21世纪板块构造

　　转载中国科学地球科学
　　板块构造学说在21世纪经历了从大陆漂移到海底扩张和板块俯冲的发展历程。通过梳理有关研究进展发现，岩石圈与软流圈之间沿板块边缘在物质运动、能量传递、动力体制和低温梯度之间存在一系列时空关系，因此板块构造已经从一个关于全球构造的运动学理论发展成为一个复合的运动学动力学理论。尽管现今地球上的板块构造是以其边界构成一个全球链接的活动带网络为特征，但是在古老地球上识别板块构造的关键在于鉴别板块离散汇聚耦合体系，具体可分为裂解碰撞体系和扩张俯冲体系。详细内容参见《中国科学：地球科学》2023年第1期出版的论文21世纪板块构造。
　　自20世纪60年代末板块构造被地球科学界接受以来，对全球构造的认识就从固定论转变为活动论。板块构造不仅为以往地球科学中毫不相关的知识提供了一个统一的格架，而且在过去的半个多世纪中得到了长足的发展，已经将动力学要素融入这个全球构造的运动学理论。在进入21世纪的今天，板块构造不仅是认识岩石圈与软流圈之间相互作用的主导理论，而且是认识地壳与地幔之间物理化学交换的支柱理论。
　　中国科学技术大学教授郑永飞院士在《中国科学：地球科学》2023年第1期上发表题为21世纪板块构造的论文，系统概括了板块构造理论在传统信条与现今进展之间的继承和发展关系，梳理了岩石圈与软流圈之间沿板块边缘在物质运动和能量传递与动力体制和地温梯度之间的时空对应关系，深化了板块构造理论的基本原理及其地质学应用。论文通过强调板块离散汇聚耦合体系的运行（图1），将板块构造的运动学动力学行为归纳为两大类：一是岩石圈重力驱动的自上而下运动，二是软流圈浮力驱动的自下而上运动。这两类行为在时间和空间上相互对应、相辅相成，由此将板块构造升级为一个运动学动力学整合理论。
　　图1地球表面板块离散与汇聚之间满足质量和动量守恒示意图
　　在板块构造学说建立之初，过分强调了岩石圈整体的横向移动，忽视了岩石圈和软流圈物质的纵向运动。虽然大陆漂移过程属于典型的横向运动，但是海底扩张过程兼具横向和纵向运动，并且新生大洋岩石圈侧向扩张与软流圈衍生岩浆垂向上升之间在时间和空间上是互相耦合的。这样才有了大洋地壳形成于洋中脊、消亡于俯冲带的创新性认识，其中岩石圈可以返回软流圈。因此，板块构造不仅是描述地球刚性外壳（岩石圈）在韧性软流圈之上如何运动的运动学理论，而且这些运动的方向和速率受到岩石圈重力与软流圈浮力之间的竞争性影响，这样就发展成为解决地球内部与外部之间物质和能量交换问题的系统科学理论。
　　在板块构造学说提出初期，人们以为地幔对流是板块整体横向运动的驱动力。实际上，俯冲大洋岩石圈在进入80160km的弧下深度之后，洋壳发生榴辉岩化引起密度增加，由此产生的重力下沉不仅是板块继续俯冲的主要驱动力，而且是海底扩张的主导驱动力。但是，在大洋岩石圈俯冲到6080km深度之前，洋壳尚未发生榴辉岩化，海底扩张尚不能通过板片重力下沉的远程应力得以进行。在这个情况下，大陆裂解的扩张推力才是板块碰撞乃至浅俯冲的主要驱动力。由此可将板块离散汇聚耦合体系分成两类，一是裂解碰撞体系（图2A），二是扩张俯冲体系（图2B）。
　　图2板块离散汇聚耦合体系运行示意图
　　在描述板块运动及其边界活动时，一般假定岩石圈板块是刚性的。地震带便是刚性板块之间发生差异性移动的区域。然而，大洋板块可以像弹性体一样，在其边界聚积相当大的应力，最终通过地震将其释放。不过，大陆地壳比下伏岩石圈地幔相对韧性，在碰撞挤压条件下可以缩短加厚形成山脉。此外，汇聚板块边缘一旦发生岩石圈地幔的减薄，软流圈地幔就会上涌，从而引起高的地温梯度导致深熔变质作用，所产生的低密度岩浆上升也会形成山脉。因此，板块边缘的挤压或者拉张作用显著影响着岩石的物理化学行为，而汇聚板块边缘的构造演化是板块构造在大陆地质学中应用的关键。传统的板块构造范式强调了褶皱和断裂引起的变形在现今板块边缘造山运动中的作用，忽视了高TP变质作用和长英质岩浆作用在过去板块边缘造山过程中的作用。
　　在板块汇聚过程中，大洋板块俯冲形成增生造山带，大陆板块碰撞形成碰撞造山带。尽管这两类造山作用涉及一系列具体构造作用，但是岩石圈加厚是这两类造山带的基本特征。在板块汇聚结束之后，加厚的造山带岩石圈可以发生减薄甚至破坏。起初人们认为，这一现象源于与板块构造活动不相干的陆内构造活动。不过，造山作用也会发生在离散板块边缘的洋中脊，从而形成大洋核杂岩组成的伸展型洋内造山带。在大陆地区，这类造山带岩石圈首先发生减薄，然后出现软流圈上涌。一旦高的地幔热流传递到造山带下地壳，就会引起挤压型造山带的拉张再活化，导致部分熔融和伸展作用，在古缝合带形成变质核杂岩引起伸展型陆内造山作用。这些拉张构造过程其实也是板块构造作用的一部分，可以统称为板内造山作用。
　　从物质运动角度来看，汇聚板块边缘造山作用可以通过以下六种机制实现（图3）：（1）从俯冲大洋板块刮削下来的地壳物质向活动大陆边缘的横向增生；（2）镁铁质岩浆沿活动大陆边缘的垂直增生；（3）被动和活动大陆边缘地壳的碰撞加厚；（4）不同大小地壳岩片向被动大陆边缘的逆掩推覆；（5）长英质岩浆在大陆地区的垂直增生；（6）变质核杂岩沿过去板块边缘上升侵位形成穹窿龙骨结构。第一和第二种机制形成增生造山带，第三和第四种机制形成碰撞造山带；这四种方式都发生在正在汇聚的板块边缘。与此相比，第五和第六种机制出现在陆内环境，形成陆内造山带，但是实际上发生在过去板块边缘；相关过程以高地温梯度下的变质作用和长英质成分主导的岩浆作用为特征。对于这六种机制形成的造山带来说，它们之间的时空关系可以通过不同类型变质岩和岩浆岩的地质特征来识别。
　　图3汇聚板块边缘三种类型造山带形成的动力体制
　　所有板块构造过程都不是随机的，而是呈现出几何学和运动学以及动力学上的有序性。板块构造理论为解释岩石圈深度发生的构造活动和地震活动提供了科学框架。虽然现今地球上的板块构造是以其边界构成一个全球链接的活动带网络为特征，但是在古老地球上识别板块构造的关键在于鉴别板块离散汇聚耦合体系。超大陆聚合之后的停滞层盖效应也是软流圈积聚热量导致古缝合带发生热点岩浆作用的基本原因。显然，真正伟大的科学理论一旦明了，不仅简洁和直观，还会具有出色的解释力，能够回答诸多以前不能回答的问题，完善我们对客观世界的科学理解。因此，对板块构造理论的发展不仅要与时俱进，而且要守正创新。