地球多级循环及其资源、能源、灾害、环境效应

在综合分析前人资料和系统梳理笔者认识的基础上,以整体观和系统论的思想为指导,针对板块构造学说存在的核心科学问题,采用分尺度、分层块、分阶段的研究思路,探讨开放复杂地球系统的物质运动方式。将水平运动与垂直运动相结合,流体运动与固体运动相结合,地球内部过程与外部过程相结合,探索盆山和洋陆的成因及其关联机理,认为热动力是驱动盆山地壳物质循环和洋陆壳幔物质循环的关键因素。开放地球系统存在与盆山、洋陆物质循环有关的水循环、火山物质循环、大气循环、碳循环、生物地球化学循环、洋流循环,由此产生资源、能源、灾害、环境效应。地球内部热能经过长期的积累之后,以超级干旱-火山-冰冻-地震-洪水-海平面上升组成的全球性巨灾链形式释放,具有时空结构和关联机理的巨灾连发导致生物分批死亡,集群绝灭。地质历史上还有无数规模较小、结构相似、机理相同的热灾害链,不同程度地影响地球生态环境和全球变化。热灾害链贯穿地球整个演化过程。根据下地壳流动规律和热灾害链时空结构对中国大陆强震进行了预测。强调取热减灾减排不仅能够解决能源危机,而且可以降低灾害强度,推迟灾害发生时间。     

地球系统多圈层构造观

地球系统多圈层构造观的基本理论框架是:①把大地构造学从研究地球表层的地壳构造、岩石圈构造推进到研究地球整体多圈层构造的新阶段.②地球系统和宇宙天体系统共同作用下形成的全球动力学,太阳能、地球系统多圈层相互作用以及宇宙天体运行的联合作用是各种地质作用的动力来源.③洋陆转化论:陆与洋是对立统一、相互转化的.陆与洋都不会永存...     

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。      

中国庐山第四纪沉积砾石的显微构造系统及地质环境动力学分析

经过多年的区域地质调查和第四纪环境演变的分析, 对庐山芦林盆地大校场谷口剖面松散沉积物中变形砾石进行岩石显微构造学的研究。发现变形砾石内部存在特殊的微裂隙组构, 呈现出错裂-横裂-劈裂-爆裂-复裂-应力矿物等的复杂组合, 其结构面特征反映出显微构造形迹的力学性质是互为转变的。通过物理模型分析和试验变形比对等综合材料证明, 变形砾石是遭受了既密集、又分散、还具有同时发生作用的长时期的多边界外力条件及平衡力系, 内部形成破裂其应力传递过程和性质改变与变形形迹转变及其做功连续扩展, 是由低于疲劳极限的具有脉动性作用微弱应力造成的。地球陆表过程和地质环境要素及其动力学机制的研究认为, 只有第四纪晚期地质事件的低温、低应力及其分散密集的多颗粒平衡力系的缓慢长期及间歇脉动作用的边界条件才能满足、符合及形成这种特殊的岩石变形构造, 为中国东部山地可能遭受第四纪冰冻环境及冰川作用提供了新的科学证据。     

地震机理的地球系统科学研究及预测实践

本文提出了一个新的地震机理模型:高温高压高导低速流变体震源腔(简称震源腔)与闭锁断层组合模型。高温高压下的软流圈物质在复杂相变空间中,受到温度场中的异重流作用和受迫振动作用而形成深源震源腔。随着软流圈物质上涌, 幔汁在温度差和压力差驱使下,涌入地壳中的物理空间,形成浅源地震震源腔。由于温度升高使得腔体内岩石部分熔融或全部熔融,释放出大量气液流体,拓展腔体空间范围,同时提升腔体内压。当腔体内部有效压力(即内压与上覆地壳压力之差)达到腔体边缘或者上方与脆性活动断层交会部位的岩石破坏强度时,震源腔便进入临界状态。当软流圈物质上涌继续向腔体内供能,或者由于星体连线在震源区造成触发作用,便引起震源腔的隐蔽爆炸,即隐爆,释放腔体内部积累的能量,同时释放区域构造应力场作用于闭锁断层积累的应变能。 腔体隐爆释放能量与腔体规模正相关。闭锁断层释放应变能与闭锁断层规模、闭锁区大小以及区域构造应力场强度相关。震源腔与脆性活动断层交会部位,是潜在震源位置。多年观测资料表明,震源腔从进入临界状态到隐爆,一般经历1~13天,平均7天。长期观测表明,潜在震中区在震前经常出现干旱、气温升高、海温升高、大量水汽释放等异常现象。通过超低频地震仪监测、重力波作用于水汽形成的地震云的观测、次声波的监测、卫星重力异常反映的高程面垂向震荡监测、以及地基卫星导航系统地面升降监测等,都显示出震源腔进入临界状态后的胀缩震荡引起震中及其外围地面的垂向振动。文中还给出了震源腔体隐爆遗迹的直接证据。     

固体地球系统的复杂性与自组织临界性

根据“复杂性科学研究复杂性的涌现机制、是２１世纪的科学”和“地球系统的复杂性研究将是２１世纪地学发展中居于战略地位的生长点之一”的认识,提出了“固体地球系统的复杂性与自组织临界性”这一命题,从新的视角对古老而又常新的固体地球系统进行再认识。笔者从广义地质学系统和过程的本质归纳出固体地球系统的基本问题是“固体地球系统总体上是远离平衡、时空延展的复杂耗散系统。地球物质多组成耦合的相干与协同及多种广义地质学（地质学、地球物理学、地球化学）过程的耦合及其非线性相互作用二者之多重叠加引发自组织过程所涌现的系统整体性状、结构与动力学行为的复杂性与自组织临界性”,并从这一认识出发,提出了固体地球系统复杂性与自组织临界性的八个研究主题,并分别进行了论述。最后笔者提出了地球系统复杂性与自组织临界性研究的方法论。