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海底扩张学说是陆地板块漂移的驱动力吗?似乎说不通-巧合系列23

2024-10-13科学

【山海经】专题连载已经全部完成,继续更新上册全球历史和地球物理的分析内容,接续【巧合?!】系列上册22

在前面的连载文章中,通过历史、考古、科考证据等推理出早期历法变化、小行星撞击引发公元前3049年全球性史前大海啸、地球转速及自转轴突变、陆地板块环状结构的形成、陆地和海洋板块的高速漂移运动、盘古大陆至今的板块运动及相对位置、气温气候、海平面、动植物、自然灾害等一系列地球和人类历史的变迁过程。

其中,陆地和海洋板块漂移运动都涉及到驱动力问题,本书都是采用 地球自转离心力和太阳、月球引力为驱动力 进行解释的。然而,目前对于陆地板块的漂移驱动力,有观点认为源于 海底扩张学说的大洋中脊驱动力或地幔柱扩张驱动力 ,也就是指:将大洋中脊或地幔柱因岩浆上涌向两侧扩张的过程作为驱动力,推动海洋板块扩张从而带动陆地板块漂移。

真是这样吗?从非洲、澳洲、印度板块分裂后独立漂移时期约0.16-0.27米/年的漂移速度远远超海洋板块约0.01-0.1米/年来看就不合理,更不要说陆地板块曾以最大2.3908公里/年的高速漂移(见巧合系列连载18),是海洋板块扩张速度的几万倍,不可能是大洋中脊或地幔柱扩张驱动。就这个问题我们来深入分析研究一下。

第六章 海底扩张学说的修正与沿海造山运动

1、有关海底扩张学说中大洋中脊形成机制、运动特征、驱动力作用

上图是软流层能保存陆地板块磁异常历史痕迹的分析图(详见全球磁异常图或许验证了大陆环及非洲板块等偏转过程-巧合系列21),其中有海底扩张学说的岩层循环运动示意—— 海洋板块以大洋中脊为中心线像传送带一样向外侧循环运动(以下简称中脊循环推移) ,与本书前述根据牛顿力学原理推导的全球板块跟随地球自转的线速度差相对运动、趋向赤道的离极力运动、趋向太阳和月球引力最大位置运动、陆地板块环状结构(即大陆环)保持自转对称平衡的偏转运动等至少四种模式都不相同,作用效果应该同时发生。

那么问题来了,即使全球板块处于变化微小的稳定态,海洋板块整体与陆地板块依然至少存在牛顿力学作用力下自转线速度差、离极力外部引力所导致的挤压位移,也就意味着海洋板块必然整体向东侧和向赤道侧的陆地边界发生俯冲消减。然而,海洋板块又不像陆地板块一样内部岩石物质的位置基本恒定不动,如果不考虑两侧陆地板块的俯冲消减,则 中脊循环推移会造成海洋板块的宽度不断增加,以下简称为增生速度 (注明:实际宽度因消减可能增加、减少或不动,看综合作用情况)。如果大洋中脊在一侧的增生速度能抵消掉该侧「海洋板块整体位移+中脊循环推移」两者叠加的俯冲消减速度,则大洋中脊不会移动;如果增生速度小于俯冲消减速度,则大洋中脊向该侧陆地移动;大于则反向移动。那么,那么大洋中脊到底移动没移动呢?

这个问题还要结合大洋中脊又是如何产生的呢?从非洲板块、澳洲、印度板块漂移路线(如下图3条紫色箭头)来看, 大洋中脊恰好出现在漂移之后陆地之间的海洋中央位置,大洋中脊总不能原本就在陆地板块的位置上,所以足以说明大洋中脊必然源于海洋板块与陆地板块的相对位置变化而产生 ,但产生的机理又是什么呢?

1)太平洋区域板块中脊产生、漂移及循环推移情况分析

非常明显,上图中北美板块西侧约一半的太平洋区域都是原来太平洋中脊循环推移的横向条纹痕迹,但图中 白色实线示意的中脊段,大部分已经俯冲到北美板块的下面消失了,说明太平洋中脊在向东移动,也没有新的中脊形成 。

而且,图示 白色实线箭头的海底地表有明显不同于中脊循环推移常态地貌的凸起轨迹,明显是中脊断裂错位处因两侧岩层移动速度不同,错位摩擦导致部分岩石物质向上堆积和裂缝处岩浆上涌冷却叠加所形成 ,也就由此遗留下中脊断裂错位处的历史移动轨迹,也代表了太平洋中脊及板块整体的移动方向。 断裂错位应该源于亚澳陆桥海洋挤压带不断推移的影响,导致在与不在海洋挤压带推移方向上的不同太平洋岩层产生了移动速度差,迫使中脊切开断裂而各自移动

最关键的是,太平洋中脊及板块整体的移动方向与约8300万→公元前3049年前期间地球的自转方向比较接近,且整个太平洋中脊移动至今天的半圆形状也是接近垂直于古赤道的弧形对称,并明显与南、北美板块的边缘形状类似。由此可以推断出: 太平洋中脊应该是太平洋海域板块与南、北美板块因跟随地球自转的线速度差导致相互挤压、形变断裂所产生,产生时间在距今约8300万年前之后的形变积累至断裂时,并开始向古自转轴的东向整体持续漂移。 原太平洋中脊形成时的位置及形状推测在图中用紫色虚线示意。

太平洋中脊产生的力学原理如上图所示,类似于前述非洲板块挤压亚欧板块的形变隆起原理: 海洋板块受到陆地板块的阻力产生内应力,形变隆起逐渐断裂而形成岩石圈层的断裂带,断裂带粉碎的岩石物质向上堆积形成更明显得凸起,也就成了大洋中脊 ;同时,软流层岩浆也会沿着断裂带上涌,冷却后形成岩浆岩盖层加剧了大洋中脊的凸起高度,同时也形成了海底扩张学说的岩层循环机制。

海底地貌分析图中还有一个证据也表明了太平洋海域板块的整体移动。大陆环在约8386±49→8300年前期间的90度偏转产生了太平洋;同时, 大陆环从太平洋北部边缘最大7.4-27.06米/年的高速挤压也造成了太平洋北部产生大量的海底地表褶皱,也就是图示黄色虚线区域的原始形态 。之后不久太平洋中脊形成,又把这些褶皱区域整体向西推移消除。褶皱被推移消除的速度=中脊循环推移的速度-中脊向东远离的速度,由于太平洋中脊移动为球面运动,越接近古赤道则中脊向东远离褶皱区域的速度越大,而中脊循环推移的速度相差不大。这就造成越接近古赤道,因中脊远离褶皱区域的速度更快,对褶皱区域的推移消减量反而越小了。长此以往,最终形成了图中古赤道东西方向褶皱区域最长、越往东越窄且类似弧线消减的形态,即图示今天的黄色虚线区域地貌形态。

从地图测量来看,太平洋中脊及整体海洋板块的最大移动距离约5500公里, 按8300万年计算折合东向平均赤道处最大漂移速度约6.6cm/年 。叠加中脊断裂处至古赤道位置约3.3cm/年的中脊循环推移速度,折合 中脊西侧赤道附近的海底岩石圈为约6.6-3.3=3.3cm/年的向东位移,东侧赤道附近的海底岩石圈为约6.6+3.3=9.9cm/年的向东位移,与目前太平洋8-10cm/年的漂移参考数据一致 。

叠加中脊循环推移速度后的海底岩石圈漂移方向也可能是相反的 ,如图中北纬40度左右的中脊循环推移速度可能达到5.5cm/年,6.6×cos(40)-5.5=-0.44cm/年,即 中脊西侧北纬40度左右的海底岩石圈为约0.44cm/年的向西漂移 。目前放射性同位素测定海底岩石年龄一般不超过2亿年,推算太平洋板从中脊向外的推移速度约5-7cm/年,如果按照最大约7cm/年计算,海底岩石圈与海洋板块整体漂移方向相反的漂移速度会更大,可能达反向2cm/年以上。

这种情况很容易让人引起错觉,西侧亚洲陆地板块越往北越可能受到向西甚至向北的挤压力,而太平洋板块东侧向东漂移,很容易被人误以为太平洋海域板块在向西北方向漂移或逆时针旋转。 其实这是太平洋海域板块两种相反运动的叠加结果,海底岩石圈基于纬度的位移速度及方向公式为: 板块赤道处最大漂移速度×cos(纬度)-该纬度的中脊循环推移速度

2)为什么大部分大洋中脊都位于海洋的中心线位置?

然而,在海底地貌分析图中太平洋中脊断裂错位处的南侧海域,亚澳陆桥海洋挤压带的推移速度约9cm/年,海洋挤压带的形成时间可能比太平洋中脊的形成时间还略早,按理说推移太平洋中脊的速度应该比北侧6.6cm/年要快才对,为什么反而还慢了约1100公里的距离呢?

从地图上看,该段中脊恰好处于海洋挤压带顶端与南美-南极板块的海洋中间线位置,这会不会与大西洋中脊、非洲与南极之间中脊、澳洲与南极之间中脊、非洲与印度之中脊都处于海洋中间线位置有关呢?这又是为什么呢?

如果把亚澳陆桥的海洋挤压带也看作类似陆地板块作用,那么 中脊是否在海洋中间线位置的最大区别就是海洋宽度,其次就是受到的挤压力 。宽度和挤压力都意味着形变量差异,所以最大可能的合理解释就是:

第一, 中脊循环推移对两侧陆地形成挤压力,同样也对海洋板块产生反向的内应力 ;再加上陆地板块因线速度差、离极力、外部引力等(也包含亚澳陆桥海洋挤压带约9-6.6=2.4cm/年的推移)对海洋板块挤压产生的内应力; 内应力造成海洋板块受压形变,在一定宽度下,形变最大位置在中间线位置

第二,如下图所示, 海洋宽度越窄,原中脊位移后,受压形变导致海洋板块从中间再次断裂形成新的中脊,旧的海洋中脊跟随岩层的循环推移沉降为普通海底,但会保留痕迹。即中脊的位置并不跟随海洋板块的整体漂移而位移,而是通过不断断裂产生新中脊从而始终保持在海洋中心线位置 (也可以看作中脊相对于海洋板块整体漂移的、对等的反向位移)。

而且,由于挤压产生的内应力和岩石物质结构都不可能均匀,也就导致 新中脊的形成会分段陆续断裂,且断裂位置在一定范围内会存在偏差距离,也就造成中脊形成不可能是圆滑弧线,而是类似方波或方形齿齿轮的形态。这或许就是目前岩石圈层板块-守恒型边界-转换断层形成的根源 (如下图所示)。

并且,每当一个新的中脊形成时,因海洋板块断裂翘起、碎裂的岩石物质挤压凸起、软流层岩浆上涌盖层等都会形成明显的海底地表凹凸形态,然后被中脊循环推移过程向两侧方向持续推移远离(如上图浅蓝色「中脊循环推移的沉降示意」示意),隔一段时期后又一个新中脊形成继续推移远离,形成循环;再加上一次次类似方波型的旧中脊也在间隔性出现并被推移远离,也就形成了海底地貌分析图中大洋中脊两侧的推移距离上,除了推移方向上的纵向痕迹,还有大量近似平行于中脊且错开的细密条纹痕迹。

大西洋中脊的推移痕迹

此外,世界磁异常图同样会留下最显著的历史痕迹,如上图所示,中间的白色实线为现在的大西洋中脊。西侧白色虚线应该是非洲板块约6500万年前撞击亚欧板块后产生的新中脊及其它区域原有中脊的活跃期记录,然后岩石圈推移至今天的痕迹。因为,虽然非洲板块漂移路线以外的大西洋中脊形成时间可能更早约8300万年前,但撞击会造成全球岩石圈裂缝活跃,岩浆加剧上涌会产生远超常态的、具备相同磁场方向的岩石盖层,所以会与新中脊一样形成撞击后同时期的显著磁异常特征痕迹,然后被中脊循环推移至今天的位置。

右侧浅蓝色虚线需要分析,按图示两条白线之间的距离测算,地图测距最大宽度约1200公里,按6500万年计算得出大西洋板块从中脊向外循环推移的速率约为1.85cm/年,间距小的位置约1cm/年,与目前主流观点推测大西洋中脊的扩张速率1-2cm/年大体一致。从蓝色虚线的对称性来看,最大概率也是中脊循环推移的痕迹,但由于缺少资料不确定大西洋板块整体的漂移速度,也就无法排除是否存在中脊向东漂移的痕迹有所重叠,图示黄色虚线也有可能是旧中脊向东漂移的痕迹,需要更多线索才能分析确定。

第三, 海洋宽度越宽,则内应力形变范围也越宽,形变程度变小。如果挤压形变程度达不到重新断裂产生新的中脊,则原有中脊就会跟随海洋板块整体漂移而位移。 这应该就是太平洋海域板块在中脊断裂错位处北侧的情况,中脊向东漂移且并无新的中脊形成。而且,挤压造成的内应力同样会让原有中脊的脆弱地带继续碎裂而产生类似方波或方形齿齿轮的形态,也就同样产生近似平行于中脊且错开的细密条纹痕迹。

3)大洋中脊的产生和位置移动取决于陆地板块挤压的内应力和海洋宽度?中脊驱动力相对牛顿力学的驱动力很小,只有在稳定态时才会有较明显的体现?

从上述分析可以看出, 海洋的宽度和海洋板块的内应力存在临界点,超过临界点才会形变断裂而产生新的中脊,并通过不断产生新的中脊,来保持中脊处于内应力最大的形变位置不动;否则不会产生中脊,如果原来有中脊也会随着海洋板块整体一起漂移

同时,没有中脊就没有中脊循环推移的驱动力,那么问题来了,岩石圈层和软流层的热对流能自行产生中脊裂缝吗?

从太平洋中脊断裂错位处北侧区域(没有新中脊形成)的运动形态来看,即使有海洋与陆地板块间线速度差导致的内应力叠加,依然不可能产生新的大洋中脊;而且海洋中有大量不同位置的海岭,同样也是贯穿软流层的裂缝,但都无法形成中脊及中脊循环推移过程。这也就意味着 必然有其它作用力一直刺激大洋中脊裂缝的活跃状态,在全球板块相对恒定的稳定态时,只能源于跟随地球自转的板块线速度差相对运动、趋向赤道的离极力运动、趋向太阳和月球引力最大位置运动三种牛顿作用力所产生,仅凭热对流是无法自行产生和保持中脊的

还有, 中脊循环推移约1-7cm/年仅仅是海洋岩石圈层像「传动带」一样的自身循环速度,并不是挤压驱动两侧陆地板块的漂移速度 ,否则怎么会有海洋板块向陆地下方的俯冲消减呢?所以,「海底扩张学说」中对于陆地板块运动的驱动速度要减去俯冲的消减速度,必然远远小于1-7cm/年。即大洋中脊扩张推力并不是陆地板块漂移驱动力的最大、主导根源,只能说一种很小的辅助驱动力。

从本书通过简单的牛顿作用力就可以推导出盘古大陆至今全球板块的变化过程就可以看出, 海底扩张学说的驱动力主要体现在海洋板块岩石圈层的自身循环上 ;对于陆地板块的驱动力很小且基本恒定,不像牛顿力学作用力在稳定态和非稳定态变化巨大。海底扩张学说的驱动力只有在全球板块处于相对位置恒定的稳定态时,才能和板块间线速度差和离极力漂移速度差同量级而有所体现,在如独立板块漂移、大陆环偏转、地球板块自转质量不对称整体漂移等非稳定态时完全可以忽略。

4)海底地貌图中的其它发现

上面的海底地貌图中还可以发现以下板块间相互作用的历史痕迹:

(1)图示亚欧板块与澳洲-南极板块紫色虚线可能是「澳洲板块分裂漂移前的大洋中脊」。

(2)印度洋板块西侧垂直部分的中脊北部处于印度与非洲板块的中间线位置,应该形成于印度板块撞击亚欧板块约5000-5500万年前之后;中脊南部处于非洲与亚澳陆桥中间线位置,应该形成于非洲板块撞击亚欧板块约6500万年前之后。

(3)印度洋板块东侧还有一条大海岭叫Ninety East Ridge(海底地貌图及下图放大图橙色所示),它实在太直了,跟今天所有周边陆地边缘都不匹配。然而,对应该区域的、未碎裂前的亚澳陆桥边缘近似直线,如下图大陆环偏转方向所示,所以最大概率是约8386±49→8300万年前期间90偏转挤压导致的海洋板块裂缝,由于杠杆原理,扇形旋转越接近旋转轴的挤压力越大,所以裂成了一条笔直的斜线。此外,不排除该斜线海岭被新的大洋中脊向东有少量推移。同时也再次说明,大陆环90度偏转相对亚洲所在半球可能为顺时针旋转,因此盘古大陆的质心最大可能在南极点。

特别注明,由于地貌图是固定的,图中赤道相对与地球其实没动,只是板块偏转造成了赤道的相对位置移动。

5)有关海底扩张学说中大洋中脊形成机制、运动特征、驱动力作用等修正观点的总结

根据上述大洋中脊的形成及运动变化、海洋板块整体漂移、中脊循环推移过程等详细分析,可以总结出地球物理体系中与海底扩张学说相关的几个重要理论推测:

第一,大洋中脊的初始形成源于板块之间跟随地球自转的线速度差、离极力导致的速度差、趋向太阳-月球引力最近点位置的运动变化、陆地板块环状结构即大陆环自转平衡的运动变化(包含陀螺和杠杆力学原理)四种牛顿力学作用力,而稳定态维持大洋中脊需要前三种作用力来保持中脊裂缝的活跃性。

第二,大洋中脊能否形成及位置是否变化,取决于海洋岩石圈层的宽度和内应力形变两个因素。如果超过形变断裂的临界点,则海洋板块从两侧陆地之间海洋的中间线位置断裂,可以形成新的大洋中脊。且大洋中脊及海洋板块整体因线速度差、离极力等作用位移时,通过不断在形变最大的中间线位置断裂而形成新的中脊,从而保持中脊始终处于中间线位置基本恒定。未超过形变断裂的临界点则无法产生新的大洋中脊,如果有旧的中脊也会跟随板块整体漂移。

切记:中脊移动和中脊位置移动是两个不同概念,旧的中脊始终在漂移,但可以通过不断产生新中脊的而位置不动,相当于一个中脊自身的循环再生过程。

第三,由于挤压产生的内应力和岩石物质结构都不可能均匀,也就导致中脊会分段陆续断裂,并在在一定范围内会存在距离偏差,形成类似方波的形态,最大可能也是目前岩石圈层板块-守恒型边界-转换断层形成的根源。

第四,「海底扩张学说」中大洋中脊循环机制(即中脊循环推移过程)的驱动力集中体现在海洋板块自身的岩石圈层循环上。对于陆地板块的驱动力很小且基本恒定,仅在全球板块处于相对恒定的稳定态时,才能跟板块间线速度差、离极力速度差同量级而有所体现(各驱动力大小比例还需研究确定)。在独立板块漂移、大陆环偏转、撞击导致自转不平衡等非稳定态时,相对于牛顿力学作用力完全可以忽略。

第五,稳定态时,海洋板块的局部速度和方向取决于整体漂移运动和中脊循环推移运动叠加的结果,同一侧海洋板块的推移方向在不同区域可能是相反的,并不代表海洋板块在旋转。

综上所述,「海底扩张学说」虽然带有「扩张」两字,但并不代表海洋真的在扩大! 其实道理很简单,如果全球海洋都在扩张,怎么没见陆地板块面积减小呢?!而且如果大洋中脊对陆地板块的驱动力很大,非洲板块漂移之前的东侧海洋的大洋中脊推动力是反向的,非洲板块怎么会向东漂移呢?因此, 海底扩张学说的驱动力主要体现在海洋板块自身循环上,对陆地板块的驱动力很小,陆地板块驱动力仍以牛顿力学作用力为主导。

(未完待续,下一帖论述: 海洋板块与陆地板块之间的挤压作用导致了沿海造山运动?

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