地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (5): 956-961
引用本文
王二七. 中国现代地质学的奠基人李四光—【地质力学】读书笔记[J]. 地质力学学报, 2019, 25(5): 956-961.
WANG Erqi. J.S.LEE, FOUNDER OF MODERN GEOLOGY IN CHINA: READING NOTES ON GEOMECHANICS[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(5): 956-961.
中国现代地质学的奠基人李四光—【地质力学】读书笔记
王二七     
中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100083
摘要:李四光先生是中国地质学的奠基人之一,创建了以力学为基础的现代地质学以区别传统地质学,地质学研究从而从定性走向了半定量-定量化。学术观点是见仁见智,强调百花齐放,但是李四光先生以力学为基础提出问题、分析问题和解决问题的方法和思路具有普适性,开拓了后人的眼光,潜移默化地影响到后来的板块构造和大陆构造研究。重要的是,尽管他为地质添加了丰富的现代科学因素,但是他仍和传统地质学一样强调地质学基本功的培养,野外观察和实践能力的提高,多学科的交叉以及第一手资料的积累,这些传统和能力在今天显得尤其难能可贵。
关键词李四光    地质力学    定性及半定量-定量科学    地球自转    水平运动    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.05.078     文章编号:1006-6616(2019)05-0956-06
J.S.LEE, FOUNDER OF MODERN GEOLOGY IN CHINA: READING NOTES ON GEOMECHANICS
WANG Erqi     
Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
Abstract: Mr. J.S.Lee is one of the founders of geology in China and he created geomechanics based on mechanics, with it different from the traditional geology, and since then, geology has moved from qualitative research to semi-quantitative and quantitative research. Academic views are different from one person to another, emphasizing that all flowers blossom together; however, his methods to propose, analyze and solve problems based on mechanics are universal, which has opened up the vision of later generations and influenced the subsequent studies of plate tectonics and continental tectonics. More importantly, although he added a wealth of modern scientific elements to geology, he still emphasized the cultivation of basic geological skills, the improvement of field observation and practice ability, the interdisciplinary and the accumulation of first-hand data, all of which are particularly valuable today.
Key words: J.S.Lee    geomechanics    qualitative and semi-quantitative to quantitative science    earth rotation    horizontal movement    
1 地质力学的创建是科学技术发展的必然产物

文章中所说的现代地质学是相对于传统地质学而言。传统地质学兴起于西方19世纪蒸汽机和纺织机为代表的工业革命,其对于矿产资源的需求促进了传统地质学的发展,1830年莱伊尔的《地质学原理》一书的出版标志着地质学的正式诞生。以李四光的认识,传统地质学是以实际观察为基本手段,以逻辑分析和归纳为方法,研究地壳物质组成、形成、分布、改造以及演化规律。由于思想和测试-分析技术的局限,传统地质学对地壳运动和演化的研究是定性的,由于缺乏对构造、岩浆和变质作用年代的约束,常常发生把时代不同的地质作用,如造山运动,混为一谈;随着测试-分析技术在上世纪80年代的快速发展,地质学研究迈进了一大步,在现代,地质学研究已成为半定量-定量化的,现在已经可以精确地测定造山作用的不同期次。20年代中叶,李四光吸取了有关大陆运动起源的种种思想,包括一些地质先驱如徐士(Eduard Suess)、泰勒(F·B·Taylor)、魏格纳(A·Wegener)和约理(J·Joly)提出的革命性理论,但是他敏锐地注意到,虽然他们在解释地壳运动时很好地运用了归纳法,掌握了地质事实,但是始终没有弄懂发动这种巨大运动的根本原因或所需的力。力学(mechanics)是研究物质机械运动规律的科学,是所有的科学学科的基础。在中国,李四光先生首次将力学引入地质学研究中,用力学观点研究地壳构造和地壳运动规律,开创了地质力学学说[1]。通读地质力学各个论述可以看出,李四光之所以能开拓这个学科,是因为他具有良好的数学、物理和力学基础,这在地质学领域中,即使在现今也是不多见的!李四光客观地指出,如果我们考虑到构造地质学主要是由区域地质学脱胎出来的一门学问,它的发展,在很大的程度上要受到区域地质条件的限制,是很自然的,人们用自己在某些地区所熟悉的构造现象,以及从那些现象抽象出来的“规律”,作为准则来衡量在另外的区域地质条件下出现的构造现象,也是很自然的。有种说法,认为传统的槽台论是从历史的观点看大地构造发展。其实,地质力学也是如此,所以李四光先生问道,难道说地质力学构造体系的发生、发展、复合、转变并且在旧构造巩固的基础上,又出现新型构造等等持续不断的变化,就不是从历史的观点来看大地构造发展的过程?

2 地质力学的地球观具有独创性和广泛的应用价值

地球表层的各种构造现象都是地壳运动的产物。地质力学认为,岩石在地应力作用下会形变,由于各种岩石性质不同,产生的构造形迹也不同,依照构造形迹的特征和组合型式,由此可以追索应力的性质、方向和作用方式,进而探索地壳运动的方向和起源,这是研究地壳运动的新思路。地质力学认为地球自转是基本力源,已知地球现今的自转速度是466米/秒,其角速度的变化控制了地球表面的变形以及海水的进退,而地壳的构造运动又是控制地球自转速度的自动机制。速度加快,离心力导致海水向赤道运动,造成高纬度地区发生海退,低纬度地区发生海侵并形成纬向挤压构造;而速度减慢,形成经向挤压构造,即大陆车阀作用。地球自转速度的变化已被古生物时钟所证实,至于地球自转的速度为什么会发生变化,还没有定论,地质力学倾向于内因为主,遵循角动量守恒定律。需要指出的是,尽管海进海退现象早就被人类所知,但是其成因一直没有解,上述地球自转速率变化模式为海水进退提供了一个可能机制。这些阐述读起来引人入胜,然而,和一些其它的地壳运动理论如潮汐论一样,地质力学提出的地壳运动是个大尺度问题,地壳和地幔不会同步运动,两者在深处是如何解耦的,这个问题当时没有涉及。由于莫霍面粘合力很大,壳幔之间不可能发生解耦,现今的板块构造理论认定解耦发生在地幔软流层,它驱动上覆岩石圈的运动,这解决了解耦问题,地质力学描述的地壳的大规模运动是否也是以软流圈为底界?

地质力学将构造体系划分为3大类,包括东西向(纬向)构造带、南北向(经向)构造带和各类扭动构造形式,后者最为复杂,因为是非线性的。地质力学对扭动构造形态的描述极为形象,如山字型、多字型、旋卷、歹字型和入字型,力学成因分析十分到位。例如,印度—欧亚大陆碰撞的正面产生主应力呈纯剪切,以挤压构造为特征;而东、西两侧,南北向相对运动产生两组简单剪切力耦,东侧的呈右行剪切,西侧的呈左行剪切,东侧的运动速率较大,因为印度陆块的运动具有一定的逆时针旋转分量,旋转轴位于喜马拉雅西构造结,由此形成两条宽广的应变带,带内的地壳分别呈顺时针和逆时针旋转,著名的三江断褶带形成于东侧的应变带内,构成地质力学划分的青藏滇缅印尼巨型歹字型构造的主体,后者属于全球最大的扭动构造体系。现今,随着古地磁方法精度的不断提高,地壳的旋转已被明确无误地证实。地震震源机制解、新构造研究以及后来的全球大地卫星定位测量(GPS)结果均揭示,位于青藏高原东南缘的川滇地块自晚新生代以来围绕喜马拉雅东构造结发生顺时针旋转,近年来的研究进一步揭示,这个旋转应力场范围超出了青藏高原,向东扩散到了四川盆地,后者是个刚性块体,被川滇地块牵引着发生逆时针旋转,2008年龙门山汶川大地震应该是其旋转边界发生的右行走滑运动引发的(图 1)。

(据文献[2]翻译) (translated after reference [2]) 图 1 川滇地块的挤出及其构造牵引模式 Fig. 1 Model of extrusion of the Sichuan-Yunnan block and its tractional effect to the Sichuan basin

a—上覆岩层(已被剥蚀)的重力滑动导致青海贵德盆地中新统(贵德群)湖相沉积物发生蠕变;b—上覆岩层(已被剥蚀)的重力滑动导致青海日月山三叠系复理石岩层发生蠕变 图 2 岩石的蠕变现象 Fig. 2 Creep phenomena of rocks

青藏高原川滇地块的侧向挤出及构造牵引作用—四川盆地的旋转运动,此模式给予2008年汶川地震以新的构造机制,即:与高原向东的挤出无关,而与高原向南东的挤出有间接关系。

由于地球是个球面,地壳运动多是非线性的,即欧拉运动,对此,李四光先生给予了特别关注,归纳出不同类型的扭动构造。例如,根据在柴达木盆地西北缘发现的一系列褶皱和断裂构造均与盆地西北缘的阿尔金断裂呈入字型交接,由此判断出该断裂是一条大规模的左行走滑断裂;另外,根据在滇东发现的一系列断裂与鲜水河—小江断裂呈入字型交接,判断出后者是一条左行走滑断裂。要知道,在上世纪70年代中叶之前,国内对走滑断裂的认识还十分肤浅,包括成因和位移量,直到Molnar and Tapponnier[3]利用地震震源机制解和构造组合特征,提出青藏高原在印度和欧亚大陆的南北向挤压下正发生向东的逃逸,阿尔金河鲜水河—小江断裂的左行走滑运动就是协调高原侧向逃逸的通道。

回顾现今的大地构造研究在思路和方法上,尤其是应力和应变场分析,与李四光先生的地质力学非常相似,即:或是通过已知的应力场如印度与欧亚大陆的相互作用,来厘定应变场特征如青藏高原的形成与演化;或是通过应变场特征如秦岭—大别造山带,来推断中生代华南—华北汇聚产生的应力作用方式。

地质力学特别强调岩石的弾-塑性的相对性,提到有些第四纪冰川沉积物包含弯曲砾石,形状颇为离奇,其中较为常见的有马鞍石、熨斗石、灯盏石等等。可以想象岩石对应力短期作用的反应,只要应力不超过一定的强度,主要是弹性的,就是说,由于这种短期应力作用所发生的应变,只是暂时的现象。如若应力作用消除,那种应变,也跟着消失。但是,尽管应力的强度不超过所谓弹性的范围,如若应力继续作用的时期很久,它就有可能在发生了弹性应变的岩石中发生松弛现象,逐渐让已经发生的形变积累下来,这时候即使应力消失,它也不能恢复原状。的确,在青藏高寒地区常常在地表观察到边坡下伏的岩层发生挠曲,挠曲方向总是朝向地势低处,显然,变形发生在地表常温下,长时间作用于重力牵引如流动的冰川或坡积物,属于蠕变,与构造无关。理解这点对于我们认识岩石和地壳的变形很有帮助,它不仅仅取决于温度和压力,还有时间。

此外,令人印象深刻的是,与传统地质学对此,地质力学特别强调模拟实验,其目的是要用人为的方法来模拟岩层和岩体的某种构造现象在自然界产生的过程。现在的模拟实验已得以发扬光大,包括物理模拟和数值模拟,能再现更为复杂的构造及其形成过程。

3 从地质力学看科学发展的必由之路

总结上述【地质力学】读书心得,深感科学的发展是非常复杂的过程。不谈技术,所谓的传统和现代地质学之别也是相对的,有些创新认识最后被证明是错的,而传统的仍然是对的,但是科学总是要在摸索中前进。在上世纪70年代板块构造刚被介绍到中国时备受质疑,批判多是以槽台学说为基础,主要针对的是大陆的大规模水平运动及其机制。自上世纪70—80年代开始发展的大陆构造又形成一个科学的分水岭,板块构造成为传统观念,这并不是说板块构造被发现存在什么问题,而是大陆构造与板块构造存在截然不同的构造机理。大陆地壳质量小,无法通过俯冲吸收陆块间的汇聚运动,因此,板块构造的威尔逊旋回到此不再适用,陆块相互作用转化成陆内变形(地壳增厚—隆升—水平扩展)、陆内岩浆—变质—成矿作用、大陆沉积—成矿作用以及气候环境变化,这系列地质作用要比板块构造复杂的多,揭示这一切地质作用需要全新的思路。然而,至今大家对大陆构造的认识还是很模糊的。由于大陆是人类生存之地,大陆的地质-地貌和气候-环境的演化与人类息息相关。因此,大陆构造成为地学研究的热点,这一趋势还会持续很长的时间。需要指出的是,板块构造发展到今天,大家对其认知仍存在很大局限性,这是因为,李春昱等国内板块构造先驱在70年代将板块构造介绍到国内时,只论述了其地质内容,如洋中脊、俯冲带以及岛弧岩浆作用等概念,而板块构造的几何学和运动学内容[4],也就是定量学研究涉及的不多,例如板块运动速率的计算、三连点迁移及其转换断层对板块运动的控制和协调作用,因此它们在中国板块构造研究中很少提及,一旦见到岩浆作用停止了,就认为是板块的俯冲停止了,殊不知,有可能是板块三连点的迁移造成的,如北美的圣安德列斯转换断层的置换,太平洋俯冲带被一分为二,陆上部分迁移到了北美的南北边缘,陆下部分仍在活动如北美中央(黄石公园)的大规模岩浆活动[4]。一旦这些因素被考虑进去,区域板块构造就会呈现不同的格局。

可以说李四光先生的地质力学思想在当时是超前的,理解起来有一定难度,况且,构造认识本身就是见仁见智,但是李四光先生思考问题和分析问题的方法已在潜移默化地影响后人对板块构造和大陆构造的研究。重要的是,尽管地质力学为地质添加了丰富的现代科学因素,但是仍和传统地质学一样强调地质学基本功的培养,野外观察和实践能力的提高以及第一手资料的积累。这在今天尤其显得难能可贵。

后记:上述认识和论述都是本人在学习【地质力学】各论著的读书笔记和一些心得,不对之处是我对李四光先生的地质力学思想理解不深或有误,请予以批评指正。真诚感谢中国地质大学(北京)樊春老师对本文图文的整理和编辑以及审稿人提出的建设性意见。

参考文献/References
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李四光. 李四光全集(1-8卷)[M]. 武汉: 湖北人民出版社, 1996.
LEE J S. The complete works of Li Siguang(Volume 1-8)[M]. Wuhan: Hubei People's Publishing House, 1996. (in Chinese)
[2]
WANG E, MENG K, SU Z, et al. Block rotation:Tectonic response of the Sichuan basin to the southeastward growth of the Tibetan Plateau along the Xianshuihe-Xiaojiang fault[J]. Tectonics, 2014, 33(5): 686-718. DOI:10.1002/2013TC003337
[3]
MOLNAR P, TAPPONNIER P. Cenozoic tectonics of Asia:effects of a continental collision[J]. Science, 1975, 189(4201): 419-426. DOI:10.1126/science.189.4201.419
[4]
COX A, HART R B. Plate tectonics, how it works[M]. Oxford: Blackwell Scientific Publications, 1986.