)生的原因。相信在進一步深入研究、系統(tǒng)地積累全球深部地質資料之后，也許在將來的某一天，全球巖石圈板塊構造動力學機制就可能取得突破性的進展。

地球動力學和巖石圈板塊構造的動力學機制，是地球科學中一個極其誘人的、難度極大的前緣性課題。這個難題，只有在為人類社會服務的過程中，在解決社會發(fā)展實際問題的進程中，扎實地大量積累各種地質學、地球化學、地球物理學和天文學的資料，才有可能得到解決。本文提出的中、新生代全球巖石圈板塊運移的動力學機制，或者說是板塊構造動力學的新假說，雖然經(jīng)過了幾十年的研究積累和大膽探索，仍然是比較初步的，有待進一步完善。急于求成，操之過急是不行的。在缺乏大量實際資料的情況下，想要大力發(fā)揮抽象思維的才能，建立自己的新學說或新理論是行不通的，對科學發(fā)展的益處也是極其有限的。