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。     

西北印度洋脊的厘定及其地质构造特征

西北印度洋的洋脊系统目前以"中印度洋脊"和"卡尔斯伯格脊"分别指示南北两段,两者的分界点被认为是澳大利亚板块与印度板块的板块边界与洋脊的交点,但具体分布位置不明确.基于已有的地质、地球物理和地球化学等多方面特征,认为卡尔斯伯格脊和中印度洋脊可以统一称为"西北印度洋脊",从罗德里格斯三联点一直延伸到欧文断裂带.新的洋脊厘定将有助于更全面地了解整个西北印度洋的洋脊演化和地球动力学过程.西北印度洋脊地形上南北两端断裂较少,中间断层密集,形似吸管的弯折部位,调节洋脊的转向.重力异常显示沿脊轴方向两端高中间低的特征,表明两端岩浆供给相对充足,而中间断层密集区岩浆量少.磁异常特征显示清晰的分带性,指示多阶段的洋脊扩张历史.岩石地球化学特征显示南北两个同位素相对富集洋脊段,可能与热点作用相关,或与残留岩石圈或地壳物质对亏损软流圈地幔的富集改造有关.     

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...     

现今全球构造特征及其动力学解释

构造地质学、大地构造学和全球构造学是三个尺度的构造学研究领域,它们平行交叉而且互有扬弃。全球构造学可分为历史的和现今的两个分支。岩石圈板片和板条构造、板舌构造、洋脊构造以及大陆岩石圈多元组合板的多重滑脱构造和多层剪切构造网络等是现今岩石圈板的基本构造形态。全球级现今岩石圈构造主要表现为三大构造系统:环太平洋深消减带板舌构造系、大洋增生带洋脊构造系和大陆碰撞造山构造系,三者在球坐标系内表现出构造形态、物理场背景和动力学状态等多方面半球级的反对称关系(南/北、0°/180°),各构造系统内部还表现了普遍的东西反对称。论其动力学解释,岩石圈向西和地幔向东相对漂移的定向性显示了地球自转变化的导向作用,决定了经向构造两侧的多级反对称;地震层析探测到的地幔结构显示的热心南偏和质心北偏可能是南北反对称的动力基础;上地幔分层结构及“软层”物质在构造引张条件下形成的热涌有可能解释地表的视对流现象,有助于说明构造变动的跳位和变格以及板条和反对称运动机制。     

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。      

一个改进的地球圈层差异旋转模型

地球自转速度在长期的减慢,而内核自转 又较其外部的地球部分转动快,这是由日 、月对地球的潮汐摩擦引起的同一动力学背景下导致的相关现象。通过能量守衡的定量分析 ,得出地球潮汐耗散能的11% 即可导致内核自转较其外部的地球部分自转快的结论。通过推 理比较和定量分析,提出了岩石圈层、主地幔圈层与内核三个圈层的差异旋转模型：岩石圈 自转速度<主地慢自转速度<内核自转速度。它可能是导致大陆向西飘移-板块构造及地磁产 生的重要机制之一。     

长江中下游构造带成因与燕山期的大洋俯冲

位于扬子克拉通内部的长江中下游构造带是一个特别的岩石圈构造带,它的成因一直是个谜。前人认为这与晚侏罗世伊佐奈琦洋向亚欧大陆的俯冲有关,但是为什么伊佐奈琦洋俯冲只在长江中下游构造带局部形成深入内陆的铁铜和多金属成矿带？为了解这个问题,必须从华南地区的地球物理数据来分析研究区的岩石圈和软流圈的属性特征,并进行类似构造的全球对比。根据地球物理调查结果可知,长江中下游构造带的地壳主要体现地堑的特征;岩石圈呈现低S波速与高密度,此类浅地幔动力学构造系统与洋中脊向大陆的俯冲模式接近。根据太平洋区域侏罗纪—白垩纪大洋磁异常条带与古地磁研究可以推测,长江中下游构造带与铁铜多金属成矿带的形成原因,应该是伊佐奈琦洋的洋中脊与洋脊三叉连向下扬子克拉通地幔的俯冲。当然,证明这个推测还需要更多的调查数据。     

长江中下游构造带成因与燕山期的大洋俯冲

位于扬子克拉通内部的长江中下游构造带是一个特别的岩石圈构造带,它的成因一直是个谜。前人认为这与晚侏罗世伊佐奈琦洋向亚欧大陆的俯冲有关,但是为什么伊佐奈琦洋俯冲只在长江中下游构造带局部形成深入内陆的铁铜和多金属成矿带?为了解这个问题,必须从华南地区的地球物理数据来分析研究区的岩石圈和软流圈的属性特征,并进行类似构造的全球对比。根据地球物理调查结果可知,长江中下游构造带的地壳主要体现地堑的特征;岩石圈呈现低S波速与高密度,此类浅地幔动力学构造系统与洋中脊向大陆的俯冲模式接近。根据太平洋区域侏罗纪—白垩纪大洋磁异常条带与古地磁研究可以推测,长江中下游构造带与铁铜多金属成矿带的形成原因,应该是伊佐奈琦洋的洋中脊与洋脊三叉连向下扬子克拉通地幔的俯冲。当然,证明这个推测还需要更多的调查数据。     

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。      

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。      

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     

浅地幔系统的动力学作用

近年来地幔地球物理三维成像为地下深部构造和物质运动提供了大量数据和信息,促进了人们对浅地幔系统物质运动的特征和动力学作用的认知。按照运动的方向不同,浅地幔系统的物质运动可分为三种主要形式:水平运动、向上涌动和向下沉动。浅地幔系统物质向下运动由地球引力势能引起,其他方向的运动主要由热能和动能引起。除了动力来源之外,浅地幔系统物质运动的方向还取决于岩石圈和软流圈的物质属性,因为高黏度介质阻挡物质运动,而低黏度介质加速物质运动。软流圈物质的水平蠕动差异,产生了岩石圈的伸展、拆离和推覆等复杂构造,速度和动能较大软流圈物质的蠕动,一定会带动岩石圈板块物质的运动和变形。软流圈物质的向上涌动又可以进一步细分为上涌运动、上拱运动和穿刺运动三种方式,它们对上方岩石圈的作用效果是不同的。浅地幔系统的物质下沉运动有多种形式,包括俯冲、拆沉和交代作用,也经常伴随有软流圈物质上涌,在微观上是一种对偶运动。这种对偶运动造成了克拉通地壳的底垫和岩石圈的陆根。软流圈大规模的物质运动,包括大洋中脊物质上涌、大陆碰撞造山和大洋俯冲的前陆拉张,在全球地震层析成像图上都有清晰的反映。中国东南沿海一带是浅地幔系统物质运动的一个特殊地区,可能是由于白垩纪伊佐奈崎板块俯冲,激发东亚大陆边缘软流圈上涌,然后又造成大陆边缘岩石圈局部拆沉等一连串动力学作用叠加形成的。     

天文因素对火山爆发的调制、触发作用

本文分析得到:1957—1982年间,全球低纬度火山爆发有73.9％和高纬度火山爆发有62.5％,分别发生在地球自转年际变化的减速段和加速段;火山爆发的日期,一般多发生在3天内遇到3个以上天文奇点引潮力共振加压的叠加之时,强火山爆发都发生在4个以上此种共振加压之时。表明地球自转速度变化和天文奇点引潮力共振加压在不同时间尺度上,分别对火山爆发具有调制和触发作用。其物理机理,两者都是引起火山附近地壳异常加压,促使岩浆受到挤压而累积能量或触发爆发。     

The westward drift of the lithosphere: A tidal ratchet?

Is the westerly rotation of the lithosphere an ephemeral accidental recent phenomenon or is it a stable process of Earth's geodynamics? The reason why the tidal drag has been questioned as the mechanism determining the lithospheric shift relative to the underlying mantle is the apparent too high viscosity of the asthenosphere. However, plate boundaries asymmetries are a robust indication of the ‘westerly’ decoupling of the entire Earth's outer lithospheric shell and new studies support lower viscosities in the low-velocity layer (LVZ) atop the asthenosphere. Since the solid Earth tide oscillation is longer in one side relative to the other due to the contemporaneous Moon's revolution, we demonstrate that a non-linear rheological behavior is expected in the lithosphere mantle interplay. This may provide a sort of ratchet favoring lowering of the LVZ viscosity under shear, allowing decoupling in the LVZ and triggering the westerly motion of the lithosphere relative to the mantle.     

造山作用的两大类型与成因差异

根据造山作用的主要标志识别出板内造山和板缘造山两种主要造山作用类型。板块和软流圈之间不同的相对运动机制是形成不同类型造山作用的主要原因。板缘造山主要表现为岩石圈和软流圈以基本相同的运动趋势的相对运动。板内造山主要表现为同一区域内岩石圈、软流圈等不同层圈之间的不协调的相对运动。     

地球公转轨道偏心率变化的构造运动响应

最近3Ma发生的主要构造运动和气候变化事件,在准0.4Ma周期上与地球轨道偏心率变化存在一致性。据黄土高原地层记录划分的构造气候旋回界限,日历年龄分别为0.07、0.46、0.83、1.32、1.70、2.08、2.74MaBP,对应于偏心率曲线波动幅度由大变小时段的特定转折位置。文中分析了地球公转运动变速的基本数据及其对地球自转运动和圈层相互作用的可能影响,探讨了轨道偏心率变化对构造运动的驱动机制,并指出了构造气候旋回研究可为地质力学理论发展展示良好的前景。      

ROLE OF ISLAND ARCS IN THE DEVELOPMENT OF THE EARTH'S STRUCTURE

Convincing geological data show that oceanic structure of the earth's crust is secondary and formed as the result of destruction and basification of the continental crust. This process goes on under conditions of tension, of deep fault formation, and of strong basaltic volcanism.

Analysis of the structure and history of development of island arcs gives evidence enough to distinguish two types. Island arcs of the first type represent arching folded ranges, similar to continental folded arcs. They were formed in geosynclines, but in the process of basification the supporting interior massifs subsides, while the arcs themselves are preserved in the form of curved bands of the continental crust within the oceanized areas (Japan, Indonesia, the Antilles). During a process involving tension of the earth's crust these weakened geosynclinal zones became areas of large fracture formation initiating intensive volcanism.

Arcs belonging to the second type are not related to the previous geosynclinal development. They were formed as a direct result of tension of the earth's crust, in the environment of ocean development. The tension produced deep faults, and the curving of the trajectories of the tensional stresses in the process of fault growth gave rise to the arching of these faults. Being younger, arcs of the second type cross those of the first type.

The asymmetry of the Pacific Ocean is characterized by the fact that on the east the ocean is bordered by the Cordilleras and the Andes, forming a single weak zone, while on the western periphery of the ocean the crust resembles a mosaic with very heterogeneous structure.

Basification of the earth's crust and formation of oceans is the last known stage in the development of the earth, caused by radioactive heating of the earth's interior and subsequent smelting to tilt: surface of the deep material of the mantle. — author's English summary