全球板塊運動的矢量場與運動動力學

在地球的發展歷史上，重要理論的建立往往與觀測設備的發展密切相關。為了使用大量的地球物理勘探方法和巖石物理方法，20世紀中葉的板塊結構理論才得以建立。這一概念的興起和發展推動了地方概念和研究規模的進步。然而，描述不同板塊之間的運動學和構造學是在傳統板塊假設的前提下進行的，而威爾遜旋轉的動態模型僅限于二維橫截面的可視化說明。20世紀后期發展起來的空間測地技術在某種意義上說又是一次觀測手段的革命,其中以全球衛星定位系統(GPS等)的觀測發展最快和普遍,它可以提供高精度、大范圍和基本實時的地殼變動數據,使人們能在短時間內獲取有關全球地殼運動的圖像,它使我們第一次真正看到了全球板塊的準實時動態。此外配合其他地球物理觀測,GPS還可用來驗證某些地區深部地幔的運動狀況。Russou等(2004)根據各大洋板塊之下地幔各向異性長軸信息的分布以及它們與洋殼的GPS運動方向一致的關系,認為大洋板塊之下軟流圈的流動與其上的板塊運動方向是一致的,這表明地幔對洋殼板塊的主要拖動作用。目前全球可公用的站點數據已近1000個左右,站點的分布已有較好的監測全球板塊運動的能力,只有大片海底區和兩極區尚很不足。近年利用區域性空間測地站網數據研究區域性的地殼運動及其視應力場的工作已大量展開,在地震預報(Yuetal.,1997;SegallandDavis,1997)、區域性地球動力學研究(Shenetal.,2000;馬宗晉等,2001,2002;Chenetal.,2000;Bilhametal.,1997;Abdrakhmatovetal.,1996)等方面已經獲得廣泛的應用與推廣,對全球板塊總體運動態勢也已經逐步開展起來。本文從描述全球板塊運動入手探討了板塊邊界之間相對運動的四種方式和北、南半球運動的不協調帶,并以全球板塊總體運動作為一級約束條件討論了全球尺度地幔緯向流與經向流的聯合運動問題。1相對精度的板塊運動板塊運動測量的主要技術手段可分為地質的與地球物理的(包括大地測量方法)兩大類。在空間大地測量技術尚未出現的時代,由于常規大地測量精度低、量程短,板塊運動的測定和研究主要靠地質學以及一些常規的地球物理學方法(如古地磁等)。隨著上個世紀70年代空間大地測量方法的出現,大地測量產生了質的飛躍,與常規大地測量方法相比,動態空間大地測量技術不但實現了全天候的測量,而且可以實現以往很難達到的任意尺度和高精度。到了20世紀90年代,空間大地測量技術測定地面點位置的相對精度已達到了10-9。因此空間大地測量完全可以測定每年數厘米至毫米級水平位移的板塊運動,這就為板塊運動的測定和研究提供了一條全新的途徑。板塊運動可分為板塊的相對運動和絕對運動,前者是描述板塊間的相對運動,后者用來描述板塊在某種參考系中的絕對運動。在板塊運動的研究中通常采用特定參照系和地殼相對于地幔無整體旋轉(no-net-rotation)條件下的所謂無整體旋轉地球參考系。利用地質與地球物理方法直接建立的是相對板塊運動,然后通過板塊運動疊加原理建立各板塊的絕對運動。而空間大地測量方法既可測定任意兩板塊間的相對運動,也可直接建立板塊相對于某種參照系(一般是InternationalTerrestrialReferenceFrame(ITRF)參考系)的絕對運動。到目前為止,全球板塊運動的地學研究都是基于兩個基本假設:①巖石圈板塊是剛性的,可作為剛體處理;②板塊的增生與消減是平衡的,地球的表面積和體積維持不變,即地球半徑不變。因此,板塊的運動可以看成是球面上剛性殼體的旋轉運動。其運動可以用歐拉矢量的球坐標或直角坐標分量來表示。一般意義上的板塊運動研究是指一個板塊相對于另外一個板塊的相對旋轉運動。確定一對板塊的相對運動,實際上就是求解相對運動的歐拉矢量。研究板塊的絕對運動,前提是必須先定義一個絕對運動參考框架。在板塊動力學中,應用的絕對參考框架是平中圈框架,即相對于下層地幔(中圈)平均位置固定的框架,平中圈框架假定下層地幔是固定的,或其內部運動相對于板塊運動小得多。在下文描述全球板塊運動及其動力學的規律時,暫不考慮大陸地殼內部的變形。2itrf2000在全球的研究與應用2001年InternationalEarthRotationService(IERS)發布了在ITRF2000下的432個多種測地方式的并置站和741個單置站的運動矢量,后者包括370個GPS(GlobalPositioningSystem)站、142個SLR(SatelliteLaserRanging)站、147個VLBI(VeryLongBaselineInterferometry)站和82個DORIS(DopplerOrbitographyandRadiopositioningIntegratedbySatellite)站。這些站大部分分布在歐洲大陸和北美大陸,在全球其他地區則較少。雖然這樣一種站點空間分布很不均勻的情況,對參考框架的確定會有一定影響,但對全球大部分地區來說,它們所顯示的大尺度運動態勢,其結果是可以接受的。與ITRF97參考系相比,ITRF2000不僅在觀測站數目上有所增加(ITRF97有319個并置站,566個單置站速度矢量),而且為了避免參考系的整體轉動,ITRF2000通過參數變換使其相對于NNR-NUVEL1A模型無整體旋轉。因此,ITRF2000下的站速度矢量與NUVEL1A板塊運動模型的吻合程度與ITRF97相比有明顯的改善。NUVEL-1A模型是對近30年以來地質學方法建立的全球板塊運動模型研究成果的完美總結,經過多種檢驗,被認為是當今最完善的全球板塊運動模型,并分別被IERS(1992,1996)規范推薦為建立和維持全球參考框架和空間大地測量結果歸算的標準模型。為了圖示清楚,避免站點過密,按照站間距不小于10°的原則,我們在432站中隨機繪出了111個站(圖1),其中GPS站64個,VLBI站34個,SLR站2個,DORIS站11個。2.1歐亞板塊的運動特征歐亞區以歐亞板塊為主,該板塊是面積最大的一個以大陸型巖石圈為主的板塊,也是目前世界范圍內大陸區板塊運動量最大、變形最強烈、大陸型地震分布最廣的地區,針對該地區的GPS研究方興未艾,各個國家和地區先后開展了卓有成效的工作。例如中國及鄰近地區(馬宗晉等,2002;王琪等,2002;Wangetal.,2001)、東南亞(Micheletal.,2001)、日本地區(LePichonetal.,1998;Mazzottiyetal.,2001;Pierreetal.,2001)、中國臺灣地區(Yuetal.,1997)、土耳其地區(Straubetal.,1994)等,建立了一些區域性的GPS空間大地測量網。在該板塊內歐洲部分的站點比較密集,東亞次之,而中亞地區(包括中東地區)則相對較少。雖然站點的分布并不是很合理,但根據這些站點所測的數據也能反映出歐亞板塊的基本運動特征。整體上看,從北大西洋洋脊東側,以冰島中央裂谷東側的HOFN站的矢量指向北東為起點,整個歐洲的站點矢量幾乎全部指向北東,速率為20～30mm/a。這里需要說明的是由于萊茵地塹的西、東兩側運動的大小有些差異,所以有些研究者認為它們不能反映歐洲整體的運動特征(Sellaetal.,2002);但是在運動方向上幾乎是一致的,說明這是在同一板塊運動中發生的張裂現象,而且從歐洲地區的地球物理特征來看,萊茵地塹所涉及的深度也不是很大,它沒有將整個歐洲部分的巖石圈分成兩個獨立的部分,因此歐洲部分可以看做是一個整體,同樣的現象也出現在貝加爾湖地區、中國山西地塹地區等。值得注意的是冰島內洋脊的擴張并不是與轉換斷層平行的東西向的伸展,而是斜向拉張的,此問題后面討論。烏拉爾山脈以東,中東的三個站點指向東,速率為29mm/a,由于該地區是歐亞板塊中最為穩定的地區,幾乎沒有新生代的變形,因此該區站點的運動矢量可以代表該地區目前的運動狀態,再向東逐步指向南東直至亞洲的東緣,包括西北太平洋列島,它作為西北太平洋深俯沖帶的上盤,即列島陸上部分未被俯沖拖帶下插部分的運動也是指向南東,這表明亞洲大陸中東部整體都在向南東方向運動,與太平洋板塊和菲律賓海板塊碰撞時,均表現為仰沖運動,并且面對一個個島弧表現出蠕散伸展運動,但這種運動相對于太平洋板塊(菲律賓海板塊)來說,速度要小的多,例如菲律賓海板塊的速度為820mm/a(Yuetal.,1997),而列島仰沖上盤的運動速度僅20～30mm/a。正是由于這種高速匯聚才造就了臺灣島和日本等地區高聳的海岸山脈,因此歐亞板塊向東的蠕散運動與太平洋板塊(包括菲律賓海板塊)向北西方向的俯沖運動構成一組海陸匯聚邊界斜向碰撞的雙向運動模式。關于歐亞板塊為什么呈現向北凸出的寬弧形運動,這是大尺度的動力學問題,也留在后面討論。2.2美維持、限制之后北美板塊內分布的空間大地測量站點比較均勻,但也主要是在美國西部,而加拿大境內較少,但由于加拿大境內主要是前寒武紀穩定的克拉通分布范圍,因此少數幾個站點就可以反映該地區的運動特征了。從圖1中可以看出北大西洋洋脊西側開始,至北美大陸西側的GPS站點,開始時矢量指向北西西,北美中部兩個站點指向正西,而北美西部則逐漸指向南西,阿拉斯加和阿留申列島上的站點也是指向南西。北美西海岸帶內值得重點說明的是圣安得列斯主斷裂西側的JPLM站點的運動是指向北西的,而且位移速率可達30～40mm/a,它的運動與東北太平洋洋底的運動態勢是一致的,這進一步說明了圣安得列斯主斷裂確屬北美板塊與太平洋板塊之間的分界線。比較JPLM站與圣安得列斯主斷裂東側MDO1站的運動矢量,兩者向西運動的分量分別是35mm/a和13mm/a,說明兩者之間有20mm/a的拉張量,由此可以指出北美板塊與東北太平洋屬左型剪切兼拉張型的運動邊界,此板塊邊界運動模式GanWeijun等(2000)已給予精細的證明。2.3南太平洋中、西北太平洋中、太平洋區域構造格局變化太平洋區可區分為北區和南區。北區主要包括太平洋板塊以及較小的菲律賓海板塊和一些西南太平洋小板塊(Hamilton,1979)。這些板塊完全是由海洋型巖石圈構成的,其周圍以俯沖帶和洋脊以及轉換斷層為邊界。在這些板塊上由于海水覆蓋,站點較少,主要分布在其中的一些島嶼上,中部主要分布在夏威夷群島以及菲律賓等地區的島嶼上。從圖中可以看出整個太平洋板塊的運動是比較均一的,而且也與夏威夷熱點新生代晚期形成的火山鏈幾乎平行。北太平洋大板塊內站點之間基線變化率幾乎為零,反映了北太平洋板塊具有“剛性”特征,而南太平洋板塊站點之間基線變化率不為零,其水平方向分量差異較大,反映南太平洋板塊是“非剛性的”,或者與太平洋老、新洋脊的跳位和洋脊向南的分叉有關。印度尼西亞至科馬德克等一系列列島俯沖—剪切帶表現的扭轉、彎曲的構造形態也是很好的證明,西南太平洋也表現了非剛性的運動。目前太平洋板塊北部以71.8mm/a的速率向北西方向運動,在與運動方向垂直的邊界上(西北太平洋邊緣)主要發生以俯沖為主的活動,而在與運動方向平行的邊界上(西南太平洋邊緣)則主要以走滑作用為主。其實在西南太平洋邊緣復雜的邊界,其形成不僅僅是走滑運動產生的結果,還有俯沖現象,因為澳大利亞板塊還在高速的向北東東方向運動,因此造成了該地區非常復雜的邊界圖像,板塊俯沖極性經常發生變化,邊緣海盆地演化迅速,地震活動性顯著。目前澳大利亞大陸已經與西南太平洋的弧溝系統發生碰撞(Hamilton,1979)。菲律賓海板塊是影響東亞東部地區構造變動的主要因素之一,GPS測量表明該板塊向北西方向以每年8.2cm做高速運動,正是這種運動導致了該板塊與歐亞板塊東部邊緣碰撞,臺灣島的形成及發展就是結果之一,GPS觀測表明臺灣東部縱谷以東地區的運動方向指向北,而縱谷以西的地區卻向南東方向運動(馬宗晉等,2002;Yuetal.,1997)。東南太平洋洋脊西側洋底向北西西方向的運動與克馬德克—新西蘭列島向北北東運動的碰撞,也是一個復雜的邊界,既有對俯沖運動又有走滑運動(馬宗晉等,2002;Molnar,1988)。2.4澳大利亞板塊北北方向運動與太平洋、菲律賓板塊的碰撞印度洋區包括印度洋脊東西兩側的兩大部分,東側是印澳大板塊;西側是非洲板塊和晚期由非洲裂出的阿拉伯板塊,以前統稱的印度—澳大利亞板塊。最近的研究表明印度次大陸和澳大利亞已經開始分裂成兩個獨立的板塊(Gordon,1988)。在印度板塊上可公開的GPS站點很少,而且分布也不均勻,主要集中在印度的南部,北部很少或幾乎沒有,這嚴重影響了印度與歐亞板塊碰撞過程的精細研究。從圖中可以看出目前印度整體以52mm/a左右的速率向北東方向運動,與歐亞板塊發生強烈碰撞,它代表了印度洋洋脊東北側的運動,而阿拉伯板塊和非洲板塊向北東方向的運動速度分別是31.98mm/a和30.28mm/a,說明三者之間存在伸展運動,同時也表明了印度洋洋脊北段的南北方向一小段確有左型扭動。澳大利亞與印度板塊上分布的GPS測站不是很多,且主要分布在澳大利亞大陸的周邊以及一些島嶼之上,個別分布在大陸內部,但從圖1中可以看出這些測站所顯示的運動特征幾乎是一致的,運動方向均指向北北東,而且速率,可以達到60～70mm/a,該數值是南半球中向北東方向運動速率最大的。隨著澳大利亞板塊向北運動,在其北側分別與太平洋板塊、菲律賓板塊以及歐亞板塊發生碰撞和俯沖,造成了現今西南太平洋非常復雜的構造格局,從圖1中不難看出該地區幾乎所有板塊都以很高的速率在運動(菲律賓還板塊為70～82mm/a,太平洋板塊為70mm/a,歐亞板塊為30～40mm/a左右),而彼此之間的運動方向呈大角度相交,甚至呈直角接觸,就是這些因素導致該地區成為世界上目前構造最為活動,關系最為復雜,板塊再造最為困難的地區。由于澳大利亞板塊并不是與上述各板塊發生正向的碰撞,因此必然在西南太平洋地區沿構造走向造成運動分段的現象,西部蘇門答臘地區以俯沖和走滑為主,中部爪哇地區以俯沖為主,東部的赤道新幾內亞—班達海—蘇拉維西則以走滑和俯沖為主。在澳大利亞板塊東部也由于這種運動的不協調性,導致了在新西蘭的阿爾卑斯斷層上存在著明顯的走滑兼俯沖運動。2.5洋脊下構造線的變化南美板塊是一個相對穩定的板塊,其東側邊緣帶四個站點均指向北北西,矢量速率1mm/a左右;西側4個站點均指向北北東,速率為1～2mm/a左右,所以南美洲整體向北略偏西運動,這與納茲卡板塊向東的高速后退式俯沖和南美大陸巖石圈的上浮與南大西洋西側慢速穩定的伸展有關。南大西洋兩側的非洲板塊向北東,而南美板塊向北北西動;還有從洋脊上Tristan熱點向北東、北西伸出的熱點玄武巖堆積軌跡都表明兩側的板塊不是以垂直于洋脊的轉換斷層增生方向運動的,根據目前的一些GPS測量結果(Sellaetal.,2002)以及本文研究的結果,都表明大西洋的擴張是斜向的(圖2),這將如何解釋那些東西走向的轉換斷層呢?轉換斷層或其間板條的增生方向與板塊運動方向之間似乎是不可調和的,它們可能分別代表了大西洋洋殼和其下地幔的差向運動,圖2b是這種差向運動的解釋圖。①層代表地殼或巖石圈受大西洋洋脊拱張作用而張裂,并沿早期已有的“弱線”,即早有的緯向構造線增生成轉換斷層;②層代表①層以下的地幔表層流動層,它們既向北運動,又沿洋脊張裂帶上涌巖漿,從而向東西兩側推展。前面描述南美、非洲、阿拉伯、印度、澳大利亞等南半球的板塊,整體地都向北運動可以表明②層地幔北向流動拖動作用的真實性,而一系列關于“板條”與“板條”之間地化成分明顯差異的研究結果也可旁證①層生成過程的相對獨立性(MitchellandCarson,1981)。2.6洋脊運動方向上的斷裂方向南極大陸的空間測地設站很少,觀測時間也較短,而且又沒有象歐亞板塊與北美板塊運動格局背景的參考,因此其運動態勢很難描述。不過從僅有7個站點的矢量表現,參考南北向的北大西洋洋脊、印度洋脊和東南太平洋洋脊等3條洋脊向南都分叉并連成一條環南極洋脊的運動狀況,可以認識到該洋脊并不是園環形,而是類似“紡錘”狀,從圖3a中可以看出,如果我們把繞南極洋脊分成α段(0°半球)和β段(180°半球),那么洋脊環內的,即南極大陸上7個站點矢量總體上都指向大西洋方向,與南美洲南部3個站點的矢量和南大西洋脊南部站點的矢量指向都是指向北的分量,α段洋脊張裂帶以內南極洲運動量小,以外的運動量大,這就是落伍型的張裂運動。而β段洋脊的內外運動方向則恰恰相反,即南極洲向0°半球區運動,澳洲向180°半球區運動,由此也可以說整個南極區地幔頂層都是向北運動的,而且是偏極的。α洋脊上發育著一系列羽狀“轉換斷裂”,總體走向近于緯向,以大西洋洋脊南端為中心點分為左、右型,①、②、③三條斷裂向非洲南端東側匯聚,表現出早期(K)至晚期(Q)統一的左型錯動,并由北東轉向北東東向錯動,這可能與極區地幔流向中緯度區的流向變化有關;β洋脊上發育了④、⑤、⑥三組斷裂,它們與β洋脊都是大角度交切的,直接表現了β洋脊快速向北的張裂運動。2.7山東南角運動帶北極區及外延至30°N的北半球中高緯度區以內對地觀測站大致可以330°～150°經向線,也既是穿過北極的洋脊線為界分為兩個大區,其東側的(EA)和西側的(NA)呈山羊角式的分裂運動,并匯聚于阿留申群島北側,運動指向正南。表現出以大西洋洋脊兩側指向北東和北西向運動的地幔流越過北極區地殼穹頂之后,即向阿留申島弧帶聚流,從而形成歐亞板塊和北美板塊呈左旋與右旋的寬弧形運動格局。3關于問題的討論在上述板塊單元分區運動描述的基礎上,分別討論以下幾個問題:3.1/南/兩種社會模式從上文中可以發現全球洋脊分布并不是沒有規律的,現今洋脊幾乎分布在膨脹型的南半球和0°半球內,南半球又是三大洋脊向南分叉并連成紡錘形南極洋脊,而且在該半球內卻少有匯聚型板塊邊界的發育。大地熱流以及地球深部CT探測等研究都表明,南半球存在明顯的熱異常,整體處于膨脹過程之中,例如南半球平均熱流99mW/m2,北半球是74mW/m2;0°半球(大西洋)是94mW/m2,180°半球(太平洋)是79.3mW/m2(汪洋等,1998;Suetal.,1994),GPS矢量場也表明南半球正處于膨脹過程中。相反北半球中緯環帶平均年縮短率是8mm/a,南半球中緯環帶的平均年伸長率是12mm/a(孫孚明等,1999);而黃立人等(2001)利用全球590個空間測地站的資料也驗證了地球的雙重非對稱,計算表明不同半球的體積也在發生著變化,同樣是北半球在收縮,而南半球在膨脹,大西洋半球+0.109×104km3/a、太平洋半球-0.371×103km3/a、北半球-0.157×104km3/a、南半球+0.936×103km3/a。同樣太平洋洋脊、印度洋洋脊以及大西洋洋脊也幾乎都發育在0°半球內,該半球以縱貫南北的大西洋脊為中軸的,東側是印度洋脊,西側是太平洋脊,它們現在幾乎都在大西洋半球內,與之對應的是收縮的180°半球(馬宗晉等,1980)。而且這兩個膨脹半球(南半球、0°半球)也與地球低階大地水準面異常相對應。Su等(1994)根據地震層析成像研究也表明南半球的上地幔為低速、高溫;北半球的上地幔為高速、低溫,這與地球表層構造運動及熱流分布的反對稱一致,這說明地幔南北半球熱狀態的差異可能是導致一系列南北半球非對稱性表現的動力學基礎。為什么全球的洋脊會在地球的表殼上如此分布?這個問題以及全球大陸分布的問題實際上在板塊構造理論確立之時就已經被提出來了,但一直沒有得到合理的解釋,如今本文提出的現今地球表殼運動受雙重非對稱的上地幔經、緯向聯合流動的動力學作用,可以作為一種基本的定性模式。3.2深焊接、深沖刷構造帶上文中提到的180°半球已由多種現象和地球物理參數證實屬收縮的半球。環太平洋西側寬展的溝弧盆構造帶和東側縱貫南北的科迪勒拉山系由阿留申島弧連接成的馬蹄形環太平洋構造帶實際是由太平洋兩側大陸向著太平洋仰沖和太平洋海底巖石圈層向著大陸俯沖的雙向動力作用造成的。因為空間測地站矢量圖已充分的表明,太平洋面積在縮小,而太平洋海底巖石圈板塊以其自重和全面收縮的動力及地幔流的拖動而快速運動,外緣快速運動碰撞并形成深俯沖構造帶。此外,環太平洋地震帶是太平洋周邊海陸相向碰撞的一個擠壓環,可能代表太平洋底整體處于受擠壓的狀態。洋底板塊長期與海水作用變冷、變厚也會影響地球物理場的表現,太平洋海底明顯的向西傾斜可能也是太平洋西側深俯沖作用最為發育的反映之一。3.3關于地球演化的理論地球整體上的差異性長期以來就不斷有學者進行嘗試性的解釋,地質學誕生以來有關大陸的分布等問題就是一個經久不息而且重要的研究領域,我們可以看出幾乎有史以來形成的有關地球演化的理論,例如地球的四面體學說(Bucher,1933);北方大陸整體向南推壓造成大陸南緣一系列弧形山帶的現象曾引起眾多地學家的贊許(Argand,1922);也包括板塊理論的前身的推論(魏格納),這些都未能得到準確的運動學定量證明和全球動力學全面的思考,自上世紀80年代我們提出地球雙重非對稱的觀念以來(馬宗晉等,1980),這些全球整體性的特征和差異問題經多年研究,我們認為可能主要與以下3個動力學根源有關:3.3.1第四系甲基構造區北、南半球的非對稱,從低階大地水準面上表現為南脹北縮,北部收縮帶內恰好是大陸碰撞擠壓構造系的展布地帶,南部膨脹帶恰好是環南極洋脊的發育地帶,它們在地理上的對稱,在構造性質上卻恰恰相反。這些在地球低階大地水準面異常上也表現出來,表明地球內部質量分布起到了一定的控制作用。0°/180°半球的非對稱,大地水準面上表現為0°半球膨脹和180°半球收縮,已知0°半球是以縱貫南北的大西洋脊為中軸的,東側是印度洋脊,西側是太平洋脊,它們現在幾乎都在大西洋半球內,但環太平洋構造系恰是太平洋收縮區的外邊界,而且太平洋面積還在不斷縮小,所以這兩大構造系的半球尺度的展布也正好與0°/180°半球的非對稱相對應。從上面的論述中可以發現,目前全球的這幾個板塊之間的運動并不協調,按它們的運動狀態大致可以分成兩組,一組就是以歐亞板塊和北美板塊為代表的北方部分,另一組是以南美、非洲、阿拉伯、印度和澳大利亞板塊為代表的南方部分。北組兩大板塊總體以EW向運動為主;而南組板塊則以北向運動為主,這就造成兩組板塊之間在赤道帶內的碰撞,因為非洲—澳大利亞板塊向北運動量大(3～5mm/a),所以造成阿爾卑斯—青藏高原山帶的形成;而南美板塊向北運動量小(1mm/a左右),所以未形成強碰撞,再者因為北半球的歐亞大陸以向東運動為主,所以北南兩組之間還存在右型剪切作用;同理,南北美大陸之間則存在左型剪切作用,加之太平洋脊西側洋底板塊向NWW方向的高速運動,也造成西太平洋板塊與澳洲板塊之間的強烈左型剪切運動,于是在地球整條赤道帶內即構成了一整條赤道剪切帶(馬宗晉等,2003),它們共由13條巨型走滑斷層或逆沖兼走滑斷層組成,由中美洲起向東依次為:①Guatemala斷層、②Gibraltar斷層、③WesternMediterranean-HelenicTrench-StraboTrench、④NorthAnatolia斷層、⑤NorthCaucasus斷層、⑥Jiali斷層、⑦Redriver斷層、⑧Sumatra斷層、⑨Sorong斷層、(10)MiddleBismarck-Solomon斷層、(11)Bougainville-SouthSolomomtrench、(12)Volcanicheatline斷層、(13)EasterIsland-SaintPhoenix斷層。在這巨型斷裂系統中,大地震頻繁發生。只是第(12)和(13)斷裂帶內沒有地震記錄,但它們是火山頻發的“熱線”,而且在全球地震波CT成像中都有明顯的顯示,它們活動的根源至少來源于上地幔。13條斷層中除了印度尼西亞斷裂帶東部以俯沖為主,西部以走滑為主,其余12條斷裂都是以走滑為主,其中①、②、③、④、⑤、⑥、⑦等斷裂均位于赤道以北;⑨、(10)、(11)、(12)、(13)等斷裂位于赤道以南。而⑧號印度尼西亞斷裂大約沿印度洋90°海嶺東側從雅魯藏布江東段大拐彎開始沿南北方向一直穿過赤道并轉向東,成為全球最為醒目的大拐彎弧形構造帶,這是很值得重視的構造現象,因為①～⑦號這幾條斷裂基本上是在15°N～40°N緯度帶內發育的呈右行斜列式分布的NWW向斷裂組,而⑨～(13)幾條斷裂則在5°S～30°S之間緯度帶內發育也呈左行斜列式分布的北西西向斷裂組,⑦號斷裂與⑨號斷裂之間是以陡然變化的南北向構造斷裂帶連接,而①號與(13)號斷裂之間也是橫跨赤道相距40個緯度,與南北向的南美大陸西邊緣俯沖構造帶相連,這里可能顯示了太平洋半球和大西洋半球兩者在赤道附近的剪切運動是同源不同位的關系,其根據還要進一步研究。3.3.2全球地潭的經—地球熱流驅動的地幔經、緯向一級對流格局地幔對流以及相關的地幔運動狀態自板塊構造理論誕生以來就一直是一個眾說紛紜的論題,它涉及到了板塊運動的驅動力等最基本推測,但由于觀測手段以及方法的限制,有關地幔的運動狀態還沒有得到突破性的解決。而最近一些地區(尤其在大洋地區)地幔各向異性與GPS速度矢量方向重合有力地說明可以根據GPS資料表明地幔的運動方向(Russo,2004),馬宗晉等(1994)根據全球地震構造以及一系列地球物理場特征認為全球地幔存在著半球尺度的經向流以及北北半球中緯度的壓縮帶和南半球的膨脹帶(圖5A),近年來馬宗晉等(2001,2003)又根據全球GPS測站速度矢量圖像分析進一步認為全球地幔流可能是由半球尺度的經向流和緯向流的聯合而成的混流(圖5B、C)。在討論地幔經緯向流動問題之前,有必要簡單回顧自古生代以來板塊運動的大致方向,實際上至少從晚古生代以來,大多數大板塊總體運動方向是向北運動的,歐洲的海西運動是一系列地體自南而北拼貼于波羅地盾南緣,而晚古生代到新生代以古特提斯洋和新特提斯洋向北逐次關閉,岡瓦納古陸碎片自南而北拼貼于歐亞板塊南緣,目前環南極洋脊的開裂,繼續向北運動,這些現象均能說明至少從晚古生代以來則是由在南半球地幔存在南北向或近南北向的流動。然而與此同時我們還可以發現也存在地幔東西向運動的現象,近南北向發育的大西洋洋脊以及太平洋洋隆是地幔東西向或近東西向流動的最明顯證據之一。此外在ITRF2000參考框架下,坐落于大西洋洋脊之上的冰島東西兩側GPS速度矢量方向分別指向向北西和北東,而大西洋南側同樣位于洋脊之上的熱點活動也同樣體現了類似的運動。以上現象均說明至少在晚古生代以來,地幔的運動同時存在經向與緯向運動。我們尚不知道是什么因素導致了地幔存在經緯向流動,但推測地球的自轉和地球巖石圈橢圓形球殼可能對地幔的熱運動起一定的控制作用。經典的地幔二維熱對流(Holmes,1929)和全球熱柱模型(Maruyama,1994),目前都不能全面的說明全球板塊受經、緯向