板塊運動規(guī)律梳理及其源動力實驗計算研究

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，內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市王府大街東段，024005

Wegener[1]根據(jù)大西洋兩岸陸緣的吻合形態(tài)提出了大陸漂移說，并基于古生物、地層、巖石、冰川等證據(jù)證明了南美洲、非洲、印度、澳大利亞與南極洲曾經(jīng)是同一個大陸(岡瓦納大陸)。20世紀(jì)中后期，隨著深海鉆探計劃(DSDP)的實施，證明了海底擴張的存在，即遍及全球的海底巨型山脈——洋中脊為大洋的生長位置，洋殼的年齡隨著遠離洋中脊呈線性增加的趨勢[2]，隨后威爾遜和摩根提出了板塊學(xué)說。然而大陸是如何漂移的、海底是如何擴張的、板塊運動的動力機制是什么等一系列問題至今沒有得到完善的、科學(xué)合理的解釋，且一直桎梏著地質(zhì)科學(xué)的順利發(fā)展。欲解決這些問題，首先必須弄清以下幾個關(guān)鍵點：1)板塊運動的底界在哪里；2)板塊運動的本質(zhì)是什么，是海底擴張造成了大陸漂移，還是大陸漂移造成海底擴張，這個因果關(guān)系如果搞反了可能永遠也找不到板塊運動的動力源；3)板塊運動的規(guī)律是什么，能夠測量到的白堊紀(jì)以來大陸漂移的運動方向有沒有規(guī)律、是怎樣的規(guī)律；4)板塊運動的動力源是什么。地球表面可以被認(rèn)為是一個封閉的剛性巖石圈，而巖石圈的厚度為30～180 km[3]，因此板塊運動的前提是必須有足夠大的力使如此厚的洋殼巖石圈破碎并發(fā)生洲際規(guī)模的逆沖運動；而且，使長寬達到數(shù)千km的大陸進行幾千甚至幾萬km的漂移需要巨大的動力或動能，什么動力或動能能達到這個量級，什么力與板塊運動的規(guī)律相吻合？本文根據(jù)前人關(guān)于板塊構(gòu)造學(xué)說的研究證據(jù)，結(jié)合大洋年齡的分布規(guī)律、模擬實驗及地轉(zhuǎn)力理論的計算等對這些問題進行討論。

1 大陸漂移的主動性與海底擴張的被動性

板塊運動主要表現(xiàn)為大陸漂移、海底擴張和大洋俯沖，欲研究三者的因果關(guān)系，首先必須了解板塊運動的底界及大洋中脊的概念等問題，即洋中脊的應(yīng)力性質(zhì)、洋殼的生成與巖石圈的組成結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換斷層的本質(zhì)及俯沖帶的分布規(guī)律和歷史演化等。

1.1 板塊運動底面的位置

板塊運動是固體大陸發(fā)生的全球規(guī)模的水平運動，一定存在一個移動的底面。

1)康德拉面和莫霍面都是地震波波速迅速增加的巖性界面[4]，分別為硅鋁質(zhì)層、鐵鎂質(zhì)層與超鐵鎂質(zhì)層之間的界面。由于大陸主要由克拉通和造山帶構(gòu)成，地殼成分、結(jié)構(gòu)千差萬別，這2個面都是上下起伏、成分交織、固態(tài)相連的不規(guī)則復(fù)雜巖性界面，內(nèi)部不可能存在長寬達數(shù)千km的板塊運動滑動面。

2)地下60～250 km的地幔上部，地震波波速明顯下降，即軟流圈，又稱低速帶。因地震波不易在液體中傳播，使得波速減慢，據(jù)推測，這里的溫度約為1 300 ℃，壓力為3萬個大氣壓，接近巖石的熔點，形成超鐵鎂塑性體。而軟流圈之上相對堅硬的巖石圈層厚約60～120 km，為地震波高速帶，包括全部的地殼和上地幔頂部，由花崗質(zhì)巖、玄武質(zhì)巖和超基性巖組成。固態(tài)巖石圈與近液態(tài)-塑性軟流圈之間的區(qū)域是巖石圈受力后承受應(yīng)力最薄弱的位置，阻力相對較小，盡管軟流圈存在粘滯力，但相對固態(tài)剛性巖石圈而言，其抗力性最小。因此，即使巖石圈的底界是不規(guī)則的，如船底在海水上前進，不規(guī)則剛性體在塑-液體之上運動也是合理可行的。地球上部圈層的具體結(jié)構(gòu)見文獻[5]。

1.2 洋中脊特征及其力學(xué)性質(zhì)

現(xiàn)代大洋(太平洋、大西洋、印度洋、北冰洋和南大洋)皆發(fā)育洋中脊，除太平洋以外，洋中脊基本位于大洋的中部，通常高于兩側(cè)大洋盆地2 000～3 000 m，寬數(shù)百km至上千km不等，全球大洋的洋中脊甚至可連成一體(圖1)。正在生長發(fā)展期的洋中脊軸部為巨大的裂谷，亦稱中央裂谷，且大西洋的洋中脊最為突出。中央裂谷的寬度一般為10～40 km，谷底可達數(shù)km，裂谷長度延伸數(shù)百km，谷底平均位于海平面以下2 750～4 570 m，與洋中脊兩側(cè)海山的高差一般大于1 800 m，屬于一種巨大的地塹[6]。由于地塹是拉張應(yīng)力的產(chǎn)物，而大陸裂谷和洋中脊皆具有地塹性質(zhì)，那么由大陸裂谷發(fā)展而來的洋中脊一定是拉張應(yīng)力的產(chǎn)物；根據(jù)威爾遜旋回理論，大洋是由大陸裂谷發(fā)展而來的，也就是由洋中脊增生演化而成，因此大洋亦應(yīng)是拉張應(yīng)力的產(chǎn)物。由此推斷，所謂“海底擴張”實質(zhì)是海底被拉伸后巖漿補位的增生擴張，但至今沒有任何直接或間接證據(jù)證明由于巖漿的侵位推擠造成海底擴張。

1-古北大西洋(Pz1)加里東俯沖碰撞造山帶；2-亞洲洋(Pt2-P1)俯沖碰撞造山帶；3-特提斯洋(Pz-Cz)俯沖碰撞造山帶；4-古西太平洋(Pz-K1)俯沖帶；5-太平洋(K-Cz)俯沖帶；6-平移斷層(箭頭表示本盤運動方向)；7-洋中脊；8-大洋剖面位置；9-離極力造成的現(xiàn)代大陸運動趨勢圖1 世界大地構(gòu)造簡圖Fig.1 Tectonic map of the world

1.3 洋殼的形成生長與巖石成分結(jié)構(gòu)特征

1.3.1 現(xiàn)代洋殼的基本特征及其反映出的地質(zhì)構(gòu)造意義

根據(jù)世界地質(zhì)圖[7]和洋殼年齡圖(圖1)，可以解讀出以下基本信息：

1)各大洋的展布規(guī)律基本一致——洋中脊位于大洋中間(太平洋除外)，大洋地質(zhì)體都是以洋中脊為中心向大陸方向由新到老對稱發(fā)育的，反映大洋洋殼是由洋中脊演化而來，洋中脊是大洋的胚胎，且永遠是最年輕的洋殼。

2)太平洋洋中脊東側(cè)的洋殼部分缺失或完全消失，反映洋中脊以東的新生代及以前形成的洋殼不同程度地俯沖消失于美洲大陸之下，現(xiàn)代北美洲大陸仰沖并覆在太平洋洋中脊之上，南美洲大陸南部亦仰沖并覆在南大西洋洋中脊之上。

3)現(xiàn)代大洋的洋殼主體形成于白堊紀(jì)至第四紀(jì)，大洋中現(xiàn)存的最老洋殼一般不超過180 Ma——反映140 Ma前南北幾千km寬的特提斯洋和東西幾萬km的古太平洋(泛大洋)絕大部分已經(jīng)消亡，古洋殼俯沖至巖石圈之下的軟流圈(上地幔)之中。

1.3.2 洋殼的被動產(chǎn)生與生長

既然大陸漂移是巖石圈在軟流圈之上的漂移，那么大陸拉開后形成的洋殼就是軟流圈巖漿上侵噴發(fā)和結(jié)晶冷凝的產(chǎn)物。下面以大西洋剖面為例進行過程復(fù)原。

1)大陸地殼被動拉張裂開，形成地塹式大陸裂谷、大陸裂谷型巖漿侵位和噴發(fā)(圖2(a))。

2)地殼繼續(xù)拉張，海水進入裂谷，上地幔(軟流圈)巖漿釋壓，從裂谷中心上侵噴溢冷凝形成初始洋中脊和洋殼——基性巖漿沿海底裂隙噴發(fā)形成枕狀玄武巖；地殼停止拉張，停留在頸相上部的巖漿較快冷凝，形成輝綠巖墻；輝綠巖下面的巖漿隨著地質(zhì)年代的推移逐漸降溫結(jié)晶堆積，形成堆積巖；堆積巖下面是比重更大的橄欖巖；在枕狀玄武巖上面慢慢形成化學(xué)沉積，主要為深海(含放射蟲)硅質(zhì)巖(圖2(b))。

3)地殼繼續(xù)拉張和暫停，生成新的洋中脊和新的洋殼(圖2(c))。

4)不斷重復(fù)這一過程，直到形成現(xiàn)代洋中脊和現(xiàn)代洋殼(圖2(d))。

圖2 大西洋生成、發(fā)展示意圖Fig.2 Schematic diagram of the generation and development of the Atlantic Ocean

1.3.3 洋殼的成分結(jié)構(gòu)

從大洋的生長復(fù)原過程可以看出，洋殼的主體是由上地幔巖漿沿生長的洋中脊噴溢冷凝堆積結(jié)晶而成的，從上到下主要包括3個部分：1)上部深海沉積物(巖)；2)中部枕狀玄武巖和席狀輝綠巖墻；3)下-底部結(jié)晶的輝石-輝長堆積巖和超鐵鎂巖，也就是所謂的洋殼三位一體“蛇綠巖套”。

這種成分結(jié)構(gòu)在冰島出露有完整的洋殼剖面，深海鉆探計劃-大洋鉆探計劃-綜合大洋鉆探計劃(DSDP-ODP-IODP)的鉆探資料也證實了大洋地殼的3層結(jié)構(gòu)[8]，其中(ODP-IODP)1256D鉆孔穿過沉積層、熔巖層和輝綠巖墻層，打到了輝長巖。近年來，在世界各個陸內(nèi)造山帶中或多或少都能見到蛇綠混雜巖帶中的古大洋殘片[9-11]。完整的蛇綠巖(洋殼)剖面見文獻[12]。

1.4 洋中脊轉(zhuǎn)換斷層的重新解釋

轉(zhuǎn)換斷層的定義為：一種橫切大洋中脊的剪切斷裂，由于斷層活動與大洋中脊擴張同時進行，結(jié)果使水平錯動僅發(fā)生在兩端洋中脊的頂部之間，且水平位移的方向與兩端洋中脊錯動方向正好相反[4]。

1.4.1 洋中脊橫截斷裂

縱觀全球大洋地形圖中的洋中脊可以發(fā)現(xiàn)，洋中脊上皆發(fā)育有密集的橫截斷裂，斷裂走向垂直或近垂直于洋中脊走向，既有EW向也有NS向，還有NE向和NW向(圖3)。

紅線代表洋中脊上發(fā)育不同方向的橫截斷裂圖3 海底地形圖[13]Fig.3 Submarine topographic map

1.4.2 橫截斷裂的形成

洋中脊是新大洋的胚胎或生長帶，每個地質(zhì)階段由巖漿冷凝形成的洋殼都是平行洋中脊呈帶狀展布的，而帶狀展布的新生洋殼由于冷凝收縮一定會出現(xiàn)垂直洋中脊的陡立橫截斷裂。

1.4.3 橫截斷裂的性質(zhì)

橫截斷裂有2種情況(圖4)：1)沒有錯開洋中脊；2)錯開洋中脊[13]。只有張裂隙、沒有錯開洋中脊的斷裂一定不是轉(zhuǎn)換斷層。自轉(zhuǎn)地球會產(chǎn)生離極力，造成不同厚度巖石圈產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力場，導(dǎo)致洋殼中的橫截斷裂產(chǎn)生平移斷層，使洋中脊水平錯開。

圖4 洋中脊上發(fā)育的錯開及沒有錯開洋中脊的橫截斷裂Fig.4 Transverse faults developed on the mid-ocean ridges

大洋中錯開洋中脊的斷裂可出現(xiàn)以下幾種情況：1)剛剛錯開，大洋還沒有繼續(xù)生長，現(xiàn)在屬于平移斷層，當(dāng)大洋拉張生長后則成為轉(zhuǎn)換斷層；2)之前是錯開的，錯開后經(jīng)歷了大洋拉張生長，即為轉(zhuǎn)換斷層；3)轉(zhuǎn)換斷層還可以再次被錯開，并發(fā)生平移，且因大洋再次拉張生長而再次成為轉(zhuǎn)換斷層。

1.4.4 轉(zhuǎn)換斷層形成過程恢復(fù)

大陸漂移造成海底擴張，海底擴張導(dǎo)致在洋中脊由巖漿冷凝生成的新的帶狀展布洋殼在冷凝成巖過程中發(fā)育垂直洋中脊的張裂隙——橫截斷裂，當(dāng)洋殼受應(yīng)力作用沿部分橫截斷裂發(fā)生平移時，該斷層在大洋再次擴張生長的時候就成為轉(zhuǎn)換斷層(圖5)。

圖中，藍色為早期形成的洋殼；綠色、黃綠色為晚期相繼形成的洋殼；中心白色為洋中脊；紅線為斷裂；箭頭為運動方向圖5 洋中脊轉(zhuǎn)換斷層的形成過程Fig.5 Formation process of the mid-ocean ridge transform fault

1.4.5 轉(zhuǎn)換斷層的定義

轉(zhuǎn)換斷層是洋中脊橫截斷裂在發(fā)生了平移斷層的基礎(chǔ)上，大洋拉張沿洋中脊擴張生長時，平移運動僅發(fā)生在斷層兩側(cè)生長的洋中脊之間的一種現(xiàn)象。

1.5 洋殼的消亡——俯沖帶

俯沖帶包括已經(jīng)消亡的古俯沖帶、近現(xiàn)代構(gòu)造旋回正在發(fā)生的俯沖帶及介于二者之間的俯沖帶(圖1)。

大多數(shù)造山帶都是古俯沖帶，每個造山帶都殘留有古大洋殘片(蛇綠巖)，如位于歐洲斯堪的納維亞-愛爾蘭和美洲阿巴拉契亞山脈的古北大西洋(Pz1)加里東俯沖碰撞造山帶及橫亙于歐亞之間和亞洲中部的亞洲洋(Pt2-P1)俯沖碰撞造山帶等。

太平洋東緣和北緣的太平洋(K-Cz)俯沖帶為白堊紀(jì)-新生代的近現(xiàn)代俯沖帶，造成了太平洋洋中脊東側(cè)洋殼的部分缺失或完全消失，洋中脊以東的新生代及以前生成的洋殼不同程度地俯沖消失于美洲大陸之下，現(xiàn)代北美洲大陸仰沖并覆在太平洋洋中脊之上，南美洲大陸南部亦仰沖并覆在南大洋洋中脊之上，美洲大陸斷續(xù)地向西仰沖，已經(jīng)造成前白堊紀(jì)EW向幾萬km的古太平洋洋殼基本上俯沖消亡。

特提斯洋(Pz-Cz)俯沖碰撞造山帶和古西太平洋(Pz-K1)俯沖帶介于古俯沖帶和近現(xiàn)代俯沖帶之間，其中特提斯洋(Pz-Cz)俯沖碰撞造山帶大規(guī)模的俯沖碰撞主要發(fā)生在中三疊世、早白堊世和新生代；古西太平洋(Pz-K1)俯沖帶大規(guī)模的俯沖碰撞主要發(fā)生在中三疊世、中侏羅世末期和早白堊世，近現(xiàn)代沒有發(fā)生大規(guī)模俯沖事件，但仍處于活動狀態(tài)[11]。

2 大陸漂移方向性分析

根據(jù)古大洋年齡簡圖反推大陸漂移過程。首先剔除淺紅色新生代洋殼(圖6(b))，使北美洲與歐亞大陸靠近并向北極靠攏，南美洲與非洲靠近，印度順時針漂移回到非洲邊上，澳大利亞還原至南極洲北側(cè)；低緯度一帶出現(xiàn)了新特提斯洋。

紅色帶三角弧線為俯沖帶位置，三角指向俯沖方向；紅色雙斷線為洋中脊位置；紅、綠和藍色區(qū)域分別為新生代、白堊紀(jì)和前白堊紀(jì)洋殼；紫色箭頭指示板塊運動方向圖6 白堊紀(jì)以來大陸漂移及大洋演化示意圖Fig.6 Schematic diagram of plate motion and ocean evolution since the Cretaceous

再剔除綠色晚白堊世洋殼(圖6(c))，北大西洋和北冰洋消失，北美洲與歐亞大陸相連并還原成北方勞亞大陸；南大西洋、印度洋、現(xiàn)代太平洋和南大洋消失，南美洲、非洲、印度與南極洲和澳大利亞拼合在一起，形成南方岡瓦納大陸；在勞亞大陸與岡瓦納大陸之間出現(xiàn)了新特提斯洋和古太平洋。

將圖6的漂移過程反過來演化，即為白堊紀(jì)以來的大陸漂移史——南美洲、非洲、印度和澳大利亞等大陸向北運動，北美洲和歐亞大陸向南運動，南北大陸相向運動的后果是壓縮了新特提斯洋，致使新特提斯洋最終俯沖消亡，大陸碰撞造山，形成了特提斯(阿爾卑斯-喜馬拉雅)造山域；同時南美洲等裂解北上的南方大陸與南極洲之間拉出了南大洋，北美洲與歐亞大陸北面拉出了北冰洋。南、北方大陸裂解向赤道運動的同時，靠西部的南美洲大陸和北美洲大陸同時向西擠壓并仰沖于太平洋之上，使古太平洋俯沖消失殆盡；靠西側(cè)的美洲大陸西移，造成其后的巖石圈普遍拉張，相繼出現(xiàn)大西洋、印度洋和現(xiàn)代太平洋。

白堊紀(jì)以來南半球大陸(除南極洲外)公認(rèn)向北運動，而少有人認(rèn)為北半球大陸向南運動，實際上北冰洋就是歐亞、北美大陸向南分離運動的產(chǎn)物。

北方勞亞古陸于白堊紀(jì)與古近紀(jì)之交從北極開裂，歐亞大陸與北美洲大陸分裂并向低緯度方向離散移動，在其后形成不斷擴大的北冰洋，從俄羅斯北部勒拿河口到格陵蘭島北側(cè)，于北冰洋中心地帶形成長約2 000 km、寬約200 km的北冰洋洋中脊，北冰洋洋中脊向南延伸與大西洋洋中脊相連[14](圖7)。北冰洋的演化大致可分為3個階段：第1階段(晚侏羅世-早白堊世)是加拿大海盆地擴張中心的形成與演化；第2階段(晚白堊世-新生代早期)是巴芬-馬卡羅夫擴張中心的形成與演化，在始新世停止活動；第3階段(新生代)是Gakkel洋中脊的擴張，促使歐亞海盆形成[14]。

圖7 北冰洋海嶺、海盆分布Fig.7 Distribution of Arctic ocean ridges and basins

3 地轉(zhuǎn)力與大陸漂移

3.1 地轉(zhuǎn)力、離極力和同步力的提出

地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力統(tǒng)稱為地轉(zhuǎn)力，主要包括垂直自轉(zhuǎn)軸的離心力(或向心力)、由離心力分解出的由地極指向赤道的離極力和遠離地心的垂向力及NS向運動物體因旋轉(zhuǎn)半徑或旋轉(zhuǎn)動能發(fā)生變化產(chǎn)生的同步力[15]。Wegener[1]提出的大陸漂移說認(rèn)為地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生了向赤道的離極力；而李四光[16]提出地球構(gòu)造運動與地球自轉(zhuǎn)相關(guān)，認(rèn)為地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生了離極力。

3.2 地轉(zhuǎn)力實驗

3.2.1 實驗介紹

將不銹鋼空心球作為地球儀，將磁扣(為達到一定質(zhì)量需粘上玻璃片)吸附在中高緯度處，開始自西向東旋轉(zhuǎn)地球儀，當(dāng)達到一定轉(zhuǎn)速后，磁扣向赤道滑動，同時會向西運動。將每次停下來的點用紅點標(biāo)注，用曲線將起始點相連，形成離極運動軌跡(圖8)。

圖8 地轉(zhuǎn)力實驗Fig.8 Geostrophic force experiment

3.2.2 實驗結(jié)果

1)自西向東旋轉(zhuǎn)球體表面，高出前方地表的物體在轉(zhuǎn)速、質(zhì)量、磁吸力(重力)與摩擦力達到一定數(shù)值(離極力大于阻力)時，會從中高緯度處向赤道處移動。

2)當(dāng)摩擦力相對離極前的沖力足夠小時，物體會從南半球越過赤道進入北半球。

3)物體向赤道運動時一定會向西運動。

3.2.3 實驗中的問題

1)球體直徑太小(56 cm)，若要達到一定的線速度，則轉(zhuǎn)速要快，但角速度太大又容易將磁扣甩飛。

2)受現(xiàn)實重力作用的影響，當(dāng)磁扣達到向下運動位置時，受重力加速度影響也容易被甩飛。

3)磁扣與球面之間的摩擦力太大會被卡住不動，太小則會因重力作用而自然下落。

3.2.4 實驗結(jié)論

自轉(zhuǎn)球體會產(chǎn)生離極力，造成球體表面物體從高緯度處向低緯度和西漂移。類比到地球，高處的大陸巖石圈受離極力作用可以在低處的大洋之上漂移，只不過大陸是作仰沖運動，初始力需要足夠大。由于洋殼之上的運動面有海水的參與，阻力會減弱，加上摩擦力較小的蛇紋石化洋殼巖石一旦運動，沒有阻擋或較大的阻力很難停止。

3.3 地轉(zhuǎn)離極力半定量計算與南北向大陸漂移

3.3.1 地轉(zhuǎn)離極力原理

離極力F離=F向·sinα=mω2r·sinα=mω2R·cosα·sinα(式中，F(xiàn)向為向心力，α為緯度，m為質(zhì)量，ω為角速度，R為地球半徑，r=R·cosα為旋轉(zhuǎn)半徑)，是指向赤道的矢量力(圖9)。

圖中，綠線代表大陸；藍線代表大洋；R為地球半徑；r為旋轉(zhuǎn)半徑；α為緯度；F向為向心力； F離為離極力； F垂為垂向力圖9 地轉(zhuǎn)離極力造成大陸向赤道漂移示意圖Fig.9 Schematic diagram of continental drift towards the equator caused by Earth’s rotation departure pole force

不同緯度板塊產(chǎn)生的離極力大小不同，在中緯度(45°)地區(qū)最大，隨著緯度的降低或升高逐漸變小，極點和赤道處為0。在地球自轉(zhuǎn)過程中，中心位于中緯度附近的大陸離極力最大，當(dāng)其前方為大洋時，最容易造成大洋屈服俯沖，如白堊紀(jì)時期岡瓦納大陸的瓦解就是中心接近中緯度的一些大陸被甩離南極洲而向北漂移，造成特提斯洋的俯沖消亡；中心位于中緯度附近的歐亞大陸白堊紀(jì)以來脫離北極向南運動，與非洲-印度大陸碰撞，仍具有強大的向南運動的勢能(圖1)；中心位于中緯度附近的北美洲大陸也在白堊紀(jì)以來脫離北極向南西運動，與南美洲大陸碰撞，并覆于太平洋洋中脊之上，巨大的離極力勢能對其南西側(cè)洋殼構(gòu)成強大的威脅(圖1)；中心位于兩極或赤道、接近赤道的低緯度附近的大陸離極力最小，相對穩(wěn)定，如現(xiàn)代的南極洲、南美洲和澳大利亞。

質(zhì)量與離極力的大小成正比，根據(jù)方劍[3]的重力反演，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160～180 km，大洋巖石圈厚度一般在50 km左右，洋中脊最薄為30～40 km，同一緯度的大陸板塊離極力是大洋板塊的2～6倍[15]。當(dāng)大陸和大洋基本處于相鄰緯度時，二者在南北向上的離極力突變，且由于陸殼厚而洋殼薄，造成接觸面積突然變小，壓強突然增加，洋陸接觸帶成為應(yīng)力集中地帶，當(dāng)接觸帶應(yīng)力達到巖石屈服點造成巖石破碎時，洋陸接觸帶最終成為應(yīng)力釋放地帶。當(dāng)接觸帶近EW向展布時，擠壓形成的俯沖帶造成大洋板塊俯沖消減運動，如消失的特提斯洋主體俯沖到歐亞大陸之下；當(dāng)接觸帶斜向展布時則可能出現(xiàn)壓扭或張扭構(gòu)造形跡，造成洋陸邊界處不規(guī)則的陸緣出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)位移現(xiàn)象，如亞洲與西太平洋交匯地帶主體呈NE向展布(圖1)，由于歐亞大陸的SW向移動，與西太平洋界線地帶發(fā)生了左行張扭活動，造成日本島弧相對大陸的北移，同時造成朝鮮半島、海南島等島嶼發(fā)生左旋兼NE向移動[17]。

3.3.2 地轉(zhuǎn)離極力的大小

已知地球自轉(zhuǎn)角速度為每天轉(zhuǎn)1周，即每秒轉(zhuǎn)0.000 072 72周，地球平均半徑為6 371 km。

1)假設(shè)大陸巖石圈厚度為100 km，巖石圈平均密度為3 000 kg/m3。根據(jù)計算，板塊在不同緯度產(chǎn)生的離極力不同，其中中緯度處離極力最大，45°處地表1 m2大陸巖石圈板塊產(chǎn)生的離極力為5.05×106N，其兩側(cè)30°和60°處皆為4.38×106N，30°～60°之間平均為4.7×106N[15]。

2)以緯度45°分別計算不同厚度巖石圈的離極力可見，大陸巖石圈產(chǎn)生的離極力達到地面每m2板塊為(5.05～9.10)×106N，是大洋巖石圈(1.25～2.53)×106N的2～6倍[15]。若大洋位于大陸前方，則必然會遭受大陸的強烈擠壓。

3.3.3 地轉(zhuǎn)離極力與巖石強度

如此大的離極力作用能讓固體巖石破碎，讓大洋板塊俯沖到大陸板塊之下嗎？

一般巖石的干抗壓強度(水飽和抗壓強度)為：1)砂巖65～251 MPa(18～246 MPa)；2)石灰?guī)r85～207 MPa(48～189 MPa)；3)白云巖115 MPa(95 MPa)；4)凝灰?guī)r62～179 MPa(33～154 MPa)；5)玄武巖106～291 MPa(102～152 MPa)；6)輝綠巖118～273 MPa(58～246 MPa)；7)花崗巖40～220 MPa(25～205 MPa)；8)閃長巖98～232 MPa(69～160 MPa)[18]。假如大陸板塊處于緯度30°～60°之間，南北長2 500 km(如最小的大陸板塊——澳大利亞和印度南北長皆為2 500 km左右)，巖石圈板塊產(chǎn)生的離極力在地表按4.7×106N計算，那么該大陸巖石圈產(chǎn)生的離極力在板塊前緣1 m寬的巖石圈可以達到11.8×1012N，按厚度100 km計算，可以產(chǎn)生118 MPa的壓強，足以使一般的巖石破碎?？紤]到該壓強在洋陸接觸帶作用于大洋上的面積要縮小1/2，壓強會增大一倍，而且如果是更大的大陸板塊加上雙向大陸擠壓，產(chǎn)生的壓強會更大，此時海洋下方由水飽和巖石(包括極易滑動破碎的蛇紋石化鐵鎂質(zhì)和超鐵鎂質(zhì)巖石)構(gòu)成的洋殼將產(chǎn)生破裂，再加上破裂后裂隙中滲入的海水的潤滑作用，大洋板塊終將因無法承受水平擠壓力而發(fā)生大規(guī)模的逆沖運動，除造成少部分洋殼仰沖到陸緣形成蛇綠混雜巖外，洋殼主體會俯沖進入軟流圈或上地幔之中而消亡，其中蛇紋巖和海水在板塊相對逆沖運動過程中起到了潤滑及減少摩擦力的作用。

如白堊紀(jì)時期南方的非洲大陸主體從中緯度處開始北移，之后北方勞亞古陸也在北極裂解造成歐亞大陸南移，兩個大陸之間的特提斯洋受到雙向擠壓，造成特提斯洋洋殼主體向歐亞大陸之下俯沖消減，直到相向運動的南北大陸碰撞造山形成特提斯造山域。此時由于質(zhì)量巨大的大陸板塊的前沖慣性作用，碰撞的應(yīng)力更大，碰撞作用使地層在褶皺造山的同時，各種堅硬的巖石擠壓破碎推覆，在結(jié)合帶及其附近形成蛇綠構(gòu)造混雜巖帶、脆性和韌性斷裂構(gòu)造及巖漿活動和動力變質(zhì)作用等。

3.4 地轉(zhuǎn)同步力半定量計算與東西向板塊運動

3.4.1 地轉(zhuǎn)同步力驅(qū)使板塊運動原理

自轉(zhuǎn)地球上的物體只要進行一定距離的NS向水平運動，就會產(chǎn)生EW向的力。

地轉(zhuǎn)同步作用主要涉及2個物理公式：1)作勻速圓周運動的物體，線速度ν=ωr(ω代表角速度，r代表旋轉(zhuǎn)半徑)；2)動能Ek=0.5mν2，動能與線速度和質(zhì)量相關(guān)。

地球自轉(zhuǎn)造成不同緯度處的旋轉(zhuǎn)線速度不同，兩極為0，赤道最大，約為465 m/s，在緯度30°和60°處轉(zhuǎn)速分別為400 m/s和233 m/s。

大陸板塊在向赤道移動的過程中，旋轉(zhuǎn)半徑逐漸增大，板塊在高緯度處的旋轉(zhuǎn)線速度較低，隨著緯度的逐漸變小，旋轉(zhuǎn)線速度逐漸增大，由于板塊要求與自轉(zhuǎn)地球同步(地轉(zhuǎn)同步力)，但原本低速的板塊已經(jīng)跟不上轉(zhuǎn)速，角速度變小，產(chǎn)生向西的能量或力，致使大陸板塊向西擠壓。當(dāng)大陸西側(cè)為大洋時，洋陸接觸帶成為應(yīng)力集中地帶，當(dāng)接觸帶的應(yīng)力達到巖石屈服點造成巖石破碎時，洋陸接觸帶最終成為應(yīng)力釋放帶，造成巖石屈服、斷裂破碎而發(fā)生俯沖運動。

地轉(zhuǎn)同步力類似于地轉(zhuǎn)偏向力或科氏力，都是指旋轉(zhuǎn)體系中使運動物體發(fā)生偏轉(zhuǎn)的一種力，但對于產(chǎn)生力的機理解釋并不一樣——科氏力是對旋轉(zhuǎn)體系中進行直線運動的質(zhì)點由于慣性產(chǎn)生偏移的一種描述；而同步力是地球或類似地球的旋轉(zhuǎn)球體上由于質(zhì)點發(fā)生緯向(NS向)或垂向(上下)運動造成旋轉(zhuǎn)半徑增加或減少而產(chǎn)生的EW向的力[15]。

3.4.2 地轉(zhuǎn)同步力的大小

地球旋轉(zhuǎn)動能是EW向的，板塊在不同緯度處具有不同的旋轉(zhuǎn)動能，極點處為0，從極點向赤道逐漸增大，赤道的旋轉(zhuǎn)動能最大，按大陸厚度約100 km、巖石圈平均密度為3 000 kg/m3計算，赤道處1 km2大陸巖石圈板塊的旋轉(zhuǎn)動能為3 220×1016J[15]。

巖石圈板塊從極點向赤道NS向每移動10°需要增加的東向旋轉(zhuǎn)動能不同，中緯度處最大，質(zhì)點分別從70°移動到60°、50°移動到40°和20°移動到10°，每km2大陸巖石圈板塊需要增加?xùn)|向的旋轉(zhuǎn)動能分別為428×1016J、 559×1016J 和280×1016J[15]，平均為422×1016J。

以南美洲為例，南美洲面積為1.784×107km2，假設(shè)其初始北緣為20°S、南緣為70°S，主體向北移動了10°，那么南美洲需要增加?xùn)|向的水平能量為422×1016×1.784×107J=7.53×1025J。

根據(jù)能量守恒定律，增加如此巨大的EW向旋轉(zhuǎn)能量才能保持角速度不變，這是無法滿足的，只能使南美洲板塊產(chǎn)生向西擠壓東太平洋的力，最終造成洋陸接觸帶破裂，致使太平洋向南美洲之下俯沖消減，南美洲大陸向西漂移。

由于白堊紀(jì)以前EW向近30 000 km左右的泛大洋已經(jīng)基本俯沖到美洲大陸之下，計算南美洲在無阻力情況下、140 Ma勻速水平運動30 000 km僅需1.2×105J的動能(南美洲大陸面積為1.784×1013m2，假設(shè)平均厚度為105m，比重為3 000 kg/m3，則南美洲質(zhì)量(m)為5.34×1021kg；假設(shè)南美洲向西運動距離(L)為30 000 km，經(jīng)過時間(t)為140 Ma=1.4×108a=4.4×1015s，平均速度ν=L/t=(3×107)/(4.4×1015)=0.68×10-8m/s=21.4 cm/a，需要的動能Ek=0.5mν2=0.5×5.34×1021×(0.68×10-8)2=1.2×105J)，能量相對很小，可見主要的能量用于逆沖和克服前進的阻力了。

而實際上，同時向北移動的大陸板塊還有非洲和印度，而且向北移動的距離更大，同樣產(chǎn)生巨大的西向能量，通過巖石圈將能量(或動量)傳遞給南美洲板塊，致使南美洲相對于太平洋產(chǎn)生了更加強大的擠壓而發(fā)生大規(guī)模的仰沖運動，導(dǎo)致EW向大于30 000 km的古太平洋板塊俯沖殆盡。

4 板塊運動現(xiàn)象與地轉(zhuǎn)力相關(guān)性問題解答

1)離極力是指向赤道的力，為什么南美洲的小部分、非洲大部分和印度全部從南半球向北運動且越過赤道進入了北半球？

因為大陸板塊的運動是有慣性的，質(zhì)量越大慣性越大。根據(jù)離極力公式，赤道附近的離極力很小，通過赤道后大陸板塊的前沖力大于相反的離極力，因而不會停止，只有前方與另一個大陸板塊發(fā)生碰撞時才會停下來。

2)古太平洋板塊在白堊紀(jì)以來被擠壓俯沖消亡，為什么白堊紀(jì)以來還有新太平洋產(chǎn)生，為什么被擠壓俯沖的太平洋與大西洋和印度洋一樣發(fā)育海底擴張？

因為地球是個閉合的球體，當(dāng)某緯度范圍NS向的洋陸接觸帶發(fā)生了EW向俯沖運動后，由于大陸向西仰沖運動，造成該緯度范圍EW向的巖石圈大多處于松弛拉張狀態(tài)，被俯沖的大洋板塊亦不例外，其既是向西運動大陸前方被擠壓俯沖的對象，也是向西運動大陸后方被拉伸的對象，同樣會因拉伸而發(fā)生海底擴張。

3)Wegener提出的離極力作為大陸漂移的驅(qū)動力早已被許多研究者否定，還有必要繼續(xù)研究嗎？

有必要繼續(xù)研究。Wegener及其他研究者沒有找到合理的計算方法：1)前人認(rèn)為大陸漂移或板塊運動是硅鋁層在硅鎂層之上的運動，而不是巖石圈在軟流圈上的運動；2)前人沒有考慮緯度差異及大洋與大陸巖石圈的厚度差異會造成強大的離極力差；3)前人強調(diào)地球自轉(zhuǎn)速度變化或潮汐力會產(chǎn)生EW向的力，沒有發(fā)現(xiàn)板塊NS向運動本身會產(chǎn)生更強大的同步力，而這卻是造成板塊EW向運動的關(guān)鍵。

5 結(jié) 語

1)板塊運動是固態(tài)巖石圈在近液態(tài)-塑性軟流圈之上的運動，主體表現(xiàn)為大陸漂移、海底擴張和大洋俯沖，其中大陸漂移造成大陸的分裂和分離及大陸的靠近和碰撞；海底擴張表現(xiàn)為洋中脊的發(fā)育和轉(zhuǎn)化為新生大洋；大洋俯沖表現(xiàn)為古大洋消亡并形成溝弧盆體系。

2)洋中脊是大洋的胚胎，其形態(tài)特征能夠反映海底擴張的應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)洋中脊為地塹式中央裂谷這一形態(tài)特征來看，大洋是拉張的產(chǎn)物，即因大陸分裂形成大陸裂谷→繼續(xù)分離海水灌入形成雛形大洋→隨著大陸相互遠離海底沿洋中脊擴張生長出新的大洋，所以必須依據(jù)大陸漂移造成了海底被動擴張(而不是海底擴張造成了大陸漂移)這一結(jié)論再去研究分析板塊運動的動力源問題。

3)與板塊運動動力源相關(guān)的另一個重要因素是大陸漂移運動的方向，根據(jù)世界地質(zhì)圖等洋殼年齡分布特征資料進行逆推，還原不同階段洋陸展布狀態(tài)可以看出，白堊紀(jì)以來南半球大陸分解并向北運動，北半球大陸分解向南運動，大陸在向低緯度處運動的過程中向西運動，這種大陸漂移的方向性特征與地球自轉(zhuǎn)力作用的方向性特征完全吻合。

4)根據(jù)模擬實驗，在空心不銹鋼球體的中高緯度表面吸附上具有一定質(zhì)量的磁扣，旋轉(zhuǎn)不銹鋼球體，當(dāng)達到一定轉(zhuǎn)速(旋轉(zhuǎn)形成的離極力大于磁吸力形成的阻力)時，物體就會向赤道處漂移，同時向西漂移。同理，地球上的大陸高出大洋，當(dāng)中高緯度處的大陸自轉(zhuǎn)離極力大于前方大洋阻力時，必然會造成大陸仰沖在大洋之上，也就是大陸在大洋之上漂移。根據(jù)離極力理論計算可知，離極作用使中高緯度處的大陸產(chǎn)生指向赤道的離極力，足以使其前方大洋破裂屈服，從而發(fā)生逆沖運動；而向赤道運動的大陸因旋轉(zhuǎn)半徑變大產(chǎn)生了強烈的向西的同步力，造成大陸西側(cè)大洋破裂發(fā)生逆沖運動，造成大陸在向赤道運動的同時向西漂移。大陸漂移的本質(zhì)就是大陸擠壓大洋造成洋殼破裂逆沖，陸殼仰沖于洋殼之上，大陸前方的古大洋逐漸被俯沖消亡，最終與前方大陸碰撞造山合并成新的大陸。因為地球是個整體，由于大陸的前行造成其后方的巖石圈處于張裂狀態(tài)，原大陸被拉張分解為2個或多個大陸，分裂的大陸之間沿洋中脊生長成新大洋。

5)地轉(zhuǎn)力包括地轉(zhuǎn)離極力、地轉(zhuǎn)垂向力和地轉(zhuǎn)同步力，只要地球不停地自轉(zhuǎn)下去，就會有地轉(zhuǎn)力形成的地應(yīng)力。由于緯度和巖石圈板塊質(zhì)量的不同產(chǎn)生的地轉(zhuǎn)力不同，除可能繼續(xù)造成板塊運動外，還可能造成固體大陸或大洋內(nèi)部地殼發(fā)生斷裂，并在已有斷裂上釋放積累勢能造成地震。