天文地球动力学

天文地球动力学郑大伟（中国科学院上海天文台２０００３０）关键词　地球自转，极移，天文地球动力学天文地球动力学是用天文手段测定和研究地球各种运动状态及其力学机制的一门学科。它所研究的运动主要是地球整体的自转运动和公转运动，以及地球内部、地壳、水圈、大气...     

全球构造格局及其动力学机制研究

本文从地质力学观点出发，概述了全球构造的基本格局，即地球表层巨型构造（中、新生代造山带、裂谷系、板块边界、大型剪切网络等）的展布与地球坐标系和自转轴之间存在着一定的联系。它可能是由于地球自转惯性力所引起的导向和联通作用，把地球的热力、重力、物质间联系力、西向引潮力及其它有关天文因素等多种力源，在地球层圈滑脱效应和应力－时间效应的条件下，联合成统一的动力系统，构成全球构造格局形成的驱动机制。文中还提出了沿着这一条思路开展研究的方法和设想。     

全球构造研究的若干重要进展

全球构造是百余年来国际地学界普遍关注的最重要研究领域之一，近十多年来研究不断取得新的重大进展；揭示出全球现今大洋中脊系统良好的定向性与等距性分布规律、地球各圈层不等速的西向运动规律及其他全球构造运动与地球自转的种种相关性；证明大陆板块内部存在不同类型的强烈陆内造山作用；发现了古今不同时期巨厚的大陆山根与岩石圈的去根作用等重要现象。当今全球构造研究出现若干新的趋势。在全球构造驱动力源与驱动机制研究方面，开始由单一动力驱动机制研究转入多种动力因子所构成地球动力系统的综合研究。大陆动力学中的山脉隆升过程与隆升机制、陆内造山机理、大陆岩石圈去根作用等已成为新的研究热点，中国颇具特色的大陆地质构造正吸引着越来越多国家众多地球科学家们的重视。     

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。     

地幔对流中的科里奥利力

马宗晋认为，岩石圈的西向漂移和地幔东向运动的定向性显示了地球自转变化的导向作用［１］。本文证明，地球自转中的一种惯性力──科里奥利力是产生地球各圈层差异旋转的原因。     

同步耦合断裂及其动力学依据

通过对地球自转速率变化推动构造运动的可能性以及地球自转角速度变化的原因和依据的讨论，提出地球自转惯性力差是决定板块相对运动趋势的主要动力学因素之一，揭示了加速期和减速期经、纬向构造之间的分布规律性，认为经、纬向构造之间的耦合关系是一种客观存在，同步耦合断裂就是由地球自转速率变化所反映的动力学状态决定的。同时，笔者对同步耦合断裂概念及耦合区构造组合的研究意义进行了探讨。     

地幔对流中的科里奥利力

马宗晋认为，岩石圈的西向漂移和地幔东向运动的定向性显示了地球自转变化的导向作用。本文证明，地球自转中的一种惯性力－科里奥利力是产生地球各圈层差异旋转的原因。     

现今全球洋脊系统的定向性与等距性及其形成的动力学机制

现今全球大洋中脊系统的分布具有球面上的定向性与等距性,横向上的波动性,时代上的长期性与对称性及洋中脊位置相对于大洋岩石圈的稳定性等基本特征,洋脊系统的展布与地球自转存在密切相关性。
大洋中脊系统分布的基本特点决定于固体地球内部的动力系统。已有资料表明,地球各圈层均受西向驱动力与重力两大全球性基本构造动力的驱动作用。在西向驱动力、重力与热力的长期作用下,固体地球各圈层均表现出不同程度的流变性。本文通过解流变体的Navier-Stokes动力学方程,求得团体地球岩石圈-软流圈的水平速度分量V_θ与径向速度分量V_r。
据此对全球洋脊系统分布的定向性、等距性、垂向波动性及与地球自转的密切相关性等基本特征及其产生的动力学机制进行初步的解释。      

引力作用下的平衡质量运动

根据广义相对论,在天体引力作用下,天体周边的空间是曲折的。空间因天体的引力而发生曲折,地球在引力的作用下也与人类之前所认识的有所不同。本文提出一种新的假设一引力作用下的平衡质量运动理论,试图从思维的角度重新思考和探索地球的运动规律。主要讨论三个问题：地球上质量的分布;地球的运动;地球自转的速度。由地球上海陆质量的分布引出假设一引力作用下的平衡质量运动理论,其次,利用该假设对地球火山、地震和自转进行分析与推导。     

全球构造运动与地球自转相关性的新证据

近20年来,国际地学界不同领域的学者应用多种先进的手段与方法,对现今地球各圈层的水平运动分别进行了长期观测与研究,揭示出地球不同圈层水平运动的基本规律,为全球构造运动与地球自转的相关性提供了新的重要证据。
对地球不同圈层水平速度矢量场的对比分析发现,现今地球各个圈层均存在速率量级不同的总体西向运动的特征,不同圈层的水平运动速度矢量场具有高度的相似性,且与地球自转密切相关;在中低纬度地区,各圈层西向速度矢量居主导地位;在中高纬度地区形成一些东向回流;速率大小与纬度存在统计相关关系,纬度愈小,速率愈大;岩石圈稳态水平运动速率在纬度φ=0°与φ=35°呈极大值。      

地球自转与地质体系论

本文对比分析了各大地构造学说的特点,认为在地球的各种运动形式中,最重要的是地球的自转。地球在其运动中由于向心力和离心力联合力场作用的结果而形成各个圈层,地球表面形态和各圈层的物质在其旋转过程中发生不同形式的运动,而出现各种地质构造现象及相关的自然现象,诸如大气的流动、海水的进退、岩石的形变、地幔物质运动、各层圈物质交换与变化等等。在地球发展演化过程中,地壳的结构和构造也发生了一系列的变化,板块、构造体系、地槽、地洼、断块、大地波浪等大地构造形迹都是由于地球自转中地壳运动的结果。各种地质现象相互联系的总体,称之谓地质体系。     

运用地球动力作用原理推断黄金埋藏分布规律

本文属探讨性理论文章。从力学观点出发,利用黄金的比重结合各地质年代的地壳强度,运用地球动力原理推断全球黄金埋藏的地理纬度和我国黄金埋藏的特点及部位。文中除分析黄金的力学特性外,重点介绍了地球动力合成作用原理的来源、内容、作用和它与成矿条件的力学关系。提出了4种类型的成矿条件,并以世界金矿资料予以验证。其次还分析了中国地壳受力状态,最后举例说明了我国金矿形成的特点及分布规律。     

考虑坑壁位移和土压力方向的直撑力学特性

鉴于基坑支护中常见的直撑设计一般都没有考虑基坑位移和土压力的变化,总结了土压力和基坑位移之间非线性关系的研究现状,分析了随坑壁转动时土压力大小和方向的变化规律。在此基础上,推导了直撑轴力和坑壁位移之间、以及直撑纵向变形与坑壁位移之间的数学关系式。结合工程实例,进一步研究了直撑轴力和变形随基坑初始位移、支撑点、土压力作用点、土体与挡土结构间摩擦角等因素变化时的发展变化规律。研究表明,直撑轴力及其变形随基坑位移、支撑点高度、土体与挡土结构之间摩擦角的增加而减小,随土压力作用点高度的增加而增大,与基坑初始位移值基本无关。     

新构造活化与气候恶化

中国南、北方大陆河流阶地形成初期强烈的侵蚀活动与构造活化、火山喷发、巨厚层黄土发育、冰川扩展等构造、气候事件近于同时，其他大陆上也有类似现象。据此提出了新构造活化在在伴有气候恶化(一般为变冷)以及地球星体运动存在一种具有０．４Ｍａ准周期的气候－构造旋回的概念，并指出自上新世末期以来存在八个主旋回。     

关于厄尔尼诺成因的新认识

据前人统计,厄尔尼诺出现于地球自转速度急剧变慢的第二年。造成这种现象的主因,是地球间歇性不对称膨胀,引起自转速度几年一次的准周期性急剧变慢。在该时期南北半球岩石圈产生强烈的离开赤道的体力,使赤道地区发生东西向张性断裂活动。位于阻力较小的软流层之上的太平洋岩石圈,不仅规模大、动力强,而且存在着东太平洋海隆薄弱带,并与秘鲁海沟应变空间毗邻,故现今太平洋东部赤道地区的东西向张性断裂最为发育,形成规模宏大的卡内基断裂带和加拉帕戈斯断裂带。它们活动促使海底的岩浆和热水喷溢,导致厄尔尼诺的海水升温多从秘鲁－厄尔多尔沿岸开始。地球自转速度变慢过程中,赤道地区的大气和海水获得较多的向东角动量,造成该地区的信风和向西流动洋流减弱、东太平洋冷水上翻涌升流衰缓,加速赤道东太平流海域温度变暖,助长厄尔尼诺的形成。全球大气角动量的季节性变化,也引起地球自转速度冬季慢夏季快的周年项变化,使厄尔尼诺年增温盛期一般出现于年末前后。     

地球自转速率变化引起的全球应力场

本文用有限元方法计算了地球自转变化引起的全球应力,包括离心惯性力和纬向惯性力引起的应力。离心惯性力变化引起的应力其主方向为SN向和EW向,应力的大小随着地球自转角速度的持续增加而积累,其量级可能达到几十到几百兆帕或更大。纬向惯性力引起的应力,在均匀地球的情况下,主应力方向为NE向和NW向。在地壳厚度按一定规律分布时,应力场的分布沿EW方向具有分带性,并且与全球大洋中脊的分布有对应关系,但应力幅度很小。      

论地质科学中全球变化研究的方法

文章借引用与大气和海洋全球变化有关的研究方法论述了与地质科学有关的全球变化问题。为使地质上的全球变化研究有一个理论依据，首先从数学上划分了自然中的对流与结构。银河系中星云旋臂相对星云星座为结构。太阳系中行星绕太阳的线速度随离太阳的距离均匀递减相对行星的自转是一种结构。在地质上，大陆板块好比是一种结构，而山系就是所谓的对流。结构是分层次的，对流是相对确定层次下的结构而言的。我们通过对银河系、太阳系以及地球大气、海洋和固体地球中结构的描述，就会发现在确定的层次下结构可以用线性动力学的方法描写。文章分析了宏观地质结构形成的力源问题，认为圈层角动量交换应力和地转偏向力的共同作用可以从量级上解释大陆的漂移及其漂移的方向性。最后，对地球科学全球变化研究的前景作了初步的探讨     

岩石圈运动激发机制的动力学分析

本文把地幔和岩石圈看作统一的动力学系统，分析了岩石圈运动极型场，环型场的激发机制和动力来源，结果表明，岩石圈运动极型场中在岩石圈内部重力，热力，科里奥利力以及应力的作用下产生，又能由地幔自由热运动所激发；而岩石圈运动环型场仅与地球的转动效应和岩石圈不同块体间的旋转剪切运动有关。在岩石圈演化历史上，上述不同性质力源的相对强弱和作用方式，决定了岩石圈运动的的性质及其驱动机制。     

李四光学术思想和贡献——纪念李四光教授百年诞辰

从李四光教授对地层古生物、第四纪冰川和地质力学三方面的研究,来介绍他的学术思想和科研成果以及他的地壳运动的理论。为便于有关学者进一步了解他的学术思想和科研成果,特将他上述三方面的主要著作附录于后。