大陆漂移是如何启动的？

板块构造的启动是地质学界的一场大辩论。

大陆“漂移”学说（continental drift）被经过长时间的讨论与研究后，学界目前通常接受它的进化版 —— “板块构造论（plate tectonics）”。所以这个问题更恰当的问法是：板块运动是如何启动的？

背景介绍

现代的地球上主要有两种地壳：大洋地壳（oceanic crust）与大陆地壳 (continental crust)。大洋地壳薄且重，大陆地壳厚且轻。地壳下面是热并且粘稠的地幔（看作可以流动的固体）。热对流使地幔缓慢流动，推进着大洋地壳的生长与俯冲，同时大陆地壳“浮”在地幔上，随之缓缓运动（传送带）。更多相关背景知识详见 @项校长 答案。

问题：

那么这种运动模式是如何形成的呢？是何时形成的呢？

这一切要追溯到约 3000Ma （3000 个百万年=30 亿年）。这时候的地球，被地质学家命名为太古代（Archean，桃红色 - 粉红色）。

太古代的地球大概长这样：

关于启动时间的辩论：
-- 正方 --

关于板块构造启动的时间，有一群科学家认为，在太古代的末期，俯冲的启动（the onset of subduction）与大陆的生长(formation of continents) 就此开始。虽然不同的研究者研究结果具有偏差，从最年轻的 800Ma，到最远古的 4300Ma，这一派别更多数研究者认为是 3000  300Ma，即太古代末期。

-- 反方 --

不过有一大票的知名科学家表明，现代的板块运动模式并没有在太古代就开始运作。

这里主要有两个理由：首先是理论上的，他们认为太古代的地幔实在是太热了（太干了 / 太湿了），无法生成可俯冲的大洋地壳。另一个理由是基于地质学上的观察所得：岩石构造学（petrotectonics）的特征，可以记录下了现代板块构造的运作。一些学者认为太古代，甚至是更晚一些的原生代岩层，都完全不具备这些板块构造的鉴定特征，所以太古代并没有板块运动。

Stern (2008, 2013)这个人持有一种极端的观点，他认为，板块构造的启动是极端缓慢的，现代板块构造始于新元古代的开始，是由另一种类似的运动模式逐渐变化发展而来的，演变持续了大约 1000Ma。

Warren Hamilton 是另一个反对太古代板块构造的人，他指出太古代的火山岩与现代岛弧火山岩（位于俯冲带之上）在性质上有很明显的区别，间接支持了现代的板块构造模式也许与太古代有所不同。

-- 中立 --

另一部分人认为在他们的特定研究区域，原生代以及太古代造山带并不存在板块构造；但是他们并不能排除其他区域的太古代地层也不具板块构造。

关于启动方式的辩论：

根据海底扩张理论的观点，大洋地壳被地幔热对流拉张开来，中间喷发出新鲜的拉斑玄武岩（Tholeiiete）。随着新生成的地壳逐渐远离洋中脊，这些地壳不断被冷却以及加厚，直到它们比下伏的地幔更致密时，俯冲就开始了。这个过程需要相当长的时间，冷却时间的重要性将在后文解释。

实际上，不只是密度可以决定俯冲的启动。大洋地壳的俯冲决定于俯冲的驱动力与浮力的平衡是否被打破 （Billen，2008）。绝大多数的现代俯冲还被已经俯冲到深处的部分拖着下沉。局部的压缩以及其他的构造应力也会帮助板块克服阻碍俯冲的浮力、粘性剪切等力。

由于太古代板块构造并不被所有科学家所接受，于是 Sivoza 等人提出了另外几种不同于现代俯冲的俯冲模式，这里就不再展开了。另外，Arndt 认为， 地壳的分层构造是在太古代形成的，原因是沉重的铁镁质矿物留在了地壳下部，同时轻的矿物上浮最终形成玄武岩喷发。轻重分层的地壳结构是板块俯冲的必要条件。

除了密度，另一个影响俯冲的因素还在于板块运动的速率。

-- 正方 --

多数研究太古代地球动力学的学者们认为，由于那时的地幔比现在更热，所以地幔应该不如现在粘稠，这意味着地幔对流的速度会比现在更快。更快的对流速度加速了大洋地壳的生成与消灭（同时加速了地幔的散热），如果前提条件“板块运动与地幔对流是联动的”成立的话，那么就意味着太古代的板块运动会比现在更快，那么现代俯冲将是困难的，原因如下：

这批研究者们认为，太古代的大洋地壳被无数的扩张中轴分裂成一个个又小，运动又快速的小板块，并且多数板块最终又下沉回到了地幔中。(de Wit and Hart, 1993) 在这种模式下，板块的边缘会很难有时间达到足够俯冲的密度，如前文所说，地壳没有大于地幔的密度，则俯冲不可能发生。

-- 反方 --

那么现在问题来了，如果大陆地壳在太古代又少又稀疏的话（已被大多数学者接受），那么太古代的海洋必定超级巨大。这带来一个问题：

如果太古代的大洋地壳初始条件下比现代的大洋地壳更轻的话，俯冲将是非常困难的；但是，由于太古代的海洋超级巨大，这些大洋地壳可以在巨大的海洋上漂浮相当长的时间，甚至可能达到俯冲的条件。所以小而多的板块不是唯一的可能性。

Davies （2007） and Korenaga（2006）认为，当时的上地幔又厚又粘稠，太古代的地幔对流并不会比现在更快。原因在此不详说。

-- 中立 --

Johnson et al. （2013） 认为，现代的俯冲模式可以在太古代运作，不过只有一部分。那就是地壳的下半部分。（想象一块板子被劈开，下面一半慢慢变软弯曲，沉入了地幔）

此论一出，学界开始讨论“被劈开”的可能性，于是他们开始研究大洋地壳的物理强度，并且充分考虑了高于现在的地幔温度带来的软化，以及地幔熔融物的侵入。

关于启动方式的另一个问题是地幔温度是否保持不变 / 或者以规律的方式降温 (Herzberg et al., 2010) 。一个相关的模型解释道：“地幔柱会加速俯冲，导致脉冲式的地壳生长。上地幔会因地幔柱的到达而升温，因为地幔柱携带了地幔深处的热量。这意味着大洋地幔在当时是薄且坚硬的，并且是可俯冲的。”（其实我根本没看懂这个解释 =_ =）

总结：
说了这么多，我来梳理一下其中的逻辑关系：

板块运动是如何启动的？

答：板块运动是通过板块俯冲的开始而启动的，板块俯冲是被地幔对流所带动的。

那么板块俯冲是何时、如何开始的？

时间：1.是太古代开始的。2.不是太古代开始的

为什么有人会认为不是太古代开始的？

1.因为理论表明在太古代的地幔条件不适合俯冲

2.因为他们没找到相关岩石学证据

如何：板块俯冲是由于大洋地壳密度大于上地幔而开始的。

那为什么大洋地壳密度会上升直至大于上地幔？

答：因为长时间的冷却以及加厚

如果太古代的地幔不适合俯冲，那么太古代的地壳是怎样的一番情景？

答：他们认为是很小的大陆，超大的海洋，海洋地壳并未俯冲而是直接陷入地幔。

问：那么如果有如此大的海洋，就有可能有足够的时间空间让大洋地壳冷却直至可俯冲？

答：所以这并不是唯一的解释，还有可能板块运动已在太古代运作，只不过跟现代的俯冲稍有差别：当时的俯冲只能够完成地壳下半截的俯冲。

问：那么地壳是否在物理性能上有被“劈开”的可能呢？

答：影响因素过多，暂时还不知道

问：如果太古代没有俯冲，那么还有哪种可能性呢？

答：(from Stern, 2013, with permission from the Geological Society of America).

上图：现代的板块构造运动，Oceanic Crust 大洋地壳，Lithosphere 岩石圈， Asthenosphere 软流圈，Arc Crust 岛弧地壳。箭头代表运动方向，红色的是岩浆活动。时间：1000Ma 以内 -- 新元古代

下图：前板块构造（水滴式）太古代，冥古代（>2500Ma）

箭头代表运动方向。地壳随着地幔对流受到两个方向的挤压，最终沉入地幔被回收。

如 @巴甫洛夫很忙所言，板块构造的动力是地质学界的一场大讨论。

由于本人知识所限（我脑子里的关于大地构造的知识主要是大地构造与成矿），以下内容如有错误还请指出。

大陆漂移学说、海底扩张学说慢慢发展到板块构造理论。板块构造理论把全球划分出 8 个较大的板块，还有许多小板块分布其间作为补充。板块一般不是以大陆和大洋为界线划分的，板块可以包含陆壳和洋壳在一起。板块边界可分为三种基本类型，即离散边界，会聚边界和走滑边界。板块运动的深部活动层不是壳幔分界的莫霍面，而是岩石圈与软流圈的分界面，这个活动面在上地幔内部。

大陆的分裂与聚合的交替是大陆演化的基本过程。元古代时全球分为 3 个超级大陆，劳亚古陆，西冈瓦纳古陆和东冈瓦纳古陆，说明那时大陆是聚合的。晚元古代时间为 10 亿年前，晚元古代时超级大陆开始破裂。寒武纪（5-6 亿年）劳亚古陆分裂成许多小大陆。在奥陶，志留和泥盆时，大陆从分裂到重新组合，整体向南极汇集。至石炭纪全球大陆明显聚合成联合大陆，二叠三叠后已形成联合古大陆（2 亿年左右），从侏罗纪开始，联合古陆重又解体，分裂后发生漂移，逐渐发展成今天全球大陆的分布格局。更早的太古代是地壳形成初期，地壳面积较小，同时不存在俯冲，其运动方式有如冰山在洋中漂移，碰撞，不具有现代板块构造机制。

按板块理论的设想，地幔对流是板块运动的原因，岩石圈是被它下部底层流动的软流圈驮着一起运动的，象传送带运送上面的物品一样，而不是象船在水中航行那样。

这是一个多么完美的模型！大地构造学家以为找到了地球构造的法门，恰如当年的物理学界一样，以为已经看穿了一切。

然而，地质学家突然想到，到底是什么力量如此强大让板块运动，难道仅仅是软流圈热对流？

于是，地幔柱理论来了。在板块构造理论中已经提出了热点－地幔柱概念，如夏威夷－皇帝海岭火山链，是老的地幔柱假说。上世纪 70 年代以后对地幔柱进行了深入研究，提出了新的超地幔柱假说，包含有热地幔柱和冷地幔柱，形成新的地幔柱对流形式。

热幔柱构造起源于核幔边界（2900km 深度），热物质流上升时是呈宽阔的柱头状，柱头有一定厚度，柱头的底面是连接着窄细的管道，为柱尾，随着柱头上升，柱尾管道不断伸长，易漂浮的热物质通过管道输入柱头。在地幔中柱头上升时直径达到 800－1200km，是因为受到地幔的阻力，在柱头接近地表时直径达到 1500－2500km，厚度 100－200km。但地幔柱头在 670km 的上下地幔界面处受阻挡而发生变化，向周围扩展成扁球状顶冠，然后分成数个较小的地幔柱进入上地幔，为二级地幔柱。接着到达 100km 深度的岩石圈底面受到阻挡，在进入岩石圈时再次变细，分成多个更小的地幔柱，为三级地幔柱，即三级热地幔柱模型。

外核温度达 3800K（绝对温度），地幔底部温度为 3000K，因此地核会不断向地幔释放温度。地核释放热是不均匀的而引起热扰动，使高温低粘度物质形成浮柱，启动上升的幔柱构造。

冷幔柱成因。俯冲板片滞留在上下地幔界面处，经过聚集达到一定规模后将继续下沉，形成下降的冷地幔柱。冷地幔柱的聚集有一个过程，由于冷地幔柱进入下地幔需要克服很大的阻力，所以俯冲板片要在聚集到很大的规模时继续下沉，由此形成超级冷地幔柱。超级冷地幔柱的下沉将会导致热地幔柱的对应的上升，由此构成对流的循环，但显然不同于经典的地幔对流模型。

到这里我们看到，这真是捅了马蜂窝了！最开始只是认为只有软流圈对流，现在是地幔柱全球对流了！那么问题来了，为啥会全球对流呢？

地球圈层根据地震波速划分为，A，0－33km 地壳；B，33－410km 上地幔；C，410－1000km 上地幔；D′，1000－2700km 下地幔；D″，2700－2900km 下地幔；E，2900－4980km 外核；F，4890－5120km 过渡带；G5120－6370km 内核

D″层是下地幔的底部层，与地核接触，是高热的地核往低热的地幔传导热流的过渡带。冷幔柱下降到下地幔时，通过 D″层进入地核，造成地核中的对流重新达到均匀。显然冷幔柱进入 D″层也使其温度不均匀分布，在温度相对均匀的地核与地幔之间造成不稳定，即热扰动作用增强，导致热幔柱的上涌作用。所以在地幔柱的全球对流中冷幔柱的下降是主要因素，由此引起地核热幔柱的形成和上升运动。

哎呀，终于解释清楚了。问题又来了，板块构造理论和地幔柱理论矛盾吗？

板块构造可以很好的解释板块边界的运动，而地幔柱构造可以解释板块内部的活动，如大洋火山链和大陆溢流玄武岩。地幔柱构造理论提出了热幔柱和冷幔柱对流的模型，是对地球运动的动力学的最全面的解释，是对板块构造的更深刻的解释。不仅说明了板块构造运动的深部机制，而且能解释板块内部的地质活动的各种现象。

问题还没终结，一直会板块运动吗？

这就来了新全球构造模型。包括生长构造，地幔柱构造，板块构造，收缩构造，终端构造，它们是行星演化的顺序过程。在行星演化过程中，首先出现地幔柱构造，然后是板块构造。这是把地球的死亡都考虑进来了。