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地球动力学浅谈摘要：地球动力学是近代力学与固体地球构造变形研究相结合的重要领域。弄清地球的整体、内部和地表的结构和运动不但有重要的科学意义，而且对于了解环境变化、寻找资源和能源、防止和减轻自然灾害等都有重要价值。关键词：地球动力学、发展、复杂性、前沿问题、未来 一、引言 地球动力学是一门古老的学科，大部分基本理论原则上在十九世纪就已经孕育形成，以后并没有增加多少基本概念。一些进展是在探索这些概念时取得的，而在一些情况下，是在有关地球的一些重要事实测定中取得的。尽管如此，约百年来，地球动力学曾经是一门高度推理的学科，而且在今后的百年间，似乎也不可能改变这种状况。在这期间，也未必能增加许多基本概念。其原因在于得到关于地球力学的可靠的有关数据是极其困难的，部分是因为不可能用直接的手段探察地球的深部，部分是由于事件发生是时间间隔都有数百万年的数量级。对于一个人来说，要等待以及用这样的时间进行实验是太长久了。因此，虽然随着人类文明的不断发展，人们已经能解决一些有关地球动力学的问题，但还存在许多问题有待去解决。二、什么是地球动力学 地球动力学是力学与地球科学结合产生的交叉性分支学科之一。 它包括以强调地球各种现象和要素的力源性质与动力作用模式探讨的“狭义地球动力学”和对各类地球现象进行全球性概括并应用地质、地球物理以及地球化学等多学科综合研究的“广义地球动力学”或者“地球构造动力”。地球动力学主要探讨地球整体运动、地球内部结构和表面构造运动的动力过程，寻求它们的驱动机制。 地球动力学是近代力学与固体地球构造变形研究相结合的重要领域。弄清地球的整体、内部和地表的结构和运动不但有重要的科学意义，而且对于了解环境变化、寻找资源和能源、防止和减轻自然灾害等都有重要价值。“地球动力学”（Geodynamics）的名称，由著名力学家 A.E.H.Love 在1911 年出版的地球动力学的若干问题的著作中最早提出，最初是按照均匀弹性球体，在地壳均衡、固体潮、纬度变化、地球内的压缩效应、引力不稳定性以及行星体振动等广泛内容研究基础上所建立的。 20 世纪 60 年代板块大地构造学说问世以后，有人把大地构造物理学作为地球动力学的一部分；有人着重把地幔对流、海底扩张、大陆漂移作为地球动力学的主要内容；也有人把固体潮和地球自由振荡并入地球动力学；还有人主张把原来属于天文学的地球自转问题也纳入地球动力学的范围。直到 20 世纪 80 年代，地球动力学还被认为是固体地球物理学的一门分支学科。 现代所称地球动力学则主要是指在板块构造学说建立之后，1970 年国际地球动力学 10 年计划中提出的以探讨构造运动的力源为主要目标的地球动力学。由于国际地球动力学计划取得了很大进展，1982 一年内就出版了由 A.E.Scheidegger、D.W.Turcotte 和 E.V.Artyushkov 等撰写的 3 部 地球动力学专著。地球动力学主要探讨地球整体运动、地球内部结构和表面构造运动的动力过程，寻求它们的驱动机制。 三、地球动力学的发展 地球动力学的研究由古至今可分为四个认识层次，随之地球动力学的学科形态和结构也逐步深化和完整。1.地球形状动力学从地球被认定为球体开始，人类首先对地球的形状提出了圆球、扁椭球、长椭球、四面体等等认识和相应的动力学推论，发展至今，据卫星重力资料反演的大地水准面作为扩展地球形状动力学研究的基本主题。 2.地球表壳动力学 18 世纪中期至本世纪中期，针对全球海陆升降、分布格局及地表山系的展布，曾提出地球胀、缩，自转、大陆漂移、潮汐、热对流等等构造动力学假说；与此同时，从弹性到塑性基础力学的发展，也不断引深对地球介质力学行为的理解，并正式提出了地球动力学的概念，涉及了地球表壳变动的过程和动力。 上述直觉性的各种动力观，因立论之局限或单一，缺乏有力证明，逐渐为以地壳升降、地层、沉积、构造变动和岩浆活动为基础的地槽构造论和后来发展为泛地槽论的大地构造观所隐没。 本世纪开始，大气动力学和海洋动力学已获得独立快速的发展。 3.地球岩石圈（层）动力学 二次世界大战后，地学向海洋和深部全面进军，促成了 60 年代提出囊括全球岩石圈的板块运动学观点，打开了地球表壳变动与地球内部动力过程相关研究的通道，建立了一批新的全球构造概念和理论模式，从而使地球动力学作为一门具有广泛带动能力的多学科高层次综合的理论形态更趋完整和系统，但是这一层次的动力学主要还是以岩石圈层板状体的几何、组成、演化和变动过程为基本对象，其深部的动力过程主要还只是在实验或理论参数假定下的动力学推论和反演推算，尚无确定结论。 4.地球整体动力学 近二十余年，由于卫星探测和深部探测以及实验技术和信息处理等方面的快速发展，取得一大批描述地球各圈层的组成、结构以及动态信息的数据，提供了地球科学进行整体的相互作用过程的解析，并探求其多种动力因子联合作用系统的必要和可能，所以，一个行星地球多圈层耦合整体行为动力学过程的研究阶段已经到来，它将集历史之大成，融地球之解析于地球统一过程之自然。 四、地球动力学问题的复杂性 地球动力学问题的复杂性在于: （1）时空尺度跨越十多个数量级，介质和结构的特性和运动纷繁复杂；（2）地球内部的不可入性，主要靠地表接受的地震波，磁电和重力等信号进行反演；（3） 问题的非线性及反演解的不唯一。 近年来，由于地震波理论的发展、高温高压岩石实验的成就、地球化学的深入研究、高速计算机的飞速进步和应用空间技术的大地测量等新成就，地球科学得到很大发展，对地球内部的复杂性和不均一性取得更加深入的认识，用连续介质力学理论来探索地球构造及其驱动机制的条件渐趋成熟。 五、地球动力学研究的若干前沿问题 1.地球构造动力 地球构造动力一直是当代地球科学基础性研究中最为活跃的领域。它侧重探讨地球表层（地壳和岩石圈）的全球性大地构造运动的动力过程和驱动机制的广义地球动力学，是地质学、地球物理学、地球化学以及大地测量学等学科综合和交叉研究的课题。 地球构造动力学不仅能够使人们进一步了解地球表面构造形成、演化的和地球内部的结构和运动，而且还有助于认识整个地球以致太阳系的形成和演化过程。地球构造运动的驱动力，同样也是矿液运行的动力；地下流体的运动问题，是现代地球动力学研究的一个重要方面；地震是地质构造运动过程中的一个突变反应，火山是地球内部运动的外部表现。因此，弄清地球内部和构造的动力学过程以及正在进行的地质运动的驱动力，是从基础上解决这些问题的根本途径。 最近几十年来，地球科学前沿领域的地球构造动力学研究异常活跃，地球构造动力观点较多，目前有较大影响的主要有四类：地球深部物质运动说（地幔对流、地幔柱等）；地球体积变化说（地球膨胀、地球脉动等）；地球自转速率变化说（自转加速或减速、圈层的差异旋转等）；天文周期运动说（太阳系绕银心旋转等）。其中以阐明板块构造运动驱动力为目的的“地幔对流”以及与其联系的“地幔热柱”说，目前最有影响并居于主导地位。地球自转速率变化说一直有着重要的影响。但是，包括地幔对流和地幔柱构造动力在内的四类主要观点中，目前都还存在着一定的困难和问题。对于板块构造学说，人们主要是证实了板块构造的运动学及其相关的地质构造、地球物理、地球化学等问题，尚未弄清其在地球演化过程中的情况特别未能对其动力学机制作出令人信服的合理解释。因此，地球构造动力学问题尚未解决。 2、板块构造理论 60 年代产生的板块构造理论，代表了地球科学观念上的革命，引起了极大的反响。这个新理论本身是多种学科(海洋地质学、古地磁学，地震学等)相互结合的产物，它从全球尺度描述地球表层统一协调的块体运动, 把地球内部过程等地表特征、变化联系起来。近年来国际上有很多关于板块人构造理论的思考与评价，已发现很多与板块理论不相符合的事实，板块理论只强调统一的运动和动力作用，不法意板块自身的演化特点。大洋内也有很多现象不能用板块构造理论解释，过去作的深海钻探其实很浅。地球科学理论的发展已出现多元化局面和用新理论替代的趋势。板块构造理论有局限性，它只成功于对岩石圈板块运动的描述，已有很多新资料对板块理论提出了质疑和反证。未来的发展，将对现行的板决理论作出某些重大的甚至是原则性的改造，加上地幔地核动力学，向整体地球动力学理论方向发展。 3、大陆动力学 国际地学界普遍认为，大陆动力学是目前地球科学面临的主要挑战。大陆与大洋之间存着重大差别。大洋岩石圈相对较年轻，使地球科学家依据少量的地质和地球物理资料就能建立大洋动力学模型。而大陆是由许多不同地质作用组合形成的，记录着几乎从 40 亿年前到现在的构造演变历史，现有板块理论不能解释大陆构造的多数动力作用。大陆物质的增生和消减仍是一个谜，如非洲大陆地壳增生问题。因此，大陆构造将是未来地球科学产生新的重大发现的突破口。同时大陆也是人类活动的主要场所，资源、环境、灾害许多与地学相关的社会需求问题来自大陆。所以大陆构造在地球动力学研究中占有特别重要的地位。中国大陆是世界上最活动的大陆，有许多特殊的构造与动力学问题，无论是用板块构造理论，还是用起源于欧美的经典构造学说，都不能对中国大陆构造问题作出合理的解释。 4、青藏高原动力学 青藏高原动力学是国际地学界的一个研究热点，我国已投入了很大力量，美国、法国、英国纷纷派科学家参与这一地区的探测研究活动，但至今未拿出有重大影响的理论成果，说明这个地区的研究难度很大。未来 10 年地球科学的重大突破很可能产生于青藏高原地区研究。 5、地球动力学过程的复杂性 科学的发展规律是从简单到复杂。板块构造理论的局限性之一是把地球表层看作是均匀的刚体在球面上作均匀运动，这是动力学的一级近似，大体可说明全球尺度长时间平均的构造运动现象，实际的地球构造是一个复杂的非均匀、非对称球状体，经历着非平稳(幕式的)的非线性过程，如火山、地震等突变事件，还有陨石撞击等现象，洋脊的运动也是非平稳、空间不均匀的。这就需要用现代科学中的新概念、新方法(如非线性力学等)研究作为开放复杂系统的地球动力学过程。 6、地球运动的动力机制 任何构造学说最终要经受动力机制模型的检验。板块构造理论假定地幔对流是驱动板块运动的基本作用力，这个假定还未得到证实。地幔对流如何与地球内的圈层构造相协调，层析成象结果反映的地幔非均匀热状态是否能代表地幔对流形态，这些问题还有待深入研究。还必须考虑其它作用力的影响，地球自转速率的改变、潮汐力、陨石撞击、天文因素等。成功的整体地球动力学模型必须考虑地球自转规律及其与热力、重力、定向潮汐力及层圈滑脱作用的联合效应。 六、地球动力学未来应关注的问题 1）板块运动的驱动机制；2）板块运动与地幔运动的耦合以及区域性构造演化的关系；3）地震机制和它引起的地表运动；4）地球介质中流体运动及其与成矿的关系；5）地球介质的本构关系和破坏准则；6）构造分析的非线性反演和解的优化准则；7）地幔以及地核中的流动。七、结束语 通过以上对地球动力学的浅谈，让我们看到地球动力学的发展、现状及未来。第 16 次香山科学会议（1994）总结地球科学发展趋势指出：“21 世纪的地球科学将会有两个方面的特征：一是在高技术的推动下，数据信息量更迅速地增加，促使地学各学科互相交叉渗透结合，实现整体性的飞跃发展。二是地学研究更紧密地与实际应用结合，在解决人类面临的资源、环境、灾害等社会问题中发挥重要作用，对人类来来的生存和社会发展产生深刻影响。今后五至十年内，应