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地質板塊動力學（上）

2018/07/31   維加斯新聞報
劉文旺

    摘要：本文包括兩個部分：板塊理論的困惑，闡述了現在地幔對流說存在的問題，進而論證了地幔對流說是不成立的；隨後給出了板塊運動的動力學機制。為板塊的重力下滑運動找到了理論解釋。
    關鍵字：地幔對流說，轉換斷層、板塊構造學說、轉換斷層密度、劉文旺極限、大陸漂移、海底擴張、地球自轉偏向力、轉動慣量、地震、火山、磁異常、大洋中脊、粘滯係數、海溝、海盆、地幔柱等。
    一、板塊理論的困惑（一）
    動力問題仍是板塊產生與運動的一個根本性問題
    那麼，什麼力量驅動板塊進行移動的哪？這個動力學問題至今沒有令人信服的結果。很早就有人設想在地殼或岩石圈下存在著熱對流現象，並且有多個對流中心，在對流上升的地方，導致板塊分裂，湧出地幔物質，冷卻固結形成新洋殼。在對流下降的地方，導致板塊俯衝，最後使板塊消亡。至於熱對流的形式，有人設計深對流模式（Orowan等，1969），即在全地幔中發生對流；有人設計淺對流模式（Boll等，1971），即僅在軟流圈中發生對流。但都存在不能解釋的自相矛盾的地方，而不能自圓其說。
    大陸漂移說曾認為大陸是在地球自轉離心力、潮汐力等原因下漂流；而海底擴張和板塊說則認為，新洋殼馱在軟流圈上，隨著對流被動移動，從洋脊起像傳送帶一樣運載到海溝，俯衝入地幔並局部熔融，最終消失於軟流圈中，構成一個封閉的循環系統。從洋脊到海溝，板塊有數百到數千千米的水準運動。但是，由於技術條件的限制，既不能推導證實是否存在這種對流，也不能用實驗方法製造出來這種對流。有人認為軟流圈的面積很大，而厚度不大，即使能產生對流，也只能產生半徑很小的對流，根本無法推動板塊數千千米的水準運動。
    上世紀70年代以來，關於板塊趨動力的問題，陸續提出一些新的論點。1972年，摩根（W.J.Morgan）根據衛星資料發現在全球重力圖上，重力高的地方往往是板塊生長和活火山分佈的地方。為什麼這些地方重力值較高呢？他設想從近地核處，有深部物質上升形成上升流，他把這種上升流稱為地幔柱。據重力值推測，地幔柱的直徑可達幾百千米，它把深部密度較大的物質和熱量向上帶到軟流圈，在那裡像蘑菇雲一樣向四面八方橫向擴散，從而驅動板塊移動。地幔柱有時衝破岩石圈，向上拱起形成巨大的穹窿，並具有相當高的熱流值。地幔柱中熔融的岩漿噴出地表就形成火山。這些熱流值高的隆起點和火山，稱為熱點，或者說熱點就是地幔柱衝破岩石圈的地方。
    據統計，目前全球發現的熱點很多處（這本身就是一個問題，它的產生機制是什麼。為什麼在恰好需要的地方產生）。熱點相連，可以形成大洋中脊。如冰島正好位於大西洋中脊的一個熱點上，那裡噴出的熔岩較多，就形成了一個較大的島。這些形成於中脊附近的活火山，隨著海底擴張向兩側移動，形成對稱分佈的死火山鏈，且沿此鏈越遠，火山年齡越老。此等火山鏈被認為是地幔柱或熱點隨海底擴張留下的痕跡。
    後來，又有人企圖用板塊自身的重力作用代替對流來解釋板塊運動。1975年，哈珀（Harper）認為，板塊由洋脊向兩側滑動，是因板塊前緣冷卻、加重、下沉引起的。這種設想的根據是，發生於海溝的淺震，已證明是由正斷層所引起。這些正斷層有人用板塊彎曲外緣發生張裂來解釋（圖9-24）。根據這一事實有人認為板塊所以俯衝，不是被一種力量推下去的，而是被自身重力拉下去的。這個觀點是正確的，但是沒有給出為什麼其處於較高的地勢上。而我的理論給出了這一解釋。
    其理由是：（1）冷卻的板塊密度增大；（2）下插的板塊因壓力增加，發生物相轉換，使礦物岩石密度增大；（3）洋脊高，海溝低，板塊會像滑坡一樣從洋脊向海溝滑動。總之，由於這些原因可以把板塊給拖下去。哈珀計算下沉的拖拉力比洋脊的推擠力大7倍。
    但所有這些設想的力，同樣不能得到直接證據和可靠的數理模擬。福賽斯（Forsyth）和上田誠也（1975）認為板塊運動是8種力綜合作用的結果，他們認為板塊俯衝時，向下的拉力起了重要作用。這種思想是正確的，擔仍存在很多問題。這一點我們會在後邊進行闡述。
    板塊構造學說是綜合許多學科的最新成果而建立起來的大地構造的學說，是當代地學的最重要的理論成就，並被認為是地球科學的一次革命。它從大量海洋調查實際材料出發，對大洋殼的新生和代謝過程作了詳盡的論證，獲得最近兩億年來地殼變化的理論模式，從一個側面豐富了地質學和地球物理學的理論。特別是它以地球整個岩石圈的活動方式為依據，建立世界範圍的構造運動模式，所以板塊構造學說又稱全球構造學說，這是其他以大陸範圍內的各種地質現象為依據而建立的各種大地構造學說所無法比擬的。
    雖然如此，板塊構造學說畢竟是以海洋和大洋殼為基礎建立起的構造學說，大洋殼上的沉積物年齡只有2億年，而大陸殼的岩石年齡可以高達30多億年，個別甚至超過40億年，岩漿活動、構造作用、變質作用也複雜得多，目前對板塊邊界和大陸邊緣等活動情況已瞭解很多，但是對板塊內部（簡稱板內）及大陸地質歷史演化過程，如何利用板塊理論來予以揭示，仍然是一個世界級的難題。
    尤其是關於地殼生長的機制，主要依據上地幔物質對流或熱柱等學說加以解釋，而所有這些說法目前無法以實驗或令人足以信服的方式予以論證。關於板塊驅動力的問題，雖然有關學者提供了多種可能方式，但都仍然只是處於假設階段。此外，還有一些難於解釋的矛盾現象，如已知大洋中脊是地幔物質上升形成新洋殼的場所，海溝和島弧是洋殼俯衝消融的地方，但在東太平洋北部發現兩種情況卻在一個地方同時存在。
    此外，我們知道物體間的作用總是相互的。陸殼厚度很大，可達數十千米，褶皺變形非常複雜，而與其發生相互作用的洋殼，雖然厚度很小，最薄處只有5—6km，卻不在彼此間的相互作用過程中發生褶皺而只作近乎直線的運動，這樣現象在物理上是不能解釋的。
    科學理論和科學技術總是互相促進而攜手發展的。隨著新的科學觀測手段的應用、調查領域的廣度和深度的日益開拓，相信將會獲得越來越多的科學資料。例如，當代除了利用“上天”技術，用衛星監測手段獲得和積累地球的各種資訊資料外，還利用“入地”技術即用深鑽的辦法向地球深層進軍。俄國已經在摩爾曼斯克附近的柯拉半島上鑽出了12km多的深洞，取出了迄今為止最深的岩心。德國也在鄰近捷克斯洛伐克邊境的上普法爾茨的小城溫蒂施埃申巴赫鑽探世界最深的鑽孔，最終目標是12km甚至14km。“入地”比“上天”還難，因為鑽至10km以後，地溫將升至300℃，壓力將超過2500Pa，其壓力相當一個汽車輪胎內壓力的1000倍，但目前已經具有在這樣條件下鑽進的尖端技術。又如，當今“下海”探測技術也已取得飛躍的進展。日本海洋科技中心不僅研製出深水6500m級載人潛水調查船，而且還研製出能夠潛到水深11000m的不載人探測機，可以在承受1.1×109Pa條件進行海溝探測工作。不載人深海探測機的第一個探測目標是世界最深的海溝——馬里亞納海溝（－11034m）。若探測成功，說明可以在任何海底深潛航行，成為深海研究等地球科學領域研究的重要“武器”。
    上世紀70年代以來，在國際間特別強調國際多學科合作，並建立相關組織和制定合作研究計畫。如在國際科學聯合會理事會（ICSU）下建立的“聯合會間岩石圈委員會”（ICL）便是其中之一。至1991年已有62個國家和地區參加國際岩石圈計畫的工作，我國就是最早參加國之一。1990年已經執行一個新的岩石圈研究計畫，以全球變化的地球科學、當代動力學和深部過程、大陸岩石圈、大洋岩石圈等為主題，廣泛深入開展研究。
    德國氣象學家魏格納創建了大陸漂移學說。但沒有找到有說服力的大陸漂移動力。
前面我們已經詳細介紹過，1928年英國地質學家A.霍姆斯認為存在地幔對流現象。1939年D.T.格裡格斯進一步指出，由於岩石熱傳導不良，放射熱的聚集使地幔下層升溫、膨脹、變輕而產生對流。
    隨著大洋中脊兩側對稱的地磁異常的發現，美國學者赫斯提出海底擴張學說，認為地幔軟流層物質的對流上升推動中脊兩側海底向兩側擴張，最後在海溝地區俯衝沉入大陸地殼下方。
    板塊構造學說是1968年法國地質學家勒皮雄等人，根據大陸漂移學說和海底擴張學說、及大量的海洋地質、地球物理、海底地貌等資料提出的新的大陸漂移說。並認為地幔對流是板塊運動的驅動力。
    在地轉偏向力的作用下，岩漿不會做直線運動，怎能在數億年的時間內推動板塊直線運動；大西洋中脊的海底擴張，並不伴有大洋板塊的俯衝消失現象，相反，在北太平洋方向，存在板塊的俯衝消失現象，但不存在中脊的擴張；大洋板塊相對較薄，在把大陸板塊擠壓產生褶皺山系的同時，自身卻不發生形變這不可能;地幔對流要求在中脊處的地幔中溫度相對較高。但在整個地幔中，為什麼溫度高的對流區呈線狀分佈？
    在大洋中脊廣泛分佈著近乎平行排列的轉換斷層，在這些轉換斷層的兩側，地幔對流產生反向推力，不會產生整體的同步運動。同樣的大洋板塊俯衝運動，為什麼在太平洋東西兩側產生不同的地質構造——在太平洋板塊的東側擠壓形成山系，西側及亞洲大陸的東側明顯體現出拉張、斷裂運動狀態，產生很多的大陸島、在太平洋西側反常地出現新生代的地質構造。在太平洋板塊的東北、西北存在磁異常帶——“大磁彎”現象，這些都是為什麼？
    根據深源地震資料等事實，多數學者認為地幔對流層的最大深度只有700公里左右。因此，在同一個板塊下面就應該存在幾個甚至十幾個對流環，這樣，相鄰對流環中的流動方向相反，對浮於其上的岩石層板塊的拖動力方向相反，作用為零。反向對流的相互抑制，也會使這種對流不能持續進行。這被稱為地幔對流研究中的“縱橫比予盾”。
   
   
   
    為此，有人又提出全地幔對流說。對流層的深度擴展到核幔邊界的2900公里深處，板塊水準尺度與對流層深度之比為1的量級，縱橫比的矛盾就可以解決了。
    但這是不成立的。從地核到地表的不同的圈層角速度逐漸減小。因此，自轉中的地核對上述地幔對流圈的作用是不同的。如上圖所示，向東自轉的地核與右邊的對流圈運動方向相反，阻止其對流運動；與左邊的對流圈運動方向相同，加速左側地幔對流運動。這樣，左側的地幔對流會加強，大洋中脊左側的大洋板塊向西運動速度大；大洋中脊右側的大洋板塊向東運動速度減慢。同時，根據角動量守恆，赤道處物質在軟流圈上升 50公里，造成的線速度差將達到26公里/小時，2.3萬公里/年。雖然因為上升過程中物質有相互作用使此減弱，但上升過程中也會造成嚴重西偏。這些都會使大洋中脊左右不對稱現象，而大西洋板塊東西兩側的對稱性、各大洋中脊兩側的磁異常帶的對稱性與此不相容。
    尤其是，地震波CT等新探測手段不斷發現，岩石圈的厚度存在明顯的不均一性，在地下700公里深處存在一個“化學不連續面”、在1000公里深處存在上下地幔間的分層介面，400公里深處存在上地幔C′層與B″層之間的分層介面。若存在“全地幔對流”的話，就不會有這些存在於地幔層中清晰可見的分層介面。板塊下軟流圈並不普遍存在，在大洋中脊之下上湧的熱岩漿一般只有200-300km，這也否定了全地幔對流說。
    即使存在地幔對流，板塊也不會在地幔的對流運動中產生與運動。因為運動的物質在寇里奧利力的作用下，不做直線運動而做迴旋運動。例如，在大洋的表面，大氣在寇里奧利力的作用下，產生南北半球反向旋轉的大氣高壓區。在地表流動的河水對河床右側的衝擊大於對左側的衝擊等。
    大洋板塊是由中脊處溢出的岩漿冷卻產生的，因此，若中脊處核裂變材料是富集的，則大洋板塊就是由富含裂變材料產生的，而此不是事實。
    地幔對流的產生，需要在中脊與大陸板塊邊緣之間存在溫度差，因此，這需要中脊下放射性物質相對較多，而大陸根處放射性物質少。這樣才能在中脊處存在相對的高溫造成對流的產生。但是，這種對流的存在會造成包括裂變材料在內的各種物質的混合而最終趨向均勻因此，為什麼還在中脊處始終存在裂變元素的富含狀態？這裡溢出的岩漿中裂變材料的補充源在哪裡？
    放射性物質在中脊出的富集優勢不會總存在。
由於鈾是親氧物質，因此，它基本集中於地球的表層，地熱學研究也指出放射性物質在地殼最多，放射性熱量隨著深度呈指數減小，因此說中脊下放射性物質相對較多，而大陸根處放射性物質少根本就不可能。
    維持對流的能量的一部分通過效率很低的塑性和固體摩擦方式去推動板塊移動也是很困難的。
    為了配合這套理論，洋殼要下插，下插的洋殼和陸殼間需要很大的壓力，二者之間是固體之間的摩擦，這個摩擦要比塑性地幔和洋殼之間的摩擦高效得多。尤其是這裡主要是體現出板塊之間的碰撞力 。地幔對流的拖曳力只有大於這個力才能推動版塊的運動，但是目前沒有試驗證明，流動的岩漿與板塊之間的摩擦力大於大洋板塊與大陸板塊之間的擠壓力。若流動的岩漿與板塊之間的摩擦力小於大洋板塊與大陸板塊之間的擠壓力，就會造成流動的岩漿仍然在運動，而板塊不能被拖動。就像汽車輪在泥漿中旋轉而不能拖動汽車運動一樣。
    地幔對流不可能等於板塊的運動速度，這就會造成地幔對流能的摩擦損耗，這種損耗，能使地幔對流持續下去嗎？
尤其是這種靠摩擦力拖動板塊運動的同時，反作用力會使對流在背離中脊的方向上慢慢減速，這就會造成岩漿的堆積，最後從中脊溢出直接在大洋板塊的上邊像大陸板塊方向流動，因為外邊的阻力小於內側的阻力，尤其是大洋板塊表層存在明顯的高度差，如太平洋板塊南高北低，因此，從中脊溢出的岩漿根本就不會沿垂直於中脊的方向運動，而會聚集在太平洋板塊的表層的北側，在那裡形成岩漿聚集區，而此不是事實。這說明大洋板塊下根本就不存在從中脊到大陸邊緣的對流。因此，地幔對流推動板塊運動的思想根本就不成立。
    現有的裂變材料鈾等是親氧物質，主要存在於淺層。地熱學方面得出的結論也是放射性物質在地殼最多，放射性熱量隨著深度呈指數減小，也就是說大洋中脊下放射性物質富集根本就不存在。
    對大洋中脊所做的側掃聲納研究（Meyerhoff等，1997）表明，平行於洋脊的線性構造所反映的洋脊深部的流體，是沿著洋脊方向運動的，這一點在印度洋尤其明顯，岩漿在印度洋中脊的表層沿中脊方向流動。這與板塊構造的地幔對流理論不相容。
    還有，太平洋西岸的海溝、阿留申群島，其構造弧幾乎都是“凸面向洋，凹面向陸”，這在力的作用方向上與“大洋板塊向海溝俯衝”的作用原理相悖。
    為什麼島嶼都集中分佈在大陸的東側——亞洲大陸東側，非洲大陸東西側，而在大陸的西側相對較少，且多為深海溝？
    科學家在非洲地區發現三個地殼分張帶：西帶，南大西洋洋脊帶；中帶，東非裂谷系統；東帶，印度洋洋脊帶（見下圖）。按照板塊說的理論，這是地球岩石圈上的三個南北向的裂谷分張系統。但在這裡沒有相應的板塊的俯衝運動的存在。
    大西洋中脊非常發達，然而幾乎見不到海溝。印度洋中脊有三個分支，也只有一條爪哇海溝。西太平洋存在大量海溝，同緯度又缺乏對應的大洋中脊；南半側存在東太平洋中脊但西側不存在大洋板塊向西側大陸板塊下的俯衝，相反，在這裡存在印度洋板塊向太平洋板塊下的俯衝（新西蘭附近）。就全球範圍而言，全球大洋中脊和海溝沒有一一對應關係。
    新產生的印度洋板塊俯衝到古老的太平洋板塊下，這說明地勢較低的太平洋的南側一定翹起過。這正好證明了我的太平洋板塊地下岩漿從北向南運動的思想的正確性。這是因為北大西洋的先產生，地下岩漿的溢出造成這裡的大陸等下沉而反向擠壓地下的岩漿，使其南移的結果。現階段不斷上升的洋面，仍不能抵消南太平洋板塊的隆起和北太平洋板塊的下沉，造成南太平洋板塊的島嶼不斷抬升！！！
    印度洋西側為什麼是體現拉張的東非大列穀而見不到向下俯衝的擠壓運動的存在？
   
 
    對流力在中脊兩側應該是對稱的，但由於與不同的大陸相連，所有中脊左右板塊的重量是不一樣的，因此，移動的速度不同，這會造成左右大洋板塊的對稱性消失，而此在大西洋我們找不到這樣的事實。
    大洋中脊的不同區域存在高度差，在印度洋發現了中脊的岩漿沿中脊移動，但在其他大洋中脊沒有，這說明在中脊處溢出的岩漿是缺乏流動性的，這樣的岩漿自身流動都成為困難，怎能推動板塊的運動那？
這樣的問題很多，為了避免重複，我們將在下文中一邊指出一邊給出解釋。
    地質學與人類生存和生活息息相關。但地質學對我們這個行星上海陸的起源、山脈的形成、地震與火山活動等一系列問題，至今不能給出科學的解釋。
    真理只能有一個，地質學的基礎理論－地殼運動與大地構造理論，從“冷縮說”開始，提出的假說不下上百種。互相對立的假說眾多（收縮說與膨脹說，漂移論與固定論……），卻沒有一種是沒有爭議的。上世紀70年代開始，地質學接受了板塊說，作為地球科學的基礎理論。但是，經過40年實踐檢驗，板塊說暴露出重大缺陷。1994年5月“地球構造及其動力學”香山科學討論會上，馬宗晉院士總結發言中談到：“已發現很多與板塊理論不相符合的事實，大洋內也有很多現象不能用板塊構造理論解釋，過去作的深海鑽探其實很淺。地球科學理論的發展已出現多元化局面和用新理論替代的趨勢。已有很多新資料對其提出了質疑和否定”。