板块构造启动时间的争议、进展与思考

板块构造理论建立半个世纪以来的重大挑战之一是地球何时启动了板块构造.目前,学术界将俯冲作用作为识别板块构造存在的标志,将最古老俯冲证据或效应与板块构造启动等同起来.焦点在于,“最古老”的俯冲证据是否代表板块构造启动.局部地区“俯冲”证据不能等同于板块构造,全球联动的俯冲体系是板块构造的本质所在.在华北克拉通北缘获得20～18亿年前板块运动和板块俯冲的证据链条后,将基于华北克拉通的关键发现置于全球背景下开展综合对比,提出地球在20亿年前才真正启动具有全球联动的板块俯冲系统.板块俯冲牵引作用使得超大陆得以形成.因此,超大陆是全球板块联动的结果,可以用来判断板块构造的启动.     

解剖地球

科学家猜想,在最近的地质时代里地球内部可能曾经有20多个地幔柱,每个都持续存在了1亿年以上。板块构造理论板块构造理论解释了地球表面构造沉降、扩张、漂移等现象,也已成为现代地质学的基础理论之一。不过这一理论仍无法解释一些问题,比如一旦板块俯冲下沉而导致的结果、地球火山链的源动力等问题。     

海陆的变迁

世界地图里的秘密 板块构造学是一种成功地解释了大陆漂移现象的地质学理论,它认为地球的表面是一些大大小小的板块,在漫长的地质年代里,那些板块在地幔的软流圈卜缓缓地移动,于是地球的表面无时无刻不在进行着板块之间的分裂与碰撞,那些板块移动非常缓慢,甚至赶不上人类手指甲的牛长速度,然而这样的速度却注定了它们在2.5亿年以前呆在与现在完全不同的地方,海洋和陆地的分布也根本不是现在的这种模样.     

板块构造启动的时间和机制

板块构造是指位于对流地幔圈层之上的岩石圈的水平运动，主要由岩石圈在俯冲带的下沉作用所致。板块构造是一个典型的、非平衡复杂体系的自组系统(self organizing, far from equilibrium complex system, SOFFECS)，其驱动力主要来自热边界层(岩石圈)的反向浮力(negative buoyancy)，同时又受控于变形岩石圈与下覆粘性软流地幔的耗散作用(dissipation)。在太阳系内侧5个硅酸质行星中，板块构造仅发育于地球，这表明板块构造是硅酸质行星不太常见的一种热散逸方式。目前还不清楚这种构造活动和热散逸方式在地球上是从何时开始的。所有的硅酸质行星在形成初期可能都经历过一次短暂的岩浆海 (magma ocean) 阶段。行星固结后，静止盖层(stagnant lid)模式是行星冷却的共同途径，即行星表面形成了一个不易活动的固化盖层，此时内部的热量只能通过拆沉作用、热点火山作用和岩浆浅部侵位等方式进行逃逸。由于地球早期温度较高，通过减压熔融形成的岩石圈结构不同于现代岩石圈，即地球早期岩石圈由厚的洋壳和薄的岩石圈地幔构成。这种岩石圈要产生反向浮力需要非常长的时间，因此地球早期即便有板块构造存在，其规模也比较零星。只有当地球冷却到一定程度，扩张中脊下部减压熔融形成薄的洋壳且大洋岩石圈只需     

板块构造启动的时间和机制:理论和经验探索

板块构造是指位于对流地幔圈层之上的岩石圈的水平运动,主要由岩石圈在俯冲带的下沉作用所致.板块构造是一个典型的、非平衡复杂体系的自组系统(selforganizing,far from equilibrium complex system,SOFFECS),其驱动力主要来自热边界层(岩石圈)的反向浮力,同时又受控于变形岩石圈与下覆粘性软流圈地幔的耗散作用.在太阳系内侧5个硅酸质行星中,板块构造仅发育于地球,这表明板块构造是硅酸质行星不太常见的一种热散逸方式.目前还不清楚这种构造活动和热散逸方式在地球上是从何时开始的.所有的硅酸质行星在形成初期可能都经历过一次短暂的岩浆海阶段.行星固结后,静止盖层模式是行星冷却的共同途径,即行星表面形成了一个不易活动的固化盖层,此时内部的热量只能通过拆沉作用、热点火山作用和岩浆浅部侵位等方式进行逃逸.由于地球早期温度较高,通过减压熔融形成的岩石圈结构不同于现代岩石圈,即地球早期岩石圈由厚的洋壳和薄的岩石圈地幔构成.这种岩石圈要产生反向浮力需要非常长的时间,因此地球早期即便有板块构造存在,其规模也比较零星.只有当地球冷却到一定程度,扩张中脊下部减压熔融形成薄的洋壳且大洋岩石圈只需几十个百万年就可以产生反向浮力时,才能形成与现今风格相似的、可持续性的板块构造.板块构造启动时间的认识最终取决于人们对相关地质记录(事件)的研究成果.板块构造的判别依据包括蛇绿岩、蓝片岩、超高压变质带、榴辉岩、被动大陆边缘、转换断层、指示克拉通陆块移动轨迹的古地磁研究以及岩浆岩地球化学和同位素构造判别等等.对地质记录的解释必须综合各方面的信息.本人认为现存的地质事件记录了地球构造随时间演化的过程,即太古代时期构造和岩浆活动剧烈,大约在1.9 Ga时开始出现近似的板块构造,在新元古代才开始出现与现代相似的、可持续的、具有深俯冲和板片拖曳特性的板块构造.     

500万年后的地球新物种

严酷的生态环境会如何影响生物进化呢?有科学家对500万年后的地球做了一个描述。500万年后,地球将再次进入冰河期,全球将变得异常寒冷,阳光成了转瞬即逝的奢侈品;在板块构造的运动下,非洲向北漂移与欧洲融为一体,地中海因雨量匮乏变得干涸;曾是     

神秘的金星

金星是地球的近邻“姐妹行星”,它们的大小和质量相当。早先曾推想金星有类似于地球的生机环境,甚至存在生物。但近半个世纪的探测表明,金星是跟地球差异甚多的神秘奇特世界。例如,金星与地球的自转方向相反(逆向自转),且特缓慢,金星的一昼夜相当于116.75(地球)日,不到两昼夜就度过一金星年--“度日（昼夜）如年”;它被浓密的大气和云层笼罩,难见表面的“庐山真面貌”,表面气压达93 bar(1 bar=100 kPa),强烈的温室效应使表面气温达467 ℃,酷热而干燥的环境显然不会存在生物;60%表面高程差不超过500 m,仅5%表面高出2 km;跟有古老而严重陨击的月球和水星不同,金星整个表面似乎都是地质上年轻的,陨击坑少,而火山地貌占主导,平均年龄可能不超过5亿年,几乎90%的表面是固结的玄武岩浆,到处有熔岩流和各种火山,断裂和断层交割景观,但没有地球那样的板块构造特征,也没有海洋和河流。金星的很多秘密还需要进一步探测研究。     

板块构造学说向何处去?

板块构造的概念彻底引起了地学革命。自一百年以前的这个星期,Alfred Wegener诞生之日开始出现的一连串学说的下一个将是什么呢? 板块构造的概念认为地球表层(岩石圈)是由六块或更多一些的大板块组成的,这些板块聚合、分离或走向滑动。这个理论假定每一板块以一个刚性单元活动,仅仅可能在边缘发生变形。地球的一些最     

新十年科学大洋钻探——照亮地球的过去、现在和未来

新十年国际大洋发现计划(2013-2023)以探索深部了解整个地球系统为目标,围绕气候与海洋环境、深部生物圈、地球内部与表层连接、灾害与观测等四大科学主题,预测未来,预警灾害,提出了14个前沿科学问题。继板块构造学说掀起地球科学领域的一场革命之后,科学大洋钻探将触发地球科学领域新的革命。     

制造地震和火山的可怕地方/大陆漂移说从魏格纳的意外发现说起

世界上绝大多数的地震、火山和海啸都产生于板块相接的地方,也正是在这些地方,地球的暴怒达到了顶点。那么,板块构造是怎样发现的呢？     

现代地学革命中的科学方法和人才构型

1961年,美国学者赫斯(H.H.Hess)提出了“海底扩张说”,自此,以“板块构造学说”为标志的地学革命迅即在全世界传播。这场革命,为地球科学在其科学方法和人才构型方面带来了怎样的深刻变化呢?     

揭开火星陨石之谜

20世纪80年代科学家已掌握了可靠的证据证明降落在地球上的一些陨石来自火星:通过对被幽禁在这些岩石内的气体进行分析发现,它们与1976年海盗号飞船探测火星时其着陆器对火星大气的测量结果一致.这些岩石一定是当小行星撞击此红色行星时从火星表面炸出,并在太阳系内游荡了几百万年后坠毁在地球上的.但美国亚利桑那大学的     

地球和行星科学

近二十年来,地球是个动力体,是个受其内热驱动的发动机的说法,已为地球科学界所普遍接受。该动力论的主要地表显示是地球外壳的裂解碎片,以及后来这些碎片之间的大规模的水平运动。驱动力是地球内部的对流,但关于该对流的性质及地球的内部组成,则尚有许多问题亟待探讨和解决。其他类似地球的星球亦有曾是热球的迹象,但它们的表面表现出长期的稳定性,没有存在持续对流的证据。     

地球内部的探索者

这里发表的两篇文章,意在向读者提供有关地球科学史上的新旧思想之间的一场激烈争论的概况。板块构造理论的先驱者,德国地质学家A.魏格纳早在本世纪初就提出大陆漂移理论,不过当时遭到了激烈的反对。直到六十年代才得到证实,这应归功于加拿大地球物理学家J.T.威尔逊。然而,当板块理论风靡全球时,苏联的地质学家别洛乌索夫则认为“这个假说不能接受”。他还武断地说“太西洋周缘不存在任何漂离的”现象。那么,板块构造理论到底怎样?请读者把这两篇文章看完,就会明白谁对谁错了。     

《地球系统与演变》:未来地球科学的脉络

<正>可能源于科学自身的规律,地球科学的主旋律每隔二三十年就会发生一次大变革.二十世纪六七十年代以地球固体圈层运动规律为主攻对象的板块构造研究,导致板块理论的诞生,被认为是可与相对论、量子力学和分子生物学的产生相提并论的自然科学重大突破,也极大地推动了矿产资源和灾害等问题的解决.20世纪80年代开始的全球变化研究,是地球科学的另一主旋律.它主要以地     

火星上有生物吗?

现在的火星表面是一个十分干燥、非常严寒的大沙漠。但是有证据表明,过去的火星曾经存在大量的液态水,不仅有河流、湖泊,甚至还可能有海洋。那么,火星有液态水的时期究竟是什么时期呢？应该是在火星历史的早期,可能与地球上首次出现生命在同一时期。既然那时地球上和火星上都有水,而     

大洋钻探引航地球科学

<正>8月,在厄瓜多尔沿海,科学家正在搜寻海底两个狭长钻探洞中聚集的微生物。此次巡航,是大洋钻探长达50年历史中最近的一次,科学家乘上了传奇的研究船乔迪斯·决心号。大洋钻探已经彻底改变了地球科学,它帮助研究人员确认了板块构造理论,发现了海洋地壳深处的微生物,探索了地震和海啸的潜在风险。但     

地球内部在进行着什么样的运动?

尽管板块构造学解释了地球的地质情况，但是它仅仅解释了关于地球表层的问题，地球深处正处于什么样的状态？为什么会是这样的状态？这些问题是我们必须解答的：在距地表6300千米深处以下的板块结构主要是岩石和铁，岩石与铁相融和搅动是地球热力发动机的内部情况。构造板块的活动影响着地表，好比是钟表移动的时针和分针在告诉人们时间，它们由默默运行着的机械驱动着。     

在宇宙中寻找"生命行星"

<正>发现"氢行星"假若你在太空使用望远镜观测地球,你就有可能找到地球表面存在生命的证据。你会从光谱中发现地球大气中存在丰富的氧和甲烷。氧具有高度的活性,能将甲烷氧化成水和二氧化碳,是绿色植物在光合作用中产生的副产品。甲烷则暗示着生命的存在,一小部分产生于地壳缓慢的地质学过程,大多数是各种古老微生物的排放物,还有一些来自于沼泽、农作物及动物的消化过程。     

海底黑烟囱--远古海底世界的模板

海洋,地球资源的大宝藏,在陆地资源日益枯竭的今天,将越来越成为人类未来生产和生活的依靠.从海洋中引发的许多问题和思考,还促进了科学理论和技术的不断向前发展,如板块构造理论,就是在对海洋的研究中不断完善和发展起来的.