大陸漂移是如何啟動的? | 知乎問答精選

 

A-A+

大陸漂移是如何啟動的?

2018年01月11日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 12 ℃ 次

【巴甫洛夫很忙的回答(78票)】:

板塊構造的啟動是地質學界的一場大辯論。

大陸「漂移」學說(continental drift)被經過長時間的討論與研究後,學界目前通常接受它的進化版 -- 「板塊構造論(plate tectonics)」。所以這個問題更恰當的問法是:板塊運動是如何啟動的?

---------------------背景介紹-----------------------

現代的地球上主要有兩種地殼:大洋地殼(oceanic crust)與大陸地殼 (continental crust)。大洋地殼薄且重,大陸地殼厚且輕。地殼下面是熱並且粘稠的地幔(看作可以流動的固體)。熱對流使地幔緩慢流動,推進著大洋地殼的生長與俯衝,同時大陸地殼「浮」在地幔上,隨之緩緩運動(傳送帶)。更多相關背景知識詳見 @項校長 答案

---------------------背景介紹--------------------------------------------背景介紹-----------------------

問題:

那麼這種運動模式是如何形成的呢?是何時形成的呢?

這一切要追溯到約3000Ma (3000個百萬年=30億年)。這時候的地球,被地質學家命名為太古代(Archean,桃紅色-粉紅色)。

太古代的地球大概長這樣:太古代的地球大概長這樣:

關於啟動時間的辯論:

--正方--

關於板塊構造啟動的時間,有一群科學家認為,在太古代的末期,俯衝的啟動(the onset of subduction)與大陸的生長(formation of continents) 就此開始。雖然不同的研究者研究結果具有偏差,從最年輕的800Ma,到最遠古的4300Ma,這一派別更多數研究者認為是3000

300Ma,即太古代末期。

--反方--

不過有一大票的知名科學家表明,現代的板塊運動模式並沒有在太古代就開始運作。

這裡主要有兩個理由:首先是理論上的,他們認為太古代的地幔實在是太熱了(太干了/太濕了),無法生成可俯衝的大洋地殼。另一個理由是基於地質學上的觀察所得:岩石構造學(petrotectonics)的特徵,可以記錄下了現代板塊構造的運作。一些學者認為太古代,甚至是更晚一些的原生代岩層,都完全不具備這些板塊構造的鑒定特徵,所以太古代並沒有板塊運動。

Stern (2008, 2013)這個人持有一種極端的觀點,他認為,板塊構造的啟動是極端緩慢的,現代板塊構造始於新元古代的開始,是由另一種類似的運動模式逐漸變化發展而來的,演變持續了大約1000Ma。

Warren Hamilton是另一個反對太古代板塊構造的人,他指出太古代的火山岩與現代島弧火山岩(位於俯衝帶之上)在性質上有很明顯的區別,間接支持了現代的板塊構造模式也許與太古代有所不同。

--中立--

另一部分人認為在他們的特定研究區域,原生代以及太古代造山帶並不存在板塊構造;但是他們並不能排除其他區域的太古代地層也不具板塊構造。

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

關於啟動方式的辯論:

根據海底擴張理論的觀點,大洋地殼被地幔熱對流拉張開來,中間噴發出新鮮的拉斑玄武岩(Tholeiiete)。隨著新生成的地殼逐漸遠離洋中脊,這些地殼不斷被冷卻以及加厚,直到它們比下伏的地幔更緻密時,俯衝就開始了。這個過程需要相當長的時間,冷卻時間的重要性將在後文解釋。

實際上,不只是密度可以決定俯衝的啟動。大洋地殼的俯衝決定於俯衝的驅動力與浮力的平衡是否被打破 (Billen,2008)。絕大多數的現代俯衝還被已經俯衝到深處的部分拖著下沉。局部的壓縮以及其他的構造應力也會幫助板塊克服阻礙俯衝的浮力、粘性剪切等力。

由於太古代板塊構造並不被所有科學家所接受,於是Sivoza 等人提出了另外幾種不同於現代俯衝的俯衝模式,這裡就不再展開了。另外,Arndt認為, 地殼的分層構造是在太古代形成的,原因是沉重的鐵鎂質礦物留在了地殼下部,同時輕的礦物上浮最終形成玄武岩噴發。輕重分層的地殼結構是板塊俯衝的必要條件。

除了密度,另一個影響俯衝的因素還在於板塊運動的速率。

--正方--

多數研究太古代地球動力學的學者們認為,由於那時的地幔比現在更熱,所以地幔應該不如現在粘稠,這意味著地幔對流的速度會比現在更快。更快的對流速度加速了大洋地殼的生成與消滅(同時加速了地幔的散熱),如果前提條件「板塊運動與地幔對流是聯動的」成立的話,那麼就意味著太古代的板塊運動會比現在更快,那麼現代俯衝將是困難的,原因如下:

這批研究者們認為,太古代的大洋地殼被無數的擴張中軸分裂成一個個又小,運動又快速的小板塊,並且多數板塊最終又下沉回到了地幔中。(de Wit and Hart, 1993) 在這種模式下,板塊的邊緣會很難有時間達到足夠俯衝的密度,如前文所說,地殼沒有大於地幔的密度,則俯衝不可能發生。

--反方--

那麼現在問題來了,如果大陸地殼在太古代又少又稀疏的話(已被大多數學者接受),那麼太古代的海洋必定超級巨大。這帶來一個問題:

如果太古代的大洋地殼初始條件下比現代的大洋地殼更輕的話,俯衝將是非常困難的;但是,由於太古代的海洋超級巨大,這些大洋地殼可以在巨大的海洋上漂浮相當長的時間,甚至可能達到俯衝的條件。所以小而多的板塊不是唯一的可能性。

Davies (2007) and Korenaga (2006)認為,當時的上地幔又厚又粘稠,太古代的地幔對流並不會比現在更快。原因在此不詳說。

--中立--

Johnson et al. (2013) 認為,現代的俯衝模式可以在太古代運作,不過只有一部分。那就是地殼的下半部分。(想像一塊板子被劈開,下面一半慢慢變軟彎曲,沉入了地幔)

此論一出,學界開始討論「被劈開」的可能性,於是他們開始研究大洋地殼的物理強度,並且充分考慮了高於現在的地幔溫度帶來的軟化,以及地幔熔融物的侵入。

關於啟動方式的另一個問題是地幔溫度是否保持不變/ 或者以規律的方式降溫 (Herzberg et al., 2010) 。一個相關的模型解釋道:「地幔柱會加速俯衝,導致脈衝式的地殼生長。上地幔會因地幔柱的到達而升溫,因為地幔柱攜帶了地幔深處的熱量。這意味著大洋地幔在當時是薄且堅硬的,並且是可俯衝的。」(其實我根本沒看懂這個解釋=_ =)

總結:

說了這麼多,我來梳理一下其中的邏輯關係:

板塊運動是如何啟動的?

答:板塊運動是通過板塊俯衝的開始而啟動的,板塊俯衝是被地幔對流所帶動的。

那麼板塊俯衝是何時、如何開始的?

時間:1.是太古代開始的。2.不是太古代開始的

為什麼有人會認為不是太古代開始的?

1.因為理論表明在太古代的地幔條件不適合俯衝

2.因為他們沒找到相關岩石學證據

如何:板塊俯衝是由於大洋地殼密度大於上地幔而開始的。

那為什麼大洋地殼密度會上升直至大於上地幔?

答:因為長時間的冷卻以及加厚

如果太古代的地幔不適合俯衝,那麼太古代的地殼是怎樣的一番情景?

答:他們認為是很小的大陸,超大的海洋,海洋地殼並未俯衝而是直接陷入地幔。

問:那麼如果有如此大的海洋,就有可能有足夠的時間空間讓大洋地殼冷卻直至可俯衝?

答:所以這並不是唯一的解釋,還有可能板塊運動已在太古代運作,只不過跟現代的俯衝稍有差別:當時的俯衝只能夠完成地殼下半截的俯衝。

問:那麼地殼是否在物理性能上有被「劈開」的可能呢?

答:影響因素過多,暫時還不知道

問:如果太古代沒有俯衝,那麼還有哪種可能性呢?

答:(from Stern, 2013, with permission from the Geological Society of America).

上圖:現代的板塊構造運動,Oceanic Crust大洋地殼,Lithosphere岩石圈, Asthenosphere軟流圈,Arc Crust島弧地殼。箭頭代表運動方向,紅色的是岩漿活動。時間:1000Ma以內--新元古代上圖:現代的板塊構造運動,Oceanic Crust大洋地殼,Lithosphere岩石圈, Asthenosphere軟流圈,Arc Crust島弧地殼。箭頭代表運動方向,紅色的是岩漿活動。時間:1000Ma以內--新元古代

下圖:前板塊構造(水滴式)太古代,冥古代(>2500Ma)

箭頭代表運動方向。地殼隨著地幔對流受到兩個方向的擠壓,最終沉入地幔被回收。

【項校長的回答(21票)】:

如樓上 @巴甫洛夫很忙所言,板塊構造的動力是地質學界的一場大討論。(原話是板塊構造的啟動是地質學界的一場大辯論)。

由於本人知識所限(我腦子裡的關於大地構造的知識主要是大地構造與成礦),以下內容如有錯誤還請指出

大陸漂移學說、海底擴張學說慢慢發展到板塊構造理論。板塊構造理論把全球劃分出8個較大的板塊,還有許多小板塊分佈其間作為補充。板塊一般不是以大陸和大洋為界線劃分的,板塊可以包含陸殼和洋殼在一起。板塊邊界可分為三種基本類型,即離散邊界,會聚邊界和走滑邊界。板塊運動的深部活動層不是殼幔分界的莫霍面,而是岩石圈與軟流圈的分界面,這個活動面在上地幔內部。

大陸的分裂與聚合的交替是大陸演化的基本過程。元古代時全球分為3個超級大陸,勞亞古陸,西岡瓦納古陸和東岡瓦納古陸,說明那時大陸是聚合的。晚元古代時間為10億年前,晚元古代時超級大陸開始破裂。寒武紀(5-6億年)勞亞古陸分裂成許多小大陸。在奧陶,志留和泥盆時,大陸從分裂到重新組合,整體向南極彙集。至石炭紀全球大陸明顯聚合成聯合大陸,二疊三疊後已形成聯合古大陸(2億年左右),從侏羅紀開始,聯合古陸重又解體,分裂後發生漂移,逐漸發展成今天全球大陸的分佈格局。更早的太古代是地殼形成初期,地殼面積較小,同時不存在俯衝,其運動方式有如冰山在洋中漂移,碰撞,不具有現代板塊構造機制。

按板塊理論的設想,地幔對流是板塊運動的原因,岩石圈是被它下部底層流動的軟流圈馱著一起運動的,像傳送帶運送上面的物品一樣,而不是象船在水中航行那樣。

這是一個多麼完美的模型!大地構造學家以為找到了地球構造的法門,恰如當年的物理學界一樣,以為已經看穿了一切。

然而,地質學家突然想到,到底是什麼力量如此強大讓板塊運動,難道僅僅是軟流圈熱對流?

於是,地幔柱理論來了。在板塊構造理論中已經提出了熱點-地幔柱概念,如夏威夷-皇帝海嶺火山鏈,是老的地幔柱假說。上世紀70年代以後對地幔柱進行了深入研究,提出了新的超地幔柱假說,包含有熱地幔柱和冷地幔柱,形成新的地幔柱對流形式。

熱幔柱構造起源於核幔邊界(2900km深度),熱物質流上升時是呈寬闊的柱頭狀,柱頭有一定厚度,柱頭的底面是連接著窄細的管道,為柱尾,隨著柱頭上升,柱尾管道不斷伸長,易漂浮的熱物質通過管道輸入柱頭。在地幔中柱頭上升時直徑達到800-1200km,是因為受到地幔的阻力,在柱頭接近地表時直徑達到1500-2500km,厚度100-200km。但地幔柱頭在670km的上下地幔界面處受阻擋而發生變化,向周圍擴展成扁球狀頂冠,然後分成數個較小的地幔柱進入上地幔,為二級地幔柱。接著到達100km深度的岩石圈底面受到阻擋,在進入岩石圈時再次變細,分成多個更小的地幔柱,為三級地幔柱,即三級熱地幔柱模型。

外核溫度達3800K(絕對溫度),地幔底部溫度為3000K,因此地核會不斷向地幔釋放溫度。地核釋放熱是不均勻的而引起熱擾動,使高溫低粘度物質形成浮柱,啟動上升的幔柱構造。

冷幔柱成因。俯衝板片滯留在上下地幔界面處,經過聚集達到一定規模後將繼續下沉,形成下降的冷地幔柱。冷地幔柱的聚集有一個過程,由於冷地幔柱進入下地幔需要克服很大的阻力,所以俯衝板片要在聚集到很大的規模時繼續下沉,由此形成超級冷地幔柱。超級冷地幔柱的下沉將會導致熱地幔柱的對應的上升,由此構成對流的循環,但顯然不同於經典的地幔對流模型。

到這裡我們看到,這真是捅了馬蜂窩了!最開始只是認為只有軟流圈對流,現在是地幔柱全球對流了!到這裡我們看到,這真是捅了馬蜂窩了!最開始只是認為只有軟流圈對流,現在是地幔柱全球對流了!那麼問題來了,為啥會全球對流呢?

地球圈層根據地震波速劃分為,A,0-33km地殼;B,33-410km上地幔;C,410-1000km上地幔;D′,1000-2700km下地幔;D〞,2700-2900km下地幔;E,2900-4980km外核;F,4890-5120km過渡帶;G5120-6370km內核

D〞層是下地幔的底部層,與地核接觸,是高熱的地核往低熱的地幔傳導熱流的過渡帶。冷幔柱下降到下地幔時,通過D〞層進入地核,造成地核中的對流重新達到均勻。顯然冷幔柱進入D〞層也使其溫度不均勻分佈,在溫度相對均勻的地核與地幔之間造成不穩定,即熱擾動作用增強,導致熱幔柱的上湧作用。所以在地幔柱的全球對流中冷幔柱的下降是主要因素,由此引起地核熱幔柱的形成和上升運動。

哎呀,終於解釋清楚了。問題又來了,板塊構造理論和地幔柱理論矛盾嗎?

板塊構造可以很好的解釋板塊邊界的運動,而地幔柱構造可以解釋板塊內部的活動,如大洋火山鏈和大陸溢流玄武岩。地幔柱構造理論提出了熱幔柱和冷幔柱對流的模型,是對地球運動的動力學的最全面的解釋,是對板塊構造的更深刻的解釋。不僅說明了板塊構造運動的深部機制,而且能解釋板塊內部的地質活動的各種現象。

問題還沒終結,一直會板塊運動嗎?

這就來了新全球構造模型。包括生長構造,地幔柱構造,板塊構造,收縮構造,終端構造,它們是行星演化的順序過程。在行星演化過程中,首先出現地幔柱構造,然後是板塊構造。這是把地球的死亡都考慮進來了。

【劉星成的回答(4票)】:

基本同意@黃華樂 的答案,但是究竟是什麼驅動了板塊的運動,歷史上的板塊運動與現在是否一樣等等問題都是屬於地質學裡的前沿方向,還沒有板上釘釘的答案……

【wewe的回答(1票)】:

我佛如來親自按下了啟動按鈕

【黃華樂的回答(1票)】:

以下資料都是摘自維基(專業的資料不知道去哪找,維基在我眼裡算是很靠譜的了):

此學說(大陸漂移學說:zh.wikipedia.org/wiki/%)在魏格納因實地考察中喪生後沉寂一時,到了六十年代,海底擴張學說中的地質報告證明了大西洋正在擴張,而三大洲就漸漸分離,令學界重新研究大陸漂移學說,後來更有人提出板塊構造學說(zh.wikipedia.org/wiki/%),板塊構造學說亦是現今地理學根基

所以下面說的按板塊構造學說來,

2.2 億年前各大陸一直在一起? 這種叫超大陸,這時候的超大陸叫盤古大陸(這名字我喜歡)

板塊總是移動的,相互之間碰撞移動,所以就有了「分久必和,和久必分」這種事, 而2.2 億年前已經出現過很多不同的超大陸,具體我就不列舉了,可以去這按:

zh.wikipedia.org/wiki/%

所以,板塊不總是在一起

動力未知,可參考劉星成的回答

(維基上是:板塊在軟流圈之上運動,由地幔對流柱產生驅動力而運動,感覺有點像一塊飄在水面的泡沫塑料,只不過水流運動慢了點)

最後,給個冰河時代4的視頻(嗯,童話裡面看科幻,裡面某些東西還是有道理的)

v.youku.com/v_show/id_X

【山醒的回答(0票)】:

此答案純屬搞笑,勿當真:

《冰河世紀4:大陸漂移》先行短片 搞笑升級 大陸漂移是砸出來的 http://v.youku.com/v_show/id_XMjM1MTkxNjI0.html

【優雅的胖子的回答(1票)】:

板塊運動的驅動力一般來說歸於地幔對流。地幔從洋中脊緩慢溢出,被海水冷凝形成新生板塊部分,從洋中脊向兩邊推擠,洋殼與陸殼碰撞後下插入陸殼底部,重新熔融稱為液態地幔物質。整個循環過程作為板塊運動的動力,也是地球熱動力學的過程。baike.baidu.com/view/15

【楊朋的回答(0票)】:

歸於地球三圈層(地殼、地幔、地核)之間的物質與物理性質差異。地殼固態、地幔液態、地核固態,地殼與地核間溫度差距極大且熱力場不均衡,驅動地幔熔岩對流產生。

【孔凡猛的回答(0票)】:

至今未有定論,最可能是地幔對流,驅動塑性軟流圈之上剛性地殼運動

【霍政鑫的回答(0票)】:

地幔對流的原因很可能是因為重元素的裂變釋放熱量,我是補充的。

【RiusSag的回答(0票)】:

據我所知現在板塊運動的主因,準確一點應該說是subduction的主因是slab sink還是mantle push依舊在爭論之中

簡單點的說slab sink就是在Oceanic crust在一定年齡之後會密度會變高然後往下沉

mantle push上面已經有人說了

【知乎用戶的回答(0票)】:

大陸漂移,板塊構造的概念提出已經很久,但是它是合適開始,如何開始,是什麼驅動它開始都是無法解釋的,因為我們目前的認知框架還不足以認識地質體的全貌,知識冰山一角,或者說正在"摸象"當中。

【董思岳的回答(0票)】:

我能說我看成了大陸(汽車)漂移的發展了嘛。。

【AlxanderJoe的回答(0票)】:

首先,科學是無所謂主流與否的。關於大陸漂移,有幾種假說,當然都有其局限性。我說一個吧。這個也是最近提出來的(我本人認同這個):熱點地幔柱假說,這個假說包括兩個部分啊!

1熱點:在夏威夷一個島弧得到了證明。證明方法是這樣的,這一連串小島,是串珠狀(一條線上的珠子)排列的。對其中的岩漿巖測年齡(利用鋯石,u-pb等等方法)發現,他們的生成時間是定向的。俗話就是一個比一個新。於是就有了熱點假說,簡單講就是某個位置吧很熱很熱,能量很高,能量高會怎麼樣呢。就會鼓出來成島啊。但是為什麼會形成串珠狀的島鏈啊?是不是地殼在一直漂移,但是熱點不動,所以就形成了啊。

2地幔柱,為啥地殼會漂移啊?為啥有熱點啊?首先啊,地殼下面是軟流層,再下面是地幔,地幔能產生那種熱物質流帶著能量啊,物質啊衝到軟流層裡去。

像龜牌氣功似的,衝到軟流層之後軟流層裡的東西就開始四處亂串了啊。所以就帶動地殼漂移了啊。同時,也解釋了熱點,地幔柱上來的地方能量太大散不出去,衝到地殼成了小島,這就是之前講的熱點了啊。

手打的……希望這幾年學沒白上~~

【杜奇眼的回答(0票)】:

there! two !one !ready?!動!

標籤:-自然科學 -科學 -地質學


相關資源:





給我留言