高中地球科学/板块构造理论

魏格纳的大陆漂移假说有很多证据支持，但由于他关于大陆如何移动的理论被证伪，它在很大程度上被抛弃了。与此同时，科学家们提出了解释不同大陆上的化石位置（陆桥）和跨洋岩石序列的相似性（地槽）的解释，这些解释变得越来越繁琐。当海底扩张出现时，科学家们意识到，解释大陆漂移的机制已经找到了。就像我们之前的科学家一样，我们现在准备将大陆漂移和海底扩张的想法合并成一个全新的、包罗万象的理论：板块构造理论。

课程目标

描述什么是板块以及科学家如何识别其边缘。
解释地幔对流如何推动岩石圈板块运动。
描述三种类型的板块边界，以及它们是否容易发生地震和火山。
描述板块构造过程如何导致地球表面特征的变化。

地球的板块

现在你知道海底和大陆在地球表面移动。但究竟是什么在移动？换句话说，板块构造中的“板块”是什么？这个问题也由于战争而得到解答，在这种情况下是冷战。

虽然地震仪已经存在了几十年，但在 1950 年代，特别是在 1960 年代初期，科学家们建立了地震仪网络，以查看敌对国家是否正在进行原子弹试验。地震仪记录地震波。现代地震仪非常灵敏，能够探测到核爆炸。

在地震仪监测敌对国家原子弹试验的同时，它们也记录了地球上发生的所有地震。这些地震记录可以用来定位地震的震中，即地球表面直接位于地震发生地点的点。地震与地面的巨大裂缝有关，称为断层。断层两侧的岩石向相反的方向移动。

地震并非均匀分布在地球上，而主要集中在某些区域。在海洋中，地震发生在洋中脊以及深海海沟内和周围。太平洋盆地周围地震极为常见，并且经常发生在火山附近。太平洋周围地震和火山爆发的强度导致科学家将该地区命名为太平洋火环（图 6.12）。地震也常见于世界上最高的山脉——亚洲喜马拉雅山脉——以及地中海地区。

科学家们注意到，地震震中位于洋中脊、海沟和大型断层，这些断层标志着地球岩石圈巨大板块的边缘（图 6.13）。他们将这些巨大的岩石圈板块命名为板块。板块的运动后来被称为板块构造。一个板块可以由所有海洋岩石圈组成，也可以由所有大陆岩石圈组成，但几乎所有板块都是由两者的组合组成。

岩石圈被分成十几个主要板块和几个次要板块。板块的边缘可以通过连接地震震中来绘制。科学家们已经为每个板块命名，并确定了每个板块的运动方向（图 6.14）。板块以每年几厘米的速度在地球表面移动，与指甲生长速度大致相同。

板块如何移动

我们知道海底扩张推动岩石圈板块在地球表面移动，但推动海底扩张的是什么？答案在本章的第一课中：地幔对流。在这一点上，将对流单元想象成一个矩形或椭圆形会有所帮助。矩形的每一侧都是单元的一个肢体。对流单元位于地幔中。底部位于地幔深处，顶部靠近地壳。有一个地幔物质肢体沿矩形的一侧移动，一个肢体沿矩形的顶部水平移动，一个肢体沿矩形的另一侧向下移动，最后一个肢体水平移动到物质开始向上移动的地方。

现在想象一下地幔中有两个并排的对流单元。来自两个相邻单元的上升肢体到达洋中脊地壳的底部。一些炽热的岩浆结晶并形成新的洋壳。当更新的洋壳喷发时，整个脊系统便从洋中脊的轴线上向两个方向移动。由于洋中脊处喷发了新的洋壳，海洋板块向外移动。

在移动的地壳下方是地幔对流单元的横向移动上肢。每个对流单元都以相反的方向将海底从脊线移开。这种水平的地幔流动与地壳一起跨越洋盆并远离脊线。随着物质的水平移动，海底变厚，新的地壳和其下方的地幔都冷却。在地幔对流单元的肢体向下进入更深的地幔的地方，海洋地壳也被拖入地幔。这发生在深海海沟。当地壳潜入地幔时，它的重量会拖动板块的其余部分，并将其向下拉。对流单元的最后一个肢体沿着地核流动。物质被加热，因此当它到达对流单元的上升肢体时，它已准备再次上升。正如你所看到的，每个对流单元都位于不同的岩石圈板块下方，并负责该板块的运动。

板块边界

回到地球表面，两个板块相遇的边缘被称为板块边界。大多数地质活动，包括火山、地震和造山运动，都发生在板块边界，那里有两块巨大的固体岩石圈相互作用。

想象两辆汽车在停车场内移动。这两辆车相对于彼此可以以哪三种方式移动？它们可以相互分离，也可以相互靠近，或者可以相互滑动。这三种相对运动类型也定义了三种类型的板块边界

离散型板块边界：两个板块相互分离。
汇聚型板块边界：两个板块相互靠近。
转换型板块边界：两个板块相互滑动。

板块边界处发生的事情取决于两个板块相对于彼此的移动方向。它还取决于板块边界两侧的岩石圈是海洋地壳、大陆地壳，还是每种类型的一块。板块边界的类型以及边界两侧发现的地壳类型决定了那里会发生什么类型的地质活动：地震、火山或造山运动。

离散型板块边界

板块在洋中脊处分离或发散，那里海底扩张形成了新的海洋岩石圈。在这些洋中脊处，岩浆上升、喷发并冷却。岩浆在熔岩下方冷却速度较慢，主要形成侵入性火成岩辉长岩。因此，整个脊系统都是火成岩。地震也常见于洋中脊，因为岩浆和海洋地壳的运动会导致地壳震动。虽然绝大多数洋中脊位于海底深处，但我们可以看到大西洋中脊在冰岛的火山岛上露出的地方（图 6.15）。

**图 6.16**：阿拉伯板块、印度板块和非洲板块正在分离，形成了非洲的大裂谷。红海填充了裂谷，海水涌入。

虽然不常见，但离散型板块边界也可以发生在大陆内部。这被称为大陆裂谷（图 6.16）。岩浆上升到大陆下方，导致大陆变薄、断裂，最终分裂。当大陆地壳断裂时，海洋地壳在空隙中喷发。这就是当盘古大陆分裂时大西洋是如何形成的。东非裂谷目前正在将东非从非洲大陆分离出去。

汇聚型板块边界

当两个板块汇聚时会发生什么取决于碰撞的岩石圈类型。汇聚可以发生在两块大陆岩石圈之间、两块海洋岩石圈之间，或者一块大陆岩石圈和一块海洋岩石圈之间。大多数情况下，当两个板块碰撞时，一个或两个板块都被破坏。

当海洋地壳与大陆地壳汇聚时，密度更大的海洋板块潜入大陆板块之下。这个过程发生在海洋海沟，被称为俯冲（图 6.17）。整个区域被称为俯冲带。俯冲带地震和火山喷发非常强烈。俯冲板块导致地幔熔化。岩浆上升并喷发，形成火山。这些火山位于俯冲板块的上方。这些火山被称为大陆弧。地壳和岩浆的运动会导致地震。沿南美洲西缘延伸的安第斯山脉是一个大陆弧。火山是纳斯卡板块俯冲到南美板块之下造成的（图 6.18）。

加利福尼亚州东北部的火山——拉森峰、沙斯塔山和医药湖火山——以及太平洋西北部的其他喀斯喀特山脉，都是胡安·德·富卡板块在北美板块下方俯冲的结果（图 6.19）。圣海伦斯山是喀斯喀特山脉中最著名、目前最活跃的火山，它于 1980 年 5 月 18 日猛烈喷发。

有时岩浆不会完全上升穿过火山弧下方的陆地地壳。如果岩浆富含二氧化硅，通常会发生这种情况。这些粘稠的岩浆形成大面积的侵入性火成岩，称为岩基，这些岩基可能有一天会隆起形成山脉。内华达山脉岩基在大约 2 亿年前冷却在火山弧下方（图 6.20）。类似的岩基很可能正在安第斯山脉和喀斯喀特山脉下方形成。

**图 6.21**：两个海洋岩石圈板块之间的会聚板块边界俯冲带。俯冲板块的熔化导致火山活动和地震。

当两个海洋板块发生会聚时，较老、密度较大的板块将沉入另一个板块下方并进入地幔。随着板块被推入地幔更深处，它会融化，形成岩浆。当岩浆上升时，它会形成一条称为岛弧的火山线，这是一条火山岛线（图 6.21）。

日本、印度尼西亚和菲律宾群岛是岛弧火山的例子。火山岛从大陆上呈弧形延伸，就像这张日本卫星图像中看到的那样（图 6.22）。

**图 6.23**：当两个大陆地壳板块发生碰撞时，物质向上推，形成高大的山脉。俯冲的海洋地壳的残余物保留在大陆会聚带下方。

当两个大陆板块发生碰撞时，它们太厚了，无法俯冲。就像你将双手放在一张纸的两侧并将它们合拢一样，物质无处可去，只能向上（图 6.23）！世界上一些最大的山脉是在大陆-大陆会聚板块边界形成的。在这些地方，地壳太厚，岩浆无法穿透，因此没有火山，但可能有岩浆。变质岩很常见，因为大陆地壳承受着压力。正如你所料，巨大的地壳板块相互碰撞，大陆-大陆碰撞会引发大量地震。

世界上最高的山脉，喜马拉雅山脉，是由印度板块与欧亚板块发生碰撞形成的（图 6.24）。阿巴拉契亚山脉是一个大型山脉的遗迹，该山脉是在大约 2.5 亿年前北美撞击欧亚大陆时形成的。

**图 6.24**：喜马拉雅山脉是由印度板块与欧亚板块发生碰撞形成的，如这张国际空间站的照片所示。中心的最高峰是世界上最高的山峰珠穆朗玛峰（8,848 米；29,035 英尺）。

转换板块边界

**图 6.25**：在加利福尼亚州的圣安德烈亚斯断层，太平洋板块相对于向西南移动的北美板块向东北滑动。在图片的北端，转换边界变成俯冲带。

转换板块边界被视为转换断层。在这些地震断层上，两个板块以相反的方向彼此移动。在转换断层分割大陆的地方，会发生大规模地震。世界上最臭名昭著的转换断层是加利福尼亚州长达 1,300 公里（800 英里）的圣安德烈亚斯断层（图 6.25）。这是太平洋板块和北美板块相互摩擦的地方，有时会导致灾难性的后果。

加利福尼亚州的地质活动非常活跃。转换板块边界形成了圣安德烈亚斯断层。海洋板块和大陆板块之间的会聚板块边界形成了喀斯喀特山脉火山。在近海，胡安·德·富卡海岭在发散板块边界处俯冲到北美板块下方。

地球表面的变化

地质学家现在知道魏格纳是对的，他说大陆曾经连接在一起形成超级大陆盘古大陆，现在正在分离。我们今天在地球上看到的大部分地质活动都是由于移动板块的相互作用造成的。在板块在发散边界处分离的地方，会发生火山活动和小地震。如果板块在会聚边界处相遇，并且至少有一个是海洋板块，则会出现一条火山链和许多地震。如果会聚边界处的两个板块都是大陆板块，则山脉会生长。如果板块在转换边界处相遇，则会形成转换断层。这些断层没有火山活动，但会发生大规模地震。

如果你查看一张显示北美火山和地震位置的地图，你会发现板块边界现在位于西缘。这个地质活动区构成了太平洋火环的一部分。加利福尼亚州有火山和地震，是这个地区的重要组成部分。北美东缘目前大部分处于平静状态，尽管山脉沿着该区域分布。如果今天那里没有板块边界，这些山脉是从哪里来的呢？

请记住，魏格纳利用北美东部、大西洋西侧和英国、大西洋东侧的山脉的相似性作为其大陆漂移假说的证据。这些山脉是在大陆形成盘古大陆时在会聚板块边界处形成的。所以大约 2 亿年前，这些山脉与今天的喜马拉雅山脉类似（图 6.26）！

在大陆发生碰撞之前，它们被海洋隔开，就像现在环绕太平洋的大陆一样。那块海洋地壳必须俯冲到大陆下方，就像现在环绕太平洋的海洋地壳正在俯冲一样。沿着北美东缘的俯冲产生了大陆弧火山。该地区可以找到来自这些火山的古代熔岩。

目前，地球上地质活动最活跃的区域是在太平洋周围。太平洋正在缩小，而大西洋正在扩大。但数亿年前，情况正好相反：大西洋正在缩小，而太平洋正在扩大。我们刚刚发现的是一个周期，称为超大陆周期，它负责我们看到的大多数地质特征，以及更多已经消失的地质特征。科学家认为，超级大陆的形成和分裂大约每 5 亿年发生一次。

板内活动

虽然大多数地质活动确实发生在板块边界，但一些地质活动发生在板块边缘之外。这被称为板内活动。最常见的板内火山是在位于海洋板块下方热点之上的火山。热点火山出现是因为来自地幔深处的热物质羽流上升穿过上覆的地幔和地壳。当岩浆到达上方的板块时，它会喷发，形成火山。由于热点是稳定的，当海洋板块在其上移动时，它会再次喷发，在第一座火山线上形成另一座火山。随着时间的推移，会形成一座座火山线；最年轻的火山位于热点的正上方，最古老的火山位于最远的地方。最近的研究表明，热点并不像科学家曾经认为的那样稳定，但一些较大的热点似乎仍然稳定。

夏威夷群岛是一个热点火山链的美丽例子。位于夏威夷大岛南侧的基拉韦厄火山位于夏威夷热点的上方。大岛位于夏威夷链的东南端。位于西北部的冒纳罗亚火山比基拉韦厄火山更古老，并且仍在喷发，但喷发率较低。夏威夷是这条链中最年轻的岛屿。随着你沿着这条链向西移动，岛屿变得越来越古老，因为它们离热点越来越远（图 6.27）。

**图 6.27**：这张夏威夷群岛的视图显示，最年轻的岛屿位于东南侧，最古老的岛屿位于西北侧。基拉韦厄火山位于夏威夷大岛东南侧，位于夏威夷热点的上方。

这条链延伸到天皇海山，这些海山非常古老，以至于不再高于海平面。天皇海山中，最古老的火山即将俯冲到阿拉斯加附近的阿留申海沟；没有人知道有多少更古老的火山已经俯冲了。从天皇海山的形状可以明显看出，太平洋板块发生过大幅度转向。放射性测年显示，转向发生在大约 4300 万年前（图 6.28）。夏威夷热点可能在此期间也向南移动。尽管如此，地质学家仍然可以使用一些热点链来确定板块的移动方向和速度。

热点也存在于大陆地壳下方，虽然岩浆很难穿过厚厚的地壳，喷发也很少。黄石公园就是一个例外，它产生了黄石热点的活动。在过去，这个热点产生了巨大的火山喷发，但现在它的活动最明显地体现在该地区的著名间歇泉中。

课程总结

受地幔对流驱动，岩石圈板块在地球表面移动。新的洋壳在洋中脊处形成，并将较老的海底水平地推离洋中脊。
板块在三种不同的板块边界相互作用：离散边界、汇聚边界和转换断层边界，这些边界是地球上大部分地质活动发生的地方。
这些过程在漫长的时间里起作用，形成了我们今天看到的地理特征。

复习问题

三种板块边界类型是什么？对于每种类型，你会发现什么样的地质活动？
作为一个工作中的地质学家，你遇到了一片有着巨大断层带的景观，断层带产生了大量的大地震，但没有火山。你遇到了哪种板块边界？这种边界上板块的相对运动是什么？你在加州哪里可以找到这种类型的板块边界？
你继续你的地质之旅，来到一个陆地上有火山链的地方，但距离大陆边缘并不远。这个地区经常发生大地震。你遇到了哪种板块边界？涉及到哪种类型的板块？你在加州哪里可以找到这种类型的板块边界？
是什么力量驱动着岩石圈板块在地球表面的运动？板块移动的速度大约是多少？
板块构造学说如何解释地球上火山、地震和山脉的分布？
考虑到不同的板块边界类型，解释为什么大陆地壳比洋壳厚得多。
为什么转换板块边界上很少（如果有的话）有火山？

词汇表

岩基: 由大量深成岩体形成的巨大花岗岩体。
大陆弧: 位于大陆板块上的一系列火山，与深海沟附近的俯冲洋板块对齐。
大陆裂谷: 形成于大陆中央的离散板块边界。
汇聚板块边界: 两个岩石圈板块汇聚在一起的地方。
离散板块边界: 两个岩石圈板块分离的地方。
震中: 地球表面正上方的地震震源点，即地面断裂的地方。
断层: 断裂带，其一侧或两侧的岩石发生移动。
板内活动: 远离板块边界发生的火山喷发和地震等地质活动。
岛弧: 位于海洋板块上的一系列火山，与深海沟附近的俯冲洋板块对齐。
板块: 地球岩石圈的板块，可以在星球表面移动。
板块边界: 两个板块相遇的地方。
板块构造: 地球表面分为岩石圈板块，这些板块在地球表面移动的理论。板块构造背后的驱动力是地幔对流。
深成岩体: 相对较小的侵入岩体。
俯冲: 一个岩石圈板块沉入另一个岩石圈板块下方。
俯冲带: 两个岩石圈板块相遇，其中一个板块沉入另一个板块之下的区域。
超大陆循环: 大陆汇聚成一个超大陆，位于星球的一侧，然后分离的循环。
转换断层: 地震断层，相对运动是横向滑动。
转换板块边界: 两种板块相互滑动的板块边界类型。

需要考虑的几点

在上图 6.14 中的地图上，箭头显示了板块的移动方向。大西洋有一个洋中脊，那里正在发生海底扩张。太平洋有很多深海沟，那里正在发生俯冲。大西洋板块的未来是什么？太平洋板块的未来是什么？
用你的手和语言，向某人解释板块构造是如何工作的。确保你描述了大陆如何漂移以及海底扩张如何为大陆运动提供机制。
既然你了解了板块构造，你认为如果你想避免火山喷发和地震，哪里是安全居住的地方？

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