全球构造及其动力学 大陆动力学研究计划是什么？
马宗晋
（中国地震局地质研究所，北京 100029）
摘要大陆与大洋的全球分布显示出南北向与东西向的双重非对称性。大地水准面高的分布格局具有一级与二级异常。全球活动构造可以分成3个一级构造系统：环太平洋构造系、洋中脊构造系和北半球大陆构造系。这些构造系同样表现出南北与东西非对称性。全球板块总体向西运动的机制可能与地壳、地幔、地核之间的角速度差异有关。这些全球尺度的构造特征也许起源于地球早期演化留下的内部构造非均匀性以及多种来源作用力的联合效应。
关键词 构造系统 大地水准面 非对称分布 动力加载
1 引言
现今地球动力学的基本任务之一，是利用可观察或可测量的现象与过程，对全球尺度的构造现象进行几何学与运动学的描述与概括，探索在全球尺度框架下构造系统的协调运动的规律性，从而获得统一的动力学解释。本文概述了在这几个方面的研究结果。
2 大陆与大洋的全球分布及大地水准面
2.1 大陆与大洋全球分布的双重非对称性
固体地球表面的基本特征是由大陆与大洋的地貌单元决定的。地球表面总面积的70%被大洋覆盖。三个主要大洋（太平洋、印度洋、大西洋）中，每一个的面积都超过欧亚大陆。太平洋是地球上最大的大洋与地貌单元，加上它的相邻海域，太平洋的面积占地球总面积的35.4%。因此，大洋地区的构造作用对全球构造格局的形成起了主要控制作用。
现在大陆在地球上的分布是不均匀的，全部大陆的65%位于北半球。北美、南美、非洲、亚洲和印度次大陆都是三角形，锐角朝南，它的北部相互连接、环聚在北极周围。所有陆地表面的大约81%位于北方的大陆半球，它的极点在西班牙（0°E,38°N）；在这个半球上大陆占总面积的47%，大洋占53%。与其相反的南方大洋半球包含11%的大陆和89%的大洋，它的极点在新西兰。这是全球大陆与大洋分布的南北半球非对称性。
如果定义以经线180°为轴的半球是180°半球，以经线0°为轴的半球是0°半球；那么180。半球包含了太平洋的大部分和少量大陆，相当于大洋半球；而0°半球包含了地球的大部分陆地，相当于大陆半球。这是全球大陆与大洋分布的0°/180°（东—西）半球非对称性。
2.2 大地水准面高度
人造卫星轨道已提供了关于地球相对于球对称的大尺度偏离的很精确的证据，即卫星大地水准面。图1表示这个大地水准面的形态，它代表由卫星数据并结合地面重力测量得到的平衡椭球[4]。这张图的总特征是，南北高纬度地区具有负异常，大地水准面的最低点在南极（－110m）和北极（－60m和－70m）。正异常区集中在中低纬度带。这是一级异常分布格局。此外，中低纬度区还有正负异常带或槽沿北西向相间排列的特征。例如，新几内亚正异常带（+100m），印度洋负异常带（-60m），非洲西部正异常带（+50m），北太平洋负异常槽（-40m），这些都可从图1中看出，是重要的二级特征。
图1 根据18阶18次系数得到的大地水准面等值线
它表示相对于扁率为1/299.76的参考椭球的偏离[4]。图中数值单位为m
另一显著特征是，除非洲之外，北半球的大陆都是大地水准面低区，而南半球的大陆几乎都位于大地水准面高区。虽然大地水准面的大尺度特征与地表高程（大陆与大洋）没有明显相关性，但在一定程度上大地水准面反映出控制全球构造格局的深部地幔运动，影响大地水准面特征的质量异常位于上地幔几百千米深度[7]。
3 全球构造系统的非对称性
根据全球地震分布及其运动学与动力学特征，可以把全球活动构造分为3个一级构造系统：①环太平洋构造系统，它以大洋岩石圈向大陆岩石圈的深俯冲为特征；②洋中脊构造系统，其标志是大洋岩石圈裂谷与转换断层的组合；③北半球大陆构造系统，它主要分布在北纬20°～50°的环形带上，具有大陆岩石圈的断层网络特征，形成4个相似的地震构造区域（图2）。
如上所述，为描述方便，定义以经线180°为轴的半球为180°半球，以经线0°为轴的半球为0°半球。于是，几乎整个环太平洋构造系统都位于180°半球的外环上。洋中脊裂谷系统，看起来像是残缺的灯笼骨架，由三条经向洋中脊及一条环南极的纬向洋中脊连接组成。按长度计，85%的洋脊轴位于南半球，这与南半球以大洋为主相联系，表明南半球相对较热并略有膨胀。若从经向方向看，三条洋中脊与大陆裂谷相对地集中在0°半球上，表明它是一个次级膨胀半球。环太平洋深俯冲带的几何形状表明0°半球向180°半球仰冲。大陆构造系统的主体是北纬20°～50°范围的陆内造山带，形成一个宽阔的大陆活动构造纬向环。它的区域应力场表明，这个纬向带的构造变形主要由两个作用力决定，一个是南北向挤压力，另一个是由螺旋状地球表面显示的左旋扭动力[5]。
图2 全球构造系统
1—环太平洋构造系统；2—大陆构造系统；3—洋中脊构造系统；4—经向构造系统；5—断层
在球坐标系中对大陆构造系统与环南极洋中脊作比较是有意义的。这两个构造系都是纬向构造带，环南极洋中脊位于略有膨胀的南半球，而大陆构造系位于略有收缩的北半球。这个对比表明南北半球在热状态方面的非对称性。另一个重要现象是近南北向（经向）构造带两侧的非对称性。例如，西太平洋具有边缘构造特征，即完整的海沟、岛弧和弧后盆地系统，西倾的俯冲板具有较大的倾角（一般超过45°）。而东太平洋的构造相对较简单，没有沿边缘的弧后盆地，东倾的俯冲板倾角较小（一般小于45°），但东太平洋洋底板条构造具有微小差异的东向运动，造成了科迪勒拉造山带及地震与火山分布的有规律的分段性。在洋中脊两侧，由洋底磁异常条带显示的洋脊扩张速率，经常是一侧较快而另一侧较慢。在北半球的纬向大陆构造带内，可以看出有4个具有类似构造变形格局的地震区，它们都被中央经向轴分为东西两个半区。西半区主要是造山带与高原，地震活动性较强，活动构造以NW走向为主；而东半区主要是平原和丘陵，地震活动性较弱，活动构造主要是NE走向（图3）。这些现象表明，以巨型经向构造带为轴的东西非对称性，是全球尺度的构造特征。
图3 北半球大陆构造及其地球动力学背景
4 动力学讨论
4.1 板块的西向运动与地壳、地幔、地核之间的角速度差异
全球相对板块运动模型NUVEL-1[1]表明，全球岩石圈板块总体上向西运动，板块之间有明显的速度差异。当西边的板块运动比东边的板块运动快时，出现像洋中脊和大陆裂谷那样的张性破裂。除了东太平洋隆起两边朝相反方向运动外，其他板块的运动都是由西向运动的速度差异决定的。大多数洋中脊都是南北走向，与板块总体的西向运动相垂直。当西边的板块运动比东边的板块慢时，就会出现碰撞或俯冲。可能有许多因素决定了板块西向运动的速度差异：①板块底部的起伏及岩石圈与下伏地幔间耦合强度的差异；②板块上表面的粗糙度，它同大陆地形与大气层运动之间摩擦阻力的差异相关；③地球自转突然变化时板块质量产生的惯性运动的差异；④地幔上涌引起的、作用于板块西向运动上的拉张力；⑤固体潮产生的对不同板块不同的滞后反作用力。这些可能的因素与大尺度的地幔对流无关。
板块运动模型的重要推论之一，是岩石圈与下伏地幔相脱离[2]。因此，板块向西运动相当于地幔向西运动，这个相对运动的速率大约为5～10cm/a。还有地幔与地核之间的相对运动。自1580年以来400多年基本地磁场的记录表明，它有长期的向西漂移，平均速率大约0.2°/a[3,7]。假定产生地磁场的外核相对于内核是固定的，那么在地球表面观测到的地磁场向西漂移意味着地壳的自转比地核快（因为地球自西向东旋转），但比地幔慢（考虑到板块相对于下伏地幔的西向运动）。由上述讨论，板块与下伏地幔之间的相对运动似乎是确定的。从另一个参考系看，地幔的自转比岩石圈板块快，可说明上述经向构造带两侧的非对称性。NUVEL-1板块运动模型的图还表明，北半球的西向运动比南半球快。换句话说，北半球岩石圈的自转比南半球慢。因此在赤道附近的低纬度带形成左旋扭力。这个动力环境直接使印度板块、阿拉伯板块和非洲板块从西南向东北斜向推挤，造成三个弧形陆内山系，即阿尔卑斯山、扎格罗斯山和喜马拉雅山。不仅在低纬度带，在中、高纬度带也能找到南北半球之间西向运动差异的证据，在大地水准面高度图（图1）中的北西走向带的存在就是一个例子。南北半球之间全球尺度的扭动必然产生NE-SW向的压扭，它可能与印度－澳大利亚板块较大速率的NNE向运动以及加拿大西北的SSW向运动有关（图3）。
4.2 导致地球运动的多种力源
根据以壳、幔、核表示的地球层状结构以及行星起源的知识，推测地球40亿年前经历了下列早期演化过程：宇宙云尘吸积，地球热积累（温度高达1000℃），分异与铁元素地核形成，因温度升高而普遍熔融，密度分层，初始地球形成。显然，在这个演化过程中重力与热的共同作用占优势。但应当记住，地球的早期演化与形成是在较高速率的地球自转状态下进行的。在4.4亿年前的志留纪，一年是407天，由此估计地球的自转相当于每年700天。因此，地球在熔融状态下的高速自转可能形成某些元素的侧向分异，如同在太阳与土星表面看到的带状结构。地球的这个早期结构与力学效应也许在最古老的岩石分布中留下某些痕迹。至少，在一些地盾地区的老岩石地层中有明显的纬向构造，以后才是经向与斜向构造带。这种古老岩带格局也许与地球的早期地质历史有关。
行星的南北非对称性具有广泛的表现。甚至在盘状银河系的上下，星体的数量与分布也是不对称的。有理由怀疑，银河系域外像潮汐力那样的定向作用力可能产生某种偏心效应，使星体的质量中心与其几何中心偏离。如果这个推论成立，那么地球的演化与运动自开始就处于包括重力、热、自转、潮汐等多种作用力的共同影响下，地球的质量中心可能偏向北半球一边，而它的热中心偏向南半球一边。这个配置决定了一系列全球非对称构造。
地球结构、构造与运动的目前状态也是由上述多种力的共同作用决定的。因为地球热状态和重力场的静态非对称分布决定了地球的形状、三大构造系统的非对称分布以及半球膨胀与收缩的摆动式调整运动，驱动地球构造运动的巨大能量很可能是来自下地幔的热柱以及带有重力调整的上地幔分层结构的上涌。应当考虑到热－重力作用过程中地球自转的定向性质以及由于自转速度改变产生的惯性力，它们会决定一系列构造和结构的方向，正像汽车方向盘的作用。此外，地球自转速度的变化还控制着地球扁率的改变以及它对向极和离极运动的导向效应，特别是控制因自转角速度差异而引起的壳、幔、核之间的相对运动。最后还应提到，以潮汐力为代表的不同周期的宇宙因素，甚至还有巨型陨石的冲击，都会对由重力、热力、自转力联合作用下形成的应力场产生长期与短期的调节与激发作用，这些宇宙因素也能触发像地震、火山和岩浆上涌这样的突然性过程。
致谢 本项研究得到现代地壳运动及其动力学项目和国家自然科学基金（49272139）资助。
参考文献
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[6]F.Press and R.Siever.Earth.W.H.Freeman and Company,San Francisco,1982.
[7]F.D.Stacey.Physics of the Earth.John Wiely ＆.Sons,New York,1977.
地球的内部系统结构不包括下面哪一项~
内部结构：地壳 地幔 地核
物质组成：主要是岩石组成的岩石是由矿物组成的
整个地球不是一个均质体，而是具有明显的圈层结构。地球每个圈层的成分、密度、温度等各不相同。在天文学中，研究地球内部结构对于了解地球的运动、起源和演化，探讨其它行星的结构，以至于整个太阳系起源和演化问题，都具有十分重要的意义。
地球圈层分为地球外圈和地球内圈两大部分。地球外圈可进一步划分为四个基本圈层，即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈；地球内圈可进一步划分为三个基本圈层，即地幔圈、外核液体圈和固体内核圈。此外在地球外圈和地球内圈之间还存在一个软流圈，它是地球外圈与地球内圈之间的一个过渡圈层，位于地面以下平均深度约150公里处。这样，整个地球总共包括八个圈层，其中岩石圈、软流圈和地球内圈一起构成了所谓的固体地球。对于地球外圈中的大气圈、水圈和生物圈，以及岩石圈的表面，一般用直接观测和测量的方法进行研究。而地球内圈，目前主要用地球物理的方法，例如地震学、重力学和高精度现代空间测地技术观测的反演等进行研究。地球各圈层在分布上有一个显著的特点，即固体地球内部与表面之上的高空基本上是上下平行分布的，而在地球表面附近，各圈层则是相互渗透甚至相互重叠的，其中生物圈表现最为显著，其次是水圈。
大气圈
大气圈是地球外圈中最外部的气体圈层，它包围着海洋和陆地。大气圈没有确切的上界，在2000 ～ 16000 公里高空仍有稀薄的气体和基本粒子。在地下，土壤和某些岩石中也会有少量空气，它们也可认为是大气圈的一个组成部分。地球大气的主要成份为氮、氧、氩、二氧化碳和不到0.04％比例的微量气体。地球大气圈气体的总质量约为5.136×1021克，相当于地球总质量的百万分之0.86。由于地心引力作用，几乎全部的气体集中在离地面100公里的高度范围内，其中75％的大气又集中在地面至10公里高度的对流层范围内。根据大气分布特征，在对流层之上还可分为平流层、中间层、热成层等。
水圈
水圈包括海洋、江河、湖泊、沼泽、冰川和地下水等，它是一个连续但不很规则的圈层。从离地球数万公里的高空看地球，可以看到地球大气圈中水汽形成的白云和覆盖地球大部分的蓝色海洋，它使地球成为一颗"蓝色的行星"。地球水圈总质量为1.66×1024克，约为地球总质量的3600分之一，其中海洋水质量约为陆地（包括河流、湖泊和表层岩石孔隙和土壤中）水的35倍。如果整个地球没有固体部分的起伏，那么全球将被深达2600米的水层所均匀覆盖。大气圈和水圈相结合，组成地表的流体系统。
生物圈
由于存在地球大气圈、地球水圈和地表的矿物，在地球上这个合适的温度条件下，形成了适合于生物生存的自然环境。人们通常所说的生物，是指有生命的物体，包括植物、动物和微生物。据估计，现有生存的植物约有40万种，动物约有110多万种，微生物至少有10多万种。据统计，在地质历史上曾生存过的生物约有5－10亿种之多，然而，在地球漫长的演化过程中，绝大部分都已经灭绝了。现存的生物生活在岩石圈的上层部分、大气圈的下层部分和水圈的全部，构成了地球上一个独特的圈层，称为生物圈。生物圈是太阳系所有行星中仅在地球上存在的一个独特圈层。
岩石圈
对于地球岩石圈，除表面形态外，是无法直接观测到的。它主要由地球的地壳和地幔圈中上地幔的顶部组成，从固体地球表面向下穿过地震波在近33公里处所显示的第一个不连续面（莫霍面），一直延伸到软流圈为止。岩石圈厚度不均一，平均厚度约为100公里。由于岩石圈及其表面形态与现代地球物理学、地球动力学有着密切的关系，因此，岩石圈是现代地球科学中研究得最多、最详细、最彻底的固体地球部分。由于洋底占据了地球表面总面积的2/3之多，而大洋盆地约占海底总面积的45％，其平均水深为4000～5000米，大量发育的海底火山就是分布在大洋盆地中，其周围延伸着广阔的海底丘陵。因此，整个固体地球的主要表面形态可认为是由大洋盆地与大陆台地组成，对它们的研究，构成了与岩石圈构造和地球动力学有直接联系的"全球构造学"理论。
软流圈
在距地球表面以下约100公里的上地幔中，有一个明显的地震波的低速层，这是由古登堡在1926年最早提出的，称之为软流圈，它位于上地幔的上部即B层。在洋底下面，它位于约60公里深度以下；在大陆地区，它位于约120公里深度以下，平均深度约位于60～250公里处。现代观测和研究已经肯定了这个软流圈层的存在。也就是由于这个软流圈的存在，将地球外圈与地球内圈区别开来了。
地幔圈
地震波除了在地面以下约33公里处有一个显著的不连续面（称为莫霍面）之外，在软流圈之下，直至地球内部约2900公里深度的界面处，属于地幔圈。由于地球外核为液态，在地幔中的地震波S波不能穿过此界面在外核中传播。P波曲线在此界面处的速度也急剧减低。这个界面是古登堡在1914年发现的，所以也称为古登堡面，它构成了地幔圈与外核流体圈的分界面。整个地幔圈由上地幔（33～410公里深度的B层，410～1000公里深度的C层，也称过渡带层）、下地幔的D′层（1000～2700公里深度）和下地幔的D〃层（2700～2900公里深度）组成。地球物理的研究表明，D〃层存在强烈的横向不均匀性，其不均匀的程度甚至可以和岩石层相比拟，它不仅是地核热量传送到地幔的热边界层，而且极可能是与地幔有不同化学成分的化学分层。
外核液体圈
地幔圈之下就是所谓的外核液体圈，它位于地面以下约2900公里至5120公里深度。整个外核液体圈基本上可能是由动力学粘度很小的液体构成的，其中2900至4980公里深度称为E层，完全由液体构成。4980公里至5120公里深度层称为F层，它是外核液体圈与固体内核圈之间一个很簿的过渡层。
固体内核圈
地球八个圈层中最靠近地心的就是所谓的固体内核圈了，它位于5120至6371公里地心处，又称为G层。根据对地震波速的探测与研究，证明G层为固体结构。地球内层不是均质的，平均地球密度为5.515克/厘米3，而地球岩石圈的密度仅为2.6～3.0克/厘米3。由此，地球内部的密度必定要大得多，并随深度的增加，密度也出现明显的变化。地球内部的温度随深度而上升。根据最近的估计，在100公里深度处温度为1300°C，300公里处为2000°C，在地幔圈与外核液态圈边界处，约为4000°C，地心处温度为 5500 ～ 6000°C。
1989年，在板块构造理论对解决大陆地质显示乏力而产生危机时，提出实施“大陆动力学研究计划”，目的就是着重解决大陆行为、作用、历史和演化，试图建立大陆演化新模式，以大陆板块构造学、板内构造学新领域概念来丰富地球动力学、大陆动力学的内涵。
20世纪90年代，美国实施了《1990—2020年大陆动力学计划》，取得阶段性成就，把大陆板块构造研究引入了一个新的途径。
中国实施了“攀登计划”和“跨世纪攻关项目”，获得了大量成果，发表一大批论著，编撰成《中国岩石圈动力学纲要》、《中国岩石圈动力学》等，深受国际称赞。
1996年第30届国际地质大会（IGC）首次在北京召开，并以“大陆地质”为主题，充分显示出中国在这个领域内的雄厚实力和深远影响。中国地质学家肖序常院士在主题报告会上作了《青藏高原构造演化和隆起机制》的报告，提出了青藏高原是多块体、多期性、多层次、多因素的隆起模式，这已把区域性研究进入全球性研究阶段，由形象思维进入抽象思维的理论总结阶段。由于研究区早已成为世界瞩目的、国际性协作模式区，成为全球构造带，大陆构造地质及其动力学研究的独特地质条件的热点区——“世界屋脊”、“地球的第三极”。权威学者们预测，青藏高原将是揭示大陆地质及其动力学、地球动力学“金钥匙”，也将是验证板块构造理论的“试金石”。中国地球工作者，处于最优越的地理位置，在已取得的突破性进展的优势形势下，力争最终拿到这把“金钥匙”，为全球构造学理论的发展，为21世纪地球科学的繁荣，做出更大的贡献。
除上述列举外，尚有诸如南极、北极科学考察国际合作项目等，而在综合性的国际合作项目中，20世纪70—80年代还实施了“国际地质对比活动”（IGCP），其计划项目已达170余论题，囊括了地球科学急待解决的前沿课题，参加这项计划的国家78～80个。1980年，中国成立了“中华人民共和国国际地质对比计划国家委员会”，参与几十项研究课题，取得丰硕成果，主持并召开过多项专题研讨会和技术交流会，受到国际同行的称赞。
20世纪50年代以来，大陆漂移学说的兴衰、复活、板块构造学说的创立，国际岩石圈计划、地球动力学计划的实施，确实有力地推动了地球科学的发展，特别是对人大地构造学理论的发展，起到了重要作用。
众所周知，板块构造学说，是在20世纪60年代建立在大洋洋底、海底考察与研究的基础上，虽然在60—70年代风靡一时，但从出现就遭到强烈地质疑和反对，像著名英国地球物理学家杰弗瑞斯，苏联著名大地构造学家别洛乌索夫等。80年代中，板块构造理论在解决大陆地质诸多问题时显示出乏力（局限性），一些解释也难以自圆其说，面临严峻挑战，才有“板块构造登陆”一说，从此板块构造理论就成为地质科学中争论的交点问题。
一段时间里，国际上对板块学说有多次的专题讨论：
1989年11月，曾在美国华盛顿召开过一次关于板块构造学说国际讨论会，据称有11个国家参加，会上多有学者提出质疑和否定。
2002年5月，在美国召开“全球构造新概念”国际讨论会，有的学者提出质疑海底扩张和大陆碰撞理论的科学性。
进入21世纪，大地构造学越发显示出多学科交叉、协同、综合发展的趋势。从地球动力学、大陆动力学，超板块构造（流变学与大陆造山作用），巨型地幔喷流柱，岩浆脉动理论等，进而推动地球科学朝向地球系统科学新方向。
从以上诸多评论中，深深认识到板块构造学说，从形成与发展历经20年过程中，始终没有像以往假说和理论那样“独树一尊”，建立起自己的“板块构造王国”，反而不断遭到质疑，促使其完善和创新，冲出原始板块理论的局限性使自身理论建设上赋存着强劲的生命力。大陆动力学、地球动力学建立起构造新学派，把板块构造地质学引向纵深发展，深化人类对地球奥秘的揭示和对自然界的认识水平，为人类生存持续发展提供更丰富的资源保障。
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