地球三级层流隆陷构造系统的关联机理

李德威

地球三级层流隆陷构造系统的关联机理

李德威

（中国地质大学（武汉） 地球科学学院和青藏高原研究中心， 湖北 武汉 430074）

本文针对板块构造学说不能合理解释的一些重大科学问题， 采用系统科学和系统哲学的分析方法， 研究开放复杂地球系统及其子系统的时空、物质和能量规律。作者高度综合了超洋陆、洋陆和大陆盆山系统几何学、运动学、流变学和演化史的基本特征， 初步阐明了地球内部三个软流层四维非均匀层流及其多级垂平转换形成超洋陆、洋陆和盆山的统一动力学机制， 强调热动力引起岩浆活动、固态流变是地球构造活动的主因， 揭示了地球各子系统不同热状态下的物质运动规律， 提出了南半球现代特提斯、未来超大洋-超大陆格局、西太平洋存在中、新特提斯及其相关古陆、北美西部裂陷成洋、地球三级非均匀层流导致地球磁场动态叠加和磁极移动、地热能取代碳能带动新产业革命等十大科学猜想。上述研究成果为创立全新地学理论奠定了基础， 并为人类改善地球生态环境提供了一个新的思路。

地球内部系统动力学； 现代特提斯； 超洋陆-洋陆-盆山关联机理； 三级层流； 地球磁场成因

20世纪六十年代， 板块构造学说的诞生引起了地球科学革命， 以水平运动为核心的活动论思想取代了以垂直运动为核心的槽台学说。此后新资料不断涌现， 板块构造学说的问题越来越多， 一些学者提出了地体构造、颤动构造、地幔柱、拆沉作用、渠流构造等模式， 试图弥补板块构造学说的不足。然而这些局部模式带来的渐进发展并不能解决板块构造学说存在的根本性问题——板块构造学说定义中5个要素和板块几何学、运动学、流变学、演化史及动力学所存在的问题（李德威， 2014a， 2014b）。实际上， 只要认识到现今全球六大板块都无法找到由同期形成、深至岩石圈底面的洋中脊、俯冲带、转换断层组成的板块边界这一基本前提， 就无需追究其他问题， 只需探究地球的真实规律。

2005年《Science》为纪念创刊125周年， 推出了125个最具挑战性的科学问题， 涉及地球科学的科学问题有： 地球内部如何运行？ （列第10位）； 温室效应会使地球温度达到多高？ （列第23位）； 什么时间用什么能源可以替代石油？ （列第24位）； 使地球磁场反转的原因是什么？ （列第54位）； 是否存在有助于地震预报的前兆？ （列第 55位）； 生物大灭绝的原因是什么？（列第107位）； 能否预防大灭绝（列第108位）。只有从整体上认识地球内部系统物质运动和能量传输规律，才能有效解决上述重大科学问题， 科学预测地球系统未来的发展趋势， 提高人类改善地球环境的能力，促进人类与地球的协调发展。

本文试图综合前人大量研究成果， 以系统科学和系统哲学思想为指导， 进一步探讨复杂开放地球系统及其内部各子系统时空、物质和能量的关联性，并对某些重大地学事件进行推断和预测。期望本文能够起到抛砖引玉的作用， 为人类认识、遵循和利用地球自然规律做出应有的贡献。

1　基本事实

构造分析的最高层次是动力学分析。要建立地球内部系统的动力学模式， 首先必须认识地球及其子系统的几何学、运动学、流变学和演化史。对此本文从十个方面进行简要的论述。

1.1地球及其子系统的形态

现今地球整体形态的南北不对称性和梨形特征早已得到认识， 经人造卫星轨道参数变化计算得到的大地水准面而证实（马宗晋等， 2002）。但是地球“南胖北瘦”的原因一直不明。值得重视的现象是大地热流值较高的南半球洋大陆小， 例如， 现今全球海洋面积占71%， 其中90.9%的海洋出现在南半球。更为重要的是， 大西洋、印度洋和太平洋一致向南开口，它们的洋中脊南端均与南半球近东西走向的巨型洋中脊相连， 笔者将南半球近东西走向的大洋盆称为现代特提斯， 与其连为一体的大西洋、印度洋和太平洋构成未来超大洋的雏形（图1）。

开放复杂地球系统按层块可分别划分出三个子系统（李德威， 2005）。地球分块子系统也是构造地貌系统， 包括超洋陆结构、洋陆结构和盆山结构； 分层子系统包括地球内层、地球表层和地球外层， 地球内层通常分为地核、地幔和地壳。地球内部分层结构的划分准则应当是构造-建造突变， 在于地温场随深度的渐变性与地震波速推断的固流层之间的突变性。由于地球内部温度随着深度逐渐增加， 当上部流动圈层之下出现固体圈层， 表明难熔高密层与其上的相对易熔低密层之间存在重大岩石-构造分界面， 这种相变体现了岩石熔点及其岩石类型的巨大差异， 其间为重大的顺层滑脱构造界面， 这种活动界面也是地球物理异常分界面， 应当作为地球内部一级结构划分面。据此地球内部可划分出如下四层结构： 地核（相当于通用的内核）、内幔（从外核至地幔软流圈底面）、外幔（从地幔软流圈至莫霍面）和地壳， 体现了地球内部热熔化物质的化学反应、重力分异及其分层流变。

本文主要讨论地球基本构造单元的关联成因，特别是地球内部三个软流层热流物质关联运动的规律及其效应。

地球内层基本构造单元与地貌单元吻合， 超大陆和超大洋、大陆和大洋、盆地和山脉具有关联的隆拗结构及类似的构造组合， 主要表现在：

（1） 平面上， 多级隆拗组合均由拗陷单元、隆起单元及其间的过渡单元组成， 洋陆相互作用的过渡带常为海岛组合。

拗陷单元常见三种形态： ①等轴状洋盆、海盆和陆盆， 如太平洋、墨西哥湾和四川盆地； ②短轴状洋盆、海盆和陆盆， 如印度洋、白令海和塔里木盆地； ③长条状海盆、裂谷和地堑， 如红海、东非裂谷和汾渭地堑。隆起单元少见等轴状（青藏高原近似于等轴状）， 主要有两种形态： ①长条状大陆、岛屿和山脉， 如美洲大陆、苏门答腊和安第斯山； ②短轴状大陆、岛屿和山脉， 如澳大利亚、台湾和天山。全球各大陆的平面形态有一个共同特点， 那就是北宽南窄， 向南有拖尾， 呈不规则的倒滴珠状。另外大陆形态还可描述成菱形（如欧亚大陆）、不等边三角形（如南美）、肾状（如澳大利亚、非洲）。

图1　全球洋陆结构及超洋陆发展趋势（底图来自网络）Fig.1 The global ocean-continent pattern and trend in development of the super ocean-continent

（2） 剖面上， 洋陆构造圈（外幔流层以上部分）和盆山地壳均呈透镜状结构， 透镜体顶面与底面基本上镜像对称， 透镜体颈缩部位对应洋中脊和盆地扩张中心， 透镜体膨大部位一般出现在大陆和造山带的中央部位， 但是作为复合造山带的青藏高原例外，周边高山区地壳厚度相对青藏高原腹部平坦区较薄，尚未达到重力均衡状态。超洋陆构造圈（内幔流层以上部分）可能存在类似的剖面结构。

隆拗组合在结构上有对称与不对称之分。大西洋、东非裂谷等拗陷单元与周边隆起单元基本对称。印度洋、太平洋与周边大陆和岛屿在东西和南北方向上均不对称（图1 ）。对于印度洋系统， 从东西方向上看， 印度洋周边是向北突出的弧形大陆群， 从西向东为非洲大陆、欧亚大陆和澳大利亚大陆， 弧顶指向规模巨大的欧亚大陆三角形地壳加厚区； 从南北方向上看， 以东经90°海岭为界， 东侧为印度洋与欧亚大陆活动过渡带， 构造-岩浆-灾害极其强烈，发育沟弧盆系， 西侧则为稳定的洋陆过渡带。相应地， 恒河盆地具有类似的东西向不对称结构。恒河盆地三边是向北突出的弧形至三角形山脉群， 恒河盆地北部是包括青藏高原在内的三角形地壳加厚区，地震活动十分强烈（李德威等， 2014）， 恒河盆地南侧是隆起幅度较小的温迪亚山脉。恒河盆地与周边山脉构成的不对称结构与向南开口、三边环陆的印度洋结构相似， 并与印度洋三联点结构有关。初步认为， 连接印度洋与现代特提斯主洋盆的三联点与洋陆物质向北运动之间存在成因联系。对于太平洋系统， 从近东西方向上看， 太平洋周边是向北西方向突出的弧形大陆群， 从西向东为澳大利亚大陆、欧亚大陆和美洲大陆， 弧顶方向也是规模巨大的欧亚大陆。从近南北方向上看， 以西经150°为界， 东太平洋内部结构较简单， 以洋中脊及其伸展构造为特征，东侧洋陆过渡带没有沟弧盆组合， 北段主体为伸展构造， 叠加圣安德烈斯走滑断层。西太平洋内部结构和构造复杂， 现今面貌以洋岛为特征， 串珠状分布的洋岛热点链呈NW方向排列。太平洋西部和西北部洋陆过渡带具有典型的沟弧盆组合， 这种大陆边缘盆山系统只出现在洋陆相互作用的构造环境。太平洋向北西方向突出的弧形大陆群弧顶部位的华北盆地也有类似的不对称盆山结构， 向北西方向突出的弧形山脉由大别山、太行山、西山、燕山和朝鲜半岛组成。这种盆山、洋陆几何学与运动学的关联性具有深刻的系统动力学含义。

值得注意的是， 在南美大陆与南极洲大陆之间存在转折端向东突出的巨型倾竖顶厚流变褶皱， 卷入许多微型陆块群（图2）， 褶皱轴面正好与南半球现代特提斯近东西向巨型洋中脊产状一致， 其成因可能是控制现代特提斯洋中脊之下超级深地幔墙（称为内幔墙）向东流动扩张产生的， 热流体撞击作用还造成倾竖流变褶皱转折端异常发育地震和火山。当内幔墙向东穿透这个巨型倾竖流变褶皱， 大西洋南侧将形成新生的三联点（图2）。

如果完成上述过程， 那么现代特提斯与三个北侧分支洋盆均以三联点相连。洋中脊三联点的构造意义重大， 应当摆脱板块构造观重新认识。洋中脊三联点周边地质体具有相同的构造属性、物质组成、地质特征和形成时代， 它们不应当作为板块的分裂点或三个板块的分界点。反之， 很可能是现代特提斯主洋盆与北侧分支洋盆的有机结合点或扩张中心点， 其成因可能与现代特提斯主洋盆推动分支洋盆向北运动有关， 是超洋陆系统演化过程中内幔构造热活动的主干通道。

图2　南美洲与南极洲之间巨型倾竖褶皱及其现代特提斯内幔墙向东扩张（底图来自网络）Fig.2 The giant plunging vertical fold between South America and Antarctica and eastward expansion of the deep mantle wall in the Modern Tethys

隆拗组合的边界形态可分为三种： 线状（如红海）、不规则弯曲状（如地中海）和弧形。洋陆和盆山系统的弧形边界具有特别重要的意义， 体现了拗陷构造单元对隆起构造单元的深层热动力作用和隆起构造单元向拗陷构造单元浅层非均匀重力扩张。

1.2地球及其子系统的位态

地球及其子系统要素的产状决定其位态。对于地球整体而言， 地球具有倾角不断变化的自转轴，梨形地球存在南北向对称面。

对于洋陆的位态， 有不同的要素。本文根据洋中脊的产状划分出对称洋盆（如大西洋）和不对称洋盆（如太平洋）。近南北走向的大西洋、印度洋和太平洋的洋中脊向南与近东西走向的现代特提斯巨型洋中脊相连， 现代特提斯具有南北不对称特征， 主洋盆北侧发育分支洋盆（图1）， 具有推动大陆向北运动的作用。大陆按其平面形态也有对称（如澳大利亚）和不对称（如美洲）之分。

对于大陆内部和边缘的盆山位态， 只要不是等轴状产出， 都有其长轴方向， 相邻的盆山长轴走向往往近于平行。对于喜马拉雅这种北翼缓南翼陡的不对称造山带， 轴面向北倾斜。像秦岭、天山这类对称的造山带， 轴面直立。盆地和地堑也分为不对称状（或箕状）和对称状。

洋陆和盆山的边界产状一般有两种形式： 洋陆或盆山相互作用的边界发育压性边界构造， 其产状一般向陆或向山倾斜， 如西太平洋与欧亚大陆之间、恒河盆地与喜马拉雅之间的构造边界； 洋控陆或盆控山的边界发育伸展构造， 其边界伸展构造产状一般向洋或向盆倾斜， 如大西洋东西两侧、华北盆地与太行山之间以正断层或拆离断层为控盆构造边界。

地球多级子系统标志性构造的产状保持一致性，可作为运动学和动力学分析的基础。例如， 全球洋陆和盆山系统均存在多尺度近南北向线性热隆伸展构造， 最大一级线性热隆伸展构造是近东西走向的现代特提斯洋中脊及其超级地幔墙， 大西洋、印度洋和太平洋近南北向的洋中脊与近东西走向的现代特提斯洋中脊相连， 具有从南向北扩展之势。现代特提斯洋超级地幔墙向北强烈扩不仅与大西洋、印度洋和太平洋近南北向洋中脊有关， 还与大陆内部近南北向伸展构造有关， 制约东非裂谷、贝加尔裂谷、波罗的海-波的尼亚湾、里海、巴芬湾-打一海峡、加利福尼亚湾（科尔特斯海）及北部中央谷地等大型近南北向线性热隆伸展构造。青藏高原近南北向地堑十分发育， 并与异常高值大地热流、温泉、地震、多金属矿床、低速-低阻层分布带吻合， 是源于恒河盆地下地壳非均匀向北流动的结果， 与印度洋地幔非均匀向北层流有关（李德威， 2003， 2008， 2015；李德威等， 2009； Li， 2008， 2010， 2013）。

1.3地球及其子系统的变形量级

在分析变形量级之前， 有必要审视构造变形的概念。构造变形是指在动力作用下岩石或地质体发生形态和位态的变化。因此， 广义的构造变形应当包括在热动力作用下形成的岩浆或各种热液本身及其相关岩石发生形态和位态的变化。包括岩浆在内的各种流体活动是最具有活力的构造变形。洋陆形成以地幔岩浆底辟及其热隆伸展构造环境下亲幔型深源岩浆活动为特征； 洋陆转换以造成洋盆消减的挤压构造及其后沿着转换带（蛇绿混杂岩带）发生的线性伸展构造（准裂谷）为特征， 是侧向造陆过程而非碰撞造山作用， 线性幔隆伸展与壳幔混合型岩浆活动及成矿作用有关； 陆内盆山耦合以外幔流层底辟及其地壳热隆伸展构造环境下壳幔混合型（盆）和亲壳型（山）浅源岩浆活动为特征； 陆缘盆山（弧后盆地与岛弧）耦合以外幔流层（软流圈）撞击俯冲洋壳造成壳幔混合型（岛）岩浆活动、外幔底辟型（盆）岩浆活动为特征。

地球整体存在非均匀膨缩变形， 现今地球表现为洋盆及洋中脊发育的南半球处于膨胀状态， 以大陆为主的北半球同步收缩， 膨缩峰期南北半球半径差值可能达数百公里。

地球各子系统不同阶段和不同构造部位变形量差异很大。即使在同一构造单元同期构造活动过程中， 流体运动的变形量级比脆-韧性剪切、褶皱作用、断裂作用大得多， 在强烈的热构造活动期超过韧性剪切。由于韧性剪切是连续变形， 在较长地质时期可累积很大的变形量。在同一构造期变形量与构造单元的类型和构造变形的方式密切相关（表1）。

1.4地球及其子系统的构造样式

构造样式体现构造变形的风格和特点。初步归纳地球及子系统的构造样式为盆山与洋陆协同演变、多尺度伸缩转换、多级走滑调整和分层块差异流变。

表1　不同大地构造单元各种变形方式的变形量Table 1 Deformation magnitude of various deformation modes in different tectonic units

（1） 盆山与洋陆协同演变。在洋控陆的区域性伸展构造环境下， 大陆内部同步发育盆山系统。例如， 燕山早期西太平洋向西扩张， 中国中部伸展性盆山系统同步形成； 燕山晚期西太平洋再次向西扩张， 中国东部伸展性盆山系统同步形成， 并造成中国中部盆山系统发生伸缩转变。在洋陆相互作用的区域性挤压构造环境下， 形成大陆边缘盆山系统。例如， 始新世以来太平洋与欧亚大陆变为相向运动，在欧亚大陆东缘形成沟弧盆体系。

至于北美大陆燕山晚期伸展性盆山构造， 可能与东太平洋和大西洋的洋控陆作用有关， 美国西部盆岭省广泛发育正断层和拆离断层， 造山带出现变质核杂岩（Coney， 1980； Wernicke et al.， 1988）。这种陆内盆山伸展构造系统难以用板块俯冲模式解释，东太平洋的洋中脊向北有伸向北美西南缘之势， 地幔的伸展作用制约了地壳的伸展作用。东太平洋与南美西部之间则是另一种构造环境， 受东太平洋外幔流层（软流圈）热流物质向东层流和大西洋外幔流层（软流圈）热流物质向西层流并推动南美大陆向西运动的影响， 中新世洋陆边界发生构造性质转变，由洋控陆转变为洋陆相互作用， 但是还没有进入到沟弧盆状态。

非洲大陆不仅有盆山体系， 还出现东非裂谷，“非洲板块”东、南、西三侧均为扩张的洋中脊， 东北侧是正在扩张的红海， 然而“非洲板块”没有出现强烈的多向挤压变形， 反而产生强烈伸展的东非裂谷，这是洋控陆过程中外幔流层（软流圈）热流物质汇聚后产生的线性热隆伸展构造。

（2） 多尺度伸缩转换。地球整体构造样式是南半球伸展与北半球收缩形成转换， 洋陆体系和盆山体系也常见伸缩转换。从早古生代以来， 特提斯系列自北向南的伸缩转换十分典型（Li， 1994； 李德威，2008）。

现今的洋陆格局也具有多尺度伸缩转换构造，例如， 太平洋域具有典型的壳幔尺度东伸西缩构造特征， 并制约了华北地壳尺度东伸西缩构造格局。东太平洋地幔尺度的线性热隆伸展构造影响到北美西部地壳伸展及其盆山系统。宽阔的西太平洋内部暂时没有发现古洋中脊， 不同方向的次级隆拗构造组成复杂的叠加构造格局， 新生代还叠加了一系列北西走向串珠状排列、定向迁移的洋岛， 组成热点链， 与东太平洋地幔墙及其热线之间存在成因联系。西太平洋西侧洋陆边界是挤压背景下的陆缘盆山系统， 体现了洋陆相互作用， 响应了东太平洋地幔墙的扩张作用。

印度洋北部洋陆过渡带则是西伸东缩构造样式。以南北构造带及东经90°海岭为界， 印度洋西北缘是伸展性稳定大陆边缘， 印度洋东北缘为挤压性活动大陆边缘， 出现典型的沟弧盆体系。

喜马拉雅造山带中上地壳具有典型的北伸南缩构造样式， 中新世以来， 北喜马拉雅发育拆离断层，小喜马拉雅发育推覆滑覆构造， 高喜马拉雅是世界上最大的变质核杂岩（李德威， 1992）。

（3） 多级走滑调整。地球内部具有不同尺度的共轭走滑调整（图1）。洋陆系统与洋盆扩张有关的典型共轭走滑构造包括北太平洋两侧由圣安德烈斯右行走滑断层与郯庐左行走滑断层构成的陆内走滑调整构造和印度洋由Amsterdam断层带-东经90°海岭与Mozembique断层带-Madagascar海岭-Owen断层带组成的洋内走滑调整构造。在陆内盆山系统与洋盆扩张有关的典型共轭走滑构造是青藏高原及邻区三角形地壳活动构造域东西两侧陆内共轭走滑调整（李德威等， 2014）和土耳其-伊朗高原南北两侧和青藏高原周边盆山边界多组共轭走滑断层系。共轭走滑调整对研究洋陆耦合、盆山耦合的强度及其关联度有重要的意义。

（4） 分层块差异流变。地球差异流变具有分层性和分块性。地球内部三个软流层是最显著、最重要的顺层流变层， 初步认为地球内部三个密切相关的软流层从下向上其热力、活性、厚度、影响范围和流速依次降低， 粘度增加体现了深部构造热作用制约浅部构造热活动。地球内部三个软流层不仅发生顺层流动， 而且可以转换成垂直运动。洋中脊、大陆裂谷分别与洋内和陆内强烈的墙状垂向热流作用有关， 可能是不同深度的地幔墙底辟作用的结果；洋岛可能与洋内柱状深地幔热流物质底辟作用有关，陆缘和陆内盆地可能与柱状浅地幔热流物质底辟作用有关； 大陆内部下地壳墙状底辟作用形成地堑。

沟弧盆系具有洋陆过渡带最强烈的垂向热流构造； 南半球近东西走向洋中脊体现了地球内部最强烈的垂向热流构造， 南美洲与南极洲之间大尺度倾竖顶厚流变褶皱可能是现代特提斯内幔墙向东强热刺作用的结果。

1.5地球及其子系统的运动方向

关于洋陆系统的运动方向， 有大量的研究成果。其中值得注意的是， 王水禄（2012）阐述了地球公转引起大陆由南极螺旋状“出口”而生、经过“S”形运动路径至北极螺旋状“进口”而终的演变过程。

前寒武纪蛇绿岩带受到强烈改造很难恢复古洋陆结构。本文从中国及邻区蛇绿混杂岩带时空结构说明显生宙洋陆宏观运动方向。中国和全球蛇绿岩带时空分布规律较明显（张旗和周国庆， 2001； Dilek and Furnes， 2011）， 如果消除正在进行的洋陆相互作用和洋陆之间及大陆内部巨型和大型走滑构造带（图1）的影响， 显生宙全球近东西走向的古大洋总体呈现自北向南迁移之势， 相应的大陆由南向北运动并相继拼合， 这种洋陆迁移规律在青藏高原及邻区最明显， 原特提斯、古特提斯、中特提斯和新特提斯相继同步发生洋陆转换， 各碰撞带相继从线性挤压构造向线性伸展构造体制转折， 欧亚大陆不断向南侧向生长（Li， 1994； 李德威， 2008）。现代特提斯向北强烈扩张及其陆块群有序迁移是特提斯体制下超洋陆演化的最终环节， 可以根据现代特提斯的扩张速率和非洲、澳大利亚、南美等大陆向北的运动状态和现代特提斯北侧三大分支洋盆运动状态估算未来超大陆和超大洋的形成时间和中心位置。

大陆盆山构造迁移方向受制于相关的洋陆作用。中国西部及邻区的盆山作用从新疆到青海涉及青藏高原北部的广大地区以燕山早期的盆山作用为特征； 青藏高原中部的盆山作用发生在燕山晚期和喜马拉雅早期， 青藏高原南部和恒河盆地的盆山作用发生在喜马拉雅晚期， 它们可能受控于中特提斯、新特提斯和现代特提斯的洋陆作用， 是外幔（软流圈）层流的结果。青藏高原及邻区巨大的三角形活动地壳加厚区和恒河盆地四周山脉差异分布统一机理可能是印度洋外幔（软流圈）物质中新世以来向北层流至恒河盆地中央显著加厚， 不对称底辟作用导致恒河盆地下地壳发生以向北为主导的非均匀流动（Li， 2013； 李德威等， 2014）。中国中、东部及邻区燕山早期和燕山晚期的盆山作用向东迁移与西太平洋复杂的叠加结构有关， 广阔的西太平洋不可能是延伸到北美大陆西缘的东太平洋洋中脊扩张而成， 西太平洋可能存在向东迁移的中特提斯和新特提斯，台湾大南澳蛇绿混杂岩可能是中特提斯出露的残余洋壳， 中、新特提斯外幔流层（软流圈）层流控制了中国中、东部及邻区的盆山成因和有序迁移。

此外， 洋陆作用的主方向不仅决定了盆地及其周边山脉的弧形分布形式， 而且制约了洋陆系统共轭走滑调整构造系统。例如， 印度洋中新世以来向北的不均匀扩张作用导致恒河盆地以北形成三角形活动地壳增厚区， 这个三角区东西两侧发育共轭的巨型走滑剪切带， 其东界中新世以来的右行位移量达1100 km（李德威， 2008； Li， 2010）。恒河盆地南侧为地势较低的德干高原和温迪亚山脉， 东西两侧山脉高度介于盆地南北两侧山脉之间。

1.6地球及其子系统的运动方式

大量事实表明， 地球及其子系统的运动方式不只是槽台学说强调的垂直运动和板块学说强调的水平运动， 而是多级垂平转换运动， 表现为多种形式的物质循环运动。笔者曾多次阐述过有关内容（李德威， 1993， 1995， 2003， 2005， 2012， 2014a， 2014b）， 本文补充如下：

（1） 地球及其子系统的运动方式和构造活动性主要取决于热融化和热软化物质的运动状态， 热融化产生构造活性最强的岩浆和流体， 深源岩浆底辟上升是地球垂直运动的主要动力源， 南半球现代特提斯中巨型洋中脊的深部动力可能源于内幔流层（外核）巨量岩浆上升。热软化物质以固态流变的方式发生层流及其韧性剪切变形， 不同层次的固态流变物质流出与流入同步形成不同尺度的拗陷-隆起构造地貌单元。

（2） 地球及其子系统水平运动的主要驱动力是地球内部三个软流层固态流变物质的顺层流动。据特提斯迁移规律、全球洋中脊南北半球发育程度的巨大差异及其大陆群向北大规模运动推断， 地球最大的水平运动动力可能来自内幔流层（外核）， 应当重新认识内幔流层的成份、物性、强度、温度、密度、厚度、波速精细结构及其岩浆垂向运动和半固态流变物质顺层流动的规律和效应， 解析地磁场的成因及其动态演变和磁极迁移的机理。

（3） 地球系统和各子系统垂直运动与水平运动相互转换。构造运动取决于物质运动， 物质运动取决于系统能量。对于大陆盆山物质运动， 表浅层次物质运动最显著特征是山脉剥蚀物搬运到盆地沉积，根据盆山地壳透镜状结构及其分层流变规律、盆控山阶段伸展构造性质和盆山地壳热结构、波速结构和电性结构， 推断盆地下地壳在地幔异常热能作用下热软化物质韧性层流至造山带， 形成盆山透镜体状结构， 其上、下层次近水平方向的物质运动通过盆地地壳减薄、断陷沉积和造山带地壳加厚、岩浆底辟及其变质核抬升剥露等垂直运动链接， 构成盆山地壳物质循环（李德威， 1993， 1995）。造山带广泛发育的变质核杂岩是下地壳或中地壳岩浆上升带动深层变质岩上升， 造成基底与盖层之间角度不整合被同造山热隆伸展构造改造而成。因此， 大陆盆山伸展构造的成因不是流行的地壳水平方向主动伸展作用， 而是下地壳热流物质垂向运动导致中、上地壳水平伸展（李德威， 1995）， 陆内盆地伸展构造是外幔流层加厚底辟的结果。

洋陆系统与大陆盆山系统具有相似的垂平转换和物质循环过程， 大陆剥蚀物搬运到海洋中沉积，大洋外幔流层（软流圈）物质从洋中脊侧向流向大陆，这个过程必然伴生洋盆的减薄和大陆的垂向生长（李德威， 2011， 2012， 2014b）。对于超洋陆系统， 可能是多期多组洋陆系统通过内幔流层（外核）定向层流及其超级上升流（如地幔墙、地幔柱）有序迁移所产生的全球构造， 涉及到整个地球内部的垂平转换。

1.7地球及其子系统的运动状态

洋陆和盆山形成与演化过程中不同层块的岩石力学性质不同， 具有显著不同的运动速度和运动特点（表 1）。对于洋陆体系， 在洋控陆阶段， 由洋中脊和外幔流层（软流圈）热流物质推动的洋盆扩张起主导作用， 大陆同向运动并同步被动隆升， 从洋中脊向大陆方向运动速率递减； 在洋陆相互作用阶段，大洋与大陆相向运动， 洋陆边界成为最强烈的构造变形带， 形成沟弧盆体系； 在陆控洋阶段， 大洋因内幔墙热动力消失而失去主动扩张能力， 大陆侧向作用于不断萎缩的大洋， 洋陆转换带成为挤压构造变形最强烈的地区， 最终形成由透镜网络、挤出式逆冲断层、海相地层压扁褶皱伴生轴面劈理、蛇绿岩片、构造岩块等组成的蛇绿混杂岩带， 这一构造过程不仅没有碰撞造山， 而且挤压之后发生伸展，缝合带上叠加准裂谷。

对于大陆盆山体系， 在盆控山、盆山相互作用和山控盆的构造演化过程中， 下、中、上地壳物质运动的状态、方向和速度也发生规律性变化（李德威，1995； 李德威和纪云龙， 2000； 李德威等， 2009）。需要强调的是， 盆山四维非均匀物质运动状态同步受到洋陆非均匀物质运动状态的制约。

1.8地球及其子系统的物性特征

构造运动的实质是物质运动， 物质的物理性质是物质运动和流变作用的基础。洋陆和盆山系统不同层块的岩石物理性质差异很大， 对地球分层流变和构造运动的影响也很大。

影响岩石物理性质的因子很多， 如岩石成分、温度、围压、孔隙流体、时间及应变速率等。对于强烈的热动力作用导致各种岩石熔融重力分异和分层重组的早期地球而言， 决定地球岩石物性及其构造运动最为关键的因子是后期非均匀的热结构和热演化。任何岩石都有熔点和沸点， 在特定温压下会发生固态、液态、气态之间的相变， 在不断演变的地球热状态下发生不同形式的物质运动和构造变形。处于脆性固体状态的岩石， 通常在应力作用下发生脆性变形， 形成节理和断层； 处于脆-韧性固态状态岩石， 在应力和热动力联合作用就会发生韧脆性或脆韧性变形， 形成脆韧性剪切带或雁列脉； 当温度达到岩石熔融温度的三分之一， 岩石出现固态相变， 发生糜棱岩化， 出现韧性变形； 一旦温度达到岩石熔融温度的二分之一， 岩石发生超塑性变形，无需应力作用而产生大规模的固态流变（Boullier and Gueguen， 1975）， 超塑性变形常见于韧性剪切带中央（Twiss， 1976）。地球内部三个软流层普遍存在热软化的固态相变岩石或半固态流变岩石， 发生连续的韧性变形和超塑性流动。由于韧性与脆性是完全相反的力学性质， 因此， 不可能存在深大断裂。与韧性剪切、超塑性流动同样重要甚至更加重要的特殊岩石物性及其运动方式是岩浆和热液活动， 温度超过岩石熔点和沸点之后产生大量的多源流体， 以垂直运动及其垂平转换的方式与层流作用一起驱动洋陆和盆山的形成和演化。

四维非均匀热结构是地球最显著的特征。地球历史上多次发生造洋造陆和造山造盆作用， 伴生强烈的构造变形、岩浆活动、成矿作用和热灾害链， 是长期热能积累和短期热能释放的结果。在同一地质时期， 各构造单元也具有非均匀热结构， 由强烈的变形带与较稳定的块体组合而成。例如， 现今典型的活动带包括南半球巨型洋中脊、环太平洋构造带、喜马拉雅-阿尔卑斯带等。从全球尺度来看， 以南半球由大西洋、印度洋、太平洋的洋中脊与近东西向现代特提斯洋中脊相连， 体现了南半球地球深部异常强烈的热活动， 并且在大地热流上有所表现。汪洋等（1998）计算了全球热流， 北半球为 74.0 mW/m2， 南半球为99.3 mW/m2； 地幔热流北半球为12.7 mW/m2，南半球为22.9 mW/m2。认识南北半球在整体形态和地貌形态、热状态、洋陆分布、构造属性等方面的差异性和关联性， 具有十分重要的地球内部系统动力学意义。

1.9地球及其子系统的分层流变

Ranalli and Murphy （1987）较早认识到大陆岩石圈具有分层流变结构。目前大量的地球物理资料和地质现象支持大陆岩石圈分层流变。在活动的大陆内部下地壳发育低速层和低阻层， 常见面状分布的埃达克质岩浆岩和带状分布的中下地壳韧性剪切带。大陆下地壳韧性流动是笔者建立下地壳层流驱动盆山耦合的基础（李德威， 1993， 1995）。

实际上， 固体地球概念应当重新认识， 因为地球内部存在大量的流体， 并以不同的方式发生运动，成为保持地球活性的根本。另一个值得探讨的重大科学问题是地球三个主要流层对地球内部分层结构及其隆拗构造单元起什么作用。物性非均匀的地球在热动力作用下形成流层， 发生熔融、部分熔融和固态流变， 熔融物质（岩浆）在浮力作用下垂向运动，固态、半固态流变物质在重力、层间剪切力作用下发生顺层韧性流动和塑性变形， 它们是产生超洋陆、洋陆和大陆盆山结构的共同机理。因此， 地球多级分层流变是十分重要的研究方向， 涉及到地球系统及其子系统的物质场、温度场、应力场、电磁场、引力场等广泛领域， 对比较行星学、比较宇宙学的研究也有启迪意义。由于涉及的内容和问题很多， 限于篇幅， 本文不再详述。

1.10地球及其子系统的构造演化

关于洋陆和盆山的同步构造演化， 论述较多（李德威， 1995， 2008）， 还需强调以下三点：

（1） 大陆任何构造区域都是多尺度构造地貌叠加演化的结果， 一般经历了三个阶段的地质构造过程： 第一个阶段是基底形成与演化阶段， 还可分为结晶基底和褶皱基底形成期， 太古宙到古元古代通常是结晶基底， 中新元古代多为褶皱基底， 二者之间原始接触关系为角度不整合， 后来常被顺层滑脱拆离作用改造； 第二个阶段是洋陆同步演化， 如果基底之上的沉积盖层为海相地层， 不管有无蛇绿岩组合或火山岩夹层， 说明该区及邻区同期存在古海洋系统， 在特定区域必然存在同期的古陆， 基底与海相沉积盖层之间的原始接触关系也是角度不整合，在后期的造山成盆过程中多被顺层滑脱拆离断层改造。如果基底之上的沉积盖层为陆相地层， 其间通常缺失大量地层， 说明该区长期处于剥蚀状态， 为古陆环境， 邻区同期存在古海洋； 第三个阶段是盆山同步演化， 大陆盆山系统叠加在先期构造运动形成的古洋陆系统之上。从洋陆和盆山几何学分析可知， 后期形成的盆山与该区先期形成的洋陆在成因上没有关联性， 而是受控于盆山系统邻近洋盆同期的外幔层流作用。

（2） 洋陆和盆山各自都是同步演化， 均可分解为三个构造作用阶段， 其基本特征见表2。

由于地球结构和构造的复杂性， 同一洋陆体系同期不同区段可表现出不同的洋陆作用方式。例如，印度洋与欧亚大陆之间， 以南北构造带和东经 90°海岭或我们命名的东亚右行走滑剪切带（李德威等，2014）为界， 中新世以来其西侧为洋控陆， 东侧是洋陆相互作用， 造成这种构造局面的原因是中新世以来华南和东南亚与青藏高原及邻区的运动方向相反，华南和东南亚向南异常运动的动力来源主要有两个：一是从东构造结流出的青藏高原地壳剩余物质以地壳洪积扇的方式向 SSE方向流展； 二是燕山期以来华北盆地(包括渤海)之下外幔流层加厚及其底辟作用推动华北地壳伸展，华南向南运动，造成秦岭晋宁期松树沟蛇绿混杂岩带、加里东期丹凤蛇绿混杂岩带、印支期勉略蛇绿混杂岩带没有沿走向延伸至大别山，可能向南位移。此外， 南海的扩张也有一定的作用。

（3） 超洋陆体系的形成和演化是多期洋陆体系定向迁移的结果， 其深层动力可能源于内幔流层（外核）汇流形成的内幔墙发生热隆伸展。原特提斯、古特提斯、中特提斯、新特提斯和现代特提斯向南有序迁移， 造成欧亚大陆不断向南侧向生长， 最终将形成北半球超大陆和南半球超大洋。

2　构造模型

要全面、深刻认识开放复杂地球系统， 应当以系统科学和系统哲学为指导。地球系统及其各子系统之间和地球与外界之间不断发生能量和物质交换，产生有序的时空结构， 是地球系统动力学和宇宙系统动力学的核心。本文仅讨论地球内部的物质运动规律及其能量传输过程， 初步建立大陆盆山、洋陆和超洋陆关联成因的地球内部系统动力学模式如图3、图4所示。其要点概括为： 地核 （即通常的地球内核）偏离地心（黄定华等， 2001）， 由此引起内幔流层（即通常的外核）热流物质顺层流动， 在偏心的另一侧内幔流层形成汇流， 巨量深源岩浆墙状上升，构成全球尺度的内幔墙， 这种超级深地幔墙不对称扩张， 主流方向一侧形成分支内幔墙， 形成全球尺度和区域尺度的洋中脊， 并以三联点相连， 导致外幔流层（即通常的软流圈）非均匀层流， 引起陆壳拉伸减薄， 驱动洋盆扩张， 推动周边大陆运动。外幔流层半固态流变物质顺层流动引起相关大陆的垂向生长， 热流物质局部加厚形成墙状、柱状软流体， 分别称为外幔墙和外幔柱。外幔墙底辟作用驱动大陆下地壳层流热流物质向两侧流动， 形成大陆裂谷及其两侧山脉。外幔柱底辟作用驱动大陆下地壳向四周非均匀流动， 形成陆内盆地及其周边山脉。外幔层流还造成深地幔柱（或内幔柱）之上的洋岛发生夏威夷式定向迁移。多期内幔墙定向迁移， 大陆群相继侧向生长， 最终形成超大洋-超大陆结构， 同时铸成地球梨形结构， 超大洋对应梨形地球膨大部位， 超大陆对应梨形地球缩小部位。

表2　洋陆、盆山三阶段同步演化的基本特征Table 2 Basic features of ocean-continent， basin-mountain in the three stages of synchronous evolution

图3　地球层流、南半球内幔墙及其不对称地球成因示意图Fig.3 A schematic plot showing mechanism for laminar flow in the Earth， the internal mantle （outer core） wall in the southern hemisphere and the asymmetric Earth

图4　外幔（软流圈）层流和大陆下地壳层流及洋陆与盆山的关联成因模式图Fig.4 A model showing the correlational mechanism between ocean-continent and basin-mountain driven by laminar flow of outer mantle （asthenosphere） and the lower continental crust

从系统科学和系统哲学角度概括地球内部系统动力学模式的基本特征如下：

（1） 整体性。李德威（1997）认为： “地球是一个多级分层控制系统， 表现为地球内部不同深度、不同尺度的软流层的物质运动控制其上强度较大的固体圈层的构造活动。”接着提出了地球系统动力学（李德威， 2005， 2011， 2012， 2014a， 2014b）， 将开放复杂地球巨系统分为地球内部系统、地球表层系统、地球外部系统等三个子系统， 地球系统与子系统之间、各子系统之间的耦合边界、物质运动、动力来源、耦合机制及其与自然灾害、环境演变之间存在内在联系。本文论述的地球内部系统动力学试图系统地阐明地球内部三个软流层水平运动转化为垂直运动的构造过程及其超洋陆、洋陆和盆山同步形成与演化的关联规律。

（2） 层次性。众所周知， 地球结构具分层性。这种物性分层可能源于热熔化物质的重力分异及其动态调整。从系统哲学来看， 地球是由时空、物质和能量三个层次组合而成， 三个层次不同量级的物质运动产生三个尺度的隆拗组合， 由地球深层热动力驱动而成。本文强调内幔流层（外核）及内幔墙的热动力作用是地球内部物质运动的核心， 主导全球超洋陆结构， 并制约洋陆和盆山的结构和构造。内幔流层在南半球汇流形成近东西走向的内幔墙， 产生现代特提斯； 南半球内幔墙向北强烈非均匀扩张， 产生三个近南北走向的内幔墙， 内幔墙底辟导致外幔流层顺层流动， 造成太平洋、印度洋和大西洋的扩张及其洋陆耦合， 并向超洋陆方向的发展； 外幔流层非均匀流入大陆垂向生长， 当热流物质局部加厚，底辟上升， 造成大陆内部下地壳层流及其盆山耦合。当大洋外幔流层热动力减弱， 相邻生长的大陆反向作用于大洋， 进入洋陆相互作用阶段， 形成大陆边缘盆山结构（沟弧盆体系）。例如， 东太平洋内幔墙不仅形成洋中脊， 还导致外幔流层非均匀流动，流经西太平洋的主流及扩张方向为 NW向， 由此产生夏威夷式岛链迁移、滨太平洋西北部大陆边缘盆山结构和太平洋北部两侧巨型共轭走滑断层系-郯庐左行走滑断层与圣安德烈斯右行走滑断层（图 1），并与华北及邻区广泛发育的NW向矿物拉伸线理及下地壳上地幔波速和电性各向异性有关， 也是华北与华南在白垩纪中国东部统一盆山体系形成之后新生代构造分异演化、华北地壳伸展与华南地壳挤压、东南亚向南运动的深层原因。

（3） 有机性。像人体一样， 地球是一个完美的自组织生命系统： 有如人体心脏的内幔流层与其关联的层状、墙状、柱状、管状、脉状热液流动构成地球的血液循环系统， “血管”中各种热流体非均匀流动使地球充满活力； 以热动力为主导的多源动力是控制地球及其子系统的动力系统； 地外物质和能量的输入和地球内部二氧化碳、甲烷、水汽等排放是地球的呼吸系统； 地球各子系统固-液-气相变是地球的内分泌系统， 流体对地球系统代谢和机能起调节作用； 岩浆从墙状、柱状、管状、脉状通道中喷发和地下水沿着断层或岩性界面溢出是地球的泌尿系统； 地球消化系统表现在地球从宇宙环境中汲取养分， 通过成矿成藏、热灾害链等方式消耗能量； 超洋陆体系下新生洋陆及其相关盆山的诞生， 体现了地球的“生殖”能力。除宇宙因素外， 地球放射性元素生热对地球自创生或自激活及其各子系统自调节、自复制起决定性作用， 在地球热演化进程中地球同样会经历新生、幼年、童年、青年、中年、老年和死亡的演变过程， 正常成长过程中时显病态， 过度发热形成巨型热灾害链， 导致生物灭绝。因此， 人类应当客观分析地球的生理和病理现象和宇宙环境，致力于健康完美的地球。

（4） 自相似性。盆山、洋陆、超洋陆在结构、构造、物质运动方式、机理和演化上均可类比。三个尺度的隆拗组合都具有相应的分层流变结构及其垂平构造转换。三个软流层热流物质流失成拗陷区，软流层热流物质流入成隆起区， 经历从拗陷区热隆伸展为主导的拗控隆到拗陷区热隆动力消减和消失之后的隆拗相互作用和隆控拗三阶段演变过程。与盆山过程相似， 大洋的形成是外幔流层层流作用带动先存陆壳拉伸减薄， 而不是海底扩张及其蛇绿岩套式洋壳对称生长。

（5） 关联性。地球内部各子系统的关联性表现在各个方面， 其中垂直运动与水平运动相互转换构成多尺度循环运动是本质。盆山、洋陆与超洋陆的关联发展贯穿地球演化的整个历史过程。中新世以来中国及邻区多层次构造的关联作用表现在： 恒河盆地下地壳向北层流造成青藏高原及周边三角形活动地壳加厚隆升， 由此造成中国东西部地貌反转， 三角形地壳加厚区两侧发育共轭的走滑剪切带， 这些陆内构造过程都与现代特提斯和印度洋的三联点指示外幔流层热流物质向北运动的方向一致。中国中部和东部受燕山早期和晚期西太平洋（可能与中、新特提斯有关）外幔层流不仅导致欧亚大陆东缘垂向生长， 而且相继形成中国中部侏罗纪和中国东部白垩纪的盆山系统。始新世以来， 东太平洋外幔流层向北西方向非均匀层流， 欧亚大陆与西太平洋相互作用形成大陆边缘盆山系统， 非均匀流层中可能存在通向渤海的大型地幔韧性剪切带， 朝 NW向流动的地幔热流物质加厚并底辟上升， 导致渤海扩张并推动华南向南运动， 与青藏高原东构造结流出的地壳物质共同推动东南亚向南运动， 在印度洋东北部边界出现洋陆相互作用， 形成沟弧盆体系。具有向北扩张的印度洋、太平洋以及大西洋均向南开口，近南北向洋中脊以三联点方式与近东西向全球洋中脊连通， 构成现代特提斯与分支洋盆相结合的萌超大洋结构。在现代特提斯内幔墙的驱动下， 大陆群向北运动， 新生的超大陆-超大洋将诞生。

（6） 复杂性。地球是一个开放的复杂巨系统。在浩瀚宇宙环境中的地球必然受到地外热动力、天体引力、宇宙电磁力、陨石撞击力等的影响， 但是目前其作用机理及其规律不明， 在一定程度上具有浑沌、无序、模糊、随机、突变等特征。地球内部存在多级子系统， 它们之间的关系也较复杂， 具有多层次结构、多相物质作用和多种能量转换， 处于混沌边缘状态。也就是说， 这些复杂现象出现在有序与随机的边界处， 是典型的复杂巨系统。总之， 地球系统虽然复杂， 但是规律性强。初步认为， 地球复杂性的根源在于开放性， 地球系统及其子系统与外界环境存在物质、能量交换， 产生动态时空结构， 是复杂的自组织演变过程。此外， 地球内部的构造作用也表现出多样性和差异性， 例如， 印度洋北界东段强烈的构造活动性与西段相对的构造稳定性存在鲜明反差， 这种同时同带异样构造格局体现了洋陆作用和盆山作用的复杂性。

（7） 非均匀性。地球及其子系统的岩石组成、结构、构造和热状态普遍存在非均匀性， 展现出不同类型的层块组合和构造形迹。本文强调地球内部三级非均匀层流及其水平运动与垂直运动转换是非均匀热构造过程， 形成有成因联系的大陆盆山、洋陆和超洋陆结构。地球最显著的构造是面状、线（带）状和点状热隆伸展构造。最大一级面状热隆伸展构造是超大洋， 其内发育内幔墙及其横贯全球的超级洋中脊， 如南半球未来超大洋中现代特提斯近东西向主洋中脊（图1）。洋盆外幔流层非均匀流动形成地幔韧性剪切带， 点状热隆伸展的地幔柱及其洋岛定向迁移常发育在这种构造薄弱带。

（8） 主导性。地球及其子系统的物质运动及其构造活动取决于动力， 其动力系统是多源的， 包括热动力、重力、应力、电磁力、科里奥利力、惯性离心力、天体引力、陨石撞击力等等。从构造活动能力来看， 由强到弱的构造变形序列是岩浆活动、韧性流动、塑性变形、脆韧性变形、韧脆性变形和脆性破裂。因此， 热动力可能是地球及其子系统形成和演变的主控因子。在热能作用下， 岩石发生相变，由此改变岩石密度， 引发不同类型的物质运动， 产生动能和势能。因此， 热动力对重力、引力、电磁力、应力能够起到派生、改变和转换作用。在热动力作用下， 地球内部的多级层流作用和各源区岩浆垂直流动形成超洋陆、洋陆和大陆盆山系统。热能对地球自然-生命的动态协调演变起调控作用， 热流体有无决定了地球的生死， 热流体的量级影响地球生物， 地球生命生长于适量热状态， 突变于过量热状态， 消亡于衰竭热状态。

（9） 有序性。现今大陆地质记录反映地质演化的目的性很强， 结晶基底、褶皱基底、海相地层和陆相地层的规律性组合及其相应的构造岩浆事件表明地球结构不断走向成熟。在（超）洋陆和盆山耦合构造背景下， 多期、多类物质的再造和重组构成不可逆地质演变序列， 伴生生命从低级向高级的演化。地质历史上的洋陆迁移具有明确的方向性和伸缩转换规律， 陆块群并不是杂乱无章地随意拼贴， 从新元古代末北半球超大洋和南半球超大陆结构演变到未来北半球超大陆和南半球超大洋结构是近东西走向的原特提斯、古特提斯、中特提斯、新特提斯和现代特提斯有序向南迁移的结果， 加里东期、海西期、印支期、燕山期和喜马拉雅期构造运动的性质是区域性有序洋陆作用及其盆山耦合， 由此推断： 显生宙没有出现过联合古陆（或泛大陆、超大陆）， 华夏与扬子之间不存在NE向展布的师宗-弥勒结合带， 也不存在塔里木、华北等孤零古陆块并任意漂移。从热灾害链来说， 巨型热灾害链一般经过数千万年至上亿年时间段积累的热能在百万至十万年时间段内释放， 在影响到全球的区域性洋陆作用及其相关的盆山作用下， 有序发生热构造和热建造组合， 释放巨量温室气体， 造成全球级环境恶化， 巨灾连发和群发导致生物大灭绝（李德威， 2014a， 2014b）。例如，白垩纪西太平洋向西强烈扩张， 中国东北、山东、河南、浙江、广东的一些陆相盆地中有序出现火山岩、含煤建造和磨拉石建造， 组成灾变地层系统； 同期以班-怒带为代表的中特提斯发生洋陆转换， 广泛发育海相火山岩、生物碎屑灰岩、含煤建造、蛇绿混杂岩、断层岩、洋陆转换型磨拉石建造， 始于超级火山岩浆活动的链式灾变事件导致海洋生物-陆生植物和陆生动物（包括恐龙）的相继灭绝。对于以唐山、汶川为代表的华北、西南微型热灾害链而言，其演变规律一般包括跨年度干旱期、气候异常波动期和强震群发期。归根到底， 地球的有序性主要取决于三级层流隆陷构造的活动性， 地球内部三个软流层热流物质的有序流动和能量传输决定了超洋陆、洋陆和盆山的时空结构和相应的构造与建造组合， 其核心是能量从高能区不可逆传输到低能区，只能是深部构造控制浅部构造。地球的有序性体现了自然界的规律性和各种事件的可预测性， 因此，人类不仅可以预测油气、矿床、深层地热能、地震、极端气候事件等， 而且还可以预测地球及其子系统的演变状态， 如未来超大洋-超大陆及其关联事件。

（10） 阶段性。平静期与活动期交替是地球及其子系统演化的基本规律。笔者总结了大陆从基底、洋陆到盆山的三阶段演化规律（李德威， 2008）， 并阐述了洋陆和盆山系统拗控隆-拗隆相互作用-隆控拗三段论（李德威， 1995， 2014b）。从根本上讲， 开放地球系统不同尺度子系统能量聚散的动态平衡决定了洋陆和盆山构造活动的周期和节律。地球内部不同层块热能经过不同时长的积累和缓慢的连续性构造变形， 达到临界状态或受到地外动力触发， 会发生不连续跳跃性事件， 这种突变性极大地改变了系统的结构， 产生不同级次的构造运动、岩浆活动、成矿作用、成藏作用和热灾害链。

3　科学推断

理论最大的威力在于预测。笔者曾准确预测了青藏高原南部多金属成矿带、矿集区和系列矿床（李德威， 1994）、西南地震（李德威等， 2013a； 李德威，2015）， 还预测华北将发生强震群（李德威等， 2013b），至今华北热灾害链演变轨迹日趋明晰， 经历了跨年度干旱阶段， 此后异常路径台风、异常降雨、雾霾均已发生， 目前已经进入气象异常波动阶段的晚期，2015年冬季发生了严重的冰冻， 即将转入强震群发阶段， 应当高度重视东北、运城-大同-张家口-京津一带、太行山东南缘的强震短临预测。只要按热流物理综合预测思路（李德威， 2015）， 立即开展热流体关联前兆异常天空地一体化立体监测和流动监测，建设新型群测群防系统， 一定能够取得有实效的短临地震预测。此外， 2015年4月25日尼泊尔里氏8.1级地震也发生在笔者预测的青藏高原“热河”俯冲式撞击点上（李德威等， 2013a）。进一步预测这条“热河”北部的上冲式撞击点（尼玛、洞错一带）以及青藏高原腹部相似撞击点在2016年底之前可能发生里氏7级左右地震。

本文试图以地球内部系统动力学思想为指导，宏观认识全球构造， 下面仅对全球性重大地学事件及其关联现象进行概略性推断， 初步提出如下十大科学猜想：

3.1现代特提斯及其内幔墙

南半球近东西走向巨型洋中脊可能代表现代特提斯主洋盆， 这种全球尺度的洋中脊受控于内幔墙。地核可能向北半球偏移， 内幔巨量热流物质向南半球层流， 汇聚形成近东西走向的巨型内幔墙，由于内幔流层非均匀流动， 从南半球东西向巨型内幔墙向北半球方向形成三个分支内幔墙， 带动东太平洋、大西洋和印度洋的扩张和陆块群分北移动，同步形成地球“南胖北瘦”的梨形结构。

3.2未来超洋陆结构

南半球现代特提斯与大西洋、印度洋、太平洋分支洋盆相连， 构成了南半球超大洋的雏形。现代特提斯内幔墙及其非均匀扩张作用主导未来超大陆和超大洋格局。印度洋南部三联点可能是现代特提斯的主扩张中心之一， 向北的扩张力很强， 前方大陆地壳物质显著增厚， 并发育与扩张方向吻合的巨型共轭走滑剪切带。当大西洋南侧三联点形成， 印度洋南部三联点热活动同步加强， 东非就会发生大规模的伸展裂陷， 与印度洋连成一片， 形成大东洋，大东洋向北强烈扩张， 东非、印度将成为大东洋新生的洋中脊， 太平洋随之消亡， 大西洋同步消减，大东洋成为南半球超大洋向北的主要分支洋盆， 北半球超大陆同步形成， 伴生第六次生物绝灭。

在地球内部系统动力学思想指导下， 全球特提斯构造古地理可动态复原， 重塑未来超洋陆的演变过程。全球特提斯主洋盆近东西走向展布， 原特提斯、古特提斯、中特提斯和新特提斯存在类似现代特提斯的结构和构造， 例如， 古特提斯主体近东西向展布， 存在多个近南北向的分支洋（海）盆及其相应的洋陆体系， 出现类似于西太平洋的洋岛和热点迁移， 以早二叠世塔里木大火成岩省与中、晚二叠世峨眉山大火成岩省构成的有序时空结构为标志。全球尺度的古洋盆相继从北向南有序迁移演化， 地球从新元古代末北洋南陆转变为未来的南洋北陆，南半球超大洋和北半球超大陆是显生宙的第一个超大洋-超大陆组合， 其间没有出现过超大陆（联合大陆或泛大陆）。

3.3南美洲与南极洲从藕断丝连到彻底分离

现代特提斯内幔墙向东的热刺作用已经将原本连通的南美洲和南极洲改造成转折端向东突出的紧闭甚至等斜倾竖流变褶皱， 弧形流变陆块群将经过无根勾状褶皱发展成洋中脊， 彻底分离南美洲大陆与南极洲大陆， 并连通整个南半球， 在大西洋南缘生成新的洋中脊三联点。现代特提斯地幔墙可能沿着走向顺时针流动，带动南极洲大陆顺时针旋转，构成南极洲巨型旋扭构造。随着大西洋三联点的形成及其NNE向的主导扩张作用不断加强， 非洲大陆将形成与洋中脊扩张方向配套的共轭走滑断层（图1）， 东非向大东洋方向演变。地中海并没有经历过大西洋和太平洋的威尔逊演化历程。

3.4东、西太平洋及西太平洋消亡古洋盆

西太平洋与东太平洋在结构、组成、形成和演化上存在很大的差别， 西太平洋内可能存在强烈改造的中、新特提斯及其相关的古陆群， 中、新特提斯分支洋盆于侏罗纪和早白垩世外幔流层热流物质分别向 NW方向非均匀层流， 相继在四川、鄂尔多斯、楚雄、思茅等侏罗纪伸展性盆地和松辽盆地、华北盆地、江汉盆地等白垩纪伸展性盆地的中央发生底辟作用， 先后形成中国中部陆内盆山体系和中国东部陆内盆山体系。与侏罗纪相比， 白垩纪构造热活动强度有所降低， 盆山规模相对较小。古近纪以来， 欧亚大陆向东运动强度不断增加， 同时东太平洋强烈扩张， 欧亚大陆与西太平洋之间发生相向挤压作用， 东太平洋外幔流层热流物质沿着北西方向不均匀层流， 一方面， 改造了热活动减弱的西太平洋， 在西太平洋地幔柱（可能由先期控制中、新特提斯的内幔墙演变而成）上方形成一系列串珠状洋岛， 构成热点链； 另一方面， 外幔层流造成西太平洋洋壳向欧亚大陆俯冲， 外幔流层热流物质向西持续流动撞击到俯冲的洋壳， 引起俯冲洋壳的熔融和部分熔融， 形成链状岛弧（包括阿留申群岛， 千岛群岛， 日本群岛， 琉球群岛， 台湾、菲律宾群岛）， 并形成震源深度由洋向陆递增的浅源至深源地震。此外，外幔热流物质绕过俯冲洋壳末端转变成管状上升流，形成弧后盆地。随着洋陆相互作用阶段向陆控洋阶段有序演变， 西太平洋向西的运动速率上升到一个峰值后将不断降低， 而欧亚大陆向东的运动速率将不断增加。

3.5现代特提斯的扩张效应

现代特提斯内幔墙向北扩张及南半球超大洋形成可能产生如下效应： （1）随着现代特提斯内幔墙向北扩张作用加强及其东太平洋近南北走向的内幔墙持续向北作用， 地幔热隆伸展导致北加州中央谷地像加利福尼亚湾一样从陆盆发展成海盆再变成洋盆，最终整个北美大陆西缘将裂陷， 逐步演变成新生洋盆。在这个演变过程中， 地壳活动性加强， 地质演化尺度上热灾害链级别呈增强趋势。近来年加州出现跨年度干旱， 伴生森林大火， 是微型热灾害链尺度强震群发的中长期前兆； （2）现代特提斯超级内幔墙向东扩张将打通南美洲与南极洲之间的通道， 促进南美洲大陆向北加速运动， 加勒比海和墨西哥湾将不断萎缩并最终封闭， 美洲大陆在南北向挤压作用下可能由现今的长条状变成短轴状； （3）澳大利亚大陆作为现代特提斯向北漂流的“中流砥柱”， 随着内幔墙热活动的加强， 澳大利亚地幔活化并发产流层，将加速向北运动， 与苏门答腊岛链发生弧陆碰撞。此外， 非洲大陆与欧亚大陆、南美与北美将拼合， 成为未来北半球超大陆演变过程中的首批重大地质事件， 由此引起大型甚至巨型热灾害链， 对全球生态环境造成极大的影响， 伴生生物锐减甚至生物灭绝；（4）现代特提斯近东西走向内幔墙向南也有一定的扩张力， 由此将造成北冰洋消失， 南极洲拼贴在欧亚大陆的北缘； （5）随着印度洋外幔流层（软流圈）向北的层流作用及其相关的恒河盆地下地壳向北的层流作用减弱， 青藏高原下地壳层流的动能与地壳重力均衡之间将达到动态平衡， 青藏高原腹部将均衡隆升， 青藏高原周边祁连山、昆仑山、喜马拉雅等山脉将剥蚀下降， 青藏高原复合造山带将呈现地壳透镜体结构； （6）在超洋陆形成过程中， 南半球进一步变“胖”， 北半球进一步变“瘦”， 地球梨形特征更加明显。

3.6陆壳通过外幔层流形成大洋

大洋的成因是由于内幔墙底辟导致外幔流层非均匀层流驱动具有大陆结构的地壳和上地幔顶部拉伸减薄， 因此， 除了与内幔墙对应的洋中脊和地幔柱对应的洋岛外， 洋壳其他区域与陆壳没有本质上的区别， 只是厚度极度减小和地幔岩浆改造强烈而已， 这些区域的海相沉积地层之下应当普遍存在基底及陆壳岩石组合和多期构造形迹。只有洋中脊及附近才有对称分布的磁条带。洋中脊热线和洋岛热点提供了极其强大的浆热型和气热型地热能。

3.7地球磁场和磁极移动的形成机理

地球内部多层次热流物质非均匀层流及其电磁作用调控地球非均匀磁体的时空结构， 关联猜想有：（1）地核偏移激发熔点较低的内幔流层物质熔融并发生层流， 其热流物质平垂转换相继控制外幔和地壳物质熔融、固态流变及其层流作用， 并带动其上固体圈层耦合运动， 形成超洋陆、洋陆和盆山尺度的动态叠加磁场， 内幔层流主导地球磁场， 外幔和下地壳层流产生局部磁场； （2）与南半球现代特提斯近东西向内幔墙形成有关的内幔流层四维非均匀层流动构成地球发电机， 确立地球的基本磁场， 内幔流层近南北向层流主导近东西走向的超大洋向南定向迁移， 多尺度非均匀层流制约了地球磁极形成、磁力线分布和磁极移动， 可能与地球没有出现磁东极和磁西极、地球南北两极附近磁场强度较大、稳定性较差和磁力线近南北分布有关。磁极移动及其倒转可能与内幔流层流动强度改变和方向变化有关，内幔层流平静期与强烈期交替可能是地磁倒转的主要因子， 也是地球不同尺度热灾害链及其生物灭绝、锐减的主因； （3）太阳风不可能总是吹向不断旋转的地球南北两极， 全球尺度内幔流层近南北向主导性层流及其极地非均匀流动产生的电磁效应， 可能与极光的形成有关； （4）内幔流层的粘度应当大于普遍认为的水与沥青的过渡状态， 因为地球内部低粘度、低密度的岩浆会在浮力作用下发生垂向运动，推测内幔流层主体是在半固态流变状态下发生层流，由此产生基本地磁场。内幔流层与下地壳和外幔流层的层流结构和机理相似， 只是温度更高、规模更大、粘性较低、动力更强。内幔流层顶部流体层可能影响到内幔流层S波的速度， 需要深入探究内幔流层 S波为零的真实原因及其与物性之间的关系；（5）从新元古代末北半球超大洋和南半球超大陆构造格局演变到未来北半球超大陆和南半球超大洋构造格局是内幔墙大幅度迁移及其内幔流层流动的结果，地球内幔主流层热流物质顺层流动是地球发电机的核心， 产生地球基本磁场， 地球较浅层次软流层的非均匀流动产生局部地磁场； （6）天体作用和地球自转影响到地球内部三个软流圈层与相邻固体圈层之间发生不同程度的差异转动， 可能是岁差的形成机理； 软流圈层中热流物质非均匀流动还导致时纬残差; (7)地球巨量动态热能可能来源于地球深部高压高温环境下发生的核聚变，氢、氦、氧、碳等元素聚变最终生成重元素铁，从外幔沉入地核之中的铁含量变化可能反映地球的热演化和地球的生命演变，热动力及其物质运动对地球磁场起决定作用; (8)在宇地作用力的触动下， 地球内部局部热流体活动产生 6种尺度的热灾害链， 相应地出现不同程度的地质-物理-化学-气候-生态关联异常（李德威， 2014b）， 磁场强度会出现相应的时空变化， 其中与生物灭绝有关的巨型热灾害链电磁异常应当十分显著。局域性、短时间、高强度的超微型热灾害链的典型实例是百慕大事件。当活动海盆局部地幔热流体短时期高强度异常流动时， 地下、地面和空中会出现温度、电磁、气象等关联异常， 导致罗盘和导航设备突然失灵、海洋风暴和雷电急剧升级、洋流加速运动， 由此造成过往飞机和船舶神秘失踪。

3.8宇地作用触发地球突变事件

基本认识了地球自身规律之后， 人类的科学视野将转向从宇宙角度认识地球， 探索并解决一系列重大科学问题， 例如， 地球和生命的起源、地宇能量和物质交换及其统一场、地球洋陆定向迁移的外动力作用、地球内部磁场与地球外部磁场的叠加关系、从地震到超洋陆转换不同时空尺度构造活动的天文触发因子等。

3.9创立资源¯能源¯灾害¯环境¯工程稳定性评价的新体系

地学基础理论与应用基础理论新体系将融入实际应用， 新地学革命带动资源、环境、灾害等关键技术难题的突破， 不断改善地球生态环境， 更好地服务社会。内幔墙、地幔柱非均匀热活动造成海洋水体热状态突变， 暖洋与冷洋的交替及其地域差异影响全球大尺度气候变化， 洋陆之间、盆山之间、地气之间、天地之间物质和交换及其关联灾害的科学准确预测将成为现实。中国将率先通过热灾害链和热流体物理综合预测体系率先实现短临地震预测。多尺度热隆伸展构造带是油气田（特别是动态无机生油生气）、二氧化碳气田、矿床、地热和地灾的集中区域， 将会实现联勘共探同测互惠， 在提供安全保障的环境下大幅度提高经济效益。盆山相互作用形成的推覆-滑覆体之下将发现许多超大型油气田， 勘探范围将延伸至俯冲型和仰冲型地震的震源（震中）带， 如四川盆地西部边界可达平武-汶川-芦山等强震的震源（震中）一带， 龙门山推覆体之下是有利的油气成藏区。当前以脆性活动断层作为安全评价基础的重大工程和军事基地建设存在极大的安全隐患， 以热流异常活动为基础的地壳或工程稳定性评价新体系将诞生。

3.10取热减灾减排与第三次产业革命

前两次产业革命的实质是能源革命， 第三次产业革命必将是可再生清洁能源取代化石能源。地球内部蕴藏无限热能， 无需“人造太阳”。开发地热能优越性极大， 通过沿着活动地壳韧性剪切带（“热河”）梯级建设超级干热岩地热能发电站， 中国将率先从“碳能时代”跨越式迈进“地热能时代”， 引领第三次产业革命， 从根本上实现减灾减排（李德威， 2014b；李德威和王焰新， 2015）。

对地球和人类而言， 这项宏伟工程还具有控热调温减灾功能， 能够基本消除微型热灾害链， 有效降低小型热灾害链的强度， 变害为宝（李德威， 2011，2014a， 2014b）， 从而实现从认识热灾害链到调控热灾害链的转变， 改善地球生态环境。还要认清巨型热灾害链导致五次生物大灭绝与巨量的岩浆岩（特别是火山岩）、生物碎屑灰岩、煤系地层、冰水沉积、蛇绿混杂岩、韧性和脆性断层岩、洪积物等事件建造与构造组合及其全球气候生态环境变化之间的关联性（李德威， 2014a， 2014b）， 查明热动力造成水汽、二氧化碳、甲烷非均匀巨量排放的自然机理及其与全球气候变化、雾霾的关系， 研究宇宙系统动力学和宇宙生态学， 制定人类应对中型、大型、巨型热灾害链及其生物锐减和生物灭绝的宏伟蓝图。

4　初步结论

本文对关系到地学革命及其人类生存的地球内部三级层块组合的关联结构、关联构造、关联建造、关联过程和关联机理进行了简明的、合理的、全新的解释， 初步探讨了开放的复杂地球巨系统及其子系统的结构本体、构造本质、物质本性和动力本源，取得如下新认识：

（1） 进一步阐明了地球内部系统动力学， 对一些重大问题和重要现象做出全新诠释： 地球内部结构重新划分及三个软流圈层的流动过程、关联机理及其效应， 内幔流层（外核）、外幔流层（地幔软流圈）和大陆下地壳热流物质顺层流动， 流失区域拗陷， 流入区域隆起， 深层控制浅层， 决定了超洋陆-洋陆-盆山体系的时空关系和关联机理； 大陆垂向生长和侧向生长的过程及其与洋盆形成与演化的关系； 南半球近东西走向的内幔墙驱动现代特提斯及其北侧的东太平洋、印度洋、大西洋向北扩张， 有利于南半球超大洋和北半球超大陆的形成， 造成南北半球差异膨缩和地球梨形结构。本文只涉及地球大地构造单元三阶段有序演化的形成阶段， 对于盆山、洋陆和超洋陆的关联演化过程及其机理， 将另文探讨。

（2） 热动力及其热流体是地球新陈代谢的基础，地热能驱动地球内部三个流层热流物质从拗陷区流向隆起区， 相应地形成时空、物质和能量均关联的盆山、洋陆和超洋陆结构， 实现水平运动与垂直运动的有机结合。因此， 构造地质、地热地质、海洋地质和深部地质的交叉渗透和综合提升对于创建新大地构造理论体系极其重要， 颠覆性地学创新理论可摧生颠覆性创新技术， 促进资源、能源、减灾、环境的科技革命， 带动产业革命。

（3） 从地球内部系统动力学模式出发， 提出了十大科学猜想， 其中最重要的猜想是： 南半球洋相通、北半球陆相连的未来超洋陆构造格架、形成机理和关联效应； 地球内部软流圈（特别是内幔主流层）的层流作用导致地球磁场及磁极的动态演变； 取热减灾减排。笔者相信， 取热减灾减排不只是猜想， 只要认识地球内部物质和能量传输规律， 转变思想观念， 一定能够快速实现， 而且将会成为能源革命、减灾革命、环境革命、可持续发展和第三次产业革命的转折点， 中国绝不可错失崛起良机！

致谢： 没有继承就没有创新。本文涉及前人大量的研究成果， 包括没有找到出处的地貌图（本文图1和图2的底图）。感谢中国地质大学（武汉）杨巍然教授提出宝贵的修改意见。有关地球内部系统动力学的系统哲学部分， 与李喆进行了交流。

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Correlation in Mechanism Among Three-levels of Uplift and Depression Driven by Laminar Flows in the Earth

LI Dewei
（School of Earth Sciences and Center for Tibetan Plateau Studies， China University of Geosciences （Wuhan），Wuhan 430074， Hubei， China）

This paper studies the regularity of time and space， matter and energy in the complex and open Earth system and its subsystems using analytical techniques in systems science and systems philosophy in an effort to solve many scientific problems that cannot be satisfactorily explained by the plate tectonics. The author integrates the basic features in geometry， kinematics， rheology， and evolutionary history of the ocean-continent systems and the related continental basin-mountain systems， establishes a preliminary unified dynamic mechanism， in which the formation of super ocean-super continent， ocean-continent and basin-mountain is driven by four-dimensional non-uniform laminar flow and by related tectonic conversion between horizontal movement and vertical movement of the outer core， mantle asthenosphere and active lower crust. The author also emphasizes that the thermal energy， which results in magma activity and solid state flow， is the main force of the tectonic activities of the Earth， demonstrates the law in material movement of the Earth subsystems at different thermal state， and proposes ten scientific conjectures， including the Modern Tethys in the southern hemisphere， the future super oceanic-continental patterns， the existence of Meso-Tethys and Neo-Tethys and their related continents in the western Pacific Ocean， the rifting of the western North America into the ocean， the dynamic superposition of magnetic fields and shift of magnetic poles of the Earth caused by the three-level non-uniform laminar flow geodynamo， and new production revolution driven by geothermal energy which will replace carbon energy. The author hopes that the results may lay the foundation for a new earth science theory， and provide new ideas for the mankind to improve the global environments.

earth interior system dynamics； modern Tethys； relative mechanism of super ocean-continent， oceancontinent and basin-mountain； three-level non-uniform laminar flow； cause of magnetic field on the Earth

P541

A

1001-1552（2016）04-0625-018

2015-08-08； 改回日期： 2016-05-16

李德威（1962-）， 男， 教授， 主要从事构造地质学、大地构造学及其在资源、灾害中的应用研究。Email： dewei89@sina.com