地球的板塊運動

1、地球的板塊運動在討論板塊的球面運動時，通常認為板塊是剛性或近于剛性的，并認為地球 表面積保持不變，這樣就有可能用數(shù)學方法來描繪板塊運動了。板塊相對運動及其幾何學板塊運動一般是指地球表面一個板塊對于另一個板塊的相對運動。舉例來 說，大西洋中脊兩側(cè)的歐亞板塊和北美板塊正在相互分離，但這并不能斷定大西 洋中脊相對于 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，然后去分析另一板塊相對于它的運動。由 此可知，歐亞板塊相對于北美板塊是向東運動，而北美板塊相對于歐亞板塊則 是向西運動。歐亞板塊相對于太平洋板塊是向西運動，相對于印度洋板塊則是向 南運動。舉例說

2、來，大西洋四周各大陸間的距離，在過去2億年的時間內(nèi)，全 少移動了數(shù)千千米，而利用現(xiàn)代空間技術所觀測到的現(xiàn)代板塊間的相對運動，則 可以達到每年幾個厘米的量級（圖5. 27）。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(huán)繞通過球心 （地心）軸的旋轉(zhuǎn)運動（圖5. 28）。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。平行于赤道（離旋轉(zhuǎn)極90的大圓）的一系列同軸圓 ?。W拉緯線）標明了板塊旋轉(zhuǎn)運動的方向，同軸圓弧的垂線（大圓）相交于旋 轉(zhuǎn)極。正因為板塊運動是一種旋轉(zhuǎn)運動，所以，板塊上不同位置的線速度隨遠離 旋轉(zhuǎn)極而增大，至旋轉(zhuǎn)赤道線速度最大。板塊的旋轉(zhuǎn)運動由旋轉(zhuǎn)極（歐拉極、擴

3、 張極）的地理坐標（Y、甲）和旋轉(zhuǎn)角速度（3）確定。己知兩板塊相對運動的歐拉矢量為G,則其邊界上球（弛）心位33LC- LC-置矢量為Y的某點的相對運動速度為：v =xy ,反之，己知邊界上一些點的相對速度和方向，也可反演兩板塊間相對運動的歐拉矢量。圈5.28板塊旅轉(zhuǎn)運動示意圖圖5.29根塊地球表面運動示意圖由于轉(zhuǎn)換斷層的走向平行于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(zhuǎn)換斷層（圖5. 29），故采用求轉(zhuǎn)換斷層為界的 各對板塊之間相對運動的旋轉(zhuǎn)極（p），例如，采用作圖法對大西洋中脊不同轉(zhuǎn) 換斷層分別作垂直于它們的球面大圓，結(jié)果都相交于球面上一個很小的范圍內(nèi)， 理

4、解為一個極點，即旋轉(zhuǎn)極，實際位置在58 E及38 W附近。有了擴張極（旋轉(zhuǎn)極），利用擴張速率便可求出旋轉(zhuǎn)角速度，即：3 =v /R cos 0 - 0.017 45式中3為旋轉(zhuǎn)角速度（度/a）； v為擴張速率（cm/a）； R為地 球半徑（6.37X 10&m） ； 0為歐拉緯度；0.017 45為角度的孤長系數(shù)。表5. 2 即為明斯特（J.B.Minster etal， 1974）和蔡斯（C.Chase 1978）等人求出的 全球部分板塊之間現(xiàn)代運動的擴張極和角速度，根據(jù)所求得的旋轉(zhuǎn)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。表5. 2全球部分板塊的旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)速度相對旋

5、轉(zhuǎn)的板塊對旋轉(zhuǎn)極坐標旋轉(zhuǎn)角速度（10-度 a）緯度經(jīng)度歐亞一非洲/29.6N25.7W1.429.2N23.5W1.42歐亞一印度23.0N33.9E6.524.2N37.4E7.17歐亞一太平洋65.3N69.9W9.160.8N80.6W9.5印度一太平洋59.8S178.0E12.662.0S174.3E12.72印度一南極洲10.7N31.6F6.717.4N32.1E6.79太平洋一南極洲68.7N79.6W10.366.2N83.5W10.05太平洋一納茲卡56.6N85.6W16.450.9N87.0W16.85北美一太平洋50.9N66.3W7.548.2N72.3W8.64太

6、平洋一菲律賓海45.5N150.2E12.039.5N141.7E8.73北美一歐亞69.3N128.0E2.753.7N137.3W2.29由于板塊的剛性是近似的，故板塊旋轉(zhuǎn)運動的定量計算值不可能是實際值。 不過利用現(xiàn)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(jié)果大體上還是一致的。由前述可知，當兩個各具邊 界形態(tài)的板塊發(fā)生運動時，它們都有自己的旋 轉(zhuǎn)軸及旋轉(zhuǎn)極，若三個板塊同時發(fā)生運動則它們?nèi)卟豢赡苁抢@同一旋轉(zhuǎn)極的轉(zhuǎn) 動，其中第三個板塊的旋轉(zhuǎn)極必然隨轉(zhuǎn)動而移動變位，所以，其旋轉(zhuǎn)極只能是 一個平均數(shù)。另外，每對板塊擴張極的位置在時間上是變化的，

7、所以，板塊運動 的旋轉(zhuǎn)極只具有瞬時的位置性質(zhì)。判斷板塊運 動的標尺是時間段落，所以，旋 轉(zhuǎn)極就總是一個平均數(shù)，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(zhuǎn)極的位置非常重要。板塊的絕對運動板塊的絕對運動是指板塊相對于深層地幔（地幔一熱點）的運動。相對于深 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 是通過熱點和巖石圈的無整體旋轉(zhuǎn)（No-net-rotation）或稱為平均巖石圈參考 架來實現(xiàn)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， 熱點位置相對于地球自轉(zhuǎn)軸和深層地幔是長期固定的，板塊相對于熱點的運動 也就是板塊的絕對運動，它可通過測

8、量跨越熱點火山鏈的年齡和長度得到。巖石 圈無整體旋轉(zhuǎn)參考架的含義是，如果巖石圈與軟流圈的耦合側(cè)向均勻，并且板 塊邊界的力矩對稱作用于兩個相鄰板塊，則平均巖石圈參考架就是相對于深層地 幔不動的參考架。板塊相對于該框架的運動就是板塊的絕對運動。圖5. 30即為 基于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）?？梢?，在大多數(shù)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，這主要是由平均巖石圈參考架相對于熱點參考架有整 體西向漂移的緣由所致。除上述兩種參考架外，也有學者5 .n.佐年沙英等，1981）以西太平洋島 弧一海溝系作

9、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 對于它的板塊運動（圖5. 31），發(fā)現(xiàn)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孤一海溝參照系與這些熱點組成 了一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可作為至少1000萬年以來板塊絕對運動的參照系 統(tǒng)。這樣就大致標明了上述時間內(nèi)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(zhuǎn)極位于白令海中，該極點四周的 北美板塊（部分），以及亞洲東北端均環(huán)繞該極做旋轉(zhuǎn)運動，方向比較復雜；非洲板塊的旋轉(zhuǎn)極位于幾內(nèi)亞灣內(nèi)，

10、它基本上是環(huán)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(zhuǎn)極，不同于一對板塊之 間相對運動的旋轉(zhuǎn)極。板塊運動的全球圖式及變動特征巨大的太平洋板塊朝西北、西及北的海溝俯沖推移。太平洋板塊與歐亞板塊 和印度板塊的匯聚速率，在日本一湯加海溝一帶達到最大，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7c

11、m/a左右。在馬里亞納和菲律賓海溝附近，海溝出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，其間夾 著菲律賓海板塊，由于間夾板塊處于環(huán)太平洋匯聚擠壓帶范圍內(nèi)，故其間并未出 現(xiàn)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(zhuǎn)極在日本北海 道東北，它們的匯聚速率在日本九洲附近為（34） cm/a，向南逐漸增大，至我 國臺灣以南增大到7cm/a以上。太平洋板塊東邊側(cè)，沿秘魯一智利海溝，次級可 可板塊和納茲卡板塊與南美板塊相互對沖（俯沖和仰沖），其匯聚速率也在9cm/a 以上。=EZ3 S513圈5.31全1000萬年以來各大按塊絕對運動圖以西太平洋島弧一海溝系為參照系）踐位置；3.板塊運動方向；4.各大板塊相對于1的旋1.西

12、太平洋島一海溝系；2. 1000萬年前大陸或其他界轉(zhuǎn)極;F峭太平洋板塊;EU為歐洲板塊；麗為北美板塊 ;S媯南美板塊；M為非洲根塊;為印度板塊;岫 南極洲板塊；岫夏威夷熱點；S.相對于1移動很小 的地區(qū)南、北美板塊之間的加勒比板塊與菲律賓海板塊一樣，也處于環(huán)太平洋匯 聚擠壓帶內(nèi)，同樣也未見有離散型邊界出現(xiàn)。加勒比板塊的西界是中美海溝，東 界是小安的列斯島弧一海溝系，二者均屬匯聚型邊界，南、北兩端均為轉(zhuǎn)換斷 層，北端左旋，南端右旋。因此，加勒比板塊向東仰沖于大西洋洋底之上。歐亞板塊南界西端為大西洋亞速爾三聯(lián)點，從亞速爾到直布羅陀一線，非洲 板塊相對于歐洲板塊左旋，其相互匯聚速率僅0.5cm/a。

13、自此向東為阿爾卑斯一 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。由于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(zhì)是形成青藏高原構(gòu)造形變的最重要因素。再往東過渡為印度洋東北緣的 俯沖邊界，沿爪哇海溝其匯聚速率為7cm/a左右，至東南邊緣則被新西蘭轉(zhuǎn)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

14、東南緣均為北 北東向的左旋轉(zhuǎn)換斷層，并以此與印度板塊相分隔。上述全球主要板塊的相互協(xié)調(diào)和彼此關聯(lián)，以及增生擴張和消亡壓縮現(xiàn)象， 集中體現(xiàn)為全球的三大巨型構(gòu)造系，一是環(huán)太平洋深消減帶板舌構(gòu)造系，所環(huán)繞 的太平洋面積占全球面積的1/4； 二是太平洋增生帶洋脊構(gòu)造系，相當于環(huán)繞地 球赤道兩周的總長度；三是大陸碰撞造山帶構(gòu)造系，主要分布在北半球北緯 20。50。之間，是一個包括阿爾卑斯一喜馬拉雅造山帶在內(nèi)，寬達2 0003 000km的環(huán)帶。這三個具有全球尺度的巨型構(gòu)造又具有以下變動特征。巖石圈板塊總體向西漂移的定向性：根據(jù)J.B.明斯特（1978）和A.E.格里 普（1990）等人的研究，北半球巖石

15、圈板塊運動矢量相對熱點參考架都是向西 漂移旋轉(zhuǎn)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(cè)做離散運動為主，但洋脊西側(cè)運動矢量明顯大于東側(cè)，因此， 整體上仍然可以看作是向西漂移的。由于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。目前整個巖石圈相對 地幔做向西的整體運動已得到普遍的承認。巖石圈板塊運動強度的非平穩(wěn)性：主要有三點依據(jù)，即大洋中脊的變格和跳 位現(xiàn)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；巖石圈板塊相對于熱點，其運動速率發(fā)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

16、率曾達到過8cm/a，而現(xiàn)在的運動速率則為2cm/a 左右。地震活動的幕式特征也是板塊運動非平穩(wěn)性的反映。巖石圈巨型構(gòu)造系的反對稱性：全球巨型構(gòu)造系的空間位置和幾何形式雖相 互對稱，但活動構(gòu)造特征是相反的，故稱反對稱性。全球3/4的大洋和洋脊裂谷 集中在南半球，那里有相當高的熱流值，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，那里有廣泛的地震活動，代表壓縮型半球，此 與南半球形成鮮明對照。在以經(jīng)度180。為中心的太平洋半球，其環(huán)太平洋消減 帶代表著壓縮型半球，邊緣環(huán)帶為以180半徑為中心的環(huán)帶；以經(jīng)度0。為中 心的大西洋半球，則在0。以西，呈面狀分布著一系列縱向洋脊和裂谷，代表著 縱張型半球，二者的反對稱性特征亦相當明顯。此外，在同一構(gòu)造系內(nèi)，也存在 著明顯的反對稱性，如在環(huán)太平洋深消減帶板舌構(gòu)造系內(nèi)，西太平洋的板舌傾角 多數(shù)大于45，以至直立下插，而東太平洋的板舌傾角多小于45，在南美西 岸可以低