地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (5): 607-612
引用本文
任纪舜, 牛宝贵, 赵磊, 徐芹芹, 朱俊宾. 地球系统多圈层构造观的基本内涵[J]. 地质力学学报, 2019, 25(5): 607-612.
REN Jishun, NIU Baogui, ZHAO Lei, XU Qinqin, ZHU Junbin. BASIC IDEAS OF THE MULTISPHERE TECTONICS OF EARTH SYSTEM[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(5): 607-612.
地球系统多圈层构造观的基本内涵
任纪舜 , 牛宝贵 , 赵磊 , 徐芹芹 , 朱俊宾     
中国地质科学院地质研究所, 北京 100037
摘要: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。
关键词地球系统科学    多圈层构造观    天地合一的动力学    旋回演化    深断裂    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.05.058     文章编号:1006-6616(2019)05-0607-06
BASIC IDEAS OF THE MULTISPHERE TECTONICS OF EARTH SYSTEM
REN Jishun , NIU Baogui , ZHAO Lei , XU Qinqin , ZHU Junbin     
Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China
Abstract: The basic concepts of the multisphere tectonic view of the Earth system are to place the Earth as a living celestial body in the cosmic system, considering more about the interaction among the deep crust, mantle and core of the earth and the effect of the extraterrestrial celestial body on the Earth movement. This tectonic view holds that tectonic movement is not only the interaction between the lithospheric plates, but also the global dynamic process of the Earth system. The continent and the ocean are the unity of opposites and can be transformed into each other, and the conception of simple continental accretion should be regarded as invalid. The mantle convection hypothesis has not been confirmed so far, and the continental blocks are active, but they can't largely drift at random. The continental crust growth should not be thought to be achieved by simply lateral or vertical accretion, but the product of the multicyclic tectono-magmatism superposition. The tectonics of the Earth has not been developed by uniform changes, but by nonuniformitarian and nonlinear cyclic evolution. The Earth's surface layer has different tectonic patterns controlled by the corresponding deep fault systems in different geological stages, and the Atlantic-Indian-Pacific oceanic basin systems only emerged since the late Mesozoic.
Key words: Earth system science    multisphere tectonics    coherent terrestrial and extraterrestrial dynamics    cyclic evolution    deep fault    
0 引言

一代宗师李四光先生是国内外知名的杰出地质学家。他在学术上的贡献是多方面的,涉及中国地质学、大地构造学、古生物地层学、冰川地质学、石油地质学、地震地质学和地热学等多个学科[1-7]。他是勇于打破传统,敢为人先,不断探索的科学工作者的典范。他创立了以地球自转速度变化为动力,以构造体系为核心的地质力学;创造了以活动构造研究为基础,开展地应力测量,探索地震预报的科学方法。他是第一个将天文、地质、古生物,将天、地、生、人系统联系起来的中国地质学家。遵循先生的科学精神,在先生诞辰130周年之际,谨以这篇短文,表达我们对先生的崇高敬意和深切怀念。

近半个世纪,特别是20世纪80年代地球系统科学思想[8]提出以来,随着科学技术的飞速发展、人类对大陆和海洋地质的进一步调查、对地球深部和宇宙空间的进一步探索,我们深深感到大地构造研究必须跨越板块构造,用地球系统科学的思想,把地球作为一个整体,用全球动力学,以至天地合一的动力学进行研究。我们强调,大陆与大洋是对立统一、相互转化的,在大地构造研究中,既要寻找消失的海洋,也要寻找消失的大陆,才能准确地进行古构造、古地理再造。活动带与稳定区的相互转化,大陆与大洋的相互转化,都必然涉及地球内部各圈层之间物质和能量的运移、转化。均变论不符合事物发展的客观规律,必须用渐变与突变相结合的、非均变、非线性、螺旋式向前发展的旋回演化论,分阶段地研究大地构造[9-11]。任纪舜等[12-13]在2015年对现行的海底扩张模型提出质疑,并于2017年正式提出地球系统多圈层构造。本文将初步勾画这一构造观的基本内涵,作为今后深入研究的理论框架。敬希读者指正。

1 地球系统多圈层构造观的基本内涵 1.1 新构造观的基本点

地球系统多圈层构造观把大地构造学从研究地球表层的地壳构造(地槽-地台说)和岩石圈构造(板块构造)推进到研究地球整体多圈层构造的新阶段(图 1)。把深层与表层构造更密切的联系起来,更多地考虑地球深部作用,特别是壳与幔、幔与核之间的相互作用;把地球放在宇宙空间,探索地外因素对地球运动的作用和影响,是这一构造观的基本点。

图 1 大地构造理论发展历程 Fig. 1 Development of the tectonic theory
1.2 天地合一的动力学

构造运动并不仅仅是岩石圈板块之间的相互作用,而是地球系统全球动力作用过程。现今地球之大地水准面,大西洋半球膨胀,太平洋半球收缩;南半球膨胀,北半球收缩(图 2),恐怕不仅仅是地球表层岩石圈运动的结果,而是地球系统多圈层运动的反映。初步认为,地球内部的多圈层运动、太阳能以及宇宙天体的联合作用是各种地质作用的动力来源。太阳能,驱动地球表层大气圈、水圈、岩石圈、生物圈的相互作用,是地球表层地质作用的主要动力源。地球内部以地核为主导的核、幔、壳之间的相互作用,驱动地球的各种内生地质作用,包括岩浆作用和构造运动。太阳系在银河系,以及银河系在更广阔的宇宙空间星系的运行过程及其对地球的作用,则极可能是控制地球螺旋式、分阶段向前发展的总体运动进程的主要因素。

图中清楚显示出东亚大陆的轮廓以及西太平洋沟-弧-盆体系 图 2 现今地球大地水准面图(马宗晋先生提供) Fig. 2 Geoid of the Earth (provided by MA Zongjin)
1.3 陆洋转化论

陆和洋均不会永存,它们之间是对立统一相互转化的,单纯的大陆增生说是不正确的。关于大洋与大陆之转化,《寻找消失的大陆》[12]一文中,已有初步的论述。其中太平洋中之Zealandia(西兰大陆),大西洋中脊附近之Jan Mayen Ridge(扬马延海脊),印度洋中之Seychelles Plateau(塞舌尔海台)即是最好的例证[12, 14](图 3)。南中国海是陆洋转化的另一个良好例证。那里,早古生代,是一个前寒武纪地块,即南海地台;晚古生代,是中国南部大陆克拉通的一部分;中生代,属中国东部滨太平洋陆缘上叠(活化)造山系;新生代晚期才转化为南海海盆[10-11, 15-16]

图 3 横穿大西洋扬马延海台的地震剖面P波速度模型及地质解释[14] Fig. 3 The P-wave velocity model for the profile across the Jan Mayen Ridge and Jan Mayen Basin with geological interpretation[14]
1.4 大陆块是活动的,但难以大规模漂移

大陆岩石圈是多层次的,层次间可以适度滑移,但大陆块难以随意大规模漂移。这是因为全球并没有连续、统一、稳定的软流圈层。地震探测显示,在稳定的大陆(克拉通化地区)之下,岩石层往往很厚,软流层很薄,甚至没有,北美、北欧亚大陆之下,就未发现连续的软流层存在[17-19](图 4)。大陆漂移的原动力——地幔对流,至今仍处于假说阶段,并没有被证实。

图 4 西伯利亚克拉通地震速度剖面(据文献[17]重绘) Fig. 4 Velocity cross-section along the Siberian Craton profile (redrawn after reference [17])
1.5 大陆地壳的演化

由于没有全球统一、稳定的软流圈层,岩石圈层底面往往难以界定,而壳与幔之间的莫霍面却是稳定的,全球普遍存在的。因此,对地球表层而言,现在实际上研究更多的是地壳构造,而不是岩石圈构造。

大陆地壳并不是单纯地侧向或垂向增生,而往往是多旋回构造-岩浆作用叠合的产物。如中朝准地台基底,经历了3.8 Ga,3.5 Ga,3.3 Ga,3.0 Ga,2.5 Ga,1.8 Ga等多旋回构造-岩浆作用叠合过程;扬子准地台的大陆地壳,经历了3.3 Ga,2.9 Ga,2.7 Ga,2.5 Ga,1.8 Ga,0.9~1.0 Ga,0.8 Ga以及显生宙等的多旋回构造-岩浆作用叠合过程。造山带的地壳亦是多旋回演化的,并且一般都有前震旦纪或前寒武纪多旋回叠合的更老基底[20-22]

1.6 旋回演化论

地球的构造不是均变式发展,而是非线性、非均变、螺旋式向前演化。我们强调地壳和岩石圈构造从老到新是在不断向前演化的。不同阶段显示不同之构造格局和构造特征:元古宙不同于太古宙,元古宙以来又可分为努纳(哥伦比亚)、罗丁尼亚、冈瓦纳、潘吉亚以及现代陆洋体系形成等几个大阶段。从目前已有资料看,古生代的海洋,如古亚洲洋,为微陆块、小洋盆体制;大西洋—印度洋—太平洋式大洋盆似乎只是中生代晚期以来的产物。因此,不能用一种构造模型套用于地史发展的各个阶段。地球的物质组成和结构是不均匀、不对称的,大西洋半球不同于太平洋半球,北半球不同于南半球,非洲不同于亚洲,亚洲与欧美大陆又有很大的差异,故亦不能用一种构造模型套用于全世界各个地区。

1.7 不可忽视的深断裂

切穿地壳-地幔不同层次的深断裂,在大地构造演化中具有十分重要的意义。板块构造兴起以来,一些学者往往忽视甚至否认深断裂的存在。然而岩石圈板块的边界实际上都是深断裂:大洋中脊是切穿岩石圈的张性深断裂;海底和大陆上的转换断层,是切穿岩石圈的剪切深断裂;“俯冲带”(贝尼奥夫带)是切入地幔更深层次的超深断裂。现今大西洋—印度洋—太平洋的大洋中脊裂谷带、转换断层和环太平洋—北印度洋贝尼奥夫带组成的全球深断裂体系,控制着当今的全球大地构造格局(图 5)。地球发展的不同构造旋回和不同阶段均有其特有的深断裂体系,它们决定了不同构造旋回和不同阶段之全球构造格架。

图 5 全球板块构造简图(据文献[11, 23]重绘) Fig. 5 Major lithospheric plates of the globe (redrawn after references [11, 23])
2 结语

地球系统多圈层构造观的核心是地球本体圈层之间的相互作用。由于地球是太阳系的一员,太阳系是银河系的一员,银河系又是更浩瀚的宇宙系统的一个组成部分,它们无疑组成一个相互关联的巨系统。因此,在研究地球系统多圈层构造时,我们就不得不考虑宇宙天体对地球系统可能产生的影响。地球系统多圈层构造观,在动力学上,不仅仅是地球表层的岩石圈板块动力学,而是地球系统的全球动力学,以至天地合一的动力学。地球系统多圈层构造在哲学上是以非均变、非线性、渐变与突变相结合的螺旋式向前发展的旋回演化论思想为指导,分阶段研究大地构造。

以上仅是地球系统多圈层构造观的一个初步的纲要性理论框架,有待进一步修正、补充和完善。我们坚信,人们必将跨越板块构造,进入用地球系统科学思想研究大地构造学的新时代。

致谢: 衷心感谢邢树文、胡健民研究员的盛情约稿和杨建军研究员的诚挚帮助。

参考文献/References
[1]
LEE J S. The fundamental cause of evolution of the earth's surface features[J]. Bulletin of the Geological Society of China, 1926, 5(3-4): 209-262.
[2]
LEE J S. Fusulinidae of North China[M]. Beijing: Palaeontologia Sinica, Series B, 1927.
[3]
LEE J S. Quaternary glaciation in the Yangtze valley[J]. Bulletin of the Geological Society of China, 1933, 13(1): 15-62.
[4]
LEE J S. The Geology of China[M]. London: Thomas Murby & Co, 1939.
[5]
李四光. 关于地震地质工作的几点意见[J]. 地震战线, 1970(7): 10-15.
LEE J S. Some suggestions on seismic geological work during Quaternary glacial period in Yangtze River basin[J]. Dizhen Zhanxian, 1970(7): 10-15. (in Chinese)
[6]
李四光. 天文地质古生物资料摘要(初稿)[M]. 北京: 科学出版社, 1972.
LEE J S. Astronomy, Geology, and Paleontology[M]. Beijing: Science Press, 1972. (in Chinese)
[7]
李四光. 地质力学概论[M]. 北京: 科学出版社, 1973.
LEE J S. Introduction to Geomechanics[M]. Beijing: Science Press, 1973. (in Chinese)
[8]
National Aeronautics and Space Administration. Earth System Science:A Closer View[M]. Washington, DC: National Aeronautics and Space Administration, 1988.
[9]
任纪舜, 姜春发, 张正坤, 等. 中国大地构造及其演化[M]. 北京: 科学出版社, 1980.
REN Jishun, JIANG Chunfa, ZHANG Zhengkun, et al. Geotectonic Evolution of China[M]. Beijing: Science Press, 1980. (in Chinese)
[10]
任纪舜, 陈廷愚, 牛宝贵, 等. 中国东部大陆岩石圈的构造演化与成矿[M]. 北京: 科学出版社, 1990.
REN Jishun, CHEN Tingyu, NIU Baogui, et al. Tectonic Evolution of the Continental Lithosphere and Metallogeny in Eastern China and Adjacent Areas[M]. Beijing: Science Press, 1990. (in Chinese)
[11]
REN Jishun, WANG Zuoxun, CHEN Bingwei, et al. The Tectonics of China From a Global View-A Guide to the Tectonic Map of China and Adjacent Regions[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1999.
[12]
任纪舜, 徐芹芹, 赵磊, 等. 寻找消失的大陆[J]. 地质论评, 2015, 61(5): 971-989.
REN Jishun, XU Qinqin, ZHAO Lei, et al. Looking for submerged landmasses[J]. Geological Review, 2015, 61(5): 971-989. (in Chinese with English abstract)
[13]
任纪舜, 徐芹芹, 赵磊, 等. 从地槽-地台说、板块构造说到地球系统多圈层构造观[J]. 地质论评, 2017, 63(5): 1133-1140.
REN Jishun, XU Qinqin, ZHAO Lei, et al. From geosyncline-platform theory, plate tectonics to the multisphere tectonic view of earth system[J]. Geological Review, 2017, 63(5): 1133-1140. (in Chinese with English abstract)
[14]
MJELDE R, ECKHOFF I, SOLBAKKEN S, et al. Gravity and S-wave modelling across the Jan Mayen Ridge, North Atlantic; implications for crustal lithology[J]. Marine Geophysical Researches, 2007, 28(1): 27-41. DOI:10.1007/s11001-006-9012-3
[15]
任纪舜. 中国东南部泥盆纪前几个大地构造问题的初步探讨[J]. 地质学报, 1964, 44(4): 418-431.
REN Jishun. Preliminary discussion on several problems of pre-Devonian tectonics of the Southeastern China[J]. Acta Geologica Sinica, 1964, 44(4): 418-431.
[16]
任纪舜, 赵磊, 徐芹芹, 等. 中国的全球构造位置和地球动力系统[J]. 地质学报, 2016, 90(9): 2100-2108.
REN Jishun, ZHAO Lei, XU Qinqin, et al. Global tectonic position and geodynamic system of China[J]. Acta Geologica Sinica, 2016, 90(9): 2100-2108. DOI:10.3969/j.issn.0001-5717.2016.09.002 (in Chinese with English abstract)
[17]
PAVLENKOVA N I, PAVLENKOVA G A. The upper mantle structure of the Northern Eurasia from seismic profiling with nuclear explosions[J]. NCGT Journal, 2017, 5(1): 6-26.
[18]
GUNG Y C, PANNING M, ROMANOWICZ B. Global anisotropy and the thickness of continents[J]. Nature, 2003, 422(6933): 707-711. DOI:10.1038/nature01559
[19]
SHAPIRO N M, RITZWOLLER M H, MARESCHAL J C, et al. Lithospheric structure of the Canadian Shield inferred from inversion of surface-wave dispersion with thermodynamic a priori constraints[J]. Geological Society, London, Special Publications, 2004, 239(1): 175-194. DOI:10.1144/GSL.SP.2004.239.01.12
[20]
耿元生, 沈其韩, 刘福来, 等. 中国区域变质岩及变质作用演化[M]. 北京: 地质出版社, 2016.
GENG Yuansheng, SHEN Qihan, LIU Fulai, et al. Regional Metamorphic Rocks and Metamorphism Evolution in China[M]. Beijing: Geological Publishing House, 2016. (in Chinese)
[21]
万渝生, 宋彪, 刘敦一, 等. 鞍山东山风景区3.8~2.5 Ga古老岩带的同位素地质年代学和地球化学[J]. 地质学报, 2001, 75(3): 363-370.
WAN Yusheng, SONG Biao, LIU Dunyi, et al. Geochronology and geochemistry of 3.8~2.5 Ga ancient rock belt in the Dongshan Scenic Park, Anshan area[J]. Acta Geologica Sinica, 2001, 75(3): 363-370. (in Chinese with English abstract)
[22]
翟明国. 中国主要古陆与联合大陆的形成——综述与展望[J]. 中国科学:地球科学, 2013, 56(10): 1583-1606.
ZHAI Mingguo. The main old lands in China and assembly of Chinese unified continent[J]. Science China:Earth Sciences, 2013, 56(11): 1829-1852.
[23]
DOTT R H JR, BATTEN R L. Evolution of the Earth[M]. 4th ed. New York: McGraw-Hill, 1988.