为什么大部分岛链都是弧形的？ 第1页

有趣的问题。

地质学中用“弧（Arc）”作为专业术语，我们所说的岛链大多指地质学中的“弧”。

我们常听到诸如“弧”“岛弧”“陆弧”等概念，难免产生疑惑：为什么要用“弧”（Arc）作为地质术语。

(PS: 岩浆弧是指洋壳向洋壳或向陆壳下俯冲时，岩浆上涌侵位和喷出地表形成的链状火山系统)

地球概论老师说：因为弧是弧形的。

额……，刨根问底的同学不会满足于这种回答，弧为什么是弧形？

一般老师很少讲，反正我们老师当时没讲；

同身边专门做弧岩浆研究的人聊过此事，很少有人认真考虑过。

此外，如果我们仔细观察地球俯冲带和岩浆弧的几何形态，还会发现它们不但弯，还弯的很有特点。

几乎大部分的俯冲带和岩浆弧，其弯曲方向很有规律：普遍凹向俯冲方向，即凸向大洋方向。

专业、严谨的俯冲带模式图，都会遵循这个规律绘制：

细心地观察会发现一些反例，例如位于南美洲西缘的俯冲带，或是日本海沟附近的俯冲带，似乎不完全满足这一规律。但它们其实是由两个或多个凹向俯冲方向的俯冲带拼接而成，而且受到一些其他客观因素的制约，下文再述，如图：

其中，最直观，最复杂的要数东南亚环型俯冲带（系统），

下图是它的立体模式图

像不像马蹄形的尼亚加拉大瀑布：

东南亚环形俯冲带（系统）是由多个弧形俯冲带拼接而成。

不过，在固定俯冲方向下，这些弧形俯冲带需要满足下图中，左图的几何学形态，而非右图样式，才能拼接成如此的环形俯冲带。

让我们回到问题：为什么大部分岛链是弧形的？

岩浆弧是由板块俯冲形成的，而俯冲带是弧形的，而且其弯曲方向普遍凸向大洋方向，即凹向俯冲方向。对于这个问题，知乎上有过优质回答 @姜初一 ：

我想在这里补充一个更通俗易懂的解释。

其实，在一些板块构造学教材的边边角角，是给过一些解释的：造成俯冲带凸向大洋方向弯曲几何形态的根本原因是，地球是个球面。

通常我们认为，大洋板块在重力、洋中脊推力或地幔对流牵引力等作用下，发生俯冲，表现为板片向地球内部弯曲，向下俯冲。地球是个球面，所以分布于球面的板块，其整体的形态应该是球面的一部分（向上拱起）。

这样向下弯曲的形态，类似于：

手指按压气球，可以把手指理解为上部岩石圈，被按压下去的部分可以理解为俯冲下去的板块，凹陷下去的部分与正常球面的接触边界就是俯冲带。如图，这个接触边界必然是凹向手指方向，只要是在球面，就必然是这个结果。

不光是教材，很多专业期刊也发表过文章专门进行讨论，例如我们构造专业的顶刊Tectonics的文章：为什么俯冲带是弯曲的？

文章建立了模型进行讨论分析，最终结论一致，这是板块在球面运动发生俯冲的必然形态。

当然，以上只是理想情况，现实情况较为复杂。

例如，不同板块的俯冲角度不同，会影响俯冲带的弯曲程度。

地球是个已知半径的球体，理想情况下我们可以计算出俯冲带弧形的半径（r）：

r=½R arcα

显然半径（r）越小，表明俯冲带的弧度越大，弯曲程度越明显。

地球半径R已知为6300km，可见在理想情况下，俯冲角度α是影响俯冲带弧度的主要因素。

也就是说，俯冲角度越大，俯冲带的弯曲程度越小。

影响俯冲角度的因素也有很多，例如洋壳年龄（影响洋壳自身的物理性质），俯冲速率，海沟迁移等。

此外，流变学性质改变和延迟效应也是重要影响因素。

俯冲下去的板块已不像在地表时那样的刚性强度，随着低温梯度增加而逐渐软化，对海沟弯曲程度的控制减弱；

延迟效应是指，下部的俯冲板片对上部的影响并非是及时传递的，而是存在一定的滞后效应。

再比如，洋洋俯冲和洋陆俯冲，情况也不同。

洋洋俯冲就是洋壳俯冲的洋壳下，上下盘介质类似，相对符合上述规律。

洋陆俯冲是指，洋壳俯冲到陆壳之下。

在活动大陆边缘，俯冲带对上部板块和整个板块边界形状的影响很小。虽然有俯冲构造剥蚀，但是俯冲板块无法对大陆岩石圈厚而硬的边缘进行实质性的切割和变形。

例如，安第斯山脉以西的板块边界，呈长而线性的凹凸形状，这是由南美大陆的形状和构成它的各种古老板块决定的。所以俯冲带的弯曲程度会受到古老大陆形状的限制，而表现为多个弧形俯冲带拼接的样式。

也有学者认为，海沟的长短能影响海沟的后撤和前进，俯冲带不同部位地幔流动性差异（这些在上述姜初一的知乎回答中有具体介绍），这些因素都能影响俯冲板片的角度进而影响俯冲带的弯曲程度。

但总之，这些因素只是起到局部调节和控制作用，造成弯曲程度不同，并非造成弯曲的根本原因。

此外，洋底转换断层也会产生一定影响。

板块运动过程中，块体不同部位运动的速度出现差异，它们之间会形成转换断层，来调节这种速度差异，但是二者整体运动方向仍保持一致。

转换断层的迁移作用，也会加剧或减弱弯曲程度。

例如马里亚纳海沟，其南部较大程度的弯曲就被认为转换断层的牵引作用。

当然，谁是因，谁是果，这个不一定。

总而言之，造成俯冲带其根本原因是俯冲过程起始于球面，其他如俯冲角度、俯冲侵蚀、海沟长度、转换断层等是控制因素。

最后，还有一点需要指出，题干中用“岛链”一词，不是很准确。

我明白题主问的应该是岛弧，但是岛链可以泛指大洋海山、洋岛，例如最有名的夏威夷海山，这些岛链不遵循上述规律。它们的形成与板块俯冲无关，而是板块内部岩浆作用的结果。

这种由洋岛构成的岛链，其发生转向代表着板块运动方向的变化，因为在一定地质时期内，下部提供岩浆的热点位置相对固定，而上部大洋板块不断运动，所以当板块运动方向发生变化，岛链整体的几何形态也会发生变化，例如皇帝海山的转弯，就是大约40Ma前，太平洋板块运动方向转变导致的。

参考文献：

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Schellart, W., Freeman, J., Stegman ., 2007. Evolution and diversity of subduction zones controlled by slab width. Nature, 446(7133): 308-311.

Li J, Ding W, Lin J, et al. Dynamic processes of the curved subduction system in Southeast Asia: A review and future perspective[J]. Earth-Science Reviews, 2021, 217: 103647.