地球的板塊運(yùn)動(dòng)

1、地球的板塊運(yùn)動(dòng)在討論板塊的球面運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常認(rèn)為板塊是剛性或近于剛性的，并認(rèn)為地球 表面積保持不變，這樣就有可能用數(shù)學(xué)方法來(lái)描繪板塊運(yùn)動(dòng)了。板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)及其幾何學(xué)板塊運(yùn)動(dòng)一般是指地球表面一個(gè)板塊對(duì)于另一個(gè)板塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。舉例來(lái) 說(shuō)，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(duì)于 地理極是靜止的，也無(wú)法確定兩個(gè)板塊之中哪一個(gè)是靜止不動(dòng)的， 我們只能假定其中一個(gè)板塊靜止不動(dòng)，然后去分析另一板塊相對(duì)于它的運(yùn)動(dòng)。由 此可知，歐亞板塊相對(duì)于北美板塊是向東運(yùn)動(dòng)，而北美板塊相對(duì)于歐亞板塊則 是向西運(yùn)動(dòng)。歐亞板塊相對(duì)于太平洋板塊是向西運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于印度洋板塊則是向 南運(yùn)動(dòng)。舉例說(shuō)

2、來(lái)，大西洋四周各大陸間的距離，在過(guò)去2億年的時(shí)間內(nèi)，全 少移動(dòng)了數(shù)千千米，而利用現(xiàn)代空間技術(shù)所觀測(cè)到的現(xiàn)代板塊間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則 可以達(dá)到每年幾個(gè)厘米的量級(jí)（圖5. 27）。剛體板塊沿地球表面的運(yùn)動(dòng)，應(yīng)遵循球面運(yùn)動(dòng)原理，即必定是環(huán)繞通過(guò)球心 （地心）軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（圖5. 28）。在球面上，任何一點(diǎn)的移動(dòng)都不是沿著直 線而是沿著弧線的運(yùn)動(dòng)。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(biāo)明了板塊旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方向，同軸圓弧的垂線（大圓）相交于旋 轉(zhuǎn)極。正因?yàn)榘鍓K運(yùn)動(dòng)是一種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以，板塊上不同位置的線速度隨遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)由旋轉(zhuǎn)極（歐拉極、擴(kuò)

3、 張極）的地理坐標(biāo)（Y、甲）和旋轉(zhuǎn)角速度（3）確定。己知兩板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為：v =xy ,反之，己知邊界上一些點(diǎn)的相對(duì)速度和方向，也可反演兩板塊間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的歐拉矢量。圈5.28板塊旅轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)示意圖圖5.29根塊地球表面運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)方向，也就是說(shuō)，相鄰 板塊在球面上的運(yùn)動(dòng)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(duì)板塊之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)極（p），例如，采用作圖法對(duì)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(gè)很小的范圍內(nèi)， 理

4、解為一個(gè)極點(diǎn)，即旋轉(zhuǎn)極，實(shí)際位置在58 E及38 W附近。有了擴(kuò)張極（旋轉(zhuǎn)極），利用擴(kuò)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(kuò)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(zhǎng)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(yùn)動(dòng)的擴(kuò)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(diǎn)的線速度可以很方便地?fù)Q算出來(lái)。表5. 2全球部分板塊的旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)速度相對(duì)旋

5、轉(zhuǎn)的板塊對(duì)旋轉(zhuǎn)極坐標(biāo)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(yùn)動(dòng)的定量計(jì)算值不可能是實(shí)際值。 不過(guò)利用現(xiàn)代空間技術(shù)觀測(cè)到的板塊間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率顯示板塊運(yùn)動(dòng)方向和速率 的地學(xué)估計(jì)與短時(shí)間尺度的直接測(cè)量結(jié)果大體上還是一致的。由前述可知，當(dāng)兩個(gè)各具邊 界形態(tài)的板塊發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們都有自己的旋 轉(zhuǎn)軸及旋轉(zhuǎn)極，若三個(gè)板塊同時(shí)發(fā)生運(yùn)動(dòng)則它們?nèi)卟豢赡苁抢@同一旋轉(zhuǎn)極的轉(zhuǎn) 動(dòng)，其中第三個(gè)板塊的旋轉(zhuǎn)極必然隨轉(zhuǎn)動(dòng)而移動(dòng)變位，所以，其旋轉(zhuǎn)極只能是 一個(gè)平均數(shù)。另外，每對(duì)板塊擴(kuò)張極的位置在時(shí)間上是變化的，

7、所以，板塊運(yùn)動(dòng) 的旋轉(zhuǎn)極只具有瞬時(shí)的位置性質(zhì)。判斷板塊運(yùn) 動(dòng)的標(biāo)尺是時(shí)間段落，所以，旋 轉(zhuǎn)極就總是一個(gè)平均數(shù)，空間上是一個(gè)理想的點(diǎn)。對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)板塊的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是指板塊相對(duì)于深層地幔（地幔一熱點(diǎn)）的運(yùn)動(dòng)。相對(duì)于深 層地幔平均位置固定的框架，稱為板塊絕對(duì)運(yùn)動(dòng)參考架（參照系），這種參考架 是通過(guò)熱點(diǎn)和巖石圈的無(wú)整體旋轉(zhuǎn)（No-net-rotation）或稱為平均巖石圈參考 架來(lái)實(shí)現(xiàn)的。熱點(diǎn)參考架的含義是，在地幔中存在一系列熱點(diǎn)，一些學(xué)者認(rèn)為， 熱點(diǎn)位置相對(duì)于地球自轉(zhuǎn)軸和深層地幔是長(zhǎng)期固定的，板塊相對(duì)于熱點(diǎn)的運(yùn)動(dòng) 也就是板塊的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，它可通過(guò)測(cè)

8、量跨越熱點(diǎn)火山鏈的年齡和長(zhǎng)度得到。巖石 圈無(wú)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(duì)稱作用于兩個(gè)相鄰板塊，則平均巖石圈參考架就是相對(duì)于深層地 幔不動(dòng)的參考架。板塊相對(duì)于該框架的運(yùn)動(dòng)就是板塊的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。圖5. 30即為 基于上述兩種參考架所標(biāo)定的全球各主要板塊的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)（A.E.格里普等，1990； D.F.阿古斯等，1991）?？梢?jiàn)，在大多數(shù)板塊上兩種參考架標(biāo)定的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)于熱點(diǎn)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(xué)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(jì)算了 1000萬(wàn)年以來(lái)全球各主要板塊以及一些熱點(diǎn)相 對(duì)于它的板塊運(yùn)動(dòng)（圖5. 31），發(fā)現(xiàn)夏威夷熱點(diǎn)、南大西洋熱點(diǎn)、非洲提貝斯 提熱點(diǎn)等的位移量都很少，從而認(rèn)為西太平洋島孤一海溝參照系與這些熱點(diǎn)組成 了一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可作為至少1000萬(wàn)年以來(lái)板塊絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的參照系 統(tǒng)。這樣就大致標(biāo)明了上述時(shí)間內(nèi)各大板塊的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，其中以太平洋板塊的運(yùn) 動(dòng)速率最大，它主要是向西偏北方向運(yùn)動(dòng)；印度板塊主 要向北運(yùn)動(dòng)；北美和南 美板塊主要向西偏南方向運(yùn)動(dòng)，北美板塊的旋轉(zhuǎn)極位于白令海中，該極點(diǎn)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(yùn)動(dòng)，方向比較復(fù)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(yùn)動(dòng)；歐亞板塊 主要是向西和向北運(yùn)動(dòng)，特別是更新世以來(lái)，亞洲大陸向北推移趨勢(shì)明顯。由 此可知，板塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是不同的，以歐亞板塊和太平洋板塊為例， 它們的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)有可能都向西或都向東或向其他方向，但它們之間的相對(duì)運(yùn) 動(dòng) 則必須是相互匯聚的。這明確表示，板塊絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)極，不同于一對(duì)板塊之 間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)極。板塊運(yùn)動(dòng)的全球圖式及變動(dòng)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(dá)到最大，可達(dá)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(jí)菲律賓海板塊之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(guó)臺(tái)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(jí)可 可板塊和納茲卡板塊與南美板塊相互對(duì)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(wàn)年以來(lái)各大按塊絕對(duì)運(yùn)動(dòng)圖以西太平洋島弧一海溝系為參照系）踐位置；3.板塊運(yùn)動(dòng)方向；4.各大板塊相對(duì)于1的旋1.西

12、太平洋島一海溝系；2. 1000萬(wàn)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(diǎn)；S.相對(duì)于1移動(dòng)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(jiàn)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(diǎn)，從亞速爾到直布羅陀一線，非洲 板塊相對(duì)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(duì)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(jìn)的速率 不一致、不對(duì)稱，故在印度板塊向北運(yùn)動(dòng)的同時(shí)兼有左旋動(dòng)勢(shì)。印度板塊的這種 運(yùn)動(dòng)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(guò)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(guān)聯(lián)，以及增生擴(kuò)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(dāng)于環(huán)繞地 球赤道兩周的總長(zhǎng)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(gè)包括阿爾卑斯一喜馬拉雅造山帶在內(nèi)，寬達(dá)2 0003 000km的環(huán)帶。這三個(gè)具有全球尺度的巨型構(gòu)造又具有以下變動(dòng)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(yùn)動(dòng)矢量相對(duì)熱點(diǎn)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(yùn)動(dòng)外，太平洋和大西洋洋 脊，雖然以向兩側(cè)做離散運(yùn)動(dòng)為主，但洋脊西側(cè)運(yùn)動(dòng)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(gè)南、北半球相對(duì)運(yùn)動(dòng)的扭動(dòng)帶。目前整個(gè)巖石圈相對(duì) 地幔做向西的整體運(yùn)動(dòng)已得到普遍的承認(rèn)。巖石圈板塊運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的非平穩(wěn)性：主要有三點(diǎn)依據(jù)，即大洋中脊的變格和跳 位現(xiàn)象，以及熱點(diǎn)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(kāi)；巖石圈板塊相對(duì)于熱點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)速率發(fā)生過(guò)較大變化，比如北美、歐亞、非 洲和南極洲板塊早期的運(yùn)動(dòng)速

16、率曾達(dá)到過(guò)8cm/a，而現(xiàn)在的運(yùn)動(dòng)速率則為2cm/a 左右。地震活動(dòng)的幕式特征也是板塊運(yùn)動(dòng)非平穩(wěn)性的反映。巖石圈巨型構(gòu)造系的反對(duì)稱性：全球巨型構(gòu)造系的空間位置和幾何形式雖相 互對(duì)稱，但活動(dòng)構(gòu)造特征是相反的，故稱反對(duì)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(dāng)高的熱流值，代表擴(kuò)張型半球；相反，全球3/4的大 陸和活動(dòng)造山帶則集中在北半球，那里有廣泛的地震活動(dòng)，代表壓縮型半球，此 與南半球形成鮮明對(duì)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(duì)稱性特征亦相當(dāng)明顯。此外，在同一構(gòu)造系內(nèi)，也存在 著明顯的反對(duì)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