全球板塊運(yùn)動(dòng)的矢量場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)

全球板塊運(yùn)動(dòng)的矢量場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)

在地球的發(fā)展歷史上，重要理論的建立往往與觀測(cè)設(shè)備的發(fā)展密切相關(guān)。為了使用大量的地球物理勘探方法和巖石物理方法，20世紀(jì)中葉的板塊結(jié)構(gòu)理論才得以建立。這一概念的興起和發(fā)展推動(dòng)了地方概念和研究規(guī)模的進(jìn)步。然而，描述不同板塊之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)和構(gòu)造學(xué)是在傳統(tǒng)板塊假設(shè)的前提下進(jìn)行的，而威爾遜旋轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)模型僅限于二維橫截面的可視化說(shuō)明。20世紀(jì)后期發(fā)展起來(lái)的空間測(cè)地技術(shù)在某種意義上說(shuō)又是一次觀測(cè)手段的革命,其中以全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS等)的觀測(cè)發(fā)展最快和普遍,它可以提供高精度、大范圍和基本實(shí)時(shí)的地殼變動(dòng)數(shù)據(jù),使人們能在短時(shí)間內(nèi)獲取有關(guān)全球地殼運(yùn)動(dòng)的圖像,它使我們第一次真正看到了全球板塊的準(zhǔn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。此外配合其他地球物理觀測(cè),GPS還可用來(lái)驗(yàn)證某些地區(qū)深部地幔的運(yùn)動(dòng)狀況。Russou等(2004)根據(jù)各大洋板塊之下地幔各向異性長(zhǎng)軸信息的分布以及它們與洋殼的GPS運(yùn)動(dòng)方向一致的關(guān)系,認(rèn)為大洋板塊之下軟流圈的流動(dòng)與其上的板塊運(yùn)動(dòng)方向是一致的,這表明地幔對(duì)洋殼板塊的主要拖動(dòng)作用。目前全球可公用的站點(diǎn)數(shù)據(jù)已近1000個(gè)左右,站點(diǎn)的分布已有較好的監(jiān)測(cè)全球板塊運(yùn)動(dòng)的能力,只有大片海底區(qū)和兩極區(qū)尚很不足。近年利用區(qū)域性空間測(cè)地站網(wǎng)數(shù)據(jù)研究區(qū)域性的地殼運(yùn)動(dòng)及其視應(yīng)力場(chǎng)的工作已大量展開(kāi),在地震預(yù)報(bào)(Yuetal.,1997;SegallandDavis,1997)、區(qū)域性地球動(dòng)力學(xué)研究(Shenetal.,2000;馬宗晉等,2001,2002;Chenetal.,2000;Bilhametal.,1997;Abdrakhmatovetal.,1996)等方面已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用與推廣,對(duì)全球板塊總體運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)也已經(jīng)逐步開(kāi)展起來(lái)。本文從描述全球板塊運(yùn)動(dòng)入手探討了板塊邊界之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的四種方式和北、南半球運(yùn)動(dòng)的不協(xié)調(diào)帶,并以全球板塊總體運(yùn)動(dòng)作為一級(jí)約束條件討論了全球尺度地幔緯向流與經(jīng)向流的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。1相對(duì)精度的板塊運(yùn)動(dòng)板塊運(yùn)動(dòng)測(cè)量的主要技術(shù)手段可分為地質(zhì)的與地球物理的(包括大地測(cè)量方法)兩大類。在空間大地測(cè)量技術(shù)尚未出現(xiàn)的時(shí)代,由于常規(guī)大地測(cè)量精度低、量程短,板塊運(yùn)動(dòng)的測(cè)定和研究主要靠地質(zhì)學(xué)以及一些常規(guī)的地球物理學(xué)方法(如古地磁等)。隨著上個(gè)世紀(jì)70年代空間大地測(cè)量方法的出現(xiàn),大地測(cè)量產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍,與常規(guī)大地測(cè)量方法相比,動(dòng)態(tài)空間大地測(cè)量技術(shù)不但實(shí)現(xiàn)了全天候的測(cè)量,而且可以實(shí)現(xiàn)以往很難達(dá)到的任意尺度和高精度。到了20世紀(jì)90年代,空間大地測(cè)量技術(shù)測(cè)定地面點(diǎn)位置的相對(duì)精度已達(dá)到了10-9。因此空間大地測(cè)量完全可以測(cè)定每年數(shù)厘米至毫米級(jí)水平位移的板塊運(yùn)動(dòng),這就為板塊運(yùn)動(dòng)的測(cè)定和研究提供了一條全新的途徑。板塊運(yùn)動(dòng)可分為板塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和絕對(duì)運(yùn)動(dòng),前者是描述板塊間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),后者用來(lái)描述板塊在某種參考系中的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。在板塊運(yùn)動(dòng)的研究中通常采用特定參照系和地殼相對(duì)于地幔無(wú)整體旋轉(zhuǎn)(no-net-rotation)條件下的所謂無(wú)整體旋轉(zhuǎn)地球參考系。利用地質(zhì)與地球物理方法直接建立的是相對(duì)板塊運(yùn)動(dòng),然后通過(guò)板塊運(yùn)動(dòng)疊加原理建立各板塊的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。而空間大地測(cè)量方法既可測(cè)定任意兩板塊間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),也可直接建立板塊相對(duì)于某種參照系(一般是InternationalTerrestrialReferenceFrame(ITRF)參考系)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。到目前為止,全球板塊運(yùn)動(dòng)的地學(xué)研究都是基于兩個(gè)基本假設(shè):①巖石圈板塊是剛性的,可作為剛體處理;②板塊的增生與消減是平衡的,地球的表面積和體積維持不變,即地球半徑不變。因此,板塊的運(yùn)動(dòng)可以看成是球面上剛性殼體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)可以用歐拉矢量的球坐標(biāo)或直角坐標(biāo)分量來(lái)表示。一般意義上的板塊運(yùn)動(dòng)研究是指一個(gè)板塊相對(duì)于另外一個(gè)板塊的相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。確定一對(duì)板塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng),實(shí)際上就是求解相對(duì)運(yùn)動(dòng)的歐拉矢量。研究板塊的絕對(duì)運(yùn)動(dòng),前提是必須先定義一個(gè)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)參考框架。在板塊動(dòng)力學(xué)中,應(yīng)用的絕對(duì)參考框架是平中圈框架,即相對(duì)于下層地幔(中圈)平均位置固定的框架,平中圈框架假定下層地幔是固定的,或其內(nèi)部運(yùn)動(dòng)相對(duì)于板塊運(yùn)動(dòng)小得多。在下文描述全球板塊運(yùn)動(dòng)及其動(dòng)力學(xué)的規(guī)律時(shí),暫不考慮大陸地殼內(nèi)部的變形。2itrf2000在全球的研究與應(yīng)用2001年InternationalEarthRotationService(IERS)發(fā)布了在ITRF2000下的432個(gè)多種測(cè)地方式的并置站和741個(gè)單置站的運(yùn)動(dòng)矢量,后者包括370個(gè)GPS(GlobalPositioningSystem)站、142個(gè)SLR(SatelliteLaserRanging)站、147個(gè)VLBI(VeryLongBaselineInterferometry)站和82個(gè)DORIS(DopplerOrbitographyandRadiopositioningIntegratedbySatellite)站。這些站大部分分布在歐洲大陸和北美大陸,在全球其他地區(qū)則較少。雖然這樣一種站點(diǎn)空間分布很不均勻的情況,對(duì)參考框架的確定會(huì)有一定影響,但對(duì)全球大部分地區(qū)來(lái)說(shuō),它們所顯示的大尺度運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì),其結(jié)果是可以接受的。與ITRF97參考系相比,ITRF2000不僅在觀測(cè)站數(shù)目上有所增加(ITRF97有319個(gè)并置站,566個(gè)單置站速度矢量),而且為了避免參考系的整體轉(zhuǎn)動(dòng),ITRF2000通過(guò)參數(shù)變換使其相對(duì)于NNR-NUVEL1A模型無(wú)整體旋轉(zhuǎn)。因此,ITRF2000下的站速度矢量與NUVEL1A板塊運(yùn)動(dòng)模型的吻合程度與ITRF97相比有明顯的改善。NUVEL-1A模型是對(duì)近30年以來(lái)地質(zhì)學(xué)方法建立的全球板塊運(yùn)動(dòng)模型研究成果的完美總結(jié),經(jīng)過(guò)多種檢驗(yàn),被認(rèn)為是當(dāng)今最完善的全球板塊運(yùn)動(dòng)模型,并分別被IERS(1992,1996)規(guī)范推薦為建立和維持全球參考框架和空間大地測(cè)量結(jié)果歸算的標(biāo)準(zhǔn)模型。為了圖示清楚,避免站點(diǎn)過(guò)密,按照站間距不小于10°的原則,我們?cè)?32站中隨機(jī)繪出了111個(gè)站(圖1),其中GPS站64個(gè),VLBI站34個(gè),SLR站2個(gè),DORIS站11個(gè)。2.1歐亞板塊的運(yùn)動(dòng)特征歐亞區(qū)以歐亞板塊為主,該板塊是面積最大的一個(gè)以大陸型巖石圈為主的板塊,也是目前世界范圍內(nèi)大陸區(qū)板塊運(yùn)動(dòng)量最大、變形最強(qiáng)烈、大陸型地震分布最廣的地區(qū),針對(duì)該地區(qū)的GPS研究方興未艾,各個(gè)國(guó)家和地區(qū)先后開(kāi)展了卓有成效的工作。例如中國(guó)及鄰近地區(qū)(馬宗晉等,2002;王琪等,2002;Wangetal.,2001)、東南亞(Micheletal.,2001)、日本地區(qū)(LePichonetal.,1998;Mazzottiyetal.,2001;Pierreetal.,2001)、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)(Yuetal.,1997)、土耳其地區(qū)(Straubetal.,1994)等,建立了一些區(qū)域性的GPS空間大地測(cè)量網(wǎng)。在該板塊內(nèi)歐洲部分的站點(diǎn)比較密集,東亞次之,而中亞地區(qū)(包括中東地區(qū))則相對(duì)較少。雖然站點(diǎn)的分布并不是很合理,但根據(jù)這些站點(diǎn)所測(cè)的數(shù)據(jù)也能反映出歐亞板塊的基本運(yùn)動(dòng)特征。整體上看,從北大西洋洋脊東側(cè),以冰島中央裂谷東側(cè)的HOFN站的矢量指向北東為起點(diǎn),整個(gè)歐洲的站點(diǎn)矢量幾乎全部指向北東,速率為20～30mm/a。這里需要說(shuō)明的是由于萊茵地塹的西、東兩側(cè)運(yùn)動(dòng)的大小有些差異,所以有些研究者認(rèn)為它們不能反映歐洲整體的運(yùn)動(dòng)特征(Sellaetal.,2002);但是在運(yùn)動(dòng)方向上幾乎是一致的,說(shuō)明這是在同一板塊運(yùn)動(dòng)中發(fā)生的張裂現(xiàn)象,而且從歐洲地區(qū)的地球物理特征來(lái)看,萊茵地塹所涉及的深度也不是很大,它沒(méi)有將整個(gè)歐洲部分的巖石圈分成兩個(gè)獨(dú)立的部分,因此歐洲部分可以看做是一個(gè)整體,同樣的現(xiàn)象也出現(xiàn)在貝加爾湖地區(qū)、中國(guó)山西地塹地區(qū)等。值得注意的是冰島內(nèi)洋脊的擴(kuò)張并不是與轉(zhuǎn)換斷層平行的東西向的伸展,而是斜向拉張的,此問(wèn)題后面討論。烏拉爾山脈以東,中東的三個(gè)站點(diǎn)指向東,速率為29mm/a,由于該地區(qū)是歐亞板塊中最為穩(wěn)定的地區(qū),幾乎沒(méi)有新生代的變形,因此該區(qū)站點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)矢量可以代表該地區(qū)目前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),再向東逐步指向南東直至亞洲的東緣,包括西北太平洋列島,它作為西北太平洋深俯沖帶的上盤,即列島陸上部分未被俯沖拖帶下插部分的運(yùn)動(dòng)也是指向南東,這表明亞洲大陸中東部整體都在向南東方向運(yùn)動(dòng),與太平洋板塊和菲律賓海板塊碰撞時(shí),均表現(xiàn)為仰沖運(yùn)動(dòng),并且面對(duì)一個(gè)個(gè)島弧表現(xiàn)出蠕散伸展運(yùn)動(dòng),但這種運(yùn)動(dòng)相對(duì)于太平洋板塊(菲律賓海板塊)來(lái)說(shuō),速度要小的多,例如菲律賓海板塊的速度為820mm/a(Yuetal.,1997),而列島仰沖上盤的運(yùn)動(dòng)速度僅20～30mm/a。正是由于這種高速匯聚才造就了臺(tái)灣島和日本等地區(qū)高聳的海岸山脈,因此歐亞板塊向東的蠕散運(yùn)動(dòng)與太平洋板塊(包括菲律賓海板塊)向北西方向的俯沖運(yùn)動(dòng)構(gòu)成一組海陸匯聚邊界斜向碰撞的雙向運(yùn)動(dòng)模式。關(guān)于歐亞板塊為什么呈現(xiàn)向北凸出的寬弧形運(yùn)動(dòng),這是大尺度的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,也留在后面討論。2.2美維持、限制之后北美板塊內(nèi)分布的空間大地測(cè)量站點(diǎn)比較均勻,但也主要是在美國(guó)西部,而加拿大境內(nèi)較少,但由于加拿大境內(nèi)主要是前寒武紀(jì)穩(wěn)定的克拉通分布范圍,因此少數(shù)幾個(gè)站點(diǎn)就可以反映該地區(qū)的運(yùn)動(dòng)特征了。從圖1中可以看出北大西洋洋脊西側(cè)開(kāi)始,至北美大陸西側(cè)的GPS站點(diǎn),開(kāi)始時(shí)矢量指向北西西,北美中部?jī)蓚€(gè)站點(diǎn)指向正西,而北美西部則逐漸指向南西,阿拉斯加和阿留申列島上的站點(diǎn)也是指向南西。北美西海岸帶內(nèi)值得重點(diǎn)說(shuō)明的是圣安得列斯主斷裂西側(cè)的JPLM站點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是指向北西的,而且位移速率可達(dá)30～40mm/a,它的運(yùn)動(dòng)與東北太平洋洋底的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)是一致的,這進(jìn)一步說(shuō)明了圣安得列斯主斷裂確屬北美板塊與太平洋板塊之間的分界線。比較JPLM站與圣安得列斯主斷裂東側(cè)MDO1站的運(yùn)動(dòng)矢量,兩者向西運(yùn)動(dòng)的分量分別是35mm/a和13mm/a,說(shuō)明兩者之間有20mm/a的拉張量,由此可以指出北美板塊與東北太平洋屬左型剪切兼拉張型的運(yùn)動(dòng)邊界,此板塊邊界運(yùn)動(dòng)模式GanWeijun等(2000)已給予精細(xì)的證明。2.3南太平洋中、西北太平洋中、太平洋區(qū)域構(gòu)造格局變化太平洋區(qū)可區(qū)分為北區(qū)和南區(qū)。北區(qū)主要包括太平洋板塊以及較小的菲律賓海板塊和一些西南太平洋小板塊(Hamilton,1979)。這些板塊完全是由海洋型巖石圈構(gòu)成的,其周圍以俯沖帶和洋脊以及轉(zhuǎn)換斷層為邊界。在這些板塊上由于海水覆蓋,站點(diǎn)較少,主要分布在其中的一些島嶼上,中部主要分布在夏威夷群島以及菲律賓等地區(qū)的島嶼上。從圖中可以看出整個(gè)太平洋板塊的運(yùn)動(dòng)是比較均一的,而且也與夏威夷熱點(diǎn)新生代晚期形成的火山鏈幾乎平行。北太平洋大板塊內(nèi)站點(diǎn)之間基線變化率幾乎為零,反映了北太平洋板塊具有“剛性”特征,而南太平洋板塊站點(diǎn)之間基線變化率不為零,其水平方向分量差異較大,反映南太平洋板塊是“非剛性的”,或者與太平洋老、新洋脊的跳位和洋脊向南的分叉有關(guān)。印度尼西亞至科馬德克等一系列列島俯沖—剪切帶表現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)、彎曲的構(gòu)造形態(tài)也是很好的證明,西南太平洋也表現(xiàn)了非剛性的運(yùn)動(dòng)。目前太平洋板塊北部以71.8mm/a的速率向北西方向運(yùn)動(dòng),在與運(yùn)動(dòng)方向垂直的邊界上(西北太平洋邊緣)主要發(fā)生以俯沖為主的活動(dòng),而在與運(yùn)動(dòng)方向平行的邊界上(西南太平洋邊緣)則主要以走滑作用為主。其實(shí)在西南太平洋邊緣復(fù)雜的邊界,其形成不僅僅是走滑運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)果,還有俯沖現(xiàn)象,因?yàn)榘拇罄麃啺鍓K還在高速的向北東東方向運(yùn)動(dòng),因此造成了該地區(qū)非常復(fù)雜的邊界圖像,板塊俯沖極性經(jīng)常發(fā)生變化,邊緣海盆地演化迅速,地震活動(dòng)性顯著。目前澳大利亞大陸已經(jīng)與西南太平洋的弧溝系統(tǒng)發(fā)生碰撞(Hamilton,1979)。菲律賓海板塊是影響東亞?wèn)|部地區(qū)構(gòu)造變動(dòng)的主要因素之一,GPS測(cè)量表明該板塊向北西方向以每年8.2cm做高速運(yùn)動(dòng),正是這種運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了該板塊與歐亞板塊東部邊緣碰撞,臺(tái)灣島的形成及發(fā)展就是結(jié)果之一,GPS觀測(cè)表明臺(tái)灣東部縱谷以東地區(qū)的運(yùn)動(dòng)方向指向北,而縱谷以西的地區(qū)卻向南東方向運(yùn)動(dòng)(馬宗晉等,2002;Yuetal.,1997)。東南太平洋洋脊西側(cè)洋底向北西西方向的運(yùn)動(dòng)與克馬德克—新西蘭列島向北北東運(yùn)動(dòng)的碰撞,也是一個(gè)復(fù)雜的邊界,既有對(duì)俯沖運(yùn)動(dòng)又有走滑運(yùn)動(dòng)(馬宗晉等,2002;Molnar,1988)。2.4澳大利亞板塊北北方向運(yùn)動(dòng)與太平洋、菲律賓板塊的碰撞印度洋區(qū)包括印度洋脊東西兩側(cè)的兩大部分,東側(cè)是印澳大板塊;西側(cè)是非洲板塊和晚期由非洲裂出的阿拉伯板塊,以前統(tǒng)稱的印度—澳大利亞板塊。最近的研究表明印度次大陸和澳大利亞已經(jīng)開(kāi)始分裂成兩個(gè)獨(dú)立的板塊(Gordon,1988)。在印度板塊上可公開(kāi)的GPS站點(diǎn)很少,而且分布也不均勻,主要集中在印度的南部,北部很少或幾乎沒(méi)有,這嚴(yán)重影響了印度與歐亞板塊碰撞過(guò)程的精細(xì)研究。從圖中可以看出目前印度整體以52mm/a左右的速率向北東方向運(yùn)動(dòng),與歐亞板塊發(fā)生強(qiáng)烈碰撞,它代表了印度洋洋脊東北側(cè)的運(yùn)動(dòng),而阿拉伯板塊和非洲板塊向北東方向的運(yùn)動(dòng)速度分別是31.98mm/a和30.28mm/a,說(shuō)明三者之間存在伸展運(yùn)動(dòng),同時(shí)也表明了印度洋洋脊北段的南北方向一小段確有左型扭動(dòng)。澳大利亞與印度板塊上分布的GPS測(cè)站不是很多,且主要分布在澳大利亞大陸的周邊以及一些島嶼之上,個(gè)別分布在大陸內(nèi)部,但從圖1中可以看出這些測(cè)站所顯示的運(yùn)動(dòng)特征幾乎是一致的,運(yùn)動(dòng)方向均指向北北東,而且速率,可以達(dá)到60～70mm/a,該數(shù)值是南半球中向北東方向運(yùn)動(dòng)速率最大的。隨著澳大利亞板塊向北運(yùn)動(dòng),在其北側(cè)分別與太平洋板塊、菲律賓板塊以及歐亞板塊發(fā)生碰撞和俯沖,造成了現(xiàn)今西南太平洋非常復(fù)雜的構(gòu)造格局,從圖1中不難看出該地區(qū)幾乎所有板塊都以很高的速率在運(yùn)動(dòng)(菲律賓還板塊為70～82mm/a,太平洋板塊為70mm/a,歐亞板塊為30～40mm/a左右),而彼此之間的運(yùn)動(dòng)方向呈大角度相交,甚至呈直角接觸,就是這些因素導(dǎo)致該地區(qū)成為世界上目前構(gòu)造最為活動(dòng),關(guān)系最為復(fù)雜,板塊再造最為困難的地區(qū)。由于澳大利亞板塊并不是與上述各板塊發(fā)生正向的碰撞,因此必然在西南太平洋地區(qū)沿構(gòu)造走向造成運(yùn)動(dòng)分段的現(xiàn)象,西部蘇門答臘地區(qū)以俯沖和走滑為主,中部爪哇地區(qū)以俯沖為主,東部的赤道新幾內(nèi)亞—班達(dá)?！K拉維西則以走滑和俯沖為主。在澳大利亞板塊東部也由于這種運(yùn)動(dòng)的不協(xié)調(diào)性,導(dǎo)致了在新西蘭的阿爾卑斯斷層上存在著明顯的走滑兼俯沖運(yùn)動(dòng)。2.5洋脊下構(gòu)造線的變化南美板塊是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的板塊,其東側(cè)邊緣帶四個(gè)站點(diǎn)均指向北北西,矢量速率1mm/a左右;西側(cè)4個(gè)站點(diǎn)均指向北北東,速率為1～2mm/a左右,所以南美洲整體向北略偏西運(yùn)動(dòng),這與納茲卡板塊向東的高速后退式俯沖和南美大陸巖石圈的上浮與南大西洋西側(cè)慢速穩(wěn)定的伸展有關(guān)。南大西洋兩側(cè)的非洲板塊向北東,而南美板塊向北北西動(dòng);還有從洋脊上Tristan熱點(diǎn)向北東、北西伸出的熱點(diǎn)玄武巖堆積軌跡都表明兩側(cè)的板塊不是以垂直于洋脊的轉(zhuǎn)換斷層增生方向運(yùn)動(dòng)的,根據(jù)目前的一些GPS測(cè)量結(jié)果(Sellaetal.,2002)以及本文研究的結(jié)果,都表明大西洋的擴(kuò)張是斜向的(圖2),這將如何解釋那些東西走向的轉(zhuǎn)換斷層呢?轉(zhuǎn)換斷層或其間板條的增生方向與板塊運(yùn)動(dòng)方向之間似乎是不可調(diào)和的,它們可能分別代表了大西洋洋殼和其下地幔的差向運(yùn)動(dòng),圖2b是這種差向運(yùn)動(dòng)的解釋圖。①層代表地殼或巖石圈受大西洋洋脊拱張作用而張裂,并沿早期已有的“弱線”,即早有的緯向構(gòu)造線增生成轉(zhuǎn)換斷層;②層代表①層以下的地幔表層流動(dòng)層,它們既向北運(yùn)動(dòng),又沿洋脊張裂帶上涌巖漿,從而向東西兩側(cè)推展。前面描述南美、非洲、阿拉伯、印度、澳大利亞等南半球的板塊,整體地都向北運(yùn)動(dòng)可以表明②層地幔北向流動(dòng)拖動(dòng)作用的真實(shí)性,而一系列關(guān)于“板條”與“板條”之間地化成分明顯差異的研究結(jié)果也可旁證①層生成過(guò)程的相對(duì)獨(dú)立性(MitchellandCarson,1981)。2.6洋脊運(yùn)動(dòng)方向上的斷裂方向南極大陸的空間測(cè)地設(shè)站很少,觀測(cè)時(shí)間也較短,而且又沒(méi)有象歐亞板塊與北美板塊運(yùn)動(dòng)格局背景的參考,因此其運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)很難描述。不過(guò)從僅有7個(gè)站點(diǎn)的矢量表現(xiàn),參考南北向的北大西洋洋脊、印度洋脊和東南太平洋洋脊等3條洋脊向南都分叉并連成一條環(huán)南極洋脊的運(yùn)動(dòng)狀況,可以認(rèn)識(shí)到該洋脊并不是園環(huán)形,而是類似“紡錘”狀,從圖3a中可以看出,如果我們把繞南極洋脊分成α段(0°半球)和β段(180°半球),那么洋脊環(huán)內(nèi)的,即南極大陸上7個(gè)站點(diǎn)矢量總體上都指向大西洋方向,與南美洲南部3個(gè)站點(diǎn)的矢量和南大西洋脊南部站點(diǎn)的矢量指向都是指向北的分量,α段洋脊張裂帶以內(nèi)南極洲運(yùn)動(dòng)量小,以外的運(yùn)動(dòng)量大,這就是落伍型的張裂運(yùn)動(dòng)。而β段洋脊的內(nèi)外運(yùn)動(dòng)方向則恰恰相反,即南極洲向0°半球區(qū)運(yùn)動(dòng),澳洲向180°半球區(qū)運(yùn)動(dòng),由此也可以說(shuō)整個(gè)南極區(qū)地幔頂層都是向北運(yùn)動(dòng)的,而且是偏極的。α洋脊上發(fā)育著一系列羽狀“轉(zhuǎn)換斷裂”,總體走向近于緯向,以大西洋洋脊南端為中心點(diǎn)分為左、右型,①、②、③三條斷裂向非洲南端東側(cè)匯聚,表現(xiàn)出早期(K)至晚期(Q)統(tǒng)一的左型錯(cuò)動(dòng),并由北東轉(zhuǎn)向北東東向錯(cuò)動(dòng),這可能與極區(qū)地幔流向中緯度區(qū)的流向變化有關(guān);β洋脊上發(fā)育了④、⑤、⑥三組斷裂,它們與β洋脊都是大角度交切的,直接表現(xiàn)了β洋脊快速向北的張裂運(yùn)動(dòng)。2.7山東南角運(yùn)動(dòng)帶北極區(qū)及外延至30°N的北半球中高緯度區(qū)以內(nèi)對(duì)地觀測(cè)站大致可以330°～150°經(jīng)向線,也既是穿過(guò)北極的洋脊線為界分為兩個(gè)大區(qū),其東側(cè)的(EA)和西側(cè)的(NA)呈山羊角式的分裂運(yùn)動(dòng),并匯聚于阿留申群島北側(cè),運(yùn)動(dòng)指向正南。表現(xiàn)出以大西洋洋脊兩側(cè)指向北東和北西向運(yùn)動(dòng)的地幔流越過(guò)北極區(qū)地殼穹頂之后,即向阿留申島弧帶聚流,從而形成歐亞板塊和北美板塊呈左旋與右旋的寬弧形運(yùn)動(dòng)格局。3關(guān)于問(wèn)題的討論在上述板塊單元分區(qū)運(yùn)動(dòng)描述的基礎(chǔ)上,分別討論以下幾個(gè)問(wèn)題:3.1/南/兩種社會(huì)模式從上文中可以發(fā)現(xiàn)全球洋脊分布并不是沒(méi)有規(guī)律的,現(xiàn)今洋脊幾乎分布在膨脹型的南半球和0°半球內(nèi),南半球又是三大洋脊向南分叉并連成紡錘形南極洋脊,而且在該半球內(nèi)卻少有匯聚型板塊邊界的發(fā)育。大地?zé)崃饕约暗厍蛏畈緾T探測(cè)等研究都表明,南半球存在明顯的熱異常,整體處于膨脹過(guò)程之中,例如南半球平均熱流99mW/m2,北半球是74mW/m2;0°半球(大西洋)是94mW/m2,180°半球(太平洋)是79.3mW/m2(汪洋等,1998;Suetal.,1994),GPS矢量場(chǎng)也表明南半球正處于膨脹過(guò)程中。相反北半球中緯環(huán)帶平均年縮短率是8mm/a,南半球中緯環(huán)帶的平均年伸長(zhǎng)率是12mm/a(孫孚明等,1999);而黃立人等(2001)利用全球590個(gè)空間測(cè)地站的資料也驗(yàn)證了地球的雙重非對(duì)稱,計(jì)算表明不同半球的體積也在發(fā)生著變化,同樣是北半球在收縮,而南半球在膨脹,大西洋半球+0.109×104km3/a、太平洋半球-0.371×103km3/a、北半球-0.157×104km3/a、南半球+0.936×103km3/a。同樣太平洋洋脊、印度洋洋脊以及大西洋洋脊也幾乎都發(fā)育在0°半球內(nèi),該半球以縱貫?zāi)媳钡拇笪餮蠹篂橹休S的,東側(cè)是印度洋脊,西側(cè)是太平洋脊,它們現(xiàn)在幾乎都在大西洋半球內(nèi),與之對(duì)應(yīng)的是收縮的180°半球(馬宗晉等,1980)。而且這兩個(gè)膨脹半球(南半球、0°半球)也與地球低階大地水準(zhǔn)面異常相對(duì)應(yīng)。Su等(1994)根據(jù)地震層析成像研究也表明南半球的上地幔為低速、高溫;北半球的上地幔為高速、低溫,這與地球表層構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及熱流分布的反對(duì)稱一致,這說(shuō)明地幔南北半球熱狀態(tài)的差異可能是導(dǎo)致一系列南北半球非對(duì)稱性表現(xiàn)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)。為什么全球的洋脊會(huì)在地球的表殼上如此分布?這個(gè)問(wèn)題以及全球大陸分布的問(wèn)題實(shí)際上在板塊構(gòu)造理論確立之時(shí)就已經(jīng)被提出來(lái)了,但一直沒(méi)有得到合理的解釋,如今本文提出的現(xiàn)今地球表殼運(yùn)動(dòng)受雙重非對(duì)稱的上地幔經(jīng)、緯向聯(lián)合流動(dòng)的動(dòng)力學(xué)作用,可以作為一種基本的定性模式。3.2深焊接、深沖刷構(gòu)造帶上文中提到的180°半球已由多種現(xiàn)象和地球物理參數(shù)證實(shí)屬收縮的半球。環(huán)太平洋西側(cè)寬展的溝弧盆構(gòu)造帶和東側(cè)縱貫?zāi)媳钡目频侠绽较涤砂⒘羯陯u弧連接成的馬蹄形環(huán)太平洋構(gòu)造帶實(shí)際是由太平洋兩側(cè)大陸向著太平洋仰沖和太平洋海底巖石圈層向著大陸俯沖的雙向動(dòng)力作用造成的。因?yàn)榭臻g測(cè)地站矢量圖已充分的表明,太平洋面積在縮小,而太平洋海底巖石圈板塊以其自重和全面收縮的動(dòng)力及地幔流的拖動(dòng)而快速運(yùn)動(dòng),外緣快速運(yùn)動(dòng)碰撞并形成深俯沖構(gòu)造帶。此外,環(huán)太平洋地震帶是太平洋周邊海陸相向碰撞的一個(gè)擠壓環(huán),可能代表太平洋底整體處于受擠壓的狀態(tài)。洋底板塊長(zhǎng)期與海水作用變冷、變厚也會(huì)影響地球物理場(chǎng)的表現(xiàn),太平洋海底明顯的向西傾斜可能也是太平洋西側(cè)深俯沖作用最為發(fā)育的反映之一。3.3關(guān)于地球演化的理論地球整體上的差異性長(zhǎng)期以來(lái)就不斷有學(xué)者進(jìn)行嘗試性的解釋,地質(zhì)學(xué)誕生以來(lái)有關(guān)大陸的分布等問(wèn)題就是一個(gè)經(jīng)久不息而且重要的研究領(lǐng)域,我們可以看出幾乎有史以來(lái)形成的有關(guān)地球演化的理論,例如地球的四面體學(xué)說(shuō)(Bucher,1933);北方大陸整體向南推壓造成大陸南緣一系列弧形山帶的現(xiàn)象曾引起眾多地學(xué)家的贊許(Argand,1922);也包括板塊理論的前身的推論(魏格納),這些都未能得到準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)學(xué)定量證明和全球動(dòng)力學(xué)全面的思考,自上世紀(jì)80年代我們提出地球雙重非對(duì)稱的觀念以來(lái)(馬宗晉等,1980),這些全球整體性的特征和差異問(wèn)題經(jīng)多年研究,我們認(rèn)為可能主要與以下3個(gè)動(dòng)力學(xué)根源有關(guān):3.3.1第四系甲基構(gòu)造區(qū)北、南半球的非對(duì)稱,從低階大地水準(zhǔn)面上表現(xiàn)為南脹北縮,北部收縮帶內(nèi)恰好是大陸碰撞擠壓構(gòu)造系的展布地帶,南部膨脹帶恰好是環(huán)南極洋脊的發(fā)育地帶,它們?cè)诘乩砩系膶?duì)稱,在構(gòu)造性質(zhì)上卻恰恰相反。這些在地球低階大地水準(zhǔn)面異常上也表現(xiàn)出來(lái),表明地球內(nèi)部質(zhì)量分布起到了一定的控制作用。0°/180°半球的非對(duì)稱,大地水準(zhǔn)面上表現(xiàn)為0°半球膨脹和180°半球收縮,已知0°半球是以縱貫?zāi)媳钡拇笪餮蠹篂橹休S的,東側(cè)是印度洋脊,西側(cè)是太平洋脊,它們現(xiàn)在幾乎都在大西洋半球內(nèi),但環(huán)太平洋構(gòu)造系恰是太平洋收縮區(qū)的外邊界,而且太平洋面積還在不斷縮小,所以這兩大構(gòu)造系的半球尺度的展布也正好與0°/180°半球的非對(duì)稱相對(duì)應(yīng)。從上面的論述中可以發(fā)現(xiàn),目前全球的這幾個(gè)板塊之間的運(yùn)動(dòng)并不協(xié)調(diào),按它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)大致可以分成兩組,一組就是以歐亞板塊和北美板塊為代表的北方部分,另一組是以南美、非洲、阿拉伯、印度和澳大利亞板塊為代表的南方部分。北組兩大板塊總體以EW向運(yùn)動(dòng)為主;而南組板塊則以北向運(yùn)動(dòng)為主,這就造成兩組板塊之間在赤道帶內(nèi)的碰撞,因?yàn)榉侵蕖拇罄麃啺鍓K向北運(yùn)動(dòng)量大(3～5mm/a),所以造成阿爾卑斯—青藏高原山帶的形成;而南美板塊向北運(yùn)動(dòng)量小(1mm/a左右),所以未形成強(qiáng)碰撞,再者因?yàn)楸卑肭虻臍W亞大陸以向東運(yùn)動(dòng)為主,所以北南兩組之間還存在右型剪切作用;同理,南北美大陸之間則存在左型剪切作用,加之太平洋脊西側(cè)洋底板塊向NWW方向的高速運(yùn)動(dòng),也造成西太平洋板塊與澳洲板塊之間的強(qiáng)烈左型剪切運(yùn)動(dòng),于是在地球整條赤道帶內(nèi)即構(gòu)成了一整條赤道剪切帶(馬宗晉等,2003),它們共由13條巨型走滑斷層或逆沖兼走滑斷層組成,由中美洲起向東依次為:①Guatemala斷層、②Gibraltar斷層、③WesternMediterranean-HelenicTrench-StraboTrench、④NorthAnatolia斷層、⑤NorthCaucasus斷層、⑥Jiali斷層、⑦Redriver斷層、⑧Sumatra斷層、⑨Sorong斷層、(10)MiddleBismarck-Solomon斷層、(11)Bougainville-SouthSolomomtrench、(12)Volcanicheatline斷層、(13)EasterIsland-SaintPhoenix斷層。在這巨型斷裂系統(tǒng)中,大地震頻繁發(fā)生。只是第(12)和(13)斷裂帶內(nèi)沒(méi)有地震記錄,但它們是火山頻發(fā)的“熱線”,而且在全球地震波CT成像中都有明顯的顯示,它們活動(dòng)的根源至少來(lái)源于上地幔。13條斷層中除了印度尼西亞斷裂帶東部以俯沖為主,西部以走滑為主,其余12條斷裂都是以走滑為主,其中①、②、③、④、⑤、⑥、⑦等斷裂均位于赤道以北;⑨、(10)、(11)、(12)、(13)等斷裂位于赤道以南。而⑧號(hào)印度尼西亞斷裂大約沿印度洋90°海嶺東側(cè)從雅魯藏布江東段大拐彎開(kāi)始沿南北方向一直穿過(guò)赤道并轉(zhuǎn)向東,成為全球最為醒目的大拐彎弧形構(gòu)造帶,這是很值得重視的構(gòu)造現(xiàn)象,因?yàn)棰佟咛?hào)這幾條斷裂基本上是在15°N～40°N緯度帶內(nèi)發(fā)育的呈右行斜列式分布的NWW向斷裂組,而⑨～(13)幾條斷裂則在5°S～30°S之間緯度帶內(nèi)發(fā)育也呈左行斜列式分布的北西西向斷裂組,⑦號(hào)斷裂與⑨號(hào)斷裂之間是以陡然變化的南北向構(gòu)造斷裂帶連接,而①號(hào)與(13)號(hào)斷裂之間也是橫跨赤道相距40個(gè)緯度,與南北向的南美大陸西邊緣俯沖構(gòu)造帶相連,這里可能顯示了太平洋半球和大西洋半球兩者在赤道附近的剪切運(yùn)動(dòng)是同源不同位的關(guān)系,其根據(jù)還要進(jìn)一步研究。3.3.2全球地潭的經(jīng)—地球熱流驅(qū)動(dòng)的地幔經(jīng)、緯向一級(jí)對(duì)流格局地幔對(duì)流以及相關(guān)的地幔運(yùn)動(dòng)狀態(tài)自板塊構(gòu)造理論誕生以來(lái)就一直是一個(gè)眾說(shuō)紛紜的論題,它涉及到了板塊運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力等最基本推測(cè),但由于觀測(cè)手段以及方法的限制,有關(guān)地幔的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)還沒(méi)有得到突破性的解決。而最近一些地區(qū)(尤其在大洋地區(qū))地幔各向異性與GPS速度矢量方向重合有力地說(shuō)明可以根據(jù)GPS資料表明地幔的運(yùn)動(dòng)方向(Russo,2004),馬宗晉等(1994)根據(jù)全球地震構(gòu)造以及一系列地球物理場(chǎng)特征認(rèn)為全球地幔存在著半球尺度的經(jīng)向流以及北北半球中緯度的壓縮帶和南半球的膨脹帶(圖5A),近年來(lái)馬宗晉等(2001,2003)又根據(jù)全球GPS測(cè)站速度矢量圖像分析進(jìn)一步認(rèn)為全球地幔流可能是由半球尺度的經(jīng)向流和緯向流的聯(lián)合而成的混流(圖5B、C)。在討論地幔經(jīng)緯向流動(dòng)問(wèn)題之前,有必要簡(jiǎn)單回顧自古生代以來(lái)板塊運(yùn)動(dòng)的大致方向,實(shí)際上至少?gòu)耐砉派詠?lái),大多數(shù)大板塊總體運(yùn)動(dòng)方向是向北運(yùn)動(dòng)的,歐洲的海西運(yùn)動(dòng)是一系列地體自南而北拼貼于波羅地盾南緣,而晚古生代到新生代以古特提斯洋和新特提斯洋向北逐次關(guān)閉,岡瓦納古陸碎片自南而北拼貼于歐亞板塊南緣,目前環(huán)南極洋脊的開(kāi)裂,繼續(xù)向北運(yùn)動(dòng),這些現(xiàn)象均能說(shuō)明至少?gòu)耐砉派詠?lái)則是由在南半球地幔存在南北向或近南北向的流動(dòng)。然而與此同時(shí)我們還可以發(fā)現(xiàn)也存在地幔東西向運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象,近南北向發(fā)育的大西洋洋脊以及太平洋洋隆是地幔東西向或近東西向流動(dòng)的最明顯證據(jù)之一。此外在ITRF2000參考框架下,坐落于大西洋洋脊之上的冰島東西兩側(cè)GPS速度矢量方向分別指向向北西和北東,而大西洋南側(cè)同樣位于洋脊之上的熱點(diǎn)活動(dòng)也同樣體現(xiàn)了類似的運(yùn)動(dòng)。以上現(xiàn)象均說(shuō)明至少在晚古生代以來(lái),地幔的運(yùn)動(dòng)同時(shí)存在經(jīng)向與緯向運(yùn)動(dòng)。我們尚不知道是什么因素導(dǎo)致了地幔存在經(jīng)緯向流動(dòng),但推測(cè)地球的自轉(zhuǎn)和地球巖石圈橢圓形球殼可能對(duì)地幔的熱運(yùn)動(dòng)起一定的控制作用。經(jīng)典的地幔二維熱對(duì)流(Holmes,1929)和全球熱柱模型(Maruyama,1994),目前都不能全面的說(shuō)明全球板塊受經(jīng)、緯向