全球岩石圈板块为什么会运移？

万天丰，尹延鸿

①中国地质大学 地球科学与资源学院，北京 100083；②中国地质调查局 青岛海洋地质研究所，山东 青岛266071

关于全球岩石圈板块为什么会运移，即全球岩石圈板块构造运动的动力学机制的问题，一直都是个不可回避的大问题，甚至可以说是当今固体地球科学中最大的难题。20世纪70年代，板块学说的创立者[1-2]就引用他们老师[3-4]的观点，用“传送带模式”假说来解释岩石圈板块水平运动的机制，认为地幔流变就可以带动板块的运移。此假说流传很广，影响很大。在获得许多数据的基础上，前英国皇家地球物理学会主席Bott和Kuznir[5-6]得出“与其说地幔带动板块运动，不如说板块带动地幔运动”的结论。他们发现板块的运移速度(1～17 cm/a)显著大于上地幔的运移速度(根据地幔内热点的迁移速度，一般仅为每年几毫米，个别达到2 cm/a)，低速移动的“传送带”不可能使“货物”——岩石圈板块快速运移的。在二十世纪七八十年代，许多地球物理学家[7-8]都强调板块俯冲对板块运移起到了主导作用。他们认为一般情况下，板块在地表附近的扩张、牵引和俯冲作用的构造应力值大多在20～30 MPa，而在大洋板块俯冲带深部前缘的岩石密度可以显著增大，使板块受到向下的拉伸应力(称为“负浮力”)可以达到1 000 MPa，这一数据被显著地夸大了。后来，许多学者[9]考虑了更多的因素(如各种物性参数随深度的变化、俯冲速度、板块的厚度、不同的俯冲过程、深部地幔密度很大等)，计算出板块的负浮力远没有这么大，仅为40～290 MPa。其实，大洋型岩石圈的密度(2.9～3.0 g/cm3)虽然要比大陆岩石圈的密度(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？大洋板块在向下俯冲的过程中，会受到高密度地幔的巨大阻力。怎能把大洋板块(尽管局部可变成高密度的榴辉岩)向下的拖拽力——“负浮力”当作板块运移的主导作用力呢？因此，1990年国际大地测量与地球物理学会(IUGG)主席只能委婉地说：“板块构造的动力学机制将在未来二三十年内得到解决。”其实，该问题至今仍未解决。不过，近年来还是有一些学者[10-11]仍坚持认为，地幔运移速度大于板块运动的速度是地幔羽在推动板块运移或汇聚造成的。

漫长地质历史演化的大量信息都埋藏在岩石圈和地幔内部，很少出露地表，所以想要研究地球早期演化的板块运动特征，实在缺乏资料。然而，由于近2亿年来的地质记录在地表附近出露得比较多，资料也比较可靠，我们可以借此进行一些探讨。作者认为，近2亿年来地球7次穿越银道面时，地表受到巨大的陨星撞击是引起全球岩石圈板块运移的主要动力来源，下面分别论述之。

1 三叠纪末期(2亿年前)板块运动的机制

很多学者[12-14]都赞成潘几亚(Pangea)大陆的裂解是与三叠纪末期(2亿年前)以非洲西部为中心、形成放射状岩墙群的作用相关的(图1)，也就是说可能是地幔物质上隆与岩浆向上侵入，这些岩墙群内的岩浆岩(钾玄岩)都采用40Ar/39Ar法测定年龄，其误差仅在1 Ma的区间内，溢出岩浆岩的体积达7×106km3。此三叠纪的地幔上隆，至今还无法获得当时深部状况的资料加以证实，因此也不能确切地知道这是来自地幔底部的“地幔羽”，还是仅仅与发育在上地幔的“地幔底辟”相关。笔者推断：此处可能是受到巨大陨石的撞击作用，造成地表岩石被炸飞、破碎，形成巨大的陨击坑，为保持地球重力场的均衡，就必然诱发深部地幔物质上升，形成岩浆活动的中心，同时派生了放射状的裂隙，以致贯入了钾玄岩浆，形成岩墙群(岩墙的走向：北美大陆为北西向，南美大陆为南西向，非洲大陆为北东和南东向)。根据岩墙分布的特征(图1)来判断，这个巨大陨石的撞击作用并非完全垂直的，而可能是高角度斜向的，撞击可能近于垂直并略微朝北东方向倾斜。由此就造成了原来的潘几亚大陆板块的放射状张裂、离散和运移, 开始形成原始的大西洋。应该说，此处板块的放射状张裂，只影响了西半球大陆板块的张裂和运移。此时东半球则完全没有受到此陨击作用影响，东半球的大陆地块(包括中国的地块群)受到特提斯洋扩张的影响，正在向东北方向汇聚。这是中国和亚洲大部分大陆地块完成拼合的关键时期[15-16]。

图1 三叠纪末期地幔羽相关的岩浆活动

2 中侏罗世(1.77亿年前)板块运动的机制

侏罗纪中期(1.95～1.77 亿年前)在非洲、南极洲和南美洲之间存在一个规模巨大的卡罗－弗拉尔－乔艾克溢流玄武岩省(图2)[17-18]。在非洲南部的卡罗火山活动发生在1.95～1.77亿年前，火山岩的分布面积达300万km2，火山活动的高潮是在1.77亿年前后。弗拉尔玄武岩省是南极洲最主要的富镁铁质熔岩流、岩床和岩墙群，火山岩的同位素年龄在1.93～1.70亿年前。Storey等[17-18]认为在福克兰(即马尔维纳斯)群岛旁的圆形文德海湾是这3个玄武岩省的火山活动中心，它们合在一起，是受一个巨大的地幔羽(super plume)所控制的岩浆活动中心。正是此地幔羽，构成了一个板块的三联点，使位于南极附近的冈瓦纳大陆发生了裂解，其伸展作用所形成的断裂可能控制了地幔流体物质进入这3个溢流玄武岩省的通道。以此为中心的板块放射状运移，使南美洲、非洲、印度和南极洲分别向北运移(运移速度均为每年几厘米)，澳大利亚板块则仅为0.8 cm/a[19]。

图2 侏罗纪中期南大西洋—南极附近地区地幔羽。点线为岩浆岩内高钛与低钛的分界线；深灰色为玄武岩流；白色为推测的超级地幔羽的范围；浅灰色为冈瓦纳古陆；深灰色圆环为3个岩浆活动中心

Storey等[17-18]推断在南极附近存在地幔羽的假设是很值得探讨的。地幔羽是在地幔底部和液态外地核之间，由于运转速度差异而起源的超临界流体 (图3)[20]。液态外地核在相当于赤道深部的流体旋转线速度最快，最容易形成垂直上升的超临界流体——地幔羽。由于上升的周期也很漫长，地幔羽主要形成在地球的赤道附近而不可能是在两极附近。笔者推断在南极附近的岩浆活动与板块的张裂，很可能是由巨大陨石几乎垂直的撞击所诱发，造成了地表岩石大量地被炸飞，派生了地幔底辟的形成(仅发育在上地幔)，从而造成大规模的岩浆活动、玄武岩喷发和各板块的放射状、张性破裂和向北运移。

图3 地外核扰动引起D″层产生地幔羽的模式图

3 侏罗纪末期(1.38～1.35亿年前)的板块运动机制

根据第三代洋底磁条带的研究，Moore[21]最早提出：在侏罗纪末期(1.38～1.35亿年前)古太平洋地区的各个板块呈现为放射状的运动模式(图4(a))，即伊佐奈岐 (Izanagi，古日本的称谓)板块朝西北方向运移、俯冲和挤压[21-23]，太平洋板块在南半球朝西南方向的澳大利亚板块运移和俯冲，法拉龙板块 (Farallon Plate)朝东北方向的北美板块运移和俯冲，而凤凰板块 (Phoenix Plate)则朝东南方向的南美板块运移和俯冲。上述这种4个板块的放射状的运动模式，很可能使人推测在赤道附近其中心存在超级地幔羽的上升，从而诱发板块向四周运动的假说[14,24]。当然，这也可能是巨大的陨石几乎垂直地撞击所诱发的。

4 白垩纪中期(1.00亿年前)板块运动的机制

白垩纪中期是全球磁场的静默时期，即没有磁场的翻转现象，全球海平面和气候都发生剧烈的变化，形成了全球海洋缺氧事件(OAE)，大量海洋生物灭绝，以致在海域中广泛地形成了烃源岩(石油与天然气的母岩)[19,24]。在此阶段，全球的大陆与大洋板块都在向北运移(图4(b)和图5)，冈瓦纳大陆则继续处在离散之中[15,21]。全球绝大多数板块都在向北运移，这就意味着全球板块的扩张中心应该在南极附近，很可能就在南极冰盖之下。不过，遗憾的是至今尚未在南极冰盖之下发现巨大的陨击坑，这一说法有待进一步的探索与研究。

图4 古太平洋地区侏罗纪以来的古构造复原[15,21]：(a)侏罗纪—白垩纪分界时期(1.35亿年前)；(b)白垩纪—第三纪分界时期(1亿年前～ 6 700万年前)；(c)古近纪—新近纪分界时期(3 600万年前)；(d)现代的板块运动模式

5 白垩纪末期(6 600万年前)板块运动的机制

白垩纪末期(中生代与新生代之交，6 600万年前)，全球大陆上的沉积地层大多保持了连续的沉积、构造作用稳定的特征，或有一些沉积间断，形成了一些假整合的沉积间断现象。可以肯定地说，全球大陆板块在此阶段基本保持了稳定的现象，没有形成明显的构造变形。然而，此时期是一个生物灭绝时期，全球普遍发生了巨大的生物灭绝事件[25]。在中美洲尤卡坦半岛旁边的墨西哥湾内，发现了此时期形成的巨大陨石撞击坑，这或许就是造成恐龙和裸子植物灭绝的原因[26]。不过，至今还没有发现此陨击作用对于全球岩石圈板块的运移产生的影响[15,21]，很可能是因为此时的陨石撞击在海水之中，对固体地球表层的影响不太大。根据深海钻探与大洋钻探的研究成果(图5)结合古太平洋地区所有板块运移的资料(图4(b))，得出此时全球各大板块都在向北运移，其速度一般每年几厘米而已的结论。但是，印度板块(含印度次大陆与印度洋)的运移速度可高达17 cm/a[27]，有的研究者甚至认为速度可达20 cm/a。这用地幔垂直上隆或巨大陨石的垂直撞击是不好解释的。这很可能是巨大陨石在南极附近以较低的角度斜向撞击，直指印度板块所致，从而造成所有板块都在缓慢地、放射状地向北运移，而印度板块则以几乎大于其他板块10倍的速度向北运移。

图5中黑色圆点为在南半球印度洋和大西洋所测得的热点之上的大洋板块表层玄武岩的同位素年龄数据。洋底较老的玄武岩已经向北运移到印度半岛，而较年经的玄武岩则都在大洋的南端。由板块在热点之上的迁移轨迹(深蓝色线段)可以清晰地看到，南半球所有的板块1亿多年以来向北运移了数千千米。

图5 深海钻探(DSDP)与大洋钻探(ODP)的研究成果(单位：Ma)

6 始新世晚期(3 600万年前)板块运动的机制

始新世晚期发现太平洋板块突然从以速度为7.1 cm/a朝NNW向运移，转为以速度为10.6 cm/a朝WNW方向运移和俯冲(图6)。根据微玻璃陨石带的分布(B，图7)[29]，笔者认为这可能是中美洲—东南亚规模巨大的低角度(WSW向)微玻璃陨石斜向撞击作用，使板块受到了速度为8.7 cm/a的作用力 (图6 红色箭头所示)而造成的[28-30]。微玻璃陨石分布在洋底400多米之下的地层中，呈WSW方向的带状展布，撞击中心位于东太平洋洋脊—加利福尼亚西侧附近[29]，其陨击中心正好位于东太平洋洋脊的三联点B(图7)。陨星的总质量为(1～10)×109t，直径在0.9～2.5 km之间。与此同时，在太平洋地区还发生了古生物种群灭绝，出现沉积地层的间断和界线地层元素的地球化学特征的巨变。对于海洋来说，这是一个从“温室”走向“冰室”的转折时期[31]。

图6 始新世晚期(36 Ma)太平洋板块从NNW向运移(绿色箭头)转为朝WNW向运移(黄色箭头)和俯冲

图7 加勒比—东南亚和亚澳微玻璃陨石的分布：A为亚、澳早更新世末期微玻璃陨石散落区；B为加勒比—东南亚始新世晚期微玻璃陨石散落区(红色弧形点线为北美加利福尼亚附近的洋底弧形断裂，可能是巨大陨石撞击的地点)。R1为东太平洋洋脊；R3为印度洋洋脊；R4为环南极洲洋脊。小黑圆点为深海钻探计划(DSDP)钻孔取样的位置

7 早、中更新世之交(78万年前左右)时期板块运动的机制

在早、中更新世之交，存在着亚、澳微玻璃陨石撞击事件[29]，粒径小于1 mm的微玻璃陨石埋藏在印度洋、东南亚和澳大利亚附近的洋底之下不足10 m深的层位，一个近椭圆形的范围内。其覆盖的面积接近地球表面积的1/10(A，图7)，用K-Ar和裂变径迹法测得的年龄在90～70万年之间，估计可能是两次陨击作用的结果。其陨石的总质量估计约1亿t，撞击的中心地区可能位于印度洋板块西侧的三联点附近，可以使非洲和澳大利亚大陆之间以及印度和南极大陆之间进一步地扩张、离散。此撞击事件使印度板块进一步向北运移，加强了印度与欧亚大陆板块之间的碰撞作用，使青藏高原的地壳发生了近40 km的缩短和进一步的隆升，造成了我国西部地区广泛地出现了早、中更新世地层之间的角度不整合[15]。当然，这次撞击也在亚洲南部地区形成一些微玻璃陨石的散落物。

总的来说，早、中更新世之交的陨击作用对于全球板块运移的影响不太大。欧亚、澳大利亚、非洲和美洲等板块都处在缓慢 (2～5 cm/a)向北运移过程中[17]。太平洋板块继续以平均10 cm/a的速度朝WNW方向运移；而菲律宾海板块在向NW方向运移的同时，还派生了NNE-SSW方向伸展；大西洋地区则仍以1～2 cm/a的速度在东西方向上扩展[17,24,30]。它们几乎没有受到亚、澳微玻璃陨石撞击事件的影响。

8 讨论与结论

从上述板块运动模式的变化可以看出，全球各个地区每隔3 300万年左右板块运动模式就会发生一次显著的变化，其中有些是在扩张的中心周围发生放射状运移，有的则可能是以单向运移为主。当巨大的陨击作用以高角度撞击地表时(如2亿年前在西非洲，1.7亿年前在南极洲，1.35亿年前在古太平洋地区的中部，1亿年前在南极地区，以及78万年前在印度洋中部的三联点附近)，就造成板块的放射状运移；以极低的角度斜向撞击地表时(如66 Ma前在南极地区和36 Ma前在北美—东南亚的陨击事件)，便使得某一板块单方向地快速运移，从而致使地球上的岩石圈板块，在中新生代的不同地区发生了7次不同的运动模式。然而，很遗憾，至今广泛流传的板块运动的动力学机制还都在说，是地幔流变或地幔羽以传送带的模式带动板块运移的。“传送带模式”假说无视地幔流变的速度显著低于板块运移速度，也无法解释主要发育在赤道附近的、缓慢上涌的地幔羽(即超临界流体)，如何能解释全球各地区的板块运动速度不同以及在短时间(约33 Ma)内发生运移方向多变的事实。

应该注意的是，地球表面的岩石圈是很薄的，仅为地球半径的1/60左右。当地球在宇宙空间中运行时，是很容易受到其他天体影响的。平时在夜空中常见的流星就是小陨石在进入大气圈时被烧毁的情景。当地球随着太阳系穿越星际物质较密集的银道面时，引力场发生了巨大的变化，在地球运行轨道外侧的大量小行星就最容易改变运行轨道。其中，有些较大的小行星撞向地球，造成很大的陨击坑，使得地球岩石圈发生放射状的张性破裂或使之沿着某一个地表的切线方向运移。小行星与地球的撞击作用是宇宙体系内的一种由于引力场变化而产生的自然现象，因而不能说这是一种外因决定论。地球表面岩石圈板块内的表层上现存数以百计的、散布极不规则的地幔热点(hot spot)，它们没有造成板块的张裂，但是诱发了玄武岩浆的喷溢。地球物理探测的结果表明这些地幔热点都是没有“根”的，也就是说它们与地幔羽无关，不是起源于核幔的边界[14]，它们很可能是较小的陨石撞击地球表面所留下的遗迹。据统计，近40亿年以来，陨石的不断撞击使地球的质量逐渐增加了1019t，即大约增加了地球质量的1/600。石耀霖[32]估计，38亿年来地球上形成了约有20万个、直径20 km以上的陨击坑，其中直径大于1 000 km的陨击坑估计就有100～200个。可见陨星撞击对地球发展有着很大的影响。不过，由于地球表面的强烈风化、剥蚀与沉积作用，现在保留下来明显的陨击坑仅有130余个。小行星撞击地球是地球发展过程中引起地球表层发生改变的最重要和最直接的原因，也是引起岩石圈板块运移最主要的动力来源。因而，在研究地球演化历史的过程中，仅仅把地球当作一个孤立系统来研究是不妥当的，应该把地球放到宇宙体系中来研究。

Rampino和Stothers[33-34]以及殷鸿福等[35]早就指出，巨大陨击事件的周期性和地球演化的周期性关系十分密切。主要存在着两种周期：(33±3)Ma(即3 300万a)和(265±60) Ma。(33±3)Ma的周期与太阳系穿越银道面有关。银道面附近星际物质密集分布，太阳系穿越时空间引力场发生巨大变化，小行星或彗星等很容易脱离原有轨道，出现陨石撞击地球的现象。(265±60)Ma (即2.65亿a)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。在一个银河年内，太阳系可以8次反复穿越银道面。3 300万年左右是巨大陨击事件的周期，与上述中生代以来每隔3 000多万年全球板块运动方向发生突然变化的周期一致，这说明它们之间显然存在着成因上的联系。即，如果陨击作用是高角度、几乎垂直地撞击地表则易诱发岩石圈板块的放射状张裂和运移；而当陨石以极低角度撞击地表时，就会使某一板块发生快速的运移。就现有的资料来看，用巨大陨石的陨击作用诱发地幔底辟，出现板块三联点，形成板块的放射状张裂，或者使板块运动方向发生单方向的突变来解释中、新生代每隔3 000多万年就发生一次板块运动模式变化，可能是一种比较合理的假说。

由于至今还没有获得比较可靠的线索，资料严重不足，三叠纪以前，古生代的板块运动模式的变化还没有人能提出较为令人信服的板块构造动力学机制的假说。对于三叠纪以前长周期(2亿多年)的大陆裂解和汇聚模式的变化(如哥伦比亚大陆、罗丁尼亚大陆以及冈瓦纳大陆等的形成和裂解)，一些学者推测很可能是深部地幔羽活动的产物。Torsvik等[11]对古生代板块运动的动力学机制试图采用地幔羽上升，从而派生板块的水平运移的假说来解释，并给出图示论证Pangea超级大陆的形成过程。非洲深部的地幔羽上隆，造成潘几亚大陆的裂解是比较好理解的。但是，非洲深部的地幔羽，如何能在古生代使潘几亚大陆在非洲上部都汇聚起来？这个问题似乎就很难解释。可惜他们的猜想太多，论据却不足，有待今后进一步研究。

大约在78万年前，地球刚刚穿越了一次银道面，经历了火与血的考验，形成了的规模巨大的亚、澳微玻璃陨石群撞击地球的现象，使一些生物灭绝。至于3 200万年之后，巨大陨石的撞击作用是否会毁灭地球上的人类社会？笔者认为这是不可能的。届时，当巨大的陨石飞向地球时，世界各国一定会联合起来，齐心协力，以更加精密的计算和先进的技术，发射带核弹头的火箭到宇宙中，将陨星炸碎或使其改变运行轨道，避免其撞击地球。人类必定会化解巨大陨星毁灭地球人类的危险。

总之，岩石圈作为很薄的地球表层发生板块运移，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天体运行、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长期(上亿年)的、缓慢的扩张与运移。至于一些无根的热点，即地幔底辟，则有可能是陨石撞击作用诱发的，它们有可能解释较短时期(约3 000多万年)的板块运动动力作用突变的原因，也可以解释板块运动方向多样性产生的原因。相信在进一步深入研究、系统地积累全球深部地质资料之后，也许在将来的某一天，全球岩石圈板块构造动力学机制就可能取得突破性的进展。

地球动力学和岩石圈板块构造的动力学机制，是地球科学中一个极其诱人的、难度极大的前缘性课题。这个难题，只有在为人类社会服务的过程中，在解决社会发展实际问题的进程中，扎实地大量积累各种地质学、地球化学、地球物理学和天文学的资料，才有可能得到解决。本文提出的中、新生代全球岩石圈板块运移的动力学机制，或者说是板块构造动力学的新假说，虽然经过了几十年的研究积累和大胆探索，仍然是比较初步的，有待进一步完善。急于求成，操之过急是不行的。在缺乏大量实际资料的情况下，想要大力发挥抽象思维的才能，建立自己的新学说或新理论是行不通的，对科学发展的益处也是极其有限的。