为什么地球会有板块运动,动力机制是什么?


地学届的主流学说,“板块构造理论”,认为板块运动的驱动力来源于地幔对流。然而历经多年来研究人员的反复探索求证,对这一问题却也始终议而不决。究其根源,地球系统实在庞杂,大量关于地质构造的信息又都埋藏在地底深处难以显明。从本问题下的精彩回答可观其脉络:zhihu.com/question/5329,这里就不再重复这些宏观尺度的疑症。

接下来,结合我们研究团队近期发现的在转换型板块边界的构造过程来管中窥豹,谈谈对传统板块构造理论的一个新挑战。

板块构造理论认为地球的岩石圈由板块拼合而成。板块之间的相对运动形成了汇聚型(俯冲带)、离散型(洋中脊)和转换型(转换断层)板块边界。其中,由于大量的转换断层位于深海大洋、数据难以采集, 且传统的板块构造理论将大洋转换断层定性为不涉及洋壳生长与消亡的守恒型走滑板块边界,致使长期以来学界对这一类型板块边界的认识过于简化。然而,随着深海科考技术和装备的升级,科学家们对洋底的近场观测稳步增加。近些年来采集的船测数据表明,全球各大洋的转换断层往往伴生有长且深的转换峡谷,且在构造特征上十分多样化。日渐积累的船测数据为系统性深入研究位于大洋深处的转换型板块边界的地貌特征及其动力学机制提供了观测基础。

图 1 大洋转换断层的概念图和高精度水深地形图(图片源自 Ren et al., 2022)

近年来,我们研究团队结合船测数据与数值模拟的结果,得出转换断层系统存在新生物质的再分配以及洋壳增生模式呈现明显期次性的结论(Grevemeyer et al., 2021),从而挑战了传统板块构造理论中认为大洋转换断层是守恒边界的观点

a. 对高精度海底地形数据的统计分析表明,大洋转换断层相邻破碎带的海底深度总是浅于转换峡谷处(图 2),而并非传统构造理论假设的差异沉降过程导致转换断层至破碎带逐渐变深。这一现象暗示从转换峡谷到相邻的破碎带,存在着物质的不均匀分配。

图 2 全球 41 条大洋转换断层及其相邻破碎带的水深对比统计图(图片源自 Grevemeyer et al., 2021)

b. 基于三维粘 - 塑性流变模型,由于洋脊新生的热物质会被对面共轭冷的洋壳冷却,这种冷却作用使得转换断层深部产生一个倾斜的剪切带。这个热致剪切带与转换断层的走滑方向在空间位置存在偏差(mismatch),从而产生水平方向的伸展(图 3)。这种拉张作用造成新生物质在转换断层系统的再分配(图 4)——变形区内发生洋壳减薄、形成深且宽的转换峡谷,而与之相邻的破碎带洋壳增厚。因此,大洋转换断层并不是不涉及洋壳生长与消亡的守恒型板块边界

图 3 大洋转换断层系统内的拉张作用(图片源自 Grevemeyer et al., 2021)。左图为转换断层系统内部倾斜剪切带的形态及量化参数,右图表明拉张作用的量化参数与断层两侧洋壳的年龄差(age-offset)呈现出较强的相关性。
图 4 大洋转换断层系统内地幔物质的流动方向(图片源自 Grevemeyer et al., 2021)

c. 大洋转换系统亦有独立于扩张速率出现的 J 型脊(图 5),此类 J 型脊可穿过洋脊 - 断层交点(ridge-transform intersection, RTI)和破碎带,说明相邻洋脊的岩浆充填与再造发生于不同的构造期次,指示了大洋转换断层系统的洋壳增生模式具有分期次的特点。

图 5 大洋转换断层系统 J 型脊的存在(图片源自 Grevemeyer et al., 2021)

为了更进一步地验证这一模型预测结果,我们引入了更大数据量的观测。通过汇编了全球各大洋的高精度船测数据,对 94 条大洋转换断层进行了精细化的构造特征参数提取(Ren et al., 2022),获得大洋转换断层长度、宽度、深度等参数信息。对比发现,尽管大洋转换断层被认为与洋脊扩张有直接的联系,但是其地貌特征与扩张速率却呈弱相关。与此相反,转换断层的长度、宽度、深度等参数与断层两侧洋壳的年龄差(age-offset)呈现出较强的相关性,从而将上文中数值模拟得出的(与洋壳年龄差显著相关的)拉张作用与转换断层浅表的地貌特征整合到一起。这一发现证实了数值模拟的推论,将浅表的形变与深部构造过程有机地联系起来,说明拉张作用在转换断层的形成演化过程扮演着重要的角色。

图 6 全球 94 条大洋转换断层地貌参数统计(图片源自 Ren et al., 2022)。a-c 为断层的长、宽、深与相应的洋脊扩张速率关系图;d-i 为为断层的长、宽、深与相应的断层两侧的洋壳年龄差(age-offset)关系图,其中 g-i 为断层两侧洋壳年龄差在 5-30 Myr 区间的分布图,展现出较好的线性分布趋势。

综上所述,结合扎实的观测和目前最为先进的三维粘 - 塑性流变模型动力学模拟,通过模拟地幔物质的相对流动,我们发现了传统板块构造理论在转换型板块边界的简化处理存在着明显缺陷——大洋转换断层并不是不涉及洋壳生长与消亡的守恒型板块边界,地幔物质流动的不对称性产生水平拉张,控制着这一重要板块边界的构造形态。地幔物质的相对流动影响着大洋转换断层系统的构造活动,然而,究竟是什么根本机制产生和驱动这一构造,目前还尚未可知。

回到起初的问题,为什么地球会有板块运动,其动力机制是什么?随着科技的发展,越来越多的区域构造被揭示出来。然而随之而来的并不是确切的答案,好像反而却带来了更多的问题。随着研究人员的逐步进深,发现传统的板块构造理论存在着诸多的局限,地球驱动力还是一个议而不决的难题。考虑到大量关于地质构造的信息都埋藏在地底深处难以显明,对地球驱动力的探究预计仍将是一个极其漫长的过程。不得不承认,路漫漫其修远兮,吾辈仍当探索知识的边界,发掘更多的问题,以期下一个更加完备的理论早日诞生。

参考文献

Grevemeyer, I., Rüpke, L. H., Morgan, J. P., Iyer, K., & Devey, C. W. (2021), Extensional tectonics and two-stage crustal accretion at oceanic transform faults. Nature, 591, 402–407. doi: 10.1038/s41586-021-03278-9

Ren, Y., Geersen, J., & Grevemeyer, I. (2022). Impact of spreading rate and age-offset on oceanic transform fault morphology. Geophysical Research Letters, 49, e2021GL096170. doi: 10.1029/2021GL096170

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