楊文采

“大地構(gòu)造與動(dòng)力學(xué)” 國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所, 北京, 100037

內(nèi)容提要: 20世紀(jì)大地構(gòu)造物理學(xué)取得引人矚目的進(jìn)展。本文詳細(xì)評(píng)述了探測(cè)地球大陸圈層的屬性、相態(tài)與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)取得的進(jìn)展和技術(shù)路線。并且指出，大陸地殼和海洋地殼結(jié)構(gòu)上的最基本區(qū)別是后者是相對(duì)均勻和整體剛性的，內(nèi)部不存在明顯的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)。前者的下地殼部分區(qū)域是不均勻和流變的，其中的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)使大陸板內(nèi)的地殼產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的變形和巖漿活動(dòng)。因此，當(dāng)前發(fā)展板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)的最焦點(diǎn)就是對(duì)地殼不均勻性和流變巖石進(jìn)行三維成像，從下到上找出大陸地殼物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。同時(shí)，一定要堅(jiān)持深層油氣和地震預(yù)測(cè)方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，為人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

1 固體地球物理學(xué)發(fā)展的三個(gè)臺(tái)階

固體地球物理學(xué)誕生于20世紀(jì)初，早期的主要研究目標(biāo)為用物理學(xué)定律解釋地球物理場(chǎng)的變化規(guī)律(James, 1989; Davices, 1999)。例如，重力學(xué)用于解釋地球重力場(chǎng)的變化規(guī)律，地磁學(xué)用于解釋地球磁場(chǎng)的變化規(guī)律，地震學(xué)用于解釋地球地震波場(chǎng)的變化規(guī)律，地?zé)釋W(xué)用于解釋地球溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，等等。1912年魏格納(A. L. Wegener)提出大陸漂移假說(shuō)；20世紀(jì)50年代赫斯(H. H. Hess)和迪茨(R. S. Dietz)據(jù)此提出海底擴(kuò)張理論。大陸有可能漂移嗎？在20世紀(jì)前半葉，大多數(shù)科學(xué)家不相信大陸漂移假說(shuō)，因?yàn)榇箨懙貧ず蜕系蒯６际枪腆w，不可能漂來(lái)漂去。直到20世紀(jì)60年代，地球物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了上地幔普遍存在一個(gè)低地震波速和低電阻率的軟流層(圖1)，深度范圍從50 km至400 km，巖石物理實(shí)驗(yàn)證實(shí)軟流層是由于地?zé)嵘郎厥归蠙鞄r粘滯系數(shù)降低造成的(James, 1989; Davices, 1999; Jolivet and Hataf, 2001)。由于軟流圈物質(zhì)粘滯系數(shù)比上覆巖石圈物質(zhì)低三個(gè)級(jí)次，因此浮于軟流圈之上的巖石圈可進(jìn)行大規(guī)模水平運(yùn)動(dòng)。于是大陸漂移假說(shuō)復(fù)活了，并很快導(dǎo)致板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)的誕生。

圖1 前蘇聯(lián)用核爆炸激發(fā)取得的上地?？v波波速剖面，深度從130 km至300 km波速降低 (James, 1989; Jolivet and Hataf, 2001)Fig. 1 A seismic P-wave velocity profile across Siberia obtained by using the sources of nucleus explosions in USSR. The velocity decreases from depth 130 km to 300 km

在1970年代板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)為大洋鉆探驗(yàn)證之后，固體地球物理學(xué)的主要研究目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)榉囱荽箨憥r石圈結(jié)構(gòu)構(gòu)造，并建立和逐步完善了數(shù)學(xué)物理方程反演理論方法 (Cox and Hart, 1986; Gubbins, 1989; Fowler, 2005)。研究大陸巖石圈結(jié)構(gòu)構(gòu)造的固體地球物理學(xué)又叫大地構(gòu)造物理學(xué)，她遵循地球物理學(xué)的研究程式，即到現(xiàn)場(chǎng)采集物理場(chǎng)數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)并提取地下信息，分析和解釋所提取的信息，建立高空間分辨率的三維地殼上地幔模型(楊文采，1989,1993,1998,2009; Yang Wencai, 2014)。由于巖石圈地質(zhì)作用在殼幔結(jié)構(gòu)中留下痕跡，可從巖石圈介質(zhì)不均勻性中找到痕跡作為地質(zhì)作用的證據(jù)。綜合運(yùn)用各種地球物理探測(cè)方法查明區(qū)域地殼及全球地幔物性結(jié)構(gòu)(詳見(jiàn)表1)，通過(guò)信息處理和反演可取得空間準(zhǔn)確定位的描述固體地球內(nèi)部不均勻性和構(gòu)造的地球模型。這些模型包括地震波速和泊松比擾動(dòng)模型、反射體分布模型(圖2)、電導(dǎo)率擾動(dòng)模型、密度擾動(dòng)模型、磁源分布模型、地?zé)崃鞣植寄Ｐ秃透飨虍愋阅Ｐ偷?。綜合區(qū)域地質(zhì)和地球物理場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)異常場(chǎng)源作推斷解釋?zhuān)詈笠ㄟ^(guò)地球物理反演把地球物理場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地殼上地幔物理性質(zhì)空間變化的圖像，它們是地殼上地幔物質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造的反映。

大地構(gòu)造學(xué)主要通過(guò)地質(zhì)學(xué)和大地測(cè)量學(xué)方法取得數(shù)據(jù)，大地構(gòu)造物理學(xué)主要通過(guò)地球物理場(chǎng)的觀測(cè)取得數(shù)據(jù)。因此，前者可取得地殼樣品物質(zhì)組成信息，但是由于樣品分布的局限，空間分辨率(尤其是深度維)較差；后者不能直接取得地殼物質(zhì)組成信息，但是由于物理場(chǎng)測(cè)量簡(jiǎn)便快捷，空間分辨率(尤其是深度維)可以不斷提高。板塊大地構(gòu)造學(xué)是大地構(gòu)造物理學(xué)的基礎(chǔ)之一，大地構(gòu)造物理學(xué)又是板塊大地構(gòu)造學(xué)的發(fā)展和補(bǔ)充(楊文采，1998,2009)。如果說(shuō)物理學(xué)的所長(zhǎng)為實(shí)驗(yàn)和推演規(guī)律，大地構(gòu)造學(xué)的所長(zhǎng)就是觀測(cè)、比較和動(dòng)力分析。大地構(gòu)造學(xué)給出區(qū)域地殼巖石成分和年齡，地球化學(xué)還有區(qū)域上地?；鹕綆r源區(qū)成分和生成深度的信息，正是大地構(gòu)造物理學(xué)數(shù)據(jù)分析和解釋所必須的。大地構(gòu)造物理學(xué)通過(guò)地球物理場(chǎng)的觀測(cè)，在區(qū)域巖石圈演化重建的基礎(chǔ)上，全球?qū)Ρ韧?lèi)大地構(gòu)造單元的殼幔結(jié)構(gòu)，逐漸建立巖石圈地質(zhì)作用規(guī)律的假說(shuō)，豐富和完善板塊大地構(gòu)造理論。

表1 地球物理場(chǎng)數(shù)據(jù)采集方法Table 1 Geophysical fields and corresponding data acquisition methods

隨著全球不同區(qū)域巖石物理性質(zhì)測(cè)定和物理場(chǎng)數(shù)據(jù)的大量積累，數(shù)據(jù)的信息處理和對(duì)比分析也逐漸展開(kāi)。到本世紀(jì)初，固體地球物理學(xué)的主要研究目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)榻沂敬箨憥r石圈地質(zhì)作用過(guò)程和規(guī)律性(楊文采，2014a)。物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的，固體地球物理學(xué)也不例外。以物理學(xué)定律為指導(dǎo)，通過(guò)全球?qū)Ρ韧?lèi)大地構(gòu)造單元的殼幔結(jié)構(gòu)并結(jié)合地質(zhì)學(xué)研究成果，大地構(gòu)造物理學(xué)最終可以總結(jié)歸納出全球三維地殼上地幔行為、屬性和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性(楊文采，2014b—f)。

大陸巖石圈有4.0 Ga的歷史，和大洋板塊不同，現(xiàn)代大陸板塊內(nèi)部不僅有200 Ma以來(lái)地質(zhì)作用的大量痕跡，還保留了200 Ma以前古巖石圈活動(dòng)帶地質(zhì)作用的痕跡，如古造山帶、古俯沖帶、古裂谷及古轉(zhuǎn)換斷層等。構(gòu)造地質(zhì)學(xué)成功地解釋了200 Ma以來(lái)大洋巖石圈發(fā)展的旋回，沒(méi)有回答如何構(gòu)思大陸巖石圈的演化模式問(wèn)題。大洋巖石圈是不斷循環(huán)的，大陸巖石圈卻是不斷增生而且不斷聚合和裂解的，大陸巖石圈的演化模式顯然比大洋演化模式復(fù)雜得多，傳統(tǒng)板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)登陸后必定遇到難題?，F(xiàn)今板塊的劃分和運(yùn)動(dòng)模式主要是中生代以來(lái)巖石圈地質(zhì)作用的結(jié)果。大陸巖石圈4.0 Ga的地質(zhì)作用有那些類(lèi)型？大陸是如何形成的？大陸又是如何增生的？作用過(guò)程可用幾個(gè)階段描述？作用驅(qū)動(dòng)力是什么？造成了那些后果？這些問(wèn)題都有待解決。因此，在板塊構(gòu)造學(xué)創(chuàng)立之后，科學(xué)家希望按照物理學(xué)定律恢復(fù)大陸巖石圈地質(zhì)作用過(guò)程，為揭示大陸巖石圈演化規(guī)律打下基礎(chǔ)。

地質(zhì)學(xué)起源于第一次工業(yè)革命，當(dāng)時(shí)主要靠博物學(xué)的研究路線，建立了礦物學(xué)、巖石學(xué)、古生物學(xué)和地層學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，滿足了第一次工業(yè)革命對(duì)煤炭和金屬礦產(chǎn)的需要。19世紀(jì)發(fā)動(dòng)的第二次工業(yè)革命對(duì)石油和電力提出新的需求，促進(jìn)了地質(zhì)學(xué)與物理學(xué)的交匯，導(dǎo)致固體地球物理學(xué)的誕生。當(dāng)時(shí)固體地球物理學(xué)還主要作為地質(zhì)調(diào)查的補(bǔ)充手段，地質(zhì)學(xué)家并沒(méi)有把物理學(xué)普適定律的擴(kuò)展作為研究路線，地質(zhì)現(xiàn)象的解釋仍然以地質(zhì)統(tǒng)計(jì)規(guī)律作為基礎(chǔ)。

板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)的建立是固體地球科學(xué)的一次革命，給人的最重要啟示就是，表觀無(wú)比復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象，原來(lái)可以用非?；A(chǔ)的物理學(xué)定律來(lái)解釋清楚。因此，進(jìn)一步創(chuàng)立新地球觀的研究路線，應(yīng)該是進(jìn)一步攻破物理學(xué)與地質(zhì)學(xué)之間的壁壘，建立以物理學(xué)普適定律為構(gòu)架的全球地質(zhì)構(gòu)造學(xué)說(shuō)(Cox and Hart, 1986; Gubbins, 1989; James, 1989)。隨板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)建立的大地構(gòu)造物理學(xué)，正是遵循這一技術(shù)路線開(kāi)展研究的。大地構(gòu)造物理學(xué)旨在建立地殼上地幔組成結(jié)構(gòu)的模型，重建區(qū)域巖石圈地質(zhì)作用過(guò)程，對(duì)比全球巖石圈探測(cè)成果推測(cè)巖石圈地質(zhì)作用和殼—幔作用機(jī)制。但是，存在了5.6 Ga的古老地球的演化規(guī)律，依靠實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)定律能說(shuō)明得了嗎？

地質(zhì)學(xué)規(guī)律是定性的和有區(qū)域限制的，大多數(shù)是通過(guò)統(tǒng)計(jì)取得的，隨著研究深入和統(tǒng)計(jì)數(shù)字的增加，地質(zhì)學(xué)的規(guī)律會(huì)發(fā)生變化。面對(duì)地球這樣的組成結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜和各態(tài)遍歷的巨系統(tǒng)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)取得地質(zhì)學(xué)的規(guī)律是必不可少的。但是，通過(guò)統(tǒng)計(jì)取得的地質(zhì)學(xué)規(guī)律必需符合物理學(xué)和化學(xué)的普適定律。

物理學(xué)是一門(mén)定量的和嚴(yán)密的學(xué)科，但也是一門(mén)簡(jiǎn)約的和實(shí)驗(yàn)的學(xué)科(Fowler, 2005; Leeder and Perez-Arlucea, 2006)。面對(duì)地球這樣的組成結(jié)構(gòu)造極其復(fù)雜的巨系統(tǒng)，物理學(xué)定律的導(dǎo)入面臨兩方面的困難。首先是尺度巨大的地質(zhì)作用過(guò)程很難用物理實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)，例如，幔源巖漿的作用過(guò)程就難以在實(shí)驗(yàn)室重復(fù)。用計(jì)算機(jī)作數(shù)學(xué)模擬時(shí)又不知道如何給出準(zhǔn)確的初始條件和邊界條件。其次是大多數(shù)物理定律是通過(guò)簡(jiǎn)約之后得出的，例如描述固體形變的虎克定律，只對(duì)勻質(zhì)固體有效。然而，地球是極復(fù)雜的巨系統(tǒng)，有許多尺度不同的結(jié)構(gòu)，它們處于各自不同而又豐富多彩的運(yùn)行體制之中。如果把注意力集中到過(guò)度簡(jiǎn)化自然現(xiàn)象制造出幾種模式，便會(huì)有忽略真實(shí)自然豐富內(nèi)涵的危險(xiǎn)，甚至喪失自然過(guò)程真正的精華?？傊?，對(duì)于地球，許多物理學(xué)定理并非百分之百普適的。因此，對(duì)地球這樣的極復(fù)雜巨系統(tǒng)，大地構(gòu)造物理學(xué)必須兼顧物理學(xué)和地質(zhì)學(xué)規(guī)律各自的特點(diǎn)，研究物理學(xué)定律和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)規(guī)律的適宜性和兼容性。

20世紀(jì)70年代板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)建立之后，曾經(jīng)有人認(rèn)為只要進(jìn)一步應(yīng)用物理學(xué)普適定律來(lái)分析地質(zhì)現(xiàn)象，很容易建立地球動(dòng)力學(xué)的理論體系(Turcotte and Schubert, 1982)。然而，他們失望了，面對(duì)復(fù)雜的大陸地質(zhì)現(xiàn)象，簡(jiǎn)約之后得出的物理學(xué)定律無(wú)從下手。最后，地球科學(xué)家們把大陸動(dòng)力學(xué)的研究目標(biāo)改為首先搞清巖石圈地質(zhì)作用和殼—幔作用過(guò)程，使大地構(gòu)造物理學(xué)研究取得了重要進(jìn)展(McKenzie, 1978; Richards et al., 2000; Leeder and Perez-Arlucea, 2006)。

巖石圈地質(zhì)作用指發(fā)生在巖石圈板塊邊緣和內(nèi)部的地質(zhì)作用。由于在大陸板塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生大陸構(gòu)造體制的轉(zhuǎn)換，使大地構(gòu)造體制可歸納為大陸裂解和洋底擴(kuò)張、洋陸轉(zhuǎn)換、大陸碰撞和克拉通化四個(gè)子系列。這四大系列的作用互為因果、相互銜接，各自又包含不同的作用內(nèi)容(楊文采等, 2014b—f)。大陸裂解和洋底擴(kuò)張系列主要包括以下作用：拆沉作用，盆嶺構(gòu)造體制，裂谷作用，洋底擴(kuò)張，轉(zhuǎn)換斷層調(diào)整與洋脊系擴(kuò)展等。洋陸轉(zhuǎn)換使大陸邊緣的大陸地殼物質(zhì)成分增加，大陸碰撞造成大洋封閉、大陸巖石圈面積擴(kuò)大，地殼縮短而且厚度增加。大陸碰撞帶的克拉通化是大陸增生的最后階段，克拉通化使大陸碰撞帶的巖石圈地幔增厚，成為剛性的克拉通型巖石圈?？死ɑ暮笃谶€可發(fā)生拆沉作用、巖石圈的減薄和裂解等作用，它們是洋底擴(kuò)張作用的萌芽。四大系列的作用在巖石圈中留下的刻痕，如變形帶，可以通過(guò)地球物理探測(cè)發(fā)現(xiàn)(楊文采等，2014b—f)。所以綜合巖石圈探測(cè)成果可推測(cè)巖石圈地質(zhì)作用過(guò)程。巖石圈地質(zhì)作用的發(fā)生原因很多，除重力均衡、地球旋轉(zhuǎn)、板塊運(yùn)動(dòng)相關(guān)的地?zé)崃?、地?yīng)力調(diào)整等因素外，板塊下方地幔熱羽的發(fā)育也可能是重要原因之一(Condie，2001)。不過(guò)，對(duì)地幔熱羽假說(shuō)還有待驗(yàn)證。

圖3 固體地球的準(zhǔn)圈層模型，圈層平均密度、縱橫波速度和相態(tài)名(楊文采， 1998)Fig. 3 Pseudo-spherical model of the solid Earth, average density, P- and S- wave velocities, and phases(Yang Wencai， 1998)

2 探測(cè)固體地球圈層的相態(tài)

物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的形式取決于它們所處的相態(tài)，而相態(tài)取決于它們所處的溫度壓力?，F(xiàn)今固體地球總體上屬于準(zhǔn)圈層結(jié)構(gòu)，內(nèi)含巖石圈、軟流圈、中幔圈、外地核和內(nèi)地核五大圈層(楊文采， 1998，2009)，圖3中除準(zhǔn)圈層模型外，還標(biāo)注了圈層平均密度、縱橫波速度和相態(tài)名。固體地球的溫度壓力是向地心跳躍式增加的，因此不同圈層所處的溫壓條件差別很大，造成相態(tài)的變化。根據(jù)地震縱橫波震相可以確定，內(nèi)地核物質(zhì)主要為高密度剛性固體，外地核物質(zhì)主要為磁流體；中幔圈物質(zhì)主要為較高密度的剛性固體，而軟流圈物質(zhì)主要為可蠕動(dòng)的塑性固體。

軟流圈和巖石圈之間可能沒(méi)有明顯的邊界。大陸巖石圈組成非常復(fù)雜，內(nèi)部巖石所處的相態(tài)是復(fù)合型的，有巖漿房中的液態(tài)、下地殼局部的塑性流變態(tài)和常見(jiàn)的固態(tài)等(White et al., 1987; James, 1989; Davices, 1999; Jolivet and Hataf, 2001; Rogers, 2004)。由巖石物理實(shí)驗(yàn)取得的大陸巖石圈和大洋巖石圈的屈服強(qiáng)度模型詳見(jiàn)圖4。由圖可見(jiàn)，大洋巖石圈整體剛性，巖石圈內(nèi)部屈服強(qiáng)度隨深度不斷增加；大陸上地殼屈服強(qiáng)度隨深度增加，中地殼屈服強(qiáng)度開(kāi)始隨深度減小，下地殼減小到極小，總體比大洋地殼小一個(gè)級(jí)次，局部可達(dá)兩個(gè)級(jí)次。因此，大陸下地殼部分區(qū)域發(fā)生流變是普遍現(xiàn)象，內(nèi)部可發(fā)生明顯的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的變形。反之，大洋巖石圈結(jié)構(gòu)上整體剛性，內(nèi)部明顯的物質(zhì)流變運(yùn)動(dòng)不會(huì)普遍發(fā)生。因此，適用于大洋的板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)，應(yīng)用于大陸巖石圈物質(zhì)運(yùn)動(dòng)研究便發(fā)生了問(wèn)題。由于大陸內(nèi)部的地殼部分區(qū)域發(fā)生流變，大陸板塊內(nèi)部發(fā)生頻繁的板內(nèi)地震，也可以得到解釋。

木雕藝術(shù)在延續(xù)傳統(tǒng)精神的同時(shí)，如何呈現(xiàn)出與時(shí)代步伐相互聯(lián)系的切入點(diǎn)，是格外關(guān)鍵的。這樣做的目的，就是為了提升人們的精神訴求，為繁忙的當(dāng)代社會(huì)帶來(lái)藝術(shù)的養(yǎng)分，在當(dāng)代藝術(shù)的大環(huán)境中，打破一些概念的限制，重構(gòu)多姿多彩的藝術(shù)理想，同時(shí)也把傳統(tǒng)精神以新穎的方式進(jìn)行承繼。木雕藝術(shù)家既有概念和技藝重組、再造的過(guò)程，也是將傳統(tǒng)意義上的審美觀念加以重塑的過(guò)程。不拋棄原有的藝術(shù)根基的創(chuàng)新，是拉近人與藝術(shù)品之間的距離的一種嘗試。

3 探測(cè)大陸巖石圈構(gòu)造單元的屬性

圖4 由巖石物理實(shí)驗(yàn)取得的大陸巖石圈和大洋巖石圈的屈服強(qiáng)度模型，實(shí)驗(yàn)的壓力應(yīng)變率為10-15s-1(據(jù) James, 1989)Fig. 4 Yield-strength models for the oceanic and continental lithosphere in compression at strain rate 10-15s-1(from James, 1989)

圖5 過(guò)蘇格蘭海濱的深反射地震剖面：古板塊陸—陸俯沖的“指紋” ( 據(jù) Klemperer and Mooney, 1998a)Fig. 5 A seismic reflection profile across Scotland margin, showing continent-to-continent subduction of an ancient plate( from Klemperer and Mooney, 1998a)

大洋巖石圈的構(gòu)造單元分洋盆、洋島、洋底高原等，年齡都不超過(guò)190Ma，相對(duì)比較簡(jiǎn)單。大陸巖石圈構(gòu)造單元分各種地體地塊，年齡從40 Ga到現(xiàn)代，十分復(fù)雜，通過(guò)地球物理探測(cè)了解大陸巖石圈構(gòu)造單元的屬性差別也非常重要(Pakiser and Mooney，1989)。大陸巖石圈構(gòu)造單元的屬性分構(gòu)造屬性、組成屬性、和力學(xué)性質(zhì)三大類(lèi)。

圖6 過(guò)美國(guó)新墨西哥州里約格蘭德裂谷的深反射地震剖面(a)及推斷巖石圈構(gòu)造剖面(b) (引自James，1989)Fig. 6 A seismic reflection profile across Rio Grand area in New Mexico, USA (a) and its inferred structural section (b) (from James，1989)F—H—地殼主要斷裂；G1—下地殼巖漿房F—H—main faults in crust；G1—magma chamber in lower crust

現(xiàn)代大陸巖石圈板塊內(nèi)部不僅含有大量中新生代以來(lái)地質(zhì)作用的痕跡，還保留了中生代造山帶、古生代俯沖帶、古生代裂谷等(圖5～6)。深反射地震剖面調(diào)查是揭示板塊地質(zhì)作用痕跡的最重要方法。中生代以前的古生代造山帶、古生代俯沖帶等在現(xiàn)今地表可能消失，但仍可在大陸巖石圈內(nèi)追蹤到它們存在的痕跡(Klemperer , 1989; Klemperer and Mooney, 1998a—b; Yang Wencai. 2003, 2006, 2009，2014)。根據(jù)中生代以前古板塊活動(dòng)帶地質(zhì)作用的痕跡和古地磁學(xué)證據(jù)，還可以重建某些古板塊的演化過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，越晚發(fā)生的地質(zhì)作用的痕跡在物性擾動(dòng)圖像上反映較為清晰，而早期大地構(gòu)造作用的“指紋”可能淡化，或?yàn)楹笃诘刭|(zhì)作用所改造。殼幔結(jié)構(gòu)的解構(gòu)是恢復(fù)古板塊演化過(guò)程的一種方法。區(qū)域殼幔結(jié)構(gòu)的解構(gòu)指的是按反時(shí)序逐漸將深反射地震剖面上的反射體抹除掉，從而獲得某一期大地構(gòu)造作用之前的殼幔結(jié)構(gòu)，據(jù)此逐步重建區(qū)域巖石圈板塊演化過(guò)程。

圖7 華北中東部地殼淺部密度擾動(dòng)平面圖(引自侯遵澤和楊文采等，2014)Fig. 7 An inversed density disturbance map of shallow layer in middle—east of the North China Craton (from Hou Zhunze and Yang Wencai et al.，2014)

綜合運(yùn)用各種地球物理探測(cè)方法查明區(qū)域地殼及地幔物性結(jié)構(gòu)(詳見(jiàn)表1)，包括地震波速和泊松比擾動(dòng)模型、反射體分布模型、電導(dǎo)率擾動(dòng)模型、密度擾動(dòng)模型、磁源分布模型、地?zé)崃鞣植寄Ｐ秃透飨虍愋阅Ｐ偷?。取得空間準(zhǔn)確定位的描述殼幔物性的這些模型，常常可以識(shí)別大陸巖石圈構(gòu)造單元的組成屬性。例如，在結(jié)晶基底巖石中，花崗巖和花崗片麻巖的密度最低，它們?cè)诘貧\部密度擾動(dòng)平面圖上一般反映為強(qiáng)的負(fù)異常。地殼密度擾動(dòng)平面圖可通過(guò)區(qū)域重力場(chǎng)小波變換和反演獲得，圖7為華北中東部地殼淺部密度擾動(dòng)平面圖(侯遵澤和楊文采等，1997，1998，2012，2014)。由此可見(jiàn)，燕山隆起帶以廣泛分布呈負(fù)異常的花崗巖體為其組成屬性，分布于華北克拉通的北緣。圖8為亞洲及西太平洋衛(wèi)星磁異常圖，正負(fù)相間的強(qiáng)磁異常在陸上主要源自克拉通的古老結(jié)晶基底，在大洋上主要源自海底擴(kuò)張時(shí)由地磁極反轉(zhuǎn)形成的玄武巖條帶，由圖不難圈出相應(yīng)的克拉通地體或海底擴(kuò)張玄武巖帶。

圖8 亞洲及西太平洋衛(wèi)星磁異常圖(引自袁學(xué)誠(chéng)，1998)Fig. 8 The satellite magnetic anomalous map of Asia and West Pacific (from Yuan Xuecheng，1998)

大地電磁法和S波地震層析成像常?？梢宰R(shí)別大陸巖石圈構(gòu)造單元與流體含量有關(guān)的組成屬性。例如，圖9為過(guò)郯廬斷裂帶南端的地表地質(zhì)和大地電磁法電阻率剖面，這一走滑斷裂在地表呈現(xiàn)有一條糜棱巖帶，寬度僅1km左右，電阻率較高(楊文采，2003)。但從電阻率剖面上見(jiàn)到，這一走滑斷裂在地表6km以下對(duì)應(yīng)一條低電阻率帶，寬度可達(dá)5km，可見(jiàn)斷裂帶內(nèi)裂隙發(fā)育，有地下水活動(dòng)。

圖9 過(guò)郯廬斷裂帶南端的地表地質(zhì)(上)和大地電磁法電阻率剖面(下)(引自楊文采，2003)Fig. 9 A geological section (upper) and corresponding electrical resistivity profile (lower) across south part of the Tancheng—Lujiang fault zone in East China(from Yang Wencai，2003)

識(shí)別大陸巖石圈構(gòu)造單元的力學(xué)性質(zhì)目前還比較困難，理論上通過(guò)地溫梯度等參數(shù)可以近似計(jì)算地殼深處物質(zhì)的粘滯系數(shù)(安美建等, 2007；石耀霖等，2008)，但是目前計(jì)算的精度和空間分辨率較差。如果通過(guò)巖石物理實(shí)驗(yàn)找出統(tǒng)計(jì)規(guī)律，綜合運(yùn)用地震波速和泊松比模型、電導(dǎo)率擾動(dòng)模型、密度擾動(dòng)模型、地?zé)崃鞣植寄Ｐ秃透飨虍愋阅Ｐ蛠?lái)推算地殼深處物質(zhì)的粘滯系數(shù)，精度和空間分辨率很可能迅速提高(楊文采，1987；金振民，1997)。

表2 大陸與大洋巖石圈的區(qū)別Table 2 The differences between the continental and oceanic lithospheres

4 綜合探測(cè)成果推測(cè)大陸巖石圈物質(zhì)運(yùn)動(dòng)

板塊的行為指的就是巖石圈物質(zhì)運(yùn)動(dòng)。板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)指明了大洋巖石圈物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律(Leeder and Perez-Arlucea ，2006)。自1970年代以來(lái)，大陸巖石圈的探測(cè)也取得了重要成果?，F(xiàn)在，可以把已知的大陸與大洋巖石圈的區(qū)別歸納于表2(楊文采，2012，2014 a—f)。組成上的區(qū)別是大陸上經(jīng)常發(fā)生幔源巖漿侵入，形成了花崗質(zhì)上地殼(White et al.，1987； Kay and Kay，1993；Warren，2009)。幔源巖漿侵入后果是大陸地殼總體增厚，大洋巖石圈厚度保持穩(wěn)定。組織上的區(qū)別是大陸上僅少量地殼物質(zhì)俯沖回到軟流圈，不構(gòu)成地殼物質(zhì)循環(huán)；后果是大陸上地殼可保存極其古老的巖石。相態(tài)的區(qū)別是大陸下地殼物質(zhì)粘滯系數(shù)降低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，可形成局部區(qū)域物質(zhì)蠕動(dòng)(Jolivet and Hataf，2001；石耀霖和曹建玲，2008)。后果是大陸地殼內(nèi)部可發(fā)生強(qiáng)烈地質(zhì)作用。因此，大陸巖石圈內(nèi)部巖性極不均勻，而大洋巖石圈內(nèi)部巖性相對(duì)均勻；大陸巖石圈局部區(qū)域非剛性，這與板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)的論據(jù)沖突，在大陸上板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)需要修正完善。為此，必須加深對(duì)大陸巖石圈調(diào)查的精細(xì)程度，通過(guò)區(qū)域地球物理場(chǎng)的綜合分析研究，了解大陸地殼板內(nèi)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的不同類(lèi)型及其作用機(jī)制。

全球?qū)Ρ韧?lèi)大地構(gòu)造單元的殼幔結(jié)構(gòu)，乃是找出巖石圈板塊的動(dòng)力學(xué)作用規(guī)律的第一種方法。全球?qū)Ρ韧?lèi)大地構(gòu)造單元的殼幔結(jié)構(gòu)，首先是由于大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)具有各態(tài)遍歷的趨向，其作用產(chǎn)物在不同時(shí)空區(qū)段有一定區(qū)別，而且其作用產(chǎn)物既可能被剝蝕掉，也可能深埋于地下無(wú)法取得樣品。因此，只能通過(guò)全球?qū)Ρ劝迅鲄^(qū)域中有代表性的地球物理指紋按發(fā)育階段排序，才能在物理學(xué)普適規(guī)律指導(dǎo)下找出大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。地球演化作用產(chǎn)物信息隱藏于殼幔結(jié)構(gòu)的不均勻性之中。全球?qū)Ρ韧?lèi)大地構(gòu)造單元的殼幔結(jié)構(gòu)，根據(jù)殼幔結(jié)構(gòu)的差異和大地構(gòu)造作用發(fā)生的時(shí)代把它們按演化階段排序，可以找尋這類(lèi)大地構(gòu)造單元巖石圈生成和演化的規(guī)律性(楊文采，2014 a—f)。當(dāng)前，全球典型大陸構(gòu)造單元的地殼上地幔地球物理探測(cè)資料已經(jīng)積累到足以開(kāi)展全球?qū)Ρ鹊某潭龋ㄟ^(guò)地球物理觀測(cè)、信息處理和反演取得空間準(zhǔn)確定位的描述固體地球內(nèi)部不均勻性的地球模型，并與地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)信息綜合研究，為研究地球演化的動(dòng)力學(xué)作用規(guī)律提供了現(xiàn)實(shí)可能性。大地構(gòu)造物理學(xué)把區(qū)域地球物理研究成果集合起來(lái)，序列起來(lái)，通過(guò)全球?qū)Ρ热ふ业厍騼?nèi)部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的證據(jù)，最后求得對(duì)全球和區(qū)域地質(zhì)演化的系統(tǒng)理解。

圖10 青藏高原航空磁測(cè)平面剖面圖，揭示亞歐和印度板塊縫合線位置(國(guó)土資源部航遙中心編制)Fig. 10 The aero-magnetic anomalous map of Qinghai—Xizang(Tibet) plateau, showing clear suture line between the Eurasia and the India plates(Compiled by Aero Geophysical Survey & Remote Sensing Center, Ministry of Land and Resources)

如果能夠?qū)χ邢碌貧の镔|(zhì)的主要物理參數(shù)精確成像，就可以限定可流變物質(zhì)和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的通道，圈定下地殼活動(dòng)帶，這對(duì)研究現(xiàn)代地震發(fā)生機(jī)制大有幫助。筆者等最近用多尺度刻痕分析方法研究了中國(guó)南北地震帶的地殼密度擾動(dòng)(楊文采, 2001；侯遵澤等，2012)，其中下地殼密度擾動(dòng)平面圖示如圖11。圖中還標(biāo)出6級(jí)以上的震中位置，表明大地震震中位置與下地殼低密度擾動(dòng)重合。由于下地殼含流體易蠕動(dòng)的低密度 “流”，下地殼低密度擾動(dòng)帶很可能反映“管道流”(Nelson et al., 1996; Royden et al., 1997; Law et al., 2006; 楊輝等，2013)，位置重合是否反映了下地殼物質(zhì)蠕動(dòng)誘發(fā)上地殼脆性破裂和地震？

圖11 中國(guó)南北地震帶下地殼密度擾動(dòng)平面圖Fig. 11 The lower crust density disturbance map of the South—North earthquake zone圖中黑圈標(biāo)出6級(jí)以上的震中位置，箭頭標(biāo)注下地殼可能的“管道流”位置The black dots show positions of earthquake above 6 magnitude, arrows indicate possible channel flows in the lower crust

科學(xué)理論的發(fā)展源于假說(shuō)，但更重視證明。大地構(gòu)造物理學(xué)研究注重對(duì)新理論假說(shuō)和新地質(zhì)作用模式的驗(yàn)證。由于巖石圈地質(zhì)作用的周期太長(zhǎng)，地質(zhì)作用的物理實(shí)驗(yàn)非常困難，驗(yàn)證方法主要是通過(guò)科學(xué)鉆探對(duì)理論上的預(yù)測(cè)進(jìn)行查驗(yàn)證(楊文采，2006，2009)。但是，科學(xué)鉆探成本昂貴，對(duì)新理論和新模式的驗(yàn)證也經(jīng)常應(yīng)用物理模擬或計(jì)算機(jī)模擬的方法進(jìn)行。物理模擬是按比例縮小尺度后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的動(dòng)力學(xué)作用實(shí)驗(yàn)，對(duì)檢驗(yàn)巖石圈變形的理論模式很有效。計(jì)算機(jī)模擬應(yīng)用數(shù)學(xué)物理方程初邊值問(wèn)題的求解對(duì)巖石圈的地質(zhì)作用過(guò)程進(jìn)行仿真，并通過(guò)比較現(xiàn)今區(qū)域地殼上地幔構(gòu)造和模式計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。由于計(jì)算機(jī)模擬要求事先給定動(dòng)力學(xué)方程的準(zhǔn)確的初始條件和邊界條件，而這些條件又常常只能靠推測(cè)，因此計(jì)算機(jī)模擬目前還只能作為驗(yàn)證新理論模式的參考。

圖12 CRUST2.0全球地殼厚度圖，中國(guó)是全球陸上地殼厚度變化最劇烈的地區(qū)Fig. 12 The global crustal thickness map of CRUST2.0, showing the heaviest change of the thickness around China

5 巖石圈物理參數(shù)的三維精細(xì)成像

大地構(gòu)造物理學(xué)研究的核心是地球物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律?？隙说貧ご箨憙?nèi)部的下地殼部分區(qū)域發(fā)生流變，現(xiàn)今發(fā)展板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)的焦點(diǎn)就是對(duì)地殼可流變巖石進(jìn)行三維成像，圈定大陸地殼內(nèi)部可流變物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的分布，進(jìn)而從下到上找出大陸地殼物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。2005年, 由美國(guó)牽頭進(jìn)行了全球地殼密度和地震波速成像，完成的CRUST2.0分辨率達(dá)到 2°× 2°。 CRUST2.0也給出全球地殼厚度圖(圖12)，由此可見(jiàn)，中國(guó)是全球陸上地殼厚度變化最劇烈的地區(qū)。2006年歐洲開(kāi)展了地震波速成像計(jì)劃, 要求盡快達(dá)到0.25°×0.25°的分辨率(Cloetingh and Negendank, 2009)。中國(guó)SINOPROBE項(xiàng)目在2014年，完成了全國(guó)分辨率4°× 4° 的大地電磁基準(zhǔn)網(wǎng)設(shè)置，并在華北和青藏高原開(kāi)展了1°× 1°的大地電磁測(cè)量。2012年開(kāi)始的喜馬拉雅地震波速成像計(jì)劃，在2014年完成了南北地震帶南段的野外調(diào)查，目前己開(kāi)始在南北地震帶北段的野外調(diào)查；估計(jì)幾年后可以取得全國(guó)分辨率1°× 1°的地震波速成像數(shù)據(jù)。圈定中國(guó)大陸地殼內(nèi)部可流變物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的分布，進(jìn)而從下到上找出大陸地殼物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的目標(biāo)，指日可待。為此，當(dāng)前可分以下幾個(gè)方面開(kāi)展研究。

5.1 發(fā)展新方法技術(shù)，提高地球探測(cè)的效率與精度

地質(zhì)作用的證據(jù)主要來(lái)自地球探測(cè)，大地構(gòu)造物理學(xué)和地球物理探測(cè)方法技術(shù)一起發(fā)展，而地球物理探測(cè)方法技術(shù)隨信息技術(shù)發(fā)展，大約每十年就更新?lián)Q代。因此，對(duì)地球內(nèi)部更深更精細(xì)的成像就源源不斷地吸收來(lái)自信息科學(xué)的最新成就。進(jìn)入21世紀(jì)，地球物理探測(cè)方法技術(shù)取得了重要的進(jìn)展，一方面表現(xiàn)在衛(wèi)星重力和磁力測(cè)量上，另一方面表現(xiàn)在輕便遠(yuǎn)程地震儀的普及上。

2008年，進(jìn)行根據(jù)衛(wèi)星重力測(cè)量數(shù)據(jù)建立了地球重力場(chǎng)模型( Earth gravitational model—EGM2008)。地球的重力場(chǎng)由地球的引力場(chǎng)和地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力場(chǎng)兩部分組成，除了在地面上直接觀測(cè)外，地球外部空間的引力場(chǎng)可以通過(guò)人造衛(wèi)星軌道參數(shù)的變化來(lái)確定(Adlan and Safari , 2005)。假定地球?yàn)樾D(zhuǎn)橢球體，則從理論上可以計(jì)算這個(gè)假想地球所產(chǎn)生的重力場(chǎng)，稱為為正常重力場(chǎng)。衛(wèi)星重力測(cè)量地球重力場(chǎng)與正常重力場(chǎng)的差值稱為地球的重力異常，包括自由空間異常(圖13)和布格重力異常。根據(jù)地球的重力異常場(chǎng)可以研究地球的形狀、確定大地水準(zhǔn)面的高度和垂線偏差，研究地殼上地幔結(jié)構(gòu)。目前，地球重力異常場(chǎng)模型的精度達(dá)到 9.5mgal，空間分辨率已達(dá)到比例尺1: 150萬(wàn)左右。地球磁力異常場(chǎng)模型也即將問(wèn)世。

圖13 中國(guó)及鄰區(qū)EGM2008自由空間重力場(chǎng)模型Fig. 13 The EGM2008 free-air gravitational map around China

除了全球幾百個(gè)固定地震臺(tái)站在連續(xù)監(jiān)測(cè)地震活動(dòng)之外，現(xiàn)今還有幾千臺(tái)流動(dòng)輕便的遠(yuǎn)程地震儀，安置在海底和大陸，采集全球和重點(diǎn)區(qū)域的地殼運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。地震時(shí)震源激發(fā)的地震波場(chǎng)照亮了地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。根據(jù)地震層析成像的理論對(duì)地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)造成像，使區(qū)域地殼上地幔變得透明(楊文采，1989)。例如，圖14為過(guò)東非大裂谷的全地幔S波速截面圖(Charles and Barbara, 2000; Marone et al., 2004)；由此可知，東非大裂谷下方的低速帶一直延深到下地幔底部，可能反映“超級(jí)地幔熱羽柱”(Lechie et al., 1997)。目前，區(qū)域地殼上地幔地震層析成像的空間分辨率正在快速提高。此外，上地幔地震各向異性也是近年來(lái)大地構(gòu)造物理學(xué)發(fā)展的一個(gè)前沿。上地幔主要成分為橄欖石，由于地幔物質(zhì)在應(yīng)力作用下緩慢流變，橄欖石會(huì)呈現(xiàn)很強(qiáng)的各向異性特征，這是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在巖石圈遺留的“化石”各向異性。地震波穿過(guò)各向異性介質(zhì)傳播時(shí)，相速度和群速度會(huì)隨著傳播方向的不同而變化，橫波會(huì)分裂為兩個(gè)互相垂直偏振的震相，稱為快橫波及慢橫波，它們具有不同的傳播速度和不同的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向。根據(jù)各向異性介質(zhì)中快、慢波之間的時(shí)間差等地震波偏振特征可以追溯上地幔橄欖石各向異性和曾經(jīng)歷的構(gòu)造應(yīng)力方向。

圖14 過(guò)東非大裂谷的全地幔S波速截面圖 (from Marone et al., 2004)Fig. 14 A section of S-wave velocity image across the East-Africa rift zone

5.2 通過(guò)反演成像建立各種類(lèi)型構(gòu)造單元的地殼上地幔物性模型

區(qū)域地球物理調(diào)查的第一階段的目標(biāo)是反演地殼上地幔的三維結(jié)構(gòu)(圖2和圖14)。地球物理反演是指根據(jù)地表或衛(wèi)星觀測(cè)到的地球物理場(chǎng)數(shù)據(jù)，從物理學(xué)的基本原理出發(fā)，計(jì)算地球內(nèi)部介質(zhì)(場(chǎng)源)的物理參數(shù)的空間分布 (楊文采，1989； Yang Wencai, 2014)。地球物理觀測(cè)數(shù)據(jù)可以表示為關(guān)于地下介質(zhì)參數(shù)的泛函表達(dá)式，在模型空間和數(shù)據(jù)空間之間建立了一種數(shù)學(xué)映射，這就是所謂的地球物理正演問(wèn)題。反演問(wèn)題則是在數(shù)據(jù)空間和模型空間之間建立一種逆映射方程式，由觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取模型物理參數(shù)。在表1中已經(jīng)列出了可能用于地殼上地幔三維結(jié)構(gòu)反演的物理參數(shù)，包括磁化強(qiáng)度、密度、電阻率、縱—橫縱波速度及泊松比、散射系數(shù)、地震各向異性系數(shù)等。為了獲得地殼上地幔的三維結(jié)構(gòu)，要進(jìn)一步改善地球物理反演的理論和方法，克服地球物理反演內(nèi)在的多解性，在提高反演的分辨率同時(shí)防止任何形式的假象。多震相地震波場(chǎng)反演、三維地震各向異性系數(shù)、三維磁源深度和磁化強(qiáng)度反演等，都要?jiǎng)?chuàng)新理論和方法。此外，還要盡快吸收局部分析、多尺度分析和刻痕分析等應(yīng)用數(shù)學(xué)的最新成果(孫艷云和楊文采,2014；侯遵澤等，2011, 2014)，用于地球物理場(chǎng)數(shù)據(jù)的分解和特征信號(hào)提取，揭示地殼上地幔的三維結(jié)構(gòu)。

5.3 通過(guò)地球探測(cè)數(shù)據(jù)的大量積累和信息提取分析發(fā)現(xiàn)各種類(lèi)型的地質(zhì)作用機(jī)制

上面已經(jīng)提到，簡(jiǎn)約了的物理系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，在應(yīng)用于固體地球演化時(shí)遇到三大難題。第一，物理學(xué)中的本構(gòu)方程，只是在實(shí)驗(yàn)室中用均勻材料取得的，能否不經(jīng)證明直接應(yīng)用于高度不均勻的地球介質(zhì)？第二，地球演化的初始條件現(xiàn)今已無(wú)法測(cè)量，而演化過(guò)程并非線性，如何給出準(zhǔn)確的初始條件來(lái)建立數(shù)學(xué)物理方程，使計(jì)算的演化過(guò)程不會(huì)走向混沌？第三，地球動(dòng)力學(xué)作用區(qū)域本來(lái)不存在邊界，如何給出正確的邊界條件來(lái)建立數(shù)學(xué)物理方程，使計(jì)算得以進(jìn)行而且給出正確答案？這三大難題阻攔了地質(zhì)作用模型的量化。我們知道，對(duì)一個(gè)區(qū)域而言，巖石圈演化是由一系列事件組成的，一個(gè)事件代表特定時(shí)期巖石圈的行為，它又可以劃分為若干個(gè)發(fā)育階段。通過(guò)地球探測(cè)數(shù)據(jù)的全球?qū)Ρ?，查看每個(gè)階段巖石圈作用的行為特征，把它們按時(shí)序逐漸過(guò)渡排列，便可恢復(fù)這一事件的地質(zhì)作用過(guò)程(楊文采,2009， 2014 a—f)。

實(shí)驗(yàn)室?guī)r石物理性質(zhì)的測(cè)定和測(cè)定數(shù)據(jù)的全球統(tǒng)計(jì)對(duì)比是地球探測(cè)數(shù)據(jù)分析和發(fā)現(xiàn)各種類(lèi)型的地質(zhì)作用機(jī)制的重要基礎(chǔ)之一。不僅要統(tǒng)計(jì)全球地殼上地幔巖石的物理參數(shù)，包括磁化強(qiáng)度、密度、電阻率、縱—橫波速度及泊松比、散射系數(shù)、地震各向異性系數(shù)等，對(duì)比分析找出其規(guī)律性(金振民，1997)；還要用研究這些參數(shù)計(jì)算地殼上地幔力學(xué)參數(shù)(如粘滯系數(shù))的方程式，用于巖石圈地質(zhì)作用過(guò)程的深入研究。

在查明多種類(lèi)型的巖石圈地質(zhì)作用過(guò)程之后，由于取得了前一階段地質(zhì)作用的時(shí)間、空間信息，可以有依據(jù)地給出初始邊界條件，對(duì)其中的某一個(gè)階段的作用便可建立數(shù)學(xué)物理方程并用計(jì)算機(jī)模擬特定時(shí)期的地質(zhì)作用過(guò)程，提供關(guān)于這個(gè)階段巖石圈地質(zhì)作用過(guò)程的細(xì)節(jié)，作為驗(yàn)證某種類(lèi)型的巖石圈演化模式的參考。從巖石圈地質(zhì)作用過(guò)程的定性研究到定量研究，也是當(dāng)今大地構(gòu)造物理學(xué)發(fā)展的重要方向。

圖15中國(guó)大陸主要含油氣盆地類(lèi)型及位置分布圖Fig. 15 Types and locations of oil/gas basins in Chinese continent

在眾多巖石圈地質(zhì)作用過(guò)程中，洋陸轉(zhuǎn)換作用和大陸增生作用成為近期研究作用的重點(diǎn)。這些地質(zhì)作用不僅屬于尚未定論的關(guān)鍵研究課題，對(duì)地球演化規(guī)律的探索至關(guān)重要，而且對(duì)于勘探石油天然氣和急缺固體礦產(chǎn)也具有重要指導(dǎo)意義(楊文采, 2014 b)。中國(guó)陸緣海巖石圈是全世界研究現(xiàn)代洋陸轉(zhuǎn)換作用過(guò)程的首選地區(qū)之一；青藏高原和華南是全世界研究顯生宙洋陸轉(zhuǎn)換作用過(guò)程的優(yōu)選地區(qū)。亞洲中部的蒙古—鄂霍次克碰撞帶和中國(guó)內(nèi)蒙古是全世界研究大陸增生作用過(guò)程的優(yōu)選地區(qū)。在這些區(qū)域開(kāi)展全面的大地構(gòu)造物理學(xué)研究，尤其是現(xiàn)代中國(guó)陸緣海巖石圈結(jié)構(gòu)與構(gòu)造研究和華南顯生宙洋陸轉(zhuǎn)換作用規(guī)律與演化過(guò)程研究，必定可以推動(dòng)固體地球科學(xué)的創(chuàng)新。

6 認(rèn)識(shí)地球，確保社會(huì)可持續(xù)發(fā)展

現(xiàn)今世界地球能源資源匱乏、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，社會(huì)發(fā)展難以持續(xù)。能源資源和地質(zhì)災(zāi)害都發(fā)生在巖石圈，通過(guò)大地構(gòu)造物理學(xué)逐步搞清巖石圈地質(zhì)作用的機(jī)制，可為解決現(xiàn)代社會(huì)可持續(xù)發(fā)展難題提供理論根據(jù)。

中國(guó)是板塊內(nèi)部地震頻發(fā)的國(guó)家(圖11)，加強(qiáng)現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)，研究板內(nèi)地震發(fā)生分布規(guī)律、地殼結(jié)構(gòu)構(gòu)造和變形機(jī)制，有可能迅速提高強(qiáng)烈地震預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度，明顯降低地質(zhì)災(zāi)害對(duì)人類(lèi)社會(huì)的破壞效應(yīng)。板塊內(nèi)部的地震斷裂主要有拉張、逆沖和走滑三種類(lèi)型，對(duì)應(yīng)三種不同的地震構(gòu)造和震源機(jī)制。三種不同的地震構(gòu)造對(duì)地震短期預(yù)測(cè)的難度是不一樣的。因此，即使地震短期預(yù)測(cè)是一個(gè)世界性的難題，也有可能首先在其中某一種地震構(gòu)造的地震短期預(yù)測(cè)上首先取得突破。

雖然中國(guó)是石油、天然氣能源緊缺的國(guó)家，但是中國(guó)大陸含油氣盆地類(lèi)型多(圖15)，分布范圍廣。我國(guó)陸緣海沉積盆地廣泛發(fā)育，深層烴類(lèi)資源還大有潛力(李德生,2002;楊文采和于常青, 2007)。例如，石油地質(zhì)學(xué)家根據(jù)生油巖體積估算，塔里木盆地的油氣遠(yuǎn)景儲(chǔ)量可達(dá)220億噸，超過(guò)了松遼盆地和環(huán)渤海盆地。不僅如此，該盆地有生油期很長(zhǎng)，起到保存油氣床的蓋層(如膏鹽層)也普遍發(fā)育，生油儲(chǔ)油和保存油氣的條件比中國(guó)其他盆地都好。但是，目前塔里木盆地還沒(méi)有找到超過(guò)大慶的特大型油氣藏。能否在塔里木盆地找到第三個(gè)大慶？塔里木盆地有56萬(wàn)平方千米的面積，塔里木盆地的主力生油期在古生代，尤其是早古生代，特大型油氣藏如果存在，埋藏大都深達(dá)5 km以下(侯遵澤和楊文采, 2011)。由于深層鉆探成本非常高(單口井在億元以上)，如果沒(méi)有高度準(zhǔn)確地球物理定位方法技術(shù)，油氣勘探是難以取得成功的。為了獲得地殼上地幔的三維結(jié)構(gòu)，大地構(gòu)造物理學(xué)研究吸收了局部分析、多尺度分析和刻痕分析等應(yīng)用數(shù)學(xué)的最新成果，創(chuàng)新了地球物理反演的理論和方法，為特大型油氣藏遠(yuǎn)景區(qū)的定位研究提供新的技術(shù)手段。大地構(gòu)造物理學(xué)研究可獲得塔里木盆地地殼上地幔的三維結(jié)構(gòu)，可為油氣成藏和運(yùn)移圈閉分析提供理論上的指導(dǎo)。

總而言之，21世紀(jì)是固體地球物理發(fā)展的新紀(jì)元，必將伴隨信息時(shí)代的進(jìn)步取得突破性進(jìn)展。大陸地殼和海洋地殼結(jié)構(gòu)上的最基本區(qū)別是后者是整體剛性的，內(nèi)部不存在明顯的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)。前者的下地殼部分區(qū)域是不均勻和流變的，其中的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)使大陸板內(nèi)的地殼產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的變形和巖漿活動(dòng)。因此，當(dāng)前發(fā)展板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)的焦點(diǎn)就是對(duì)地殼不均勻性和流變巖石進(jìn)行三維成像，從下到上找出大陸地殼物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。同時(shí)，一定要堅(jiān)持深層油氣和地震預(yù)測(cè)方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，為人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。