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板块构造理论可能错了

2012-12-28 16:33:03

记得在上中学地理时,我们就学过板块构造理论,现在有人对它提出了质疑,究竟是怎么回事呢?

 

板块构造理论可能错了——

塑造地球外貌的力量可能来自内部

文/杨学祥 杨冬红

 

一场由地幔柱理论替代板块构造理论的地质学革命正在悄然兴起。

18111216日,一连串地震开始袭击美国密苏里州小镇新马德里。相继发生的3次里氏88.5级的大地震和许多强余震,使该地区经受了前所未有的重创,甚至改变了附近密西西比河的几处河道。频繁的地震一直持续到18122月。按照板块构造理论,新马德里并不属于地震多发的危险区域,为何会遭遇如此频繁的大地震呢?

两个世纪过去了,我们仍然没有找到真相。事实上,类似的事例还有很多,例如苏格兰西海岸被海水淹没的化石、南太平洋的海底火山、南非内陆的膨胀穹窿,等等。这些事例我们都无法用板块构造理论来解释。于是,科学家开始进行新的研究,到地球内部去寻找答案。科学家认为,地幔对流驱动着岩石圈板块运动,进而改变了大陆和海洋的分布,塑造着地球的外貌。如果真是这样,它将撼动半个世纪以来被普遍接受的板块构造理论。

 

板块构造理论存缺陷

板块构造理论的核心概念是,地球上部60250千米厚的岩石圈漂浮在黏性的地幔顶部。这个理论最早是由德国地球物理学家艾尔弗雷德·魏格纳于1912年提出的。魏格纳根据化石分布提出,在3亿年前的古生代后期,地球上所有的大陆和岛屿是连在一起的,构成一个庞大的联合古陆(称为泛大陆)。从中生代开始,这个泛大陆逐渐分裂、漂移,一直漂移到现在的位置。

魏格纳的这一观点提出之初,遭到了人们的嘲笑。但是,随着大量证据的涌现,到了20世纪60年代,板块构造理论开始为大部分人接受。它不仅解释了地表地貌,也揭示了大多数地震、火山活动集中在特殊的狭长地带表面,即板块的边界。当这些边界移动分离,就产生了大陆的裂谷和海洋底部的中脊。在大洋中脊,热物质从地幔涌出,冷却后形成新洋壳。此外,板块相互挤压,形成类似喜马拉雅的山脉链,或下潜到彼此的下方,形成地震和消减带,如20041226日印尼苏门答腊-安达曼发生里氏9.1级地震的欧亚地震火山带。

板块构造理论通过几十年的迅速发展,已经较为彻底地动摇了传统的地质理论。但是,板块构造理论本身也存在许多的不足和难以验证的特点。20世纪70年代,板块构造理论开创人之一的美国地球物理学家贾森·摩根第一个发现板块理论解释夏威夷群岛特殊地貌的欠缺。夏威夷群岛位于太平洋板块内部,远离板块边界,按照板块构造理论地壳应该比较稳定,为何会从洋底发生火山喷发、堆积成火山岛呢?于是,摩根提出了地幔柱的概念。他认为,夏威夷火山下面存在着地幔柱——地幔深部物质的柱状上涌体。炽热的地幔柱可以把上面覆盖的岩石圈抬起,在地表上呈现巨大的穹窿,形成火山。

摩根的这一观点直到20世纪80年代中期才逐渐被人们接受。这还要归功于地震波,因为地震波在通过地球内部时可以揭示地下世界的结构。由于在地下密度和温度不同的物质中,地震波的速度也不同,因此记录地震波到达地表的时间,就可以建立地下物质的三维结构模型。虽然这个模型的图像不是很精细,但足以揭示地幔复杂的动力过程。研究结果显示,有两个超级热地幔柱分别位于南太平洋和非洲的地壳之下,每个柱体长达数千千米。这就可以解释,为什么南太平洋海底隆起宽达1000米,同样的情况也发生在非洲,而板块构造理论无法解释这一现象。

地震层析成像证实,除了核幔边界物质上涌而成的热地幔柱,还存在因板块俯冲消减和重力陷落而成的冷地幔柱。冷地幔柱到达核幔边界,引起热扰动和热物质上涌。超级热地幔柱和冷地幔柱相辅相伴出现,构成了现代地球物质热对流的主要方式。

 

用地幔柱理论释疑

利用地幔柱理论,我们之前的许多疑惑便可迎刃而解。2011年,英国剑桥大学地质学家尼基·怀特及其同事发现了苏格兰西海岸2000米以下的海床上埋藏着大约5500万年前山脉、峡谷和河流的遗迹。分析发现,在过去的百万年间,这个区域曾上升到海面之上,然后又沉下海底。从板块构造理论来说,山脉的隆起再被剥蚀,这个进度太迅速了。怀特等人认为,在北大西洋下有一个超级热地幔柱,携带着地球深处的热岩浆喷涌而出,将这块遗失的陆地推至北大西洋之上,后来地幔柱消逝,这块陆地又重新下沉至海底。

澳大利亚基本是个稳定的大陆,但是和其他地区比较,它具有不同寻常的海面史。澳大利亚悉尼大学的迪特玛·马勒和他的团队发现,在距今1.45亿至6500万年前的白垩纪,澳大利亚东部曾发生陡峭的垂直运动,这是深部地幔对流在发挥作用,促使大陆上升和下降。

喜马拉雅山在3500万年前形成,当时印度板块从超级大陆分离后快速北移,撞击欧洲板块形成了青藏高原。但是,板块构造理论不能解释,为何当时印度板块北移速度为每年18厘米,现在仅为8厘米。计算机模拟表明,地幔柱涌升的蘑菇头成为大量熔岩喷发的源泉,形成6700万年前印度西部的德干暗色岩。大量熔岩的喷发加剧板块的分裂,加快了印度板块北移的速度。

至于美国密苏里州小镇新马德里遭遇的频繁大地震,研究人员认为根本的原因是地幔柱的运动。2007年,加拿大蒙特利尔魁北克大学的亚力山德罗·方特及其同事揭示,在白垩纪,沿北美洲西海岸的古老板块潜入地幔深部,引起密西西比河谷下方的下降流,形成其上部岩石圈两个世纪前的灾难**件。

不同的声音在科学界永远存在,争论是科学发展的动力。英国杜伦大学的吉利恩·福尔杰认为,伴随地震波在冰岛之下的慢速通过,冰岛的地貌和火山活动起源于浅部地幔,这可以用板块构造理论来解释,而无需地幔柱驱动。这一争论的解决需要更清晰的地震层析成像技术和更多地震仪遍布全球的精确探测。地幔柱理论正在替代板块构造理论成为新的主流,与板块构造理论一样,地质学正在另一次革命的风口浪尖上。

 

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