板块构造运动是如何启动的，来源于地热？

作者：李莉 大连理工大学

前言

海枯石烂，沧海桑田，是情人们三生三世的美妙情话，但对于46亿年的地球来说，则是它地核炙热的内心和顽强生命力的体现。滚烫的生命力从来不曾停歇，超大陆分分合合，合合分分，造就了当今世界七大洲的版图。广袤的太阳系当中，月球与地球有着相似的年龄，为我们的夜色增添了不少光彩，现在也以每年5厘米的距离，远离地球而去。1912年德国地质学家魏格纳提出的"板块漂移学说"，让我们认识到原来沧海桑田不是偶然，那么塑造地球表面形态的"板块构造"的驱动力究竟来源于哪里呢？是地球内部滚烫的生命力-地热，还是月球等其他行星对地球引潮力的变化引起的呢？

图1 太阳系的八大行星均为岩石行星

地球的诞生

地球为何会成为生命的摇篮？地球诞生之初，跟现在有什么不同？
关于地球起源有很多理论和假说，最主流的认为地球和其他太阳系行星一样，是由太阳系早期尘埃和气体混合形成的，他们围绕着太阳系不停的旋转，最终他们从微小的尘埃颗粒冲撞汇聚成石块，变成巨石，然后成为更大的"小行星"。早期的地球变得越来越大，越来越重，小行星和陨石撞击也使得地球内部越来越热，这也是地球初始热量来源。在地球诞生之初，有许多半衰期短的放射性元素，这些元素很久以前就衰变成了稳定的材料，但它们一开始释放出了大量的热量，并持续给地球加热，这也造就了温度高达4000-6800摄氏度的地核温度，堪比太阳的温度。美国地球物理学家玛文·亨顿（J．Marvin Herndon）在他的理论中提到，地球犹如一个天然的巨大核反应堆，放射性元素集中在距离地球表面3000公里深的地方，通过天然的衰变和核裂变放热，这是热量的第二来源，也是主要来源，也是导致地球产生磁场的原因，为火山和板块构造运动提供热源。有科学家认为，地球与太阳月球和其他行星等天体之间的潮汐摩擦加热，也是一种热源。随着时间的推移，地球表面逐渐冷却，形成了我们现在认识的地壳、地幔和地核。

图2 初生的地球很热

地球的年龄

克莱尔·帕特森《陨石和地球的年代》

炙热的地球，又是什么时候变成了适宜人类居住的星球的呢？我们知道地球上的地质作用是极其缓慢的。相对于人类短暂的一生来说，地球可以被认为是"无穷老"，那么它究竟有多老？1785年，现代地质学之父詹姆斯·赫顿（James Hutton）在《地球的理论》中说道，地质现象可以用今天看得见的自然过程去解释，这些过程一直在缓慢进行着，看不到开始，也看不到结束。赫顿的这一话语，也启蒙了后来众多的人，让我们从一块岩石中，去寻找地球的历史。
遵循着这样的逻辑，19世纪末至20世纪初的科学家，发现了放射性元素，1903年居里夫人等人因发现了放射性元素镭而获得诺贝尔物理学奖。同年，卢瑟福发表论文指出：对每一种放射性同位素来说，任一时刻放射性母体同位素的衰变速率都和当时的母体剩余量成正比，这个比例系数是恒定的，称为"衰变常数"；每种同位素衰变到最初总量只剩一半时所用的时间也是恒定的，称为这种同位素的"半衰期"。
放射性元素的发现，对于地质学有着意想不到的重大意义。美国的地球化学家克莱尔·帕特森（Claire Patterson）博士期间跟着导师布朗教授，研究关于陨石中铅同位素含量测定和计算。他的导师布郎教授推导出了定年背后的数学原理：铀235和铀238都会按照各自不同的概率发生一系列的衰变，分别成为铅207和铅206.所以理论上，只需要知道一个样品里现在有多少铅和铀，以及形成的时候有多少铅，就可以得到它的年龄（如图3）。导师跟他说，只要按照这个方法一定能测算出地球的年龄，因此博士毕业若干年后帕特森依然对于测算地球的年龄念念不忘。但是寻找跟地球同时代的陨石，是一项艰难的工作。1956年，他发现了来自亚利桑那州恶魔峡谷陨石（Canyon Diablo）的样本，这是一块有着跟地球初始状态相近的陨石，他迫不及待的拿到芝加哥大学的阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory, ANL）做同位素的衰变测算。阿贡国家实验室曾经是"曼哈顿计划"的试验基地，有世界上最先进的质谱仪。实验结果很快就出来了，45.5±0.7亿年。这就是地球的精确年龄值，50年后的今天依然被认为是最接近地球年龄的测试。
来自太阳系轨道中的陨石，帮助我们认识地球的诞生；地球内部的放射性元素的衰变还在无休止的进行着。

图3.238U的衰变链，最终产物为206Pb

板块漂移

阿尔佛雷德 魏格纳《大陆和海洋的起源》

另一位具有强烈好奇心和探索精神的德国地质学家，阿尔佛雷德 魏格纳（Alfred Wegener），1912年提出了"大陆漂移说"。他通过比对非洲和南美洲的地形轮廓（如图4），发现他们的外轮廓如此相似，并且南非有一条从东到西走向的山脉可以跟阿根廷境内的一座山对接起来，从而设想大陆在某个时期应该是一个完整的大陆。同时魏格纳也用化石来证明他的观点。舌羊齿是2.5亿年前的一种蕨类植物，在非洲、南美洲、澳大利亚、印度和南极洲都发现了舌羊齿化石。舌羊齿分布在这样广大的区域内，魏格纳由此确信这些大陆曾是一个整体。因为，舌羊齿的狍子体不可能跨越大洋进行远距离迁移，因为一方面它的"种子"太大，不能随风漂移；另一方面它容易破碎，不可能漂洋过海。那么舌羊齿为什么能在这样广阔的区域内生长呢？魏格纳由此推断，这些大陆在当时曾连成一个超级古陆。

图4 非洲和南美洲的轮廓拼接图

那么又是什么原因，引起板块漂移，形成我们当前的七大洲四大洋的世界版图格局呢？魏格纳等进化论者认为，盘古大陆在天体引潮力和地球自转所产生的离心力的作用下，破裂成若干块，使得地壳在软流层（温度高达1300度的地幔层）上分离漂移，整个板块移动过程非常缓慢，这一过程经历了5.4亿年之久。那么板块漂移真的如进化论者所说的是由于地球自转和天体引力作用吗？其过程是否真的那么缓慢和渐进呢？如果这块"超级大陆"被其他天体的引力吸引，那么它很可能会整体漂移，可能不会分散成今天的七大洲。那么"地球板块的撕裂"一定还有更深层次的原因。
倘若地球表面的海水被抽干，裸露在外的海底地貌，能证明大陆板块漂移学说吗？那时的魏格纳，一定未曾想到世人在研究板块构造运动的路上，从未止步。从1957年公开的第一张海底地图"北大西洋地形图"，第一次让公众看到了大洋中脊，海沟，以及大西洋周围的火山圈。到目前不断完善的海底地图（如图5），让我们能重新思考板块构造运动和大陆漂移学说。

图5 被抽干海水的地球地貌---大洋中脊（Earth Without Water (eastgbg.se)）

从最新公布的海底地形图上，可以看到海底长达8万公里的裂谷系，长度足以环绕地球两圈，形成了巨大的海岭，或称洋中脊。整个海岭的面积，约占海洋面积的1/3。洋中脊也是火山最活跃的地带，这些海底火山带的规模宏大，特别是环太平洋火山带。部分火山带今天仍在缓慢活动。最著名的"大西洋海岭"，几乎从北极区延伸到南极区，长达1.5万公里，宽500-900公里，相对高度达2-3公里。

图6 海底地壳移动方向与大陆漂移的方向一致，请留意上图中的箭头（引用知乎）

现代科学发现，通过洋中脊附近的岩石年代测算，红色部分代表最年轻的岩层，黄色代表比较年轻，绿色次之，蓝色表示相对古老的岩层。也就是说，这些沿着洋中脊分布的火山都是沿着海岭在过去某个时间同时爆发的。可以说，海岭是板块构造的铁证。
从图6中可以看出，海岭的形状与大陆分裂的形状很吻合，海底地壳移动的方向与大陆漂移的方向也比较一致（图中箭头），表明海洋地壳的扩张和运动就是推动大陆发生分裂和漂移的主要力量。图7展示了海底火山喷发，形成海底洋中脊，熔融岩石不断涌出，造成洋壳俯冲入大陆板块。火山喷发出就好像水波中心，熔融的岩石就像水波一样，一层一层推动大陆板块的移动。

图7 海底火山集中喷发造成海洋板块和大陆板块碰撞

冰岛变成了"海岭"上独树一帜的存在。在大西洋海岭的北部，由于火山活动不断加强，火山熔岩不断冷却堆积，最终使之出露海面，成为了一座岛屿，演变成一个国家。目前岛上仍然有两百多座火山，其中有四十多座活火山，火山活动十分频繁，地热能非常丰富。当今的我们，人人大谈"可再生能源"，像冰岛地下这些巨大的地热能，就是最渴望的真正可再生清洁能源。

地球大伤疤

在非洲大陆的东侧，有长约数千公里的裂痕，几乎将非洲大陆撕裂开来，它也被称为地球上最大的伤疤。东非大裂谷，分为东西两支（如图8）。西支裂谷沿维多利亚湖西侧由南向北，一直到苏丹境内的白尼罗河附近。规模比较小，全长约1700多公里。东支裂谷是主裂谷区，沿维多利亚湖东侧，向北直抵红海，再由红海向西北方向延申到约旦谷地，全长约6000公里。这里的裂谷带，宽约几十到200公里，谷底大多比较平坦，裂谷两侧是陡峭的悬崖，高差从几百米到2000米不等。板块构造理论认为，大约3000万年以前，地壳板块发生构造运动，火山剧烈喷发，形成了这条裂谷雏形。在裂谷两侧排列着众多火山，乞力马扎罗山和肯尼亚山最为有名，其中乞力马扎罗山又成为"非洲屋脊"。

图8 东非大裂谷的东西两支

东非大裂谷是"红海-亚丁湾-东非裂谷"，这个三叉裂谷带上发育较晚的那一只。红海-亚丁湾属于新开裂的大洋，而东非大裂谷位于非洲板块内部，三者恰好形成了夹角接近120度的裂谷。那么这样的裂谷模式，只是巧合还是拥有一定的科学原理呢？
回到大裂谷和红海，红海在张裂成板块边界之后仅有很窄的洋中脊，同时几乎没有形成洋壳。只有亚丁湾有一段洋中脊，形成了洋壳（见图6）.也就是说红海和东非大裂谷现在还没有发育成可以自行张裂的洋中脊系统，仍需要地幔深部热点的催化才能继续裂开。那么东非大裂谷，是否会在漫长的岁月里分裂为新的大陆，如演示图9，将需要更多的证据。

图9 东非大裂谷未来可能漂移出新的大陆（参考星球科普局）

地球热平衡

张祖还教授 放射性产热

张祖还先生是我国著名的铀矿地质学和同位素地质学专家。他曾在1986年出版的《矿物岩石地球化学通讯》撰文指出，地球内部天然放射性元素在不断衰变过程中所产生的地热能对地壳运动和地球演化必然发生重大影响，甚至是决定性的影响。他认为衰变所产生的热量是非常巨大的。根据他的计算，如果没有一种有效的放热机制，放射性衰变的产热，只要经过几亿年的积累，就可使整个地壳达到溶化程度。
张祖还教授认为，之所以没有出现这种情况，是因为地球内部热量在积累的同时，又通过各种不同渠道不断向地球外部释放。这些释放的方法主要包括：（1）热量不断通过热传导向地表释放；（2）由于地幔对流和地幔物质上涌，通过洋中脊、大裂谷、深大断裂山以及岩浆活动、火山活动和热泉外溢，使地热大量向地球外部释放;（3）地热能转为机械能，引起板块活动、褶皱、断裂、地震等；地壳深部的区域变质也可能消耗一部分热能。
张祖还教授进一步指出，地球内部存在地热积累和释放不同周期。在"积累周期"，地热积累速度比较均衡和缓慢，延续的时间也比较长，属于量变过程，代表地球相对稳定时期。当积累达到一定阶段，原来相对平衡状态遭到破坏，就会引起质变而发生矛盾转化从而进入"释放周期"，这时地热释放速度往往剧烈而迅速，表现为火山活动、岩浆活动、地壳运动和地震活动等，延续时间比较短暂，代表地球相对活动时期。每一次全球性的地壳运动，都会造成地热的大量释放。当地壳运动趋向平静后，转入以地热积累为主周期，往往地表相对寒冷，从而引起全球性冰期的出现。

地球大龟裂

唐春安教授 地球大龟裂

在众多地球热释放的机制中，最有效的方法，一定是全球尺度的岩石圈大破裂。我国一位痴迷龟裂问题研究的岩石力学专家唐春安教授，基于龟裂现象的跨尺度效应，提出了一个新的地球演化新说：地球大龟裂。这一假说对地球的热释放机制提出了一种全新的模式。
唐春安教授在研究龟裂时好奇地发现，6亿年前的细胞分裂化石龟裂图像（图10左），与农村孩子们手上玩耍的泥巴砣干裂图像（图10中），如出一辙。除了尺度不同以外，两者的龟裂图像如此地几何相似，由此联想到超大陆裂解（图10右）的重构图像，使他大胆地假设，地球的板块构造可能就是一个符合力学原理的地球大龟裂。

图10 龟裂的跨尺度性

唐春安教授运用他团队开发的一款岩石破裂过程分析RFPA软件，模拟分析了球壳内部升温膨胀造成的破裂，成功再现了球壳表面的龟裂过程。这一结果对于早期板块起源的解释，很快得到了学界更多专家的关注，最终得以在《Nature Communications》发表，还引起了数十家国内外主流媒体的评述性报道或转载，并被收入国际《地质学百科全书》。
尽管板块构造假说已家喻户晓，但到目前为止，板块究竟如何形成，板块构造究竟如何启动，仍然是未解之谜。唐春安教授认为，早期地球的岩浆海在冷却过程中形成坚硬岩石圈，从而阻碍地球内部热能的有效释放，引起地球回暖膨胀，最终导致岩石圈快速破裂成多个板块，从而为地学界悬而未决的板块起源问题给出了一种基于力学原理的新解释。同时，地球大龟裂也为地球的热释放提供了一种全新的解释模式。基于地球大龟裂新说，我们可以更好地理解，地球的演化史，就是一部地球在热驱动下破裂演化的损伤史，是一部地球热能在岩石圈聚合和裂解过程中不断积累和释放的渐进衰变演化史。

图11 基于岩石破裂过程分析系统（RFPA）模拟球壳龟裂，左图为位移分布，右图为应力场分布

参考文献：

1. Claire Patterson, Age of meteorites and the earth, 1956
2. Alfred Wegener, The Origin of Continents and Oceans, Alfred Wegener, 1912
3. Map, Earth Without Water (eastgbg.se)
4. Heezen and Tharp's, Physiographic Map of the North Atlantic, 1957
5. 张祖还，地热积累和释放与地壳运动和地球演化的关系，《矿物岩石地球化学通讯》，1986 年第 2 期.
6. C.A. Tang, A.A.G. Webb, W.B Moore, Y.Y. Wang, T.H.Ma & T.T.Chen, Breaking Earth's shell into a global plate network, Nature communications, 2020