地球dynamics 地球末日生存

　全球动力学与大陆动力学

地球是一个由相互作用的各圈层组成的完整的动力学系统。全球动力学旨在研究地球的整体运动，地球内部各圈层的相互作用及其与表层间的相互作用和表层构造变形的力学过程。

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大陆是由众多地质作用过程形成和改造的各种成分构成的一个大拼合体。它经历了长达几十亿年的、多种不同性质的动力学过程的叠加和改造，记录了地球动力学最完整的演化过程和演化历史。大陆和大洋的演变，都受全球动力学过程的控制，为同一地球动力学过程，但就岩石圈尺度而言，大陆和大洋岩石圈有着很大不同。大陆下面软流圈不具全球意义，大陆岩石圈缺乏刚性，其动力作用过程与大洋也有很大差别。大陆岩石圈生长和消亡的演变过程远比大洋岩石圈复杂得多，至今仍未建立可供解释的力学模式。大陆动力学研究的核心问题是大陆岩石圈物质增长、消减和保存的演化过程。大陆动力学过程是全球动力学过程的一个组成部分，因此要把大陆作为一个独立的动力学子系统来研究，寻找出主要驱动力、局部过程和构造变形间的相互联系，建立大陆动力学模型。大陆动力学是全球动力学研究的基础，只有对大陆动力学研究有较大的进展和较深入的了解，全球动力学问题才可能解决。

现代地球物理方法在地球动力学研究中的应用

魏文博

1 地球动力学研究的最基本问题

地球动力学是为探索地球表面可见特征的起源提供理论基础的学科之一。

人类研究地球的构造运动过程和它的动力来源由来已久。早在1911年，著名的力学家A.E.H.Love就已经提出过“地球动力学”的概念，但因地球上的现象极其复杂，对地球本身又不可能直接进行实验验证，所以关于地球动力学研究的进展缓慢。

20世纪60年代以来，随着科学技术的飞速发展，实测资料的大量积累，学科之间的相互渗透，国际合作计划的开展，关于地球动力学的研究才取得了巨大成就，提出和发展了“板块构造学说”。目前“地球动力学”正在以这一学说为中心课题，把地球科学向逐渐定量化的方向推进。

地球动力学研究的最基本问题：确定地球内部及表面上的变形和引起变形的原因，寻求现今地学现象的解释。关于这问题：

地球表面的“变形”是已知的——如何用“力学”的观点，进行合理的解释？

任何一个变形理论，只要是定义得当，都可以从“应变”（边界条件）算出“应力”，进而找出“应变的原因”。——应该是直截了当的事！——那么，问题的出发点就落在“地球的变形理论”上。“地球的变形理论”应该是与地球内部结构，地球内部的“变形”密切相关的。

地球内部的“变形”在很大程度上也还是未知的——如何能建立合理的“地球变形理论”？

面对这一难题，首先要对地球中有地球动力学意义的区域（被称为岩石圈或构造圈）进行探测，了解它的结构、构造、变形。很重要的一方面就是靠地球物理方法的应用。地球物理通过吸收、引进当代数学、物理、计算机以及各种技术领域的最新成就，不断发展、完善自身的技术体系，使克服实际应用中许多难以逾越的难关成为可能，极大地改善了地球物理在岩石圈探测方面的应用效果。可以说，地球物理是地球科学中唯一能直接提供地球内部信息和资料的学科。20世纪地球科学的重大进展，如海底扩张、大陆漂移和板块构造理论的建立，都是在地球物理观测、研究的基础上获得的。在地学基础理论研究中，它始终起着先导的作用。

地球物理方法是指通过观测地球周围及地球表面和内部物理场的空间和时间分布规律，研究地球内部结构、构造和物质状态的一系列方法技术。因此，要了解地球动力学研究的地球物理方法，需要先了解地球的地球物理特征。

2 有关地球的地球物理特征

从研究地震波传播得到的结果

地震和地震波，地球的速度结构，地壳（大陆 海洋），地幔（莫霍面 上地幔下地幔），地核（核幔边界 外核 内核边界 内核）。

重力场

重力和重力异常，重力异常的分布（大陆地区、海洋地区，全球范围）。

地应力

概述，应力测定，应力与地震效应，地貌和应力，全球应力分布。

地热场

地表热流测量，地温分布。

电磁效应

地磁场，古地磁，极性倒转，电效应。

地球化学

地壳的地球化学，地幔的地球化学，地核的地球化学。

3 现代地球物理探测技术在大陆动力学研究方面的应用

近垂直地震深反射法

方法原理，特点，应用。

深地震测深（广角反射剖面探测）

方法原理，特点，应用。

宽频地震探测（天然地震探测）

方法原理，特点，应用。

大地电磁测深

方法原理，特点，应用。

卫星重、磁测量

方法原理，特点，应用。

地热测量

方法原理，特点，应用。

参考文献

傅承义，陈运泰，祁贵仲.1985.地球物理学基础.北京：科学出版社

黄怀曾，吴功建等.1994.岩石圈动力学研究.北京：地质出版社

周济元，林盛表等.1994.深部地质与地球物理探测现状与发展.北京：地质出版社

张炳熹，洪大卫等.1997.岩石圈研究的现代方法.北京：原子能出版社

地球动力学背景

地球动力学背景是上地壳发展演化过程的深层次原因。岩石圈深部的地球物质的大规模运动，能够引起地球上部层圈的物质运输及交换、能量交换和动量传递，推动着岩石圈的演化。它直接影响着岩石圈范围内物质与能量交换的深度与广度、成矿类型与时空分布。在一定的时空域中，一定性质的构造环境和构造运动，对于成岩和成矿来说，均有其特定的物源、热源、物理化学和动力学条件，这些因素的统一即是翟裕生（1999）所提出的成矿系统的完整组成。

胶东地区经历了复杂的动力学演化过程，中生代经历了扬子板块与华北板块的碰撞造山作用，燕山期又成为活动大陆边缘，伊泽奈奇板块的多次俯冲旋回（李洪奎等，2013）加剧了该区岩石圈拆沉、地幔上隆、壳幔强烈作用，导致了下地壳的重熔、幔源流体的强势上涌，从而导致了在上地壳层次与之有关的各类型成矿作用的陆续发生。

地球系统的动力学

整个地球系统处于不断的运动、变化过程中，这种运动、变化的成因联系、演化规律和驱动机制即为地球系统的动力学。地球系统中的各种运动与变化都可以简单地概括为物质和能量的转换与交换，它们都是通过一系列的动力学过程来实现的。这些过程按其性质可以分为物理过程、化学过程和生物过程三种类型。不同的地球系统过程具有不同的时间尺度和空间尺度。时间尺度是指一个过程或一种自然现象所持续的时间长度，通常用10 n年表示；空间尺度则是指其发生的空间规模，可分为局部、区域和全球规模等。发生在各地球子系统内部和子系统之间的各种能量和物质输送过程跨越了很宽的时间尺度，涉及全球范围内的不同空间规模，并在地球子系统中留下深刻的烙印。

地球系统是一个多层次的复杂动力系统，地球系统中不同层次子系统的所有物质都处在不断地运动与演变过程中。从宏观上看可大致分为三个层次的动力系统。其一是不同层圈子系统内部的动力学过程，往往反映了不同层圈子系统所具有的特定运动、演化过程和动力学机制，这是传统地球科学各分支学科研究的重点；其二是不同层圈子系统之间的动力学联系，表现为在不同层圈之间发生着强烈的相互作用与相互影响，它们常常从更高层次的时空尺度上制约着一些复杂的动力学过程及其演变规律，这是现代兴起的地球系统科学研究的重要内容；其三是地球外部的宇宙环境及其变化对地球系统的各种动力学过程产生的动力作用与影响，这也是现代地球科学关注的重要研究内容。

总体上看，可将各种地球动力系统的原始驱动力分为两类，一类为地球内部的驱动力，如热能、重力能、化学能、旋转能等；另一类为地球外部的驱动力，如太阳辐射能、日月及其他天体的引力能、陨石撞击作用等。通常来说，地球外部圈层的动力系统主要以地球外部的驱动力为主，但离不开地球内部驱动力的参与；地球内部圈层的动力系统主要以地球内部的驱动力为主，但同时也有地球外部驱动力的影响。近年来，为了强调人类活动对地球系统的影响，有些学者还提出了人类（或人类力）是第三驱动因素的观点。

地球系统是一个开放的动力系统。地球系统自从诞生以来，其与周围环境之间就一直发生着物质、能量的交换。原始地球就是由固体的星子通过反复的碰撞、吸积而逐渐增大质量的。地外天体或陨石的撞击作用不仅将其物质增加到地球之上，而且还将动能带给地球，引起地球系统的一系列作用。地球每时每刻都在不断接受太阳能的辐射与宇宙射线的辐射，它们对地球表部圈层的影响显著。与此同时，地球也在不断地散失其能量与物质，如大气圈最外部的物质逃逸、地球内部热能的向外扩散、地球转动惯量的消耗等。地球系统的开放性对于科学地认识地球系统内各种作用过程的动力机制与控制因素具有十分重要的意义。近些年来越来越多的研究成果表明，地球系统中的许多作用过程与自然现象，甚至一些重大事件、演化阶段等都与宇宙环境的作用与影响有着十分密切的联系。