文/兰子记
编/兰子记
前言
板块构造学说是地球科学最基本的基础理论之一，它为我们了解地震、火山、造山运动等分布特征提供了理论框架。
大陆和海洋板块都是漂浮在软流圈地幔上的岩石圈块体，各块体之间存在相互运动。
大洋岩石圈在洋中脊处开始形成，不断远离洋中脊并冷却增厚，在海沟处俯冲消亡。
大陆漂移假说在 20 世纪 50 年代前不被人们接受的一个主要原因就是，没有提出解释大陆可以大范围移动的驱动机制。
而现在，大家一般认为地幔对流是板块存在相互运动的主因。
地幔对流是地球内部热能向外传播的主要方式，也是它将热能转化为表面板块运动的动能，可以简单地把板块构造运动看作是地幔对流在地球表面的表现。
热能是如何转化为板块运动的驱动力的？又该如何精确地确定板块构造运动的驱动力呢？
大陆漂移的论证
20 世纪二、三十年代，Wegener 认为潮汐力和差异离心力是大陆漂移的主要驱动力，但 Jeffrey 等证明潮汐和差异离心力比大陆漂移所需要的驱动力小几个数量级。
因此，尽管 1912 年 Wegener 就公开提出了他的大陆漂移的观点，而且到他的“大陆与海洋的起源”一书第三版发行时(1922 年)。
有关大陆漂移的观点与证据已经得到了充分的表述和证明，但是大陆漂移的观点在 20 世纪 30 年代到 50 年代中期长达20 多年的时间内都基本被抛弃。
有趣的是，地幔对流的概念早在 19世纪就已经出现，但却没有引起 Wegener 的关注。
反而是 Holmes 在 20 世纪三、四十年代一直在尝试证明地幔对流是大陆漂移的内在动力机制。
到 60 年代初，海底扩张学说建立，包括大陆漂移等基本观念的板块构造理论也得到确立。
随着八、九十年代地幔对流理论的深入研究，有关板块构造运动主要驱动力的种类等问题也基本达成共识。
板块运动
为了解板块运动的驱动力，我们先来看一下，当今板块运动的实际情况。下图显示的是当今全球主要板块及其运动速度分布。
表格是 Forsyth 和 Uyeda给出的全球12个主要板块的现今状况及其运动速度统计。
从这些结果看，板块运动速度与板块大小无直接关系，与板块边界洋脊的长度关系也不密切，但是与板块内含陆地的面积大小负相关，与板块边界海沟的长度正相关。
另外，板块运动速度似乎也与岩石圈俯冲时年龄的大小关系不大。太平洋板块俯冲时岩石圈的年龄比 Nazca 板块大得多，但他们的运动速度却相当。
板块运动是地幔对流的外在表现，而地幔对流则是地球内部温度不均匀而引起的密度不均匀分布的结果，因此板块运动驱动力的分析也是按此思路进行的。
大洋板块在洋中脊开始生成，随着离开大洋中脊而逐渐冷却加厚。热胀冷缩效应使得随着岩石圈远离大洋中脊时密度和厚度逐渐增大，其直接影响就是海底深度也随着远离洋脊而逐渐增大，在海沟处，岩石圈俯冲进入软流圈地幔。
板块运动的受力分析
板块模式的受力分析可将板块的受力状况归为三类：
俯冲板块拉力 (slab pull)、洋脊推力(ridge push)和地幔黏滞力。
海沟处俯冲的冷岩石圈比周围热的地幔的密度大，将产生向下运动的重力，这种重力作用通过坚硬岩石圈传导至整个岩石圈板块，构成所谓的俯冲板块拉力。
大洋中脊的地形比周围海底高，这一部分物质的重力将会使大洋中脊两翼分离，这种重力滑移一般称为洋脊推力。
板块与软流圈地幔间存在相对运动时，地幔黏滞力就起作用：如果板块比下面的软流圈地幔运动速度快，那么板块将受到下面软流圈地幔黏滞阻力的作用。
反之，如果板块比下面地软流圈幔运动速度慢，那么板块下方的黏滞力就是动力，带动板块运动。
此外，除前述三种主要受力情况外，根据海沟和两相邻板块的运动情况，板块还会受到海沟阻力或吸力的作用。
俯冲岩石圈的负浮力能否与地幔黏滞阻力平衡
根据这种板块模式的受力分析，结合当今板块运动的实际情况，一种观点认为俯冲板块的拉力是板块运动的主要驱动力，洋脊推力仅起次要作用。
但是，有学者认为如果考虑地幔黏滞力的影响，俯冲板块的拉力传导至大洋岩石圈的纯拉力可能与洋脊推力基本相当。
实际上，从上述观测可知，主要大洋岩石圈板块的运动速度基本相当，这也表明大洋岩石圈底部的黏滞力很小，俯冲岩石圈的负浮力基本为其受到的地幔黏滞阻力所平衡。
与此明显不同的是，含有陆地的板块，其运动速度较小，目前还不清楚是因为这些板块不含或含具有较少的俯冲板块，还是因为大陆岩石圈根受到较大黏滞阻力而造成的。
简单的板块模式的受力分析，确实可以让我们对板块构造运动的驱动力有一个直观的了解，但这毕竟不是整个系统的受力状况。
研究显示，一个不断冷却的对流地幔会在上下表面形成两个边界层。下面热的边界层的不稳定性将可能导致地幔热柱的产生，而上面冷的边界层的不稳定性将产生冷的下降流。
上部冷边界层可以直接与岩石圈相联系，其不稳定所产生的下降流就是板块的俯冲。俯冲岩石圈通过 410km 和 660km 相变面时还会因为相变作用而受到力的影响。
此外，地幔内部任何密度异常体的运动，包括下部边界的不稳定性，都将通过地幔流体对表面板块产生作用力。
结论
正确理解板块运动驱动力，是我们进一步认识板块构造发展演化的基础。
只有从整个对流系统出发，才能让我们对板块运动的驱动力有一个全面的认识，但是目前的研究模型都包含太多的人为因素。
完整地了解板块构造运动的驱动力，需要一个板块和地幔对流耦合且由统一的物理规律控制的模型。
也就是说，我们需要建立一个对流模型，其中板块是由模型自身自然产生的。
更重要的是，目前还没有可靠的方法直接测量板块运动的驱动力，检验理论模型。
但我相信，通过学术各界科研人员的不懈努力，我们终将揭开迷雾的面纱。
参考文献：
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