为什么地球会有板块运动,动力机制是什么?

为什么地球会有板块运动,动力机制是什么?

青铜马弓手,量一弓手,安敢乱言。

1912 年,德国法兰克福地质会议,魏格纳首次提出“大陆漂移学说”,他认为大陆可以发生大规模水平位移。

这个在今天被认为是板块构造理论滥觞的学说,却遭受当时学界的广泛质疑:

脆弱的陆地之舟,如何航行在坚硬的海床上?
一个漂亮的梦,一个诗人的梦。

当初大陆漂移学说不被接受,根本原因是无法解决驱动力问题。

地球自转离心力、日月引力、潮汐力,都微不足道。

图 1. 魏格纳(1880-1930),死于格陵兰岛考察途中

后来,在大陆漂移学说的基础上,发展出板块构造理论(1968 年),至今不断完善成型。

该理论极为简洁地概括了地球岩石圈层的运动和演化机制,具有广泛的普适性和可预测性,是 20 世纪自然科学四个重大突破之一。

图 2. 来源:北京大学张进江教授 2019 年构造论坛 PPT

百年后的今日,板块构造驱动力,仍是非常宏大、且尚无定论的科学问题。

目前地学领域大部分研究,都由该命题延伸而来,是完善板块构造理论的根基。


1.受力分析

这显然是个力学问题。

因此,在展开介绍之前,先做个简要的受力分析:

图 3. 底图来自 Forsyth & Uyeda, 1975;Forte, 2011

如上图所示,施加在岩石圈板块上的根本作用力,主要包括:

Fp:地幔上涌所产生的正浮力;

Fs:俯冲板块的负浮力,说白了就是下沈的力。

目前,地学界对于板块构造驱动力的争论,大多围绕这两种力谁起主导作用展开。

主要分成两种观点:自下而上vs.自上而下

图 4. 板块运动的“自下而上”和“自上而下”驱动机制修改自 Courtillot et al., 2003;陈凌,2020。

2.自下而上(Bottom up)

“自下而上”模式认为,板块运动的驱动力来自地球内部。

类似的观点,早在板块理论建立之前就已提出,

板块理论将其发展,认为板块运动受控于板块之下的地幔系统,即地幔对流驱动板块运动,

当年通过类比锅中沸水循环而获得的灵感。

图 5. 锅中沸水循环

“自下而上”模式,主要从以下几个方面驱动板块运动:

2.1 “红叶随流水”—地幔对流对板块的拖曳力

这种模式最好理解,板块如一叶扁舟,随流水(软流圈地幔)任意漂荡。

水流到哪,船漂去哪;同样,地幔流向哪,板块“漂”去哪。

因此,板块构造理论的雏形是大陆漂移学说。

这是早期朴素的驱动力思想,作为魏格纳少数的支持者,Arthur Holmes 提出这一机制,来解释大陆漂移驱动力问题。

图 6. 来自 Arthur Holmes,1932,Science News Letter,作者认为,这些大陆可能像木筏一样漂浮在地球深处的一层粘稠的、部分熔化的岩石上。

地幔对流的样式,目前仍存在较大争议,

有全地幔对流、分层对流等模式,如下图。

图 7. 全地幔对流 vs.分层对流

地球物理与地球化学等研究普遍认为:

虽然地幔分层对流作用更为显着,但是也存在缓慢的全地幔对流作用进行物质交换。

图 8. 地幔对流数字模拟 | Ballmer et al., 2015 Science Advances

但是这种对流过程极其缓慢,而且混合程度差。

有人说这个过程与牛奶加入咖啡产生混合相似。

其实不同,即使忽略时间尺度,这个过程可能更像牛奶与蜂蜜的不均匀混合。

图 9 牛奶咖啡,网图侵删

虽然地幔具有流动性,但事实却令人更加疑惑:板块运动速度远比地幔流动速率大!

也就是说,船的速度,远大于水流的速度。

一个速度慢的介质,如何能驱动速度快的介质运动?

2.2 洋中脊推力

对于洋中脊推力的认识,依次经历了以下几个阶段:

(1)“吹气球”模型—岩浆上涌推动板块运动

海底扩张理论这样解释驱动力:

深部地幔对流,岩浆上涌、挤入扩张的洋脊,冷却产生新的洋壳,

并且推挤两侧的洋壳岩石圈, 驱动板块向两侧运动。

好比在洋中脊下方吹气球,气球越来越大,推动板块向两侧运动。

图 10. “吹气球”模型—岩浆上涌推动板块运动

但这个模式很快就出问题:

洋中脊的顶部附近,往往发育伸展断层和地震,而不是预期的挤压作用力。

这说明,至少在洋中脊离散边界的顶部,没有洋脊向两侧的挤压力。

此外,经过计算,这个推力太小,不足以驱动板块运动。

(2)“喷泉”模型—重力均衡解释洋脊推力

这是“吹气球”模型的改进版。

大洋岩石圈如同一个巨大容器的顶部,开口处位于洋中脊,里面装满塑性的软流圈物质。

这些软流圈物质有侧向分压,因而推挤洋壳向两侧运移。

作为补偿,洋脊下方热的低密度物质上涌,

发生减压部分熔融,形成新的洋壳,维持洋脊扩张。

图 11. 重力均衡解释洋脊推力|上图 Kruckenberg 2011 Tectonics(原图并非用来解释洋中脊,仅做参考);下图:孙卫东,2019

科学家们经过计算,这个推力仍然太小,而且上部与深部的运动方向相反。

(3)“滑梯”模型—重力作用导致板块下滑

洋中脊处,地幔物质上涌,岩石圈被抬高—架起“滑梯”。

如同一个斜面上的块体,在重力作用下向外滑动。

如今,学术界往往把大洋板块的向下滑移,也统称为洋脊推挤。

向下滑动的力量,取决于软流圈和老洋壳密度,

以及岩石圈底部到洋中脊岩石圈底部之间的高度差。

图 12. 重力作用导致板块下滑

这个力量有多大?

虽然比上两种模式的作用力大,但还是不够。

2.3 地幔柱助力与润滑

地幔柱是地幔物质集中上涌的柱状热流,虽已广泛应用,但仍是概念模型。

地幔柱的存在,能够“短暂”地促进上述的“地幔对流”和“洋中脊推力”,

导致板块运动速率显着增加。

此外,还能起到润滑作用。

也就是上文图 3 中的 Fbs :基底剪切力。

通常板块运动速率 Vp 大于下面地幔流动速率 Vm。

因此,Fbs 多表现为阻力。

地幔柱的出现,造成岩石圈底部发生部分熔融,熔体进入岩石圈与软流圈之间的接触界面,起到了“润滑剂”的作用,使得板块运动的阻力减小。

图 13. 地幔柱润滑

这个润滑作用很重要。

例如,印度大陆在向欧亚大陆汇聚的过程中,洋壳的运动速率的两次大幅增加(下图①②),被认为与留尼旺地幔柱的活动密切相关。

在此期间,板块最快运动速度大于 15 厘米 / 年,

大于现今可观测板块的最大运动速率(8-9 厘米 / 年)。

数值模拟研究发现,仅有地幔柱的助推作用还不够,地幔柱弱化作用非常关键,可以显着减薄和弱化岩石圈,减小板块运动的阻力, 使板块加速运动。

图 14. 地幔柱与印亚汇聚速率|Pusok et al., 2020 Science Advances

3.自上而下

“自上而下”模式,认为俯冲板块拖曳力是板块运动最主要的动力来源,

这是目前最主流的观点。

如果将上述的“自下而上”模式比作“传送带”(深部地幔动力驱动上部板块移动),

那下文所述的“自上而下”模式,就像一组“滑块 - 滑轮”,如下图:

图 15. 俯冲滑轮 | Erkan Gün et al., 2021 Nature Geoscience

“滑轮”固定在海沟的位置,

俯冲板块就是下滑的“重物”,

拖动上方的板块运动—“滑块”。

该模式需结合上文的“滑梯”模型,即重力作用导致板块下滑,

随着洋中脊出不断产生新洋壳,逐渐远离的洋壳越来越冷,密度增加,厚度增加。

大洋板块在自身的重力下发生俯冲,俯冲板块密度大于周围地幔,俯冲至深部的大洋岩石会发生相变,密度继续增加,板块继续下沈,进一步驱动上部板块运动。

图 16. 俯冲板块拖曳力驱动板块运动

板块为什么能沈入地幔?可详见我此前的回答:

地幔是固态的,那大洋地壳是怎么俯冲进去的?

如果此前存在薄弱带,这个地方将更容易破裂,发生俯冲起始。

图 17. 俯冲起始过程| Shuck et al., 2022;Crameri et al., 2022,Nature Geoscience

经计算,俯冲板块的拖曳力足够大,可以维持现今板块运动的速度。

研究发现,凡是有俯冲的板块,其运动速度要远大于没有俯冲的板块。

如下图,白色箭头是板块的相对运动方向,箭头长短代表运动速度大小。

图 18. 全球板块运动速率

洋壳的年龄、俯冲带的形态,与俯冲速度也密切相关。

洋壳年龄越大,则其厚度越大,密度越大,自重越大,更容易发生俯冲,

洋壳俯冲角度越大,则其下插的动力越大(即 Fsp 越大),

图 19. 陈凌,2020,图源 Fukao et al., 2013;Nishikawa et al., 2014

俯冲板块主导的驱动力比上述的洋中脊推力等“自下而上”的作用力大 7-10 倍。

现今,由俯冲构造主导,俯冲板块为板块运动提供了 90%以上驱动力。


4. 难念的经

无论是“自下而上”还是“自上而下”,家家都有本难念的经。

4.1 “自上而下”的难题

板块俯冲驱动板块运动,虽然占据主导地位,

但是存在许多现象,无法用俯冲模式解释。

例如,俯冲还未普遍发生的大西洋两侧,就无法用“自上而下”的模式解释;

印度板块北部的洋壳,早已在青藏高原下断离,

但是印度洋板块仍在运动,也不能用俯冲驱动力解释。

这些都只能用“洋中脊推力”等“自下而上”的模式解释。

还有就是板块运动的转向问题,例如西太平洋和夏威夷岛链,最新的认识是约 53Ma 前发生运动转向,这其中有地幔柱热点作用的参与。

图 20. 夏威夷岛链

此外,板块俯冲驱动板块运动的速度,有上限。

目前的研究认为,其最大速率约 10 厘米 / 年,

然而,地质历史时期出现过大于 15 厘米 / 年的运动速率,

这需要结合“自下而上”的模式一起解释。

4.2 “自下而上”的难题—“燃气管道”vs.“烟斗”

“自下而上”的难题也有很多,

例如,上文提到的驱动力较弱,地幔对流争议等。

洋中脊研究调查的深入,发现了许多岩浆供应不足、极慢速扩张的洋中脊,

无法与板块运动速度挂钩。

还存在一个更为关键问题:均匀对流 vs.极性对流。

图 21. Holden and Vogt, EOS, 1977

地幔热物质上涌,假设形成地幔柱,

会形成蘑菇云状、向四周横向扩散运动,例如“锅中沸水”或上图“烟斗”模型。

以此方式驱动板块移动,理应是无定向的放射状。

实际观察,洋中脊是向两侧近乎均匀推动板块移动,如上图左侧的“燃气管道”,

有人用热点相连成洋中脊解释,有人用三联点模式解释,

后来还出现了平躺的热管模型(下图),但都很难解释这种规律的板块运动。

图 22. Holden and Vogt, 1977

难题还远不止这些,但是将“自下而上”和“自上而下”两种模式结合起来,

便可以解释大部分板块构造动力问题。


5.谁主沈浮?

越来越多的研究试图将“自下而上”和“自上而下”两种模式结合起来。

5.1 冰与火之歌—冷地幔柱与热地幔柱

将二者结合势必会形成一个循环过程。

类比地表的水循环,地球岩石还存在岩石圈 - 地幔尺度的循环。

板块俯冲消减和重力拆沈,形成向下的“冷流”—冷地幔柱;

核幔边界物质上涌,形成向上的“热流”—热地幔柱。

冷、热地幔柱的运动是地幔中物质运动的主要形式,构成全球尺度的物质循环,它控制

或驱动了板块运动。

板块运动只是该循环过程的地表体现。

图 23. Kippers 2021 Nature Reviews ;Holden and Vogt, 1977

冷流下沈,扰动深部地幔物质和热能,激发热流上涌;

热流上涌,产生新的岩石圈,推开上覆板块,直至俯冲下沈,化为新的冷流。

上面这两句话,先说冷流再说热流,与先说热流再说冷流,效果完全不同,

因为这牵扯到主动与被动的问题。

让我们从一个难以解释的现象开始。

5.2 非洲大陆的空间“危机”

非洲大陆,西侧是大西洋,东侧是印度洋。

两个大洋中脊都在扩张,但是非洲大陆两侧并未出现俯冲带。

图 24. 非洲大陆的空间“危机”

这些扩张的物质去哪了?

是地球膨胀了?还是非洲被挤兑了(内部遭受挤压)?

这都解释不通,因为地球没有明显膨胀,非洲内部是伸展裂谷。

我们不妨先看看现今地球各个板块究竟如何运动。

图 25. 板块运动速率

洋中脊两侧发生背离运动,通过蓝色箭头(相对运动方向)可以看出;

板块绝对运动方向是红色箭头,可见非洲和印度洋整体都在向北运动。

这样,物质可以守恒。

为什么是这样,需放眼全球。

地幔内存在两根巨柱(大型剪切波低速体,LLSVP,下图中暖色调地区):

一根叫 Jason,在南太平洋下;

另一根叫 Tuzo,在现今南大西洋‒非洲‒西南印度洋下。

图 26. Jason 和 Tuzo 两个 LLSVP,板块和地幔运动速率|李三忠,2019

它们是地幔中高冷的异类,由较冷、难熔的物质组成,周围的物质遇到它们都绕行上升。

图 27. Tuzo LLSVP | Tsekhmistrenko et al., 2021 Nature Geoscience

这些深部上升的动力,控制了现今地球板块运动的主要趋势。

它俩都主要位于南半球,这也导致地球的陆块都往北跑,形成南半球以海洋为主的格局。

(可详见我此前的回答)

为什么北半球比南半球陆地面积大?

至此,也许有人会说,破案了,深部驱动浅部运动。

其实并没这么简单,因为 Jason 和 Tuzo 的成因,可能是来自俯冲作用。

2 亿多年以前,地球陆地聚在一起,形成潘吉亚超大陆。

超大陆周围,分布着一圈环形俯冲系统,

俯冲物质在超大陆之下,逐渐聚集。

经过亿万年的演化,其中难熔的物质形成了 LLSVP。

围绕 LLSVP,地幔物质上涌,超大陆因此裂解。

这也是超大陆裂解的主流机制之一,如下图。

图 28. 转引自李献华,2020

地球物理研究,确实发现大陆下方有俯冲物质残留。

图 29. Hu et al., 2018, Nature Geoscience

可见,站在地质历史角度,深部物质可能来自上部,

上部物质也由深部物质生成,到底是谁先出生?

5.3 岩浆引擎 or 俯冲引擎——主动被动之争

这类似“先有鸡还是先有蛋”的问题。

先有冷流下沈,还是先有热流上涌,谁主动,谁被动?

是“自下而上”?还是“自上而下”?

真正的争议,不是非此即彼,而是主动与被动之争。

图 30. 修改自陈凌,2020;图源来自 Courtillot et al., 2003

这是问驱动物质循环的发动机是谁?

是深部地幔物质上涌驱动的 “地幔柱引擎”(或“岩浆引擎”)?

还是浅部俯冲带下沈驱动的“俯冲引擎”?

我们不知道。

因为,地球演化过程中,俯冲起始的时间和机制仍是迷雾重重。

5.4 俯冲伊始—迷雾重重

地球板块构造的起始时间,有很大争议。

如下图所示,早到 42 亿年前,晚到 6 亿年前,尚无定论。

图 31. 板块构造起始时间总结 Palin 2020 ESR

目前普遍接受的是,大约 25 亿年前,开始全球规模的俯冲作用。

在此之前,垂向构造作用占主导(例如地幔柱),应该存在局部俯冲作用,其过程也与现代差别较大。

(关于垂向机制与水平机制,可详见我此前回答)

为什么只有地球陆壳是花岗岩质而其他类地行星是玄武岩质?

图 32. Gerya 2019 Geology

这种“地幔柱引擎”更符合我们的一贯认知:

地球深部核能转化为热能,热能在转化为板块运动的动能,似乎非常合理。

内部驱动力应该可以解释大多星球内部的演化机制。

但地球独有的板块构造真是这样诞生的吗?

为什么很多学者倾向于“自上而下”的“俯冲引擎”观点?

除了板块在重力下自发俯冲起始,以及先存薄弱带诱发的俯冲起始等“自上而下”的观点,还一种较有影响力的观点认为,地幔柱上涌导致俯冲起始。

但是,他们的研究结果却是地幔柱弱化上部岩石圈,可能直接形成俯冲带,而不是地幔柱造成上部岩石圈裂开形成洋中脊。

看似是“自下而上”的模式,其实也是俯冲拖动板块起始的观点。

图 33. 地幔柱诱发俯冲起始 Gerya 2015 Nature

此外,一些地外行星,例如金星,也发现有地幔柱构造,

而且这些地幔柱构造可能产生了俯冲带,且保留下了痕迹,由于金星岩石圈较热等原因,没有形成刚性板块,没有发生持续性的俯冲作用。

图 34. 金星地幔柱活动 Gulcher 2020 Nature Geoscience

还有一种地外撞击说,认为小行星撞击地球,触发板块俯冲起始。

图 35. 小行星撞击诱发俯冲起始|O’ Neill 2017 Nature Geoscience

其实,小行星撞击也是一种“自上而下”的模式。

此外,“水”对于研究此问题也具有重要意义。

地球与其他类地形成最大的差别就是水。

水,对俯冲起始,陆壳和软流圈形成,地球内 - 外物质循环和生命起源等具有关键意义。

地球位于太阳系的“雪线”以内,自身本应没有多少水。

图 36. 太阳系雪线(冻结线)

地球的水来自哪里?

普遍认为是外来的,彗星将水带到地球。

现今的地球,深部地幔含 1-3 个海洋的水。

如果水是外来的,那么地球内部的这些水是怎么来的?

最有可能的方式,是俯冲作用将水带入地球内部。

或许,俯冲作用将水带入地球内部,改造了地幔的性质,

才促成了地球上特有的物质循环方式,而板块运动只是这个大循环的浅部表现形式。

俯冲作用、地外水源,似乎也是“自上而下”模式。


是“自上而下”,还是“自下而上”?

或许,地球的幼年到中年有不同的选择,地球不同位置也有差异,

也可能一开始两种都不是,逐渐演化成某一模式。

这两种模式并不是非此即彼的关系,对于地球演化的不同历史阶段,可能是动态互补关系。

答案究竟是什么?

谁不想知道,我们脚下这片土地的故事。

我们过去常会俯察大地,所见唯有疑惑。而现在,开始渐渐找到答案了。

这需要今后对地球系统更加全面深入的研究,

也许,拨开迷雾,又见层云。

不过,进一步,便有一步的欢喜。

6. 总结:

(1)板块运动驱动力并不唯一,俯冲拖曳力占主导,洋中脊推力,地幔柱作用等次之。

(2)岩石圈和地幔的物质循环包括如下过程:俯冲板块作为“冷流”下沈,扰动深部地幔物质和热能,激发热流上涌;热流上涌,产生新的岩石圈,推开上覆板块,直至俯冲下沈,化为新的冷流。板块运动只是这个大循环的浅部表现形式。

(3)地球物质循环有两种主流观点:一是“自上而下”,先有浅部冷流下沈,激发深部热流上升;二是“自下而上”,深部热流上涌,形成浅部冷流。这两种观点,尚无定论。

个人认为,这两种模式也许并不是非此即彼的关系,对于地球演化的不同历史阶段,可能是动态互补关系。


声明:

板块构造驱动力尚无定论,是亟待解决的前沿科学问题。讲好前沿问题,需对本领域各方面知识有广泛、深入的了解,熟稔来龙去脉,显然我不具备此能力。笔者仍处于学习阶段,对于板块构造驱动力没有实质研究,更妄谈个人观点。本文更像是一篇极为简短、粗略的读书笔记,文中所涉及到的观点和证据,多来自以下参考文献,及其所引文献。国内外大佬们的文章,都难免带有主观倾向,我只能尽力做到客观展示。感兴趣的朋友可以拓展、比较阅读。

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