楊文采

（中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037）

三維物性成像照亮地球內(nèi)部

楊文采

（中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037）

楊文采廣東大埔人，中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所研究員，中國科學(xué)院院士，地球物理學(xué)家。主要從事地學(xué)、資源勘探方法等方面的研究。在中國應(yīng)用地球物理學(xué)理論、方法及相關(guān)地學(xué)研究中取得系統(tǒng)和獨(dú)創(chuàng)性成果。

1979年，計(jì)算機(jī)化軸向?qū)游鯴射線攝影技術(shù)（computerized tomography，CT）獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎；1984年，美國哈佛大學(xué)推出了全地幔地震層析成像圖。1985年，筆者在中國地球物理學(xué)會報(bào)告了地震層析成像的理論方法。此后，地球物理探測隨信息技術(shù)同步發(fā)展，大約每10年就更新?lián)Q代，地球內(nèi)部更深更精細(xì)的成像成果不斷涌現(xiàn)。全球除了幾千個固定地震臺站在連續(xù)監(jiān)測地震活動之外，還有幾萬臺流動的地震儀，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。

2005年，地球物理學(xué)家完成了CRUST2.0全球地殼地震波速成像，分辨率達(dá)到2°×2°。目前，地殼上地幔地震層析成像的空間分辨率已達(dá)到30～50 km，在不遠(yuǎn)的將來很快會達(dá)到10 km×10 km?；诖蟮仉姶艤y量的地殼上地幔三維電阻率成像也不甘落后，2014年在華北和西藏完成了1°×1°分辨率的三維電阻率成像。2016年，我們根據(jù)全國重力測量數(shù)據(jù)建立了中國大陸地殼三維密度擾動模型，分辨率已達(dá)到10 km×10 km。三維成像照亮了地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，可以使地殼上地幔變得越來越透明。

大陸不僅保留了2億年以來地質(zhì)作用的大量痕跡，還保留了2億年以前巖石圈地質(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。三維物理性質(zhì)成像照亮了地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，但是如何來識別它們是什么構(gòu)造呢？這不是地球物理學(xué)能獨(dú)自解決的問題。在20世紀(jì)，固體地球科學(xué)從單一的地質(zhì)學(xué)發(fā)展為一門多學(xué)科分支多兵種的現(xiàn)代科學(xué)，創(chuàng)新了同位素地質(zhì)年代學(xué)、地球化學(xué)、板塊構(gòu)造學(xué)和地球動力學(xué)。同位素地質(zhì)年代學(xué)可以測定地質(zhì)作用的年齡，地球化學(xué)可以測定相關(guān)巖石的成分，板塊構(gòu)造學(xué)和地球動力學(xué)可以作為分析地質(zhì)作用過程的理論基礎(chǔ)。此外，巖石物理可以指示物理性質(zhì)和相關(guān)巖石成分之間的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。有了多學(xué)科多兵種的綜合研究，根據(jù)三維物理性質(zhì)圖像解釋地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)造就有了科學(xué)根據(jù)。

地球內(nèi)部的三維物理性質(zhì)成像不僅證實(shí)了板塊構(gòu)造學(xué)和地球動力學(xué)原先的一些猜想，還使人們看到一些原先不曾想到的地下構(gòu)造。例如，作為大陸骨架的古老克拉通地體，常常有深達(dá)300 km的陸根。大陸的中地殼常常有低電阻率低地震波速低密度的異常體，可能與巖石水溶作用增強(qiáng)和氣水聚集有關(guān)。青藏高原下地殼有低電阻率低地震波速低密度的異常帶，反映下地殼巖石的流變?nèi)鋭?，造成青藏高原和周邊區(qū)域的隆升和地震活動。華北東部有穿透地殼巖石的低電阻率低密度異常體，反映5000萬年前大陸巖石圈的裂解，至今尚未完全停止活動。地震波速成像揭示了1.5億年前古太平洋板塊俯沖到華南大陸下方，形成了500～660 km深度的高地震波速層。地震波速成像還揭示了南太平洋板塊和東非大裂谷下方，有深達(dá)地核的低地震波速超級熱羽翅，可能激發(fā)全地幔熱對流。

板塊構(gòu)造學(xué)說成功地解釋了2億年以來大洋巖石圈的發(fā)展，但是沒有回答大陸巖石圈的演化問題，有40億年歷史的大陸巖石圈的演化顯然比大洋演化模式復(fù)雜得多，因此板塊構(gòu)造學(xué)說登陸后遇到許多難題。地球內(nèi)部三維物理性質(zhì)成像的成果激發(fā)了地質(zhì)學(xué)家的想象力，為研究地球演化的動力學(xué)作用規(guī)律提出了新的假說，其中最流行的就是地幔熱羽翅假說。這個假說認(rèn)為推動地球演化的主要動力不是板塊的生長和俯沖回歸的循環(huán)，而是地幔熱羽翅的上涌改造。地幔熱羽翅假說可以解釋諸如大陸上大火成巖省和大洋底高原形成等問題，但是至今尚未找到令人信服的證據(jù)，證明低地震波速顯示的熱羽翅是什么成分和結(jié)構(gòu)。雖然地幔熱羽翅假說還只是假說而不是理論，但是給了人們一個重要啟示：地球內(nèi)部不同圈層現(xiàn)今的狀態(tài)，有的還在反映若干億年前地球整體的運(yùn)動狀態(tài)。正如天文學(xué)研究那樣，今天地球上觀測到遙遠(yuǎn)星際發(fā)生的事件，反映的是若干億年前遙遠(yuǎn)星際的變動；今天地面觀測到的下地幔熱羽翅，也許反映了若干億年前地球表層的運(yùn)動狀態(tài)，因?yàn)榈厍蛳到y(tǒng)是持續(xù)向外散熱的保守系統(tǒng)。

總之，地球演化作用的產(chǎn)物隱藏于殼幔結(jié)構(gòu)的不均勻性中。根據(jù)三維物理性質(zhì)圖像解釋地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，然后全球?qū)Ρ韧惔蟮貥?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)生的時代把它們按演化階段排序，可以找到巖石圈構(gòu)造單元生成和演化的規(guī)律性。當(dāng)前，全球典型大陸構(gòu)造單元的地殼上地幔三維物性成像資料已經(jīng)積累到足以開展全球?qū)Ρ鹊某潭龋ㄟ^地球物理觀測、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，已經(jīng)為研究地球演化的動力學(xué)作用規(guī)律提供了現(xiàn)實(shí)可能性，從而產(chǎn)生了大陸動力學(xué)這個新的科學(xué)分支。大陸動力學(xué)要把區(qū)域地球物理研究成果集合起來，序列起來，通過全球?qū)Ρ热ふ业厍騼?nèi)部物質(zhì)運(yùn)動的證據(jù)，最后求得對全球大陸地質(zhì)演化的系統(tǒng)理解。

除人口膨脹和環(huán)境污染之外，21世紀(jì)人類社會可持續(xù)發(fā)展最嚴(yán)重的問題仍然是清潔能源緊缺和頻發(fā)的自然災(zāi)害?；诘厍騼?nèi)部三維物理性質(zhì)成像的大陸動力學(xué)研究可為解決地球資源匱乏與地質(zhì)災(zāi)害難題提供理論根據(jù)，為社會可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

—— 摘自《科技導(dǎo)報(bào)》2016年第23期