地球物理引领大地构造科学发展

文/ 中国科学院 梁光河 lgh@mail.iggcas.ac.cn

“上天容易入地难”，目前人类对地球深部的认识仍很肤浅，国内外对地球动力学问题的研究仍在探索过程中，2005年Science期刊公布的125个重大科学问题中的第10个问题是“地球内部是如何运行的？”，指出驱动地球板块运动的动力机制尚不清楚。2017年出版的《中国学科发展战略-板块构造与大陆动力学》认为板块构造理论虽然取得了巨大成功，但该学说依然存在其形成以来就存在的难题，即板块动力、板块起源及板块上陆三大问题，驱动板块运动的动力机制是最为重要的问题，也是亟待解决的问题。地球上的板块都会运动是不争的事实，但到底是什么动力驱动它们运动则一直存在争议。历史上地球物理证据在这个方面发挥了关键作用，比如海底扩张和板块构造假说就是基于古地磁和海底磁异常条带这些地球物理证据而提出来的。但这些都是表面证据，只是证明了板块的确发生了运动，但到底为什么运动，还有很多争议。地球物理应该在这方面发挥更大作用，继续引领大地构造科学发展。

1 地震波照亮了地球的内部结构

要想探究板块运动的动力机制，必须了解地球的内部结构和物质组成。这就需要首先了解地球的形成历史，然后将地球物理观测证据和地质推论相结合进行合理推断解译。板块的概念在1910年泰勒已经使用过，当时的板块概念代表的是运动的地壳，而与后期板块构造中的板块概念截然不同。现在普遍认为，46亿年前初生的地球表面是由岩浆组成的“海洋”。地球形成时主要是各种石质物的混合物，初始地球的平均温度估计不超过1000℃。形成后，由于长寿命放射性物质的衰变等化学能的释放，内部慢慢增温，以致原始地球所含的铁元素转化成液态，某些铁的氧化物也被还原。液态铁由于密度大而流向地心，形成地核。由于重的物质向地心集中，释放的位能可使地球的温度升高。这就促进了化学分异过程，由地幔中分出地壳。根据地震纵波和横波在地下不同深度传播速度的变化，将地球内部分为三个同心球层：地核、地幔和地壳。中心层是地核；中间是地幔；外层是地壳。地壳与地幔之间由莫霍面界开，地幔与地核之间由古登堡面界开。可以说地震波照亮了地球内部的结构。

图1 地球的分层结构示意图（梁光河制图）

地壳是人类赖以生存的圈层。目前所知地壳岩石的年龄绝大多数小于地球形成的年龄，这说明地球壳层的岩石并非地球的原始壳层，而是以后由地球内部的物质通过火山活动和造山活动形成的。地球早期岩浆海阶段类似一个大的炼钢炉，而原始大陆地壳类似炼钢炉中分异出来漂浮着的一坨坨钢渣。早期的快速冷却形成了初始硬质球壳，它代表了原始大洋壳，同时不断从地幔分异出轻物质并上升到地表，产生原始的大陆地壳。初始大陆地壳经过初期的漂移、俯冲、造山形成最早的陆核，即克拉通陆块，早期形成的陆核面积很小，大洋占绝大多数面积。后期随着大陆漂移和超大陆裂解聚合，逐渐增生才形成今天的洋、陆格局。大地构造运动是塑造地球的最重要力量。

2 百年孤寂的固定论

在人类认识到地球的内部分层结构之前，对地球的认识很粗浅，只能通过浅表层地质现象推测大地构造演化规律，由此诞生了很多原始朴素的大地构造假说，比如地球膨胀说、地球收缩说、地球脉动说等，但对地球为什么能够大幅度膨胀、收缩或产生脉动的动力机制不能得到很好解释，这些假说逐渐走向衰落。19世纪中叶开始，美国地质学家霍尔和丹纳提出地槽概念；德国的修斯和法国的奥格提出地台概念以来，逐渐发展形成地槽—地台学说。它强调地壳运动以垂直的升降运动为主，水平运动是垂直运动派生的。把地壳划分出地槽和地台两个基本的构造单元。地槽的发展分两个阶段:前期表现为强烈的沉降作用，形成巨厚的沉积岩层；后期则表现为强烈的上升作用，沉积岩层被强烈褶皱，并隆起为山，还伴有强烈的岩浆活动和变质作用。地台是大陆地壳中相对稳定的构造单元，一般认为是由地槽褶皱带转化而成的。存在的问题是对槽台演化的驱动力解释不清，为什么这里是地槽，那里是地台等等也无法合理解释。事实上地槽和地台可以通过后期出现的板块构造进行合理解释，地槽可以解释为早期的大陆裂解形成的沉积带、后期板块碰撞又变化为造山带。而地台则可以解释为克拉通地块或地盾。槽台说属于固定论，它不承认大陆板块的大规模水平运动，也没有很好地给出槽台演化的动力机制，因此20世纪60年代以后，随着大陆漂移和海底扩张说逐渐成熟，孤寂百年的固定论逐渐退出历史舞台。

3 一鸣惊人的大陆漂移说

1912年，德国气象学家魏格纳根据南美洲东岸与非洲西岸可以很完美地拼接在一起，提出在古生代末期存在一个盘古大陆（Pangea），之后盘古大陆分裂漂移形成今天的大陆和大洋分布格局。他分别从古造山带、古气候及古生物地理等方面进行了详细论证。从而提出了“大陆漂移”的概念，认为较轻硅铝质的大陆块漂浮在较重的黏性的硅镁层之上发生漂移。大陆漂移假说刚提出便招致强烈反对。因为其直接反对几乎所有地质学家和地理学家的传统思想。他们受到的固定论的教育，认定大陆是静止的，不可能发生大规模水平运动。这个大胆的设想就像伽利略时代的哥白尼学说一样，在世人眼中是荒谬的“异端”。魏格纳认为大陆板块和大洋板块是分离的，大陆板块密度小，漂浮在大洋板块上发生漂移。存在两个关键问题：第一，以南美洲为例，以花岗岩为主的坚硬的南美洲西部在漂移过程中，由于受阻产生了褶皱，形成了科迪拉山系。而很薄且含水柔性的以玄武岩为主的洋壳，应该会产生显著挤压变形和褶皱，但事实并不是这样。更何况在大西洋裂解数千公里的过程中，势必会在美洲大陆西部堆叠起上百公里高的洋壳山脉，这也与事实不符。后来的海底扩张认为大洋板块会俯冲，比这个模型更为合理。第二，在该模型中，魏格纳提出的驱动力主要是地球自转形成的指向赤道的离极力和向西运动力。后经地球物理学家计算，这两个力都太小，仅仅相当于重力的百万之一数量级，不足以推动大陆板块漂移。因此这一学说在提出不久后逐渐归于沉寂。魏格纳后来也认识到大陆漂移的驱动力问题，坦言“大陆漂移中的牛顿还没有出现”。

图2 盘古大陆复原图和大陆漂移模型

（引自教科书）

4 百家争鸣的中国学派

新中国成立之后的前30年期间，我国地质学家独立思考、推陈出新，提出了多个大地构造学说，一时间出现了百家争鸣的中国学派。李四光、张文佑、陈国达、黄汲清、张伯声分别提出地质力学、断块构造说、地洼说、多旋回说、波浪状镶嵌构造学说，被称为“中国五大地质构造学派”。地质力学主张用力学的观点研究地质构造现象，认为地球的自转速度变化对地球上构造的形成起决定作用。当地球自转加快，地球表层就有由两极向赤道挤压的运动。同时，如果某些大陆部分粘在地幔上不大牢固，它们就会落后于地球自转速度增加的要求，或多或少地向西滑动。因此，地壳产生了纬向与经向水平错动，对地幔发生摩擦，起了好像“自动刹车”的“车阀”作用。断块构造学说认为岩石圈固结之后，断裂活动就占据了主导地位。断块就是被岩石圈中不同深度的断裂及层间滑动断裂所切割成的块体。认为断块构造运动的动力来自大陆的深部断裂活动导致的岩浆活动，大陆的扩张导致部分大陆向大洋仰冲，还可以导致大陆边缘的裂解。地洼学说认为，在地壳演化史上，不只活动区可以转化为“稳定”区，而“稳定”区也可转化为新的活动区，其大地构造性质既不是地台，也与地槽有别，而是一种新型活动区，故称地洼。大陆地壳的发展是地槽-地台-地洼。多旋回说认为，一个地槽系的发生、发展到结束，不只经历一个而是若干个构造旋回（即多旋回），才逐步转化成褶皱系的。镶嵌构造说认为地球表层的大地构造主要发生在地壳层次，是地壳层次不同块体的拼合过程。中国学派的特点是针对性强，结合中国大陆地质构造具体问题具体分析，能够较好地描述中国大地构造演化。但大多是定性文字描述，缺少一个简单易懂的类似海底扩张和地幔对流的动力机制模式图；更欠缺对于海洋地质的研究。除了五大学派还有马杏垣的重力滑脱说，认为重力作用导致岩石圈-软流圈重力失稳，会产生势能驱动全球板块的水平运动。但一次重力失稳难以解释地表大规模的水平运动，因为重力不是构造作用的起始原因。重力滑脱说近期被杨巍然等发展为开合构造说，提出热能上升（为开）和重力势能下滑（为合）耦合是驱动大陆板块运动的动力。

图3 重力滑脱系统示意图

（引自马杏垣）

5 一统天下的海底扩张和板块构造

20世纪60年代，通过大洋勘探发现了洋中脊的海底扩张现象，为大陆漂移理论注入了新的生命力。早期的海底扩张认为地幔对流作用在洋壳和陆壳上，也就是说主要是莫霍面层发生了运动。1968年，基于大陆漂移学说和海底扩张学说，一种新的理论—板块构造学说被正式提出。理论上海底扩张产生的推力在两侧大陆边缘应该产生压性环境下的向下弯曲，从而形成深海沟，但在大西洋两侧的大陆边缘不发育深海沟，为了合理解释这种现象，麦肯齐和摩根提出了刚性的厚度达100Km的岩石圈概念。板块构造学说认为岩石圈（包括地壳和部分上地幔）的构造单元是板块，板块的边界是洋中脊、转换断层、俯冲带和地缝合线。据此，全球可以划分为六大板块，后期又划分出更多板块。板块构造学说强调板块的大规模水平运动，认为板块可以产生、生长、消亡，而且这种变化可以定量预测。例如，大西洋洋中脊每年向外扩张约2厘米。板块构造学说认为地幔对流是大陆漂移和海底扩张的主要推动力，具体机制为：洋中脊是地幔对流上升的地方，地幔物质由此处涌出、冷却固结成新的洋壳，新形成的洋壳又把先前形成的洋壳对称性地向两侧推移，于是自洋中脊向两侧呈条带状不断地生长出新的洋壳。比如在大西洋洋中脊扩张驱动力的作用下，南美洲大陆板块向西运动。这个理论能够解释海洋中和陆地上的绝大部分问题，故而迅速成为一统天下的主流观点。事实上对于板块运动的底界面目前还存在争议，大陆漂移说认为底界面是莫霍面，而板块构造说认为底界面是岩石圈底界。

图4 地幔对流和海底扩张驱动机制示意图 （引自教科书）

板块构造认为大洋岩石圈是主动运动，大陆岩石圈是被动运动。其优点是给出了能够自圆其说的动力机制，但仍然存在不少难以合理解释的问题。第一，地球从形成之初就已经在重力分异作用下形成分层结构，地幔对流必然要打乱这种分层结构，而实际上这种分层结构还存在，说明地幔对流假说存在问题。其次，假若地幔对流真的存在，那么俯冲下去的大洋岩石圈经过地下数百公里地幔深度的高温高压旅程，应该从洋中脊冒出超高压岩石才合理，但实际上这个现象并没有发生，这说明地幔对流可能并没有真实发生过。另外，地球上各个大洋中都发现很多古老的大陆残片，红海洋中脊和印度洋洋中脊与磁异常条带并不平行。这都是地幔对流和海底扩张模型难以合理解释的。

6 种类繁多的动力机制猜想

马宗晋指出，任何一种合理的地球动力学假说至少要满足三个条件：（1）能对全球的构造特征及其空间分布规律和构造演化过程作出解释；（2）所依赖的动力因子既有足够的能量，其作用方式又能合理地说明构造变形场的特征；（3）符合物理、化学的基本原理和地球物质的物理—化学性质。针对驱动大陆漂移的动力机制，前人提出了多达15种可能的动力来源，但以上述三个判别条件来衡量，迄今还没有一种地球动力学假说是完善的。

表1 各种地球动力的数量级

（引自吴汉珍和毛小平）

目前占主导地位的是欧美科学家提出的两个模型，一是以海底扩张为主的“推力”模型，二是以俯冲板片拖拽力为主的“拉力”模型。但它们都存在与实际观测证据不符的问题，还不能合理解释全球大陆漂移现象。

海底扩张“推力”模型认为在地幔对流框架下，在洋中脊处不断生成的大洋板块对大陆板块产生了推力，但存在三个主要问题：（1）难以解释大洋上广泛分布的大陆残片；（2）难以解释印度洋磁异常条带与洋中脊不平行分布的问题；（3）洋壳推力必然会在大洋上产生挤压环境，形成逆冲断层和推覆褶皱，但实际观测发现大洋中多以拉张环境下的正断层出现，这与观测事实不符。为了合理解释这些地质现象，近年来又有学者分别提出“拉力”模型和“自驱动”模型。俯冲板片拖曳“拉力”模型认为大陆板块前面俯冲下去的大洋板块密度增加产生向下的拉力，拉动大陆板块运动，但也存在三个问题：（1）解释不了现在地球上正在发生的板块运动，如大西洋扩张两侧的板块运动是哪个大洋岩石圈板块俯冲拖拽的？（2）地球从浅到深密度逐渐增加，轻的地壳往密度大的地幔俯冲，只能产生正浮力，不会产生负浮力。大洋岩石圈榴辉岩化密度增加存在悖论。（3）印度欧亚碰撞发生在新生代初期，印度板块北侧的特提斯洋俯冲大洋板片早已断离，不能提供向北运动的拉力，但印度仍在快速向北运动。

图5 板块构造推力和拉力模型示意图（梁光河制图）重力滑移“自驱动”模型认为大陆板块能够在热力驱动下自己发生漂移，类似平底热锅上的奶油自己会跑。这个驱动力最初来源于大陆裂解中的地幔上涌，在大陆板块后部的莫霍面造斜，因大陆板块自身重力作用沿倾斜的莫霍面顺波下滑而移动，已经移动的大陆板块造成后部降压诱发下面地幔熔融，因熔融后体积膨胀进一步上涌，上涌的地幔再进一步造斜从而推动板块进一步移动，这是一个连锁的造斜和自发重力滑脱过程。造成的结果是大陆板块仰冲在大洋板块之上发生漂移。大陆板块之所以能够克服巨大阻力向前滑移，很重要的一个原因是大陆板块迎冲在大洋板块上，很多含水矿物进入俯冲带，无论陆壳还是洋壳在含水情况下熔融温度下降数百度，因此俯冲进入下地壳区域就会发生部分熔融，形成软弱带，大陆漂移类似大陆板块不断陷入软泥的过程。这也是只有地球上存在板块构造而不同于其他星球的最关键因素，即地球上存在大量水。

图6 重力滑移自驱动模式

（梁光河制图）

根据大陆重力滑移“自驱动”模型，可以很好地解释东半球地形地貌成因（图7），大陆板块漂移后会产生尾迹，这些尾迹往往表现为岛弧，岛弧是呈线状分布的火成岩和大陆残片集合体。

图7 东半球地形地貌图与大陆漂移尾迹特征（梁光河制图）大陆漂移和地下物质的熔融状态密切相关，地下深处岩浆部分熔融需要3个条件之一，这三个条件是：（1）增温；（2）加水；（3）降压。新大陆漂移模型中这三个条件都得到了良好体现。利用新大陆漂移模型可以合理解释全球大陆漂移动力机制以及深源地震成因（图8）。该图说明太平洋区域大陆板块仰冲在大洋壳上，洋壳俯冲下去之后，同时满足增温和加水两个条件，使得在俯冲带产生部分熔融，形成软弱区域，大陆漂移就像大陆不断陷入软弱区域的过程。在部分熔融情况下，会发生轻重矿物分异，重物质下沉，形成深源地震，随着陆壳的漂移，造成深源地震带陡倾角深入地幔中，形成洋壳陡俯冲的假象。而在大西洋区域，由于两侧大陆板块移动后深部降压，同样也发生深部物质部分熔融，形成地幔上涌，在莫霍面产生斜坡，进一步推动大陆板块漂移。大西洋区域虽然深部也发生部分熔融，这个区域的熔融与太平洋俯冲带区域熔融不同，因为该区域没有俯冲带带入深部的水，使得该区域的熔融属于干物质部分熔融，它们上升到一定的深度区域就会分异凝固形成新的洋壳，在大陆地壳下部莫霍面区域形成洋壳和陆壳的显著分界线（断层）。另外该区域由于缺乏水的参与，因此该区域也没有强震发生（强震发生的两个条件是深断裂和高温高压流体）。

图8 横跨大西洋和太平洋的大陆漂移模式示意图（梁光河制图）

新大陆漂移模型与板块构造模型显著不同，板块构造把中的板块既包含大陆块体也包含大洋板块，这是不对的，因为大陆板块和大洋板块，无论从演化历史还是物质成分，甚至厚度等等都存在巨大差异，把它们划为一个板块是显著错误。

7 未来的突破路在何方？

近现代大地构造发展的历史就是寻找驱动大陆板块运动动力机制的历史，无论大陆漂移假说还是海底扩张和板块构造假说，都是在寻找这个驱动力的驱使下一步步发展的。为什么这个驱动力这么重要？因为它是所有地质运动的原动力。板块运动的驱动力突破在于建立符合实际观测的驱动力理论模型，未来面临的关键难点与挑战是这些模型都是概念模型，要验证它们的真伪，需要地球物理证据的支持，因为关键证据都在地球深部，当然也需要地质和地球化学证据的支持。更需要对典型实例解剖，比如印度大陆为什么会北漂？验证模型假说更需要可靠性和分辨率更高的地球物理资料。比如对地下深部结构反映最灵敏的是地震勘探技术，它包括三类方法，分别是人工源深反射地震勘探、天然地震接收函数探测、天然地震层析成像方法。后者探测分辨率很低，其原理借用医院的CT仪对地下进行扫描成像，但它完全不能和医学上的CT扫描仪器相比，主要原因有二，一是数据不完备，医院的CT仪可以360°扫描，发射波长很短的电磁波；而天然地震层析成像往往只能沿地表一条直线采集数据，且利用的地震波长很大，反演过程中还存在多解性。二是医院的CT仪利用的是直接穿透身体的透射波，而天然地震层析成像主要利用反射波和折射波，另外还存在震源点定位误差大等因素。因此所得结果可靠性较低，而且往往在反演过程中加入过多人为因素（初始模型约束）。因此在利用地震勘探进行地壳地幔结构探测中，需要尽量使用精度和可靠性更高的前两类方法。

8 小试牛刀-地球物理探测与验证

基于地球物理实例总结提炼出来的重力自滑移驱动模式能够得到实际探测结果的支持，这里给出两个深反射地震勘探实例，分别代表大陆板块漂移前面和后面的构造特征。图9代表的是日本大陆东部边缘一条东西向的高精度地震勘探剖面实例，因为日本大陆向东漂移，因此该剖面反映了大陆漂移模型前面的地质结构特征。探测结果与理论模型吻合良好。

图9 日本大陆板块东部一条东西方向地震勘探剖面（引自Tsuru）。a是剖面平面位置图，b是反射地震勘探剖面（垂直比例放大4倍）。C是地震勘探剖面在大陆漂移模型中的位置。

图10是印度大陆板块南部一条近南北向地震勘探剖面，因为印度大陆板块向北漂移，因此该剖面反映了大陆漂移模型后面的地质结构特征，探测结果与理论模型也完全吻合。

图10 印度大陆板块南部一条近南北方向地震勘探剖面（垂直比例放大约10倍）。a是剖面平面位置图，b是反射地震勘探剖面在新大陆漂移模型中的位置，c是地震勘探深度剖面特征（引自ION公司）。地球从形成至今一直在不断运动和演化，沧海桑田巨变和地震、火山、气候变化等等都与地球的演化密切相关，而驱动地球演化的关键在于地球深部的动力机制，特别是大陆板块运动的动力机制。板块运动的驱动力是长期困扰国内外地学界的重要科学问题。以上两个实例是深反射地震勘探用于验证理论模型的牛刀小试。这说明，地球物理勘探不但能够在矿产资源勘探中发挥重要作用，而且在大地构造研究领域应该能够发挥更大的作用。回顾历史，地球物理一直在引领地球科学特别是大地构造科学的发展。

参考文献：略