大陆移动是因为它们位于坚硬的构造板块(岩石圈)之上,这些板块在更粘稠且部分熔融的软流圈上滑动。这一运动的真正驱动力来自地幔中的热对流:炽热的岩石上升、冷却后下沉,像拖拽木筏一样带动板块移动。此外,还存在一个重要的"牵引"效应:冷板块在俯冲带下沉的重量,其作用不亚于(甚至超过)大洋中脊的推力。因此,板块每年移动1至15厘米——这个速度在我们看来难以察觉,但经过数亿年,它足以分裂超级大陆、抬升喜马拉雅山脉等山系,并塑造地球表面。
1912年,气象学家阿尔弗雷德·魏格纳(1880-1930)提出,各大陆曾形成一个单一的超大陆——盘古大陆,并在数亿年间缓慢漂移。非洲与南美洲海岸线的相似性、地质构造在各大洲间的连续性,以及如今被海洋分隔的陆地上存在相同化石,都支持了他的理论。然而,科学界否定了这一观点,因为当时缺乏可信的机制来解释整个大陆板块的运动。
直到20世纪50至60年代,对海底的测绘才揭示了洋中脊的存在。随后,得益于哈里·赫斯(1906-1969)提出的海底扩张理论,以及J·图佐·威尔逊(1908-1993)引入的热点和转换断层概念,板块构造学说才形成了其现代形态。
地球由性质迥异的同心层构成。其核心温度高达约5100摄氏度,热量来源有二:一是45亿年前地球吸积过程中遗留的原始热量,二是铀-238、钍-232和钾-40持续衰变产生的热量。
| 层 | 厚度(千米) | 温度(摄氏度) | 状态 | 构造作用 |
|---|---|---|---|---|
| 岩石圈 | 5到70 | 0到300 | 刚体 | 形成移动的构造板块 |
| 软流圈 | 200到300 | 300到900 | 粘稠、部分熔融 | 允许岩石圈板块滑动 |
| 下地幔 | 2,200 | 900到3,700 | 粘性固体 | 深层对流活动区域 |
| 外核 | 2,260 | 3,700到5,000 | 液体 | 产生地球磁场 |
| 内核 | 1,220 | 5,000至5,100 | 固体 | 原始热库 |
数百万年来,固态地幔如同高黏度流体般运动,并经历热对流过程:炽热的岩石上升,在地表冷却,随后下沉返回。这些对流圈驱动着上方的岩石圈板块,犹如河流上的木筏。
然而,其机制更为复杂:唐·安德森(1933-2014)与克洛德·阿莱格尔(1937-)指出,俯冲带中冷板块下沉产生的拉力,其作用至少不亚于洋中脊的推力。事实上,古老冷板块的重量正是该体系的主要驱动力之一。
板块每年移动1至15厘米:例如,大西洋每年增宽约2.5厘米——相当于指甲的宽度——每四十年使欧洲与美洲分离一米。如今相隔近6000公里的这两块大陆,大约在1.8亿年前泛大陆分裂时开始漂移。
在离散边界,两个板块彼此分离,岩浆上升形成新的洋壳。这是大洋中脊的作用机制:大西洋中脊延伸超过16,000公里,而冰岛是少数几个露出海面的地方之一。
在汇聚边界,两个板块发生碰撞。若其中一方为海洋板块,则会俯冲至另一板块之下,引发火山、地震和海啸,例如秘鲁-智利海沟沿线。若双方均为大陆板块,地壳会褶皱形成山脉:喜马拉雅山脉正是5000万年前印度板块与欧亚板块碰撞的产物。
在转换断层处,两个板块相互横向滑动,既不产生也不破坏地壳。摩擦积累的应力以地震形式释放:加利福尼亚州的圣安德烈亚斯断层就是最著名的例子。
洋脊形成的岩石记录了其凝固时地球磁场的方向。由于该磁场曾多次反转,在洋脊两侧可观察到对称的交替极性条带,这直接证明了海底扩张。德拉蒙德·马修斯(1931-1997)与弗雷德里克·瓦因(1939-)在20世纪60年代完成的这项研究具有决定性意义。
| 平台 | 面积(106平方公里) | 速度(厘米/年) | 主导类型 | 显著相关现象 |
|---|---|---|---|---|
| 太平洋板块 | 103 | 5到10 | 俯冲与平移 | 环太平洋火山带,马里亚纳海沟 |
| 北美板块 | 76 | 2到3 | 散度(东)与平移(西) | 中大西洋洋中脊,圣安德烈亚斯断层 |
| 欧亚板块 | 68 | 2到3 | 发散(西)与碰撞(南) | 喜马拉雅山脉(与印度板块碰撞) |
| 非洲板块 | 61 | 2到3 | 多重背离 | 东非大裂谷,新生海洋 |
| 南极板块 | 60 | 1到2 | 散度(边) | 几乎整个周边都被山脊环绕 |
| 印澳板块 | 58 | 6到7 | 快速收敛(北) | 喜马拉雅山脉、澳大利亚阿尔卑斯山脉、苏门答腊地震 |
| 南美洲板块 | 44 | 2到3 | 东向离散与西向俯冲 | 安第斯山脉、秘鲁-智利海沟、活火山 |
| 纳斯卡板块 | 16 | 7到8 | 快速俯冲 | 南美洲下方的俯冲作用,安第斯山脉的形成 |
| 菲律宾板块 | 5.5 | 6到8 | 俯冲(东向和西向) | 菲律宾岛弧,强烈的火山活动 |
| 阿拉伯板块 | 5 | 2到3 | 碰撞(北部)与分流(南部) | 红海(新生裂谷)、扎格罗斯、高加索 |
注: 所示速度为空间大地测量(GPS)测得的平均值。根据所考虑的板块部位和测量轴线的不同,这些数值可能会有显著变化。在某些情况下,当地质学家将较小的相邻板块归入同一名称时,该区域会包含这些板块。
古地磁与地球化学数据使我们能够追溯大陆块体的连续聚合与分裂过程。这一以J. Tuzo Wilson(1908-1993)命名的威尔逊旋回预测,约2.5亿年后各大陆将再次汇聚形成新的超大陆——根据模型不同,有时被称为"近盘古大陆"或"阿美西亚大陆"。
| 超大陆 | 形成 | 色散 | 备注 |
|---|---|---|---|
| Nuna / 哥伦比亚 | ~ 18亿年前 | ~ 15亿年前 | 第一个有详细记录的超级大陆;位于北纬30-40°左右,主要在北半球热带地区 |
| 罗迪尼亚 | 大约11亿年前 | ~ 7.5亿年前 | 其分裂可能引发了全球性冰川作用;中心位于南纬10-20°,横跨赤道。 |
| 盘古大陆 | ~ 3.35亿年前 | 约1.75亿年前 | 分裂为劳亚大陆(北部)和冈瓦纳大陆(南部);中心位于北纬10°,范围从南纬85°延伸至北纬85°。 |
| 盘古大陆终极版 / 阿美西亚大陆 | ~ 2.5亿年后 | - | 模型预测的未来超级大陆;根据情景不同,其中心位于北纬30-60°之间,阿马西亚大陆则围绕北极点分布。 |
板块构造深刻影响着气候与生命:
大陆漂移说由阿尔弗雷德·魏格纳于1912年提出,认为大陆会移动。板块构造理论则更完整地解释了大陆移动的方式与原因:地球岩石圈被划分为若干刚性板块,这些板块在黏性软流圈上滑动,其驱动力来自地幔对流。
因为他无法解释能够移动整个大陆板块的机制。直到20世纪50至60年代对海底进行测绘,才发现了大洋中脊,并建立了现代板块构造理论。
每年1至15厘米。例如,大西洋每年增宽约2.5厘米,每四十年使欧洲与美洲远离一米。太平洋板块每年移动5-10厘米,而南极板块每年仅移动1-2厘米。
地球地幔中的热对流是主要驱动力:炽热的岩石上升,在地表冷却,然后下沉。然而,冷板块俯冲进入俯冲带所产生的拉力,其贡献至少与洋脊的推力相当,甚至更大。古老而冷却的板块的重量是这一系统的主要驱动力。
离散边界:板块相互分离,岩浆上升形成新的洋壳(大洋中脊)。汇聚边界:板块碰撞;若一方为洋壳,则俯冲潜没(火山、地震);若双方均为陆壳,则形成山脉(喜马拉雅山脉)。转换断层:板块沿水平方向相互滑动(圣安德烈亚斯断层)。
通过多项证据:GPS观测到的当前运动;以洋脊为对称轴的磁条带记录了地球磁场反转;分离大陆之间化石和地质构造的连续性;以及火山和地震的全球分布,这些分布精确地遵循板块边界。
盘古大陆是最后一个超级大陆,形成于约3.35亿年前,并于1.75亿年前开始分裂。威尔逊旋回描述了超级大陆每4-5亿年循环聚合与分裂的过程。在盘古大陆之后,各大陆将在约2.5亿年后再次汇聚,形成新的超级大陆(终极盘古大陆或阿美西亚大陆)。
构造运动深刻影响气候:俯冲火山将二氧化碳注入大气,而雨水对硅酸盐岩石的风化作用则捕获这些二氧化碳,形成天然的地球化学恒温器。大陆的位置也塑造了洋流和大气环流,例如南极洲的孤立状态促成了其冰川作用。
这就是“环太平洋火山带”,太平洋板块、纳斯卡板块、菲律宾板块等多个板块在此汇聚并俯冲到大陆板块之下。俯冲过程中的摩擦与岩石熔融引发了强烈的火山活动,而应力积累则导致频繁的地震,包括有记录以来最强烈的一些地震。
在太阳系中,只有地球拥有完整的活跃板块构造,包括刚性移动板块、洋中脊和俯冲带。水星和月球具有单一的固定地壳;火星显示出古老活动的痕迹,但无任何活跃迹象;金星可能存在一种特殊的构造形式(移动地块),但并非类似地球的板块。