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板塊運動一般是指地球表面一個板塊對於另一個板塊的相對運動。1968年,法國地質學家勒皮順把地球的岩石層劃分為六個大板塊,所有這些板塊,都漂浮在具有流動性的地幔軟流層之上。 隨著軟流層的運動,各個板塊也會發生相應的水平運動。

1 板塊運動 -概述

板塊運動板塊運動
板塊運動,一般是指地球表面一個板塊對於另一個板塊的相對運動。堅硬的地殼並不是「鐵板一塊」,位於地表以下70-100公里厚的岩石層也不像蛋殼那樣完整。無論是在大洋底下或大陸底下的岩層,原來都是由一塊塊大板塊構成的。在這些大板塊之間不是大洋中脊的裂口,就是幾千米深的海溝或者是巨大的斷層。

2 板塊運動 -板塊學說

板塊運動板塊運動
全球六大板塊1968年,法國地質學家勒皮順把地球的岩石層劃分為六個大板塊,即太平洋板塊、亞歐板塊、美洲板塊、印度洋板塊、非洲板塊和南極洲板塊。其中,除了太平洋板塊全部侵沒在海洋底部外,其他五個板塊上,既有大陸也有海洋。隨著研究的深入,有人在這些大板塊中又分出一些較小的板塊,例如,把美洲板塊分為北美洲板塊和南美洲板塊;從太平洋板塊中分出東太平洋板塊;從亞歐板塊中分出以中國大陸為主體的東亞板塊等等。

所有這些板塊,都漂浮在具有流動性的地幔軟流層之上。隨著軟流層的運動,各個板塊也會發生相應的水平運動。據地質學家估計,大板塊每年可以移動1-6厘米距離。這個速度雖然很小,但經過億萬年後,地球的海陸面貌就會發生巨大的變化:當兩個板塊逐漸分離時,在分離處即可出現新的凹地和海洋;大西洋和東非大裂谷就是在兩塊大板塊發生分離時形成的。喜馬拉雅山,就是三千多萬年前由南面的印度板塊和北面的亞歐板塊發生碰撞擠壓而形成的。有時還會出現另一種情況:當兩個堅硬的板塊發生碰撞時,接觸部分的岩層還沒來得及發生彎曲變形,其中有一個板塊已經深深地插入另一個板塊的底部。由於碰撞的力量很大,插入部位很深,以至把原來板塊上的老岩層一直帶到高溫地幔中,最後被熔化了。而在板塊向地殼深處插入的部位,即形成了很深的海溝。西太平洋海底的一些大海溝就是這樣形成的。板塊構造學說誕生后已成功地解釋了一些大地構造現象。同時仍存在一些尚不能圓滿解釋的問題,有些推論也未得到最後的證實。但這些都不會影響這一學說的發展,相反會對它起推進作用。

3 板塊運動 -相對運動

板塊運動板塊運動
板塊運動一般是指地球表面一個板塊對於另一個板塊的相對運動。舉例來說大西洋中脊兩側的歐亞板塊和北美板塊正在相互分離,但這並不能斷定大西洋中脊相對於地理極是靜止的,也無法確定兩個板塊之中哪一個是靜止不動的,我們只能假定其中一個板塊靜止不動,然後去分析另一板塊相對於它的運動。由此可知,歐亞板塊相對於北美板塊是向東運動,而北美板塊相對於歐亞板塊則是向西運動。歐亞板塊相對於太平洋板塊是向西運動,相對於印度洋板塊則是向南運動。舉例說來,大西洋四周各大陸間的距離,在過去2億年的時間內,至少移動了數千千米,而利用現代空間技術所觀測到的現代板塊間的相對運動,則可以達到每年幾個厘米的量級。

 

4 板塊運動 -運動原理

剛體板塊沿地球表面的運動,應遵循球面運動原理,即必定是環繞通過球心(地心)軸的旋轉運動。在球面上,任何一點的移動都不是沿著直線而是沿著弧線的運動。平行於赤道(離旋轉極90°的大圓)的一系列同軸圓弧(歐拉緯線)標明了板塊旋轉運動的方向,同軸圓弧的垂線(大圓)相交於旋轉極。正因為板塊運動是一種旋轉運動,所以,板塊上不同位置的線速度隨遠離旋轉極而增大,至旋轉赤道線速度最大。板塊的旋轉運動由旋轉極(歐拉極、擴張極)的地理坐標(γ、)和旋轉角速度(ω)確定。

板塊運動板塊運動
由於轉換斷層的走向平行於相鄰板塊之間的相對運動方向,也就是說,相鄰板塊在球面上的運動軌跡就是轉換斷層,故採用求轉換斷層為界的各對板塊之間相對運動的旋轉極(ρ),例如,採用作圖法對大西洋中脊不同轉換斷層分別作垂直於它們的球面大圓,結果都相交於球面上一個很小的範圍內,理解為一個極點,即旋轉極,實際位置在58°E及38°W附近。

有了擴張極(旋轉極),利用擴張速率便可求出旋轉角速度,即:ω=ν/R·cosθ·0.01745式中ω為旋轉角速度(度/a);ν為擴張速率(cm/a);R為地球半徑(6.37×108cm);θ為歐拉緯度;0.01745為角度的弧長係數。表5.2即為明斯特(J.B.Minsteretal,1974)和蔡斯(C.Chase1978)等人求出的全球部分板塊之間現代運動的擴張極和角速度,根據所求得的旋轉極位置和角速度大小,板塊邊界上各點的線速度可以很方便地換算出來。

由於板塊的剛性是近似的,故板塊旋轉運動的定量計算值不可能是實際值。不過利用現代空間技術觀測到的板塊間相對運動速率顯示板塊運動方向和速率的地學估計與短時間尺度的直接測量結果大體上還是一致的。由前述可知,當兩個各具邊界形態的板塊發生運動時,它們都有自己的旋轉軸及旋轉極,若三個板塊同時發生運動則它們三者不可能是繞同一旋轉極的轉動,其中第三個板塊的旋轉極必然隨轉動而移動變位,所以,其旋轉極只能是一個平均數。另外,每對板塊擴張極的位置在時間上是變化的,所以,板塊運動的旋轉極只具有瞬時的位置性質。判斷板塊運動的標尺是時間段落,所以,旋轉極就總是一個平均數,空間上是一個理想的點。對重建古大陸位置而言,確定板塊旋轉極的位置非常重要。

5 板塊運動 -絕對運動

板塊運動板塊運動
板塊的絕對運動是指板塊相對於深層地幔(地幔—熱點)的運動。相對於深層地幔平均位置固定的框架,稱為板塊絕對運動參考架(參照系),這種參考架是通過熱點和岩石圈的無整體旋轉(No-net-rotation)或稱為平均岩石圈參考架來實現的。熱點參考架的含義是,在地幔中存在一系列熱點,一些學者認為,熱點位置相對於地球自轉軸和深層地幔是長期固定的,板塊相對於熱點的運動也就是板塊的絕對運動,它可通過測量跨越熱點火山鏈的年齡和長度得到。岩石圈無整體旋轉參考架的含義是,如果岩石圈與軟流圈的耦合側向均勻,並且板塊邊界的力矩對稱作用於兩個相鄰板塊,則平均岩石圈參考架就是相對於深層地幔不動的參考架。板塊相對於該框架的運動就是板塊的絕對運動。圖5.30即為基於上述兩種參考架所標定的全球各主要板塊的絕對運動(A.E.格里普等,1990;D.F.阿古斯等,1991)。可見,在大多數板塊上兩種參考架標定的絕對運動基本一致,但也有一定的差別,這主要是由平均岩石圈參考架相對於熱點參考架有整體西向漂移的緣由所致。

除上述兩種參考架外,也有學者(Л.П.佐年沙英等,1981)以西太平洋島弧—海溝系作為參照系,計算了1000萬年以來全球各主要板塊以及一些熱點相對於它的板塊運動(圖5.31),發現夏威夷熱點、南大西洋熱點、非洲提貝斯提熱點等的位移量都很少,從而認為西太平洋島弧—海溝參照系與這些熱點組成了一個統一的系統,該系統可作為至少1000萬年以來板塊絕對運動的參照系統。這樣就大致標明了上述時間內各大板塊的絕對運動,其中以太平洋板塊的運動速率最大,它主要是向西偏北方向運動;印度板塊主要向北運動;北美和南美板塊主要向西偏南方向運動,北美板塊的旋轉極位於白令海中,該極點四周的北美板塊(部分),以及亞洲東北端均環繞該極做旋轉運動,方向比較複雜;非洲板塊的旋轉極位於幾內亞灣內,它基本上是環繞該極做左旋運動;歐亞板塊主要是向西和向北運動,特別是更新世以來,亞洲大陸向北推移趨勢明顯。由此可知,板塊的相對運動和絕對運動是不同的,以歐亞板塊和太平洋板塊為例,它們的絕對運動有可能都向西或都向東或向其他方向,但它們之間的相對運動則必須是相互匯聚的。這明確表示,板塊絕對運動的旋轉極,不同於一對板塊之間相對運動的旋轉極。

6 板塊運動 -地質構造

太平洋板塊
板塊運動板塊運動

巨大的太平洋板塊朝西北、西及北的海溝俯衝推移。太平洋板塊與歐亞板塊和印度板塊的匯聚速率,在日本—湯加海溝—帶達到最大,可達9cm/a。湯加海溝以南,日本海溝以北,匯聚速率遞減,向南至克馬德克海溝,向北至阿留申海溝減至7cm/a左右。在馬里亞納和菲律賓海溝附近,海溝出現分叉現象,其間夾著菲律賓海板塊,由於間夾板塊處於環太平洋匯聚擠壓帶範圍內,故其間並未出現離散型邊界。歐亞板塊與次級菲律賓海板塊之間相對運動的旋轉極在日本北海道東北,它們的匯聚速率在日本九洲附近為(3~4)cm/a,向南逐漸增大,至中國台灣以南增大到7cm/a以上。太平洋板塊東邊側,沿秘魯—智利海溝,次級可可板塊和納茲卡板塊與南美板塊相互對沖(俯衝和仰沖),其匯聚速率也在9cm/a以上。

南北美板塊

南、北美板塊之間的加勒比板塊與菲律賓海板塊一樣,也處於環太平洋匯聚擠壓帶內,同樣也未見有離散型邊界出現。加勒比板塊的西界是中美海溝,東界是小安的列斯島弧—海溝系,二者均屬匯聚型邊界,南、北兩端均為轉換斷層,北端左旋,南端右旋。因此,加勒比板塊向東仰沖於大西洋洋底之上。

歐亞板塊

歐亞板塊南界西端為大西洋亞速爾三聯點,從亞速爾到直布羅陀一線,非洲板塊相對於歐洲板塊左旋,其相互匯聚速率僅0.5cm/a。自此向東為阿爾卑斯—喜馬拉雅巨型緯向造山帶,以北為歐亞板塊,以南依次為非洲板塊、阿拉伯板塊和印度板塊,它們相對擠壓、匯聚,壓縮速率自西而東逐漸增大,至印度板塊西面的帕米爾楔,其匯聚速率為4.3cm/a,向北偏西插入歐亞板塊,至東面的阿薩姆楔,則以6.4cm/a的匯聚速率向北東突入歐亞板塊。由於兩端向北推進的速率不一致、不對稱,故在印度板塊向北運動的同時兼有左旋動勢。印度板塊的這種運動性質是形成青藏高原構造形變的最重要因素。再往東過渡為印度洋東北緣的俯衝邊界,沿爪哇海溝其匯聚速率為7cm/a左右,至東南邊緣則被紐西蘭轉換斷層所替代。阿拉伯板塊與印度板塊之間,在阿拉伯板塊的西北緣和東南緣均為北北東向的左旋轉換斷層,並以此與印度板塊相分隔。

上述全球主要板塊的相互協調和彼此關聯,以及增生擴張和消亡壓縮現象,集中體現為全球的三大巨型構造系,一是環太平洋深消減帶板舌構造系,所環繞的太平洋麵積佔全球面積的1/4;二是太平洋增生帶洋脊構造系,相當於環繞地球赤道兩周的總長度;三是大陸碰撞造山帶構造系,主要分佈在北半球北緯20°~50°之間,是一個包括阿爾卑斯—喜馬拉雅造山帶在內,寬達2000~3000km的環帶。這三個具有全球尺度的巨型構造又具有以下變動特徵。

7 板塊運動 -運動特點

板塊運動板塊運動
定向性 岩石圈板塊總體向西漂移的定向性:根據J.B.明斯特(1978)和A.E.格里普(1990)等人的研究,北半球岩石圈板塊運動矢量相對熱點參考架都是向西漂移旋轉的。南半球除印度洋、太平洋和非洲是向北運動外,太平洋和大西洋洋脊,雖然以向兩側做離散運動為主,但洋脊西側運動矢量明顯大於東側,因此,整體上仍然可以看作是向西漂移的。由於北半球較南半球向西漂移量較大,故在赤道附近可能存在著一個南、北半球相對運動的扭動帶。目前整個岩石圈相對地幔做向西的整體運動已得到普遍的承認。

非平穩性

岩石圈板塊運動強度的非平穩性:主要有三點依據,即大洋中脊的變格和跳位現象,以及熱點軌跡走向的顯著變化;古地磁視極移曲線沿走向突然改變而分開;岩石圈板塊相對於熱點,其運動速率發生過較大變化,比如北美、歐亞、非洲和南極洲板塊早期的運動速率曾達到過8cm/a,而現在的運動速率則為2cm/a左右。地震活動的幕式特徵也是板塊運動非平穩性的反映。

反對稱性

岩石圈巨型構造系的反對稱性:全球巨型構造系的空間位置和幾何形式雖相互對稱,但活動構造特徵是相反的,故稱反對稱性。全球3/4的大洋和洋脊裂谷集中在南半球,那裡有相當高的熱流值,代表擴張型半球;相反,全球3/4的大陸和活動造山帶則集中在北半球,那裡有廣泛的地震活動,代表壓縮型半球,此與南半球形成鮮明對照。在以經度180°為中心的太平洋半球,其環太平洋消減帶代表著壓縮型半球,邊緣環帶為以180°半徑為中心的環帶;以經度0°為中心的大西洋半球,則在0°以西,呈面狀分佈著一系列縱向洋脊和裂谷,代表著縱張型半球,二者的反對稱性特徵亦相當明顯。此外,在同一構造系內,也存在著明顯的反對稱性,如在環太平洋深消減帶板舌構造系內,西太平洋的板舌傾角多數大於45°,以至直立下插,而東太平洋的板舌傾角多小於45°,在南美西岸可以低到8°~12°,以至水平。西太平洋俯衝帶為典型的溝—弧—盆系,而東太平洋俯衝帶則屬陸緣擠壓造山帶,弧后盆地不發育。西太平洋中脊裂谷和太平洋中隆裂谷,雖然在中、低緯度它們的走向都是南北向,轉換斷層也基本是東西向,但中脊兩側同一地質時代的海底磁條帶的寬度並不相等,多數是東側比西側寬,反映兩側為不等速擴張,這是板塊運動速率的反對稱性特徵。

8 板塊運動 -智利地震

板塊運動板塊運動就是由這一對流驅動

巴西利亞大學地震觀測中心的負責人喬治·桑德說,2010年2月27日在智利發生的里氏8.8級地震是板塊運動的結果,震中所在的馬烏萊地區一直是地震多發區。桑德說構造板塊的運動導致相鄰板塊之間產生壓力,積聚能量。這種板塊的運動非常緩慢,一般會使巨大的岩石彎曲,當這種力量超過岩石的承受能力時,會造成岩層斷裂,進而以地震波的形勢釋放出來,地震波所到之處均會地震。

桑德指出,智利位於緊鄰南美洲西海岸的納斯卡板塊與南美洲板塊交界面,納斯卡板塊每年都會向南美洲板塊下方沉降,使南美洲板塊受到擠壓而積聚能量。智利當地時間2010年2月27 日凌晨發生地震的區域在歷史上多次遭受地震襲擊,最嚴重的一次是1960年的里氏9.5級地震,堪稱歷史上最劇烈的地震,因此這一地區發生大地震並不出人意料。

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