青铜马弓手，量一弓手，安敢乱言。 阅读原文 1912 年，德国法兰克福地质会议，魏格纳首次提出“大陆漂移学说”，他认为大陆可以发生大规模水平位移。 这个在今天被认为是板块构造理论滥觞的学说，却遭受当时学界的广泛质疑： 脆弱的陆地之舟，如何航行在坚硬的海床上？ 一个漂亮的梦，一个诗人的梦。 当初大陆漂移学说不被接受，根本原因是无法解决驱动力问题。 地球自转离心力、日月引力、潮汐力，都微不足道。 图 1. 魏格纳（1880-1930），死于格陵兰岛考察途中 后来，在大陆漂移学说的基础上，发展出板块构造理论（1968 年），至今不断完善成型。 该理论极为简洁地概括了地球岩石圈层的运动和演化机制，具有广泛的普适性和可预测性，是 20 世纪自然科学四个重大突破之一。 图 2. 来源：北京大学张进江教授 2019 年构造论坛 PPT 百年后的今日，板块构造驱动力，仍是非常宏大、且尚无定论的科学问题。 目前地学领域大部分研究，都由该命题延伸而来，是完善板块构造理论的根基。 1.受力分析 这显然是个力学问题。 因此，在展开介绍之前，先做个简要的受力分析： 图 3. 底图来自 Forsyth & Uyeda, 1975；Forte, 2011 如上图所示，施加在岩石圈板块上的根本作用力，主要包括： Fp：地幔上涌所产生的正浮力； Fs：俯冲板块的负浮力，说白了就是下沈的力。 目前，地学界对于板块构造驱动力的争论，大多围绕这两种力谁起主导作用展开。 主要分成两种观点：自下而上vs.自上而下。 图 4. 板块运动的“自下而上”和“自上而下”驱动机制修改自 Courtillot et al., 2003；陈凌，2020。 2.自下而上（Bottom up） “自下而上”模式认为，板块运动的驱动力来自地球内部。 类似的观点，早在板块理论建立之前就已提出， 板块理论将其发展，认为板块运动受控于板块之下的地幔系统，即地幔对流驱动板块运动， 当年通过类比锅中沸水循环而获得的灵感。 图 5. 锅中沸水循环 “自下而上”模式，主要从以下几个方面驱动板块运动： 2.1 “红叶随流水”—地幔对流对板块的拖曳力 这种模式最好理解，板块如一叶扁舟，随流水（软流圈地幔）任意漂荡。 水流到哪，船漂去哪；同样，地幔流向哪，板块“漂”去哪。 因此，板块构造理论的雏形是大陆漂移学说。 这是早期朴素的驱动力思想，作为魏格纳少数的支持者，Arthur Holmes 提出这一机制，来解释大陆漂移驱动力问题。 图 6. 来自 Arthur Holmes，1932，Science News Letter，作者认为，这些大陆可能像木筏一样漂浮在地球深处的一层粘稠的、部分熔化的岩石上。 地幔对流的样式，目前仍存在较大争议， 有全地幔对流、分层对流等模式，如下图。 图 7. 全地幔对流 vs.分层对流 地球物理与地球化学等研究普遍认为： 虽然地幔分层对流作用更为显着，但是也存在缓慢的全地幔对流作用进行物质交换。 图 8. 地幔对流数字模拟 | Ballmer et al., 2015 Science Advances 但是这种对流过程极其缓慢，而且混合程度差。 有人说这个过程与牛奶加入咖啡产生混合相似。 其实不同，即使忽略时间尺度，这个过程可能更像牛奶与蜂蜜的不均匀混合。 图 9 牛奶咖啡，网图侵删 虽然地幔具有流动性，但事实却令人更加疑惑：板块运动速度远比地幔流动速率大！ 也就是说，船的速度，远大于水流的速度。 一个速度慢的介质，如何能驱动速度快的介质运动？ 2.2 洋中脊推力 对于洋中脊推力的认识，依次经历了以下几个阶段： （1）“吹气球”模型—岩浆上涌推动板块运动 海底扩张理论这样解释驱动力： 深部地幔对流，岩浆上涌、挤入扩张的洋脊，冷却产生新的洋壳， 并且推挤两侧的洋壳岩石圈, 驱动板块向两侧运动。 好比在洋中脊下方吹气球，气球越来越大，推动板块向两侧运动。 图 10. “吹气球”模型—岩浆上涌推动板块运动 但这个模式很快就出问题： 洋中脊的顶部附近，往往发育伸展断层和地震，而不是预期的挤压作用力。 这说明，至少在洋中脊离散边界的顶部，没有洋脊向两侧的挤压力。 此外，经过计算，这个推力太小，不足以驱动板块运动。 （2）“喷泉”模型—重力均衡解释洋脊推力 这是“吹气球”模型的改进版。 大洋岩石圈如同一个巨大容器的顶部，开口处位于洋中脊，里面装满塑性的软流圈物质。 这些软流圈物质有侧向分压，因而推挤洋壳向两侧运移。 作为补偿，洋脊下方热的低密度物质上涌， 发生减压部分熔融，形成新的洋壳，维持洋脊扩张。 图 11. 重力均衡解释洋脊推力|上图 Kruckenberg 2011 Tectonics（原图并非用来解释洋中脊，仅做参考）；下图：孙卫东，2019 科学家们经过计算，这个推力仍然太小，而且上部与深部的运动方向相反。 （3）“滑梯”模型—重力作用导致板块下滑 洋中脊处，地幔物质上涌，岩石圈被抬高—架起“滑梯”。 如同一个斜面上的块体，在重力作用下向外滑动。 如今，学术界往往把大洋板块的向下滑移，也统称为洋脊推挤。 向下滑动的力量，取决于软流圈和老洋壳密度， 以及岩石圈底部到洋中脊岩石圈底部之间的高度差。 图 12. 重力作用导致板块下滑 这个力量有多大？ 虽然比上两种模式的作用力大，但还是不够。 2.3 地幔柱助力与润滑 地幔柱是地幔物质集中上涌的柱状热流，虽已广泛应用，但仍是概念模型。 地幔柱的存在，能够“短暂”地促进上述的“地幔对流”和“洋中脊推力”， 导致板块运动速率显着增加。 此外，还能起到润滑作用。 也就是上文图 3 中的 Fbs ：基底剪切力。 通常板块运动速率 Vp 大于下面地幔流动速率 Vm。 因此，Fbs 多表现为阻力。 地幔柱的出现，造成岩石圈底部发生部分熔融，熔体进入岩石圈与软流圈之间的接触界面，起到了“润滑剂”的作用，使得板块运动的阻力减小。 图 13. 地幔柱润滑 这个润滑作用很重要。 例如，印度大陆在向欧亚大陆汇聚的过程中，洋壳的运动速率的两次大幅增加（下图①②），被认为与留尼旺地幔柱的活动密切相关。 在此期间，板块最快运动速度大于 15 厘米 / 年， 大于现今可观测板块的最大运动速率（8-9 厘米 / 年）。 数值模拟研究发现，仅有地幔柱的助推作用还不够，地幔柱弱化作用非常关键，可以显着减薄和弱化岩石圈，减小板块运动的阻力, 使板块加速运动。 图 14. 地幔柱与印亚汇聚速率|Pusok et al., 2020 Science Advances 3.自上而下 “自上而下”模式，认为俯冲板块拖曳力是板块运动最主要的动力来源， 这是目前最主流的观点。 如果将上述的“自下而上”模式比作“传送带”（深部地幔动力驱动上部板块移动）， 那下文所述的“自上而下”模式，就像一组“滑块 - 滑轮”，如下图： 图 15. 俯冲滑轮 | Erkan Gün et al., 2021 Nature Geoscience “滑轮”固定在海沟的位置， 俯冲板块就是下滑的“重物”， 拖动上方的板块运动—“滑块”。 该模式需结合上文的“滑梯”模型，即重力作用导致板块下滑， 随着洋中脊出不断产生新洋壳，逐渐远离的洋壳越来越冷，密度增加，厚度增加。 大洋板块在自身的重力下发生俯冲，俯冲板块密度大于周围地幔，俯冲至深部的大洋岩石会发生相变，密度继续增加，板块继续下沈，进一步驱动上部板块运动。 图 16. 俯冲板块拖曳力驱动板块运动 板块为什么能沈入地幔？可详见我此前的回答： 地幔是固态的，那大洋地壳是怎么俯冲进去的？ 如果此前存在薄弱带，这个地方将更容易破裂，发生俯冲起始。 图 17. 俯冲起始过程| Shuck et al., 2022；Crameri et al., 2022，Nature Geoscience 经计算，俯冲板块的拖曳力足够大，可以维持现今板块运动的速度。 研究发现，凡是有俯冲的板块，其运动速度要远大于没有俯冲的板块。 如下图，白色箭头是板块的相对运动方向，箭头长短代表运动速度大小。 图 18. 全球板块运动速率 洋壳的年龄、俯冲带的形态，与俯冲速度也密切相关。 洋壳年龄越大，则其厚度越大，密度越大，自重越大，更容易发生俯冲， 洋壳俯冲角度越大，则其下插的动力越大（即 Fsp 越大）， 图 19. 陈凌，2020，图源 Fukao et al., 2013；Nishikawa et al., 2014 俯冲板块主导的驱动力比上述的洋中脊推力等“自下而上”的作用力大 7-10 倍。 现今，由俯冲构造主导，俯冲板块为板块运动提供了 90%以上驱动力。 4. 难念的经 无论是“自下而上”还是“自上而下”，家家都有本难念的经。 4.1 “自上而下”的难题 板块俯冲驱动板块运动，虽然占据主导地位， 但是存在许多现象，无法用俯冲模式解释。 例如，俯冲还未普遍发生的大西洋两侧，就无法用“自上而下”的模式解释； 印度板块北部的洋壳，早已在青藏高原下断离， 但是印度洋板块仍在运动，也不能用俯冲驱动力解释。 这些都只能用“洋中脊推力”等“自下而上”的模式解释。 还有就是板块运动的转向问题，例如西太平洋和夏威夷岛链，最新的认识是约 53Ma 前发生运动转向，这其中有地幔柱热点作用的参与。 图 20. 夏威夷岛链 此外，板块俯冲驱动板块运动的速度，有上限。 目前的研究认为，其最大速率约 10 厘米 / 年， 然而，地质历史时期出现过大于 15 厘米 / 年的运动速率， 这需要结合“自下而上”的模式一起解释。 4.2 “自下而上”的难题—“燃气管道”vs.“烟斗” “自下而上”的难题也有很多， 例如，上文提到的驱动力较弱，地幔对流争议等。 洋中脊研究调查的深入，发现了许多岩浆供应不足、极慢速扩张的洋中脊， 无法与板块运动速度挂钩。 还存在一个更为关键问题：均匀对流 vs.极性对流。 图 21. Holden and Vogt, EOS, 1977 地幔热物质上涌，假设形成地幔柱， 会形成蘑菇云状、向四周横向扩散运动，例如“锅中沸水”或上图“烟斗”模型。 以此方式驱动板块移动，理应是无定向的放射状。 实际观察，洋中脊是向两侧近乎均匀推动板块移动，如上图左侧的“燃气管道”， 有人用热点相连成洋中脊解释，有人用三联点模式解释， 后来还出现了平躺的热管模型（下图），但都很难解释这种规律的板块运动。 图 22. Holden and Vogt, 1977 难题还远不止这些，但是将“自下而上”和“自上而下”两种模式结合起来， 便可以解释大部分板块构造动力问题。 5.谁主沈浮？ 越来越多的研究试图将“自下而上”和“自上而下”两种模式结合起来。 5.1 冰与火之歌—冷地幔柱与热地幔柱 将二者结合势必会形成一个循环过程。 类比地表的水循环，地球岩石还存在岩石圈 - 地幔尺度的循环。 板块俯冲消减和重力拆沈，形成向下的“冷流”—冷地幔柱； 核幔边界物质上涌，形成向上的“热流”—热地幔柱。 冷、热地幔柱的运动是地幔中物质运动的主要形式，构成全球尺度的物质循环，它控制 或驱动了板块运动。 板块运动只是该循环过程的地表体现。 图 23. Kippers 2021 Nature Reviews ;Holden and Vogt, 1977 冷流下沈，扰动深部地幔物质和热能，激发热流上涌； 热流上涌，产生新的岩石圈，推开上覆板块，直至俯冲下沈，化为新的冷流。 上面这两句话，先说冷流再说热流，与先说热流再说冷流，效果完全不同， 因为这牵扯到主动与被动的问题。 让我们从一个难以解释的现象开始。 5.2 非洲大陆的空间“危机” 非洲大陆，西侧是大西洋，东侧是印度洋。 两个大洋中脊都在扩张，但是非洲大陆两侧并未出现俯冲带。 图 24. 非洲大陆的空间“危机” 这些扩张的物质去哪了？ 是地球膨胀了？还是非洲被挤兑了（内部遭受挤压）？ 这都解释不通，因为地球没有明显膨胀，非洲内部是伸展裂谷。 我们不妨先看看现今地球各个板块究竟如何运动。 图 25. 板块运动速率 洋中脊两侧发生背离运动，通过蓝色箭头（相对运动方向）可以看出； 板块绝对运动方向是红色箭头，可见非洲和印度洋整体都在向北运动。 这样，物质可以守恒。 为什么是这样，需放眼全球。 地幔内存在两根巨柱（大型剪切波低速体，LLSVP，下图中暖色调地区）： 一根叫 Jason，在南太平洋下； 另一根叫 Tuzo，在现今南大西洋‒非洲‒西南印度洋下。 图 26. Jason 和 Tuzo 两个 LLSVP，板块和地幔运动速率|李三忠，2019 它们是地幔中高冷的异类，由较冷、难熔的物质组成，周围的物质遇到它们都绕行上升。 图 27. Tuzo LLSVP | Tsekhmistrenko et al., 2021 Nature Geoscience 这些深部上升的动力，控制了现今地球板块运动的主要趋势。 它俩都主要位于南半球，这也导致地球的陆块都往北跑，形成南半球以海洋为主的格局。 （可详见我此前的回答） 为什么北半球比南半球陆地面积大？ 至此，也许有人会说，破案了，深部驱动浅部运动。 其实并没这么简单，因为 Jason 和 Tuzo 的成因，可能是来自俯冲作用。 2 亿多年以前，地球陆地聚在一起，形成潘吉亚超大陆。 超大陆周围，分布着一圈环形俯冲系统， 俯冲物质在超大陆之下，逐渐聚集。 经过亿万年的演化，其中难熔的物质形成了 LLSVP。 围绕 LLSVP，地幔物质上涌，超大陆因此裂解。 这也是超大陆裂解的主流机制之一，如下图。 图 28. 转引自李献华，2020 地球物理研究，确实发现大陆下方有俯冲物质残留。 图 29. Hu et al., 2018, Nature Geoscience 可见，站在地质历史角度，深部物质可能来自上部， 上部物质也由深部物质生成，到底是谁先出生？ 5.3 岩浆引擎 or 俯冲引擎——主动被动之争 这类似“先有鸡还是先有蛋”的问题。 先有冷流下沈，还是先有热流上涌，谁主动，谁被动？ 是“自下而上”？还是“自上而下”？ 真正的争议，不是非此即彼，而是主动与被动之争。 图 30. 修改自陈凌，2020；图源来自 Courtillot et al., 2003 这是问驱动物质循环的发动机是谁？ 是深部地幔物质上涌驱动的 “地幔柱引擎”（或“岩浆引擎”）？ 还是浅部俯冲带下沈驱动的“俯冲引擎”？ 我们不知道。 因为，地球演化过程中，俯冲起始的时间和机制仍是迷雾重重。 5.4 俯冲伊始—迷雾重重 地球板块构造的起始时间，有很大争议。 如下图所示，早到 42 亿年前，晚到 6 亿年前，尚无定论。 图 31. 板块构造起始时间总结 Palin 2020 ESR 目前普遍接受的是，大约 25 亿年前，开始全球规模的俯冲作用。 在此之前，垂向构造作用占主导（例如地幔柱），应该存在局部俯冲作用，其过程也与现代差别较大。 （关于垂向机制与水平机制，可详见我此前回答） 为什么只有地球陆壳是花岗岩质而其他类地行星是玄武岩质？ 图 32. Gerya 2019 Geology 这种“地幔柱引擎”更符合我们的一贯认知： 地球深部核能转化为热能，热能在转化为板块运动的动能，似乎非常合理。 内部驱动力应该可以解释大多星球内部的演化机制。 但地球独有的板块构造真是这样诞生的吗？ 为什么很多学者倾向于“自上而下”的“俯冲引擎”观点？ 除了板块在重力下自发俯冲起始，以及先存薄弱带诱发的俯冲起始等“自上而下”的观点，还一种较有影响力的观点认为，地幔柱上涌导致俯冲起始。 但是，他们的研究结果却是地幔柱弱化上部岩石圈，可能直接形成俯冲带，而不是地幔柱造成上部岩石圈裂开形成洋中脊。 看似是“自下而上”的模式，其实也是俯冲拖动板块起始的观点。 图 33. 地幔柱诱发俯冲起始 Gerya 2015 Nature 此外，一些地外行星，例如金星，也发现有地幔柱构造， 而且这些地幔柱构造可能产生了俯冲带，且保留下了痕迹，由于金星岩石圈较热等原因，没有形成刚性板块，没有发生持续性的俯冲作用。 图 34. 金星地幔柱活动 Gulcher 2020 Nature Geoscience 还有一种地外撞击说，认为小行星撞击地球，触发板块俯冲起始。 图 35. 小行星撞击诱发俯冲起始|O’ Neill 2017 Nature Geoscience 其实，小行星撞击也是一种“自上而下”的模式。 此外，“水”对于研究此问题也具有重要意义。 地球与其他类地形成最大的差别就是水。 水，对俯冲起始，陆壳和软流圈形成，地球内 - 外物质循环和生命起源等具有关键意义。 地球位于太阳系的“雪线”以内，自身本应没有多少水。 图 36. 太阳系雪线（冻结线） 地球的水来自哪里？ 普遍认为是外来的，彗星将水带到地球。 现今的地球，深部地幔含 1-3 个海洋的水。 如果水是外来的，那么地球内部的这些水是怎么来的？ 最有可能的方式，是俯冲作用将水带入地球内部。 或许，俯冲作用将水带入地球内部，改造了地幔的性质， 才促成了地球上特有的物质循环方式，而板块运动只是这个大循环的浅部表现形式。 俯冲作用、地外水源，似乎也是“自上而下”模式。 是“自上而下”，还是“自下而上”？ 或许，地球的幼年到中年有不同的选择，地球不同位置也有差异， 也可能一开始两种都不是，逐渐演化成某一模式。 这两种模式并不是非此即彼的关系，对于地球演化的不同历史阶段，可能是动态互补关系。 答案究竟是什么？ 谁不想知道，我们脚下这片土地的故事。 我们过去常会俯察大地，所见唯有疑惑。而现在，开始渐渐找到答案了。 这需要今后对地球系统更加全面深入的研究， 也许，拨开迷雾，又见层云。 不过，进一步，便有一步的欢喜。 6. 总结： （1）板块运动驱动力并不唯一，俯冲拖曳力占主导，洋中脊推力，地幔柱作用等次之。 （2）岩石圈和地幔的物质循环包括如下过程：俯冲板块作为“冷流”下沈，扰动深部地幔物质和热能，激发热流上涌；热流上涌，产生新的岩石圈，推开上覆板块，直至俯冲下沈，化为新的冷流。板块运动只是这个大循环的浅部表现形式。 （3）地球物质循环有两种主流观点：一是“自上而下”，先有浅部冷流下沈，激发深部热流上升；二是“自下而上”，深部热流上涌，形成浅部冷流。这两种观点，尚无定论。 个人认为，这两种模式也许并不是非此即彼的关系，对于地球演化的不同历史阶段，可能是动态互补关系。 声明： 板块构造驱动力尚无定论，是亟待解决的前沿科学问题。讲好前沿问题，需对本领域各方面知识有广泛、深入的了解，熟稔来龙去脉，显然我不具备此能力。笔者仍处于学习阶段，对于板块构造驱动力没有实质研究，更妄谈个人观点。本文更像是一篇极为简短、粗略的读书笔记，文中所涉及到的观点和证据，多来自以下参考文献，及其所引文献。国内外大佬们的文章，都难免带有主观倾向，我只能尽力做到客观展示。感兴趣的朋友可以拓展、比较阅读。 主要参考文献： [1]陈凌,王旭,梁晓峰,万博,刘丽军.俯冲构造 vs.地幔柱构造——板块运动驱动力探讨[J].中国科学:地球科学,2020,50(04):501-514. 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