广东海洋大学 廖永岩 （电子信箱： rock6783@126.com ） 现在开始，我们来谈谈冰川的地质作用的地球化学证据。先来了解一下 冰期旋回中碳酸盐岩 13 C 规律变化的基本规律。 由于关系到人类的生存和可持续性发展，全球变化，已成为当今最热门的话题和研究领域。将古论今，为了更好地了解和研究当今的全球变化，科学家对古冰川进行了大量的研究。在古冰川的研究中，研究者发现，冰川形成过程中，随着 18 O 正漂移，碳酸盐岩中 13 C 逐渐正漂移，最大值可达 +11 ；当冰川形成到一定程度时， 13 C 强烈负漂移，最负值可达 -7 。紧接着冰碛岩有碳酸盐岩帽形成。随着 18 O 出现强烈的负漂移，碳酸盐岩帽里的 13 C 从强负值出现强烈正漂移。碳酸盐岩中 13 C 的这种规律性漂移，幅度如此之大，是一种十分异常的现象，对此有很多争论 （ Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992; Hoffman, et. al., 1998; Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000; Bains, et. al., 1999; Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994 ） 。到目前为止，这种冰川旋回中碳酸盐岩 13 C 规律变化，还没有一种能得到学术界公认的详细解释，一直是地学界的不解之谜 （杨瑞东等， 2003 ；钱迈平等， 2000 ） 。冰川期的旋回，是全球变化的一种重要表征 （张兰生等， 2000 ） 。同时，冰川期旋回，也基本和造山旋回、成矿旋回、海平面变化旋回、 CO 2 旋回、 Er 旋回相一致 （龚一鸣， 1997 ；汪品先， 2002 ；翟裕生， 2001 ） 。这个谜底的揭开，将直接面对以上问题的解决。所以，弄清冰期碳酸盐岩 13 C 漂移的原因，是一个既复杂，又重要的问题。我们对现有地质、地球物理学、地球化学、冰川学、气象学等资料进行综合分析后，就这个谜提出了新的理论。 1 13 C 和 18 O 的地质学特征 当海洋中的水蒸发时，含 16 O 的水较易蒸发，含 18 O 的水较不易蒸发。这样，就造成 18 O 的分馏。由蒸发的水蒸汽凝聚而成的江河湖里的淡水， 16 O 较高， 18 O 较低。由蒸发的水蒸汽凝聚而成的极地冰川及山地冰川， 16 O 也较高， 18 O 较低。而海洋，则由于 16 O 的蒸发减少而造成 18 O 值升高。江河湖里的水，最终又会流入海洋。库存在江河湖里的淡水量相对较少，且量变化不大。而极地冰川和山地冰川，当冰川形成时，会造成大量淡水的滞留；而冰川消融时，原来滞留在极地和高山的冰川水，又会流入海洋。这样，就造成冰川形成时，海洋 18 O 值正漂移，而冰川消融时， 18 O 负漂移 （ Shackbeton, 1973 ） 。 自然界中的碳，主要由两种稳定同位素组成，即 12 C 和 13 C ，其丰度分别为 98 89% 和 1.ll% （ Hoefs, 1982; Garrels and Lerman, 1984 ；胡修棉等， 2001 ） 。绿色植物进行光合作用时，优先吸收 12 C ，造成碳同位素分馏。植物、动物和微生物，都是直接或间接以植物为食的。所以，组成生物的有机碳，相对来说，含 12 C 较多，而含 13 C 较少。而留在大气或海洋中的 CO 2 ，则相对富积 13 C 。由生物衍生而来的矿物有机物及天然气水合物等，也和生物相似，具有强烈的 13 C 负值，如天然气水合物里的甲烷， 13 C 值为 -60~-65 （杨瑞东等， 2003 ； Kvenvolden, 1995 ） 。从全球角度未说，碳主要分布在几个主要的碳库中，相应的碳同位素值有所不同。碳酸盐岩中的碳同位素相对富 13 C ， 13 C 值平均为 0 （相对于 PDB 标淮，下同）。沉积有机质中的碳 13 C 值约为 -25 ；大气 13 C 值为 7 ；大洋水的 13 C 值为 0 ； 由地球去气作用形成的碳， 13 C 约为 -7 （ Hoefs, 1982; Garrels and Lerman, 1984; 胡修棉等， 2001 ） 。 2 冰期旋回中的 13 C 和 18 O 变化规律 2.1 冰期后碳酸盐岩帽中的 13 C 和 18 O 变化规律 每一次冰川消融后，紧接着冰碛岩的上面，会形成一层厚厚的碳酸盐岩。这种碳酸盐岩像帽子一样盖在冰碛岩上，俗称碳酸盐岩帽。这种碳酸盐岩帽的厚度，与冰川期冰川的规模有关。冰川期形成的冰川规模越大，这种碳酸盐岩帽的厚度越大（有时达 400m ）；冰川规模越小，这种碳酸盐岩帽的厚度越小。组成这种碳酸盐帽的物质，主要为碳酸钙、碳酸镁组成的白云岩或灰岩；有时，也有碳酸锰等其它碳酸盐参与岩帽的形成 （杨瑞东等， 2002 ） 。 紧接在冰碛岩上的碳酸盐岩的 13 C ，呈现强负值，最负值可达 -7 。而 18 O 呈现强正值。在冰碛岩上面，离冰碛岩越来越远， 18 O 值逐渐负漂移，然后至正常为止。但冰碛岩上的碳酸盐岩帽里的 13 C ，随着离冰碛岩的越来越远， 13 C 呈现强烈的正漂移，直至正常为止 （杨瑞东等， 2003 ；张启锐等， 2002 ） 。 这种现象，每一次冰期都会再现 （ Hoffman, et. al., 1998; Kennett, et. al., 2000; 李玉成和周忠泽， 2002 ） ，但以新元古大冰期最为显著，漂移幅度最大 （ Hoffman, et. al., 1998 ） 。冰期后碳酸盐岩帽形成和 13 C 、 18 O 的规律性变化，具有全球普遍性和等时性 （ Prave, 1999; Walter, et. al., 2000; Knoll, 2000 ） 。 2.2 冰期旋回中的 13 C 和 18 O 变化的一般规律 18 O 值的变化，与冰川的形成和消融密切相关，现已作为古冰川形成和消融的一种重要表征 （ Shackbeton, 1973 ） 。 在地球演化的过程中，每一次的冰期的形成和消融，都伴随着 18 O 的周期性变化 （杨瑞东等， 2003 ； Shackbeton, 1973; 李玉成和周忠泽， 2002 ） 。冰川形成过程中， 18 O 值逐渐升高，冰川最大时， 18 O 值最高。冰川持续期，只要冰川规模不变，总质量不变， 18 O 的值也不会有太大的波动。冰川消融期，随着冰川的逐渐消融， 18 O 值逐渐降低，至冰川完全消融时， 18 O 值降至最低。在间冰期， 18 O 值波动不大。冰期旋回中， 18 O 正漂移的最大值，与冰川的规模密切相关。冰川规模越大（如新元古大冰期）， 18 O 的正漂移越强烈；冰川规模越小（如奥陶纪或比它更小的次一级冰期），则 18 O 正漂移越弱。只要是没有冰川形成的间冰期， 18 O 的值波动不大。 13 C 的值，也和冰川的形成和消融强相关 （ Prave, 1999; Veizer, et. al., 1999 ） 。在冰川的形成过程中， 13 C 值逐渐正漂移。但至冰川形成到一定规模时（不是冰川的最大期）， 13 C 达最大值（有时可达 +11 以上），开始急剧负漂移。这种负漂移很少一次性到位，至少要经两次或两次以上的阶梯 （ Bains, 1999 ） 。其中最明显的一次负漂移在冰川形成期，另一次在冰川开始消融时的消融期。整个冰川期， 13 C 都处于这种强负值期；或处于不断负漂移的过程中。冰川消融后， 13 C 值急剧正漂移。整个间冰期， 13 C 虽会有一些微量波动，但总的趋势是处于正漂移过程中。这种正漂移直至下一次冰川形成至一定规模为止（不一定是冰川的最大期）。 13 C 的这种漂移所达正、负漂移的最大绝对值的大小，也与冰川的规模强相关。冰川期形成的冰川规模越大， 13 C 正漂移时所至的最大值也最大；紧接着的负漂移，负漂移至最负值时，最负值的绝对值也最大。冰川期形成的冰川规模越小， 13 C 正漂移时所至的最大值较小，紧接着的下降，下降至最负值时，最负值的绝对值也较小。 了解 冰期旋回中碳酸盐岩 13 C 规律变化的基本规律后，我们就可以应用这些基本规律来分析目前学术界对 13 C 和 18 O 规律变化的解释的正确与否。那么，目前学术界对冰期旋回中 13 C 和 18 O 规律变化有哪几种解释？哪一种最可能正确呢？且听下回分解。 未完，待续。 下回预告 ： 地球科学原理之 16 冰期旋回中 13 C 规律变化的解释和分析 参考文献： 胡修棉 , 王成善 , 李祥辉 . 大洋缺氧事件的碳稳定同位素响应 . 成都理工学院学报 , 2001, 28(1):1-6 龚一鸣 . 重大地史事件、节律及圈层耦合 . 地学前缘 , 1997, 4(3-4): 75-84 李玉成 , 周忠泽 . 华南二叠纪末缺氧海水中的有毒气体与生物集群绝灭 . 地质地球化学 , 2002, 30(1): 57-63 钱迈平 , 袁训来 , 肖书海，厉建华 , 汪迎平 . 新元古代大冰期及其诱发因素 . 江苏地质 , 2000, 24(3): 135-139 杨瑞东，王世杰，董丽敏， 姜立 君，张卫华，高慧 . 上扬子区震旦纪南沱冰期后碳酸盐岩帽沉积地球化学特征 . 高校地质学报 ,2003, 9(1): 72-80 杨瑞东 , 欧阳自远 , 朱立军 , 王世杰 , 姜立 君 , 张位华 , 高慧 . 早震旦世大塘坡期锰矿成因新认识 . 矿物学报 , 200 汪品先 . 气候演变中的冰和碳 . 地学前缘 , 2002, 9(1): 85-93 2, 22(4): 329-334 张兰生，方修琦，任国玉 . 全球变化 . 北京：高等教育出版社 . 2000. 1-271 张启锐，储雪蕾，张同钢， 冯连 君 . 从全球冰 到雪球假说关于新元古代冰川事件的最新研究 . 高校地质学报， 2002 ， 8 （ 4 ）： 474-481 翟裕生 . 矿床学的百年回顾与发展趋势 . 地球科学进展， 2001 ， 16 （ 5 ）： 719-725 Bains S, Corfield R M, Norris R D. 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广东海洋大学 廖永岩 （电子信箱： rock6783@126.com ） 为了说明冰川的形成和消融为什么会造成地球的均衡调整，我们先来做一个木块浸水小实验。将一些不同形状、大小及比重的木块，放入一盆水中（见图 1 ）。因为木块的比重比水小，木块将浮在水中。根据阿基米德原理（浮力定理），由于水对浸入水中部分的木块产生的浮力与木块的重量相等，不管木块的体积大小（只要不大于盆的水体），不管木块的比重大小（只要小于水的比重），不管木块的形状，也不管木块位于盆中水的什么高度，只要没有外力作用，最后，木块都会因为浮力作用，而停留在水面上。我们将这时的盆内水面，叫做浮力面（见图 1 ， a, e ）。 图 1. 木块浸水平衡实验 . A ，大比重木块； B ，普通比重木块； C ，小比重木块； D ，木块； E ，加在上面的小木块； F ，加在下面的小木块 . 不管木块是什么形状和大小，比重较大时，木块浸入水中的部分较多，比重较小时，木块浸入水中的部分较少 ( 见图 1 ， a) 。 不管是什么形状、大小及比重的木块，若在水面下木块上增加一小块木块（浸入水中）（见图 1 ， f ），由于增加的浮力大于增加的重力，则整个木块要相对浮力面上升，后又在浮力面处重新形成平衡（见图 1 ， g ）；若我们在水面上木块上增加一小块木块 ( 见图 1 ， c) ，由于浮力不变，而重力增加，木块将要相对浮力面下降，后又在浮力面处重新形成平衡（见图 1 ， d ）。我们将这种浮力面两侧的浮力和重力改变后又重新形成平衡的现象，叫做浮力面平衡（见图 1 ）。 地球从外到内由地核、地幔和岩石圈构成 ( 见图 2) 。海洋岩石圈外是水和大气，大陆岩石圈外是大气。地幔部分可当成一种流体（见图 2 ， B ， C ， D ）。若把岩石圈看成是由很多个小块（岩石壳小块，将级成岩石圈的一部分称为岩石壳）组成，每个岩石壳小块都浮在比重较大的地幔流体上。不管岩石壳小块原来位于什么高度（距地心的距离），由于岩石壳小块的重力（包括岩石圈上的水和大气的重力）和地幔对浸入地幔中岩石壳部分产生的浮力相等，岩石壳小块和地幔最后会在上面的木块浸水实验中的浮力面处达到一种流体静力学平衡。我们将这个地幔和岩石壳形成的浮力面称作地幔浮力面（图 2 ， F ）。地幔浮力面是一个想象平面。因为，在实际的地球中，地幔外全部被岩石圈包围，是看不到这个地幔浮力面的。 假设不考虑月球及其它星球对地球的影响及自转因素的话，地球的地幔浮力面是一个圆球面。若考虑到地球的自转，过两极作一个切面，地球的地幔浮力面是以赤道为长轴，两极为短轴的椭圆。所以，地幔浮力面和大地水准面的形状相似，只是比大地水准面稍小，且位于地壳下方。 假设没有外力的影响，地幔处于流体静力学平衡状态。不管是大陆岩石壳或海洋岩石壳，岩石圈、水和大气的重量和地幔对其的浮力相等，都在地幔浮力面处保持平衡。根据上面的木块浮力实验可知：若在地幔浮力面下加一岩石壳（比地幔比重小）物质，整个岩石壳将上升；后又在地幔浮力面处重新形成平衡；若在地幔浮力面上加一岩石壳物质，岩石壳将下降，后又在地幔浮力面处重新形成平衡。我们将这种地幔浮力面两侧的浮力和重力改变后又重新形成平衡叫做地幔浮力面平衡。 图 2. 地球的内部结构 . A ，岩石圈； B ，软流圈； C ，部分上地幔； D ，下地幔； E ，地核； F ，地幔浮力面 . 根据地幔浮力面平衡原理，若某一处的岩石壳地幔浮力面下生出了多余的根，那它必须相对于地幔浮力面上升，也就是它必须长出相应的枝来。反过来，或某一岩石壳在地上长出了一定重量的多余 枝，由于它的重量增加，那它必须相对地幔浮力面下降，也就是说，它必须相应地长出根来。 从以上我们知道了冰川的形成和消融能造成地球均衡调整，那么，冰川形成为什么会有造海作用？什么叫做诱发地震？且听下回分解。 未完，待续。 下回预告 ： 地球科学原理之 12 诱发地震及冰川形成时的造海作用 （注： 本地球科学原理系列，是根据廖永岩著，海洋出版社（ 2007 年 5 月）出版的《地球科学原理》一书改编而来，转载者请署明出处，请不要用于商业用途 ）
广东海洋大学 廖永岩 （电子信箱： rock6783@126.com ） 从前几回已知，随着对地球的不断认识，人们就大地构造，曾提出过很多学说。比较著名的有地槽 - 地台学说 （ J. D. Dana, 1873 ） 、大陆漂移学说 （ Wegener, 1912; Wegener, 1915; Wegener, 1929; Wegener, 2001 ） 、海底扩张学说 （ Hess, 1962; Dietz, 1961 ） 和板块构造学说等 ( Morgan, 1968; Isachs et.al., 1968; Mckenzie, 1969) 。板块构造学说得到古地磁学、地震学和古生物学等众多科学依据和测量数据的支持，被称为 20 世纪地质学的伟大成就 ( 傅容珊和黄建华， 2001) 。板块构造学说对 2 亿年龄的海洋和大洋壳的地质问题，进行了很好的解释 (Mckenzie, 1969; 傅容珊和黄建华， 2001) ，但仍留下一些有待解决的问题 ( 傅容珊和黄建华， 2001; Stacey, 1992; 宋春青和张振春 , 1996) 。为了解决大陆地质历史演化过程、地壳生长机制和板块运动驱动力等方面的问题，我们就现有地质学、古生物学、地球物理学、地球化学和古气候学等资料，对大地构造演化的地球动力学问题进行分析。 首先，我们来看一看冰川及冰川的形成和消融所造成的地球均衡调整。 1 冰川及其分类 冰川，一般可分为高山冰川和极地冰川。高山冰川一般分布相对分散，且面积和体积相对较小。 北极冰川集中在格陵兰岛，占全球冰川的 9% 。南极冰盖，集中了全球 90% 的冰川，位于南极洲上 ( 秦大河和任贾文 , 2001) 。 极地冰盖，根据它对地质影响的不同，又可以分为三种：两极均是深海洋（海洋的深度大于冰川的入水深度，冰川不能直接和海洋底相接触）时形成的冰川海洋冰川，两极均位于大陆而形成的冰川双极冰川和一极是大陆一极是海洋时形成的冰川单极冰川。 当冰川形成时，若是海洋冰川，不管冰川有多大，因其不能直接接触地壳，故它不能直接作用于它下面的地壳。同时，由于冰川的下部直接位于海洋中，由于海洋的对流（包括水平流和垂直流），相对于大陆极冰川来说，容易熔化。一般来说，这样的冰川不会造成明显的地质作用。 2 冰川造成地球均衡调整 第四纪时，北欧斯堪的纳维亚地区和北美哈得逊湾地区有北极冰川存在。自 15000 年前冰川消融，哈得逊湾抬升了 300 米 。现在，这一地区仍以每年 2cm 的速度抬升。经计算，如果该区域要恢复冰川前的高度，并重建重力均衡，它必须再上升 80 米 ( 陶世龙等 , 1999; Stacey, 1992) 。自 10000 年前冰川消融后，斯堪的纳维亚地区已经抬升 250 米 ，目前仍以每年 1 cm 的速度抬升 ( 陶世龙等 ,1999; Stacey, 1992) 。甚至有人估计，斯堪的纳维亚可能冰后抬升了近 850 m (Gudmundsson, 1999) 。以上证据证明，地球，这个被岩石圈圈闭流体球，的确有一定的塑性。当冰川形成时，冰川及冰川下岩石圈一道，因巨大的冰川均衡作用而下沉 ( Marquart, 1989; Davis et.al.,1999; Makinen and Saaranen, 1998; Davis and Mitrovica,1996; Boulton et.al., 1982; Clark et.al.,1994 ) 。在冰川消融期，由于巨大的冰川逐渐消失，原冰川区的岩石圈反弹性上升 （ Peltier and Jiang,1996; Lambert et. al.,2001; Lambeck et.al., 1998; Gudmundsson,1999 ） 。 为什么冰川的形成和消融，会造成地球的均衡调整？我们将在下一回用浮力实验进行分析。详细内容，且听下回分解。 未完，待续。 下回预告 ： 地球科学原理之 11 地幔浮力面理论 参考文献： 傅容珊，黄建华 . 地球动力学 . 北京：高等教育出版社 . 2001. 1-320 秦大河，任贾文主编 . 南极冰川学 . 北京：科学出版社 .2001. 1-220 宋春青，张振春 . 地质学基础 . 北京：高等教育出版社 . 1996. 272-348 陶世龙 , 万天丰 , 程捷 . 地球科学概论 . 北京 : 地质出版社 .1999, 89-100 Boulton G. 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广东海洋大学 廖永岩 （电子信箱： rock6783@126.com ） 从地球膨胀说所依据的事实证据，和以上我们列举的 60 个大家公认的事实看，在地球演化的某个时期，大洋的确在破裂形成洋中脊，洋中脊岩浆上涌造成海底扩张；地球上，也的确有裂谷出现；板块之间，也的确有漂离现象出现。这些基本事实，是不容否定的。所以，地球在其演化的过程中的某个阶段、或某个时期、或某个相位，的确存在着体积的膨胀。通过地球体积的膨胀，造成了以上现象的出现。所以，在一定程度上说，地球膨胀说是正确的。当然，地球膨胀说所得出的地球膨胀的体积达 1/10 以上的说法，及他们所提出的地球膨胀的动力机制，由于得不到有力的正面证据支持，而同时受到很多的反面证据的否定，所以，肯定是错误的。 从地球收缩说所依据的事实证据，和以上我们列举的 60 个大家公认的事实看，在地球演化的某个时期，也的确有地槽出现；由于大家公认大陆壳是由于海洋形成的。而大陆壳是高度褶皱和变质的岩石构成的。没有褶皱的大洋壳，要变成高度褶皱的大陆壳，地球肯定出现过水平侧向挤压力；近圆形的海盆要变成线形的地槽，也必须要有水平侧向挤压力的存在；地球也的确存在板块漂合的现象。既然在地球的演化过程中的某个阶段、某个区域、或某个相位，没有褶皱的海洋壳要变成高度褶皱的大陆壳；近圆形的洋盆要挤压形成线状的地槽；板块要漂合进行拼接。地球在演化过程的中某个阶段、某个时期、某个区域或某个相位，肯定存在着地球体积的收缩，通过地球收缩产生的侧向挤压力，造成以上现象的出现或形成。所以，在一定程度上，我们可以说，地球收缩说也是正确的。当然，地球收缩说所得出的地球收缩的体积达 1/10 以上的说法，及他们所提出的地球收缩的动力机制，由于得不到有力的正面证据支持，而同时受到很多的反面证据的否定，所以，肯定也是错误的。 由于公认的事实支持地球在其演化过程中的某个时期、或某个阶段、某个区域、或某个相位的确存在着地球的膨胀，在同一个时期、阶段、区域、相位，或另一个时期、阶段、区域、相位，地球又存在着收缩，所以，我们可以说，地球脉动说，在一定程度上也是正确的。同样，地球脉动说所提出的动力机制，也得不到目前所证实的证据的支持，反而受到一定证据的否定，所以，也肯定是错误的。 涌流学说提出的软流圈岩浆上涌形成火山和地震，形成地球现有的热点，形成洋中脊，这也得到一定证据的支持。她所解释的地球收缩造成涌流上涌，从上面的地球收缩说的分析看，似乎也有可能，但她也没有很好地解决地球为什么会周期性收缩的最终地球动力学问题。 热点 - 地幔柱说所提出的热流从地球深处上涌，形成火山喷发和地震，也得到很多证据的支持，这也是事实。说明地球的确有热流在某些区域上涌，引发了火山和地震。但是，地幔柱为什么主要形成于海岭、裂谷处？为什么其它区域却很少有？地幔柱到底来源于软流圈还是地幔深处或甚至地核处？也还是剧烈争论的问题。所以，总的来说，地球在其演化过程中，的确有地幔柱的存在，但地幔柱到底是由于什么原因形成的，也即地幔柱的动力学问题，也还是没有解决的问题。 地槽在地球演化过程中的某个时期、阶段，在某些区域肯定出现过，这是不容否定的事实 ( Dana J. D., 1873 ) 。海洋壳通过地槽的形成，完成了褶皱过程，形成大陆壳。地槽的形成过程，也伴随着大量的火山喷发和地壳的断裂，这些断裂，应该会引起地震。所以，地球演化过程中在某些时期的某些区域会形成地槽是肯定的。所以，地槽学说在一定程度上肯定是正确的。但是，是什么力量造成地槽形成的早期下沉，又是什么力量造成地槽形成晚期的中央区域上升成为山脉？也即地槽形成的动力学问题，也一直是困扰地槽学说的最大问题，这也是主流地学界慢慢淡忘它的主要原因。 大陆肯定存在漂移，到目前为止，这已是大家公认的事实，不容否认。在大陆漂移学说形成的初期，也就是因为其不能很好地解释其漂移的动力学机制问题，在上世纪 20 年代末，受到了当时地学主流学派的否定。虽然自海底扩张学说提出后，大家承认了其的正确性，但是，大陆漂移的动力学机制，直到目前为止，争论仍很大。所以，可以说，大陆漂移学说是得到很多事实支持的，但其形成机制，即动力学问题，仍没有得到很好地解决。 由于古地磁学的成就，海底扩张现在也已是大家公认的事实。由于现在的地学主流学派否认了地球膨胀学和地球收缩说，所以，海底为什么会扩张？也即洋中脊形成的机制问题，也还是地学界争论的问题。 源于大陆漂移说和海底扩张说的板块构造学说提出的洋中脊在不断形成海洋壳，而海洋壳在某些海洋壳与大陆壳交接处不断消亡；火山和地震主要存在于某些海洋壳和大陆壳的交界处及洋中脊处，这些都是不容否定的事实。这也是板块构造学说能成为当今地学主流学派的主要根据。板块，是地球演化过程中在一定阶段相对稳定的地块。但到底怎么样划分现阶段地球的板块最为准确？地学界仍存在很大的分歧。所以，从板块学说形成以来，地球的板块越来越多，越来越小。这本身就说明，在地球演化过程中，板块的稳定是相对的，是随着时间的变化而变化的。不同的板块，现阶段的稳定性是不一样的。我们现在的板块，只能代表现阶段这些地块的相对稳定性。因为板块学说源于大陆漂移学说和海底扩张学说，而大陆漂移学说和海底扩张学说本身就没有解决其动力学问题，所以，板块构造学说，也不可能解决其动力学问题。涌流学说、地幔柱学说、地幔对流学说都试图解决板块构造学说的动力学问题，但仅就现阶段来说，它们都受到了很多不容否定的反对证据的否定。 综上所述，我们发现，以上提出的所有的曾对地学有重要影响的学说，它们本身都具有一定的真实性。但都仍存在着这样或那样的问题。其中一个最主要的问题，或者它们最终被地学主流学派否定（就目前来说，板块构造学说除外）的主要原因是它们都没有很好地解决其动力学机制问题。当然，板块构造学说也不例外，它虽然目前仍得到地学主流学派的支持，但也没有很好地解决其动力学机制问题。 那么，到底一个什么样的假说才可能真正正确？且听下回分解。 未完，待续。 下回预告 ： 地球科学原理之八 对 理想 假说的定性模拟 参考文献： Dana J. D. On some results of the earth's contraction from cooling including a discussion of the origin of mountains and the nature of the earth's interior. American Journal of Science, 1873, 5: 423-443 （注： 本地球科学原理系列，是根据廖永岩著，海洋出版社（ 2007 年 5 月）出版的《地球科学原理》一书改编而来，转载者请署明出处，请不要用于商业用途 ）
广东海洋大学 廖永岩 （电子信箱： rock6783@126.com ） 就地球演化、大地构造及地球动力学方面，目前提出的对地学界影响较大的假说，主要有地球膨胀说、地球收缩说、地球脉动说、地槽与地台说、海底扩张说、地幔对流说、地幔柱假说、板块构造说、潮汐说、地球自转说、地洼说、涌流构造说等。下面，我们对其进行简单介绍。 1.1 地球收缩说 地球收缩说是最早的一种地球动力学假说，源于皱缩苹果与冷却地球的直观对比。这一假说通常按 Jeffreys （ 1929 ） 的提法表述。假定地球起初是一个炽热的天体，在其发展的早期，分异为一个铁质的核部和一个基本上是硅质的幔部。幔部从液态铁核处的基底开始向外凝固，通过传导而不是对流逐渐冷。从地心到地表 700km 以下的范围内，从地球开始凝固以来还没有来得及发生任何显著的冷却或体积变化。在 700 -70km 的深度区间内，传导所引起的冷却正在发生，致使这一层收缩，并因围绕内核受到拉张而处于内部拉伸状态。在靠近地表处，岩石早已冷却，靠太阳辐射维持热平衡，不会有大的温度变化。在浅于 70km 的范围内，处于一种内部压缩状态。 70km 深处为无应变面。 收缩假说基本上是一种固定论，无法解释板块运动或大陆位移。更有甚者，收缩说认为全球的应力场是同样的，无应变面以上是压缩，无应变面以下是拉伸。这和地球的实际应力状态大相径庭。 有人详细考察全球大陆和大洋的分布，发现大部分大陆和大洋是正相对应的。还提出过四面体收缩来解释这种分布。它所依据的假说是，一个收缩的球体趋向于缩成具有最小体积的四面体形。四面体的四角将与大陆相对应，它的面则与大洋盆相对应。调整四面体的尺寸，还可以解释大陆和大洋面积的比值为 1 ： 2 。 Davison （ 1888 ） 提出过类似设想：地球只在上层中发生收缩（由冷却引起），这些层处于内部引张的状态。由于大陆压力的影响，大陆之下的引张量必将远小于大洋区下的引张量。这种状况趋于使大洋盆地更进一步沉降，而且也是导致大洋盆地成为永久性的一条物理上的原因。任何造山效应都是在大洋与大陆交接的地方表现得最为突出，这就使人们提出了大地生长的思想。 对四面体收缩说的主要批评意见是，从性能上看，地球最上层的皮无法阻止其本身的面积因切向力的作用而发生改变。此外，这样一个外壳的变形理论似乎表明，这种变形应该是屈曲，而屈曲球壳的变形是对称于一条直径的，其形状的偏离由一系列沿着以对称直径为轴的平行纬圈的球调和函数给出。这就反把四面体收缩的设想给排除了。 早期的收缩说一直流行至 20 世纪 50 年代。由于地球在地质历史进程中很可能发生过某种收缩，因此，对收缩说的研究并没有因它有上述明显不足而终止。后来还发展过两种收缩假说。第一种是弹性不稳定说。按这种假说，当地球变冷时，岩石圈因褶皱作用而变弯（皱缩的苹果）。 Jeffreys （ 1962 ） 认为，这种皱缩幅度极大，以致它们在弹性上可能不稳定，即断裂 - 收缩假说 （ Jeffreys ， 1962 ； Meyerhoff et al. ， 1972 ）。 MacDonald （ 1963 ） 论证，由于放射性元素衰变产生的热量，地球并不是一开始就产生收缩，而是一直到最后的 11 亿年前左右才有收缩发生。他主张的收缩模式也是断裂 - 收缩模式。最近 Meyerhoff et al. （ 1992 ） 等提出了一种全球构造的新概念 - 涌流构造，把地球的收缩作用作为构造运动的触发器。可见，虽然单独的收缩作用不能解释所有构造运动的成因，但地球的收缩作用在地球动力学中的影响仍是需要考虑的。 1.2 地球膨胀学说 地球膨胀说认为地球一直在不断膨张。从 1620 年培根（ F. Bacon ） 提出地球膨胀的观点以来，曾经提出过好几个地球膨胀的假说，来解释造山运动和大陆及大洋的形成等。膨胀说假定地球是由若干层组成的，最顶上一层代表地壳，其下相邻的一层代表膨胀层。造山效应就发源于这个膨胀层，所产生的应力又转而使地壳屈服。这一假说可以岛弧和海沟的形成以及造山要素之间的联系做出解释，特别是能解释海洋造山运动。也有人用地球膨胀作为大陆的成因。例如 Hilgenberg （ 1933 ） 根据大陆可以拼合为一个球面的实况，认为初期的地球比现在小得多，并被硅铝壳所覆盖，后因地球膨胀，体积增大，硅铝壳因受拉张而破裂，其碎块逐渐分离形成大陆。与此同时，地球的大洋也随表层的崩解而形成和发展。 地球的洋脊、裂谷系统理所当然地被地球膨胀论者作为支持其据说的重要证据。据推测，膨胀是从像大西洋中脊那样的大破裂口开始的。随着对洋脊、裂谷系探测研究的深入开展， 20 世纪 50-60 年代以来，地球膨胀说一度又显得十分活跃。 Carey （ 1976 ） 把大陆漂移、海底扩张和地球上各级规模的构造都归因于地球的膨胀。他提出，地球的膨胀是非对称的，南半球比北半球膨胀得更显著，因此所有大陆皆向北移动，而所有环绕太平洋的大陆看来正向着太平洋运动。 地球膨胀说的主要问题是其难以解释地球膨胀所引起的巨大密度变化。例如，如果地球的直径以因数 2 增加，将引起面积以因数 4 增加，体积以因数 8 增加，密度以因数 8 减小。现代地球的平均密度为 5.5g /cm 3 ，地球开始膨胀前的平均密度就必然达到大约 44g /cm 3 。这样大的密度变化带来的结果是，地球表面相应的重力加速度将是现代的 4 倍，地球的惯性矩将是现代的 1/4 ，地球的自转将比现代快得多。古生物钟和天文观测证实，一天的长度（日长）只比现代的少约 10% ，远不是地球膨胀说所期望的值。 引起地球膨胀的可能机制据认为主要有： 1 、热效应； 2 、地球内部物质的化学变化或相变； 3 、万有引力常数的缓慢减小。虽然在地球历史中，特别是在地球的早期，有可能存在着热的纯增长，因而有地球整体的轻微膨胀，但是，其效应看来只不过能造成一些深海沟等，不可能有更大的影响。将引起膨胀所要求的能量和在化学键中的可用能量进行对比，来估计地球内部的化学变化或相变能否导致地球大规模的膨胀，发现地球半径均匀地膨胀 20% 所要求的能量，要等于打破组成地球的分子的几乎全部化学键所需的能量。因此，地球内部物质的化学变化这种机制产生的能量也不足以造成大陆的大规模膨胀。估算由引力常数的减小所能得到的能量，同样无法说明大于 100km 的地球半径增长存在可能性。总之，地球膨胀说在机制问题上也遇到不可克服的困难，很难找到引起膨胀的机制。 虽然地球膨胀说存在种种问题，这些问题目前仍未能得到合理解决，但仍有一些支持者在继续探索。 РОПОТИЙ （ 1989 ） 得出伴有质量增大的地球膨胀会使自由落体加速度（ g ）的值大增。古地球的 g 仅为现今地球 g 值的 40% 。 G 的增大伴随着地壳下物质密度增大，最终将导致较老地壳相对于年轻地壳不断上浮。地壳的这一性状正好被地质资料所证实。例如，在大西洋型和太平洋型洋壳与陆壳的相连地区，老地壳逐步占据了较高位置。所以，相对于更年轻地壳发生了老地壳的不断出露。他还作了地球质量和体积随时间呈指数增长来探讨地球发展历史的 8 项推断。由它们引伸的主要论点，与实际资料不相矛盾，又可详细说明地质现象的物理化学原理，一些重要的大地构造作用得到合乎逻辑的阐明，同时许多大地构造概念得到了运用。他还推断，由于膨胀，地球族行星的爆炸是不可避免的。 Owen （ 1992 ） 认为， Carey 的地球膨胀说正处于大陆漂移说早期被否定的那种状况； Carey 对地球动力学的贡献未受到应有的重视。 Owen 根据大量海洋地壳扩张数据和地质及古生物资料，论证了地球在过去 200Ma 期间不仅发生过大陆漂移，还发生过膨胀，从今天直径的 80% 膨胀到今天的值。他还用横贯太平洋的卫星激光测距结果来证明其论断。卫星激光测距结果表明，太平洋中大陆的收敛明显小于为了平衡扩张所需要的值。他指出，从地核是稳态和均变论的思想出发无法理解地球膨胀的概念。 Kremp （ 1992 ） 依据核 - 幔边界处的外核温度比地幔底部 D 层的温度至少高 200 ℃ 的地震学新探测结果，讨论了地球在过去 200Ma 期间快速膨胀的可能性。他的结论是地球的大小在过去 200Ma 时为现在的 60% 。 1.3 地球脉动说 地球收缩说和地球膨胀说都包含一定合理性，又都存在一定问题。在这两种假说基础上很自然地便产生了地球一段时期膨胀，另一段时间收缩，膨胀和收缩交替发生的地球脉动说。在地球膨胀期，地壳受到引张作用，产生出大规模的隆起与拗陷，大型裂谷和岩浆喷发；在地球收缩期，地壳受到挤压作用，产生出褶皱山系，并伴有岩浆活动。 脉动学说虽然较好地解释了构造运动的周期性，但却不能解释地壳构造的方向性，并且对胀、缩的原因有不同看法，因此，自 1933 年布契尔（ W. N. Bucher ） 提出这一学说以来，一些研究者曾试图将此学说加以改进。 РОПОТИЙ （ 1989 ） 提出了一个将脉动说与壳下流和大陆活动论结合起来的地球动力学新模式。他认为，地球动力学模式既要考虑地球的收缩，也要考虑它的膨胀，即建立在脉动假说的原则上。按此观点，当地球收缩和膨胀交替时，收缩效应集中在一些带上，而膨胀效应集中在另一些带上，在此种情况下，处于中间的断块应该从拉张带移向挤压带，所以在脉动的地球动力学模式中自然包括大陆活动论原则。这一模式还考虑了在地球半径增减交变作用下地幔内物质的移动，认为地球挤压力可促使壳下流观点主张的物质分离和移动。该模式的提出者认为，体现脉动假说和解释岩石圈移动的假说相结合的地球动力学模式是目前最有前景的模式。 1.4 涌流构造（ Surge Tectonic ）说 涌流构造是迈耶霍夫等 （ Meyerhoff et al. 1992 ） 提出的一个新全球构造和地球动力学模型。他们认为，大多数地表构造，包括板块构造不能解释的一些构造现象，可用软流圈的涌动来解释。软流圈涌动的驱动机制是地球收缩引起的岩石圈塌陷。当冷却凝固了的岩石圈块段塌陷到软流圈中时，部分岩浆按重力法则上涌，一直达到岩浆密度与周围岩石密度基本平衡的位置上，才会稳定下来。这一过程像巨型液压机一样，遵循帕斯卡定律，能将所受压力通过岩浆的涌动传递到各个方向。强的岩浆涌动对构造运动起决定作用。 岩浆涌动的通道，迈耶霍夫等 （ Meyerhoff et al. 1992 ） 称为涌流通道，是岩石圈中最基本的构造单元，可以通过近 40 种物性标志加以鉴别。涌流通道暂分为洋盆涌流通道、大陆边缘涌流通道和大陆涌流通道三大类。大洋中脊及其主要分支下的通道，是洋盆涌流通道中的主干通道，其长度可达几百万米，宽度可以从 1000km 到大于 3000km 。这些通道可为构造运动提供浅层作用机制。它们的存在可以用全球地热图来证实。 迈耶霍夫等 （ Meyerhoff et al. 1992 ） 认为，全球高热流带（ 55mW/m 2 ）相互连通的网状分布形式，用现有的地球动力学假说无法解释，但可以认为这些高热流带是由下伏的浅层岩浆通道 - 涌流通道形成的。如果涌流通道被强烈压缩，它们应该变成裂谷带或褶皱带。每个通道的变形形式是它上面的岩石圈厚度的函数。 据说，在由从事板块构造研究的科学家自 1965 年以来汇集的 36 个数据集中，用板块构造学说只能解释 13 个。它们是洋中脊、大陆裂谷、走滑带、岩浆弧、大洋和大陆山区、深海沟、贝尼奥夫带、地槽、造山岩体、蛇绿岩套、混杂岩、变质核杂岩体和拆离断层带。其余 23 种构造现象的时代都为侏罗纪或更新一些，它们仅出现在高热流带之下，都和浅部的岩浆运动，因而和涌流通道有关。这 23 种现象包括高热流带、微地震带、长的线性断裂和裂隙带、构造带分段性、两侧对称的双向褶皱带、地幔底辟、构造地层地体、与褶皱带平行的拉抻线理、反向变质梯度、地幔片麻岩穹隆、热泉链、成行的熔岩区、岩墙群、非造山岩体链、金伯利岩筒、长条状蒸发岩盆地、岩石圈低速带、异常上地幔透镜体、高导层、向东迁移的构造带、弥散板块边界、大地电磁复合体和旋卷构造等。 声谱仪显示洋中脊被成千上万条平行洋中脊的裂隙切割，证实洋中脊下面软流圈流动并不与洋中中脊垂直，而是与洋中脊平行。 迈耶霍夫等（ 1992 ） 把这作为批判海底扩张和证实岩浆通道存在的证据。 涌流构造假说的提出者认为，这一假说的一个重要优点是，它不仅提供了一个将岩浆活动和构造作用的各个方面统一起来的机制，而且还在解释所观测到的所有构造现象上具有内在的协调一致性。不过应该看到，他们对许多构造现象的解释还是很初步的。例如，前已提及，迈耶霍夫等列出了 54 种向东迁移的构造现象，笼统地指出这与地球自转有关，但未作深入的机制分析。涌流构造的触发机制是地球收缩引起的岩石圈塌陷。地球收缩引起岩石圈塌陷的可能性和强度以及地球收缩与地质旋回的相关性等也是涌流构造假说还须深入解决的问题。虽然还不能说涌流构造假说已很完善，但它对板块构造假说的批判和所提出的许多问题对地球动力学研究确实是有启发性的。 1.5 大陆漂移说 大陆漂移的思想由来已久。英国哲学家培根 （ Bacon, 1620 ） 指出，大西洋两岸海岸线的吻合并不是一种偶然的巧合。地理学家斯奈德 （ Snider, 1858 ） 在《地球形成及其奥秘》一书中，用欧、美两洲古生代煤层中化石的相似性作为依据，首次把大西洋两侧大陆加以拼合。美国学者泰勒 （ Taylor, 1910 ） 指出，欧亚、北美和澳大利亚大陆的移动，是形成环太平洋岛弧和褶皱山系的原因。 德国气象学家和地球物理学家魏格纳 （ Wegener ） 将这些简朴、零散的大陆漂移思想加以发展，在其 1912 年 的大陆的生成和 1915 年 的《海陆的起源》一书中，系统地论述大陆漂移问题，创建了大陆漂移说 （ Wegener, 1929; Wegener, 1966; Wegener, 2001 ） 。 魏格纳认为，大陆由较轻的刚性硅铝层组成，它漂浮在较重的粘性硅镁质洋底上。在中生代以前，地球上所有大陆曾经结合成统一的巨大陆块，称之为联合古陆或泛大陆（ Pangaea ）；围绕泛大陆的广阔海洋，叫做泛大洋。中生代开始，联合古陆裂解、分离，产生了大西洋和印度洋，分离出的碎块逐渐漂移到目前所在的位置，而泛大洋则收缩为现在的太平洋。魏格纳用图解表示的过去大陆的位置与 20 世纪 50 年代以后根据崭新的资料得出的模式异常类似。为发展大陆漂移说，魏格纳利用了现代植物和化石的分布；古代冰川作用在现代热带地区的一些地质证据；尤其是海洋对面两岸海岸线的对称相配，如南大西洋两侧的非洲和南美洲的海岸线就是相配的。魏格纳还认为，年轻的海床比老海床浅；大陆漂过海盆犹如木筏漂过大海。这些都可与现代板块构造学说对照。 魏格纳的观点与现代板块构造学说的区别，可用加里福尼亚地区的运动加以说明。 魏格纳（ 1924 ） 把加里福尼亚看成一块薄的裂片，离开它的母体向北美东南方向漂移，它犁过下地壳，使下加里福尼亚变得弯曲，并沿着加里福尼亚海岸基底凸起。板块构造学说则认为，是两个厚板块彼此在圣安德烈斯断裂和加里福尼亚湾作剪切运动，下加里福尼亚是沿着位于主要板块边界邻近的次级断裂的延伸，不是受到挤压。 移动大陆的原动力是什么？根据大陆漂移的方向主要有两种趋势，一是自地球的两极向赤道的离极运动，如原来聚在南极的冈瓦纳古陆分离后逐渐北漂；另一趋势西漂，如美洲大陆向西漂移，在其西缘形成科迪勒拉和安第斯山系，在其东缘形成一系列群岛（如亚洲、澳大利亚东缘的群岛）。魏格纳认为，大陆漂移的驱动力主要是向西漂移的力和指向赤道的离极力；西漂的力源于日、月引力所产生的潮汐摩擦力；离极力则来自地球自转的离心力。计算表明，这些力的数据确实太小。虽然魏格纳强调，小的力如果长期作用也可能移动大陆，但大多数人认为，这些力都不足以克服对大陆运动的摩擦阻力。因此，杰弗里斯 （ Jeffreys, 1929 ） 在其《地球》一书中有力地指出，大陆漂移说在理论上根本是不可能的。 在有关大陆漂移机制的讨论中， 霍姆斯（ Holmes, 1931 ） 首先提出了地幔对流模式。他认为，大陆由有上覆硅铝层的厚玄武岩质地壳组成，地球内部的重力能和热能可以引起地幔对流，如果地幔内的流体上升到大陆中央并向两侧散开时，大陆就会从这里向两侧裂开，大陆块体被地幔对流携运，留下了大陆之间的破裂和延伸区，成为新的大洋，随着玄武岩浆在对流上升流之上喷出，大洋的面积增大，在对流下降处，玄武岩被转换为榴辉岩并下沉入地幔，为前进的大陆让出位置，并在深处熔融而成玄武岩质岩浆，重新在对流上升处升起，完成对流循环。 魏格纳等将大陆看成是主动的因素，认为大陆本身是把坚硬的地幔推开而前进的；霍姆斯则引入了像在传送带上那样被携运的被动大陆的概念。霍姆斯的假说后来发展成海底扩张假说和地幔对流说。 1.6 海底扩张说： 19 世纪 70 年代，通过英国挑战者号调查船的环球考察，已知道北大西洋中部有一条海底山系。 1925-1927 年间，通过德国流星号的回声探测，确定了整个大西洋纵列着一条长达 17000km 的大洋脊，由于它正好绵延于大西洋的中部，因而，常称之为大洋中脊。 20 世纪 50 年代，通过对洋底的勘测进一步发现：世界各大洋都有大洋脊存在，一般都位于大洋中部，并比以前设想的更接近于连续，洋中脊下面曾发生过某种上涌；大洋盆的年龄比较年轻，大洋盆中的沉积也比以前所假定的少得多。原有的大地构造学说未能对大洋底的这些构造现象做出预测，也不能给出确切解释。 20 世纪 60 年代初，一些学者提出，大洋中脊的高热流有可能用地幔中的上升对流来说明，这样也可解释大洋脊的拉张性质。其中，美国地质学家赫斯 （ Hess, 1962 ） 和迪茨 （ Dietz, 1961 ） 把对流方案发展，提出了海底扩张的概念。迪茨 1961 年的论文首先提出了洋底扩张这一名词，但是，首创海底扩张说的还是赫斯（就连迪茨本人也承认这一点），虽然赫斯的论文大洋盆的历史 1962 年才发表。 海底扩张说圆满地解释了大洋的主要地壳层（大洋层 3 ）的厚度均一性、洋底年龄及洋脊上沉积物超复等当时难以理解的地质问题。赫斯认为，大洋层 3 底部代表现代的或过去的 500 ℃ 等温面。在洋中脊处，随地幔对流涌出的橄榄岩和水通过这个等温面时发生作用产生蛇纹岩，形成新洋壳；在远离洋中脊的地方， 500 ℃ 等温面已下降到较深位置，已有的蛇纹岩不会转变成橄榄岩；由于缺乏水，未蛇纹岩化的橄榄岩也不会转变成蛇纹岩。这样，大洋层 3 就基本保持了它们在洋中脊处形成时的厚度。按照海底扩张说，如果对流的运动速度为 1 -2cm /a ，洋底便可每 200Ma 或 300Ma 完全更新一次。这可以解释洋底的年龄为什么比较年轻，洋底的沉积物厚度为何较小。 迪茨的模式与赫斯的模式相似。但迪茨认为，洋壳是玄武岩质的辉长岩，上地幔则为榴辉岩。玄武岩在高压下变为榴辉岩的地方就是莫霍面。另外，迪茨还把地球表面至 70KM 深处的层位叫坚硬的岩石圈，试图把它作为一个重要的力学单元，并认为，在岩石圈的下面有一个软层，岩石圈在它上面能够比较自由地活动。实际上，后来的板块构造设想就是由此萌芽的。 威尔逊 （ Wilson, 1963a ） 热烈支持海底扩张说，他认为，大西洋的火山岛原来是在洋中脊处形成的，随着在共同的对流体传送带上移动，于是岛屿的年龄离洋中脊越远越老。如靠近大洋中脊的扬马延岛所有岩石的年龄比 1000 万年更新，亚速尔诸岛加到 2000 万年，再远一点的百慕大群岛为 3600 万年，费罗群岛为 5000 万年，靠近非洲西海岸的费尔南多波岛和普林西比岛则为 1.2 亿年。在印度洋和太平洋中，他也列出了类似的岛屿年龄数据。这不仅证实了大陆漂移的原来说法，也为海底扩张提供了有力证据。 应当指出的是，赫斯和迪茨的海底扩张说中的地幔对流包括大洋层 3 ，这既不同于早先认为地幔对流发生在玄武岩质地壳下的霍姆斯模式 （ Holmes, 1931 ） ，也不同于后来将地幔对流限制在岩石圈下的威尔逊模式 （ Wilson, 1963a ） 。 从板块构造角度，海底扩张说可概括为：地幔物质在大洋中脊随地幔上升流上涌形成新的大洋岩石圈，新生的岩圈随着软流圈的侧向流动推挤着原有的岩石圈从洋中脊向两侧扩张移动，在海沟处大洋岩石圈随着地幔下降流而俯冲消亡，不断更新。洋中脊是大洋岩石圈的生长带，海沟是大洋岩石圈的消亡带。 1.7 板块构造学说： 板块构造学说是 20 世纪 60 年代中期由 Wilson （ 1965 ） ， McKenzie et al. （ 1967 ）， Morgan （ 1968 ）， Le Pichon （ 1968 ） ，等人提出的大地构造学说。它是大陆漂移和海底扩张学说的自然引伸，还包括了岩石圈、软流圈、转换断层、板块俯冲、大陆碰撞和地幔对流等一系列概念，有人称为全球构造学说。板块这一术语是 Wilson （ 1965 ） 在论述转换断层的一篇短文中首先提出的。它表示地球表层（岩石圈）被活动带分割所成的大小不一的球面盖板。它的面积很大，厚度很小，并按地球表面轮廓弯曲。 依据构成板块的岩石圈类型，板块可分为大洋板块和大陆板块。构成板块的岩石圈顶层为大洋地壳的板块为大洋板块，如太平洋、大西洋、菲律宾海等板块。岩石圈顶层的一部分为大陆地壳的板块是大陆板块，如欧亚、北美、南美、非洲等板块。 板块构造学说就是关于这些岩石圈板块相互作用，并认为这种相互作用是大地构造活动基本原因的学说。初期的板块构造学说的要点如下： 1 固体地球上层在垂向上分成弹粘性的岩石圈和粘性软流圈，下垫弹粘性的中圈。岩石圈在软流圈表面作相对运动。 2 岩石圈在侧向上分成数目有限的大、小板块，它们是刚性的和相对稳定的，并按球面运动规律不断改变着彼此之间的相对位置。 3 板块边界分为三种类型： A 分离扩张型； B 俯冲会聚型； C 平移剪切型或转换型。 4 板块在离散边界处的扩张增生得到会聚边界处俯冲消减的完全补偿，地球体积保持不变。 5 地幔中的热对流是板块运动的驱动力。 1.8 热点 - 地幔柱假说： 太平洋中的夏威夷海岭和天皇海岭，是由成线状展布的一系列火山堆构成的火山链，其岩石年龄的分布具有明显的定向性。岛链东南端的夏威夷岛火山年龄不超过 80 万年，岛上的基拉韦厄火山是目前仍在活动的活动火山。从夏威夷岛沿岛链向西北，随着距离的增加火山岩的年龄依次增加。在夏威夷海岭与天皇海岭的转折处，火山年龄约 4000 万年。天皇海岭呈 NNW 走向伸向堪察加半岛东侧，北端的明治海山的年龄则达 7000 万年。 威尔逊 （ Wilson, 1963b ） 为解释火山岛链年龄的递变现象而提出了热点的概念。所谓热点是地幔中相对固定和长期的热物质活动中心，它们向活火山提供富集各种微量元素的岩浆。随着岩石圈板块经过热点的不停运动，先形成的火山从热点处移开并逐渐熄灭成为死火山，新的火山又在热点上方形成，结果就形成了一串年龄定向分布的线状火山链。这类火山活动时，熔浆向外溢出，无地震发生，因此，所形成的火山链也叫无震海岭。上述夏威夷 - 天皇海岭火山链的走向，实际上记录了太平洋板块的运动方向：在 4000 万年前是从南向北沿 NNW 向运动，最晚在 2600 万年以后转变为从东向西沿 NWW 向运动。 地幔柱是摩根 （ Morgan, 1972b ） 为解释热点成因而提出的概念。地幔柱是地幔深处，甚至核 - 幔边界上产生的圆柱状上升的热物质流。它携带地幔物质和热能直至地幔上层，并在岩石圈和软流圈分界处四散外流，激起软流圈中的水平运动，从而可将地幔柱当作板块运动的驱动机制。热点处的火山活动是地幔柱物质喷出地表的反映。由于炽热的地幔物质向上涌流，导致密度较高的物质盈余，形成正重力异常，因而重力特高的地方，也往往是火山分布的地方。摩根还强调，热点大体上固定于地幔中，因此，板块相对于热点的运动，便是相对于地幔固定部分的运动，也就是相对地理极或地球自转轴的绝对运动。摩根 （ Morgan, 1972a ） 用夏威夷 - 天皇海岭、莱恩 - 土阿莫土海岭和马绍尔海岭这三列热点轨迹资料，计算了 8000 万年来太平洋板块相对于热点的运动。所得结果与后来的板块绝对运动模型 AM-1 和 AM-2 型求得的相对于热点系的运动大体相同。 热点假说在深海钻探第 55 航次钻探夏威夷 - 天皇海岭时证明了其正确性，船上所作的古生物鉴定和陆上所作的放射性测年所提供的年龄，证明了所预言的太平洋板块向北的运动。由火山岛年龄和它们距夏威夷基拉韦厄火山的距离，推导出的太平洋板块的运动速度大约为 8cm /a ，运动方向的改变（山链变曲）发生在 43Ma 之前，几乎等于摩根预测的年龄。 1.9 地槽与地台学说： 地槽学说的出现使褶皱带发育在特定地位置地问题变得容易回答：地槽填充了具有塑性的沉积物，褶皱作用也就在地槽带中发生。 19 世纪中叶，美洲的地质学也得到了迅速的发展。就像美国的经济发展一样，美国的地质学研究也就是从东部逐渐向西部扩展的，阿巴拉契亚山脉可以说是美国地质学的摇篮。美国地质学家霍尔 （ J. Hall, 1857 ） 对阿巴拉契亚的地质研究，把大地构造学说带到了新的起点。霍尔在长期的研究中发现，阿巴拉契亚山有一套地层自西向东逐渐增厚，在宾夕法尼亚地区厚度达到 4 万英尺 。他认为如果以此推断当时北美大陆位于 4 万英尺 的深海之下，那是十分愚蠢的，因为他确信他所涉及的地层都是浅水沉积。但霍尔认为山脉的形成与沉积层的褶皱无关，是大陆整体抬升后在地面流水的挖掘下形成的。遗憾的是他对山脉成因的错误认识掩盖了他对地槽的聪明发现，致使他的理论发表了十多年也没有引起人们的重视。当然历史是公正的，人们并没有因此而忘记他对地槽学说的巨大贡献。 1873 年 ，美国地质学家丹纳 （ J. D. Dana, 1873 ） 在其论文论地球冷缩的一些结果，包括山脉起源和地球内部性质的讨论中将霍尔在阿巴拉契亚发现的长条形的沉积盆地命名为地槽（ geosyncline ），从此地槽学说成为大地构造学说的主流。丹纳在考虑造山作用时注意到以下三个基本事实：其一，大洋中广泛分布着火山，这是洋壳非常活动的证据；其二，大陆腹地古老地层占据的地区没有现代火山，也很少发生地震，说明陆壳非常稳定；其三，受过强烈扰动的造山带和相伴的火成岩带和变质岩带大多出现在洋 - 陆边界。丹纳认为地球的冷却过程是从大陆腹地开始的，并且使洋壳收缩塌陷，其派生的侧向压力在洋陆边界集中，使地壳发生弯曲形成地槽。地槽的形成需要一个长期的过程，才能形成巨厚的堆积。在地球冷却持续到一定阶段后，沉积层在侧向压力的作用下也将发生褶皱，而且沉积越厚，褶皱也就越强烈，同时在深部岩浆的作用下发生变质作用。地槽在经过褶皱的剧变之后逐渐趋于稳定，成为大陆的组成部分，扩大了大陆的面积。在大陆边缘的褶皱山脉受到流水的剥蚀，逐渐地被夷平，剥蚀下来的碎屑物再一次被送到新的地槽中，孕育着下一次的褶皱造山。这就是丹纳的大陆扩张学说。 1887 年 ，俄国学者卡尔宾斯基 （ А . П . арпинский ） 研究欧洲东部的地质时发现，出露在芬兰、卡列里、乌克兰等地的前寒武纪岩石是广大的前寒武纪结晶基底的一部分，这个基底被产状平缓的沉积盖层所覆盖。这就是后来被称之为俄罗斯地台的，由基底和盖层构成的，地台双层构造概念。由于地台具有坚硬的结晶基底和几乎不变形的盖层，当时大多数地质学家都相信，地台在形成之后就不再遭受强烈的变形。 从霍尔 1857 年关于地槽概念的提出，经过几代人的努力，到 1965 年 美国学者奥布英 （ J. Aubouin ） 出版的《地槽》一书，对槽台理论进行了全面的总结和提出，这个地球科学观在地质学界的影响超过了一百年的历史。即使是板块构造理论的提出，也还是不能涵盖槽台学说的所有内容，尤其是大陆构造的研究，许多相关的概念至今仍在使用。 以上假说似乎都有正确之处，但以上的每个假说又都不完善。地质假说，必须符合地质事实。任何假说，都有可能错误，但很多地质事实是不容否定的。哪么，目前为止，不容否定的地质事实有哪些呢？且听下回分解。 未完，待续。 下回预告 ： 地球科学之六 60 个重要地质事实 参考文献： Bacon F. Nouvnm Organum Scientiarum. London . 1620. Bucher W H. Volcanic explosions and overthrusts. Am. Geophys. Union Trans., 14 th Ann. Meeting 1933, 14, 238-242 Dana J. D. On some results of the earth's contraction from cooling including a discussion of the origin of mountains and the nature of the earth's interior. American Journal of Science, 1873, 5: 423-443 Carey W S. The Expanding Earth. Amsterdam : Elsevier Scientific Publishing Company. 1976. Davison C. Philos. Trans. Roy. Soc. London Ser. 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