板块作用的驱动力（板块作用的驱动力是地幔对流作用）

本文目录一览：

• 1、如何揭示板块运动动力机制？
• 2、究竟是什么在驱动地壳的板块运动，大陆分裂的原因是什么？
• 3、板块的驱动力是什么吗？它不是地幔对流、不是地幔柱、不是重力，不是8种力的综合，它是人们的——想象力。
• 4、板块运动的驱动机制问题
• 5、板块运动的驱动力究竟是什么？
• 6、板块驱动力的应力场计算

如何揭示板块运动动力机制？

"板块构造学 "是欧美学者60多年前在三个科学猜想上建立的 "全球构造运动的动态假说"。"大陆漂移"、"海底扩张 "和 "地幔对流"。

这一假说曾被誉为 "20世纪地球科学的伟大革命"，但经过60年的探索，至今仍不清楚。板块理论也承认，驱动力问题还没有得到解决。板块运动是由地球内部的热能驱动的，由热能驱动的 "板块理论 "可称为 "热引擎 "理论。月球表面分布着连绵不断的陡峭山脉，最高达7000米；最深的 "海 "有6000多米深。

地球的自转可以用于构造运动，自转速度也会降低。只有潮汐作用可以减缓地球的旋转，其中一些旋转能量被转化为构造运动能量。以 "旋转能量 "为动力的地球动力学理论可称为 "旋转动力 "理论，其动力机制必须与太阳和月球的潮汐产生力有关。C-D段线是一条近乎南北向的红线。它的深度剖面显示在右图的中间。这个模型表明，当印度板块穿越大洋板块时，海水的快速冷却不一定直接导致岩浆的喷发，而是岩浆上升到一定高度后的快速冷却，从而在大陆板块后面留下一个巨大的岩浆隆起，形成驱动大陆板块漂移的自驱动模式。从理论上讲，这种力量可能大到足以将大陆板块推开。谷歌地球的一张太平洋截图显示了一些东西方向的斑马线，这应该是板块移动的尾流或刮痕。据推测，这是盘古大陆在解体前在太平洋上漂移的尾巴。

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究竟是什么在驱动地壳的板块运动，大陆分裂的原因是什么？

虽然，人类已经在数十年之前就已经登陆了其他星球，但即便是我们每个人所生活的这个地球，依然有许多至今都难以解答的疑惑。简而言之，宇宙中我们相对更为熟悉的地球，也存在着很多科学家都难以解答的问题，尤其是地球的内部组成。因为太多的因素导致了我们无法接触到这些组成物质本身，而新的研究也总是在完善之前的一些错误认知。那么，到底是什么在驱动地壳的板块运动，难道“地幔羽”不是大陆分裂的主要原因？

地壳-从蛋壳一样的坚固外壳，到分解成巨大的构造板块！

生活在当代的很多人都知道，在太阳系的类地行星中，地球的密度、质量和直径都是最大的。而地壳、地幔和地核，便是我们这个地球的主要内部结构组成部分。地球上的所有生命，几乎都在地壳这个表面层上展开自己的活动。并且，位于地球固体圈层最外部的它，也是岩石圈的重要构成部分。

并且，这些地壳自形成之后，便处于不断运动的状态之中，这也是地球上地壳结构发生变化的根本原因。或许你有所不知，在20世纪初期之前的很长一段时间里，即便是地质学家也曾以为地球的地壳，就好比是一个完好无损、且坚硬无比的鸡蛋壳似的。但随着时间的递进和科学技术的发展，我们终于认识到地球的地壳其实并不是一整块。

地球地壳的真实形态，其实被分解成了巨大的构造板块，而在它们的下边则是大量的岩浆和热熔岩材料。通过那些被发现的已经灭绝的动植物化石遗迹，表明了地球大陆的结构在过去和现在存在很大的差异性。只是在数百万年的时间里，各大洲就演变成了新的格局，也就是所谓的大陆漂移说。虽然，至今也没有彻底解决大陆漂移的机制问题，但不管是大陆现在的水平运动现状、还是古地磁资料中大陆块位置的移动，都证实了大陆漂移的现象是客观存在的。

构造板块的运动过程-拥有地壳和地幔无缝系统的新地球？

众所周知，构造板块的移动有时候带来的后果会是灾难性的，而它的运动又受限于坚硬地壳和高温地核所带来的影响。科学家们为了对板块构造的过程有更深入的了解，便通过计算机模型创建了一个新的模拟地球，并且，还将地幔和地壳设置为一个无缝系统。而这项研究也让我们知道了一种神秘的力量平衡方式：大陆通过地幔的渗出而被创造，而地壳又将这些大陆变得分裂。

随着模拟过程中时间的向前推移，在这个新的模拟地球身上，我们观察到：其表面60%左右的构造运动，都是被一种位置比较浅的力量所驱动。测算数据在距离表面100公里以内的范围，而其他部分都是被地幔深处搅动的对流所驱使。简单来说，地幔的重要作用主要体现在较小大陆发生合并，从而形成超级大陆的时候。

而那些超级大陆之所以会发生破裂，则主要是因为更浅层位置所发出的力量导致。在此之前，科学家们虽然会将热驱动对流模型建立在地幔中，从而使得模型可以更契合大家从真是地幔中观测到的情况，但却并没有对地球的地壳也模拟进来。就这个因模拟而存在的新地球，它的确是第一个通过计算机将地幔，以及地壳当作一个相互连接的动态系统所得来的模型。

但是，位于地壳中的板块构造模型的预测结果，却与地幔的观察出现了不一致的地方。也就是说，在将两个独立的系统通过模型组合的过程中，应该缺失了某些重要的东西。客观而言，对流模型不利于板块、有利于地幔，板块构造则对地幔不利、而有利于板块。但整个系统演化的背后，却关系到两者之间的所有反馈信息。

地壳和地幔的关系-地幔羽不是大陆分裂的主要原因？

对于很多对地球内部结构和相互作用并不了解的人而言，很多时候我们都以为：地壳不过就是薄薄地覆盖在热的地幔表面。这样简单粗暴的直观印象，导致我们有了地壳不过是根据地幔的波动而进行移动的错觉。但是，很明显这样的认知并不够准确，地球的地幔和地壳自很长一段时间以来，便处于同一个系统之中，将它们联系起来是无可厚非的。

但随之而来也产生了新的问题，比如，板块构成的地壳的运动驱动力，到底是始于地表力、还是来自于地幔深处的作用力。但是，从科学家们目前的研究来看，这个问题本身就存在问题，因为不管是地壳还是地幔，它们都为板块的运动做出了自己的贡献。事实上，在已经过去的二十年时间里，科学家们也一直在研究一种能够实现各部分相互作用的模型。

而在本次实验中使用的计算机模型，虽然只运行了9个月，但仅仅是研究这个模型，便耗费了科学家们8年的时间。虽然，拥有许多逼真参数的地球模型，在某些方面并没有实现真实地球的完美再现。比如，不能对以前的岩石变形进行跟踪。但是这个新的模拟地球，不仅包含了热流、构造板块的大小、超级大陆的分裂和形成时间，而且，还覆盖了大陆漂移、俯冲带和海洋山脊等重要地质数据信息。

从研究结果来看，地幔的力量会在大陆汇聚的时候占据主要作用，而地幔羽的岩浆热流，更不是大陆发生分裂的主导因素。在以后的时间里，科学家们会进一步将观察到的真实的地球内部结构，与计算机模型中的地球进行更好地连接。并且，这个模型的作用还不仅限于此，与此同时，它还可以对重大的火山事件、板块边界的形成，乃至地幔对地球自转的影响等重要内容进行研究。

板块的驱动力是什么吗？它不是地幔对流、不是地幔柱、不是重力，不是8种力的综合，它是人们的——想象力。

是因为地幔物质板块作用的驱动力的对流

对流板块作用的驱动力的动力多数人认为来自地核

也就是热柱

可以做个试验

在一杯水的底下放一粒高锰酸钾

那火加热它 板块作用的驱动力你会看见高锰酸钾的紫色溶液呈现柱(带)状向上飘

到了水面以后会向周围散开

然后在杯子边缘下沉

把这个过程放大 可以简略认为是地幔的对流情形~

地幔深处的物质因为热而上升

到了壳幔交界的位置开始扩散

由于地幔的物质很黏稠 会粘带着上面的岩石圈进行运动

这个力就是驱动板块运动的力之一

之二 是对流上升的物质最后有一部分会继续进入地壳

在洋中脊这样的地方喷出

冷却成岩石以后会吧两边的老的岩石向两边推

这两个驱动方式基本就是板块运动的动力来源了~

板块运动的驱动机制问题

关于板块运动的驱动机制或驱动力，目前还是一个尚未完全解决的问题。以前，许多人主张板块运动的驱动机制可能是一种简单的地幔对流（一般称为“传送带模式”），认为地幔中由于温度差或密度差的存在可引起物质的缓慢移动，热的、轻的地幔物质上升，冷的、重的物质下沉，这样连接起来就构成了一个个的对流环。在上升流处形成大洋的扩张脊；在下降流处则形成海沟和俯冲带；在两者之间，则由软流圈顶部发生水平向流动的物质拖曳刚性岩石圈表层随之一起运动；每一个大型的板块，相应地有一个对流循环系统（图9-16）。关于对流环的规模，过去主要有两种观点，一种认为对流环能穿透整个地幔厚度；一种则认为下地幔黏性太大，恐不足以引起对流，对流主要是限于上地幔软流圈中。

图9-16 扩及整个地幔的对流（a）和限于软流圈的对流（b）

初看起来，“传送带模式”的地幔对流对板块驱动机制的解释是十分精彩的，但事实上却存在不少问题。首先，在密度、黏度都很大的地幔中究竟能不能发生大规模的物质对流？即便能发生对流，其对流的速度是否能达到或超过岩石圈板块运动的速度？这些问题的后来研究结果基本上否定了这种简单的“传送带模式”。例如，岩石圈-地幔热点及成因的研究，证明了岩石圈板块的水平运动是比较快的，而地幔物质的水平运动非常慢或者说是相对稳定的（见后述章节）。因此，有些学者不赞成将这种简单的地幔对流模式当做板块的主要驱动机制。上田城也（1974）、J.F.Harper（1975）等人强调重力的作用，认为板块从洋脊到海沟的运动，主要是由板块前缘的不断冷却、加重、下沉和顺坡下滑所引起的，他们还通过计算说明这种下沉拖拉力比洋脊的推挤力大得多，足以引起板块产生具有现今速率的运动（图9-17）。但这种重力作用的引起原因应该是来自洋脊的热隆、扩张，由此看来，洋脊发生热隆、扩张的形成机制可能是板块驱动机制的关键。此外，还有其他一些学者提出过另外一些板块驱动力或驱动机制（如陨石撞击等）。20世纪后期，一些学者在岩石圈-地幔热点（J.T.Wilson，1963）的基础上，根据新获得的地质、地球物理资料，逐渐引申、发展而提出了“地幔柱构造学说”。该学说综合了地球内部各层圈的相互作用，对板块构造的驱动机制提出了新的认识，可以说是当前对这一问题认识的主流（见后述章节）。尽管如此，应该说关于板块构造的驱动机制问题，目前还仍处于推理和探索的阶段。

图9-17 作用于岩石圈板块的各种力示意图

（据上田城也，1974）

最后必须指出，科学是不断发展的，板块构造理论并不是尽善尽美的终极真理，它只是当代地球科学对地壳或岩石圈演化规律的认识，还存在着许多不能解决或解释的难题。可以预见，随着地球科学的发展，板块构造理论也将不断地得到修正和发展。

板块运动的驱动力究竟是什么？

地球内部的地幔对流。地幔在地下的缓慢移动，带动了地表处的岩石也一起运动，每年移动的速度只有几厘米，但是经过几百万年、几千万年的运动，就会使大陆漂移到数千千米的远方。这就是板块运动学说所描述的板块运动过程。

板块驱动力的应力场计算

自20世纪60年代板块构造学诞生以来，板块运动机制问题一直没有得到圆满的解释，人们提出板块作用的驱动力了多种模式，但这些模式基本是建立在定性描述的基础上，很少定量计算各板块的受力情况。本文利用计算得到的地幔对流在岩石层底部产生的应力场，除板块作用的驱动力了定性分析各板块的受力状况外，还采用定量计算的方法，计算板块作用的驱动力了各板块的受力大小与方向，并利用这些结果对板块运动的驱动机制问题进行如下探讨。

3.5.4.1 方法理论与计算公式

根据重力位理论，全球重力位可以用球谐函数据的展开来表示（陈旭等，1995）。此时，可以推得相应的自由空气重力异常为

湖南地区地球动力学数值模拟及成矿作用特征研究

又有

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式中：ψ为地心纬度；ϕ为地理纬度；K为引力常数；M为地球质量；

，

为卫星重力位系数；ω为地球自转速度；α为地球赤道半径；λ为经度；h为计算点距大地水准面的高度；ƒ为地球扁率；

为完全正规化缔合勒让德函数：

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计算中采用的常数为1980年大地测量参考系的值：

a=6378137m，ω=7292115×1011rad·s-1

KM=3.986005×10-14m3s-2，ƒ=0.00335281068118，e2=0.00669438002290

3.5.4.2 应力场计算公式

对于板块驱动力问题，现在国际地学界占主导地位的看法是，必有某种形式的地幔对流驱使板块运动。在地幔对流模式中，大致有两种形式的地幔对流，一种是主张地幔对流仅在上地幔中进行或是上下地幔各成对流系统。但“纵横比矛盾”始终未获解决；另一种认为上、下地幔的黏滞系数相差不大，均为1021Pa·s左右，主张全地幔对流。后者获得了相当广泛的支持。本文在应力场计算中采用了全地幔对流模式。

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式中：u为流体的速度矢量；δp为扰动压力；θ为扰动温度；a为体膨胀系数；ν为运动学黏性系数；T为径向温度梯度时由热导方程确定的温度分布；t 为时间；r 为矢径；g（r）是径向重力场。在忽略横向温度梯度存在这一假设前提下，从公式中可以推出对流极型分量存在，而环型分量恒为零。

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其中ω=Δ×u，p为常数。

将（3-9）式和T=β0 -β2r2+β1/r代入（8）式，β0，β1，β2 为常数，对于稳定流可以推出如下方程（陈心才，1991）

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式中

，为瑞利数。

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方程（3-17）的解为

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式中

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为在计算中提高计算精度，

（ajr）与

（ajr）取

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所以

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Bj为由边界条件决定的特定系数。

本文采用了以下边界条件进行计算

Wl（r）｜ r=1，η=0 ，上、下边界流体无滑动；

Θ（r）｜ r=1，η=0 ，上、下边界处温度一定；

，上边界为固定边界；

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利用上述边界条件求Bj（j=1，2，Λ，6），从而可求得

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再由连续介质力学中的应力计算公式：

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就可算得岩石层底部由地幔对流产生的应力场。

3.5.4.3 板块底部的受力计算

由于定性分析的局限性，应力场与板块运动的关系显得较为模糊，为了更好地了解板块的受力情况，定量计算各板块由地幔对流作用受到的合力是必要的。

对于微元ds，其受到的牵引力为：

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式中dFE和dFN分别为微元ds受到的东向作用力和北向作用力。所以

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由于计算过程中Δθij和Δϕij为常数，（3-27）式可写成

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同理

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板块底面积为

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因此，板块底部单位面积受到的牵引力为

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式中：

；mi是θi纬度线中的板块单元数。

根据（3-31）式计算出各板块单位面积平均受力，其结果示于表3-7。

表3-7 各板块单位面积的平均受力

在板块构造学中，一般认为漂浮在塑性软流层之上的刚性岩石层——板块的运动是由于洋底地壳扩张造成的，洋底地壳扩张是由于地幔对流不断将较老的洋壳向两侧排开的结果，新洋壳不断产生，原来大洋中古老的洋壳被迫沿着海沟向大陆底部俯冲，重新进入地幔，并由于温度逐渐上升而溶化、消亡。因此，洋壳始终处于不断产生与消亡的过程中，它永远年轻。海沟与洋中脊相反，是地幔的下降部位。显然，这种以洋中脊为对流上升中心的地幔对流，被认为是推动板块运动的驱动力。然而，以洋中脊为对流上升中心的模式，却难以解释一些现有的地球物理现象。例如，根据板块构造学理论，印度次大陆在南极洲附近裂开后，向北漂移与欧亚大陆碰撞，而南极洲大致保留在原来的位置。在古大陆裂开后形成的印度洋中，洋中脊距印度洋次大陆与南极洲的距离大致相等。这表明，当印度次大陆漂离南极洲时，洋中脊也在向北“漂移”，这就必须假设位于地幔中的地幔物质对流上升中心与洋中脊始终保持同步向北漂移。显然这是难以接受的，必须寻找更为合理的模式来解释。

一般说来，低阶重力异常、应力场与深部大范围的异常源有关，主要反应规模较大的地幔对流，是板块运动驱动力的主要来源。高阶重力异常、应力场与浅部小范围的异常源，常常局限于板块的内部，在一定程度上决定着板块内部的构造格局，而与板块运动的关系较小。

在洋中脊附近并不一定存在地幔对流上涌中心，板块底部往往存在多个地幔对流体的上升或下降中心。Woodhouse（1984）和Dziewonski（1984）利用面波和体波资料反演的全球地幔速度结构图中，仅在上地幔上部低速异常区与洋中脊有较好的对应关系，而在上地幔下部和整个下地幔，低速异常区与人们以前推测的地幔对流上升区（例如，洋中脊附近地区）并无明显的相关性。相反这些较深的低速异常区常与应力场图中应力发散区（地幔对流上升区）相对应。这说明板块运动往往是由其底部多个地幔对流体共同作用的结果。在洋中脊附近，由于板块在应力全力作用下不断向两侧漂离，地幔物质不断上涌，并熔化附近的岩石层，使之变薄形成现代的洋中脊。由于热地幔物质不断上涌，往往在较浅部、小范围内形成地幔对流，但这种小范围的地幔对流并非板块运动的主要驱动力。

由于板块底部受多个地幔对流体的作用，相邻板块单位面积受到的作用力可能不同，因而两侧板块的漂移速度也会不相等。可能出现一侧漂移速度大于另一侧或一侧静止另一侧漂离，或相互会聚而发生碰撞等现象。两侧板块漂离时，地幔物质便沿着裂开的空间上涌，并在两侧板块边缘凝固，漂离着的板块在上涌物质凝固后最薄弱的中心处裂开，于是新的地幔物质又沿着裂开的空间上涌，新的洋壳便不断地生成。这样，无论洋中脊两侧板块的漂离速度如何，两侧板块的增生物质的宽度却近似相等。显然，在这种情况下，若两侧板块漂离速度不同，洋中脊就会向漂离速度大的一方“漂移”。若是新形成的海洋（即无海底板块的消亡），洋中脊就会位于新形成的海洋的中央。这便容易解释为什么当印度洋板块漂离南极洲、南极洲大陆保留在原地附近时，洋中脊没有停留在原地附近，而是大致位于分隔两大陆的海洋的中央。

板块运动速度的大小与方向，并非单纯由其底部的地幔对流的作用力所决定。板块间的相互作用（如印度洋板块与欧亚板块的碰撞）以及板块的惯性等都会影响现代板块的运动，就好似水上漂浮的冰块，冰块的形状和运动相当复杂，两者的运动往往并不绝对吻合。上述的计算结果和分析也可看出，板块的受力与板块的运动并不完全一致，但它们之间的相关性是比较明显的。

综合上述的分析计算可以得出，重力负异常中心区与地幔对流上升区相对应，正重力异常中心是地幔对流的下降部位。环太平洋带及板块的俯冲带为重力正异常带，是应力场中的应力会聚区、地幔对流下降区。板块底部受到的作用力主要由低阶应力场决定。板块底部存在有多个地幔对流体，它们对板块的共同作用是板块运动的主要源动力。