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板块构造理论五十年

撰文 | 郑永飞
翻译 | 高    婵
校译 | 蒋海宇
 
历数二十世纪最伟大的科学革命,哪些会榜上有名?遗传学?广义相对论?或许是有关量子力学的科学?当之无愧的一项就是板块构造理论——那个讲地球刚性外壳(岩石圈)如何运动和再循环的理论。这个理论为以往地球科学中毫不相关的学科提供了一个统一的格架,并迅速被1960年代末期的地质科学界所接受。从那时起,板块构造论可以说是成了地球科学领域的标准模型。它自1967-1968年出现,在过去五十年间得到不断发展。
 
在板块构造理论形成前,地质学研究就是收集那些看上去毫不相关的事实和记忆信息。构造地质学专注于描述和理解变形本身。地球化学则仅仅丰富了无数岩石类型(主要是火成岩)的成分信息。沉积岩堆积的盆地一直被理解成神秘过程所产生的地槽。人们忽视地层学和地质时间,有些会影响沉积岩堆积及其中生物信息的环境变化也得不到重视。
 
板块构造理论认为地球外壳是在不断运动的,即使速度缓慢。陈旧的世界观忽视了岩石圈的水平移动。1960年以前,大陆漂移的说法几乎不被接受;之后,一切都改变了。这是因为不仅海底扩张得到了证实,而且大洋地壳形成于洋中脊、消亡于俯冲带的认识也得到了证明。这些过程不是随机现象,而是呈现出几何学和运动学的有序性。
真正伟大的科学构想一旦明了,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,完善我们对世界的科学理解。就这一点来说,板块构造理论堪称典范。它为解释当今地表附近发生的构造活动和地震活动提供了绝佳框架。然而,要将其应用于地质历史时期(三亿年前)的地球过程,在当时还没那么直截了当。
 
经过五十年的不懈努力,板块构造理论取得了长足的进步。在其初期,人们以为地幔对流是板块运动的驱动力。进一步的研究却表明,弧下深度(80-160 km)大洋岩石圈的重力下沉是导致板块运动的主要驱动力。早期,人们认为只有大洋岩石圈能俯冲到地幔深度,大陆岩石圈由于密度较低而不能。然而,在变质矿物中发现的柯石英和显微金刚石等结晶包裹体,使人们认识到大陆板块也会俯冲到地幔深度。
 
起初,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间发生差异移动的区域。然而,板块是可以像弹性体一样,在其边界聚积相当大的应力,继而通过地震将其释放。板块边缘也在高温下变得极具韧性,使山脉在汇聚板块边缘形成。因此,我们需要修改俯冲板块在不同深度力学行为的描述。
 
在多数情况下,板块俯冲引起了造山运动、使岩石圈加厚,并因挤压而形成了增生造山带和碰撞造山带。随后,这些加厚的造山带在俯冲结束后变薄甚至破坏。人们起初认为,这一现象源于与板块构造活动不相干的其它构造运动。不过造山运动也会发生在洋中脊,从而产生伸展型造山带。这类造山带起初变薄,继而叠加到挤压型造山带之上,通过再活化导致部分熔融和伸展作用。这些构造过程其实也是板块构造作用的一部分,可以统称为裂熔造山运动。在威尔逊循环(指一个超大陆如何分裂形成大洋盆地和两块大陆,两块大陆又如何汇聚到一起)中,这种裂熔造山作用是超大陆裂解以形成新大洋盆地的先兆。
 
虽然板块构造理论所催生的许多地质学进展初看起来都基于推测,但随着先进技术手段应用到地球科学研究,这些进展已经得到验证,并且将继续得到验证。这也得益于人们对多个学科观测结果的综合解读。这些结果正对我们理解火成岩成因及其在古板块边界的成矿作用产生深远的影响。
 
版权声明:英文原文2018年2月发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR),原标题为“Fifty years of plate tectonics”。NSR是科学出版社旗下期刊,与牛津大学出版社联合出版。《知识分子》获NSR和牛津大学出版社授权刊发该文中文翻译。
 
英文版链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwy024



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