探索板块构造奥秘的艰辛历程

1.大陆固定不变的困惑

公元前的古希腊有一个古老的传说：广袤的大海上漂浮着一只巨大的海龟，它用坚硬的龟壳托起了整个大地，而人类就生活在这块被托起的大地上。人类居住的地球，就是宇宙的中心，这就是“地心说”的开始。“地心说”从亚里士多德到托勒密长达1500年之久。“地心说”后来被哥白尼的“日心说”所取代。但是，大陆固定、海洋永存的观念一直没有被改变。人们对地球的研究从没有间断过，地质学从矿物研究开始，到岩石是水成（沉积成因）还是火成(岩浆冷却成因)的大辩论，到地质图的绘制，到地质年代时间表的确定，以及后来山脉的形成和地球表面的脉动，进行了长期的研究。然而，地壳是固定的，它的运动主要为升降运动的观念作为一个定论被延续和继承，并且得到了地球冷缩说的支持。地球冷缩学说是把地球比喻为一个放皱了的苹果，皱起的是山脉，凹下的是海洋，平坦的是陆地。这一轻描淡写的比喻，对于地壳固定、主要为升降运动的观念，支持力度是毋庸置疑的。

尽管当时的观念是错误的，但是地质学家对于地球的观察研究一直在不停地进行，艰辛积累起来的资料，是人类认识史上一笔难能可贵的财富。值得一提的是，地质学思想中的循环论观点，不断演变一直延续到今天。包括古代中外有关宇宙认识，古希腊哲学家柏拉图、亚里士多德，地质学的火成派思想家赫顿，地质学的奠基人赖尔，以及进化论学派、地球冷缩学派，一直到今天的多旋回学说。应当说，循环论思想在地质学的思想领域中具有经久不衰、独具特色的魅力。

随着15世纪航海的大发现，大地是球形的观点得到承认，利用新的测绘学投影法——圆柱投影法，绘制出了新的世界地图。新世界地图以大西洋为中心，新大陆美洲与旧大陆非洲、欧洲分列于两边的新内容，为大陆漂移思想的出现提供了机会，魏格纳提出大西洋两岸拼接的设想（图1-2-1）。

曾经也有学者研究过当时新旧大陆的地图，发现非洲西部的大陆轮廓和南美洲东部的海岸线非常吻合，也有过大陆移动的猜想，但很快就破灭了。世界在等待新的地质理论的出现，提出让人更加信服的说法。

2.魏格纳，一个灵感与执著的人

阿尔弗雷德·魏格纳（A.L.Wegener，1880～1930），德国人，气象学家。魏格纳是一个具有非凡探险精神的人，知识渊博并且对新知识充满好奇，精力充沛，思维敏捷。1910年，魏格纳生病住院了。他看到墙上的世界地图，发现非洲大陆西部和南美洲东北角可以重合。之后他开始收集资料，于1912年提出“大陆水平位移”的科学假设，1915年出版了《海陆起源》一书，这是地质学史上划时代的一部著作。他认为地质历史中的古生代，地球上只有一块巨大的陆地，称为联合大陆，周围是大洋。中生代以来，联合古陆开始分裂、漂移，逐渐成为现代大陆、岛屿和大洋海域。为了支持该学说的理论，他收集了当时的古气候、地层、古生物、构造等方面的证据，从而动摇了大陆固定说理论。从20世纪20年代开始，魏格纳的《海陆起源》一书引起了地质学界的震荡，科学家围绕大陆漂移发生过规模很大的争论。魏格纳认为地球上的大陆2.25亿年前是连在一起的整体，到中生代开始分裂和漂移，逐渐形成了现代大陆和大洋的格局（图1-2-2）。之后，一些当时的名人，以各种理由拒绝魏格纳参加各种地质学会议。1930年，魏格纳死于格陵兰岛的探险。魏格纳去世后，大陆漂移学说失去了最有力的倡导者，加之所收集的大量证据定量不够、定性不足，也由于“大陆漂移的动力”不能令人信服，大陆漂移学说一度沉寂，甚至在大学的教科书中都很少提到。

自然界的客观真理不会永远被历史的尘埃掩盖。20世纪50年代，在几个不相干的领域，即研究古代地球磁场的古地磁学、大洋底地貌学、洋底地球物理学等取得了显著的进展，科学家在此基础上提出了海底扩张学说。

3.大洋考察的惊人发现

（1）海底地貌的奇异现象。人们发现了环绕全球的海底中央山脉系统，山脉中间沿轴向有“裂谷”，被命名为大洋洋中脊。沿大陆架有深海峡谷，延伸向海底平原，被命名为深海沟。大洋洋中脊被平行的断层断开，称之为错断带。还发现一些特殊的水下平顶山，很像火山口，称之为海底平顶山。这4种现象的关系是：大西洋、太平洋、印度洋都有洋中脊，并且绵延几万千米。深海沟和洋中脊大致平行。错断带垂直切割洋中脊。海底平顶山则按时代顺序由新到老在垂直洋中脊的方向上排列成行，远离洋中脊，则地质年龄越来越大（图1-2-3）。

（2）海底古地磁奇特的“斑马纹”条带。科学家发现，炙热的岩浆上升到地表慢慢冷却后，岩浆中的磁性矿物在地球磁场作用下获得磁性，而且一直保留到现在。这些磁性矿物记录的就是当时地球磁场的方向。耐人寻味的是，地球磁场会发生倒转。磁场倒转的现象表现为，地磁场在经历10万～20万年后就会改变方向，即北极的磁场方向变为南极的磁场方向。然后再经过10万～20万年又变回来了。也就是说，在地质历史时期中多次存在地磁南北极的反向交替现象。这种现象在大洋洋中脊不断涌出又冷却的火山岩中被记录下来，称之为古地磁条带。把古地磁的正向磁异常条带用黑色表示，把古地磁的负向磁异常条带用白色表示，填制出了洋底地磁条带图，称之为古地磁“斑马纹”（图1-2-4）。

地磁“斑马纹”图说明岩浆从洋中脊的深处流出，在海底冷却，重复发生，形成新的地壳，被打上古地磁的印记。通过洋底全面的古地磁测量，发现洋底全部都有地磁条带，地磁各带在洋中脊两边是对称的，可以互相对比。在太平洋、大西洋、印度洋和大洋洲、南极、北极海域都发现了类似的地磁条带。这一现象只存在海洋底，当接近大陆时就消失了。根据古地磁磁场的反向时间表分析，得出了洋中脊两边的扩张率大概为2厘米/年，也有人计算出不同的大洋扩张速度（图1-2-5）。

（3）海洋地震与神奇的消减带。从中国古代地动仪的发明，一直到1855年意大利科学家设计出第一台现代地震仪，大量的地震和地震波传播机理的记录被保存并分析研究。20世纪40年代贝尼奥夫（或译为毕鸟夫）（H.Benioff）将1906～1942年的地震震源投影出来，发现它们大部分集中在大陆与海洋交接处的一个长4500千米的斜坡上，浅震发生在海沟一带，深震发生在离海沟较远的大陆深处，从而形成一个平均45°的斜面，称为贝尼奥夫带，同时解释大洋地壳沿着贝尼奥夫带斜插入大陆壳下面，并与大陆地壳摩擦而引起地震。此后，1954年美籍德国人谷登伯格（B.Gutenberg）等人对全球地震活动带进行研究，全球地震带有一种与大陆、大洋分布结构有关联的规律分布，这就是下面提到的板块构造的边界，地震活动的主要地带——贝尼奥夫带的特点，见图1-2-6。

（4）年轻的海洋地质。通过海洋石油地质钻探发现，海洋地壳岩石类型简单，洋底基本上没有比中生代侏罗纪（约1.5亿年）更老的沉积岩石。与大陆46亿年的岩石比较起来，简直不可比拟。可见洋底的岩石处在不断地更新状态之中。海洋沉积岩石的沉积年龄、厚度与距洋中脊的远近成正比，洋中脊两边地层是对称的。

4.“海底扩张学说”问世

海底扩张学说认为，地幔中有对流层。地幔高温的流动岩浆从洋中脊的裂缝上升，使两旁的板块分裂开来，并向两侧运动（图1-2-7）。洋脊中的岩浆冷却，并向两边扩张，不断生长成为新的海洋地壳。扩张的海洋地壳碰到大陆地壳发生下沉、俯冲并且最终钻入地幔之中，大陆地壳的前缘被挤压抬升形成山脉和岛屿。由于海洋地壳不断更新，海底没有比中生代更老的地层。海底扩张的证据：一是上述海底古地磁“斑马纹”条带的发现及其研究结果；二是大洋沉积物厚度小、年代短，并且在洋中脊两边对称分布；三是大陆边缘俯冲带的存在等。

5.板块构造理论崛起

（1）板块的概念。它可以这样简单表述：“由于海底分裂、扩张、板块间的运动和相互作用，形成的全球板状地质构造。”

（2）板块构造理论。它可以不复杂地描述成这样一段文字：岩石圈的基本构造单元是板块，板块是位于地壳之下软流层之上的刚性块体；板块边界是洋中脊、转换断层、俯冲带和地缝合线；由于地幔对流，板块在洋中脊分离扩张，在俯冲带和地缝合线消减；全球被分为欧亚、美洲、非洲、太平洋、印度、南极洲六大板块和若干小板块；全球地壳构造运动的基本原因是板块的相互运动；板块强度很大，但板块的边缘是运动最强烈的地方，变形最大。

（3）岩石圈板块构造划分。由于绵延数万千米的洋中脊的存在，以及深海沟（负重力异常、贝尼奥夫带）、转换断层等深大断裂的存在，整个地球的地壳被分割成几个巨大的块体，被称为（岩石圈）板块。1968年，法国人勒皮雄（LePichon）将全球划分为欧亚、美洲、非洲、太平洋、印度、南极洲六大板块。后来，英国人麦肯齐，在六大板块基础上将美洲板块和欧亚板块又划分为若干小板块。

（4）板块边界的类型。板块的边界归纳为3种（图1-2-8）：其一为分离边界，指洋中脊，这里产出新的海洋地壳。其二为聚敛边界，表现为或是两板块碰撞形成年轻的山脉（缝合线），或是海洋板块俯冲于大陆板块之下而形成海沟（俯冲带）。其三为转换边界，即为转换断层，这里无新地壳产生，也无消亡。

（5）板块运动的特点。板块自身主要表现为大规模的具有一定方向的水平运动。但板块之间的相对运动则不完全相同，其运动分3种类型。一是分离型运动，即两板块沿洋中脊向相反的方向运动，留下的空间不断被地幔上升的物质充填，形成新的洋壳，促使板块不断增长。二是汇聚运动，两板块作相向运动，表现为板块的对冲、汇聚、拼合、碰撞、挤压，主要发生在板块边界处。三是平错运动，指两板块沿转换断层作相互平行、方向相反的水平错动（图1-2-9）。

（6）板块构造与地震。地球内部缓慢积累的能量突然释放或人为因素引起的地球表层快速震动的现象叫地震。世界地震主要分布在4条巨大的地震带上，分别是环太平洋地震活动带、地中海－喜马拉雅地震活动带、大洋中脊地震活动带和大陆裂谷地震活动带。世界上有记录的强地震，有明显的规律可循，主要分布在板块边界上（图1-2-10）。

（7）板块构造与火山活动。岩浆是地下深处形成的一种高温熔融物质。岩浆由地球深部上升至喷出地表的过程叫做火山活动。火山爆发是世界上最为壮观的自然现象之一。据统计，全世界的活动火山共有500余座，主要分布在环太平洋带、地中海－喜马拉雅带和大洋中脊带。这些活火山与地震活动、现代构造活动有密切的关系，其分布与板块构造边缘的分布有密切关系（图1-2-11）。

（8）板块构造与山脉隆起。海洋和山岭都是引人入胜的风景区，海洋给人以辽阔的感受，巍峨的山岭给人以挺拔的景象。世界上最不可思议的死亡与新生是古海洋的闭合，使深深的海盆、海沟连同其中的海岛，竟然会抬升、成长为山脉。地球上山脉的分布，是宇宙物质不灭永恒定律的反映，板块构造学说已印证，即大洋消失了，地壳缩短了，但物质不灭，隆起成了山脉。

那么，使山脉隆起的构造力又是如何产生的呢？现在有确切的证据说明，山脉的形成是由两个板块互相碰撞所产生的。

根据板块构造演化的研究，全球中—新生代造山带的形成有3种模式（图1-2-12）。

第一种模式是洋壳对陆壳俯冲形成造山带，以北美洲的科迪勒拉山为典型。这种造山带的俯冲带称之为B－型俯冲带。B－型俯冲带，要有巨大的贝尼奥夫带，并且发育深海沟和岛弧带，伴生强烈的火山活动和地震活动。

第二种模式是陆壳对陆壳俯冲形成造山带，以阿尔卑斯山和喜马拉雅山为典型，将其称之为A-型俯冲带。喜马拉雅山脉的形成是研究讨论大陆与大陆板块碰撞产生山脉过程的最好的例证。尽管关于喜马拉雅山与青藏高原的形成过程现在观点还不尽一致，但大多数地质学者对两个大陆板块碰撞的过程则认识相对统一。

第三种模式是陆块拼结形成陆地之后，因为陆内岩片的俯冲形成造山带，以中国大陆西部最发育，新疆天山最为典型（图1-2-13）。中国学者将其中的俯冲作用称之为C－型俯冲带。C－型俯冲带对陆内造山带的作用提出一种新的动力学模式。新的动力学模式研究指出，C－型俯冲带对中国西部陆内造山带的形成能起到三重作用：一是由于早期板块碰撞作用力未消失，后续C－型俯冲作用继续加强，这是陆内俯冲的驱动力。二是C－型俯冲带沿盆地边缘向造山带腹部地壳俯冲，导致造山带浅部岩层剧烈抬升，并向盆地推覆和重力滑脱。三是C－型俯冲带常常具有韧性剪切性质，摩擦产生的热力熔融地壳，形成火山岩体。

（9）板块构造和矿床。板块构造学说诞生之后，卓有成效地解决了岩石系列和岩石组合的成因问题，但最初没有人去想把具有很大经济效益的矿床的形成与板块构造结合起来。直到20世纪70年代初，矿床学家才开始把成矿作用与板块边界联系起来。最初大量研究的是斑岩铜矿。斑岩铜矿的成矿作用被认为是，与成矿有关的主要是岩浆的火山作用和侵入作用。成矿的斑岩为中酸性浅成和超浅成形成的岩石。矿体产在斑岩体的内外接触带，矿体常受侵入体的形态、产状及环状断裂等所控制。铜矿化以细脉和浸染状矿石为特征。目前已有斑岩铜矿、斑岩钼矿、斑岩金矿及斑岩铜钼矿、斑岩铜金矿等。通过对这类矿床的研究，发现主要分布于板块碰撞带或与碰撞有关的挤压断裂带当中，尤其是时代较新的斑岩铜矿主要分布在环太平洋的大陆边缘构造带和阿尔卑斯－喜马拉雅火山－侵入岩带内（图1-2-14）。

（10）板块运动的驱动力。这是一个尚在争论和悬而未解的问题。但目前大多数人认为，地幔对流是驱动板块的动力。因为，上地幔软流圈中的物质具有可塑性，可以流动，当地幔下部物质受到地核加热后膨胀上升，形成对流，地幔上升热流物质使大洋壳隆起裂开，部分地幔物质涌入大洋中脊轴部冷凝形成新的洋壳，并推挤两侧的板块使其扩张运动，而其他大部分则沿岩石圈板块底部呈水平方向流动，同时以载运方式带动其上部的岩石圈板块运移。地幔物质在水平流动过程中逐渐变冷、密度加大，到海沟、岛弧处则形成下降流，并引起板块俯冲、消亡。1971年，摩根（W.J.Morgan）认为，地幔深部物质的柱状上涌体，直径可达150千米。地幔柱上升到岩石圈底部后向四周扩散，从而推动板块的运动。在地质历史上，地幔柱的位置相对固定而长期活动，其顶部引发火山活动而形成火山链。这种火山链由老到新位置的迁移指示板块运动的轨迹。也可以把它当作板块运动的参照系。另外，关于地幔内部温度升高的原因，一般认为主要来自放射性元素蜕变释放的能量和地幔的重物质向地核汇集过程中由重力转化出的热能(图1-2-15)。板块驱动力的假说目前依然在争论中。

6.大洋盆地自生自灭的变迁

威尔逊（J.T.Wilson1968）提出了板块构造学说中的一个重要理论，即大洋盆地形成和构造演化旋回，划分为胚胎期、幼年期、成年期、衰退期、终了期和遗痕期6个阶段（图1-2-16)。①胚胎期：地壳上拱，岩石圈破裂，形成大陆裂谷，如东非裂谷。②幼年期：地幔物质上涌、溢出，岩石圈进一步破裂，开始出现新的洋壳，孕育新的大洋，如红海和亚丁湾逐渐开裂，为其代表。③成年期：洋盆不断扩大，洋中脊形成，出现成熟的大洋盆地，大西洋是其典型代表。④衰退期：随着大洋盆地不断扩张，洋盆一侧或两侧出现海沟，俯冲消减作用开始进行，洋盆逐渐开始缩小，边缘发育海沟－岛弧体系，太平洋为其实例。⑤终了期：随着俯冲消减作用的进行，海盆两侧的大陆靠近、发生碰撞，盆地边缘发育年轻的造山带，造山带之间残留有狭窄的海盆，地中海即处于这个阶段。⑥遗痕期：海盆两侧的大陆直接碰撞，海域完全消失，形成年轻的造山带，喜马拉雅山是其代表。威尔逊认为一个大洋的演化周期可以在2亿～3亿年完成。后来的学者研究海陆复合动态演化时限可以长达5亿～6亿年。这个大洋盆地演化旋回的理论主宰了地球表层构造活动和演化的全局，是板块构造理论的精髓。

7.板块构造理论曲折发展的启示

板块构造理论在地质学史上的地位犹如哥白尼的太阳中心论，是“地质学的一次革命”。它和化学元素周期表、达尔文的进化论、原子物理模型、宇宙大爆炸理论，被称为人类认识世界的5个里程碑。板块构造理论发展的经历：一是“初期阶段”认为板块构造学说“知海不知陆”，应用有很大的局限性。二是20世纪70年代初以来，该学说得到了很大发展，既研究了大陆又研究了海洋，同时还研究了成矿作用，使大地构造研究从静态步入动态研究。三是板块构造学说步入新的发展时期。由于板块学说动力学机制存在问题，近十多年来各种各样的“非板块”大地构造学研究开始兴旺，有人甚至提出现在已经到了“后板块构造时期”的观点，许多问题特别是关于板块学说的动力学机制问题恐怕一时还难以解决，还需要一个进一步研究的过程，因此，我们在吸取板块构造精华的同时，随着新事实的不断发现，有的重大问题不得不进一步思考。板块构造理论发展的启示是（任纪舜院士，1993）：①认识到各板块及其内部各地区构造运动的准同时性和差异性。②在大地构造演化中既有量的渐变也有飞跃式的质变（突变），非均变、多旋回分阶段演化应是地壳－上地幔构造演化的基本规律之一。③必须辩证地分析切向（水平方向）和垂向的物质运动规律，才能正确把握构造运动之全貌。④和大洋壳一样，大陆壳也有其生长、发展和消失的循环过程，促使我们在大地构造研究中，不仅要寻找消失的大洋，还要寻找已经消失的大陆。⑤在地球动力学研究中，不仅要考虑地球本身的各种因素，还要考虑宇宙因素的作用和影响，特别是太阳系在银河系中的运动对地球的影响。