探测大陆岩石圈的属性、相态与物质运动: 固体地球物理学的新使命

杨文采

“大地构造与动力学” 国家重点实验室、中国地质科学院地质研究所, 北京, 100037

内容提要: 20世纪大地构造物理学取得引人瞩目的进展。本文详细评述了探测地球大陆圈层的属性、相态与物质运动取得的进展和技术路线。并且指出，大陆地壳和海洋地壳结构上的最基本区别是后者是相对均匀和整体刚性的，内部不存在明显的物质运动。前者的下地壳部分区域是不均匀和流变的，其中的物质运动使大陆板内的地壳产生比较强烈的变形和岩浆活动。因此，当前发展板块构造学说的最焦点就是对地壳不均匀性和流变岩石进行三维成像，从下到上找出大陆地壳物质运动规律。同时，一定要坚持深层油气和地震预测方面的应用基础研究，为人类社会可持续发展作出更大的贡献。

1 固体地球物理学发展的三个台阶

固体地球物理学诞生于20世纪初，早期的主要研究目标为用物理学定律解释地球物理场的变化规律(James, 1989; Davices, 1999)。例如，重力学用于解释地球重力场的变化规律，地磁学用于解释地球磁场的变化规律，地震学用于解释地球地震波场的变化规律，地热学用于解释地球温度场的变化规律，等等。1912年魏格纳(A. L. Wegener)提出大陆漂移假说；20世纪50年代赫斯(H. H. Hess)和迪茨(R. S. Dietz)据此提出海底扩张理论。大陆有可能漂移吗？在20世纪前半叶，大多数科学家不相信大陆漂移假说，因为大陆地壳和上地幔都是固体，不可能漂来漂去。直到20世纪60年代，地球物理学家发现了上地幔普遍存在一个低地震波速和低电阻率的软流层(图1)，深度范围从50 km至400 km，岩石物理实验证实软流层是由于地热升温使橄榄岩粘滞系数降低造成的(James, 1989; Davices, 1999; Jolivet and Hataf, 2001)。由于软流圈物质粘滞系数比上覆岩石圈物质低三个级次，因此浮于软流圈之上的岩石圈可进行大规模水平运动。于是大陆漂移假说复活了，并很快导致板块构造学说的诞生。

图1 前苏联用核爆炸激发取得的上地幔纵波波速剖面，深度从130 km至300 km波速降低 (James, 1989; Jolivet and Hataf, 2001)Fig. 1 A seismic P-wave velocity profile across Siberia obtained by using the sources of nucleus explosions in USSR. The velocity decreases from depth 130 km to 300 km

在1970年代板块构造学说为大洋钻探验证之后，固体地球物理学的主要研究目标转变为反演大陆岩石圈结构构造，并建立和逐步完善了数学物理方程反演理论方法 (Cox and Hart, 1986; Gubbins, 1989; Fowler, 2005)。研究大陆岩石圈结构构造的固体地球物理学又叫大地构造物理学，她遵循地球物理学的研究程式，即到现场采集物理场数据，处理数据并提取地下信息，分析和解释所提取的信息，建立高空间分辨率的三维地壳上地幔模型(杨文采，1989,1993,1998,2009; Yang Wencai, 2014)。由于岩石圈地质作用在壳幔结构中留下痕迹，可从岩石圈介质不均匀性中找到痕迹作为地质作用的证据。综合运用各种地球物理探测方法查明区域地壳及全球地幔物性结构(详见表1)，通过信息处理和反演可取得空间准确定位的描述固体地球内部不均匀性和构造的地球模型。这些模型包括地震波速和泊松比扰动模型、反射体分布模型(图2)、电导率扰动模型、密度扰动模型、磁源分布模型、地热流分布模型和各向异性模型等。综合区域地质和地球物理场数据对异常场源作推断解释，最后要通过地球物理反演把地球物理场数据转化为地壳上地幔物理性质空间变化的图像，它们是地壳上地幔物质结构构造的反映。

大地构造学主要通过地质学和大地测量学方法取得数据，大地构造物理学主要通过地球物理场的观测取得数据。因此，前者可取得地壳样品物质组成信息，但是由于样品分布的局限，空间分辨率(尤其是深度维)较差；后者不能直接取得地壳物质组成信息，但是由于物理场测量简便快捷，空间分辨率(尤其是深度维)可以不断提高。板块大地构造学是大地构造物理学的基础之一，大地构造物理学又是板块大地构造学的发展和补充(杨文采，1998,2009)。如果说物理学的所长为实验和推演规律，大地构造学的所长就是观测、比较和动力分析。大地构造学给出区域地壳岩石成分和年龄，地球化学还有区域上地幔火山岩源区成分和生成深度的信息，正是大地构造物理学数据分析和解释所必须的。大地构造物理学通过地球物理场的观测，在区域岩石圈演化重建的基础上，全球对比同类大地构造单元的壳幔结构，逐渐建立岩石圈地质作用规律的假说，丰富和完善板块大地构造理论。

表1 地球物理场数据采集方法Table 1 Geophysical fields and corresponding data acquisition methods

随着全球不同区域岩石物理性质测定和物理场数据的大量积累，数据的信息处理和对比分析也逐渐展开。到本世纪初，固体地球物理学的主要研究目标转变为揭示大陆岩石圈地质作用过程和规律性(杨文采，2014a)。物理学是研究物质运动规律的，固体地球物理学也不例外。以物理学定律为指导，通过全球对比同类大地构造单元的壳幔结构并结合地质学研究成果，大地构造物理学最终可以总结归纳出全球三维地壳上地幔行为、属性和物质运动的规律性(杨文采，2014b—f)。

大陆岩石圈有4.0 Ga的历史，和大洋板块不同，现代大陆板块内部不仅有200 Ma以来地质作用的大量痕迹，还保留了200 Ma以前古岩石圈活动带地质作用的痕迹，如古造山带、古俯冲带、古裂谷及古转换断层等。构造地质学成功地解释了200 Ma以来大洋岩石圈发展的旋回，没有回答如何构思大陆岩石圈的演化模式问题。大洋岩石圈是不断循环的，大陆岩石圈却是不断增生而且不断聚合和裂解的，大陆岩石圈的演化模式显然比大洋演化模式复杂得多，传统板块构造学说登陆后必定遇到难题。现今板块的划分和运动模式主要是中生代以来岩石圈地质作用的结果。大陆岩石圈4.0 Ga的地质作用有那些类型？大陆是如何形成的？大陆又是如何增生的？作用过程可用几个阶段描述？作用驱动力是什么？造成了那些后果？这些问题都有待解决。因此，在板块构造学创立之后，科学家希望按照物理学定律恢复大陆岩石圈地质作用过程，为揭示大陆岩石圈演化规律打下基础。

地质学起源于第一次工业革命，当时主要靠博物学的研究路线，建立了矿物学、岩石学、古生物学和地层学等基础学科，满足了第一次工业革命对煤炭和金属矿产的需要。19世纪发动的第二次工业革命对石油和电力提出新的需求，促进了地质学与物理学的交汇，导致固体地球物理学的诞生。当时固体地球物理学还主要作为地质调查的补充手段，地质学家并没有把物理学普适定律的扩展作为研究路线，地质现象的解释仍然以地质统计规律作为基础。

板块构造学说的建立是固体地球科学的一次革命，给人的最重要启示就是，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，进一步创立新地球观的研究路线，应该是进一步攻破物理学与地质学之间的壁垒，建立以物理学普适定律为构架的全球地质构造学说(Cox and Hart, 1986; Gubbins, 1989; James, 1989)。随板块构造学说建立的大地构造物理学，正是遵循这一技术路线开展研究的。大地构造物理学旨在建立地壳上地幔组成结构的模型，重建区域岩石圈地质作用过程，对比全球岩石圈探测成果推测岩石圈地质作用和壳—幔作用机制。但是，存在了5.6 Ga的古老地球的演化规律，依靠实验的物理学定律能说明得了吗？

地质学规律是定性的和有区域限制的，大多数是通过统计取得的，随着研究深入和统计数字的增加，地质学的规律会发生变化。面对地球这样的组成结构极其复杂和各态遍历的巨系统，通过统计取得地质学的规律是必不可少的。但是，通过统计取得的地质学规律必需符合物理学和化学的普适定律。

物理学是一门定量的和严密的学科，但也是一门简约的和实验的学科(Fowler, 2005; Leeder and Perez-Arlucea, 2006)。面对地球这样的组成结构造极其复杂的巨系统，物理学定律的导入面临两方面的困难。首先是尺度巨大的地质作用过程很难用物理实验来证实，例如，幔源岩浆的作用过程就难以在实验室重复。用计算机作数学模拟时又不知道如何给出准确的初始条件和边界条件。其次是大多数物理定律是通过简约之后得出的，例如描述固体形变的虎克定律，只对匀质固体有效。然而，地球是极复杂的巨系统，有许多尺度不同的结构，它们处于各自不同而又丰富多彩的运行体制之中。如果把注意力集中到过度简化自然现象制造出几种模式，便会有忽略真实自然丰富内涵的危险，甚至丧失自然过程真正的精华。总之，对于地球，许多物理学定理并非百分之百普适的。因此，对地球这样的极复杂巨系统，大地构造物理学必须兼顾物理学和地质学规律各自的特点，研究物理学定律和地质统计规律的适宜性和兼容性。

20世纪70年代板块构造学说建立之后，曾经有人认为只要进一步应用物理学普适定律来分析地质现象，很容易建立地球动力学的理论体系(Turcotte and Schubert, 1982)。然而，他们失望了，面对复杂的大陆地质现象，简约之后得出的物理学定律无从下手。最后，地球科学家们把大陆动力学的研究目标改为首先搞清岩石圈地质作用和壳—幔作用过程，使大地构造物理学研究取得了重要进展(McKenzie, 1978; Richards et al., 2000; Leeder and Perez-Arlucea, 2006)。

岩石圈地质作用指发生在岩石圈板块边缘和内部的地质作用。由于在大陆板块运动过程中发生大陆构造体制的转换，使大地构造体制可归纳为大陆裂解和洋底扩张、洋陆转换、大陆碰撞和克拉通化四个子系列。这四大系列的作用互为因果、相互衔接，各自又包含不同的作用内容(杨文采等, 2014b—f)。大陆裂解和洋底扩张系列主要包括以下作用：拆沉作用，盆岭构造体制，裂谷作用，洋底扩张，转换断层调整与洋脊系扩展等。洋陆转换使大陆边缘的大陆地壳物质成分增加，大陆碰撞造成大洋封闭、大陆岩石圈面积扩大，地壳缩短而且厚度增加。大陆碰撞带的克拉通化是大陆增生的最后阶段，克拉通化使大陆碰撞带的岩石圈地幔增厚，成为刚性的克拉通型岩石圈。克拉通化的后期还可发生拆沉作用、岩石圈的减薄和裂解等作用，它们是洋底扩张作用的萌芽。四大系列的作用在岩石圈中留下的刻痕，如变形带，可以通过地球物理探测发现(杨文采等，2014b—f)。所以综合岩石圈探测成果可推测岩石圈地质作用过程。岩石圈地质作用的发生原因很多，除重力均衡、地球旋转、板块运动相关的地热流、地应力调整等因素外，板块下方地幔热羽的发育也可能是重要原因之一(Condie，2001)。不过，对地幔热羽假说还有待验证。

图3 固体地球的准圈层模型，圈层平均密度、纵横波速度和相态名(杨文采， 1998)Fig. 3 Pseudo-spherical model of the solid Earth, average density, P- and S- wave velocities, and phases(Yang Wencai， 1998)

2 探测固体地球圈层的相态

物质运动的形式取决于它们所处的相态，而相态取决于它们所处的温度压力。现今固体地球总体上属于准圈层结构，内含岩石圈、软流圈、中幔圈、外地核和内地核五大圈层(杨文采， 1998，2009)，图3中除准圈层模型外，还标注了圈层平均密度、纵横波速度和相态名。固体地球的温度压力是向地心跳跃式增加的，因此不同圈层所处的温压条件差别很大，造成相态的变化。根据地震纵横波震相可以确定，内地核物质主要为高密度刚性固体，外地核物质主要为磁流体；中幔圈物质主要为较高密度的刚性固体，而软流圈物质主要为可蠕动的塑性固体。

软流圈和岩石圈之间可能没有明显的边界。大陆岩石圈组成非常复杂，内部岩石所处的相态是复合型的，有岩浆房中的液态、下地壳局部的塑性流变态和常见的固态等(White et al., 1987; James, 1989; Davices, 1999; Jolivet and Hataf, 2001; Rogers, 2004)。由岩石物理实验取得的大陆岩石圈和大洋岩石圈的屈服强度模型详见图4。由图可见，大洋岩石圈整体刚性，岩石圈内部屈服强度随深度不断增加；大陆上地壳屈服强度随深度增加，中地壳屈服强度开始随深度减小，下地壳减小到极小，总体比大洋地壳小一个级次，局部可达两个级次。因此，大陆下地壳部分区域发生流变是普遍现象，内部可发生明显的物质运动，产生比较强烈的变形。反之，大洋岩石圈结构上整体刚性，内部明显的物质流变运动不会普遍发生。因此，适用于大洋的板块构造学说，应用于大陆岩石圈物质运动研究便发生了问题。由于大陆内部的地壳部分区域发生流变，大陆板块内部发生频繁的板内地震，也可以得到解释。

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3 探测大陆岩石圈构造单元的属性

图4 由岩石物理实验取得的大陆岩石圈和大洋岩石圈的屈服强度模型，实验的压力应变率为10-15s-1(据 James, 1989)Fig. 4 Yield-strength models for the oceanic and continental lithosphere in compression at strain rate 10-15s-1(from James, 1989)

图5 过苏格兰海滨的深反射地震剖面：古板块陆—陆俯冲的“指纹” ( 据 Klemperer and Mooney, 1998a)Fig. 5 A seismic reflection profile across Scotland margin, showing continent-to-continent subduction of an ancient plate( from Klemperer and Mooney, 1998a)

大洋岩石圈的构造单元分洋盆、洋岛、洋底高原等，年龄都不超过190Ma，相对比较简单。大陆岩石圈构造单元分各种地体地块，年龄从40 Ga到现代，十分复杂，通过地球物理探测了解大陆岩石圈构造单元的属性差别也非常重要(Pakiser and Mooney，1989)。大陆岩石圈构造单元的属性分构造属性、组成属性、和力学性质三大类。

图6 过美国新墨西哥州里约格兰德裂谷的深反射地震剖面(a)及推断岩石圈构造剖面(b) (引自James，1989)Fig. 6 A seismic reflection profile across Rio Grand area in New Mexico, USA (a) and its inferred structural section (b) (from James，1989)F—H—地壳主要断裂；G1—下地壳岩浆房F—H—main faults in crust；G1—magma chamber in lower crust

现代大陆岩石圈板块内部不仅含有大量中新生代以来地质作用的痕迹，还保留了中生代造山带、古生代俯冲带、古生代裂谷等(图5～6)。深反射地震剖面调查是揭示板块地质作用痕迹的最重要方法。中生代以前的古生代造山带、古生代俯冲带等在现今地表可能消失，但仍可在大陆岩石圈内追踪到它们存在的痕迹(Klemperer , 1989; Klemperer and Mooney, 1998a—b; Yang Wencai. 2003, 2006, 2009，2014)。根据中生代以前古板块活动带地质作用的痕迹和古地磁学证据，还可以重建某些古板块的演化过程。一般来说，越晚发生的地质作用的痕迹在物性扰动图像上反映较为清晰，而早期大地构造作用的“指纹”可能淡化，或为后期地质作用所改造。壳幔结构的解构是恢复古板块演化过程的一种方法。区域壳幔结构的解构指的是按反时序逐渐将深反射地震剖面上的反射体抹除掉，从而获得某一期大地构造作用之前的壳幔结构，据此逐步重建区域岩石圈板块演化过程。

图7 华北中东部地壳浅部密度扰动平面图(引自侯遵泽和杨文采等，2014)Fig. 7 An inversed density disturbance map of shallow layer in middle—east of the North China Craton (from Hou Zhunze and Yang Wencai et al.，2014)

综合运用各种地球物理探测方法查明区域地壳及地幔物性结构(详见表1)，包括地震波速和泊松比扰动模型、反射体分布模型、电导率扰动模型、密度扰动模型、磁源分布模型、地热流分布模型和各向异性模型等。取得空间准确定位的描述壳幔物性的这些模型，常常可以识别大陆岩石圈构造单元的组成属性。例如，在结晶基底岩石中，花岗岩和花岗片麻岩的密度最低，它们在地壳浅部密度扰动平面图上一般反映为强的负异常。地壳密度扰动平面图可通过区域重力场小波变换和反演获得，图7为华北中东部地壳浅部密度扰动平面图(侯遵泽和杨文采等，1997，1998，2012，2014)。由此可见，燕山隆起带以广泛分布呈负异常的花岗岩体为其组成属性，分布于华北克拉通的北缘。图8为亚洲及西太平洋卫星磁异常图，正负相间的强磁异常在陆上主要源自克拉通的古老结晶基底，在大洋上主要源自海底扩张时由地磁极反转形成的玄武岩条带，由图不难圈出相应的克拉通地体或海底扩张玄武岩带。

图8 亚洲及西太平洋卫星磁异常图(引自袁学诚，1998)Fig. 8 The satellite magnetic anomalous map of Asia and West Pacific (from Yuan Xuecheng，1998)

大地电磁法和S波地震层析成像常常可以识别大陆岩石圈构造单元与流体含量有关的组成属性。例如，图9为过郯庐断裂带南端的地表地质和大地电磁法电阻率剖面，这一走滑断裂在地表呈现有一条糜棱岩带，宽度仅1km左右，电阻率较高(杨文采，2003)。但从电阻率剖面上见到，这一走滑断裂在地表6km以下对应一条低电阻率带，宽度可达5km，可见断裂带内裂隙发育，有地下水活动。

图9 过郯庐断裂带南端的地表地质(上)和大地电磁法电阻率剖面(下)(引自杨文采，2003)Fig. 9 A geological section (upper) and corresponding electrical resistivity profile (lower) across south part of the Tancheng—Lujiang fault zone in East China(from Yang Wencai，2003)

识别大陆岩石圈构造单元的力学性质目前还比较困难，理论上通过地温梯度等参数可以近似计算地壳深处物质的粘滞系数(安美建等, 2007；石耀霖等，2008)，但是目前计算的精度和空间分辨率较差。如果通过岩石物理实验找出统计规律，综合运用地震波速和泊松比模型、电导率扰动模型、密度扰动模型、地热流分布模型和各向异性模型来推算地壳深处物质的粘滞系数，精度和空间分辨率很可能迅速提高(杨文采，1987；金振民，1997)。

表2 大陆与大洋岩石圈的区别Table 2 The differences between the continental and oceanic lithospheres

4 综合探测成果推测大陆岩石圈物质运动

板块的行为指的就是岩石圈物质运动。板块构造学说指明了大洋岩石圈物质运动的规律(Leeder and Perez-Arlucea ，2006)。自1970年代以来，大陆岩石圈的探测也取得了重要成果。现在，可以把已知的大陆与大洋岩石圈的区别归纳于表2(杨文采，2012，2014 a—f)。组成上的区别是大陆上经常发生幔源岩浆侵入，形成了花岗质上地壳(White et al.，1987； Kay and Kay，1993；Warren，2009)。幔源岩浆侵入后果是大陆地壳总体增厚，大洋岩石圈厚度保持稳定。组织上的区别是大陆上仅少量地壳物质俯冲回到软流圈，不构成地壳物质循环；后果是大陆上地壳可保存极其古老的岩石。相态的区别是大陆下地壳物质粘滞系数降低1～2个数量级，可形成局部区域物质蠕动(Jolivet and Hataf，2001；石耀霖和曹建玲，2008)。后果是大陆地壳内部可发生强烈地质作用。因此，大陆岩石圈内部岩性极不均匀，而大洋岩石圈内部岩性相对均匀；大陆岩石圈局部区域非刚性，这与板块构造学说的论据冲突，在大陆上板块构造学说需要修正完善。为此，必须加深对大陆岩石圈调查的精细程度，通过区域地球物理场的综合分析研究，了解大陆地壳板内物质运动的不同类型及其作用机制。

全球对比同类大地构造单元的壳幔结构，乃是找出岩石圈板块的动力学作用规律的第一种方法。全球对比同类大地构造单元的壳幔结构，首先是由于大地构造运动具有各态遍历的趋向，其作用产物在不同时空区段有一定区别，而且其作用产物既可能被剝蚀掉，也可能深埋于地下无法取得样品。因此，只能通过全球对比把各区域中有代表性的地球物理指纹按发育阶段排序，才能在物理学普适规律指导下找出大地构造运动的规律。地球演化作用产物信息隐藏于壳幔结构的不均匀性之中。全球对比同类大地构造单元的壳幔结构，根据壳幔结构的差异和大地构造作用发生的时代把它们按演化阶段排序，可以找寻这类大地构造单元岩石圈生成和演化的规律性(杨文采，2014 a—f)。当前，全球典型大陆构造单元的地壳上地幔地球物理探测资料已经积累到足以开展全球对比的程度，通过地球物理观测、信息处理和反演取得空间准确定位的描述固体地球内部不均匀性的地球模型，并与地质学、地球化学信息综合研究，为研究地球演化的动力学作用规律提供了现实可能性。大地构造物理学把区域地球物理研究成果集合起来，序列起来，通过全球对比去寻找地球内部物质运动的证据，最后求得对全球和区域地质演化的系统理解。

图10 青藏高原航空磁测平面剖面图，揭示亚欧和印度板块缝合线位置(国土资源部航遙中心编制)Fig. 10 The aero-magnetic anomalous map of Qinghai—Xizang(Tibet) plateau, showing clear suture line between the Eurasia and the India plates(Compiled by Aero Geophysical Survey & Remote Sensing Center, Ministry of Land and Resources)

如果能够对中下地壳物质的主要物理参数精确成像，就可以限定可流变物质和物质运动运动的通道，圈定下地壳活动带，这对研究现代地震发生机制大有帮助。笔者等最近用多尺度刻痕分析方法研究了中国南北地震带的地壳密度扰动(杨文采, 2001；侯遵泽等，2012)，其中下地壳密度扰动平面图示如图11。图中还标出6级以上的震中位置，表明大地震震中位置与下地壳低密度扰动重合。由于下地壳含流体易蠕动的低密度 “流”，下地壳低密度扰动带很可能反映“管道流”(Nelson et al., 1996; Royden et al., 1997; Law et al., 2006; 杨辉等，2013)，位置重合是否反映了下地壳物质蠕动诱发上地壳脆性破裂和地震？

图11 中国南北地震带下地壳密度扰动平面图Fig. 11 The lower crust density disturbance map of the South—North earthquake zone图中黑圈标出6级以上的震中位置，箭头标注下地壳可能的“管道流”位置The black dots show positions of earthquake above 6 magnitude, arrows indicate possible channel flows in the lower crust

科学理论的发展源于假说，但更重视证明。大地构造物理学研究注重对新理论假说和新地质作用模式的验证。由于岩石圈地质作用的周期太长，地质作用的物理实验非常困难，验证方法主要是通过科学钻探对理论上的预测进行查验证(杨文采，2006，2009)。但是，科学钻探成本昂贵，对新理论和新模式的验证也经常应用物理模拟或计算机模拟的方法进行。物理模拟是按比例缩小尺度后在实验室进行的动力学作用实验，对检验岩石圈变形的理论模式很有效。计算机模拟应用数学物理方程初边值问题的求解对岩石圈的地质作用过程进行仿真，并通过比较现今区域地壳上地幔构造和模式计算机仿真的结果进行验证。由于计算机模拟要求事先给定动力学方程的准确的初始条件和边界条件，而这些条件又常常只能靠推测，因此计算机模拟目前还只能作为验证新理论模式的参考。

图12 CRUST2.0全球地壳厚度图，中国是全球陆上地壳厚度变化最剧烈的地区Fig. 12 The global crustal thickness map of CRUST2.0, showing the heaviest change of the thickness around China

5 岩石圈物理参数的三维精细成像

大地构造物理学研究的核心是地球物质运动的规律。肯定了地壳大陆内部的下地壳部分区域发生流变，现今发展板块构造学说的焦点就是对地壳可流变岩石进行三维成像，圈定大陆地壳内部可流变物质运动的分布，进而从下到上找出大陆地壳物质运动规律。2005年, 由美国牵头进行了全球地壳密度和地震波速成像，完成的CRUST2.0分辨率达到 2°× 2°。 CRUST2.0也给出全球地壳厚度图(图12)，由此可见，中国是全球陆上地壳厚度变化最剧烈的地区。2006年欧洲开展了地震波速成像计划, 要求尽快达到0.25°×0.25°的分辨率(Cloetingh and Negendank, 2009)。中国SINOPROBE项目在2014年，完成了全国分辨率4°× 4° 的大地电磁基准网设置，并在华北和青藏高原开展了1°× 1°的大地电磁测量。2012年开始的喜马拉雅地震波速成像计划，在2014年完成了南北地震带南段的野外调查，目前己开始在南北地震带北段的野外调查；估计几年后可以取得全国分辨率1°× 1°的地震波速成像数据。圈定中国大陆地壳内部可流变物质运动的分布，进而从下到上找出大陆地壳物质运动规律的目标，指日可待。为此，当前可分以下几个方面开展研究。

5.1 发展新方法技术，提高地球探测的效率与精度

地质作用的证据主要来自地球探测，大地构造物理学和地球物理探测方法技术一起发展，而地球物理探测方法技术随信息技术发展，大约每十年就更新换代。因此，对地球内部更深更精细的成像就源源不断地吸收来自信息科学的最新成就。进入21世纪，地球物理探测方法技术取得了重要的进展，一方面表现在卫星重力和磁力测量上，另一方面表现在轻便远程地震仪的普及上。

2008年，进行根据卫星重力测量数据建立了地球重力场模型( Earth gravitational model—EGM2008)。地球的重力场由地球的引力场和地球自转产生的离心力场两部分组成，除了在地面上直接观测外，地球外部空间的引力场可以通过人造卫星轨道参数的变化来确定(Adlan and Safari , 2005)。假定地球为旋转椭球体，则从理论上可以计算这个假想地球所产生的重力场，称为为正常重力场。卫星重力测量地球重力场与正常重力场的差值称为地球的重力异常，包括自由空间异常(图13)和布格重力异常。根据地球的重力异常场可以研究地球的形状、确定大地水准面的高度和垂线偏差，研究地壳上地幔结构。目前，地球重力异常场模型的精度达到 9.5mgal，空间分辨率已达到比例尺1: 150万左右。地球磁力异常场模型也即将问世。

图13 中国及邻区EGM2008自由空间重力场模型Fig. 13 The EGM2008 free-air gravitational map around China

除了全球几百个固定地震台站在连续监测地震活动之外，现今还有几千台流动轻便的远程地震仪，安置在海底和大陆，采集全球和重点区域的地壳运动数据。地震时震源激发的地震波场照亮了地球内部的结构构造。根据地震层析成像的理论对地球内部的结构构造成像，使区域地壳上地幔变得透明(杨文采，1989)。例如，图14为过东非大裂谷的全地幔S波速截面图(Charles and Barbara, 2000; Marone et al., 2004)；由此可知，东非大裂谷下方的低速带一直延深到下地幔底部，可能反映“超级地幔热羽柱”(Lechie et al., 1997)。目前，区域地壳上地幔地震层析成像的空间分辨率正在快速提高。此外，上地幔地震各向异性也是近年来大地构造物理学发展的一个前沿。上地幔主要成分为橄榄石，由于地幔物质在应力作用下缓慢流变，橄榄石会呈现很强的各向异性特征，这是构造运动在岩石圈遗留的“化石”各向异性。地震波穿过各向异性介质传播时，相速度和群速度会随着传播方向的不同而变化，横波会分裂为两个互相垂直偏振的震相，称为快横波及慢横波，它们具有不同的传播速度和不同的质点振动方向。根据各向异性介质中快、慢波之间的时间差等地震波偏振特征可以追溯上地幔橄榄石各向异性和曾经历的构造应力方向。

图14 过东非大裂谷的全地幔S波速截面图 (from Marone et al., 2004)Fig. 14 A section of S-wave velocity image across the East-Africa rift zone

5.2 通过反演成像建立各种类型构造单元的地壳上地幔物性模型

区域地球物理调查的第一阶段的目标是反演地壳上地幔的三维结构(图2和图14)。地球物理反演是指根据地表或卫星观测到的地球物理场数据，从物理学的基本原理出发，计算地球内部介质(场源)的物理参数的空间分布 (杨文采，1989； Yang Wencai, 2014)。地球物理观测数据可以表示为关于地下介质参数的泛函表达式，在模型空间和数据空间之间建立了一种数学映射，这就是所谓的地球物理正演问题。反演问题则是在数据空间和模型空间之间建立一种逆映射方程式，由观测数据获取模型物理参数。在表1中已经列出了可能用于地壳上地幔三维结构反演的物理参数，包括磁化强度、密度、电阻率、纵—横纵波速度及泊松比、散射系数、地震各向异性系数等。为了获得地壳上地幔的三维结构，要进一步改善地球物理反演的理论和方法，克服地球物理反演内在的多解性，在提高反演的分辨率同时防止任何形式的假象。多震相地震波场反演、三维地震各向异性系数、三维磁源深度和磁化强度反演等，都要创新理论和方法。此外，还要尽快吸收局部分析、多尺度分析和刻痕分析等应用数学的最新成果(孙艳云和杨文采,2014；侯遵泽等，2011, 2014)，用于地球物理场数据的分解和特征信号提取，揭示地壳上地幔的三维结构。

5.3 通过地球探测数据的大量积累和信息提取分析发现各种类型的地质作用机制

上面已经提到，简约了的物理系统的动力学方程，在应用于固体地球演化时遇到三大难题。第一，物理学中的本构方程，只是在实验室中用均匀材料取得的，能否不经证明直接应用于高度不均匀的地球介质？第二，地球演化的初始条件现今已无法测量，而演化过程并非线性，如何给出准确的初始条件来建立数学物理方程，使计算的演化过程不会走向混沌？第三，地球动力学作用区域本来不存在边界，如何给出正确的边界条件来建立数学物理方程，使计算得以进行而且给出正确答案？这三大难题阻拦了地质作用模型的量化。我们知道，对一个区域而言，岩石圈演化是由一系列事件组成的，一个事件代表特定时期岩石圈的行为，它又可以划分为若干个发育阶段。通过地球探测数据的全球对比，查看每个阶段岩石圈作用的行为特征，把它们按时序逐渐过渡排列，便可恢复这一事件的地质作用过程(杨文采,2009， 2014 a—f)。

实验室岩石物理性质的测定和测定数据的全球统计对比是地球探测数据分析和发现各种类型的地质作用机制的重要基础之一。不仅要统计全球地壳上地幔岩石的物理参数，包括磁化强度、密度、电阻率、纵—横波速度及泊松比、散射系数、地震各向异性系数等，对比分析找出其规律性(金振民，1997)；还要用研究这些参数计算地壳上地幔力学参数(如粘滞系数)的方程式，用于岩石圈地质作用过程的深入研究。

在查明多种类型的岩石圈地质作用过程之后，由于取得了前一阶段地质作用的时间、空间信息，可以有依据地给出初始边界条件，对其中的某一个阶段的作用便可建立数学物理方程并用计算机模拟特定时期的地质作用过程，提供关于这个阶段岩石圈地质作用过程的细节，作为验证某种类型的岩石圈演化模式的参考。从岩石圈地质作用过程的定性研究到定量研究，也是当今大地构造物理学发展的重要方向。

图15中国大陆主要含油气盆地类型及位置分布图Fig. 15 Types and locations of oil/gas basins in Chinese continent

在众多岩石圈地质作用过程中，洋陆转换作用和大陆增生作用成为近期研究作用的重点。这些地质作用不仅属于尚未定论的关键研究课题，对地球演化规律的探索至关重要，而且对于勘探石油天然气和急缺固体矿产也具有重要指导意义(杨文采, 2014 b)。中国陆缘海岩石圈是全世界研究现代洋陆转换作用过程的首选地区之一；青藏高原和华南是全世界研究显生宙洋陆转换作用过程的优选地区。亚洲中部的蒙古—鄂霍次克碰撞带和中国内蒙古是全世界研究大陆增生作用过程的优选地区。在这些区域开展全面的大地构造物理学研究，尤其是现代中国陆缘海岩石圈结构与构造研究和华南显生宙洋陆转换作用规律与演化过程研究，必定可以推动固体地球科学的创新。

6 认识地球，确保社会可持续发展

现今世界地球能源资源匮乏、地质灾害频发，社会发展难以持续。能源资源和地质灾害都发生在岩石圈，通过大地构造物理学逐步搞清岩石圈地质作用的机制，可为解决现代社会可持续发展难题提供理论根据。

中国是板块内部地震频发的国家(图11)，加强现代地壳运动观测，研究板内地震发生分布规律、地壳结构构造和变形机制，有可能迅速提高强烈地震预测的准确度，明显降低地质灾害对人类社会的破坏效应。板块内部的地震断裂主要有拉张、逆冲和走滑三种类型，对应三种不同的地震构造和震源机制。三种不同的地震构造对地震短期预测的难度是不一样的。因此，即使地震短期预测是一个世界性的难题，也有可能首先在其中某一种地震构造的地震短期预测上首先取得突破。

虽然中国是石油、天然气能源紧缺的国家，但是中国大陆含油气盆地类型多(图15)，分布范围广。我国陆缘海沉积盆地广泛发育，深层烃类资源还大有潜力(李德生,2002;杨文采和于常青, 2007)。例如，石油地质学家根据生油岩体积估算，塔里木盆地的油气远景储量可达220亿吨，超过了松辽盆地和环渤海盆地。不仅如此，该盆地有生油期很长，起到保存油气床的盖层(如膏盐层)也普遍发育，生油储油和保存油气的条件比中国其他盆地都好。但是，目前塔里木盆地还没有找到超过大庆的特大型油气藏。能否在塔里木盆地找到第三个大庆？塔里木盆地有56万平方千米的面积，塔里木盆地的主力生油期在古生代，尤其是早古生代，特大型油气藏如果存在，埋藏大都深达5 km以下(侯遵泽和杨文采, 2011)。由于深层钻探成本非常高(单口井在亿元以上)，如果没有高度准确地球物理定位方法技术，油气勘探是难以取得成功的。为了获得地壳上地幔的三维结构，大地构造物理学研究吸收了局部分析、多尺度分析和刻痕分析等应用数学的最新成果，创新了地球物理反演的理论和方法，为特大型油气藏远景区的定位研究提供新的技术手段。大地构造物理学研究可获得塔里木盆地地壳上地幔的三维结构，可为油气成藏和运移圈闭分析提供理论上的指导。

总而言之，21世纪是固体地球物理发展的新纪元，必将伴随信息时代的进步取得突破性进展。大陆地壳和海洋地壳结构上的最基本区别是后者是整体刚性的，内部不存在明显的物质运动。前者的下地壳部分区域是不均匀和流变的，其中的物质运动使大陆板内的地壳产生比较强烈的变形和岩浆活动。因此，当前发展板块构造学说的焦点就是对地壳不均匀性和流变岩石进行三维成像，从下到上找出大陆地壳物质运动规律。同时，一定要坚持深层油气和地震预测方面的应用基础研究，为人类社会可持续发展做出更大的贡献。