大陆板块的标准形状

The standard shape of the continental plates

梁光河

中国科学院地质与地球物理研究所

中国科学院矿产资源研究重点实验室，北京，100029

Email:lgh@mail.iggcas.ac.cn

一、问题的提出

板块是否有标准的形状？这是现代大地构造的一个基本问题，本文试图通过一个实例探讨板块的标准模型。

二、大陆板块的形状

从平面外形上看，板块有大有小，形状也差异很大，有长条形，三角形等等，总体呈不规则形状。从规模上我们可将板块划分为大型、中型、小型和微型板块。

（1）   大型板块：如欧亚板块、非洲板块、北美洲板块、南美洲板块、南极洲板块；

（2）   中型板块：如印度板块、澳大利亚板块、格陵兰板块；

（3）   小型板块：如冰岛、新西兰、马达加斯加、日本、加里曼丹等板块；

（4）   微型板块：如毛里求斯、科摩罗、凯尔盖朗、萨摩亚、斐济等

在漫长的地球演化历史中，至少有四次超大陆的汇聚和裂解，包括18.5亿年的哥伦比亚超大陆、11亿年的罗迪尼亚超大陆、5亿年的冈瓦纳超大陆和2亿年的泛大陆。这些超大陆可以称得上是巨型板块，目前地球上还没有巨型板块，不同规模的板块正在向北极汇聚形成巨型板块的过程中。

这些板块（主要指陆块）由于形成年代和构造演化历史不同，因此其物质构成也不同，它们在深度剖面上也应该不同。但基本形状应该是一个类似板状的刚性体（包括传统意义上的陆壳和岩石圈）。

欧洲科学家十几年前在乌克兰地盾做了一个比较成功的的地震深反射剖面，同时做了高精度重力测量，得到了很好的结果。这个结果给我们提供了一个板块的标准深度剖面结构，包括速度（图1）和密度（图2）的分层结构模型。从这个模型中可以看出，大陆板块往往经历过多期次的大规模走滑，形成了多个滑脱面。

图1 EUROBRIDGE’97剖面二维P波速度模型（据Thybo et al., 2003）

图2  EUROBRIDGE’97剖面二维密度模型（据Elena et al., 2004）

  地球上外形不同的板块，其深度都有多深？这是我们关心的问题，其实很简单，这个深度取决于板块本身的等效密度，如果板块密度大，沉入软流圈越深；如果密度小，漂浮力大，沉入软流圈越浅。

根据浮力定理，沉入深度与板块密度、海水深度、洋壳厚度、洋壳密度、软流圈密度等密切相关。这些参数中任何一个参数的变化都会造成板块沉入深度的变化，因为这些参数测量的不确定性，这里我们不做深入探讨。

三、新大陆漂移模型

基于以上模型作者给出一个新大陆漂移模型（图3），简单地说就是陆块划开洋壳，岩浆在陆块后面上涌鼓包推动陆块向前跑（板块前后热力不平衡引起）。

该模型有三个特征：

①   陆块前方会形成山脉火山；

②   陆块后方会形成巨厚深海沉积；

③   陆块漂移后会存在拖尾隆起和尾迹。

同时该模型还应该有两个不需要：

①   不需要假定主动大陆边缘和被动大陆边缘

②   不需要板块俯冲下插。

该模型的以上特征在地球上与几乎所有板块的运动状态、山脉、火山、深海沉积、拖尾隆起等等方面吻合很好，可以合理地解释板块的构造运动结果。本文延续使用板块、陆块的概念，其实用“地体”更合适，因为地体是指具有独立演化历史的板块，该模型说明地质历史上，各个地体是经过长期漂移拼合又分离的历史产物。

图3  上图（A）大陆板块运动前的初始状态，下图（B）大陆板块向右运动一段距离后的状态

四、板块深度的复杂性

根据美国USGS资料，洋壳的密度是2.9，而软流圈的密度是3.3。大陆板块密度必然是大于洋壳密度而小于软流圈密度。也就是说它们应介于2.9-3.3之间。普遍的规律是岩石越古老，密度越大，因此按照古老程度，我们可以很自然地假定太古宇克拉通密度最大为3.2，而元古宇板块较小为3.1，最小的是显生宇板块3.0。按照简单的浮力原理可以比较容易推算出不同密度的板块沉降的深度。粗估的结果是：最新的显生宇板块深度不大于50公里，元古宇板块不大于100公里，而太古宇克拉通最深可达200公里。图4给出了这些板块的密度和深度模型。 考虑到地球深处的温度，在一定深度会出现半熔融和熔融状态，因此以上给出的深度应该小很多，比如各类板块都会在一定的温度（深度）下熔融。可能的是深度是显生宇板块深度不大于20公里，元古宇板块不大于40公里，而太古宇克拉通最深可达100公里左右。

图4 不同时期大陆板块的密度特征和深度示意图

实际上，很多板块并不是单一的显生宇板块或元古宇板块等，它们往往是复杂的复合体。比如一个板块往往有一个古老的陆核，然后外围是比较新的岩石，如图5所示。这也说明了不同的板块在漂移过程中，其尾迹的不同。在存在古老的陆核板块的尾部，因为陆核切割深度比较深，当深达岩熔时则会形成玄武岩爆发（夏威夷就是一个例子）。而以较为年轻岩石组成的板块，因切割深度较浅，往往不会在其尾部形成玄武岩喷发（锡霍特山脉陆块后面的尾迹就是一个例子）。

图5 复杂的复合体板块剖面模型示意图

五、结论与讨论

从平面外形上看，板块有大有小，形状也差异很大。从规模上有大型、中型、小型和微型板块，但从深度上，主要取决于板块的密度，而板块的密度又和岩石的组成有关，岩石越古老，密度越大。由于在地质历史时期上发生多次的板块拼合，因此多数板块往往是多个地质时期岩石的复合体，因此其剖面结构和深度就很复杂，也就是说这种板块的复合体其底界应该是不平整的，部分切割深，部分切割浅，因此造成了当前地球上复杂的板块漂移后的尾迹形态。

六、参考文献：

1)        梁光河，2013，探密地球，http://hi.baidu.com/liangguanghe1

2)        Thybo, H., T. Janik, V.D.Omelchenko, M. Grad, R.G. Garetsky, A.A. Belinsky, G.I. Karatayev, G. Zlotski,M.E. Knudsen, R. Sand, J. Yliniemi, T. Tiira, U. Luosto, K. Komminaho, R.Giese, A. Guterch, C.E.Lund, O.M. Kharitonov, T. Ilchenko, D.V. Lysynchuk,V.M. Skobelev and J.J. Doody,2003,Upper lithospheric seismic velocity structure across the Pripyat Trough and the Ukrainian Shield along the EUROBRIDGE’97 profile, Tectonophysics 371, 41-79.

3)        Elena KOZLOVSKAYA,Tomasz JANIK,Jukka YLINIEMI,German KARATAYEV and Marek GRAD,2004,DENSITY-VELOCITY RELATIONSHIP IN THE UPPER LITHOSPHERE OBTAINED FROM P- AND S-WAVE VELOCITY MODELS ALONG THE EUROBRIDGE’97 SEISMIC PROFILE AND GRAVITY DATA ,ACTA GEOPHYSICA  POLONICA Vol.52, No.4  397-424