20世纪地球物理学的重要成就和21世纪的发展前沿.PDF

20世纪地球物理学的重要成就 和21世纪的发展前沿 滕吉文 中国科学院 地质与地球物理研究所,北京100101 摘 要20世纪是地球物理学取得辉煌成就的重要历史时期。在这关键性的百年里实施了一系列大 型且具全球性的研究计划。21世纪必将在对地球本体的认识和解决水资源、 矿产资源、 自然灾害和 环境包括空间环境方面继续作出新的重大贡献。只有深入研究地球内部物质与能量的交换,不同 圈层的耦合及其深部动力过程才能深入探索地球系统的发展。为此,文中讨论三方面的问题 1 地 球物理学的发展进程及其战略意义;220世纪地球物理学领域主要的重大成就;321世纪上、 中叶 地球物理学的发展前沿和导向。 关键词地球物理学;地球内部结构;圈层耦合;板块构造;资源与能源;地震活动与地震预报;深 层动力过程 中图分类号P3 文献标识码A 文章编号10052321200301011724 收稿日期20021120 ;修订日期20021229 基金项目国家自然科学基金资助项目40074020 ;中国科学院 知识创新工程重要方向项目 KZCX22CO9 作者简介滕吉文1934 , 男,1962年于前苏联科学院大地 物理研究所研究生毕业,并取得数学 物理学副博士学位,现为研 究员,中国科学院院士,主要从事地球物理学研究。E2mail jwteng 0 前言 地球科学的最终目标是了解地球本体和其他行 星从太阳系中诞生到它目前状态的演化,以便能对 行星的物理学、 化学、 地质学和生物学的作用过程建 立起详细、 定量的概念性预测模式,建立行星地球科 学的整体理论[1]。 地球物理学是地球科学中的一门新兴学科,也 是人类借以深化认识地球本体、 地球内部结构及其 深层过程极为重要的途径和 “钥匙” 。它的研究范围 涉及地壳、 壳 幔边界、 地幔、 核 幔边界含D″ 层、 地核,尤其是岩石圈和软流层中所发生的各种物理 现象、 成因及物质运移过程。除地球内部外,还有必 要涉及大陆、 海洋和宇宙空间。 随着地球科学的发展,人们对地球表层及浅部 介质结构和属性的研究已远不能满足生产和社会发 展的需求,迫使地球科学向纵深挺进。岩石圈是人 类居住、 获取各种资源、 能源、 改造和利用的重要场 所,是地球科学整体发展的基础和生长点[2]。岩石 圈物理学与动力学在近30 a来积累了大量的资料, 得到了不少新认识、 新概念和新理论,更重要的是提 出了一系列的新问题。因此动摇了一些传统的概 念,触及了一些人们以前尚不敢触及的领域,并沿着 创新的方向迅速发展。 基于地球物理学是一门涉及地球内部、 大陆、 海 洋和宇宙空间的边缘科学。在已经过去的20世纪 完成了一系列大型的全球研究计划,不仅深化了对 地球本体的认识,而且为资源、 能源、 灾害和环境变 迁提供了形成、 分布与发展的深层过程和空间信息; 日地空间物理的研究使得人们的视野扩大到宇宙 它是地球系统最外的圈层 , 极大地增强了对地球 整体研究的思维与导向。不仅推动了深入了解空间 和地球包括大陆和海洋以及生态环境之间的耦合 关系,而且也加深了对人类生存空间、 社会进步与经 济繁荣及其可持续发展间关系的认识,同时加深了 对固、 气、 液态物质组构从地核到宇宙立体空间的认 识。 地球物理学在中国的现代化建设中起到了重要 作用,在世界地球科学的发展中占有重要地位。 第10卷第1期 2003年3月 地学前缘中国地质大学,北京 Earth Science Frontiers China University of Geosciences ,Beijing Vol. 10 No. 1 Mar. 2003 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 21世纪的地球物理学必将担负起地球科学中 一系列重大科学问题的先导,这是因为在地表所见 到的一切地球物理、 地球化学和地质现象,以及生物 演化、 环境变迁、 全球变化和海洋的形成与演化等等 必然地取决于地球内部的物质与能量的交换与其深 层动力过程。为此,地球物理学必须深化对地球本 体的认识,量化研究圈层耦合和深部物质状态及物 质的错综组构,为水资源、 矿产资源与能源、 地震灾 害和环境包括空间环境问题做出贡献,并成为更 高效地支撑人类社会和经济可持续发展的科学砥 柱。 应当清晰地认识到,20世纪是地球物理学发展 的关键性百年,并为21世纪的有关重大科学领域或 方面的突破做出了理论上和方法上的准备,为人类 和地球科学的飞跃作出更加辉煌的贡献 1 地球物理学的迅速发展进程及其战 略意义 地球物理学是20世纪迅速发展起来的重要边 缘学科之一。特别是近20年来,地球物理学的研究 以其全球整体性的思路,广泛应用于宇航观测、 大气 层中的航空测量、 地表观测以及深入地下数十km 的观测系统,采集了的大量的高精度信息,日益显示 出其在国民经济建设、 国家安全体系及人民生活中 的巨大作用。鉴于这些方面的原因,早在20世纪 50年代,在周恩来总理的亲切关怀下,地球物理学、 半导体、 核技术等学科被列为当时高等教育紧急设 置的5个新专业之一。 1. 1 在经济发展与建设中的作用 当今社会文明的发展在很大程度上是建立在开 发和利用地球资源的基础上,因此大多数国家都将 资源的勘探、 开发与合理利用列为经济建设中的首 要问题之一。 在重大工程建设方面,如长江三峡水库及黄河 小浪底电站的坝址选择、 基岩体评价、 堤坝隐患的勘 察如近年长江洪水中的 “管涌” 等、 治理都离不开 地球物理提供的基底稳定性和构造背景。此外还为 陆地和水下隧道的开挖,地下国防工程建设提供技 术保障。在核爆炸与核污染监测,文物、 古墓的勘查 等方面也提供了必要的有效技术手段。近年来又在 环境污染的监测方面,特别是城市环境污染,活断层 的勘查与监测等方面形成一个新的应用领域。 1. 2 在社会发展中的地位 人类社会发展面临的问题很多,减灾、 环境和能 源问题被联合国列为榜首,均与地球物理学的发展 密切相关。 90年代是国际减轻自然灾害的10 a ,水灾及地 震是危及人类生命及物质文明成果最为严重的自然 灾害。尤其20世纪末叶以来大规模的强烈地震给 社会留下了难以忘怀的影响如云南丽江地震,台湾 集集地震,土耳其地震等。地震预测是现代科学中 最困难而又最为迫切需要解决的问题之一。据有关 方面透露,在灾害频繁发生的年份,我国由灾害造成 的损失高达国民生产总值的1/ 6。虽然在20世纪 内地震问题未能彻底解决,但由于地球物理学的发 展和进步,地震预测研究已向实用化迈进,并显现出 了可喜的前景。地震现象属于自然界的突变现象, 即一个系统从一种稳态经过极短暂的失稳运动发展 为另一种稳态,其中失稳态的时间尺度可能只有几 分钟,来不及观测。如果把时间尺度放宽到几个月 乃至几年来研究大陆地震活动在空间和时间上的不 均匀性规律以及地球内部热物质运移的本质和地球 自转的辅助效应等,则可以进行板内地震的中期预 报,近来地球物理学家还提出了减轻地震灾害的新 方案。此外,对岩体滑坡、 泥石流等均在一定程度上 进行了有效的预测和预警。 环境问题近年来也是社会普遍关注的核心问题 之一,促进了环境地球物理学这一新领域的诞生。 人类赖以生存的环境包括大气圈、 水圈和岩石圈,其 中核污染、 水污染和环境噪音主要都要用地球物理 的方法监测,杭州西湖水污染探测的例子很好地说 明了这一点。可见,地球物理学在解决人类社会当 前面临的共同问题中起到了独特的作用,是促进社 会进步不可缺少的一门现代科学领域,并在未来的 发展中肩负着重要的历史使命。 1. 3 在深化对地球本体认识中的地位 早在远古时期,人类就意识到地球是维系人类 生存和社会发展的物质源泉。因此,无论是古希腊 的哲学家还是中国的古代先哲,都试图探索地球的 形成和结构的奥秘。应当看到,近代地质学的发展 对17世纪西欧的第一次工业革命有一定的促进作 用。近40 a来,面临第二次工业革命的挑战,科学家 们创立了板块构造学说和一系列新的星球探测技 术,在日地耦合的研究中取得了长足的发展,地球物 理学起了先导作用。这种作用表现在通过地震和 118 滕吉文/地学前缘Earth Science Frontiers2003 , 10 1 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 电磁探测发现了位于上地幔的软流层,为活动论的 新地球观提供了唯一站得住脚的理论依据;通过全 球地热流量的测量圈定了热的洋脊和冷的消减带; 结合古地磁测量和洋壳地磁条带的特征,为海底扩 张理论提供了令人信服的佐证;通过全球地震活动 性和震源空间分布特征、 全球重力、 地磁和地热测 量,为板块边界的划分和转换断层的识别提供了准 确的依据;综合这些全球性地球物理观测的结果,对 地球热状态和岩石圈热结构和流变性质提供了新的 认识,为一直悬而未决的板块运动驱动机制问题的 解决提供了新的依据。 地球电离层、 中层大气和臭氧层、 太阳风和磁 层、 载人登月和空间站建立等一系列研究活动的开 展及一系列国际间日地物理计划的实施,极大地深 化了人类对日地系统整体行为和各种空间现象之间 物理联系的认识,推动了监测、 分析、 研究和空间环 境预报一体化的进程,也为利用空间特殊环境造福 人类提供了可能[3]。 1957年的国际地球物理年计划,标志着地球物 理学正式进入了先导性学科的行列。60年代的国 际地壳上地幔计划、70年代的地球动力学计划和80 年代的大陆岩石圈计划和国际日地物理计划与日地 能量计划等进一步肯定了地球物理学在地球科学中 的地位。因为这些计划的实质,都是把研究的重点 从地表转入地球内部,而在地球科学的所有分支之 中,只有地球物理学才能为研究地球内部提供直接 的信息和资料。90年代以来,地球内部尤其是大 陆岩石圈仍然是地球科学研究的主题;这是由于 80年代实施的大陆岩石圈计划,发现了板块构造学 说的一系列困难,以致于一直未能建立起大陆板块 构造的运动学和动力学模式。地球科学家已经意识 到,地球内部无论是纵向还是横向都具有高度的不 均匀性,要阐明大陆岩石圈的结构和演化问题,则必 须作长期和巨大的努力。 地球科学的实践和发展表明,只有地球物理学 能为研究地球内部与球外空间的结构、 物质运移和 圈层耦合提供直接的或间接的、 量化的并有相当规 模和精度的信息,对地球科学发展为现代的精细科 学体系,对地球动力学的研究提供了极大支持。 从20世纪50年代以来,地球物理学已逐渐成 为地球科学中最重要的分支之一。在21世纪地球 科学发展中必将成为地球科学中的先导学科。因 为,不论是资源、 能源、 灾害、 环境包括空间环境和 深化对地球整体的认识,均必然地要研究和探索地 球内部及外层空间物质与能量的交换、 圈层耦合和 其深层动力过程。地球物理学的发展体现了物理 学、 数学、 信息科学等学科向地球科学的渗透,而地 球物理学的发展又促进了物理学、 应用数学、 计算数 学、 信息科学、 电子学及其它应用科学的发展。 从以上分析可以看到,地球物理学不仅在经济 建设中具有十分重要的作用,而且已经迅速发展,支 持一些高技术的产业部门,为解决能源与资源的勘 探、 开发和大型水电站建设及国防工程中的难题提 供了科学与技术支持。在我国发展地球物理学具有 许多有利条件,除我国大陆和海域的独特自然地理 位置外,我们具有一支相当优秀的地球物理研究与 应用队伍,经过近20 a的改革开放,地球物理的观测 仪器设备在总体上已经接近世界先进水平。我们拥 有像青藏高原、 南北构造带川西、 滇东南、 典型的 造山带与盆地和西太平洋边缘海域那样独特的岩石 圈结构与板内构造,为我国地球物理学家提供了广 阔的天然实验室。作为世界上少有的文明古国,我 国的史书留下了几千年来大陆地震发生的地点和烈 度,以及水、 旱灾害等自然现象的不朽记录,为预防 灾害研究提供了丰富的史料。我们相信,在21世纪 的上、 中叶我国的地球物理学必将在总体上进入先 进国家的行列,并为人类科学与技术的进步和社会 与经济的持续发展做出应有的贡献。 2 20世纪主要的重大成就 随着人类社会生产的发展和需求,人类对地球 的认识是从近地表逐渐进入深层,由定性的判别到 定量的认识。迄今为止,地球的岩石圈提供了维系 人类生命及社会生产的物质来源,因为地球的岩石 圈以及与之相邻的壳幔边界、 上地幔、 软流层、 下地 幔、 核幔边界 D ″ 层和地球的内外核心乃是地球内 部圈层耦合和深层动力过程研究的根本所在。显 然,它们即是当今地球科学中最重要的研究内容,同 时也是地球物理学的基础研究领域[4]。在我们对 地球物理学进行百年回顾与展望时[5],清晰地认识 到,我们任重而道远。 地球物理学运用物理学的概念和方法,通过观 测、 实验、 理论分析和反演计算,研究与地球有关的 物理问题。用物理学方法探测地下资源的介质结构 与属性,地震 “孕育” 的介质与构造环境[6],深部物 滕吉文/地学前缘Earth Science Frontiers2003 , 10 1 119 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 质与能量的交换和圈层耦合、 地球物质的运动学与 动力学和日地耦合响应等,乃是地球物理学主要的 研究和探索领域。 科学的发展在总体上或是在哲学上应当服从于 两个要素 1 科学发展本身必然要受到自然辩证法 则的支配 ;2 科学发展一定要受到在实践中所提出 问题的解决、 改进和新生长点呈现的驱使。 然而地球物理学在20世纪中,特别是在中、 末 叶以来发展迅猛,究其原因可以归结为 1 人类繁 衍、 生息,科学与技术和社会与经济的高速发展必需 为其提供大量的资源和能源 ;2 人们越来越清晰地 认识到人类生活和生存的环境、 空间与可持续发展 必须免受或少受自然灾害的袭击和大型构造运动的 影响,故必须深化对地球本体的认识 ;3 领土纷争、 强权占有、 经济掠夺、 大小战争和国防与国家权益的 需求。 由地球物理学发展迅速的几点原因尽管是尚 不完善的可见,在20世纪,特别是近40 a来的重大 成就大体上可以归结为以下14个方面具有全球性 意义的。当然,最为突出的成就,应当说一为地球 内部圈层结构,二为板块构造与动力力学,三为资源 与能源的勘探与开发,四为空间特殊环境的利用。 2. 1 提出了全球范围的地球物理研究计划和规划 这些全球性的行为使得世界各国的科学家必然 地卷入了全球性地球物理学的研究行列,如地球物 理年,上地幔计划,地球动力学计划,岩石圈计划,大 陆和大洋钻探计划,地学大断面计划,国际减灾十年 计划,全球变化计划,大陆动力学计划,地球环境模 型,日地物理计划,地球空间环境计划和日地能量计 划等等。这些计划的实施与完成在地球物理学以至 整个地球科学领域里均产生了极为深刻的影响[4], 事实表明 1 对全球范围内重要构造地域的沉积建 造,地壳、Moho界带、 地幔盖层、 软流层的分布特 征、 介质的基本物理属性和结构有了一个较全面的 认识 ;2 为全球动力学研究,不同构造域的对比研 究和规律性的认识提供了坚实的深层过程与基本要 素 ;3 为资源、 能源、 灾害和环境研究给出了深、 浅 部的构造格局和包括球外空间在内的耦合网络 ;4 提出了 “板块构造学说”,并对其块体运动和驱动力 源进行了探索 ;5 对青藏高原的形成与隆升,环太 平洋地震带与成矿带的展布有了较深入的认识 ;6 为深化认识地球本体和地球科学中的前沿与难题的 深入研究提出了一系列尚待探索的科学问题。 2. 2 发现了地球内部圈层结构的基本图像 地球内部结构和构造是20世纪以来固体地球 物理学最为重要的理论基础及研究成果。依其介质 的物理学与力学属性或流变学特征确证了地球内部 的圈层结构[7],即地壳,上地幔,过渡带,下地幔,外 核和内核;或岩石圈,软流圈,中圈,流体和固体图 1 。在一这领域里特别是以下几个方面对地球科学 的发展做出了重要贡献。 图1 地球内部的物质组成和流变学特征层圈结构图 据P Kearey等,1990 Fig11 Comparison between the compositional and rheological layering of the Earth 1走时表的建立为地震学和地球内部物理学 的发展起到了举足轻重的作用。1939年英国的杰 弗瑞斯H.Jefferys和新西兰的布伦 K. E. Bullen 基于当时已有的地球内部和地震资料联合编制了全 球地震波动走时表[8],该表包括直达波、 折射波、 反 射波和转换波,给出了地球内部各圈层介质的P波 和S波速度分布,并定名为J2B走时表。后来莱曼 I. P.Lehman又依据核爆炸的走时和有关资料对 该走时表进行了修正[9]。1940年他们又根据地球 内部地震波和密度分布,将地球内部分为A ,B ,C , D ,E ,F ,G七层[10 ,11],并对每一层的属性行了分析。 后来综合利用新的地震体波走时、 视速度、 地震面波 的频散以及地球自由振荡的本征周期等数据,反演 地球内部的速度和密度,给出了新的地球内部分层 结构与特征表1 ,即分为A ,B B′ 、B″ 、B˚ ,C ,D D ′ 、D″ ,EE′ 、E″ ,F 和G层[12]。1967年美国重 120 滕吉文/地学前缘Earth Science Frontiers2003 , 10 1 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 新编制了平均P波走时表[13]。基于这一走时表,便 可从各地震台站所观测的地震记录图上识别出来自 地球内部不同圈层的地震震相走时图2 ,进而分 析和研究地球内部的介质结构和属性[14]。特别是 对于中、 远程地震的震相识别具有特殊意义。 表1 新的地球分层 Table 1 New layering of the Earth 区域深度范围/ km名称特征 A层0～40地壳 横向变化很大 B层40～350上地幔 B′盖层横向变化较大 B″低速层速度小 B˚均匀层速度较均匀 C层350～650过渡层速度梯度大 D层下地幔 D′650～2 550速度梯度变化小 D″2 550～2 885速度梯度近于零 E层外核 E′2 885～3 170不很均匀 E″3 170～4 170较均匀,液态 F层4 170～5 155过渡层速度梯度小,无间断面 G层5 155～6 370内核固态 2利用地震面波、 体波和自由振荡资料研究地 球内部的速度结构。此项研究发展很快,而且给出 了众多的地球模型。由于地球模型多而又不统一, 使研究工作存在一定困难,并给对模型的评述和使 用造成一定的混乱和麻烦。面对这一系列问题 1971年在1U GG莫斯科会议上提出并成立了一个 “标准地球模型委员会”,目的是要建立起一个从地 心至地表的标准地球结构模型,定义主要的参数和 主要的间断面,且要被地球构造的任何研究方面所 接受。于1973年IASPEI会议上决定把 “准标地球 模型” 改为参考地球模型。于是经过大约10a工作, 曾经过多次国际学术会议的讨论和修正,在1981年 IASPEI会议上通过了杰旺斯基A. M. Dziewonslci 和安德逊D. L. Anderson提交的 “初步参考地球模 型”PREM [15]。基于地球物理学的发展 ,观测技 术与分辨率的提高和地震学方法应用从20世纪初 开始陆续发现了地球内部一系列重要的物理界面。 1906年奥尔德海姆H.D. Oldham通过地震体波的 研究,证实了地球铁核的存在。1909年南斯拉夫的 莫霍洛维奇A. Mohoronvicic在研究近震时发现有 一震相,地震波速度由6. 3 km/ s跳到8. 0 km/ s ,这 便是地壳和上地幔的分界面Moho [16]。后来在全 球各地的人工源深部地震探测中,证实了这一界面 的普遍存在。1912年美国古登堡B. Gutenberg提 出在2 900 km深处存在一个重要界面[17],它是液 体地核与固体地幔的分界面。1914年美国巴列尔 J.Barrell求得了地球内部纵波和横波的速度分 布,并将地球上部划分为岩石圈和软流圈。1936年 丹麦的莱曼L. Lehnan在地震图上识别出P′ 和 图2 震源位于地表情况下不同震相的平均走时曲线图 据E. Herin等,1968 Fig12 Average travel times for a surface source for various phases PK1KP震相[18],证实了地球内部固体内核的存在。 在1940年在地震波走时表问世的基础上,提出了地 球内部分层模型,证实了上地幔低速层存在图 3 [19]。后来基于人工源和天然源的地震波场效应 及地球的自由振荡资料进一步得到验证。同时古登 堡、 莱曼、 杰福里斯和布伦的研究成果取得了一致认 滕吉文/地学前缘Earth Science Frontiers2003 , 10 1 121 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 识。到了50年代,人们对地球内部的分层结构大致 有了一个基本了解。 图3 上地幔低速层运动学特征示意图 据K E Bullen等,1985 Fig13 Sketch map for kinematical characteristics of low velocity layer in upper mantle aP波射线路径及走时影区; b 上地幔顶部构造 3加速了地球深层过程的研究。1952年法国 卡尼亚尔L. Cagnird应用大地电磁感应理论确定 了层状地球内部的电导率[20],二次世界大战以后, 于1952年前苏联科学院院士甘布尔采夫提出的深 部地震探测方法 TC З用以研究地球内部精细结构 后[21],从19571958年国际地球物理年开始,地 球内部结构的认识与研究开始进入全球化的新阶 段。60年代 “上地幔计划”,70年代的 “地球动力学 计划”,80年代的 “岩石圈计划” 的开展,对地壳与地 幔结构及其横向不均匀性的研究取得了重大的进 展,特别是宽角反射与折射波法和近垂直反射波法 给出了详细的分层和速度结构及界面结构及性质。 正是这些深层过程研究奠定了板块构造的基础,并 通过震源断层面解对板块运移的力源机制进行了有 益的探索。 4高新技术的应用促进了对地球内部精细结 构的研究。70年代中期以来,全球数字地震台网的 逐步建立及全球定位系统 GPS、 人卫激光测距 SLR、 甚长基线干涉测量VLBI、 精密重力测量 包括相对RG和绝对AG精密重力测量和干涉 合成孔径雷达INSAR等高新技术的应用,使人类 可以以过去未曾有的精度探测出自地球表面直至地 心深处的地球内部结构。半个世纪以来,中国以曾 融生院士为首的地球物理学家们与世界各国的球物 理学家们一道在这一领域做出了重要贡献[22～25], 特别是人工源深部地震探测和地震面波与体波以及 核爆炸激发地震波场的深部信息应用,发现复杂地 壳与上地幔为精细的层、 块结构沉积盖层、 结晶基 图4 中国西北部分地区地壳与上地幔顶部的精细速度结构 据曾融生,1984 Fig14 Fine structure of crust and upper mantle in Northwest China a 甘肃景泰地区的地壳结构平均模型; b 青海柴达木盆地的地壳结构平均模型 图5 地球内部核 幔边界CMB、D″ 层区的结构 与地幔热柱和冷柱的形成与运移示意图 据W J Morgan , 1971 Fig15 Hypothetical drawing of the thermal and cold plumes pudding model for the boundary between core and mantle , and D″layer in Earth’s interior 底、 地壳低速层、Moho界面起伏、 大型滑脱等。同 时提出在地壳中不仅存在着低速层,而且还存在着 高速梯度夹层图 4 和不同产状的断裂,发现了特 异深部结构及分区,提出了壳、 幔的层块结构和物质 122 滕吉文/地学前缘Earth Science Frontiers2003 , 10 1 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 组成模型。美国加利福尼亚理工学院、 哈佛大学和 麻省理工学院等的地球物理学家们对地震面波与体 波的三维速度结构和对地球物理层析成像主要是 地震层析成像方法的应用从宏观上揭示了地球内 部的结构、 物质组成及深层过程,并获得了一系列新 认识[26 ,27],包括岩石圈的精细结构、 地幔盖层、 地幔 低速层、410 km间断面、670 km间断面、 核 幔边界 D ″ 层的全球分布[28]与动力学效应图5 ,Morgan , J T , 1971 ;地球内核的各向异性和内核的自转速 率比外核、 地幔和地壳快;对圈层耦合,地磁场起源 的发电理论乃至全球变化的响应,以及地幔热柱的 发现[29 ,30]图 5 等等。显见,核幔边界层 D ″是一 个动力边界,是深部物质与能量强烈交换的场所,是 地幔热柱的源区,而且这里在一定厚度范围内是大 尺度不均匀的和各向异性的,当然也是非线性的。 5研究壳 幔边界Moho结构与属性的成就显 著。自莫霍洛维奇于20世纪初叶提出壳 幔边界是 一个尖锐的一级间断面后,得到世界各地深部地震探 测DSS结果的征实。通过地震观测识别的Pn震相 求得上地幔顶部的地震波速度为7. 9～8. 2km/ s。从 此,Moho界面带的结构和属性的研究一直为地 球物理学家们所瞩目,因为它是多形态的,不均匀的 和各向异性的。若将各种类型的壳 幔过渡带界 综合起来,基本上可分为3种类型[31],即一级速度 间断面、 速度梯度带和高低速相间的薄层束结构。 依据地震反射,宽角反射,折射地震波场,偏振与极 性和理论地震图特征还发现Moho界面带存在冲 断排列或称 “鳄鱼” 状结构状结构[32]。通过波场 运动学走时、 波形、 速度、 结构等和动力学频谱、 能量、 极性和理论地震图等研究,可以给出在大陆 和海域地区的Moho界带的介质和构造响应,即为 一个厚度1～5 km ,最厚可达15 km的过渡带[33 ,34] 图 6 。这一界带是与深、 浅物质交换,重力均衡补 偿以及地球内部圈层耦合密切相关的地域。 6中国地球物理学家的杰出贡献。中国地球 物理学家们在人工源地震深部探测地壳低速层、 壳 幔边界,深部滑脱构造,地幔盖层和地幔低速层及其 属性方面做了大量富有成效的工作,特别是对青藏 高原、 南北构造带、 地震活动地区及东部陆缘地带与 海域的地壳与地幔结构和动力学响应的研究是有特 图6 依据近垂直反射、 宽角反射和折射剖面提出的大陆Moho“界带” 性质图解 据L M Braile等, 1986 Fig16 Schematic model illustrating the nature of the“boundary zone”of the continental Moho discontinuity from interpretation of both near vertical reflection , wide angle reflection and refraction profile data 滕吉文/地学前缘Earth Science Frontiers2003 , 10 1 123 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 色的。对岩石圈、 地幔物质运移及其深层过程做出 了显著成绩。我国已完成人工源地震深部探测剖面 约5万余km ,进行了全国性的1∶20万、1∶50万和1 ∶100万的重力和航空磁测,提出了11条地学大断 面由中国岩石圈委员会地学断面协调委员会提出, 1986。对板内构造和地体划分的边界场效应方面 提出了定量与半定量标志,在地球深部物质运移与 深层过程研究方面进行了有益的探索。这些成果在 世界地球内部与动力学的研究中占有重要地位图 7 。 2. 3 板块构造与驱动力研究 全球板块构造学说的问世是地球物理学在20 世纪发展中的重要事件,地球物理学为该学说的建 立提供了强有力的多元的定量或半定量科学支撑。 1板块构造的提出及意义。板块构造理论是 地球物理学进程中最为重要的科学成就之一,并被 誉为 “科学革命” 来表征岩石圈板块大地构造的作用 和意义[35]。对板块构造研究的重大成果,促成了 19671968年世界六大板块的划分[36],从而建立 了板块构造的基本框架。经过70年代的地球动力 学计划和80年代的国际岩石圈和大陆动力学等计 划的推动,进一步证实了板块构造基本原理的正确 性,特别是空间大地测量技术已经精确测定到全球 各板块的现今运动速率,古地磁的极移轨迹可以详 细地再造板块运动轨迹与演变历史,地震层析图像 显示了驱动板块运动的地幔对流和地幔热柱及其在 深部物质与能量交换和耦合过程中的动力效应。基 于板块构造的地球物理场效应和海陆边缘古老岩石 圈物质的新陈代谢,即岩石圈板块似处于运动中的 巨大传动带,从而导致了一幕一幕的大洋启闭与大 陆离合的演化图像图 8 。 2板块运移驱动机制的研究。60年代初建立 的世界标准台网WWSSN通过对全球范围内的地 震定位,对板块学说的建立起到了重要作用。基于 以上论述可见,有关板块运移的机制问题十分关键。 考虑到全球热流值的分布等因素,当今对地幔对流 图7 中国人工源地震深部地震探测剖面分布图 据彭聪,高锐,2000 Fig17 Locations of geoscience transects by DSS of China 1 前古生代 17 亿a ;2 前古生代克拉通 7 亿a ;3 兴凯期造山带;4 加里东期造山带;5 海西期造山带; 6 印支期造山带;7 燕山期造山带;8 喜马拉雅期造山带;9 后古生代陆相盆地 124 滕吉文/地学前缘Earth Science Frontiers2003 , 10 1 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图8 全球板块边界特征与板块分布图 据Le Pichon , 1968 Fig18 Distribution of boundaries between plates in the World 图中数字为几个小板块;即1 阿拉伯;2 菲律宾;3 科科斯;4 纳斯卡;5 加勒比;6 斯科舍 为板块运动的动力源问题得到较广泛的认同。但是 由于地幔内部速度场的不均匀性[37],故通过密度的 横向不均匀性建立了地幔内部物质流动的动力学模 型[38]。这里必须指出,地幔对流仅是一种 “猜想” 。 尽管地幔对流解释了诸多的现象,然而必须看到当 今所有的动力学模型均仍有一定的局限性。看来地 球动力学模型的建立最终必须从多边界条件约束下 的全球对流、 基本方程出发。对流是与地球内部物 质的热场相关,即与地热梯度相关。关于对流当今 认为有两种方式,一为全地幔对流图9a ,二为分 两层对流图9b ,前者将过渡带视为相变边界,故 对流环可以穿越;而后者则认为过渡带是一个化学 边界,可以阻止穿过它进行对流,即可断流。当今通 过全球三维地震层析成像结果表明,地幔热柱可分 为两极,而670 km间断面处有可能是小地幔柱的 源地,不过至今尚十分缺乏可靠的定量证据。 3中国在板块构造方面的贡献。板块构造说 提出后,基于地幔对流、 地幔热柱的 “发现”,中国地 球物理学家致力于板内与板缘板块运动的驱动机 制、 西太平洋俯冲带和板内俯冲与块体边界场效应 的地球物理研究。近半个世纪以来,我国通过重力、 地磁、 大地电滋、 人工源地震、 天然地震等综合研究 进行了多方面探索,发现了陆 陆碰撞挤压过渡 带[39];给出了地体划分地球物理标志[40];并据此把 青藏高原划分为7个地体,即柴达木地体,昆仑地 体,可可西里 巴颜喀拉地体,羌塘地体,拉萨 冈 底斯地体,喜马拉雅地体和恒河平原地体;绘制了地 震带和应力场分布特征图,提出了造山带与裂谷带 和盆地地区的深部背景;给出了板内边界和陆内俯 冲的深部判据及其与构造和资源的关系。在板块 “登陆” 和板内构造与深部物质运移方面,中国地球 物理学家做出了重要贡献。 4困惑。板块构造的提出,对传统的固定论者 确为很大的冲击。它基于水平运动的前提给出了一 系列块体拼贴与运移的格局,然而当今地幔热柱的 呈现,大陆和大洋溢流玄武岩的上涌与展布,对板块 构造仍是一个新的挑战。板内构造和陆内俯冲又不 能照搬海洋板块构造的已有定则和演化形态。此 外,地幔对流尚为 “猜想”,理想边界条件下的数值模 拟尚难令人信服,以及至今尚提不出一个定量的或 半定量的地球物质的运动学和动力学模型等等。显 然,这些难题尚有待更多的观测和可靠信息取得,以 滕吉文/地学前缘Earth Science Frontiers2003 , 10 1 125 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图9 地球内部物质运移的 “地幔对流” 可能模型图 据M H B Bott , 1982 Fig19 Possible influence of the mantle transition zone on the pattern of convection a 全地幔对流过渡带为相变边界 ; b 地幔分层对流过渡带为化学边界 资不断深化研究,新力源的发现和板块运动力源机 制的探索。 2. 4 全球地学断面 GGT是高层次综合地球物理 研究的产物 全球于20世纪已完成了175条GGT断面,中 国有11条参加世界大断面计划。在GGT大断面 编制过程中是以地球物理学为主导;在走廊域宽 100 km ,深抵软流层内跨越不同构造单元进行 单一地球物理场的深入研究和多种地球物理场的综 合研究与解释,所以它是综合地球物理研究的产 物[41 ,42]。它对构造界带的划分和深层过程的研究 有着极为显著的意义,并对资源、 能源和灾害的深部 背景及可能发震地点的预测起着一定的指导作用。 通过地学大断面的研究可以深化对以下问题的认 识 1 揭示了地壳与上地幔