板塊構造學説

1910年，德國氣象學家魏格納（Alfred Lothar Wegener,1880-1930）偶然發現大西洋兩岸的輪廓極為相似。

1912年德國氣象學家兼地質學家魏格納( A. Wegner )最先提出大陸漂移説。他認為在前寒武紀時，地球上存在一塊統一的大陸：泛大陸。以後經過分合過程，到中生代早期，聯合古陸再次分裂為南北兩大古陸，北為勞亞古陸（Laurasia），南為岡瓦那古陸（Gondwanaland）。到了三迭紀末，這2個古陸進一步分離及漂移，相距越來越遠了，其間由最初一個狹窄海峽，逐漸發展成印度洋、大西洋等巨大的海洋。到了新生代，因為印度洋板塊已北漂到亞歐大陸的南緣，兩者發生了碰撞，青藏高原隆起，造成了宏大的喜馬拉雅山系，古地中海東部完全消失了；非洲繼續向北推進，古地中海西部逐漸縮小到現規模；歐洲南部被擠壓成了阿爾卑斯山系，南、北美洲在向西漂移過程裏，它們的前緣受到太平洋地殼的擠壓，隆起為科迪勒拉-安第斯山系，同時兩個美洲在巴拿馬地峽處復又相接；澳大利亞大陸脱離南極洲，向東北漂移到新生代的位置。於是海陸的基本輪廓發展成新生代的規模。

由於受當時科技水平和認識水平的限制，大陸漂移説也未能正確説明大陸漂移的動力機制，未能提供大陸拼合的最佳方案。大陸漂移學説在當時學術界引起很大爭議，大陸漂移理論提出後不久，便被視為是一種荒唐的臆想。隨着魏格納本人在科學探險中獻身於格陵蘭雪原，大陸漂移説一度陷於沉寂。

1915年魏格納在《大陸與大洋的起源》一書中提出了大陸漂移的概念，然而他所提出的證據未能使地學界相信大陸漂移的真實性。60年代初H.Hess提出了海底擴張的概念，並得到古地磁學、地球年代學以及海洋地質學和地球物理等方面一系列新證據的支持。三種不同的現象：熔岩序列中磁極性轉向的年代；深海巖心中剩餘磁化轉向的深度，以及平行于海洋中脊的線狀磁異常的寬度，都以同樣的比率變化着，都是由於擴張海底的地殼從洋中脊遷移而造成的。地學界普遍接受了活動論的觀點，並逐漸形成了板塊運動學説。

由於與被稱為“環太平洋帶”的太平洋板塊周圍的狀態相關，這個地區內的大地震、深源地震和火山活動等都十分活躍。由於印度洋板塊與亞歐板塊間的碰撞，形成了喜馬拉雅山脈和西藏高原。在大陸板塊彼此碰撞的匯聚型板塊邊界下，形成了大陸與大陸間的衝突帶，也造成了大褶皺山脈。

20世紀60年代，海底擴張和板塊構造的提出給早期的大陸漂移説注入了新的生命力。2015年及以前獲得的大量證據表明，魏格納大陸漂移的基本設想是正確的。

六十年代初，美國地震地質學家迪茨（R.Dietz,1961）提出了"海底擴張" 的概念。接着，郝斯（Hess,1962）加以深入闡述。

迪茨提出：由於地幔中放射性元素衰變生成的熱使地幔物質以每年數釐米的速度進行大規模的熱循環，形成對流圈，它作用於岩石圈，成為推動地殼運動的主要力量。洋殼的形成與地幔對流有關。洋底就是對流圈的頂，它在洋底的離散帶形成，並緩慢地向斂合帶擴張。總的看來，洋底構造是地幔對流的直接反映，洋脊是地幔物質上湧的部位，海溝是地幔物質的下降部位。

郝斯認為大洋中脊是地幔對流上升的地方，地幔物質不斷從這裏湧出，太平洋周圍分佈島嶼與海溝、大陸邊緣山脈以及火山、地震就是這樣形成。

由於板塊構造學説的進展，迄今被視為不解之謎的地球活動大多得到了解釋。70年代以來，以證實板塊構造學説為目的的世界規模的地球觀測蓬勃開展。通過這些觀測，海底的年代分佈被詳盡確定，弄清了以往地質時期板塊運動的過程，更由於空間觀測技術的發展，就連每年一釐米的板塊運動，也能夠連續數年進行觀測。

上世紀五十年代，海洋探測的發展證實海底岩層薄而年輕（最多二、三億年，而陸地有數十億年的岩石）；另1956年開始的海底磁化強度測量發現大洋中脊兩側的地磁異常是對稱的。據此，美國學者赫斯（H.H.Hess）提出海底擴張學説，認為地幔軟流層物質的對流上升使海嶺地區形成新岩石，並推動整個海底向兩側擴張，最後在海溝地區俯衝沉入大陸地殼下方。

正是海底擴張學説的動力支持，加上新的證據（古地磁研究等）支持大陸確實很可能發生過漂移，從而使復活的大陸漂移學説（板塊構造學説也稱新大陸漂移學説）開始形成。

由於“極移動曲線”和海底擴大等提供的證據，大陸漂移的確是正在發生的事實。1965年，科學家運用計算機使地球各個大陸以現有的形狀恰好拼合在一起。再者，海底地形、地震位置、火山活動等活躍部位都連接成為帶狀，於是"板塊構造學説"這一革命性的見解應運而生。

1968年，劍橋大學的麥肯齊（D.P.Mckenzin）和派克（R.L.Parker），普林斯頓大學的摩根（W.J.Morgan）和拉蒙特觀測所的勒皮雄（X.Lepichon）等人聯合提出的一種新的大陸漂移説--板塊構造學説，它是海底擴張學説的具體引伸。

板塊構造學説是在大陸漂移學説和海底擴張學説的理論基礎上，又根據大量的海洋地質、地球物理、海底地貌等資料，經過綜合分析而提出的學説。因此有人把大陸漂移説、海底擴張説和板塊構造説稱為全球大地構造理論發展的三部曲。 板塊構造學説是近代最盛行的全球構造理論。這個學説認為地球的岩石圈不是整體一塊，而是被地殼的生長邊界海嶺和轉換斷層，以及地殼的消亡邊界海溝和造山帶、地縫合線等一些構造帶，分割成許多構造單元，這些構造單元叫做板塊。全球的岩石圈分為亞歐板塊（又譯“歐亞板塊”） ^[1]  、非洲板塊、美洲板塊、太平洋板塊、印度洋板塊和南極洲板塊，共六大板塊。其中太平洋板塊幾乎完全是在海洋，其餘五大板塊都包括有大塊陸地和大面積海洋。大板塊還可劃分成若干次一級的小板塊。這些板塊漂浮在“軟流層”之上，處於不斷運動之中。一般説來，板塊內部的地殼比較穩定，板塊與板塊之間的交界處，是地殼比較活動的地帶，地殼不穩定。地球表面的基本面貌，是由板塊相對移動而發生的彼此碰撞和張裂而形成的。在板塊張裂的地區，常形成裂谷和海洋，如東非大裂谷、大西洋就是這樣形成的。在板塊相撞擠壓的地區，常形成山脈。當大洋板塊和大陸板塊相撞時，大洋板塊因密度大、位置較低，便俯衝到大陸板塊之下，這裏往往形成海溝，成為海洋最深的地方；大陸板塊受擠上拱，隆起成島弧和海岸山脈。太平洋西部的深海溝和島弧鏈，就是太平洋板塊與亞歐板塊相撞形成的。在兩個大陸板塊相碰撞處，常形成巨大的山脈。 喜馬拉雅山就是印度板塊在向亞歐板塊碰撞過程中產生的。 板塊構造理論已被用來解釋火山、地震的形成和分佈，以及礦產的生成和分佈等。但是，是什麼力量驅動着板塊作大幅度、持續運動的驅動力問題，意見還不一致。

該學説成功解釋了許多地理現象，如大西洋兩岸的輪廓問題；非洲與南美洲發現相同的古生物化石及現代生物的親緣問題；南極洲、非洲、澳大利亞發現相同的冰磧物；南極洲發現温暖條件下形成的煤層等等。但它有一個致命弱點：動力。根據魏格納的説法，當時的物理學家立刻開始計算，利用大陸的體積、密度計算陸地的質量。再根據硅鋁質岩石（花崗岩層）與硅鎂質岩石（玄武岩層）摩擦力的狀況，算出要讓大陸運動，需要多麼大的力量。物理學家發現，日月引力和潮汐力實在是太小了，根本無法推動廣袤的大陸。因此，大陸漂移學説在興盛了十幾年後就逐漸銷聲匿跡了。

板塊構造，又叫全球大地構造。所謂板塊指的是岩石圈板塊，包括整個地殼和莫霍面以下的上地幔頂部，

也就是説地殼和軟流圈以上的地幔頂部。新全球構造理論認為，不論大陸殼或大洋殼都曾發生並還在繼續發生大規模水平運動。但這種水平運動並不象大陸漂移説所設想的，發生在硅鋁層和硅鎂層之間，而是岩石圈板塊整個地幔軟流層上像傳送帶那樣移動着，大陸只是傳送帶上的“乘客”。

太陽系外發現的巨大類地行星被命名為“超級地球”。“超級地球”引發科學家們研究他們在哪些方面可能像地球的濃厚興趣。2014年，哈佛大學科學家們指出，這些類地行星也適用於地球板塊構造學説。板塊構造學説是指構成地球固態外殼的巨大板塊的運動學説。板塊運動常導致地震、火山和其它大地質事件。從本質上來講，板塊決定了地球的地質歷史。地球是人們所知道的唯一一個適合板塊構造學説的行星。地球板塊運動被認為是生命進化的必要條件。

然而，哈佛行星科學家黛安娜·巴倫西亞和她的同事在《天體物理學》雜誌上發表的一篇論文預測，“超級地球”（其質量是地球的一倍至十倍大）同樣也會通過板塊構造來提供維持生命的必要條件之一。該論文的作者巴倫西亞稱，“這些超級地球中的一些可能在他們的太陽系中也處於‘可居住區域’，這就是説他們離他們的母恆星的距離恰好合適，有液態水存在，因此會有生命。儘管最終只有這些行星的熱和化學進化能夠決定是否他們適合居住，但是這些熱和化學特性卻極其依賴於板塊構造學説。”通過全面模擬這些具有大片陸地的超級地球的內部結構，巴倫西亞和他的研究小組發現“超級地球”的質量與其板塊與板塊應力值之間的存在的聯繫。這些應力值，部分是很慢的，慢慢地改變着地球的地幔。應力值是板塊變形和潛沒（一個板塊沉入另一個板塊的下面）的背後驅動力。因為這些“超級地球”質量比地球大，所以這股驅動力也要比地球大得多。

研究小組發現隨着行星質量的增大，切變力就會增加，板塊厚度減小。這兩種因素削弱了板塊，使板塊減少，這是板塊構造學説中的關鍵部分。因此科學家們稱，“超級地球”很容易滿足板塊變形和潛沒所需要的條件。他們的研究結果顯示，板塊構造學説特別適用於更大質量的超級地球。巴倫西亞説，“人們的研究證明，‘超級地球’存在板塊構造運動，即使這些行星上沒有水存在。”未來，人們可以使用美國宇航局的陸地行星探測者或歐洲航天局的達爾文項目來驗證這些結論。歐洲航天局達爾文項目將由三個天文望遠鏡組成，旨在於搜尋類地行星。

勒皮雄在1968年將全球地殼劃分為六大板塊；太平洋板塊、亞歐板塊、非洲板塊、美洲板塊、印度洋板塊（包括澳洲）和南極洲板塊。其中除太平洋板塊幾乎全為海洋外，其餘五個板塊既包括大陸又包括海洋。此外，在板塊中還可以分出若干次一級的小板塊，如把美洲大板塊分為南、北美洲兩個板塊，菲律賓、阿拉伯半島、土耳其等也可作為獨立的小板塊。板塊之間的邊界是大洋中脊或海嶺、深海溝、轉換斷層和地縫合線。這裏提到的海嶺，一般指大洋底的山嶺。

在大西洋和印度洋中間有地震活動性海嶺，另名為中脊，由兩條平行脊峯和中間峽谷構成。太平洋也有地震性的海嶺，但不在大洋中間，而偏在東邊，它不甚崎嶇，沒有被中間峽谷分開的兩排脊峯，一般叫它為太平洋中隆。海嶺實際上是海底分裂產生新地殼的地帶。轉換斷層，是大洋中脊被許多橫斷層切成小段，它不是一種簡單的平移斷層，而是一面向兩側分裂，一面發生水平錯動，是屬於另一種性質的斷層，威爾遜稱之為轉換斷層。兩大板塊相撞，接觸地帶擠壓變形，構成褶皺山脈，使原來分離的兩塊大陸縫合起來，叫地縫合線。一般説來，在板塊內部，地殼相對比較穩定，而板塊與板塊交界處，則是地殼比較活動的地帶，這裏火山、地震活動以及斷裂、擠壓褶皺、岩漿上升、地殼俯衝等頻繁發生。

什麼力量驅使板塊進行運動，按照赫斯的海底擴張説來解釋，認為大洋中脊是地幔對流上升的地方，地幔物質不斷從這裏湧出，冷卻固結成新的大洋地殼，以後湧出的熱流又把先前形成的大洋殼向外推移，自中脊向兩旁每年以0.5～5釐米的速度擴展，不斷為大洋殼增添新的條帶。因此，洋底岩石的年齡是離中脊愈遠而愈古老。當移動的大洋殼遇到大陸殼時，就俯衝鑽入地幔之中，在俯衝地帶，由於拖曳作用形成深海溝。大洋殼被擠壓彎曲超過一定限度就會發生一次斷裂，產生一次地震，最後大洋殼被擠到700公里以下，為處於高温溶融狀態的地幔物質所吸收同化。向上仰衝的大陸殼邊緣，被擠壓隆起成島弧或山脈，它們一般與海溝伴生。太平洋周圍分佈的島嶼、海溝、大陸邊緣山脈和火山、地震就是這樣形成的。所以，海洋地殼是由大洋中脊處誕生，到海溝島弧帶消失，這樣不斷更新，大約2～3億年就全部更新一次。因此，海底岩石都很年輕，一般不超過二億年，平均厚約5～6公里，主要由玄武岩一類物質組成。而大陸殼已發現有37億年以前的岩石，平均厚約35公里，最厚可達70公里以上。除沉積岩外，主要由花崗岩類物質組成。地幔物質的對流上升也在大陸深處進行着，在上升流湧出的地方，大陸殼將發生破裂。如長達6，000多公里的東非大裂谷，就是地幔物質對流促使非洲大陸開始張裂的表現。

根據板塊學説，大洋也有生有滅，它可以從無到有，從小到大；也可以從大到小，從小到無。大洋的發展可分為胚胎期（如東非大裂谷）、幼年期（如紅海和亞丁灣）、成年期（如大西洋）、衰退期（如太平洋）與終了期（如地中海）。

板塊構造學説將地球表面劃分為若干剛性的岩石圈板塊，板塊之間為俯衝、碰撞帶，中洋脊，以及轉換斷層等活動帶。板塊構造學説認為地球表面的運動主要由板塊之間的斷層活動來完成，而板塊邊界之間的寬闊的塊體變形很小，在全球尺度上可以忽略不計，也就是可以認為板塊是剛性的。 板塊運動認為剛性的岩石圈（包括大陸與大洋的地殼）的薄板在上地幔中粘性較小的軟流圈上移動。它是從大陸漂移説發展起來，而卻不同於大陸漂移説。

它們的差別主要為：

(1)魏格納等把大陸只包含大陸硅鋁層；而板塊學説中岩石圈板塊包含地殼與軟流圈之上的岩石圈（岩石圈地幔）。

(2)魏格納等把大陸看成是主動的單元，而板塊學説中大陸是被動的。大陸漂移説認為大陸是穿過殼下硅鎂

層而漂移的；而板塊學説引入了象在傳送帶上被攜帶的被動大陸的概念。由於它們在組成上密度較低，通常較有浮力並能逃脱被消減的命運，成為輸送帶上穩定的被動浮性塊。

(3)魏格納等把大陸硅鋁層看成是與地幔硅鎂層互相獨立的、完全不同的東西；而板塊學説認為陸地是地幔分異產生而上浮的化學產物，陸地與其下伏的部分地幔是聯繫在一起的。板塊構造為地幔對流説提供了發展的空間。岩石圈包括地殼與軟流圈之上的岩石圈（岩石圈地幔）。從熱力學觀點來看，它相當於岩石固相線之上的部分。從力學觀點看，它是能承受長期應力的地球錶殼。板塊學説逐漸在地學界取得了普遍的承認，它看似簡單，其實有深刻的道理。板塊構造，也可以説是縫塊構造，在地球表面各種尺度的構造中都有表現，甚至在變形最劇烈的台灣碰撞帶上，陡立的褶皺也是由一系列相對完整的灰巖塊體和它們之間的斷裂所組成。

從構造物理觀點來看，由於岩石流變性質的非線性，地殼變形主要集中在一些狹長的帶上，而這些活動帶之間的廣闊區域則只承擔很小的變形。這些廣闊區域就是塊體，而狹長的活動帶則是塊體間的邊界。流變學本構關係的非線性主要表現為應變速率與應力關係中應力項的指數n上，n越大則非線性越強烈，活動帶越窄。正是這種流變學基礎決定的板塊構造的幾何學在各種不同尺度的構造中都有所表現。

隨着軟流層的運動，各個板塊也會發生相應的水平運動。據地質學家估計，大板塊每年可以移動1-6釐米距離。

這個速度雖然很小，但經過億萬年後，地球的海陸面貌就會發生巨大的變化：當兩個板塊逐漸分離時，在分離處即可出現新的凹地和海洋；大西洋和東非大裂谷 就是在兩塊大板塊發生分離時形成的。當兩個大板塊相互靠攏併發生碰撞時，就會在碰撞合攏的地方擠壓出高大險峻的山脈。位於我國西南邊疆的喜馬拉雅山，就是三千多萬年前由南面的印度板塊和北面的亞歐板塊發生碰撞擠壓而形成的。有時還會出現另一種情況：當兩個堅硬的板塊發生碰撞時，接觸部分的岩層還沒來得及發生彎曲變形，其中有一個板塊已經深深地插入另一個板塊的底部。由於碰撞的力量很大，插入部位很深，以至把原來板塊上的老岩層一直帶到高温地幔中，最後被熔化了。而在板塊向地殼深處插入的部位，即形成了很深的海溝。西太平洋海底的一些大海溝就是這樣形成的。

根據板塊學説，大洋也有生有滅，它可以從無到有，從小到大；也可以從大到小，從小到無。Development of the oceans can be divided into the embryonic period (such as the Great Rift Valley), childhood (such as the Red Sea and Gulf of Aden), adulthood (Atlantic), a period of recession (Pacific) and ending on (such as the Mediterranean)。大洋的發展與大陸的分合是相輔相成的。在前寒武紀時，地球上存在一塊泛大陸。以後經過分合過程，到中生代早期，泛大陸再次分裂為南北兩大古陸，北為勞亞古陸，南為岡瓦那古陸。到三迭紀末，這兩個古陸進一步分離、漂移，相距越來越遠，其間由最初一個狹窄的海峽，逐漸發展成現代的印度洋、大西洋等巨大的海洋。到新生代，由於印度已北漂到亞歐大陸的南緣，兩者發生碰撞，青藏高原隆起，造成宏大的喜馬拉雅山系，古地中海東部完全消失；非洲繼續向北推進，古地中海西部逐漸縮小到的規模；歐洲南部被擠壓成阿爾卑斯山系，南、北美洲在向西漂移過程中，它們的前緣受到太平洋地殼的擠壓，隆起為科迪勒拉—安第斯山系，同時兩個美洲在巴拿馬地峽處復又相接；澳大利亞大陸脱離南極洲，向東北漂移到的位置。於是海陸的基本輪廓發展成的規模。

地震幾乎全部分佈在板塊的邊界上，火山也特別多在邊界附近，其它如張裂、岩漿上升、熱流增高、大規模的水平錯動等，也多發生在邊界線上，地殼俯衝更是碰撞邊界劃分的重要標誌之一；可見板塊邊界是地殼的極不穩定地帶。

儘管已經提出了各種可能的設想，如地幔對流，板塊自大洋中脊向外推動，海溝的牽引作用，地幔的拖曳力作用以及重力影響下從中脊向兩側的下滑作用等，但至今還沒有人能確切地核實是什麼力量在驅使板塊運動。因而，驅動機制問題能否完善的得以解決，可能是板塊構造學説最終成敗的關鍵。 ^[2] 

板塊構造學説認為，岩石圈板塊的水平運動是地球的主要構造運動，並且只有在板塊收斂處，它們才有可能轉變為斜向的和垂直運動。因此，岩石圈內的垂直運動和斜向構造運動都未能為該學説視作獨立的主要運動，而只當做是水平運動的分量。果真如此的話，該學説就全然不能解釋代表下伏地幔中物理化學作用的直接垂直反映的那些地殼運動——例如，整個大陸或其某一部分的造陸性質的隆起和拗陷。有人認為，岩石圈的垂直運動，倘若不是更重要的話，至少也會是與水平運動同等重要的。所以，為了弄清楚板塊的基本水平運動是如何在何處可能與垂直運動有關，就要求板塊構造學説作出進一步的闡明。

依據板塊學説繪製的板塊生長與消亡圖，大西洋和印度洋均向東西兩側擴張。在大西洋的南部，大西洋由中脊向東擴張3000多公里，因為大西洋寬度6000公里以上。印度洋向西擴張3000多公里。二者合計6000多公里，這原有的6000多公里寬地殼哪裏去了？

印度洋和太平洋向南擴張，使南極洲板塊移動到現在的南極位置，那麼原來的南極洲地殼那裏去了？

印度洋海脊為“入”字型，北部海脊為南北向，而且還有兩條次級南北向海脊並行分佈，大洋由海脊向兩側擴張，即印度洋北部向東西向擴張。

那麼，印度洋板塊怎麼會向北與歐亞板塊相撞？怎麼會形成青藏高原隆起？

板塊學説的觀點是：大洋地殼是由大洋中脊向兩側擴張而形成的。已經形成的大洋海脊地形不會消失，隨着大洋海脊向兩側擴張而張開向兩側移動。以此理論，大洋洋底地形應全為海脊。

通過海底地圖，清楚標明大洋中脊位於大洋中心，中脊兩側是大洋盆地。大洋盆地怎麼形成的？大洋地形否定了板塊學説。

大西洋中脊與印度洋中脊呈 “⊥”型連接，兩條大洋中脊向外擴張的方向是“對抗”的，怎麼擴張？

在印度洋的大洋中脊呈“入”字型連接，兩條大洋中脊向外擴張的方向也是“對抗”的。

怎麼向外擴張？

大西洋波多黎各海溝：最深9219米，位於大西洋北部，波多黎各島北9218公里，長約1550公里，平均寬度120公里。

大西洋新赫布里底海溝：最深9174米，位於萬那杜島(新赫布里底島)與新喀里多尼亞島之間的珊瑚海邊緣。長約1200公里，平均寬度70公里。

板塊學説的觀點是大洋板塊由大洋中脊誕生，然後向兩側擴張增生，在海溝處俯衝到大陸板塊下消亡。

以大西洋中脊為界，將大西洋西部與北美洲、南美洲一同劃分為美洲板塊，那麼對於大西洋的兩條海溝如何解釋？

板塊學説的版塊移動機制是熱對流，在一條大洋中脊可以畫出對流機制圖，那麼在兩條大洋中脊交匯處如何對流？

板塊學説解釋熱對流的熱能來源於放射性元素的蜕變熱，問題是，這麼多的放射性元素是哪裏來的？現在發現的放射性元素礦牀是含放射性元素高的岩石，該岩石是固體。另外，如果是放射性元素蜕變產生的熱量形成岩漿產生對流，蜕變所產生的元素就應該在岩漿裏，從大洋中脊噴出的岩漿就應該含有這些蜕變元素。沒有見到相關報道。 ^[3]