狗仔卡
发表于 2022-6-14 12:43 PM
1912 年，德国法兰克福地质会议，魏格纳首次提出“大陆漂移学说”，他认为大陆可以发生大规模水平位移。
这个在今天被认为是板块构造理论滥觞的学说，却遭受当时学界的广泛质疑：
脆弱的陆地之舟，如何航行在坚硬的海床上？
一个漂亮的梦，一个诗人的梦。
当初大陆漂移学说不被接受，根本原因是无法解决驱动力问题。
地球自转离心力、日月引力、潮汐力，都微不足道。
后来，在大陆漂移学说的基础上，发展出板块构造理论（1968 年），至今不断完善成型。
该理论极为简洁地概括了地球岩石圈层的运动和演化机制，具有广泛的普适性和可预测性，是 20 世纪自然科学四个重大突破之一。
百年后的今日，板块构造驱动力，仍是非常宏大、且尚无定论的科学问题。
目前地学领域大部分研究，都由该命题延伸而来，是完善板块构造理论的根基。
1.受力分析
这显然是个力学问题。
因此，在展开介绍之前，先做个简要的受力分析：
如上图所示，施加在岩石圈板块上的根本作用力，主要包括：
Fp：地幔上涌所产生的正浮力；
Fs：俯冲板块的负浮力，说白了就是下沈的力。
目前，地学界对于板块构造驱动力的争论，大多围绕这两种力谁起主导作用展开。
主要分成两种观点：自下而上vs.自上而下。
2.自下而上（Bottom up）
“自下而上”模式认为，板块运动的驱动力来自地球内部。
类似的观点，早在板块理论建立之前就已提出，
板块理论将其发展，认为板块运动受控于板块之下的地幔系统，即地幔对流驱动板块运动，
当年通过类比锅中沸水循环而获得的灵感。
“自下而上”模式，主要从以下几个方面驱动板块运动：
2.1 “红叶随流水”—地幔对流对板块的拖曳力
这种模式最好理解，板块如一叶扁舟，随流水（软流圈地幔）任意漂荡。
水流到哪，船漂去哪；同样，地幔流向哪，板块“漂”去哪。
因此，板块构造理论的雏形是大陆漂移学说。
这是早期朴素的驱动力思想，作为魏格纳少数的支持者，Arthur Holmes 提出这一机制，来解释大陆漂移驱动力问题。
地幔对流的样式，目前仍存在较大争议，
有全地幔对流、分层对流等模式，如下图。
地球物理与地球化学等研究普遍认为：
虽然地幔分层对流作用更为显着，但是也存在缓慢的全地幔对流作用进行物质交换。
但是这种对流过程极其缓慢，而且混合程度差。
有人说这个过程与牛奶加入咖啡产生混合相似。
其实不同，即使忽略时间尺度，这个过程可能更像牛奶与蜂蜜的不均匀混合。
虽然地幔具有流动性，但事实却令人更加疑惑：板块运动速度远比地幔流动速率大！
也就是说，船的速度，远大于水流的速度。
一个速度慢的介质，如何能驱动速度快的介质运动？
2.2 洋中脊推力
对于洋中脊推力的认识，依次经历了以下几个阶段：
（1）“吹气球”模型—岩浆上涌推动板块运动
海底扩张理论这样解释驱动力：
深部地幔对流，岩浆上涌、挤入扩张的洋脊，冷却产生新的洋壳，
并且推挤两侧的洋壳岩石圈, 驱动板块向两侧运动。
好比在洋中脊下方吹气球，气球越来越大，推动板块向两侧运动。
但这个模式很快就出问题：
洋中脊的顶部附近，往往发育伸展断层和地震，而不是预期的挤压作用力。
这说明，至少在洋中脊离散边界的顶部，没有洋脊向两侧的挤压力。
此外，经过计算，这个推力太小，不足以驱动板块运动。
（2）“喷泉”模型—重力均衡解释洋脊推力
这是“吹气球”模型的改进版。
大洋岩石圈如同一个巨大容器的顶部，开口处位于洋中脊，里面装满塑性的软流圈物质。
这些软流圈物质有侧向分压，因而推挤洋壳向两侧运移。
作为补偿，洋脊下方热的低密度物质上涌，
发生减压部分熔融，形成新的洋壳，维持洋脊扩张。
科学家们经过计算，这个推力仍然太小，而且上部与深部的运动方向相反。
（3）“滑梯”模型—重力作用导致板块下滑
洋中脊处，地幔物质上涌，岩石圈被抬高—架起“滑梯”。
如同一个斜面上的块体，在重力作用下向外滑动。
如今，学术界往往把大洋板块的向下滑移，也统称为洋脊推挤。
向下滑动的力量，取决于软流圈和老洋壳密度，
以及岩石圈底部到洋中脊岩石圈底部之间的高度差。
这个力量有多大？
虽然比上两种模式的作用力大，但还是不够。
2.3 地幔柱助力与润滑
地幔柱是地幔物质集中上涌的柱状热流，虽已广泛应用，但仍是概念模型。
地幔柱的存在，能够“短暂”地促进上述的“地幔对流”和“洋中脊推力”，
导致板块运动速率显着增加。
此外，还能起到润滑作用。
也就是上文图 3 中的 Fbs ：基底剪切力。
通常板块运动速率 Vp 大于下面地幔流动速率 Vm。
因此，Fbs 多表现为阻力。
地幔柱的出现，造成岩石圈底部发生部分熔融，熔体进入岩石圈与软流圈之间的接触界面，起到了“润滑剂”的作用，使得板块运动的阻力减小。
这个润滑作用很重要。
例如，印度大陆在向欧亚大陆汇聚的过程中，洋壳的运动速率的两次大幅增加（下图①②），被认为与留尼旺地幔柱的活动密切相关。
在此期间，板块最快运动速度大于 15 厘米 / 年，
大于现今可观测板块的最大运动速率（8-9 厘米 / 年）。
数值模拟研究发现，仅有地幔柱的助推作用还不够，地幔柱弱化作用非常关键，可以显着减薄和弱化岩石圈，减小板块运动的阻力, 使板块加速运动。
3.自上而下
“自上而下”模式，认为俯冲板块拖曳力是板块运动最主要的动力来源，
这是目前最主流的观点。
如果将上述的“自下而上”模式比作“传送带”（深部地幔动力驱动上部板块移动），
那下文所述的“自上而下”模式，就像一组“滑块 - 滑轮”，如下图：
“滑轮”固定在海沟的位置，
俯冲板块就是下滑的“重物”，
拖动上方的板块运动—“滑块”。
该模式需结合上文的“滑梯”模型，即重力作用导致板块下滑，
随着洋中脊出不断产生新洋壳，逐渐远离的洋壳越来越冷，密度增加，厚度增加。
大洋板块在自身的重力下发生俯冲，俯冲板块密度大于周围地幔，俯冲至深部的大洋岩石会发生相变，密度继续增加，板块继续下沈，进一步驱动上部板块运动。
板块为什么能沈入地幔？可详见我此前的回答：
如果此前存在薄弱带，这个地方将更容易破裂，发生俯冲起始。
经计算，俯冲板块的拖曳力足够大，可以维持现今板块运动的速度。
研究发现，凡是有俯冲的板块，其运动速度要远大于没有俯冲的板块。
如下图，白色箭头是板块的相对运动方向，箭头长短代表运动速度大小。
洋壳的年龄、俯冲带的形态，与俯冲速度也密切相关。
洋壳年龄越大，则其厚度越大，密度越大，自重越大，更容易发生俯冲，
洋壳俯冲角度越大，则其下插的动力越大（即 Fsp 越大），
俯冲板块主导的驱动力比上述的洋中脊推力等“自下而上”的作用力大 7-10 倍。
现今，由俯冲构造主导，俯冲板块为板块运动提供了 90%以上驱动力。
4. 难念的经
无论是“自下而上”还是“自上而下”，家家都有本难念的经。
4.1 “自上而下”的难题
板块俯冲驱动板块运动，虽然占据主导地位，
但是存在许多现象，无法用俯冲模式解释。
例如，俯冲还未普遍发生的大西洋两侧，就无法用“自上而下”的模式解释；
印度板块北部的洋壳，早已在青藏高原下断离，
但是印度洋板块仍在运动，也不能用俯冲驱动力解释。
这些都只能用“洋中脊推力”等“自下而上”的模式解释。
还有就是板块运动的转向问题，例如西太平洋和夏威夷岛链，最新的认识是约 53Ma 前发生运动转向，这其中有地幔柱热点作用的参与。
此外，板块俯冲驱动板块运动的速度，有上限。
目前的研究认为，其最大速率约 10 厘米 / 年，
然而，地质历史时期出现过大于 15 厘米 / 年的运动速率，
这需要结合“自下而上”的模式一起解释。
4.2 “自下而上”的难题—“燃气管道”vs.“烟斗”
“自下而上”的难题也有很多，
例如，上文提到的驱动力较弱，地幔对流争议等。
洋中脊研究调查的深入，发现了许多岩浆供应不足、极慢速扩张的洋中脊，
无法与板块运动速度挂钩。
还存在一个更为关键问题：均匀对流 vs.极性对流。
地幔热物质上涌，假设形成地幔柱，
会形成蘑菇云状、向四周横向扩散运动，例如“锅中沸水”或上图“烟斗”模型。
以此方式驱动板块移动，理应是无定向的放射状。
实际观察，洋中脊是向两侧近乎均匀推动板块移动，如上图左侧的“燃气管道”，
有人用热点相连成洋中脊解释，有人用三联点模式解释，
后来还出现了平躺的热管模型（下图），但都很难解释这种规律的板块运动。
难题还远不止这些，但是将“自下而上”和“自上而下”两种模式结合起来，
便可以解释大部分板块构造动力问题。
5.谁主沈浮？
越来越多的研究试图将“自下而上”和“自上而下”两种模式结合起来。
5.1 冰与火之歌—冷地幔柱与热地幔柱
将二者结合势必会形成一个循环过程。
类比地表的水循环，地球岩石还存在岩石圈 - 地幔尺度的循环。
板块俯冲消减和重力拆沈，形成向下的“冷流”—冷地幔柱；
核幔边界物质上涌，形成向上的“热流”—热地幔柱。
冷、热地幔柱的运动是地幔中物质运动的主要形式，构成全球尺度的物质循环，它控制
或驱动了板块运动。
板块运动只是该循环过程的地表体现。
冷流下沈，扰动深部地幔物质和热能，激发热流上涌；
热流上涌，产生新的岩石圈，推开上覆板块，直至俯冲下沈，化为新的冷流。
上面这两句话，先说冷流再说热流，与先说热流再说冷流，效果完全不同，
因为这牵扯到主动与被动的问题。
让我们从一个难以解释的现象开始。
5.2 非洲大陆的空间“危机”
非洲大陆，西侧是大西洋，东侧是印度洋。
两个大洋中脊都在扩张，但是非洲大陆两侧并未出现俯冲带。
这些扩张的物质去哪了？
是地球膨胀了？还是非洲被挤兑了（内部遭受挤压）？
这都解释不通，因为地球没有明显膨胀，非洲内部是伸展裂谷。
我们不妨先看看现今地球各个板块究竟如何运动。
洋中脊两侧发生背离运动，通过蓝色箭头（相对运动方向）可以看出；
板块绝对运动方向是红色箭头，可见非洲和印度洋整体都在向北运动。
这样，物质可以守恒。
为什么是这样，需放眼全球。
地幔内存在两根巨柱（大型剪切波低速体，LLSVP，下图中暖色调地区）：
一根叫 Jason，在南太平洋下；
另一根叫 Tuzo，在现今南大西洋‒非洲‒西南印度洋下。
它们是地幔中高冷的异类，由较冷、难熔的物质组成，周围的物质遇到它们都绕行上升。
这些深部上升的动力，控制了现今地球板块运动的主要趋势。
它俩都主要位于南半球，这也导致地球的陆块都往北跑，形成南半球以海洋为主的格局。
（可详见我此前的回答）
至此，也许有人会说，破案了，深部驱动浅部运动。
其实并没这么简单，因为 Jason 和 Tuzo 的成因，可能是来自俯冲作用。
2 亿多年以前，地球陆地聚在一起，形成潘吉亚超大陆。
超大陆周围，分布着一圈环形俯冲系统，
俯冲物质在超大陆之下，逐渐聚集。
经过亿万年的演化，其中难熔的物质形成了 LLSVP。
围绕 LLSVP，地幔物质上涌，超大陆因此裂解。
这也是超大陆裂解的主流机制之一，如下图。
地球物理研究，确实发现大陆下方有俯冲物质残留。
可见，站在地质历史角度，深部物质可能来自上部，
上部物质也由深部物质生成，到底是谁先出生？
5.3 岩浆引擎 or 俯冲引擎——主动被动之争
这类似“先有鸡还是先有蛋”的问题。
先有冷流下沈，还是先有热流上涌，谁主动，谁被动？
是“自下而上”？还是“自上而下”？
真正的争议，不是非此即彼，而是主动与被动之争。
这是问驱动物质循环的发动机是谁？
是深部地幔物质上涌驱动的 “地幔柱引擎”（或“岩浆引擎”）？
还是浅部俯冲带下沈驱动的“俯冲引擎”？
我们不知道。
因为，地球演化过程中，俯冲起始的时间和机制仍是迷雾重重。
5.4 俯冲伊始—迷雾重重
地球板块构造的起始时间，有很大争议。
如下图所示，早到 42 亿年前，晚到 6 亿年前，尚无定论。
目前普遍接受的是，大约 25 亿年前，开始全球规模的俯冲作用。
在此之前，垂向构造作用占主导（例如地幔柱），应该存在局部俯冲作用，其过程也与现代差别较大。
（关于垂向机制与水平机制，可详见我此前回答）
这种“地幔柱引擎”更符合我们的一贯认知：
地球深部核能转化为热能，热能在转化为板块运动的动能，似乎非常合理。
内部驱动力应该可以解释大多星球内部的演化机制。
但地球独有的板块构造真是这样诞生的吗？
为什么很多学者倾向于“自上而下”的“俯冲引擎”观点？
除了板块在重力下自发俯冲起始，以及先存薄弱带诱发的俯冲起始等“自上而下”的观点，还一种较有影响力的观点认为，地幔柱上涌导致俯冲起始。
但是，他们的研究结果却是地幔柱弱化上部岩石圈，可能直接形成俯冲带，而不是地幔柱造成上部岩石圈裂开形成洋中脊。
看似是“自下而上”的模式，其实也是俯冲拖动板块起始的观点。
此外，一些地外行星，例如金星，也发现有地幔柱构造，
而且这些地幔柱构造可能产生了俯冲带，且保留下了痕迹，由于金星岩石圈较热等原因，没有形成刚性板块，没有发生持续性的俯冲作用。
还有一种地外撞击说，认为小行星撞击地球，触发板块俯冲起始。
其实，小行星撞击也是一种“自上而下”的模式。
此外，“水”对于研究此问题也具有重要意义。
地球与其他类地形成最大的差别就是水。
水，对俯冲起始，陆壳和软流圈形成，地球内 - 外物质循环和生命起源等具有关键意义。
地球位于太阳系的“雪线”以内，自身本应没有多少水。
地球的水来自哪里？
普遍认为是外来的，彗星将水带到地球。
现今的地球，深部地幔含 1-3 个海洋的水。
如果水是外来的，那么地球内部的这些水是怎么来的？
最有可能的方式，是俯冲作用将水带入地球内部。
或许，俯冲作用将水带入地球内部，改造了地幔的性质，
才促成了地球上特有的物质循环方式，而板块运动只是这个大循环的浅部表现形式。
俯冲作用、地外水源，似乎也是“自上而下”模式。
是“自上而下”，还是“自下而上”？
或许，地球的幼年到中年有不同的选择，地球不同位置也有差异，
也可能一开始两种都不是，逐渐演化成某一模式。
这两种模式并不是非此即彼的关系，对于地球演化的不同历史阶段，可能是动态互补关系。
答案究竟是什么？
谁不想知道，我们脚下这片土地的故事。
我们过去常会俯察大地，所见唯有疑惑。而现在，开始渐渐找到答案了。
这需要今后对地球系统更加全面深入的研究，
也许，拨开迷雾，又见层云。
不过，进一步，便有一步的欢喜。
6. 总结：
（1）板块运动驱动力并不唯一，俯冲拖曳力占主导，洋中脊推力，地幔柱作用等次之。
（2）岩石圈和地幔的物质循环包括如下过程：俯冲板块作为“冷流”下沈，扰动深部地幔物质和热能，激发热流上涌；热流上涌，产生新的岩石圈，推开上覆板块，直至俯冲下沈，化为新的冷流。板块运动只是这个大循环的浅部表现形式。
（3）地球物质循环有两种主流观点：一是“自上而下”，先有浅部冷流下沈，激发深部热流上升；二是“自下而上”，深部热流上涌，形成浅部冷流。这两种观点，尚无定论。
个人认为，这两种模式也许并不是非此即彼的关系，对于地球演化的不同历史阶段，可能是动态互补关系。
声明：
板块构造驱动力尚无定论，是亟待解决的前沿科学问题。讲好前沿问题，需对本领域各方面知识有广泛、深入的了解，熟稔来龙去脉，显然我不具备此能力。笔者仍处于学习阶段，对于板块构造驱动力没有实质研究，更妄谈个人观点。本文更像是一篇极为简短、粗略的读书笔记，文中所涉及到的观点和证据，多来自以下参考文献，及其所引文献。国内外大佬们的文章，都难免带有主观倾向，我只能尽力做到客观展示。感兴趣的朋友可以拓展、比较阅读。
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