地球内部物理和演化的几个核心论题:Ⅰ.地球内部结构和物理性质

本文综述研究地球内部结构和物理特性的几种常规方法和主要研究结果，并首重讨论地球物理状态方程、地震成象、综合反演、高温高压实验和有关对比研究方法。均匀各向同性球对称地球模型仍不失其参考意义，但最新研究结果表明，地球内部状态是非均匀和各向异性的。横向不均匀性主要表现在上地幔部分，下地幔和液态外核似乎比较均匀，但核幔边界过渡带（Ｄ″）可能代表一个内含非均匀化学边界的热边界层，其形态起伏和横向变化影响地球模型的球对称性。３Ｄ地震成象实质上反映地震波速与温度异常的关系，而温度变化又会引起密度异常，因而密度变化是控制地幔对流的关键参数之一。     

大陆构造、大洋构造和地球构造研究构想

大陆动力学和大洋动力学是当前固体地球科学的前沿领域 ,反映处于中期阶段的板块理论正向更加深入、全面、完善的方向发展 ,并走向统一的地球构造学的趋势。中、新生代造山带构造 ,全球高原构造的比较 ,周边洋底构造对欧亚大陆的动力作用 ,应是大陆动力学中优先研究的问题。对全球洋底构造的继续探测 ,用地震各向异性研究地幔的流动或变形 ,布设海底宽频带地震台阵探测地幔细结构 ,将会提供更多的地球内部过程信息。“地球大系统科学”概念的提出 ,将能推进固、液、气三态地球多球层相互作用的研究 ,例如固体地球微动态、固液气三态球层运动的可比较性、不同球层分区性的比较等 ,都是需要深入探讨的问题 ,代表了从整体地球系统开展学科交叉研究的方向     

下地幔及核幔边界结构及地球动力学

新一代高分辨率下地幔及核幔边界的地震层析成像,改变了我们对全球构造模式及地球动力过程的认识。古海洋岩石圈板片一直俯冲到下地幔底部,其残留体在核幔边界积累,并支持了地幔整体对流模式。位于核幔边界上的D″层有着十分复杂而精细的结构。紧靠核幔边界的地幔一侧发现了超低速层(ULVZ),它们可能是D″层内的局部熔融物,是引起地表热点的上升地幔柱的源头。     

地球内部物理和演化的几个核心论题：I.地球内部结构和物理性质

本文综述研究地球内部结构和物理特性的几种常见规方法和主要研究结果,并首重讨论地球物理状态方程,地震成象,综合反演,高温高压实验和有关对比研究方法,均匀各向同性球对球模型仍不失其参考意义,但最新研究结果表明,地球内部状态是非均匀和各向异性的,横向不均匀对称地球模型仍不其参考意义,但最新研究结果表明,地球内部状态是非均匀和各向异性的,横向不均匀性主要表现在上地幔部分,下地幔和液态外核似乎比较均匀,但核－幔边界过渡带(D″)可能代表一个内含非均匀化学边界的热边界层,其形态起伏和横向变化影响地球模壁的球对称性。3-D地震成象实质上反映地震波建与温度异常的关系．而温度变化又会引起密度异常,因而密度变化是控制地幔对流的关键参数之一。     

中国大地构造的动力学新理论

在全球范围内流行的按密度差、温度差建立的地幔对流、拆沉作用和地幔柱（羽）理论，阐明不了中国大陆岩石圈、大陆造山带的组成、结构与演化。从我们对中国秦岭及西部造山带的研究中，发现和提出的在地球自转速度变化制约下的多层扭动涡旋甩出说－核幔壳“风暴”所引发的热核反应是地球发展与演化唯一的、统一的“动力”来源，是中国大陆岩石圈、大陆造山带形成、发展与演化的动力学理论。     

地球的物质运动与地幔热柱多级演化

地球是重力分异和热力对流的对立统一体。重力分异使地内重物质下沉、轻物质上浮，并分划成壳－幔－核结构圈层。核幔间巨大的温度差、压力差、粘度差和速度差的存在，导致源于“超临界层”的热物质流呈柱状上涌形成地幔热柱及其多级演化。由于地球圈层结构及其间的差异，分别在670km、100km深处，即核－幔界面上和岩石圈底部形成地幔亚热柱和幔枝构造。地幔热柱、地幔冷柱共同驱动幔壳运动，并控制着板块运动，形成复杂的大陆（大洋）动力学系统。这种动力学模式越来越得到地球物理学的证实。     

地球活动与演化规律新假说

全地幔对流因地球自转而具十二个规律性分布的旋涡单元,全球岩石圈因此表现出明显的旋涡构造特征。地球的演化与太阳系在银河系中的运动规律有关,周期性的银河天体撞击使规律性的全球旋涡构造受到银河年周期的撞击破坏。地球的构造发展表现为:旋涡运动—撞击破坏—旋涡恢复,周而复始,逐步演进。运用这个新假说,本文将全球海沟划分为五种成因四种类型,将全球大陆地台的活化也分成了五种成因类型。     

地球内核粘滞度的动力学估计

最新的地震学研究指出,地球的内核正在对地球的其余部分作相对旋转。根据数值模拟,这一情形可能是由在液态外核中正在作对流运动的流体所保持。另一方面,由于地幔中质量分布的不均匀,巨大的引力将足以便内核与地幔相匹配。内核的不同旋转会通过在旋转时对自身形状的调整民这些强大的引力保持一致,进面可得出在地球最内部区域内有效粘滞度的一个估计。由推测的旋转率得到的内核粘滞度为小于１０＾１６Ｐａ或大于１０＾２０Ｐａ。     

大陆块体地球化学边界与成矿——兼论中国东秦岭金属矿集区的构造控制

地球块体不均一性边界存在地球化学急变带 ,控制大型矿床的分布 ;深部构造或隐性的构造面与地壳浅表形成的矿集区有明显的空间和形成机制耦合关系。地球化学急变带在大陆内部往往沿着一些古大陆边缘展布 ,与地壳下部和上地幔的深部构造或扩展到地幔的不连续面具有相联系的空间组合关系 ,反映壳幔相互作用对深部构造效应和大规模成矿热流体的控制。东秦岭金属矿化集中区的大型或超大型矿床沿古大陆边缘产出 ,并受地球化学急变带与地球物理梯度带交叉效应控制 ,揭示了深部构造对大型矿集区的制约。     

软流层的地球膨胀成因及其形成时间

地球的软流层(圈)堪称全球构造、岩浆与成矿作用动力之源。以往人们虽然认识到软流层的重要作用,但其形成机制的定量研究还不够。最近20多年来,对地球半径变化的检验研究结果表明,地球膨胀已经有了较多的直接证据。而且,即使按照地球膨胀晚期0.1 mm/a的半径增长率计算,所产生的地球膨胀构造动力事件,也将是一个全球性超级构造动力事件。根据地球的非线性有限膨胀演化,所提出的软流层成因是:源于原始地球深部的膨胀内压,推挤原始地幔顶部物质做功并转化为原始岩石圈球壳围限下的地幔顶部物质的压缩能A,当压缩能的积累超过原始地幔顶部物质局部熔融所需要的热能Ω时,地幔顶部物质便开始熔融并逐渐形成地球的原始软流层。据此,按照地球非线性膨胀演化初期的半径增长率1.08 mm/a、原始地幔顶部物质以15%的局部熔融和绝热等压过程估算,地球开始膨胀后仅19.2 Ma,地球的原始软流层(圈)便可形成。     

地幔动力系统与演化最新进展评述

评述了９０年代以来地幔动力学研究的一些最新的观测和理论模拟的进展,探讨该领域的几个主要热点问题,包括地幔内部转换带和核幔边界的物理化学性质与演化,俯冲板片热结构及其与地幔的相互作用,热点物理化学性质与地幔柱动力学模拟,地幔对流系统及其对表层地质过程的影响等。这些结果是在多学科交叉研究的背景下取得的。地震层析的结果超越了８０年代取得的大尺度地幔结构,得到了越来越精细的结构,如俯冲板片的结构,６６０ｋｍ间断面的起伏,ＣＭＢ的超低速层和各向异性等。俯冲板片在某些区域平躺在上地幔底部,造成６６０ｋｍ间断面的凹陷。已有明显的迹象表明,俯冲板片至少在某些区域达到了地幔底部,说明下地幔是驱动地表板块运动的地幔对流不可分隔的一部分。全地幔对流模式对地幔中存在不同的地幔地球化学源区的看法提出重大挑战,计算机模拟三维球坐标地幔对流已经成为现实,新的研究正试图把地表板块加入到对流的模拟之中,并再造板块运动的动力学演化史。最后,对这些领域的最新进展提出自己的分析和看法,认为地球动力系统演化研究所面临的难题是地球内部动力状态演变的历史记录问题。而这样的记录,尤其是早期记录,只能从地球表面的造山带和盆地记录中去寻找。认为建立地质记录与?     

氢——地球深部流体的重要源泉

介绍了近年来金刚石包裹体中流体研究结果，特别是分子氢和羟基的发现。基于地幔中氢的发现，论证了氢在地球内部的赋存形式。地核和地幔中有氢化物存在得到高压低温实验、地球物理和天文物理测定的支持。从而提出，氢是地幔羽中的原始热物质。核幔边界或地幔中氢化物释放出的氢，发生化学反应，形成地幔流体，推动地球演化。地幔羽应称为氢羽。     

地球旋转膨胀与冈瓦纳古陆裂解

地球自转速度变慢说明地球在旋转的同时其体积在膨胀。这与红移现象等说明的宇宙膨胀是一致的。地球放射性物质的放射性能导致软流圈及塑性地核外核的形成。地球自转的惯性与地球塑性层的共同作用导致了地球的层间滑动。地球外圈应相对于内圈转动较慢。转动较快的内层层圈的运动方向为自西向东,或左旋剪切。即,软流圈之下的下地幔应相对于岩石圈自西向东转动较快;塑性地核外核之下的内核应相对于外核自西向东转动较快。在地球层圈之间的剪切力和地球放射性能所引起的热能的共同作用下,在软流圈产生物质的对流,形成地幔物质对流。推测地核的外核也可能会产生塑性物质的对流。地轴倾角ε的变化以及潮汐转矩和岁差转矩是地球动力学的重要因素。地球的旋转膨胀是板块运动的地球动力学基础,也是冈瓦纳古陆裂解的运动学基础。     

沉积盆地形成的地球动力学机制及其分类

沉积盆地的形成主要与地球内部的热和物质的对流密切相关,它是沉积盆地形成和演化的原始动力。软流圈上涌高谋划在面或地幔羽的位置是地幔对 具体的表现。     

地球科学研究中的几个问题

作者根据自己多年对国内外地球科学科技情报研究，及所掌握的信息资料，对以下几个问题进行简略介绍，供同行参考．1．地幔柱构造的提出及其意义；2．地幔喷流柱和地热流对岩石圈的影响；3．绿岩带的大地构造性质；4．地球动力学演化模型及地球层图结构；5．前寒武纪成矿作用与地壳演化。     

地球中的流体和穿越层圈构造

地球中的流体是当前科学研究的重点。从地球科学的角度来说,流体应包括气体、液体（水和石油）、熔体和地球中受应力作用而移动的物体。在半经为6378 km的固体地球中可分为7个层圈。目前对地球内部流体的了解很少,为探索流体在各层圈中的成分,物理化学性质和分布,以现阶段对地球层圈和流体研究程度来看,其重点应放在地球中穿越层圈的构造部分和地壳。地球中穿越层圈的构造主要有三个:板块构造的俯冲带是由上到下的穿越层圈构造,向下俯冲的大洋岩石圈可以抵达地幔过渡带;大洋中脊的扩张引起的由下而上的穿越层圈构造,使岩石圈和地幔的熔流体从下向上运移;地幔柱引起的由下而上的穿越层圈构造,使地幔的熔流体从下向上迁移。通过对三个穿越层圈构造和地壳中流体的研究,可以得出地壳、岩石圈、上地幔、过渡带、下地幔和核幔边界层流体的种类和成分、流动和演化。这是至今为至能鉴定到地球中深部流体的方法。这四个方面的研究是当前地球中流体科学研究的重点,并对开展深部找矿有实际意义。      

地幔转换带:地球深部研究的重要方向

地幔转换带是联系上下地幔的纽带,对于认识整个地幔的组成和演化、地幔对流、岩石圈深俯冲及深源地震等地球深部动力学问题具有重要意义。一般认为,转换带地震不连续面主要与橄榄石的高压相变密切相关。最新的高温高压实验研究表明,地幔中非橄榄石组分的相变,如辉石和石榴子石的相变,对不连续面的深度和宽度以及转换带内的波速和密度梯度也起到很大的影响。另外地幔全岩成分、端员组分、温度和水也对相变和不连续面具有重要影响,这些精细的实验研究成果更好地解释了转换带地震不连续面一些相对局部的性质和变化,促进了我们对地球深部性质和动力学过程的了解。因为缺少直接来自地球深部的样品,而地球物理和地球化学研究也有它们的相对局限性,所以高温高压实验仍然是我们了解地球深部成分和性质的重要手段之一。     

大地构造学和地球动力学现代问题——从板块构造学到全球动力学

６０年代板块构造概念的出现标志着地球科学革命性的进步。３０年来，我们获得的经验表明，现代板块构造在岩石圈和软流圈物性、三种板块运动形式、扩张和俯冲的均衡以及板块运动原因等都与经典板块构造有很大不同。同时，它仍有一些问题和缺陷。世纪交替之时，随着象地震层析成像等新技术的发展，有可能建立新的全球理论来取代板块构造。新理论应该包括整个固体地球，岩石圈是分层的，而且地球内部的对流准自动地进行。同时，地球层圈之间具有相互作用。还应该承认，构造圈（岩石圈＋软流圈，深至４００ｋｍ）中以板块构造为主，而在软流圈之下地幔柱构造起控制作用。在所有的上部层圈能够探测到抬升或下降过程中热—物质流之间的补偿。整个地球历史中，地球和其层圈的内生过程，包括板块构造和地幔柱构造相互作用的变化，具有旋回性和方向性。由此，地球体积呈脉动性变化是必然的。此外，还必须考虑宇宙因素对地球动力学的影响     

地球系统多圈层构造观的基本内涵

地球系统多圈层构造观的基本点是,把地球作为一个活的天体放在宇宙系统之中,更多地考虑地球深部壳-幔-核之间的相互作用,考虑地外天体对地球运动的作用和影响。这一构造观认为:构造运动并不仅仅是岩石圈板块之间的相互作用,而是地球系统的全球动力作用过程;陆与洋是对立统一相互转化的,单纯的大陆增生说是不正确的;地幔对流说至今未被证实,陆块是活动的,但不能大规模漂移;大陆地壳不是单纯地侧向或垂向增生,而是多旋回构造-岩浆作用叠合的产物;地球的构造不是均变式向前发展,而是非均变、非线性、旋回式向前演化的;地球表层在不同地史阶段,均有其受相应深断裂体系控制的不同的构造格局,大西洋-印度洋-太平洋式大洋盆体制,只是在中生代晚期以来才出现的。      

地幔对流的数值模拟方法

地幔对流的数值模拟研究为理解地壳运动、地幔内部的性质和地球的动力学机制提供了手段。笔者回顾了地幔对流数值模拟的发展,总结了各种常用的描述地幔对流的数学模型,边界条件以及数值解法。分析了级数展开方法,有限差分方法,有限元方法和多重网格方法的性质和特点,针对某些方法编写了二维地幔对流的计算机软件,使用了实际的地质参数,无穷大的Ｐｒａｎｄｔｌ数,在１０４到１０７之间的Ｒａｙｌｅｉｇｈ数,并给出了数值结果和地质解释。