通過slab pull、ridge push機制，俯衝岩石圈負浮力能否與阻力平衡

文/蘭子記

編/蘭子記

前言

板塊構造學說是地球科學最基本的基礎理論之一，它為我們了解地震、火山、造山運動等分布特徵提供了理論框架。

大陸和海洋板塊都是漂浮在軟流圈地幔上的岩石圈塊體，各塊體之間存在相互運動。

大洋岩石圈在洋中脊處開始形成，不斷遠離洋中脊並冷卻增厚，在海溝處俯衝消亡。

大陸漂移假說在 20 世紀 50 年代前不被人們接受的一個主要原因就是，沒有提出解釋大陸可以大範圍移動的驅動機制。

而現在，大家一般認為地幔對流是板塊存在相互運動的主因。

地幔對流是地球內部熱能向外傳播的主要方式，也是它將熱能轉化為表面板塊運動的動能，可以簡單地把板塊構造運動看作是地幔對流在地球表面的表現。

熱能是如何轉化為板塊運動的驅動力的？又該如何精確地確定板塊構造運動的驅動力呢？

大陸漂移的論證

20 世紀二、三十年代，Wegener 認為潮汐力和差異離心力是大陸漂移的主要驅動力，但 Jeffrey 等證明潮汐和差異離心力比大陸漂移所需要的驅動力小几個數量級。

因此，儘管 1912 年 Wegener 就公開提出了他的大陸漂移的觀點，而且到他的「大陸與海洋的起源」一書第三版發行時(1922 年)。

有關大陸漂移的觀點與證據已經得到了充分的表述和證明，但是大陸漂移的觀點在 20 世紀 30 年代到 50 年代中期長達20 多年的時間內都基本被拋棄。

有趣的是，地幔對流的概念早在 19世紀就已經出現，但卻沒有引起 Wegener 的關注。

反而是 Holmes 在 20 世紀三、四十年代一直在嘗試證明地幔對流是大陸漂移的內在動力機制。

到 60 年代初，海底擴張學說建立，包括大陸漂移等基本觀念的板塊構造理論也得到確立。

隨著八、九十年代地幔對流理論的深入研究，有關板塊構造運動主要驅動力的種類等問題也基本達成共識。

板塊運動

為了解板塊運動的驅動力，我們先來看一下，當今板塊運動的實際情況。下圖顯示的是當今全球主要板塊及其運動速度分布。

表格是 Forsyth 和 Uyeda給出的全球12個主要板塊的現今狀況及其運動速度統計。

從這些結果看，板塊運動速度與板塊大小無直接關係，與板塊邊界洋脊的長度關係也不密切，但是與板塊內含陸地的面積大小負相關，與板塊邊界海溝的長度正相關。

另外，板塊運動速度似乎也與岩石圈俯衝時年齡的大小關係不大。太平洋板塊俯衝時岩石圈的年齡比 Nazca 板塊大得多，但他們的運動速度卻相當。

板塊運動是地幔對流的外在表現，而地幔對流則是地球內部溫度不均勻而引起的密度不均勻分布的結果，因此板塊運動驅動力的分析也是按此思路進行的。

大洋板塊在洋中脊開始生成，隨著離開大洋中脊而逐漸冷卻加厚。熱脹冷縮效應使得隨著岩石圈遠離大洋中脊時密度和厚度逐漸增大，其直接影響就是海底深度也隨著遠離洋脊而逐漸增大，在海溝處，岩石圈俯衝進入軟流圈地幔。

板塊運動的受力分析

板塊模式的受力分析可將板塊的受力狀況歸為三類：

俯衝板塊拉力 (slab pull)、洋脊推力(ridge push)和地幔黏滯力。

海溝處俯衝的冷岩石圈比周圍熱的地幔的密度大，將產生向下運動的重力，這種重力作用通過堅硬岩石圈傳導至整個岩石圈板塊，構成所謂的俯衝板塊拉力。

大洋中脊的地形比周圍海底高，這一部分物質的重力將會使大洋中脊兩翼分離，這種重力滑移一般稱為洋脊推力。

板塊與軟流圈地幔間存在相對運動時，地幔黏滯力就起作用：如果板塊比下面的軟流圈地幔運動速度快，那麼板塊將受到下面軟流圈地幔黏滯阻力的作用。

反之，如果板塊比下面地軟流圈幔運動速度慢，那麼板塊下方的黏滯力就是動力，帶動板塊運動。

此外，除前述三種主要受力情況外，根據海溝和兩相鄰板塊的運動情況，板塊還會受到海溝阻力或吸力的作用。

俯衝岩石圈的負浮力能否與地幔黏滯阻力平衡

根據這種板塊模式的受力分析，結合當今板塊運動的實際情況，一種觀點認為俯衝板塊的拉力是板塊運動的主要驅動力，洋脊推力僅起次要作用。

但是，有學者認為如果考慮地幔黏滯力的影響，俯衝板塊的拉力傳導至大洋岩石圈的純拉力可能與洋脊推力基本相當。

實際上，從上述觀測可知，主要大洋岩石圈板塊的運動速度基本相當，這也表明大洋岩石圈底部的黏滯力很小，俯衝岩石圈的負浮力基本為其受到的地幔黏滯阻力所平衡。

與此明顯不同的是，含有陸地的板塊，其運動速度較小，目前還不清楚是因為這些板塊不含或含具有較少的俯衝板塊，還是因為大陸岩石圈根受到較大黏滯阻力而造成的。

簡單的板塊模式的受力分析，確實可以讓我們對板塊構造運動的驅動力有一個直觀的了解，但這畢竟不是整個系統的受力狀況。

研究顯示，一個不斷冷卻的對流地幔會在上下表面形成兩個邊界層。下面熱的邊界層的不穩定性將可能導致地幔熱柱的產生，而上面冷的邊界層的不穩定性將產生冷的下降流。

上部冷邊界層可以直接與岩石圈相聯繫，其不穩定所產生的下降流就是板塊的俯衝。俯衝岩石圈通過 410km 和 660km 相變面時還會因為相變作用而受到力的影響。

此外，地幔內部任何密度異常體的運動，包括下部邊界的不穩定性，都將通過地幔流體對錶面板塊產生作用力。

結論

正確理解板塊運動驅動力，是我們進一步認識板塊構造發展演化的基礎。

只有從整個對流系統出發，才能讓我們對板塊運動的驅動力有一個全面的認識，但是目前的研究模型都包含太多的人為因素。

完整地了解板塊構造運動的驅動力，需要一個板塊和地幔對流耦合且由統一的物理規律控制的模型。

也就是說，我們需要建立一個對流模型，其中板塊是由模型自身自然產生的。

更重要的是，目前還沒有可靠的方法直接測量板塊運動的驅動力，檢驗理論模型。

但我相信，通過學術各界科研人員的不懈努力，我們終將揭開迷霧的面紗。

參考文獻：

[1] Wegener A. The origin of continents and oceans. London: Methuen, 1966.

[2] Davies G F. Dynamic earth: plates, plumes and mantle convection. Cambridge: CambridgeUniversity Press, 1999.

[3] Schurbert G, Turcotte D L, Olson P. Mantle convection in the earth and planets. Cambridge:Cambridge University Press, 2001.

[4] Holmes A. Principles of physical geology. New York: Ronald Press, 1945.

[5] DeMets C, Gordon R G, Argus D F, et al. Effect of recent revisions to the geomagnetic reversaltime scale on estimates of current plate motions. Geophys. Res. Lett., 1994, 21: 2191−2194.

[6] Forsyth D, Uyeda S. On the relative importance of the driving forces of plate motion. Geophys.J. R. Astron. Soc., 1975, 43: 163−200.

[7] Royer J Y, Müller R D, Gahagan L M, et al. A global isochron chart. Texas: University of TexasInstitute for Geophysics Technical Report No. 117, 1992.

[8] Huang J S, Zhong S J, van Hunen J. Controls on sublithospheric small-scale convection. J.Geophys. Res., 2003, 108 (B8), 2405, doi:10.1029/2003JB002456.

[9] Conrad C P, Lithgow-Bertelloni C. How mantle slabs drive plate tectonics. Science, 2002,298: 207−209.

[10] Bird P, Liu Z, Rucker W K. Stresses that drive the plates from below: Definitions,computational path, model optimization, and error analysis. J. Geophys. Res., 2008, 113,B11406, doi:10.1029/2007JB005460.