万天丰
为什么固体地球表面的各个板块会运动？为什么板块运动的速度和方向有时只稳定了几千万年就变化呢？这是所有地球科学工作者都很关心的课题。曾经有许多著名的学者早已提出了他们自己的看法，初听起来，似乎他们早已解决了板块构造动力学机制问题。然而，事实上，至今上述问题仍然是困扰地球科学工作者的难题，这是当代地球科学最重大的基础理论课题。本文准备在此客观地讨论一下这个问题。
1 板块构造动力学机制的早期假说
地幔对流-传送带模式是板块构造学说兴起以来最著名的动力学机制解释。其实，固体地幔发生对流的假说是由Holmes［1］和Griggs［2］为解释造山带形成而提出来的。他们的学生、板块学说的创立者们［3，4］把板块运动的资料与地幔对流假说相结合，就提出了板块构造学说的第一个动力学机制——传送带模式，他们认为岩石圈板块的运动完全取决于深部地幔的对流环。板块被冷的、重的、向下运动的地幔所带动而产生俯冲作用，在热的、向上运动的地幔影响下造成洋底板块扩张，上部地幔的水平运动带动了板块的水平运移。按照上述假说，地幔运动速度必须大于岩石圈板块的运动速度。然而，一个他们自己早已发现的、很要紧的事实，正好打破了传送带模式的说法。Wilson［4］在研究夏威夷群岛火山链时，就提出该区洋底火山是地幔热物质向上运动、发生局部熔融在地表的表现，后来称之为热点（Hot spot）。对于夏威夷火山链的火山岩年龄，呈现为从西北向东南逐渐变新，他认为，这是由于地表附近的板块在向西北运移，而代表地幔热活动中心的热点则是其参照系，基本不动。火山链就是岩石圈相对于热点运动的轨迹。根据这些热点的资料，必然的结论是地幔运动速度很小，几乎静止，岩石圈板块则可以比地幔快得多，每年运移几厘米到十几厘米。那么这样就出了问题，运动速度很小的地幔如何能带动速度较快的板块移动呢？另外，绝大多数地幔热活动的中心都不与板块扩张的中心相对应，板块扩张中心的深部没有地幔物质上涌的现象，地幔对流环就难以形成。这些就成了传送带模式的致命伤。因而，到20世纪90年代初，美国大地测量与地球物理学会（IUGG）只好改口说：板块构造的动力学机制将在未来20～30年内解决。实际上，是委婉地承认了板块运移的传送带模式有问题、行不通。
2 板块构造学说的新进展
由于板块构造学说的动力学机制存在问题，近十几年来各种各样否定板块学说的意见、论文和专著大量发表，以至于许多“非板块”大地构造学研究兴起，有人更提出现在已经到了“后板块构造时期”。但是仔细阅读他们的文章和专著后，可以发现许多人批判的都是20世纪60～70年代板块构造的早期论点和资料，而对于近20年来国内外板块构造的新资料和新认识，常常并未论及。为了客观地评价板块构造学说，也为了更好地探讨岩石圈板块构造的动力学机制，简述一下板块构造学说的新进展是必要的。
（1）构造演化的阶段性。曾经有相当长的一段时间内，认为中生代以来，全球板块的扩张是连续、均匀地在进行着［5～9］。然而，洋底第三代磁条带的成果［10～12］的公布，发现三个大洋（太平洋、大西洋和印度洋）中生代以来都有6个演化阶段，每个阶段运移的方向和运移速度都不相同。不久之后，中国大陆中、新生代板内变形［13］，北美西部中、新生代的构造事件［14］以及西欧沉积盆地内构造事件［15］等项研究，都提出大陆构造演化在中生代以来都具有各不相同的、各具特色的5～6次构造事件。全球各地区都存在自己的、准同时的构造演化阶段，板块运动和构造演化呈现为稳定期与活跃期、渐变与突变相结合的形式，从而使演化的阶段性表现得相当清晰。
（2）板块运动方向、速度与运移量。通过研究各个地质历史时期和各大板块的古地磁学及其内部的构造变形资料，许多学者都认识到，同一板块在不同时期的运动方向可以很不一致，同一时期各个板块的运动方向也可以很不一样。板块运动完全不受赤道的限制，可以穿越赤道。板块也可以发生一定程度的旋转。板块甚至还可以在一定时期呈现出放射状运移的样式［16］。
（3）板块运动的主导作用。多数地球物理学家起初都强调俯冲的主导作用［17，18］，认为在板块边缘应力可以显著增大到1000MPa的程度，俯冲带的负浮力极大，从而成为板块运动的主要驱动力。后来，许多学者考虑了更多的因素，计算出来板块的负浮力就不太大，约为40～290MPa［19］。近年来的研究，一般都强调并认为和地幔羽活动有关的板块扩张作用在起主导作用。
（4）构造应力状态。造成岩石变形的构造应力主要集中在岩石圈上部，尤其在上地壳，在地质历史时期的构造应力值（即最大与最小主应力值的差值，也称差应力值）可达100～200MPa；在地下50～60km处，大陆裂谷带之下约降为8MPa；而在100～200km深的大陆岩石圈下部差应力值普遍降为15～5MPa［20～21］，而此处的静岩应力平均已达到2700～5500MPa，差应力在岩石圈下部已经小到微不足道的地步。可以肯定该处岩石密度显著加大，而构造变形则十分微弱。有关岩石圈之下固体中、下地幔的情况，至今无法获得任何样品。根据全球重力场基本平衡的状态和高温高压试验的结果来推断，地幔深部矿物的结构一定愈来愈紧密，晶系的对称性愈来愈好，固体地幔内的差应力值应该几乎等于零，全球的力系是基本上保持平衡的。
（5）关于地幔对流。过去根据深震源的最大深度推测，板块最深可下插到600～700km左右。依据最新全球地震层析的资料所揭示的地幔内地震波速变化来判断，部分冷板块可下插到核幔边界（深2891km）附近，如法拉隆板块下插到北美洲之下的核幔边界附近，蒙古-鄂霍茨克侏罗纪大洋板块下插到西伯利亚地块之下［22～23］。板块在下地幔内的下插速度大约为1～1.5cm/a，显著地小于在地表附近的板块边界运移速度［22］。在板块不断下插的同时，某些地点起源于核幔边界的地幔热物质，可以用地幔羽的形式上升。这样，一方面不断把岩石圈板块下插到地幔深处，另一方面深部地幔物质又可以上升到软流圈，于是势必构成地幔的大对流［24～26］。曾经一度认为地幔不可能构成全地幔对流的认识，显然要改变。尽管存在着地幔对流，但是想用地幔对流当作“传送带”来驱动岩石圈板块的运动，显然是不可能的，因为至今还没有获得地幔运动速度大于2cm/a的任何数据。低速“传送带”不可能使“货物”快速运动。上述资料对于把地幔当作传送带、驱动岩石圈板块运动的假说，提出了严重的挑战。还值得一提的是，现代板块扩张中心，只有部分大西洋洋脊的深部可以与从核幔边界起源的地幔热物质上升相关；绝大多数洋脊都找不到根部的物质差异，只探测到浅源地震，绝大多数的热点（热地幔羽在地表的表现）都发育在大洋或大陆板块内部，而不在洋脊上。
（6）大陆板块内部的圈层滑脱。早期板块学说都把大陆板块假设为刚性的［3，4］。现在，愈来愈多的学者认识到大陆岩石圈内部存在多个不连续的滑脱面，如沉积盖层与结晶基底间的滑脱面、中地壳低速高导层滑脱面、莫霍面滑脱面等，它们常常与浅部陡倾斜断层相连通，以逆掩-推覆断层的形式发生滑动，成为大陆内部地震的震源区和岩浆活动区。在大陆与海洋岩石圈的过渡地带，海陆岩石圈之间可以互相滑脱、互相嵌入。当大陆地壳的某些部分滑动到海洋型地幔上去时，该区就成为构造岩浆活动相当强烈的地方（如中国大陆东部）［16］。而俯冲带，其实就是海洋岩石圈滑动到大陆岩石圈之下的情况，这一点早已为人所熟知。
（7）内核的快速转动。宋晓东等［27］根据近30年来穿越地核的地震波研究，发现地内核是不均一的，有很小的系统变化，内核对称轴比地球旋转轴每年向东偏移1.1°。这说明内核表面最大旋转线速度可比壳-幔部分快20km/a。这种速度相当于壳幔最大运移速度的几十万倍。据此国内有人认为它可以直接影响地球表层的构造活动。笔者认为：可能性不大，因为已经证明庞大的固态地幔是十分稳定的。然而，由于存在固态内核转动较快的现象，在液态外核和固态地幔之间发生摩擦、产生旋涡，从而诱发地幔羽的起源是可能的，影响地磁场也是肯定的。
总之，板块构造理论，在全球构造的形态学与运动学方面取得了显著的新成绩，获得了大量的新证据，它已经不是处在一种假说的阶段。但是，动力学机制问题至今尚未解决。
3 关于地幔羽假说
地幔羽（mantleplume），通常认为是一团相对热的、富含流体的固体地幔，由于它密度较低，具浮力，可以上升［25］。此概念最早是由Wilson［4］提出来的。经过很多学者的研究，发展了此术语的概念。Condie［25］综合了国际上许多公认的观点，他认为，地幔羽是具有浮力的，当它上升到岩石圈底面时，就会散布开来，从而形成地幔羽头部。根据由地幔羽部分熔融而造成的溢流玄武岩的分布，通常推测地幔羽头部的直径为500～3000km，呈一微突的薄饼状。而地幔羽尾部，其典型的直径只有100～200km。超级地幔羽（su-perplume）是用来描述头部直径达1500～3000km的地幔羽，由超级地幔羽所派生的玄武岩流的体积可达0.5×106km3。而地幔底辟（mantle diapir）是用来描述一些小型的、仅发育于上地幔的地幔羽，其直径小于300km，它没有地幔羽的尾部。根据地震层析成像资料，地幔羽一般可以来自670km间断面或核幔边界。尽管一般说来，地幔羽的规模是巨大的，但是它只能使地表地形隆升上千米而已，形成宽缓的、圆形隆起，类似一个穹窿。
在此应该特别强调的是，地幔羽总体上说，是由热的、富含流体（即富含活动性组分，如钾、轻稀土、碳和气态水等）的固体硅酸盐所组成的。除了在地幔羽头部之上，存在部分熔融现象外，其他部位都不存在部分熔融，为固态的。在地幔羽内，热流体沿着晶体间隙、上升运移。热流体的这种运动类似于“一股袅袅上升的青烟”，在英文中，“plume”这个术语用得十分恰当，他们没有用地幔柱（mantle column）的术语。这与地幔对流假说最初的纯固体地幔因为流变而发生对流的概念［1，2］是完全不同的。由于热流体的存在，地幔岩的温度升高（可能大于正常值100～200℃），黏性加大，密度降低，使地震波速适当降低，从而显示出地幔羽的存在。
地幔羽驱动岩石圈板块运动的假说，强调的是由于地幔热流体的大量上升和地幔头部的上顶，在岩石圈底面发生局部熔融，造成岩浆向上侵位，引起岩石圈上部产生放射状张裂，有时还可以使原来的一个岩石圈板块张裂成几个板块，由于岩浆的大量上涌、充填断裂，就不断地推动了岩石圈板块在水平方向上朝四周扩张、裂开。受地幔羽控制的大规模岩浆活动，当岩浆喷出地表就形成分布面积十分巨大的溢流玄武岩区，侵入到近水平的界面中就形成大范围的岩床，而在其下部常沿着陡倾斜的放射状张裂隙而构成岩墙群。所有这些岩浆活动的时间都应该是准同时的，即岩石形成的同位素年龄误差应在1Ma之内［25］。
中生代以来的超级地幔羽，证据比较多，公认的程度也比较高。根据在侏罗纪早期（200Ma）北美洲、南美洲和非洲发育的中大西洋火成岩活动省的火山活动中心、岩床和放射状岩墙群的分布，Condie［25］推断在三大洲之间存在一个超级地幔羽，从而使潘几亚（Pengea）泛大陆裂解。这些岩浆岩都采用40Ar/39Ar法测定年龄，其误差仅在1Ma的区间内，溢出岩浆岩的体积达7×106km3。
对比全球大地水准面的异常隆起和利用地震波计算出来的核幔边界起伏的资料［28］以及利用洋底磁条带所推算出来的地壳增生的分布，Pavoni［29］推测，在最近180Ma（中侏罗世）以来非洲和太平洋板块的深部存在超级地幔羽，他把这种地幔羽的存在称之为大地构造的两极性。正是这两个地幔羽的上升，派生岩石圈板块与上地幔的放射状水平位移。由于大地水准面的异常隆起（非洲最多隆升800m，太平洋则为1200m）与核幔边界隆起（非洲最多隆升3500m，太平洋为3000m）具有相应的对比关系，一般认为，这两个地幔羽可能起源于核幔边界，并且有可能是液态外核和固态地幔之间运动速度不同，产生旋涡，从而诱发核幔边界的隆升和地幔羽的起源。
总之，地幔羽假说可较好地解释中生代以来的部分板块运动方向的多变和放射状水平运动的事实；它是在全球质量总体上保持平衡的条件下发生变化的，因而也可以解释40亿年来地球质量变化很小的事实；它对于板块水平运动的解释完全不依赖地幔对流速度的大小。跟过去所有的假说相比，此假说显然更合理一些，是认识上的一个进步。然而，此假说对于解释前中生代的板块运动，目前尚缺乏足够的资料，还远不能解释整个地质历史时期的岩石圈板块的所有运动变化；另外，起源于核幔边界的地幔羽演化是极其缓慢的，想用地幔羽假说来解释每隔几千万年板块运动方向发生突变，就不大适用。
4 关于陨击诱发板块运动的假说
地幔羽假说是立足于用固体地球内部圈层的相互作用来解释板块构造的动力学机制的。然而地球是宇宙大体系的一分子，尤其是太阳系内部小行星对于地球的撞击作用对于固体地球表层的影响是不可忽视的。近30年来，由陨击作用而诱发板块运动的假说，已受到愈来愈多的重视［30，31］。这是一种立足于太阳大系统，或者说是宇宙大系统的动力学工作假说。
陨击作用诱发板块运动假说的要点是：具有（33±3）Ma周期［32，33］的、规模巨大的陨击作用，可造成陨击坑。巨大陨击坑（直径达数百千米，深度为几十千米），使大面积的地表岩石发生破裂，并在其附近产生巨大的质量亏损，为保持重力均衡，可诱发深部地幔物质的上涌，即形成上地幔的地幔羽（即地幔底辟），诱发大规模的岩浆活动（溢流玄武岩的覆盖面积达106km2），从而派生出放射状和环状的张断裂，可形成岩石圈板块裂开的三联点，推动板块向四周的水平运动［31］。现在一般认为，巨大的陨击事件可以引发一系列地质事件：由于陨石撞击的速度极高（30～50km/s），陨石和大量的地表岩石可以因撞击、形成局部高温而爆炸、气化、粉碎，当粉尘和烟雾升到平流层，阻挡了太阳能的辐射，使全球或相当大的范围内气候严寒，直到几年后烟雾粉尘消散、气候才可转暖。陨击作用使生物大量灭绝，在陨击中心附近烧死了所有的动植物。粉尘和烟雾遮蔽太阳光使植物难以进行光合作用，植物枯萎、食草动物挨饿，出现大规模种群绝灭。如果陨击事件发生在海洋，则可造成巨大海啸，引起海平面大幅度的变化，海陆地理环境因而巨变，痕量元素也产生巨大变化。巨大的陨击事件还可以使地球磁极突然翻转，引起地球物理场的大变化。以上所述就是巨大陨击事件可能对于大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和地球物理场所产生的影响。
根据前人［32，33，34］的总结和近年来所积累的资料来看，巨大陨击事件周期性和地球演化周期性的关系，的确十分密切。主要存在着两种周期性：（33±3）Ma和（265±60）Ma的周期性。（33±3）Ma的周期，是和太阳系穿越银道面（银盘）有关，在银道面附近星际物质密集分布，引力场发生变化，很容易使小行星或彗星等脱离原有轨道，出现陨石撞击地球的现象。（265±60）Ma的周期，是银河年的周期，即太阳系绕银河系旋转一周所需要的时间，与地质演化阶段的“代”相当。在一个银河年内大致可以8次穿越银道面。
综上所述，笔者认为：岩石圈，作为很薄的地球表层（平均厚度约为地球半径的1/60），发生板块运动，产生显著的差异应力，造成较强的构造变形，很可能是地球内部演化和陨石撞击共同作用的结果。从核幔边界升起的超级地幔羽，可能导致岩石圈板块的长时期（上亿年）的、缓慢板块扩张。至于一些无根的热点和地幔底辟，则有可能是陨石撞击作用诱发而形成的，它们可能解释短周期（上千万年）的板块运动及其运动方向的多变性。看来地幔羽假说与陨石撞击诱发假说，并不矛盾，而是可以起到互补作用的。相信在进一步深入研究、系统地积累全球资料之后，在不远的将来，岩石圈板块构造动力学机制和地球动力学必将取得突破性的进展。
地球动力学和岩石圈板块构造的动力学机制，确实是地球科学中一个极其诱人的、难度最大的前缘性课题。这个难题，只有在为人类社会服务的过程中，扎实地大量积累各种地质、地球化学、地球物理学和天文学的资料，才可能得到解决。急于求成，操之过急是不行的。在缺乏大量资料的情况下，想要大力发挥抽象思维的才能，建立自己的新学说、新理论是行不通的，益处也是很有限的。
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