第四节 大陆动力学问题

大陆动力学是地球动力学优先发展的重点领域。地球动力学由岩石圈动力学和核幔动力学两大系统组成，其中岩石圈动力学又由两个相互独立的子系统——大洋动力学和大陆动力学所组成。

由于大陆岩石圈与大洋岩石圈有重大差别，洋底地质比较简单，而与大陆地质全然不同。大陆下面的软流圈也没有全球意义，一些古老大陆的山根深深地插入（可达400km）地幔之中，构成稳定的大陆核心，大陆岩石圈的“壳内流层”使其刚性明显不足，并且其化学边界层和热边界层要比大洋厚得多、老得多，所以，其动力学过程与大洋岩石圈是不同的，这正如美国大陆动力学计划所指出的“大陆物质的增生和消减过程仍然是一个谜”，“板块构造理论并未阐明大多数动力作用，特别是发生在大陆地区的作用”，这是其一。其二，地球内部的“不可入性”及不可及性，以及深部极端高温、高压下物质结构和运动状态的特殊性，使人们还不能深入到地球内部看个究竟（比如在震源内直接设置台站和安装观测仪器）。相反，大陆地壳大都露布地表或埋藏较浅，地史记录齐全，地质学积累丰富，对大陆表面岩石的研究已经持续了一个多世纪，况且大陆又是人类赖以生存的第一环境，所以，当20世纪90年代国际岩石圈计划从结构构造演化转向过程与动力学时，大陆动力学作为优先发展的领域就应运而生了，现已迅速成为当代地球科学的重要前沿。

大陆动力学研究有两个重要支柱，一是野外实验室，另一是空间大地测量和地球物理观测台网，以及高温（超高温）、高压（超高压）实验模拟。在野外实验室方面，我国所处的亚洲大陆是最近一次，即250Ma联合古陆（Pangaea Ⅳ）解体以来最后形成的一块陆地，也是地球结构构造最复杂的一块大陆，这块大陆被公认为是世界上研究大陆动力学的最佳场所之一，我国的青藏高原、大别山山脉和南海等已列为全球重点实验室；在观测台网方面，我国已建成VLBI站、SLR站和高精度、永久性GPS跟踪站多处，中国数字地震台网（CDSN）已于20世纪80年代开始运作，其地震资料已用于核—幔—壳三维结构层析成像，1°×1°格网重力测量的空白区将于21世纪初全部填补完成。这些观测台网及观测数据，当然决不限于上述这些，与野外实验室，与多学科交叉研究的有机结合，就有可能揭示出不同尺度大陆动力学的理论模型。根据我国学者的集团论证（《走向21世纪的中国地球科学调研组》，1995），目前所要解决的大陆动力学的关键问题是：大陆与板块运动是怎样相互作用的，大陆根在大陆形成和演化中所起的作用，大陆变形的物理过程，山脉和盆地是怎样形成的，岩浆是如何产生的，以及板块边界的物理化学作用等。

更深层次的问题则是由于大陆是最近40多亿年来与地幔对流相互作用的产物，也就是说大陆是全球动力系统中地幔对流的一个构成成分，因而，应把地幔对流作为重点来进行研究。解决地幔对流的关键是地幔界面（MB670km）地震界线的性质，它除涉及地幔是分层对流还是全地幔对流外，还涉及俯冲岩石圈是否能穿透MB670km地幔界面，如果能穿透，那它又是如何穿透的等一系列问题。其次是壳—幔热传输和质量传输过程及其与大陆变形关系的研究。热流及其传输过程的差异导致了地球各圈层动力学作用表现形式的不同。质量传输可造成壳—幔的不均一性，它不仅可以定量地表征地球的热状态和热过程，而且可提供壳—幔相互作用的深部过程的重要证据和限制条件。再次是岩石圈和软流圈耦合作用的研究。由于软流圈并不是均匀的，也不是等温的，所以，它与岩石圈的耦合程度或层间相互作用及其所表现出来的动力学特征也不一样。如果它们之间的耦合程度很弱，或它们之间有熔融层存在，那么从力学角度看，它们是相对独立运动的，在这种情况下，两者之间的相互作用可能以来自软流圈的热传送等产生的热影响（上涌高温、俯冲低温）为主；如果它们之间没有熔融层，或软流圈有一定硬度（刚性），则它们在力学上是耦合的，在这种情况下，往往是软流圈的运动和变形带动或控制了地表岩石圈的运动和变形。上述岩石圈和软流圈的这种耦合作用在建立大陆动力学模型时是必须予以考虑的。

此外，近年的研究还发现，插入地幔不同深度的岩石圈根或山根（壳根）可受到地幔对流等作用发生拆沉，形成大小不一的“沉块”（又称巨石），这些“沉块”不均匀地分布在地幔的不同深度上，直至 CMBZ 900km的核—幔边界层中，并引起壳—幔物质和能量的再分配。这一过程目前还不能从地表地质研究中获得，因而必须通过实验模拟和数学模拟来了解这种对流的动力学过程，进而检验和修正包括大陆动力学在内的全球动力学模型。

如果结合我国地质学特点并考虑到已有的工作基础和科技实力，则大陆动力学的重点问题是：青藏高原隆升的深部过程和多圈层相互作用模式，这也是国际研究的重点，被认为是“21世纪打开地球动力学大门的金钥匙”；造山带，特别是中国东部造山带的伸展作用和盆地—山脉的形成和演化；大别山超高压变质带的形成与剥露过程；中国大陆陆下地幔及其与大陆的相互作用，大陆壳巨型花岗岩类岩石的成因与动力学解释，大陆岩石圈大型断裂作用过程与大地震旋回，大陆变形的流变学及其构造热体制，大陆基本物质组成、生长和演化及其动力学解释，以及中国岩石圈的四维填图等。

探求和建立大陆动力学模式，仅仅依靠传统地质学及地质学的传统研究套路是断然解决不了问题的。必须立足国际大陆动力学、全球动力学的研究现状和发展趋势，必须做到思维创新，实现国际和国家目标的紧密结合；必须用整个一代的高新技术作为后盾，组织多学科的合作研究，开发出新一代关键技术并得到关键数据，并结合信息科学的新方法来支撑这些相互渗透的多学科研究成果的更高层次的综合集成。只有这样，我国学者才有可能使板块构造理论创建以来的原来认识提高到一个新高度，并建立起为国际地学界所普遍接受的统一的大陆动力学框架。