論文---地球動(dòng)力學(xué)淺談.doc

地球動(dòng)力學(xué)淺談?wù)旱厍騽?dòng)力學(xué)是近代力學(xué)與固體地球構(gòu)造變形研究相結(jié)合的重要領(lǐng)域。弄清地球的整體、內(nèi)部和地表的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)不但有重要的科學(xué)意義，而且對于了解環(huán)境變化、尋找資源和能源、防止和減輕自然災(zāi)害等都有重要價(jià)值。關(guān)鍵詞：地球動(dòng)力學(xué)、發(fā)展、復(fù)雜性、前沿問題、未來 一、引言 地球動(dòng)力學(xué)是一門古老的學(xué)科，大部分基本理論原則上在十九世紀(jì)就已經(jīng)孕育形成，以后并沒有增加多少基本概念。一些進(jìn)展是在探索這些概念時(shí)取得的，而在一些情況下，是在有關(guān)地球的一些重要事實(shí)測定中取得的。盡管如此，約百年來，地球動(dòng)力學(xué)曾經(jīng)是一門高度推理的學(xué)科，而且在今后的百年間，似乎也不可能改變這種狀況。在這期間，也未必能增加許多基本概念。其原因在于得到關(guān)于地球力學(xué)的可靠的有關(guān)數(shù)據(jù)是極其困難的，部分是因?yàn)椴豢赡苡弥苯拥氖侄翁讲斓厍虻纳畈?，部分是由于事件發(fā)生是時(shí)間間隔都有數(shù)百萬年的數(shù)量級。對于一個(gè)人來說，要等待以及用這樣的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是太長久了。因此，雖然隨著人類文明的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)能解決一些有關(guān)地球動(dòng)力學(xué)的問題，但還存在許多問題有待去解決。二、什么是地球動(dòng)力學(xué) 地球動(dòng)力學(xué)是力學(xué)與地球科學(xué)結(jié)合產(chǎn)生的交叉性分支學(xué)科之一。 它包括以強(qiáng)調(diào)地球各種現(xiàn)象和要素的力源性質(zhì)與動(dòng)力作用模式探討的“狹義地球動(dòng)力學(xué)”和對各類地球現(xiàn)象進(jìn)行全球性概括并應(yīng)用地質(zhì)、地球物理以及地球化學(xué)等多學(xué)科綜合研究的“廣義地球動(dòng)力學(xué)”或者“地球構(gòu)造動(dòng)力”。地球動(dòng)力學(xué)主要探討地球整體運(yùn)動(dòng)、地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力過程，尋求它們的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。 地球動(dòng)力學(xué)是近代力學(xué)與固體地球構(gòu)造變形研究相結(jié)合的重要領(lǐng)域。弄清地球的整體、內(nèi)部和地表的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)不但有重要的科學(xué)意義，而且對于了解環(huán)境變化、尋找資源和能源、防止和減輕自然災(zāi)害等都有重要價(jià)值?！暗厍騽?dòng)力學(xué)”（Geodynamics）的名稱，由著名力學(xué)家 A.E.H.Love 在1911 年出版的地球動(dòng)力學(xué)的若干問題的著作中最早提出，最初是按照均勻彈性球體，在地殼均衡、固體潮、緯度變化、地球內(nèi)的壓縮效應(yīng)、引力不穩(wěn)定性以及行星體振動(dòng)等廣泛內(nèi)容研究基礎(chǔ)上所建立的。 20 世紀(jì) 60 年代板塊大地構(gòu)造學(xué)說問世以后，有人把大地構(gòu)造物理學(xué)作為地球動(dòng)力學(xué)的一部分；有人著重把地幔對流、海底擴(kuò)張、大陸漂移作為地球動(dòng)力學(xué)的主要內(nèi)容；也有人把固體潮和地球自由振蕩并入地球動(dòng)力學(xué)；還有人主張把原來屬于天文學(xué)的地球自轉(zhuǎn)問題也納入地球動(dòng)力學(xué)的范圍。直到 20 世紀(jì) 80 年代，地球動(dòng)力學(xué)還被認(rèn)為是固體地球物理學(xué)的一門分支學(xué)科。 現(xiàn)代所稱地球動(dòng)力學(xué)則主要是指在板塊構(gòu)造學(xué)說建立之后，1970 年國際地球動(dòng)力學(xué) 10 年計(jì)劃中提出的以探討構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的力源為主要目標(biāo)的地球動(dòng)力學(xué)。由于國際地球動(dòng)力學(xué)計(jì)劃取得了很大進(jìn)展，1982 一年內(nèi)就出版了由 A.E.Scheidegger、D.W.Turcotte 和 E.V.Artyushkov 等撰寫的 3 部 地球動(dòng)力學(xué)專著。地球動(dòng)力學(xué)主要探討地球整體運(yùn)動(dòng)、地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力過程，尋求它們的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。 三、地球動(dòng)力學(xué)的發(fā)展 地球動(dòng)力學(xué)的研究由古至今可分為四個(gè)認(rèn)識層次，隨之地球動(dòng)力學(xué)的學(xué)科形態(tài)和結(jié)構(gòu)也逐步深化和完整。1.地球形狀動(dòng)力學(xué)從地球被認(rèn)定為球體開始，人類首先對地球的形狀提出了圓球、扁橢球、長橢球、四面體等等認(rèn)識和相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)推論，發(fā)展至今，據(jù)衛(wèi)星重力資料反演的大地水準(zhǔn)面作為擴(kuò)展地球形狀動(dòng)力學(xué)研究的基本主題。 2.地球表殼動(dòng)力學(xué) 18 世紀(jì)中期至本世紀(jì)中期，針對全球海陸升降、分布格局及地表山系的展布，曾提出地球脹、縮，自轉(zhuǎn)、大陸漂移、潮汐、熱對流等等構(gòu)造動(dòng)力學(xué)假說；與此同時(shí)，從彈性到塑性基礎(chǔ)力學(xué)的發(fā)展，也不斷引深對地球介質(zhì)力學(xué)行為的理解，并正式提出了地球動(dòng)力學(xué)的概念，涉及了地球表殼變動(dòng)的過程和動(dòng)力。 上述直覺性的各種動(dòng)力觀，因立論之局限或單一，缺乏有力證明，逐漸為以地殼升降、地層、沉積、構(gòu)造變動(dòng)和巖漿活動(dòng)為基礎(chǔ)的地槽構(gòu)造論和后來發(fā)展為泛地槽論的大地構(gòu)造觀所隱沒。 本世紀(jì)開始，大氣動(dòng)力學(xué)和海洋動(dòng)力學(xué)已獲得獨(dú)立快速的發(fā)展。 3.地球巖石圈（層）動(dòng)力學(xué) 二次世界大戰(zhàn)后，地學(xué)向海洋和深部全面進(jìn)軍，促成了 60 年代提出囊括全球巖石圈的板塊運(yùn)動(dòng)學(xué)觀點(diǎn)，打開了地球表殼變動(dòng)與地球內(nèi)部動(dòng)力過程相關(guān)研究的通道，建立了一批新的全球構(gòu)造概念和理論模式，從而使地球動(dòng)力學(xué)作為一門具有廣泛帶動(dòng)能力的多學(xué)科高層次綜合的理論形態(tài)更趨完整和系統(tǒng)，但是這一層次的動(dòng)力學(xué)主要還是以巖石圈層板狀體的幾何、組成、演化和變動(dòng)過程為基本對象，其深部的動(dòng)力過程主要還只是在實(shí)驗(yàn)或理論參數(shù)假定下的動(dòng)力學(xué)推論和反演推算，尚無確定結(jié)論。 4.地球整體動(dòng)力學(xué) 近二十余年，由于衛(wèi)星探測和深部探測以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)和信息處理等方面的快速發(fā)展，取得一大批描述地球各圈層的組成、結(jié)構(gòu)以及動(dòng)態(tài)信息的數(shù)據(jù)，提供了地球科學(xué)進(jìn)行整體的相互作用過程的解析，并探求其多種動(dòng)力因子聯(lián)合作用系統(tǒng)的必要和可能，所以，一個(gè)行星地球多圈層耦合整體行為動(dòng)力學(xué)過程的研究階段已經(jīng)到來，它將集歷史之大成，融地球之解析于地球統(tǒng)一過程之自然。 四、地球動(dòng)力學(xué)問題的復(fù)雜性 地球動(dòng)力學(xué)問題的復(fù)雜性在于: （1）時(shí)空尺度跨越十多個(gè)數(shù)量級，介質(zhì)和結(jié)構(gòu)的特性和運(yùn)動(dòng)紛繁復(fù)雜；（2）地球內(nèi)部的不可入性，主要靠地表接受的地震波，磁電和重力等信號進(jìn)行反演；（3） 問題的非線性及反演解的不唯一。 近年來，由于地震波理論的發(fā)展、高溫高壓巖石實(shí)驗(yàn)的成就、地球化學(xué)的深入研究、高速計(jì)算機(jī)的飛速進(jìn)步和應(yīng)用空間技術(shù)的大地測量等新成就，地球科學(xué)得到很大發(fā)展，對地球內(nèi)部的復(fù)雜性和不均一性取得更加深入的認(rèn)識，用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論來探索地球構(gòu)造及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制的條件漸趨成熟。 五、地球動(dòng)力學(xué)研究的若干前沿問題 1.地球構(gòu)造動(dòng)力 地球構(gòu)造動(dòng)力一直是當(dāng)代地球科學(xué)基礎(chǔ)性研究中最為活躍的領(lǐng)域。它側(cè)重探討地球表層（地殼和巖石圈）的全球性大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力過程和驅(qū)動(dòng)機(jī)制的廣義地球動(dòng)力學(xué)，是地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、地球化學(xué)以及大地測量學(xué)等學(xué)科綜合和交叉研究的課題。 地球構(gòu)造動(dòng)力學(xué)不僅能夠使人們進(jìn)一步了解地球表面構(gòu)造形成、演化的和地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，而且還有助于認(rèn)識整個(gè)地球以致太陽系的形成和演化過程。地球構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，同樣也是礦液運(yùn)行的動(dòng)力；地下流體的運(yùn)動(dòng)問題，是現(xiàn)代地球動(dòng)力學(xué)研究的一個(gè)重要方面；地震是地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程中的一個(gè)突變反應(yīng)，火山是地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)。因此，弄清地球內(nèi)部和構(gòu)造的動(dòng)力學(xué)過程以及正在進(jìn)行的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，是從基礎(chǔ)上解決這些問題的根本途徑。 最近幾十年來，地球科學(xué)前沿領(lǐng)域的地球構(gòu)造動(dòng)力學(xué)研究異?；钴S，地球構(gòu)造動(dòng)力觀點(diǎn)較多，目前有較大影響的主要有四類：地球深部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)說（地幔對流、地幔柱等）；地球體積變化說（地球膨脹、地球脈動(dòng)等）；地球自轉(zhuǎn)速率變化說（自轉(zhuǎn)加速或減速、圈層的差異旋轉(zhuǎn)等）；天文周期運(yùn)動(dòng)說（太陽系繞銀心旋轉(zhuǎn)等）。其中以闡明板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力為目的的“地幔對流”以及與其聯(lián)系的“地幔熱柱”說，目前最有影響并居于主導(dǎo)地位。地球自轉(zhuǎn)速率變化說一直有著重要的影響。但是，包括地幔對流和地幔柱構(gòu)造動(dòng)力在內(nèi)的四類主要觀點(diǎn)中，目前都還存在著一定的困難和問題。對于板塊構(gòu)造學(xué)說，人們主要是證實(shí)了板塊構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)學(xué)及其相關(guān)的地質(zhì)構(gòu)造、地球物理、地球化學(xué)等問題，尚未弄清其在地球演化過程中的情況特別未能對其動(dòng)力學(xué)機(jī)制作出令人信服的合理解釋。因此，地球構(gòu)造動(dòng)力學(xué)問題尚未解決。 2、板塊構(gòu)造理論 60 年代產(chǎn)生的板塊構(gòu)造理論，代表了地球科學(xué)觀念上的革命，引起了極大的反響。這個(gè)新理論本身是多種學(xué)科(海洋地質(zhì)學(xué)、古地磁學(xué)，地震學(xué)等)相互結(jié)合的產(chǎn)物，它從全球尺度描述地球表層統(tǒng)一協(xié)調(diào)的塊體運(yùn)動(dòng), 把地球內(nèi)部過程等地表特征、變化聯(lián)系起來。近年來國際上有很多關(guān)于板塊人構(gòu)造理論的思考與評價(jià)，已發(fā)現(xiàn)很多與板塊理論不相符合的事實(shí)，板塊理論只強(qiáng)調(diào)統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力作用，不法意板塊自身的演化特點(diǎn)。大洋內(nèi)也有很多現(xiàn)象不能用板塊構(gòu)造理論解釋，過去作的深海鉆探其實(shí)很淺。地球科學(xué)理論的發(fā)展已出現(xiàn)多元化局面和用新理論替代的趨勢。板塊構(gòu)造理論有局限性，它只成功于對巖石圈板塊運(yùn)動(dòng)的描述，已有很多新資料對板塊理論提出了質(zhì)疑和反證。未來的發(fā)展，將對現(xiàn)行的板決理論作出某些重大的甚至是原則性的改造，加上地幔地核動(dòng)力學(xué)，向整體地球動(dòng)力學(xué)理論方向發(fā)展。 3、大陸動(dòng)力學(xué) 國際地學(xué)界普遍認(rèn)為，大陸動(dòng)力學(xué)是目前地球科學(xué)面臨的主要挑戰(zhàn)。大陸與大洋之間存著重大差別。大洋巖石圈相對較年輕，使地球科學(xué)家依據(jù)少量的地質(zhì)和地球物理資料就能建立大洋動(dòng)力學(xué)模型。而大陸是由許多不同地質(zhì)作用組合形成的，記錄著幾乎從 40 億年前到現(xiàn)在的構(gòu)造演變歷史，現(xiàn)有板塊理論不能解釋大陸構(gòu)造的多數(shù)動(dòng)力作用。大陸物質(zhì)的增生和消減仍是一個(gè)謎，如非洲大陸地殼增生問題。因此，大陸構(gòu)造將是未來地球科學(xué)產(chǎn)生新的重大發(fā)現(xiàn)的突破口。同時(shí)大陸也是人類活動(dòng)的主要場所，資源、環(huán)境、災(zāi)害許多與地學(xué)相關(guān)的社會(huì)需求問題來自大陸。所以大陸構(gòu)造在地球動(dòng)力學(xué)研究中占有特別重要的地位。中國大陸是世界上最活動(dòng)的大陸，有許多特殊的構(gòu)造與動(dòng)力學(xué)問題，無論是用板塊構(gòu)造理論，還是用起源于歐美的經(jīng)典構(gòu)造學(xué)說，都不能對中國大陸構(gòu)造問題作出合理的解釋。 4、青藏高原動(dòng)力學(xué) 青藏高原動(dòng)力學(xué)是國際地學(xué)界的一個(gè)研究熱點(diǎn)，我國已投入了很大力量，美國、法國、英國紛紛派科學(xué)家參與這一地區(qū)的探測研究活動(dòng)，但至今未拿出有重大影響的理論成果，說明這個(gè)地區(qū)的研究難度很大。未來 10 年地球科學(xué)的重大突破很可能產(chǎn)生于青藏高原地區(qū)研究。 5、地球動(dòng)力學(xué)過程的復(fù)雜性 科學(xué)的發(fā)展規(guī)律是從簡單到復(fù)雜。板塊構(gòu)造理論的局限性之一是把地球表層看作是均勻的剛體在球面上作均勻運(yùn)動(dòng)，這是動(dòng)力學(xué)的一級近似，大體可說明全球尺度長時(shí)間平均的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，實(shí)際的地球構(gòu)造是一個(gè)復(fù)雜的非均勻、非對稱球狀體，經(jīng)歷著非平穩(wěn)(幕式的)的非線性過程，如火山、地震等突變事件，還有隕石撞擊等現(xiàn)象，洋脊的運(yùn)動(dòng)也是非平穩(wěn)、空間不均勻的。這就需要用現(xiàn)代科學(xué)中的新概念、新方法(如非線性力學(xué)等)研究作為開放復(fù)雜系統(tǒng)的地球動(dòng)力學(xué)過程。 6、地球運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力機(jī)制 任何構(gòu)造學(xué)說最終要經(jīng)受動(dòng)力機(jī)制模型的檢驗(yàn)。板塊構(gòu)造理論假定地幔對流是驅(qū)動(dòng)板塊運(yùn)動(dòng)的基本作用力，這個(gè)假定還未得到證實(shí)。地幔對流如何與地球內(nèi)的圈層構(gòu)造相協(xié)調(diào)，層析成象結(jié)果反映的地幔非均勻熱狀態(tài)是否能代表地幔對流形態(tài)，這些問題還有待深入研究。還必須考慮其它作用力的影響，地球自轉(zhuǎn)速率的改變、潮汐力、隕石撞擊、天文因素等。成功的整體地球動(dòng)力學(xué)模型必須考慮地球自轉(zhuǎn)規(guī)律及其與熱力、重力、定向潮汐力及層圈滑脫作用的聯(lián)合效應(yīng)。 六、地球動(dòng)力學(xué)未來應(yīng)關(guān)注的問題 1）板塊運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制；2）板塊運(yùn)動(dòng)與地幔運(yùn)動(dòng)的耦合以及區(qū)域性構(gòu)造演化的關(guān)系；3）地震機(jī)制和它引起的地表運(yùn)動(dòng)；4）地球介質(zhì)中流體運(yùn)動(dòng)及其與成礦的關(guān)系；5）地球介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則；6）構(gòu)造分析的非線性反演和解的優(yōu)化準(zhǔn)則；7）地幔以及地核中的流動(dòng)。七、結(jié)束語 通過以上對地球動(dòng)力學(xué)的淺談，讓我們看到地球動(dòng)力學(xué)的發(fā)展、現(xiàn)狀及未來。第 16 次香山科學(xué)會(huì)議（1994）總結(jié)地球科學(xué)發(fā)展趨勢指出：“21 世紀(jì)的地球科學(xué)將會(huì)有兩個(gè)方面的特征：一是在高技術(shù)的推動(dòng)下，數(shù)據(jù)信息量更迅速地增加，促使地學(xué)各學(xué)科互相交叉滲透結(jié)合，實(shí)現(xiàn)整體性的飛躍發(fā)展。二是地學(xué)研究更緊密地與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，在解決人類面臨的資源、環(huán)境、災(zāi)害等社會(huì)問題中發(fā)揮重要作用，對人類來來的生存和社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生深刻影響。今后五至十年內(nèi)，應(yīng)