20世纪地球科学发展成果

地学，作为研究固体地球的科学，在20世纪的发展中，长期经历着固定论和活动论的激烈论战。在地球物理对大洋底和地球内部有了一定的认识之前，曾经出现过许多学说，如均变、收缩、膨胀、波动、脉动与铅垂构造说等，它们大多同意并支持大陆的周期性升降运动和大洋盆地永存的观点，而反对或不承认地球表面有巨大的水平运动。这就是地学领域中的固定论。与此相反，活动论观点在承认大陆具有铅垂升降运动的同时，更强调巨大水平运动的重要性。经过将近一个世纪的争论，现在逐渐趋向于统一在以活动论为内涵的地球观，其发展的红线则是大陆漂移—海底扩张—板块构造。

1970年，库恩（T．Kuhn）用“科学革命”来形容岩石层板块构造的作用和意义。他认为，板块构造对地球科学的贡献可以媲美于量子力学于物理学、分子遗传学于生物学、控制论于技术工程。

但是，应该说明，岩石层板块构造是在20世纪，从大陆漂移经过海底扩张而后发展起来的，它们的基本内涵是活动论。活动论是将地球看成一个活动体，地球不是静止的、固定不变的，而是处于不断的运动和发展之中，它的整体和某个局部都是可以研究的，但必须将它的形成演化历史搞清楚，才能深刻地认识它。

1）大陆漂移（continental drift）

1915年，德国气象学家魏格纳（A．L．Wegener）发表《海陆的起源》，首先明确提出大陆漂移的概念。

（1）石炭纪（成煤期，300Ma），世界上只有一个超级大陆，即泛大陆（Pangea），它由轻质的刚性硅铝层组成，而漂浮于重质的硅镁层之上。

（2）侏罗纪（恐龙时期，200Ma），泛大陆解体，开始离析出南极洲、大洋洲、非洲（图4、图5）。

图4 大陆漂移示意图

图5 大西洋两侧陆地的拼合

（3）白垩纪（100Ma），非洲与南美洲东西分离。

（4）冰期之初（1Ma），斯堪的纳维亚、格陵兰、加拿大开始裂解，呈现出今日的大陆与大洋的位置。

由此可见，大陆漂移说认为大陆之间存在相对运动，而且运动在水平方向上是规模巨大的。

1930年，魏格纳在格陵兰探险时，在冰天雪地中，为营救伙伴导致心脏病发作，辞世于冰原中心。魏格纳尽一生之精力，顽强而刻苦地搜索有关大陆漂移的佐证：

（1）在大西洋两侧海岸有相互对称的岸线形迹，从而认为，大西洋的出现，是南北美洲脱离非洲和欧洲并向西漂移的结果（图5）。

（2）在地层层序上，巴西与南非十分相似，都有金刚石岩筒存在，从而表明，在大西洋启开之前，它们曾经是连在一起的。

（3）在动物种属的分布上，灵长目狐猴仅发现于印度洋两侧（马达加斯加、东非、斯里兰卡、印度、东南亚），有袋目大袋鼠仅在澳大利亚与南美有，然而，狐猴与大袋鼠均无跨越重洋的本领，只能说大西洋两侧的陆地曾经是连在一起的。

（4）植物群落分布上，舌羊齿属蕨类植物分布在印度、澳大利亚、南非、南极，从前它们曾集中在一起，即冈瓦纳古大陆。

（5）气候也曾有大规模的变迁，北极圈内的斯匹茨卑尔根群岛有热带植物棕榈树化石；南极冰盖下有煤系地层，而地处热带的南非有陆冰遗留下来的砂、砾、黏土混合层。

魏格纳不畏艰险地广泛搜集分支学科的资料，5次修改再版《海陆的起源》，但是遭到北美地质学家和地球物理学家的反对，以致掀起针锋相对的争论，直到魏格纳不幸逝世，这场大辩论才逐渐沉寂下来。等到布拉德（E．C．Bullard）用计算机把非洲和南美洲拼合到一起时，已经是20世纪60年代末的事了。

2）海底扩张（sea floor spreading）

1950年前后，地质与地球物理研究在海洋中取得一系列的重大成就：

（1）尤因（M．Ewing）、希曾（B．C．Heezen）等对世界大洋进行了广泛的回声探测（echo sounding），发现横贯全球规模的巨大海底山脉——洋脊。

（2）尤因等在世界大洋盆地中广泛采集沉积样品并进行年龄测定，发现它们的绝对年龄都小于2亿年，而大洋水的年龄则比大洋底沉积的年龄大得多。

（3）布拉德发现洋脊上有异常高的热流值，并认为是来自地幔的。

（4）布莱克特（P．M．B．Blackett）和朗科恩（S．K．Runcorn）研究地球上古老的岩石的磁性时发现：地球磁轴与地球自转轴大体上保持着一致的方向，而各个大陆所对应的地磁极，在不同时期有着不同的位置，从而说明各个大陆是有迁移的。

在大洋地球物理取得大量成果的基础上，美国普林斯顿大学地质系主任赫斯（H．H． Hess）提出了海底扩张说。在第二次世界大战期间，赫斯从一名航海长成长为驱逐舰的舰长，积累了大量的世界大洋底的观测数据。然后，他到普林斯顿大学任教，并系统地整理这些数据，发现海底平顶山的演化，描绘出海底扩张现象，于1960年发表“洋盆的历史”，也称之为“地质史诗”。1962年形成海底扩张说，认为洋底的主要构造形态直接表现出地球内部的对流过程（图6）。

图6 海底扩张与地幔对流

（1）对流体在洋脊处上升，在洋脊的中央裂谷处溢出，形成新的洋底，并向两侧平移扩张。

（2）对流体在海沟（trench）处下降，老洋底俯冲（underthrust）进入地球内部而熔融、消失（图7）。

图7 俯冲板块熔融、消失

（3）大洋盆地演化的机制如同传动带，一侧有洋底新生，一侧有洋底消亡，所以，大洋底在2亿～3亿年内要更新一次。

1961年，迪茨（R．S．Dietz）在读了赫斯的手稿之后，随即著文论述并宣传海底扩张学说。以后，1957—1959年国际地球物理年、1960—1969年地壳上地幔计划、1970—1979年地球动力学计划一直到1980年，国际合作对世界大洋进行了广泛的地质地球物理调查，包括深海钻探（deep sea drilling project，DSDP），对海底扩张说进行了深入的验证，其中最著名的工作应是瓦因（F．J．Vine）和马修斯（D．H．Matthews）对印度洋洋脊两侧磁条带异常的观测及其解释，证实海底扩张（图8）。

图8 洋脊两侧磁条带异常

3）板块构造（plate tectonics）

板块构造是在大陆漂移、海底扩张的基础上发展起来的。在继承和发展的过程中，下列进展都对板块构造理论的出现做出了贡献：

（1）1965年，布拉德应用电子计算机完成南美洲与非洲海岸线的拼合，从而恢复泛古陆的面貌。

（2）1965年，威尔逊（J．T．Wilson）在平面上提出转换断层（transform fault）的概念，它也适应于球面条件。转换断层处于洋脊轴间偏离的部分，而以洋底断裂带为其迹线（图9）。

（3）1967年，麦肯齐（D．Mckenzie）用转动极来描述地球上的板块运动，并用滑动向量（slip vector）来表示地震初动，从而绘制出平行于板块运动的世界性图案。

（4）1967年，派克（R．Parker）用墨卡托（Mercator）投影，使两个板块之间的相对运动极与投影极有相同的坐标，从而编写出绘制世界性图案的计算机程序（super map）。如运动极正确，则转换断层与滑动向量呈水平状态。与此同时，摩根（W．J．Morgan）采用另外的投影方法，获得相同的结论。

图9 转换断层示意图

（5）1967年，梅纳德（H．W．Menard）证明，洋底大断裂带几乎都符合于一组大圆。

（6）摩根发现洋底断裂带精确地适应于绕地运动极的一组小圆，所以垂直于转换断层与不活动断层的大圆交点可以圈定运动极。

（7）根据磁条带异常与海底扩张率，也可以寻找出运动极。

（8）1968年，摩根作出世界大板块分布的第一张图（图10）。

图10 全球板块构造示意图

（9）1968年，勒皮雄（X．Le Pichon）编制出计算机程序，将拉蒙特 多尔蒂地质研究所的大量地球物理资料进行整理，分析出世界六大板块，并将板块运动的历史追溯到磁条带异常与地质资料所能够认识的过去。

在上述这些贡献的基础上，当时在拉蒙特 多尔蒂地质研究所攻读博士学位的一批年轻地球物理学家将板块构造的基本概念总结如下：地球表面由岩石层板块组成，岩石层板块在软流圈上运动。岩石层在厚度上相当于地壳与上地幔（upper mantle）之和。下地幔（lower mantle）由于压力和温度的增加不再呈刚性，而是容易形变和能够流动的，从而称为软流圈。在软流圈中的热对流（thermal convection）运动将牵动上覆岩石层板块做水平运动（图11）。

图11 传送带模式

由此，岩石层板块构造导致下列推论：

（1）岩石层板块的边界是地球表面经常发生地震和火山的活动带，其中包括洋脊裂谷、海沟和转换断层。

（2）岩石层板块的离散边界为洋脊裂谷，是海底扩张和新岩石层增生的地方。由软流圈中对流所产生的拉张作用，使下地幔中的高温、高压物质从这里溢出地表，形成新的岩石层，造成浅源地震，并将老岩石层向两侧做水平推移，造成海底扩张。(www.xing528.com)

（3）岩石层板块的聚敛边界为海沟，并与岛弧和弧后盆地共生。由于下地幔中对流体下降，使得大洋岩石层板块在此处俯冲于大陆岩石层板块之下，从而在地形地貌上出现较深的海沟，以及并列出露海面的岛弧与弧后扩张形成的盆地。俯冲下去的岩石层板块，由于摩擦而产生浅、中、深源地震（贝尼奥夫带，Benioff zone），随着温度和压力的增大，岩石熔融，形成火山和岩浆活动，在一定深度上，俯冲岩石层被周围物质同化并吸收，以致消亡（图11）。

（4）岩石层板块的滑动边界为转换断层。这里既没有新岩石层的增生，也没有老岩石层的消亡，而是不同板块的相互错动，并伴随有地震活动。

（5）大洋盆地的演化，以太平洋为例，一边在太平洋东隆（洋脊）处有新岩石层增生，一边在西太平洋又出现海沟—岛弧—弧后盆地（trench-islands arc-back arc basin）系，有老岩石层的俯冲与消亡，从而岩石层的新陈代谢有如一台处于运动之中的巨大传动带。正是这个传动带机制导演了一幕又一幕的大洋启闭与大陆离合的地质历史（图12）。

图12 我国朱夏教授提出的反映大洋转化为大陆的几个阶段

如果板块构造说成立，则可以设想一个典型大洋盆地的生命旋回：从小的开端增长到极大，然后收缩，直到完全闭合。威尔逊将大洋盆地生命旋回描绘成：①胚胎期抬升，如东非裂谷；②青年期扩张，如红海和亚丁湾；③成熟期扩张，如大西洋；④衰退期收缩，如太平洋；⑤终结期收缩并抬升，如地中海；⑥残痕期收缩并抬升，如喜马拉雅。

但是，岩石层板块构造是从大洋地球物理资料总结出来的规律性认识，它所概括的时间段，主要是中生代以来大洋盆地的演化。对于大陆，特别是具有十几亿或几十亿年的古老大陆，究竟如何呢？1996年第30届世界地质大会在北京召开，就是为了对中国这样复杂的拼合古陆取得了解，试图解决“板块登陆”问题。

总之，在20世纪，地球科学沿着大陆漂移、海底扩张和岩石层板块大陆构造的发展，使得许多孤立的地质现象进一步得到规律性的认识，而这个认识的取得首先是观念上的革新或突破，即脱离固定论的束缚而升华为活动论。对此，可以概括为下列三点：

（1）大陆漂移、海底扩张和板块构造的发展，提出了一个新的地球观。它认为地球及其岩石层板块不是孤立的，而是联系成系统的。板块构造也称新全球构造，是将地球作为一个整体，用岩石层板块对海陆作统一划分，并对地球发展各阶段的全过程加以认识。岩石层板块之间的相对运动（裂谷、海沟、转换断层）主要都是地球深部作用的结果，并有地震、火山、岩浆活动为其表现，从而导演出岩石层板块生成、发展和消亡的演化历史。地球的外部作用，尽管也可以起到一定作用，但相对而言却是微弱的。

（2）从大陆漂移、海底扩张到板块构造，充分说明唯物主义的发展论。它认为，地球及岩石层板块是永恒发展的，不是静止固定的，而发展是有规律的。从而地球及岩石层板块既是可以认识的，又是可以预测的。岩石层板块的相对运动，使大洋启闭、大陆离合，以致在时间上和空间上出现一幕幕雄壮的地质演化历史。其发展的机制有如传送带，而表现为新陈代谢，新的岩石层产生于洋脊，老的岩石层消亡于海沟。由于它们都是处于发展之中，所以必须在运动中加以考察和认识。

（3）大陆漂移、海底扩张和板块构造的发展为人们提供了重要的方法论。在20世纪的发展中，它吸收了全部地球科学所积累的丰富实际资料，去伪存真、去粗取精，并赋予新的含义。对于先驱性学说，不采取全盘否定的绝对态度，而是在继承中加以变革，推陈出新。它从地质学、地球物理学、地球化学等多方面入手，广泛采用现代科学技术成就，从定性描述往精确定量过渡，开展综合解释研究。地球科学是观测的科学，它在大量观测资料的基础上，提出工作假说，再到实践中去广泛求证，经过补充、修正，再提出新的工作假说。这样的工作方法符合“实践—认识—再实践—再认识”的过程。

4）中国大地构造格架

综合应用地质与地球物理场资料，可以给出中国大地构造格架深部结构及其演化历史，为找矿勘探提供基础资料。

根据岩石露头和观测结果编绘的中国地质图，给出不同时代花岗岩、玄武岩、基性 超基性岩的分布，进而划分出相对稳定的块体，分别为华北、准噶尔、塔里木、羌塘、冈底斯、柴达木、鄂尔多斯、扬子、松辽等。其现今的地势是自西而东（从青藏高原经鄂尔多斯—四川过华北到黄东海）逐级下降的。

从中国大地构造简图（图13）可以看出，中国大陆处于欧亚板块东南侧，东有太平洋板块，西有印度洋板块。在欧亚大陆上，蒙古褶皱带与华北的缝合线为天山—阴山—燕山。华北与扬子的缝合线为昆仑—秦岭—大别，而扬子与南华（华夏）块体之间为绍兴—十万大山（南岭），它们基本上是东西展布的。

图13 中国大地构造简图［引自《地球物理引论》（刘光鼎），GS（2005）382号］

应该指出，所有这些地质图件的依据都是地表出露的岩石和地球表层所提供的信息。对于地球深部的信息应该借助地球物理技术方法。地球物理技术方法应用专门的地球物理仪器设备，根据任务需求部署专门的测线或测网进行地球物理场的观测，将所获取的数据进行处理、反演计算，以获取地球内部信息资料。只有将地质与地球物理场资料结合起来，才可以对要解决的问题取得接近实际情况的认识。

中国在飞机上进行了大量的地磁场观测，编绘出中国及其毗邻海域航空磁力异常ΔT图（图14）。由此图可以明显地看出中国大陆块体塔里木、华北、扬子、南华之间结合带，天山—阴山—燕山、昆仑—秦岭—大别和绍兴—十万大山，印证了中国大陆上的巨型纬向构造体系。航空磁测于1957年首次给出郯庐断裂的存在，证明航空磁测具有一定的识别地壳深部情况的能力。将航磁异常向上延拓到卫星高度（300km），得到中国大陆及邻区磁力异常（图15）。可以看出卫星磁异常场与区域构造有一定的对应关系（图16）。

应用重力仪观测得出中国布格重力异常图（图17）和中国大陆重力水平梯度图。这两张重力场图存在两条南北向重力梯级带：大兴安岭—太行山—武陵山和贺兰山—龙门山。这两条梯级带之间为鄂尔多斯和四川，重力异常值为－50～－250mGal，将中国大陆分割成三块，西部青藏高原在－250～－550m Gal，东部在±50mGal之间，根据布格重力异常场计算出中国大陆的莫霍面深度图（图18）。由此可见，中国大陆的地壳厚度在青藏高原为70～80km，到四川和鄂尔多斯下降为45km左右，在华北降到30km，而到冲绳海槽则下降到18km。换言之，中国大陆的地壳厚度是与地势有关的。

图14 中国及其毗邻海域航空磁力异常图

图15 中国大陆及邻区磁力异常

图16 中国大陆卫星磁异常场［引自《地球物理引论》（刘光鼎），GS（2005）382号］

图17 中国布格重力异常图［引自《地球物理引论》（刘光鼎），GS（2005）382号］

图18 中国大陆的莫霍面深度图［引自《地球物理引论》（刘光鼎），GS（2005）382号］

利用天然地震信息或地震勘探数据对中国大陆进行地震层析成像研究可以得出不同深度上的速度图像（图19）。此地震层析成像结果表明，中国大陆在不同深度上的动力学作用基本上是南北方向的趋势。如果取45km的深度来看，中国中部鄂尔多斯、四川地区的地壳厚度为45km左右，那么中国西部青藏高原地区的地壳厚度应大于45km，而中国东部地壳厚度应小于45km（图20）。

图19 中国大陆不同深度上的速度图像

图20 中国大陆地震层析成像结果（45km）

综合研究地质与地球物理资料，可以将中国大陆宏观构造格架归结为“三横、两竖、两个三角”（图21），与中国大陆断裂体系图（图13）有着良好的对应关系。三横指的是天山—阴山—燕山、昆仑—秦岭—大别和绍兴—十万大山，分别表示中国大陆各地质单元的结合带；两竖表示大兴安岭—太行山—武陵山和贺兰山—龙门山，是重力场中的两条梯级带；两个三角是柴达木—祁连山和松潘—甘孜。

图21 中国大陆宏观构造格架［引自《地球物理引论》（刘光鼎），GS（2005）382号］

“三横、两竖、两个三角”不仅明确地指出中国大陆大地构造的格架，而且在宏观上给出矿产资源的空间分布。“三横、两竖、两个三角”既是地壳中断裂活动的地层，也是岩浆活动集中的地区，因此也是各种金属矿床赋存地；在“三横、两竖、两个三角”的结合带之间大多为沉积盆地，是油气勘探的主要研究目标。

在区域地质地球物理编绘中国海陆系列图的基础上，对中国大地构造的基本认识可以总结为：

一个分界，即以印支期为界。印支期以前为古全球构造阶段，在前寒武纪期间，在特提斯洋中有华北、扬子、南华、塔里木等多个陆核出现，它们发展壮大，形成相对稳定的克拉通（craton），或称为块体（block）。此时块体之间并无相互作用，属槽台体制。直到古生代末这些块体拼合成古中国大陆。应该指出，此时还没有青藏高原。此后块体之间发生拼合，进入板块体制。

两条锋线。中生代期间，羌塘、冈底斯、印度先后从南大陆北上，使特提斯做“手风琴式”的启闭，形成特提斯域的锋线；随后，新生代期间，太平洋板块改变扩张方向，使菲律宾海板块向欧亚大陆聚敛，甚至俯冲，出现沟—弧—盆系，板内拉张，地壳减薄，形成滨太平洋域的锋线。

三次变格。自南大陆北上的羌塘与塔里木碰撞，缝合线为澜沧江—金沙江，时代为T3—J1。之后，冈底斯又自南大路北上与羌塘碰撞，缝合线为怒江—班公湖，时代为J3—K1。随后，印度又从南大路北上与冈底斯碰撞，缝合线为雅鲁藏布江，时代为K2—E23。这三次变格波及面广，使中国大陆受到严重的挤压改造（图13）。

四条转换断层。中生代侏罗纪期间，太平洋板块在四条南北向转换断层之间发育成长，进入新生代始新世时，转换断层的扩张方向自SN向转变为NW—SE向，由马里亚纳沟—弧—盆系圈出菲律宾海板块，在欧亚板块与菲律宾海板块之间出现极缘聚敛，极内拉张，地壳减薄，形成滨太平洋域并有一系列断陷盆地在中国大陆东部出现（图22）。

图22 印度次大陆的碰撞造就了青藏高原

五幕演化史。地壳在其发展过程中经历了陆核形成、古全球构造，经过中间过渡和新全球构造阶段。在前两个阶段中，不同的块体形成的时代不同，有“同序时差”的表现（表2）。

表2 地壳发展阶段

中国大地构造演化史基本上可以分成5幕：

第一幕是陆核形成。作为中国大陆雏形的陆核，分别出现于前寒武纪，其中太古代（Ar）为华北，出现于元古代（Pt）为扬子、南华、塔里木等。它们经过成台过程，逐渐过渡成陆壳，并逐渐稳化（图23）。

第二幕是古生代拼接。自元古代末期（Pt3）到古生代（Pz）期间，上述陆核逐渐发展，在古生代末期印支运动时拼合成古中国大陆（图24）。

图23 前寒武纪：华北、扬子、印支、塔里木等陆核先后在原特提斯洋出现

第三幕是中生代晚三叠世—早白垩世（T3—K1）期间，中国大陆经受严重挤压、改造。印支期揭开阿尔卑斯构造旋回，地壳演化进入新全球构造发展阶段，即板块体制。西部特提斯域的三次变格，形成中国大地构造的两部锋线。中国东南大陆边缘也有三条缝合线：海南—飞騨（T3—J1）、玉里—领家（J3—K1）和东京—马尼拉（K2—E1），形成中国大地构造东部锋线（图25）。

图24 古生代：陆核逐渐发展，形成块体，并在古生代末期结合形成古中国大陆

图25 晚三叠世—早白垩世：中国大陆经受严重挤压、改造

第四幕是晚白垩世—中渐新世（K2—）期间，太平洋板块向欧亚板块聚敛，板内拉张，地壳减薄，在滨太平洋域内形成一系列箕状坳陷，并有陆相沉积物充填。

第五幕是晚渐新世—第四纪（—Q）期间，洋壳向欧亚板块俯冲，形成西太平洋沟—弧—盆体系，板内沉降，出现现今中国海陆大地构造的基本面貌（图26）。

图26 晚渐新世以来，板缘俯冲，板内沉降

总之，中国大地构造演化经历了两个发展阶段：印支前陆核形成，发展成块体，在块体之间为海洋，有海相沉积出现。此发展阶段即槽台体制下的古全球构造阶段。印支后块体相互作用，碰撞挤压，扩张增生，俯冲消减，并向大陆边缘蠕散，成为板块运动体制下的新全球构造阶段。由此可见，中国陆地是一个拼合的大陆，其结构框架是“三横、两竖、两个三角”。

中国海（渤海、黄海、东海、南海）夹持于太平洋板块、印度洋板块和欧亚板块之间，其形成演化是这三大板块相互运动的结果。中国海的形成起始于三叠纪中晚期地壳演化进入新全球构造发展阶段，而中国海雏形的最终形成则在早第三纪晚期。

中国海陆宏观构造演化可以归结成“跷跷板”过程。从古生代末期到印支期间，中国西部属特提斯洋，地势低，而东部为陆地，地势高，有些地层受到剥蚀而缺失。中生代期间，地壳遭受构造运动的强烈挤压、改造，西部特提斯域演化形成青藏高原，地壳厚度增大，地势增高，形成世界第三极；随后，滨太平洋域受到南北向拉张，地壳减薄，地势降低。由此可以设想，印支期前，中国地势为东高西低，印支期后为西高东低，正如以四川、鄂尔多斯为轴的一个巨大的“跷跷板”。