高中地球科學/板塊構造理論

魏格納的大陸漂移假說有很多證據支援，但由於他關於大陸如何移動的理論被證偽，它在很大程度上被拋棄了。與此同時，科學家們提出瞭解釋不同大陸上的化石位置（陸橋）和跨洋岩石序列的相似性（地槽）的解釋，這些解釋變得越來越繁瑣。當海底擴張出現時，科學家們意識到，解釋大陸漂移的機制已經找到了。就像我們之前的科學家一樣，我們現在準備將大陸漂移和海底擴張的想法合併成一個全新的、包羅永珍的理論：板塊構造理論。

課程目標

描述什麼是板塊以及科學家如何識別其邊緣。
解釋地幔對流如何推動岩石圈板塊運動。
描述三種類型的板塊邊界，以及它們是否容易發生地震和火山。
描述板塊構造過程如何導致地球表面特徵的變化。

地球的板塊

現在你知道海底和大陸在地球表面移動。但究竟是什麼在移動？換句話說，板塊構造中的“板塊”是什麼？這個問題也由於戰爭而得到解答，在這種情況下是冷戰。

雖然地震儀已經存在了幾十年，但在 1950 年代，特別是在 1960 年代初期，科學家們建立了地震儀網路，以檢視敵對國家是否正在進行原子彈試驗。地震儀記錄地震波。現代地震儀非常靈敏，能夠探測到核爆炸。

在地震儀監測敵對國家原子彈試驗的同時，它們也記錄了地球上發生的所有地震。這些地震記錄可以用來定位地震的震中，即地球表面直接位於地震發生地點的點。地震與地面的巨大裂縫有關，稱為斷層。斷層兩側的岩石向相反的方向移動。

地震並非均勻分佈在地球上，而主要集中在某些區域。在海洋中，地震發生在洋中脊以及深海海溝內和周圍。太平洋盆地周圍地震極為常見，並且經常發生在火山附近。太平洋周圍地震和火山爆發的強度導致科學家將該地區命名為太平洋火環（圖 6.12）。地震也常見於世界上最高的山脈——亞洲喜馬拉雅山脈——以及地中海地區。

科學家們注意到，地震震中位於洋中脊、海溝和大型斷層，這些斷層標誌著地球岩石圈巨大板塊的邊緣（圖 6.13）。他們將這些巨大的岩石圈板塊命名為板塊。板塊的運動後來被稱為板塊構造。一個板塊可以由所有海洋岩石圈組成，也可以由所有大陸岩石圈組成，但幾乎所有板塊都是由兩者的組合組成。

岩石圈被分成十幾個主要板塊和幾個次要板塊。板塊的邊緣可以透過連線地震震中來繪製。科學家們已經為每個板塊命名，並確定了每個板塊的運動方向（圖 6.14）。板塊以每年幾釐米的速度在地球表面移動，與指甲生長速度大致相同。

板塊如何移動

我們知道海底擴張推動岩石圈板塊在地球表面移動，但推動海底擴張的是什麼？答案在本章的第一課中：地幔對流。在這一點上，將對流單元想象成一個矩形或橢圓形會有所幫助。矩形的每一側都是單元的一個肢體。對流單元位於地幔中。底部位於地幔深處，頂部靠近地殼。有一個地幔物質肢體沿矩形的一側移動，一個肢體沿矩形的頂部水平移動，一個肢體沿矩形的另一側向下移動，最後一個肢體水平移動到物質開始向上移動的地方。

現在想象一下地幔中有兩個並排的對流單元。來自兩個相鄰單元的上升肢體到達洋中脊地殼的底部。一些熾熱的岩漿結晶並形成新的洋殼。當更新的洋殼噴發時，整個脊系統便從洋中脊的軸線上向兩個方向移動。由於洋中脊處噴發了新的洋殼，海洋板塊向外移動。

在移動的地殼下方是地幔對流單元的橫向移動上肢。每個對流單元都以相反的方向將海底從脊線移開。這種水平的地幔流動與地殼一起跨越洋盆並遠離脊線。隨著物質的水平移動，海底變厚，新的地殼和其下方的地幔都冷卻。在地幔對流單元的肢體向下進入更深的地幔的地方，海洋地殼也被拖入地幔。這發生在深海海溝。當地殼潛入地幔時，它的重量會拖動板塊的其餘部分，並將其向下拉。對流單元的最後一個肢體沿著地核流動。物質被加熱，因此當它到達對流單元的上升肢體時，它已準備再次上升。正如你所看到的，每個對流單元都位於不同的岩石圈板塊下方，並負責該板塊的運動。

板塊邊界

回到地球表面，兩個板塊相遇的邊緣被稱為板塊邊界。大多數地質活動，包括火山、地震和造山運動，都發生在板塊邊界，那裡有兩塊巨大的固體岩石圈相互作用。

想象兩輛汽車在停車場內移動。這兩輛車相對於彼此可以以哪三種方式移動？它們可以相互分離，也可以相互靠近，或者可以相互滑動。這三種相對運動型別也定義了三種類型的板塊邊界

離散型板塊邊界：兩個板塊相互分離。
匯聚型板塊邊界：兩個板塊相互靠近。
轉換型板塊邊界：兩個板塊相互滑動。

板塊邊界處發生的事情取決於兩個板塊相對於彼此的移動方向。它還取決於板塊邊界兩側的岩石圈是海洋地殼、大陸地殼，還是每種型別的一塊。板塊邊界的型別以及邊界兩側發現的地殼型別決定了那裡會發生什麼型別的地質活動：地震、火山或造山運動。

離散型板塊邊界

板塊在洋中脊處分離或發散，那裡海底擴張形成了新的海洋岩石圈。在這些洋中脊處，岩漿上升、噴發並冷卻。岩漿在熔岩下方冷卻速度較慢，主要形成侵入性火成岩輝長岩。因此，整個脊系統都是火成岩。地震也常見於洋中脊，因為岩漿和海洋地殼的運動會導致地殼震動。雖然絕大多數洋中脊位於海底深處，但我們可以看到大西洋中脊在冰島的火山島上露出的地方（圖 6.15）。

**圖 6.16**：阿拉伯板塊、印度板塊和非洲板塊正在分離，形成了非洲的大裂谷。紅海填充了裂谷，海水湧入。

雖然不常見，但離散型板塊邊界也可以發生在大陸內部。這被稱為大陸裂谷（圖 6.16）。岩漿上升到大陸下方，導致大陸變薄、斷裂，最終分裂。當大陸地殼斷裂時，海洋地殼在空隙中噴發。這就是當盤古大陸分裂時大西洋是如何形成的。東非裂谷目前正在將東非從非洲大陸分離出去。

匯聚型板塊邊界

當兩個板塊匯聚時會發生什麼取決於碰撞的岩石圈型別。匯聚可以發生在兩塊大陸岩石圈之間、兩塊海洋岩石圈之間，或者一塊大陸岩石圈和一塊海洋岩石圈之間。大多數情況下，當兩個板塊碰撞時，一個或兩個板塊都被破壞。

當海洋地殼與大陸地殼匯聚時，密度更大的海洋板塊潛入大陸板塊之下。這個過程發生在海洋海溝，被稱為俯衝（圖 6.17）。整個區域被稱為俯衝帶。俯衝帶地震和火山噴發非常強烈。俯衝板塊導致地幔熔化。岩漿上升並噴發，形成火山。這些火山位於俯衝板塊的上方。這些火山被稱為大陸弧。地殼和岩漿的運動會導致地震。沿南美洲西緣延伸的安第斯山脈是一個大陸弧。火山是納斯卡板塊俯衝到南美板塊之下造成的（圖 6.18）。

加利福尼亞州東北部的火山——拉森峰、沙斯塔山和醫藥湖火山——以及太平洋西北部的其他喀斯喀特山脈，都是胡安·德·富卡板塊在北美板塊下方俯衝的結果（圖 6.19）。聖海倫斯山是喀斯喀特山脈中最著名、目前最活躍的火山，它於 1980 年 5 月 18 日猛烈噴發。

有時岩漿不會完全上升穿過火山弧下方的陸地地殼。如果岩漿富含二氧化矽，通常會發生這種情況。這些粘稠的岩漿形成大面積的侵入性火成岩，稱為岩基，這些岩基可能有一天會隆起形成山脈。內華達山脈岩基在大約 2 億年前冷卻在火山弧下方（圖 6.20）。類似的岩基很可能正在安第斯山脈和喀斯喀特山脈下方形成。

**圖 6.21**：兩個海洋岩石圈板塊之間的會聚板塊邊界俯衝帶。俯衝板塊的熔化導致火山活動和地震。

當兩個海洋板塊發生會聚時，較老、密度較大的板塊將沉入另一個板塊下方並進入地幔。隨著板塊被推入地幔更深處，它會融化，形成岩漿。當岩漿上升時，它會形成一條稱為島弧的火山線，這是一條火山島線（圖 6.21）。

日本、印度尼西亞和菲律賓群島是島弧火山的例子。火山島從大陸上呈弧形延伸，就像這張日本衛星影像中看到的那樣（圖 6.22）。

**圖 6.23**：當兩個大陸地殼板塊發生碰撞時，物質向上推，形成高大的山脈。俯衝的海洋地殼的殘餘物保留在大陸會聚帶下方。

當兩個大陸板塊發生碰撞時，它們太厚了，無法俯衝。就像你將雙手放在一張紙的兩側並將它們合攏一樣，物質無處可去，只能向上（圖 6.23）！世界上一些最大的山脈是在大陸-大陸會聚板塊邊界形成的。在這些地方，地殼太厚，岩漿無法穿透，因此沒有火山，但可能有岩漿。變質岩很常見，因為大陸地殼承受著壓力。正如你所料，巨大的地殼板塊相互碰撞，大陸-大陸碰撞會引發大量地震。

世界上最高的山脈，喜馬拉雅山脈，是由印度板塊與歐亞板塊發生碰撞形成的（圖 6.24）。阿巴拉契亞山脈是一個大型山脈的遺蹟，該山脈是在大約 2.5 億年前北美撞擊歐亞大陸時形成的。

**圖 6.24**：喜馬拉雅山脈是由印度板塊與歐亞板塊發生碰撞形成的，如這張國際空間站的照片所示。中心的最高峰是世界上最高的山峰珠穆朗瑪峰（8,848 米；29,035 英尺）。

轉換板塊邊界

**圖 6.25**：在加利福尼亞州的聖安德烈亞斯斷層，太平洋板塊相對於向西南移動的北美板塊向東北滑動。在圖片的北端，轉換邊界變成俯衝帶。

轉換板塊邊界被視為轉換斷層。在這些地震斷層上，兩個板塊以相反的方向彼此移動。在轉換斷層分割大陸的地方，會發生大規模地震。世界上最臭名昭著的轉換斷層是加利福尼亞州長達 1,300 公里（800 英里）的聖安德烈亞斯斷層（圖 6.25）。這是太平洋板塊和北美板塊相互摩擦的地方，有時會導致災難性的後果。

加利福尼亞州的地質活動非常活躍。轉換板塊邊界形成了聖安德烈亞斯斷層。海洋板塊和大陸板塊之間的會聚板塊邊界形成了喀斯喀特山脈火山。在近海，胡安·德·富卡海嶺在發散板塊邊界處俯衝到北美板塊下方。

地球表面的變化

地質學家現在知道魏格納是對的，他說大陸曾經連線在一起形成超級大陸盤古大陸，現在正在分離。我們今天在地球上看到的大部分地質活動都是由於移動板塊的相互作用造成的。在板塊在發散邊界處分離的地方，會發生火山活動和小地震。如果板塊在會聚邊界處相遇，並且至少有一個是海洋板塊，則會出現一條火山鏈和許多地震。如果會聚邊界處的兩個板塊都是大陸板塊，則山脈會生長。如果板塊在轉換邊界處相遇，則會形成轉換斷層。這些斷層沒有火山活動，但會發生大規模地震。

如果你檢視一張顯示北美火山和地震位置的地圖，你會發現板塊邊界現在位於西緣。這個地質活動區構成了太平洋火環的一部分。加利福尼亞州有火山和地震，是這個地區的重要組成部分。北美東緣目前大部分處於平靜狀態，儘管山脈沿著該區域分佈。如果今天那裡沒有板塊邊界，這些山脈是從哪裡來的呢？

請記住，魏格納利用北美東部、大西洋西側和英國、大西洋東側的山脈的相似性作為其大陸漂移假說的證據。這些山脈是在大陸形成盤古大陸時在會聚板塊邊界處形成的。所以大約 2 億年前，這些山脈與今天的喜馬拉雅山脈類似（圖 6.26）！

在大陸發生碰撞之前，它們被海洋隔開，就像現在環繞太平洋的大陸一樣。那塊海洋地殼必須俯衝到大陸下方，就像現在環繞太平洋的海洋地殼正在俯衝一樣。沿著北美東緣的俯衝產生了大陸弧火山。該地區可以找到來自這些火山的古代熔岩。

目前，地球上地質活動最活躍的區域是在太平洋周圍。太平洋正在縮小，而大西洋正在擴大。但數億年前，情況正好相反：大西洋正在縮小，而太平洋正在擴大。我們剛剛發現的是一個週期，稱為超大陸週期，它負責我們看到的大多數地質特徵，以及更多已經消失的地質特徵。科學家認為，超級大陸的形成和分裂大約每 5 億年發生一次。

板內活動

雖然大多數地質活動確實發生在板塊邊界，但一些地質活動發生在板塊邊緣之外。這被稱為板內活動。最常見的板內火山是在位於海洋板塊下方熱點之上的火山。熱點火山出現是因為來自地幔深處的熱物質羽流上升穿過上覆的地幔和地殼。當岩漿到達上方的板塊時，它會噴發，形成火山。由於熱點是穩定的，當海洋板塊在其上移動時，它會再次噴發，在第一座火山線上形成另一座火山。隨著時間的推移，會形成一座座火山線；最年輕的火山位於熱點的正上方，最古老的火山位於最遠的地方。最近的研究表明，熱點並不像科學家曾經認為的那樣穩定，但一些較大的熱點似乎仍然穩定。

夏威夷群島是一個熱點火山鏈的美麗例子。位於夏威夷大島南側的基拉韋厄火山位於夏威夷熱點的上方。大島位於夏威夷鏈的東南端。位於西北部的冒納羅亞火山比基拉韋厄火山更古老，並且仍在噴發，但噴發率較低。夏威夷是這條鏈中最年輕的島嶼。隨著你沿著這條鏈向西移動，島嶼變得越來越古老，因為它們離熱點越來越遠（圖 6.27）。

**圖 6.27**：這張夏威夷群島的檢視顯示，最年輕的島嶼位於東南側，最古老的島嶼位於西北側。基拉韋厄火山位於夏威夷大島東南側，位於夏威夷熱點的上方。

這條鏈延伸到天皇海山，這些海山非常古老，以至於不再高於海平面。天皇海山中，最古老的火山即將俯衝到阿拉斯加附近的阿留申海溝；沒有人知道有多少更古老的火山已經俯衝了。從天皇海山的形狀可以明顯看出，太平洋板塊發生過大幅度轉向。放射性測年顯示，轉向發生在大約 4300 萬年前（圖 6.28）。夏威夷熱點可能在此期間也向南移動。儘管如此，地質學家仍然可以使用一些熱點鏈來確定板塊的移動方向和速度。

熱點也存在於大陸地殼下方，雖然岩漿很難穿過厚厚的地殼，噴發也很少。黃石公園就是一個例外，它產生了黃石熱點的活動。在過去，這個熱點產生了巨大的火山噴發，但現在它的活動最明顯地體現在該地區的著名間歇泉中。

課程總結

受地幔對流驅動，岩石圈板塊在地球表面移動。新的洋殼在洋中脊處形成，並將較老的海底水平地推離洋中脊。
板塊在三種不同的板塊邊界相互作用：離散邊界、匯聚邊界和轉換斷層邊界，這些邊界是地球上大部分地質活動發生的地方。
這些過程在漫長的時間裡起作用，形成了我們今天看到的地理特徵。

複習問題

三種板塊邊界型別是什麼？對於每種型別，你會發現什麼樣的地質活動？
作為一個工作中的地質學家，你遇到了一片有著巨大斷層帶的景觀，斷層帶產生了大量的大地震，但沒有火山。你遇到了哪種板塊邊界？這種邊界上板塊的相對運動是什麼？你在加州哪裡可以找到這種型別的板塊邊界？
你繼續你的地質之旅，來到一個陸地上有火山鏈的地方，但距離大陸邊緣並不遠。這個地區經常發生大地震。你遇到了哪種板塊邊界？涉及到哪種型別的板塊？你在加州哪裡可以找到這種型別的板塊邊界？
是什麼力量驅動著岩石圈板塊在地球表面的運動？板塊移動的速度大約是多少？
板塊構造學說如何解釋地球上火山、地震和山脈的分佈？
考慮到不同的板塊邊界型別，解釋為什麼大陸地殼比洋殼厚得多。
為什麼轉換板塊邊界上很少（如果有的話）有火山？

詞彙表

岩基: 由大量深成岩體形成的巨大花崗岩體。
大陸弧: 位於大陸板塊上的一系列火山，與深海溝附近的俯衝洋板塊對齊。
大陸裂谷: 形成於大陸中央的離散板塊邊界。
匯聚板塊邊界: 兩個岩石圈板塊匯聚在一起的地方。
離散板塊邊界: 兩個岩石圈板塊分離的地方。
震中: 地球表面正上方的地震震源點，即地面斷裂的地方。
斷層: 斷裂帶，其一側或兩側的岩石發生移動。
板內活動: 遠離板塊邊界發生的火山噴發和地震等地質活動。
島弧: 位於海洋板塊上的一系列火山，與深海溝附近的俯衝洋板塊對齊。
板塊: 地球岩石圈的板塊，可以在星球表面移動。
板塊邊界: 兩個板塊相遇的地方。
板塊構造: 地球表面分為岩石圈板塊，這些板塊在地球表面移動的理論。板塊構造背後的驅動力是地幔對流。
深成岩體: 相對較小的侵入岩體。
俯衝: 一個岩石圈板塊沉入另一個岩石圈板塊下方。
俯衝帶: 兩個岩石圈板塊相遇，其中一個板塊沉入另一個板塊之下的區域。
超大陸迴圈: 大陸匯聚成一個超大陸，位於星球的一側，然後分離的迴圈。
轉換斷層: 地震斷層，相對運動是橫向滑動。
轉換板塊邊界: 兩種板塊相互滑動的板塊邊界型別。

需要考慮的幾點

在上圖 6.14 中的地圖上，箭頭顯示了板塊的移動方向。大西洋有一個洋中脊，那裡正在發生海底擴張。太平洋有很多深海溝，那裡正在發生俯衝。大西洋板塊的未來是什麼？太平洋板塊的未來是什麼？
用你的手和語言，向某人解釋板塊構造是如何工作的。確保你描述了大陸如何漂移以及海底擴張如何為大陸運動提供機制。
既然你瞭解了板塊構造，你認為如果你想避免火山噴發和地震，哪裡是安全居住的地方？

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