板块构造，是如何形成的？

一、概述

目前，学者们对板块构造启动时间尚有不同认识，前寒武纪地质研究表明，板块构造开始出现的时间不断前移，从早期认为的20亿年前，向38亿年前、41亿年前乃至44亿年前延伸（Ernst,2017）。对于地球早期板块构造的起源，一般涉及了两种截然不同学术思路：

1）岩石圈小板块到大板块，再到超级大陆-超级大洋旋回演变。地球演化经历了早期岩浆海到岩石圈小板块（面积、厚度）、软（薄）板块的、再到刚性巨型板块的地质演化。这是长期以来传统的学术观点，主张早前寒武纪板块刚性和强度，随着地球冷却作用，而不断增强，是板块构造体制发育的基础。随着地质证据和数据的积累，特别是地球动力学的研究，这种学术观点正被学术挑战和发生动摇。

2）从具有稳定而停滞的单个板块体制（滞壳构造，stagnant lid），到板块构造（多板块或活动板片）的初始启动，这是从行星地质对比研究以及地幔对流模拟研究，获得的新观点，正在引起广泛的探讨。

一般认为，地球早期地幔温度较高，发生部分熔融，形成较厚的玄武质地壳，岩石圈浮力可能较大而难于发生俯冲作用(Rey et al.，2014)，主要发生的是稳定板片盖层之下的地幔对流作用，伴随大量岩浆作用。

对板块构造起始过程的探讨，涉及原始板块构造特征（几何特征、刚性特征）、原始板块运动模式（俯冲-碰撞机理）等方面的研究。从稳定板片滞壳体制（stagnant lid），向活动外壳（mobile lid）体制转换，以及板块构造的初始启动，最基本的问题是岩石圈发生构造破裂，形成板块构造及其相对运动。地球行星岩石圈形成后，俯冲作用的开启为板块构造运行的焦点问题，岩石圈强度如何制约板块破裂临界值，是其重要的地质制约。

板块构造的形成和运行，首先要求单个板块（刚性岩石圈），发生大规模裂解作用，形成多个板块及其散热体系。地幔柱活动或者小行星撞击，是突破地球行星的单一稳定外壳的主要方式。外来小行星的撞击作用、地幔柱活动以及地幔对流(岩石圈自行热裂解？)，都可能是造成单个板块裂解的重要的触发因素,都是待选的触发俯冲作用的模式类型。

全球现代板块的俯冲带及其俯冲板片顶面深度的变化图（据USGS）

二、从地球行星滞壳到活动壳的构造转换

顶部热边界层流变学性质及其横向变化，对不同构造体制（滞壳构造、活动壳构造、板块构造）的转变及其演化的影响较大( Moresi etal.,1998)。板块的破裂和板块运动受弹性屈服应力控制，加强岩石圈流变学制约的研究，将更加接近现实的地质演化模式(Moresi et al.，2002)，以及地幔对流产生板块机制的探讨（Bercovici，2003）。

地幔对流的计算模拟表明（Roy Livermore，2018）：滞壳还是活动壳的选项（stagnant or mobilelid）最终取决于融熔地核释放的热流与地幔内不稳定同位素（238U、235U、232Th以及40K）放射性衰变产生的热流。这两者间的热平衡决定地幔对流的总体形式以及倾覆地幔和上浮板块之间的耦合程度。随着热流在地表散失，两种热源随着时间减弱，从而影响浮力和粘度，被冷却的外壳浮力减弱，而下伏地幔粘度增加，对外壳的拖曳加强。最终到达热滞壳不稳定的临界点（“hot stagnant lid”），外壳发生碎裂并开始向内部垮塌，向阵发性外壳模式转换（episodic lid），在一次垮塌事件后，重新形成滞壳，数百万年再经历垮塌事件，不断重复滞壳重新形成的过程。持续冷却可能造成从阵发式外壳（episodic lid）向完全活动的外壳构造（fully mobile lid）的第二次转变，即出现板块构造（Stern et al.,2018；Bikilli et al.,2013）。

行星的演化在很大程度上是热释放的历史，类地的岩石行星最终都将向热寂方向上分岔演化。许多行星沿着滞壳（the stagnant lid）的演化轨迹发展，偶尔也许会发生表壳的反转，这可能曾发生于火星的北半球早期演化历史上，造成火星构造的二分特点，或者在6亿年前在金星上也曾发生，完全更新了其表面构造，称为阵发性滞壳构造（“episodic lid”tectonics）。

地球出现板块构造并非行星普遍演化的结果。在新太古代，圈壳（lid）随着冷却而逐渐致密，负向浮力增大，开始向深部俯冲，岩石圈下沉数千公里，而最终进入下地幔，为地表板块提供了驱动力，由此开始了向板块构造体制的转换（RoyLivermore，2018）。

类地行星的热演化模式类比 (Moore et al.,2017)

尽管火星具有原始的板块构造，但是火星的板块数量很少，其板块与地球差异巨大，所谓的板块相关活动速度要比地球上慢得多（Yin，2012）。有观点认为，金星上地幔柱可能导致围绕着金冕边缘形成整齐分布的非典型俯冲带，但是并非典型的板块构造。因为金星和地球上的壳幔交界处的结构不同，所以金星并没有像地球那样可以移动的板块构造。

对早期板块起始过程的研究，主要是围绕板块如何开始俯冲和持续活动机理的探讨，地幔对流应力超过岩石圈强度，才能发生俯冲作用（O'Neill et al，2007）。涉及多种的动力学模式模拟研究包括（O’Neill et al，2018）：地球热演化冷却触发板块构造（地球逐渐冷却，使地幔对流应力增强，造成板块俯冲，即瑞利数对流有利于板块形成及其俯冲活动）、早期地幔柱活动触发板块初始俯冲、早期小行星撞击地球触发了初始板块的俯冲、早期洋-陆分异触发了大洋岩石圈初始板块的俯冲等。

早先认为板块构造开始出现于20亿年前，随着研究深入，认为板块构造开始出现的时间，不断向早前武纪延伸。目前有观点认为，38亿年、甚至41亿年前，地球上启动了早期的板块构造(Yuen et al., 2007；Rey et al.，2014)。从早期构造过渡为板块构造不会是突然的（Gerya et al.,2015），30亿年前形成了某种形式的板块构造，但不会是现今的板块构造。俯冲作用过程应当是渐变发生的，可能多次开启又停止，造成有裂痕的薄弱岩石圈边界，最终形成各个板块。典型板块构造至少出现于 2.50Ga前后，与较大宽高比的地幔对流相关（Grenholm et al.,2015）。

板块构造启动的相关制约，都要求在冥古宙-太古宙的某个时期，地球构造体制发生显著变化。外来小行星的撞击作用、地幔柱活动和岩石圈自行热裂解都是造成单个板块裂解的重要触发因素。地球内部的冷却作用，可能造成洋壳密度增大，发生俯冲。

三、陨石撞击触发板块俯冲模式

行星或小行星的撞击模式：小行星的撞击作用，常被作为地幔柱活动、板块运动过程初始发生的触发性动力作用。假如巨大撞击作用使岩石圈破裂，造成最初的板块俯冲，那么启动板块构造的问题就变成在遭受巨大撞击下岩石质行星地壳是否可以俯冲的问题（Yin，2012），关键因素包括：这个时期地壳厚度以及决定行星地幔岩石圈厚度的冷却速度。对于地球和火星行星，在遭受撞击时，它的地壳越薄、冷却速度越高，越有利于撞击作用启动板块构造。

数值模拟研究表明（James Tuttle Keane，2017，Nature Geoscience），冥古宙巨型陨石撞击，可能引发相对较低温地壳俯冲进入大洋地幔，并有效地循环地球表面的很大部分，急剧改变古地理环境。

冥古宙的陨石撞击可能启动了地球的板块构造，并推动其磁场的形成。41亿年前的古老锆石记录了地史上地磁强度的增加，是早期、活动的板块构造的证据。当时地球古磁场强度，突然从低值区移动到更接近今天的高值区，可以解释为陨石撞击导致地球冷的地壳俯冲并向地核快速下沉，改变了地核内的对流强度，从而影响这个“发电机”--产生磁场的环绕固体内核的铁液导电层（奥尼尔）。  

地球早期的陨石撞击影响板块构造形成示意图

（James Tuttle Keane，2017，Nature Geoscience）

四、地幔对流演化的数值模拟

地幔驱动板块，还是板块驱动地幔流动？这个长期存在的问题设置可能是不恰当的，因为岩石圈和地幔都属于一个单一的自组织系统（a singleself-organizing system）。这个问题可以如下重新表述：板块和地幔之间的动态平衡是否随着长期的构造重组而改变，这些过程在多大的空间波长尺度下运行？回答这个问题的障碍之一，是设计地幔对流动力学模型，使该模型在超大陆旋回演化的具有现实的构造行为。通过这些模型的设计，可以发现俯冲板片以很快的速度拉动板块并撕裂大陆，而大陆的根带（keels ofcontinents）只会在不附着在俯冲板块上时，减缓漂移速率。模型显示，构造镶嵌形式（tectonictessellation）的变化程度，高于地幔流动，这在一定程度上阐明了板块构造和地幔对流作为独特的、自洽系统（self-consistentsystem）的概念（Coltice et al.， 2019）。

地幔对流依赖于时间演化，从而实现从开始地幔柱活动到板块俯冲进入核-幔界面的物理过程，其实质是地幔上涌、岩石圈持续冷却作用在起动力作用，即地球演化具有自洽特点。Mallard等（2016）建立了新的地幔对流模型，可以自洽产生类似板块的行为，生成了通过时间演变而投射板块边界网络的“虚拟地球”系列模型（粘度场和及其表面）（下图），提出了地幔对流与岩石圈强度之间具有动力学的反馈关系，板块尺度的最大值随着屈服应力的增大而增大，并影响地幔对流波长的增大。其模拟结果表明，俯冲带的几何特征驱动岩石圈发生构造破裂、形成板块，大型板块的格局由消减板块之间的间距所控制。海沟弯曲造成的应力将板块分解成微板块，可解释弧后小板块的迅速演变，反映重大板块构造重组期间板块运动的剧烈变化。从地质演化漫长时间尺度上分析，板块大小的分布将随着地球缓慢冷却发生变化，随着地幔对流活力衰减，岩石圈相对地幔的强度增加，板块数量可能减小，板块尺度增大。

利用超级计算机运算获得的地球对流模型的温度场及其粘度场（表面）分布特征

（据Mallard等，2016）

每个球体左侧为粘度场、右侧为温度场。球面上红色的低粘度区代表板块边界，深蓝色的高粘度区代表大陆。球体内部用红色表示热点源区，用蓝色表示俯冲板片。

板块和地幔对流是对立统一研究体系中的两个方面，它们不仅有其运动特性，而且会发生相互作用。板片在重力作用下俯冲，以及上涌地幔的冷却，成为地幔对流的动力。一般认为，板片俯冲是诱发地幔流动的关键因素。板块构造体制的出现，要求形成稳态的地幔流动，对流环具有较大的纵横比，但同时也可能造成板块俯冲被锁定。超大陆聚合造成其下方时间依赖的地幔升温效应，大陆岩石圈的出现造成对流环的波长加大。地幔对流导致板块开始运动后，板块又将约束和影响地幔对流（朱涛，2003）。

目前普遍以粘弹性模拟将岩石圈取代为流体运动，忽略了岩石圈板块刚性运动及其运动边界特征，难以解决板块构造是如何发生的问题。以弹性岩石圈设置地幔对流模型，更符合地质实际。此外，数值模拟中对洋壳、陆壳分异、海水覆盖等的忽视和过渡简化，也难以认识地球行星演化的独特性，制约了俯冲初始发生、岩石圈冷却等根本性问题的探讨。

与现今相比，太古宙地幔温度较高，而岩石圈板块强度较弱。因此，目前尚不清楚太古宙是否存在俯冲带，以及地壳是否作为连贯板片或拆沉水滴状流体（delaminated drips）再循环返回地幔（Claude Herzberg，2014）。

现代地球的板块碰撞以及较高温岩石圈之下的冷板片俯冲，可以产生不同岩石类型的变质带。这些岩石早在28-25亿年前的新太古代已被发现，但其岩石类型不同，因为它们形成于比现今俯冲带更高温的地震环境中（Claude Herzberg，2014）。

太古宙和现今岩石圈循环模式的对比图（Claude Herzberg，2014）

太古宙地幔温度远高于现在。a.数理模拟表明，与后期形成地壳相比，早期地壳（蓝色）比下伏高温岩石圈地幔要更加致密，造成地壳拆沉式沉降，形成垂向水滴式构造。 b.而现今地壳循环发生在俯冲带，在这里的低温大洋岩石圈的地壳和地幔的运动涉及了大规模的水平分量  

从具有稳定板片盖层体制到具有活动板片盖层体制的转换，以及板块构造的初始启动，都要求在太古宙的某个时期，横向的对流应力要克服上覆的板片粘滞力。一般认为，应力作用于冷的、厚的和具有负浮力的大洋岩石圈之上，对于板块俯冲作用的初始形成和板块构造的运动具有极其关键的意义(Rey et al.，2014)。具有大量岩浆作用的滞壳构造之下的地幔对流作用要早于俯冲作用发生。由太古宙或者冥古宙较高温的地幔部分熔融形成较厚的玄武质地壳，可能具有较大的岩石圈浮力，难于发生俯冲作用。具有大量岩浆作用的较为稳定板片盖层之下的地幔对流作用要早于俯冲作用发生。地球早期高温环境下，地幔柱只可能引发的古老大洋板块俯冲，而年轻板块岩石圈易于发生阵发性的水滴式下沉,而不是自我持续的俯冲和全球板块构造（Gerya et al.，2015）。板块构造是由低温的向下俯冲板片具有的负浮力所驱动的(Maruyama etal.,2016)。

五、新太古代岩石圈强度的变化与板块构造启动模式

只有岩石圈能够沉入地幔，即板块初始俯冲，才能开启板块构造。一般认为从滞壳构造体制，到具有活动壳构造体制的转换，以及板块构造的初始启动（Bikilli等，2013），都要求在太古宙的某个时期，横向上的对流应力要克服上覆的板片粘滞力（Rey  et al.， 2014）。

板块是发生大规模俯冲作用的（Rey  et al.， 2014）

要求横向构造应力克服上覆的板片粘滞力

下图显示以Urey比率（生热/热损失比)和Tp(地幔位温度)为演变函数，可以表述冷却硅酸盐行星的不同释热演化模式（岩浆洋、原始板块构造、现代板块构造、滞盖）（Stern，2008）。地球的Urey比率估计介于0.16到 0.65–0.85之间，许多人主张为~0.4。另外，板内火山、LIP、和岩石圈拆沉等三种主要的构造热模式与行星的内部过程相联系，而与构造体制无关。图中曲线表明，现代板块构造只能发生于合适的稳定地幔条件下。

以Urey比率（生热/热损失比)和Tp (地幔位温度)为演变函数，展示冷却硅酸盐行星的不同释热演化模式（岩浆洋、原始板块构造、现代板块构造、滞壳构造）（Stern，2008）

（A）冥古宙岩浆洋；（B）前板块构造及不稳定滞壳体制；（C）现代板块构造；（D）未来稳定的滞壳构造。RL—洋中脊锁定；TL—海沟锁定；箭头线段代表冷却地球可能的构造演化路径。

从早期滞盖构造到板块构造启动，要求岩石圈与地幔粘度比值到达一定的临界值（Foley et al.，2012），岩石圈内剪切带的粘度在破坏作用下，必须达到下伏地幔粘度的临界值，才能开启板块构造。一般认为，地球岩石圈的强度低于其他类地行星。但在一般的地幔对流模式中，并未讨论地球的岩石圈的裂解问题，只是先验地降低岩石圈强度，使岩石圈-地幔对流随时间演化，发生板块构造扩张或俯冲。

板块构造与圈盖构造之间的转换机制模式图（据互联网资料）

板块构造是由冷的向下俯冲的板片具有负的浮力驱动的。板片俯冲模式取决于板片强度及板片上方岩石水化（Gerya et al.，2008），板块强度较低时，发生双侧俯冲。稳态的单侧俯冲，要求板片强度较高以及板片上方岩石发生水化作用，变质作用造成流体释放，维持了大洋板块俯冲薄弱面的存在，有利于单向俯冲的发生。地幔对流形成宽阔的板块和狭窄的板块边界。

冥古宙岩石圈强度随时间发生变化，无水条件下岩石圈强度较大，以滞盖构造为主。板块发生大规模的俯冲作用（Rey et al.， 2014），要求横向构造应力克服上覆板片的粘滞力。为此，地表温度影响岩石圈的破坏过程，并影响板块是否开启。地球内部的冷却作用，也可能造成大洋与大陆岩石圈之间的密度和粘度差增大，而发生板块俯冲作用。

冥古宙岩石圈板块强度的变化示意图(Maruyama et al.，2018)

如果早期地球没有海洋，其板块强度可能太高，以滞壳构造体制为特征（the stagnant lid tectonics）。随着海洋的形成，造成板块强度降低（<200-300 MPa），板块边界弱化（摩擦系数<0.1-0.2）)，有利于发生榴辉岩化。板块强度降低促进板块边界的发育和板块独立运动，表明冥古宙可能造成了板块构造的初始形成。为此，水是板块构造初始发生的必要条件，大洋形成是地球上出现板块构造的关键因素(Maruyama etal.,2018)。

地球岩石圈强度的演化（Beall et al.，2018）

大量的动力学模拟研究表明，从早期停滞壳体制，到板块构造启动，要求岩石圈与地幔粘度比值到达一定的临界值（Foley et al.，2012）。岩石圈内剪切带的粘度在破坏作用下，必须达到下伏地幔粘度的临界值，才能开启板块构造，为此，地表温度对岩石圈的破坏具有重要影响，并制约板块构造是否开启。

板片俯冲的模式取决于板片的强度及板片上方岩石的水化（Geryaet al. ，2008），板块强度较低时发生双侧俯冲，稳态的单侧俯冲要求较高的板片强度以及板片上方岩石的水化作用，大洋俯冲板片受变质作用造成流体释放，维持了俯冲薄弱面的存在，有利于发生单向俯冲，地幔对流形成了宽阔的板块和狭窄的板块边界。

随着类地行星地幔热流不断降低，从岩浆洋到滞壳构造，到板块构造，再到滞盖构造，它们之间的地幔热流条件，存在跳跃式发展（下图），从海沟开启和洋中脊锁定的势温度区段，决定了板块构造运行（Sleep，2000）。

类地行星构造体制随热流演化示意图（Sleep，2000）

通过设定岩石圈物理参数，地幔对流可以实现板块初始发生过程，包括洋中脊地幔上涌、板片俯冲、汇聚等。岩石圈顶部热边界层的屈服应力和地幔对流造就了板块构造。地幔对流表现为冷的岩块下沉，热的岩浆带着地球内部的热能上涌。岩石圈板块是地幔对流重要的顶部热边界层，岩石圈板块主要在重力作用下发生俯冲，对地幔具有冷却释热作用，使地幔对流作用取决于时间而演化。地幔对流与岩石圈板块运动一体化的数值模型，改变了孤立研究岩石圈板块的困境，岩石圈板块运动即是地幔对流的组成部分，大洋板片深俯冲对应地幔下沉对流，具有动力学和热力学意义。

Stern等（2018）以类地行星为参照案例，初步提出了硅酸盐行星由岩浆洋到热管构造到活动壳到滞壳的可能的构造演变序列，并主张岩石圈厚度和强度、演化时间（热流）是行星构造演化的主控因素。这些构造模式有待航天探测来证实或细化。从滞壳构造到板块构造的转换之间，要求地幔热流的升高（Sleep，2000；Bikilli等，2013），板块俯冲是关键的启动因素，而海沟的锁定，如碰撞造山带的形成又可能使板块构造向滞壳构造体制发生转换。

一般认为，板片俯冲是诱发地幔流动的关键因素（Tackley，2008；李江海等，2018）。板块构造体制的出现，要求形成稳态的地幔流动，其对流环具有较大的纵横比值（宽高比值），但同时也可能造成板块俯冲被锁定。地幔对流导致板块开始运动后，板块又将约束和影响地幔对流（朱涛，2003）。

太阳系类地行星（硅酸盐行星）可能的构造演化阶段类比图

（Stern et al.，2018）

六、小结

板块构造为现今地球行星独特的构造体制，区别与其他行星，并有水、含氧大气、生命等独有属性，为此，常将板块构造当初其重要特征，以及与其他属性相关联的地质行星特征。

地球什么时候有了板块构造，一直是地质学家关注的重大问题，包括蛇绿岩洋壳的出现、超高压变质、板块俯冲等相关问题。考虑到板块是地球的一种有效的释热方式，并且地球是单向演化不断冷却的，尽管有旋回性的次级影响，板块构造的出现，仍然是渐变演化的，不是什么时候出现，而是如何形成现今板块构造的问题。

通过行星地质对比，确定板块构造的初始发生机制，关键问题在于岩石圈如何发生破裂、如何发生俯冲，以及全球尺度的地幔对流。可能的触发模式包括：陨石撞击、地幔柱上涌、洋-陆岩石圈之间差异水平运动等。

板块构造的发育，要求形成稳态运动的地幔对流环，特别是其纵横比较大时，才能形成大尺度的板块构造。岩石圈运动为全球地幔对流的组成部分，地幔固相对流造成板块运动，还是板块俯冲造成了地幔固相对流，其实，从动力学正演模拟方面，难以确定两者之间的因果关系，因为地幔内部的物理化学条件缺乏有效的制约。地幔对流与板块运动相互作用，大洋岩石圈板片俯冲对于全球地幔对流具有重要影响。地球长期变冷，造成了地球演化构造体制的不断交替。

基于地幔对流特征的分析，可以将早期地球动力学演化模式描述为“由下而上”（地幔柱上涌为代表），还是“由上而下”（板块俯冲为代表）的构造演化模式，它们分别为超级地幔柱和板块-板片构造理论的延伸，代表了主要的地幔对流方式及其关键作用因素。其中，地幔翻转模式引人关注（Boukaré et al.，2018；Science Letter，2018），早期地幔对流方式最初“由下而上”，到后来“由上而下”的转变过程，代表了地球动力学体制的重大变化（孙卫东等，2020；Faccenna et al.，2021）。榴辉岩沉降为早期地幔对流的重要动力因素。

地幔对流是地球动力学的重大问题，对地幔对流的认识仍然非常有限，缺乏早期地幔对流的实际观测，主要基于高压高温实验矿物模拟，以及地球物理正演，以及行星地质类比后的推断。初步可以推断出地幔-地球演化的阶段性，但缺乏有效的科学实验验证。板块构造的出现，涉及地球稳态的地幔对流和物质循环，岩石圈冷却更加有效地释放热流、强度增大并俯冲进入地幔。地球热体制的演化是认识板块构造始发过程的关键。

本文据（李江海，2021，《地球动力学》<讲义>）修改补充