第九章 地球动力系统
全球的海陆面貌究竟是如何形成的？在整个地质历史进程中地壳或岩石圈以怎样的方式和规律进行演化、发展？各种地质作用特别是内部地质作用的机理及相互联系怎样？自从地球科学萌生的那天起，科学家和哲学家就对这些问题进行着不停地探讨。随着科学的发展，人们对这些问题的认识也不断加深。
16世纪意大利学者布鲁诺最早提出收缩说，他把苹果干缩的褶皱表皮与地球表面的岩层褶皱相对比。19世纪中叶法国学者博蒙根据拉普拉斯的太阳系起源为由热变冷的假说又重新提出收缩说，认为地球内部由热变冷是地球表部收缩和褶皱及其它构造形成的原因。但是收缩说不能解释地球表部出现的由拉张形成的众多大规模裂陷或裂谷盆地带。17世纪英国学者培根最早提出了与收缩说相对立的膨胀说，到19世纪末和本世纪初一些学者如曼托瓦尼、希克森等用地球膨胀说来解释大西洋两岸形状的相似性和非洲裂谷系等现象，但膨胀说不能解释地球表层的众多大规模挤压褶皱山系。
19世纪中、后叶，由美国学者霍尔、丹纳和奥地利学者休斯相继提出地槽、地台概念，从而建立了地槽-地台学说。所谓地槽是指地壳上的强烈活动带，分布于大陆边缘、大陆内部或大陆间，一般呈长条形，长达数百至数千公里、宽几十至几百公里。地槽的发展一般经历了两个阶段：早期为大幅度沉降并形成巨厚沉积层；晚期为褶皱回返形成山系，并伴随有强烈的岩浆活动和变质作用。地台是大陆上相对稳定的地区，具面积大、地形起伏小、构造活动弱的特点。该学说认为地壳的基本构造单元是由地槽区和地台区组成，地槽褶皱回返后经剥蚀、夷平可转变为地台区。该学说自提出后直到本世纪中叶在地学界长期占据着统治地位，对固体地球科学的发展起了促进作用，但其忽视地球的大规模水平运动，对地槽-地台演化的动力机制及全球动力系统之间的关系也没有令人满意的解释。
我国地质学家李四光于1926年提出地质力学学说，并在其后进行了不断补充和完善。该学说主张运用力学原理研究地壳构造及其成因，并将地壳构造归纳为3大类构造体系：纬向构造体系、经向构造体系和扭动构造体系。认为构造运动以水平运动为主，垂直运动是水平运动派生的，水平运动以南北向和东西向为两个主导方向，构造运动的动力是由于地球自转的速度变化引起的。但是，对于地球自转速度变化能否产生足够大的动力形成全球海陆分布与大规模的褶皱山系，地壳上不同方向、不同时代的各种纷繁复杂的地质构造与地质现象能否全用这种动力系统加以解释，尚存在不同看法。
岩石圈板块构造学说是现代地球科学对全球动力学认识的主流，被誉为是地球科学的革命，它是在确立了对大陆漂移与海底扩张的认识的基础上建立起来的。
第一节 大陆漂移
茫茫大陆，就像硕大无比的巨轮，竟然可以一漂千里。它经历过长期的漂移，而且至今仍在不停地漂移着。大陆漂移（continental drift）的概念，今天已广为人们接受。但这一概念从提出到接受并不是一帆风顺的，而是经历了提出、衰落到重新兴起的过程。
尽管大陆漂移的思想早有萌芽，但是第一次全面、系统地论述大陆漂移假说的是德国气象学家和地球物理学家魏格纳。魏格纳最初于1912年发表大陆漂移观点，至1915年进一步著成《海陆的起源》一书，系统地论述了大陆漂移问题。魏格纳认为：较轻的硅铝质的大陆块就像一座座块状冰山一样漂浮在较重的硅镁层之上，并在其上发生漂移；全世界的大陆在古生代晚期曾连接成一体，称为联合古大陆或泛大陆（Pangaea），围绕联合古大陆的广阔海洋称为泛大洋；可能由于某种作用力的影响，自中生代开始，泛大陆逐渐破裂、分离、漂移，形成现代海陆分布的基本格局。
魏格纳的大陆漂移说主要是根据大陆形状的相似性、地层、地质构造、古生物、古气候等方面的证据提出来的。
魏格纳起初曾从大西洋两岸非洲和南美洲的海岸线弯曲形状的相似性中得到启发。后来他进一步发现美洲和非洲、欧洲在地层、构造和古生物化石的分布方面均有密切联系。例如北美洲纽芬兰一带的褶皱山系与北欧斯堪的纳维亚半岛的褶皱山系遥相呼应，同属早古生代的加里东褶皱带；美国阿巴拉契亚山的海西褶皱带，其东北端没入大西洋，延至英国西部和中欧一带复又出现；非洲西部的古老岩石分布区（老于20亿年）可以与巴西的古老岩石区相衔接，而且二者之间的岩石结构、构造也彼此吻合；非洲南端的开普勒山脉与南美的布宜诺斯艾利斯附近的山脉在地层和构造上可以彼此衔接等等。对此，魏格纳作了一个很浅显的比喻。他说，如果两片撕碎了的报纸按其参差的毛边可以拼接起来，且其上的印刷文字也可以相互连接，我们就不能不承认这两片破报纸是由一大张撕开来的。魏格纳还指出，在非洲和印度、澳大利亚等大陆之间，也有地层构造之间的联系，而这种联系都限于中生代以前的地层和构造。
古生物学家早就发现，在目前远隔重洋的一些大陆之间，古生物面貌有着密切的亲缘关系。例如，中龙是一种营淡水生活的小型水生爬行类，它既见于巴西石炭—二叠系的淡水湖相地层中，也出现在南非的石炭—二叠系同类地层中，而迄今为止，世界上其它地区都未曾找到过这种动物化石，这表明巴西和南美之间一定有过陆地相连系。又如舌羊齿植物化石，广布于澳大利亚、印度、南美、非洲等南方诸大陆的晚古生代地层中，为解释这些现象，古生物学家曾提出“陆桥说”，设想在这些大陆之间的大洋中，一度有陆地或一系列岛屿把遥远的大陆联系起来，后来这些陆桥沉没消失了，大陆才被大洋完全分隔开来。然而，魏格纳却认为，各大陆之间古生物面貌的相似性，并不是因为它们之间有什么陆桥相联系，而是由于这些大陆本来是直接毗连在一起，到后来才分裂漂移开来。
在魏格纳提出的漂移说中，古气候的证据占有重要的地位，其中尤以古冰川的分布最具说服力。距今约3亿年前后的晚古生代，在南美洲、非洲、澳大利亚、印度和南极洲都曾发生过广泛的冰川作用，有的还可以从冰川的擦痕判断出古冰川的流动方向。从冰川遗迹分布的规模与特征判断，当时的冰川为发育在极地附近的大陆冰川。而且南美、印度和澳大利亚的古冰川遗迹残留在大陆边缘地区，冰川的运动方向是从岸外指向内陆，反映古冰川不是源于本地。要解释这种古冰川的分布及流向特征，过去一直是地质学上的一道难题。但是，正是这些特征，却为大陆漂移说提供了强有力的证据。在漂移说看来，上述出现古冰川的大陆在当时曾是连结在一起的，并且处在南极附近，冰川中心位于非洲南部，古大陆冰川由中心向四方放射状流动，这就很合理地解释了古冰川的分布与流动特征。除古冰川遗迹外，蒸发盐、珊瑚礁、红层等作为古气候标志，也可用来推断它们形成时产生的古纬度。魏格纳等曾将石炭纪蒸发盐、煤等的分布标在联合古大陆上，其中岩盐、石膏、沙漠砂岩均集中在干燥的亚热带，与它们所要求的古气候条件完全相符，从而为联合古陆的存在提供了佐证。
大陆漂移学说的论据虽然很多，但漂移的机制并没有很好解决。因此，受当时认识水平的限制，大陆漂移说受到许多地球物理学家和地质学家的反对。到30年代，大陆漂移说便逐渐衰落下来。到了50年代，由于一些新的、独立的大陆漂移证据的发现，使得大陆漂移说再度活跃起来。其中最有力的证据是古地磁学研究的成果。
现今地球周围存在着地磁场，地质历史时期的地球周围也同样存在着地磁场称古地磁场。岩石在其形成的过程中因受当时古地磁场的磁化可以获得磁性，磁化的方向与古地磁场方向一致。例如岩浆岩在其冷凝成岩的过程中，当它冷却经过居里温度点时，岩浆中的一些铁磁性矿物就会顺当时的地磁场方向排列而发生磁化，当岩浆冷凝成岩后这种磁性就保存下来；沉积岩在沉积和固结成岩的过程中，由于一些铁磁性矿物颗粒受当时地磁场影响发生顺磁力线方向的定向排列，也会获得较弱的磁性。这种岩石在形成过程中所获得的磁性称为天然剩余磁性或化石磁性。这种化石磁性一经形成便具较强的稳定性，可一直保存到今天。借助于岩石的化石磁性，我们可以追溯岩石自形成以后所发生的水平运动情况。
近代地磁场的观测表明，地磁极是围绕地理极附近作周期性移动的，若从数千年以上的时间尺度来看，地磁极的平均位置可以看成是与地理极重合的。根据这一原理，可以把地质历史时期的古地磁极近似地当作古地理极；把古地磁场的磁子午线方向当作古地理经线；古地磁场的等磁倾角线则可看成是古地理纬度线，磁倾角与纬度值之间可用简单的数学公式进行换算。岩石在形成时所产生的剩余磁性的磁化方向可用来确定古经线的方向，测定岩石中化石磁性的磁倾角可确定所处的古纬度。
古地磁研究在本世纪50年代时曾盛极一时。英国著名学者布莱克特和朗科恩等测定了大批的岩石化石磁性资料，并根据化石磁性的古地磁要素，求出某一时代岩石标本所在地的古纬度以及相应的古地磁极的位置。他们发现，在一些地区或大陆，所测得的古纬度往往与目前所处的纬度有很大的差别，说明这些地区或大陆曾发生过大规模的水平位移，这就为大陆漂移提供了重要证据。如果假设大陆固定于目前的位置上不动，把大陆上不同时代的岩石化石磁性得出的磁极位置都标在地图上，发现地质时代越古老，古地磁极的位置偏离现代磁极的位置就越远，把各时代的古地磁极连起来即可得出该大陆的古地磁极的迁移轨迹。但实际上地磁极是基本上位于地理极附近不动的，极移曲线本身反映了大陆漂移的路线。在任何地质历史时期，某一个极性（N或S）的古地磁极只可能有一个，
但古地磁研究表明，不同的大陆岩石测出了不同的极移轨迹，这说明了这些大陆之间必定发生过相对位移。分别根据欧洲大陆和北美大陆岩石测出的两条极移曲线，这两条曲线在现代相交于一点，随着时代变老两者偏离越远，为了把北美的极移曲线与欧洲的重合，就必须将北美大陆向东退回30个经度左右，这时大西洋消失，北美大陆与欧洲拼贴在一起，这就恰好恢复了魏格纳漂移说所提出的联合古陆的情况。其它各大陆的古地磁资料也进一步表明，如果把各大陆大致按魏格纳的设想恢复到漂移前的位置，则根据古地磁资料测出的各大陆同一地质时代的地磁极位置相当接近，各大陆的极移曲线亦可互相重合。所以古地磁资料再次令人信服地证实了大陆漂移。
古地磁研究使漂移说复苏以后，人们又开始深入探讨与大陆漂移有关的一些问题，并获得了许多新的证据和资料。例如，英国学者布拉德等借助电子计算机对大西洋两岸（按约1000m的等深线）地行了十分完美的拼接，为验证大陆漂移提供了最形象的证据；此外，南极洲及其它大陆发现的古生物、地层、构造新资料等也都进一步证实了大陆漂移的存在性。尽管到了50年代晚至60年代早期，大陆漂移说衰而复兴，然而，对大陆漂移的机制问题依然悬而未决。这期间，海底地质与地球物理的研究飞速发展，终于为大陆漂移机制的解决带来了曙光。