固体地球物理学分科术语之演变

杨文采

(中国地质科学院地质研究所,北京 100037)

固体地球物理学分科术语之演变

杨文采

(中国地质科学院地质研究所,北京 100037)

近百年来固体地球物理学的发生、发展和分科术语的演变,尤其是自 20世纪 70年代至今,新学科分支迅速萌芽和发展,造成新学科名词发生率远超过传播率的局面。把握各学科的发展脉络,及时更新学科分类、介绍与推广科学新词的内涵,就成为创新知识传播的重要组成内容。

地球物理学,固体地球物理学,应用地球物理学,大地构造物理学,区域地球物理

地球是人类的家园,为我们提供了生存与发展所需的各种资源与能源。人类与地球的相互作用,产生了地质环境、地质灾害方面的问题。上述问题的解决需要应用地球物理学的知识。地球物理学(geophysics)是一门通过观测研究地球行为、属性、相态和演化的学科。

地球物理学是数理科学与地球科学的交叉,在19世纪属于物理学中以地球为对象的一个研究领域。地球物理学从物理学中分离出来成为一门独立的学科,大约是在 20世纪的 20年代,其标志是西方多所大学中地球物理系的建立[1-3]。到 20世纪 60年代,地球物理学已经成为地球科学中三大二级学科之一,与地质学、地球化学并列。

固体地球物理学 (Solid Earth Physics)是地球物理学中形成最早和研究最深入的分科,20世纪上半叶下属有地震学 (seis mology)、地磁学 (geomagnetism)、重力学 (earth gravitation)、地电学(earth electromagnetism)和地热学 (geother mics)等分支。从分科的名称与物理学分科紧密关联可见,当时的地球物理学还未进入地球科学的核心。作为构建固体地球物理学的支柱之一,主要用于能源矿产勘查的应用地球物理学 (applied geophysics)曾经是固体地球学的一个主要分支[2-4]。由于工业社会对资源和能源的渴求,以资源和能源勘探为主要目标的应用地球物理学也同时得到了长足的发展[4-5]。尤其是 20世纪 80年代以来,信息技术的快速发展,在数据采集技术、数据分析技术和信息提取与融合等方面,推动应用地球物理学成为一门引人瞩目的高科技领域。此外,应用地球物理技术的快速发展也为解决地球内部探测、近地表的环境监测与工程基础调查、古文物遗址探测及地质灾害评估等提供了有效的方法技术。

应用地球物理学下属的分科包括地震勘探(seis mic exploration)、重力勘探 (gravitational exploration)、磁法勘探 (magnetic exploration)、电法和电磁法勘探 (electromagnetic exploration)、放射性勘探(radioactivity exploration)和地球物理测井 (geophysicalwell-logging)。由于应用地球物理学有工程科学的性质,因此在目前学科分类中,大都将其划入工科的范围。但是,近 40年来应用地球物理学已经广泛应用于海陆与地球内部组成结构的调查和地球动力学活动的监测,成为研究地球内部物质运动不可缺少的科学知识[6-10]。尽管应用地球物理学兼有工程学科的性质,但仍然是地球科学的主要组成部分。因此,现在应将应用地球物理学从固体地球物理学中独立出来,共同成为地球物理学中的下属学科。

20世纪 20年代促成地球物理学独立的重大事件可归纳成两个方面:一是地球物理学适应工业化发展的需求,于 1926年在美国用反射地震法找到了大型油气田;二是由于旧金山、东京等地大地震的频发,增进了公众对地球物理学的重要性的认识。到了 20世纪 50年代,地球科学进入了创建全球大地构造理论的关键时刻,地球物理学家发现了地球刚性表层下方存在较为连续的低地震波速和低电阻率的层位,即“软流圈”。这一发现无疑是魏格纳大陆漂移假说起死回生的一个关键证据,引起了地学界的高度重视。此后,联合国教科文组织把 1959年命名为“地球物理年”,体现了固体地球物理学对当时科学发展的里程碑式含义。在其后的 60年代,固体地球物理学研究成果为板块构造学说提供了大量证据,促进了板块构造学说的建立和完善[7-13]。与此同时,将目标锁定在岩石圈与软流圈行为、属性、相态和组构研究的学问“大地构造物理学”也应运而生,并成为近 40年来地球科学活动的主流学科之一。

板块构造学说给人最重要的启示就是,表观无比复杂的地质现象,原来可以用非常基础的物理学定律来解释清楚。因此,创新地球观的研究路线,无非是攻破物理学与地质学之间的壁垒,建立以物理学为构架的地质构造学说。自从 20世纪 60年代板块构造建立之后,固体地球物理学的研究范围已经从传统的重、磁、电、声等物理现象的研究,转变为对地球内部行为、属性、相态和组构及其动力学的研究为主要对象,其分科也以地球圈层划分,力求综合各种物理探测信息综合解决其行为、属性、组构、相态等地球科学问题[13-16]。例如:

大地构造物理学 (tectonophysics):以岩石圈和软流圈为主要对象。

地幔物理学 (mantle physics):以上、下地幔为研究对象。

地球内部物理学 (earth Interior physics):以地核为主要研究对象。

地球动力学 (geodynamics):以地球内物质运动和力的作用为主要对象的跨学科研究领域。

其中地球动力学又分为大陆动力学 (continental dynamics)和海洋动力学 (marian dynamics)两个分支,前者与大地构造物理学关系密切,而后者与地球表面系统动力学关系密切。

近半个世纪以来,科学技术飞速发展和学科交叉不断深入,使新学科分支迅速萌芽和发展,造成新学科名词发生率远超过传播率的局面。把握各学科的发展脉络,及时修补和更新学科分类、介绍与推广科学新词的内涵,就成为创新知识传播的重要组成内容。因此,自 20世纪 70年代至今,可称为地学界的后板块时代,这个时代的目标在于创立一门系统地揭示岩石圈和软流圈运动规律的科学,即大地构造地球物理学。在 21世纪我们已经走到了这样一个临界点:过去被当做原理引用到地质科学中的经典力学、平衡态化学及达尔文进化论在它们各自的领域里不断地被质疑,使我们不得不重新考虑它们对固体地球这一复杂巨系统的适用性。大地构造物理学已经从一个跨学科的研究领域,走向一门继板块构造之后基于地球物理探测的学科分支,极大地改变了人类对固体地球系统的认识,成为开拓创新全球地质理论的重要支柱之一[17]。

大地构造物理学研究注重演化的细节、过程和证据,以及它们与物理学定理的兼容性。大地构造物理学主要包含三个下属的学科:岩石圈探测(lithosphere probing)、区域地球物理 (regional geophysics)和岩石圈信息学 (lithosphere informatics)。由于地球其他固体圈层的探测信息量还不大,岩石圈信息学目前是地球信息学的一个最重要的组成部分,内容包括岩石圈信息编码、处理、存储和检索等,用于解决区域及全球岩石圈行为、属性、组构、相态等地球科学问题。岩石圈探测目前是“地球探测”的一个最重要的组成部分,而“地球探测和信息技术”目前被列为工程科学中隶属于“地质工程”的一门分科,包含地球物理勘探和地球化学勘探两个学科。岩石圈探测从发生地质作用产生的“指纹”入手,了解地质作用的行为和属性,以及它们发生的环境和动力机制。地球是一个整体,一个区域构造单元是其中相对独立的组成单位,对区域内观测到的丰富多彩、而且貌似矛盾的各种地球资料,区域地球物理学以物理学为指导,把它们集合起来,序列起来,通过全球对比去寻找地球内部物质运动的证据,并最后求得对区域地质演化的系统理解。如果研究者不具备系统的大地构造物理学知识,他的解释就不免流于想象,就难以准确地抓着区域演化的脉络和规律,形成准确客观的认识体系。

我国拥有 960万 km2的陆地和 300多万km2的海域,独特的地域环境和自然现象,如青藏高原、黄土高原、阶梯状地貌、宽广的大陆架和边缘海、复杂的大陆组成与结构、年轻的山脉和构造的活动性、丰富的古生物化石埋藏等,为我国地球科学的发展提供了独特的研究对象、科学问题和天然的研究试验室,也为我国地球物理工作者提供了一个施展才能的宽广平台。希望我国地学同人与时俱进,在开拓地球物理学研究领域的同时,不断规范地球物理学科学术语,为学科发展作出新贡献。

[1]Ambronn R.Elements of geophysics(Tr.ByM C Cobb) [M].New York:McGraw-HillBook Com,1928.

[2]Gudenberg B. Physics of the Earth[M].New York: Dover,1951.

[3]Jeffreys H.The earth[M].London:Cambridge Univ. Press,1970.

[4]Shaw H.Applied geophysics[M].London:H M StationaryOffice,1931.

[5]Telford W M,Geldart L P,Sheriff R E,et al.Applied Geophysics[M].London:Cambridge Univ.Press,1976.

[5]Dott R H Jr,Batten R L.Evolution of the Earth[M].New York:McGraw-HillBook Com,1987.

[6]Anderson D L.Theory of the Earth[M].Boston:Blackwell Scientific,1989.

[7]Davies G F.Dynamic Earth:Plates,Plumes and Mantle Convection[M].London:Cambridge Univ.Press,1999: 1-458.

[8]丁国瑜.中国岩石圈动力学概论[M].北京:地震出版社,1991.

[9]Fowler CM R.The Solid Earth[M].London:Cambridge Univ.Press,1993.

[10]Pakiser L C,MooneyW D(eds.).Geophysical framework of the continentalUnited States[M].Geological Society ofAmerica,Memoir,1989:172.

[11]金性春.板块构造学概论 [M].上海:同济大学出版社,1993.

[12]Moores EM,Twiss R J.Tectonics[M].New York:W. H.Freeman and Company,1995.

[13]RichardsM A,Gordon R G,Van der Hilst(eds.).The history and dynamics of global plate motions[M].AGU Monograph,2000:121.

[14]Rogers J W.Continents and Supercontinents[M].Oxford Univ.Press,2004.

[15]杨文采.后板块地球内部物理学导论[M].北京:地质出版社,1999.

[16]滕吉文,张中杰,白武明,等.岩石圈物理学[M].北京:科学出版社,2004.

[17]杨文采.东亚古特提斯域大地构造物理学[M].北京:石油工业出版社,2009.

Evolution ofBranch Terms in Solid Earth Physics

YANGWencai

This p ap e r reviews the g row ing,deve lopm ent of the Solid Ea rth G eop hys ics toge the r w ith its b ranch te rm s.Esp ec ia lly,new b ranches in this fie ld have frequently been em e rg ing s ince1970s,resulting in the c rea tion ra te of new sc ientific te rm s heavily exceeds the ir p rop aga tion ra te.It is thought tha t keep ing the b ranch deve lopm ent in m ind,renew ing the d ivis ion te rm s and introduc ing new sc ientific te rm to p ub lic in t im e a re a lso imp ortant for know ledge c rea tion and gene ra liza tion.

geop hys ics,solid Ea rth p hys ics,app lied geop hys ics,tec tonop hys ics,reg iona l geop hys ics.

P31;N04

A

1673-8578(2011)01-0051-04

2010-10-09

杨文采(1942—),男,中国地质科学院地质研究所研究员,中国科学院院士,研究方向为应用地球物理与地球探测。通信方式:yangwencai@ccsd.cn。