地球系統動(dòng)力學(xué)綱要

卷( Volume)29,期( Number)3,總(SUM)106頁(yè)( Pages)285-294,2005,8( August,2005)大地構造與成礦學(xué)Geotectonica et Metallogenia地球系統動(dòng)力學(xué)綱要李德威(中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院和青藏高原研究中心,湖北武漢430074)摘要:與地球系統科學(xué)和全球變化密切相關(guān)的地球系統動(dòng)力學(xué)研究地球系統多層塊耦合作用的結構、過(guò)程、機理和效應,是地球動(dòng)力學(xué)、巖石圈動(dòng)力學(xué)、大陸動(dòng)力學(xué)海洋動(dòng)力學(xué)、大氣動(dòng)力學(xué)的高度綜合。本文采用分尺度、分層塊、分階段的思路研究復雜的地球系統,將地球系統動(dòng)力學(xué)按空間、時(shí)間和物質(zhì)分為地球內部系統動(dòng)力學(xué)、地球表層系統動(dòng)力學(xué)、地球外部系統動(dòng)力學(xué),歷史地球系統動(dòng)力學(xué)、現代地球系統動(dòng)力學(xué)、未來(lái)地球系統動(dòng)力學(xué),氣體地球系統動(dòng)力學(xué)、液體地球系統動(dòng)力學(xué)、固體地球系統動(dòng)力學(xué),分析了地球系統的耦合特征、耦合類(lèi)型和耦合方式,初步探討地球內部系統與地球外部系統耦合作用的耦合邊界、物質(zhì)運動(dòng)、動(dòng)力來(lái)源和耦合機制。最終將地球系統相互作用的各層塊作為一個(gè)有機的整體進(jìn)行綜合,認為地球內部放射性衰變生熱和地球外部太陽(yáng)輻射生熱是驅動(dòng)地球復雜開(kāi)放系統層塊耦合的主要動(dòng)力源關(guān)鍵詞:地球系統科學(xué);地球系統動(dòng)力學(xué);地球表層系統;全球變化;耦合中圖分類(lèi)號:P541獻標識碼:A文章編號:1001-1552(2005)030285-100引言學(xué)科作為一個(gè)有機的整體進(jìn)行大跨度的系統研究,是以美國國家航空與宇航管理局地球系統科學(xué)委員大陸動(dòng)力學(xué)是當代地球科學(xué)的重大前沿領(lǐng)域,會(huì )出版的《地球系統科學(xué)》(NASA,1988)一書(shū)作為然而大陸是地球系統中的一個(gè)組成部分,地球系統里程碑,提出了地球系統科學(xué)的概念,將相互作用的具有長(cháng)期的演化歷史和復雜的層塊結構,包含陸洋、大氣圈、水圈、生物圈、土壤圈、巖石圈作為統一的整核幔、殼幔、陸氣、海氣等多重耦合作用,涉及大氣體進(jìn)行研究。圈、水圈、生物圈、巖石圈的時(shí)空演變、物質(zhì)運動(dòng)和相1983年錢(qián)學(xué)森院士首先倡導“地球表層學(xué)”?；プ饔?影響全球變化的物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程和生物近十年來(lái),中國學(xué)者從不同角度論述了地球系統科過(guò)程,制約陸地生態(tài)系統和人類(lèi)生存環(huán)境,這些重大學(xué)(任紀舜等,1990;陳述彭和曾杉,1996;黃秉維,問(wèn)題是地球系統科學(xué)和地球系統動(dòng)力學(xué)的核心,因1996;袁道先,1999}張志強等,1999}馬宗晉等而地球系統科學(xué)和地球系統動(dòng)力學(xué)是當代地球科學(xué)2001;畢思文和許強,2002;柴育成,2002;汪品先,的最大前沿領(lǐng)域,對自然科學(xué)和人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展也2003;王焰新等,2003;翟裕生,2004),推動(dòng)了地球系具有十分重要的意義統科學(xué)的發(fā)展。地球系統多圈層耦合具有開(kāi)放的體盡管許多學(xué)者早已注意到地質(zhì)學(xué)、地理學(xué)、氣象系、復雜的過(guò)程、關(guān)聯(lián)的機制,因此,必須從地球系統學(xué)、海洋學(xué)、生態(tài)學(xué)、災害學(xué)、地球物理學(xué)、地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)的高度研究地球系統中不同類(lèi)型的物質(zhì)循環(huán)等學(xué)科中某些學(xué)科之間的交叉和滲透,但是將這些的內在規律和驅動(dòng)營(yíng)力。最近,畢思文和黃潤秋收稿日期:20040927;改回日期:2005402-14中國煤化工基金項目:中國地質(zhì)調查局“1:25萬(wàn)定結縣幅、陳塘區幅區域地質(zhì)調查”(項目編號屬、不凍泉幅區域地質(zhì)調查”(項目編號:20013000和“雅魯藏布江成礦區中段銅多金屬礦CNMHG作者簡(jiǎn)介:李德威(1962-),男,博士,教授,博士生導師,本刊常務(wù)編委,構造地質(zhì)學(xué)專(zhuān)業(yè),主要從事大陸動(dòng)力學(xué)和成礦動(dòng)力學(xué)的研究及教Email:dewei89@sina.com286第29卷(2003)提出地球系統力學(xué),試圖用現代力學(xué)的方法全球動(dòng)力學(xué)過(guò)程,引起地球半徑的增減交變作用,描述地球各個(gè)圈層的相互作用過(guò)程。導致全球重大地質(zhì)事件和成礦事件間歇式發(fā)生;地本文所闡述的地球系統動(dòng)力學(xué)主要研究地球系幔軟流層(相當于通常所說(shuō)的軟流圈)的羽狀層流統多層塊耦合作用的時(shí)空結構、演變過(guò)程、動(dòng)力來(lái)源和環(huán)形對流控制了以巖石圈板塊運動(dòng)和陸一洋轉換和作用機理,是地球動(dòng)力學(xué)、巖石圈動(dòng)力學(xué)、大陸動(dòng)為標志的巖石圈動(dòng)力學(xué)過(guò)程;地殼軟流層(即大陸力學(xué)、海洋動(dòng)力學(xué)、大氣動(dòng)力學(xué)的高度綜合,與地球下地殼)的波狀層流引起大陸盆山作用和疊加演化系統科學(xué)和全球變化密切相關(guān)。等大陸動(dòng)力學(xué)過(guò)程。這三種動(dòng)力學(xué)過(guò)程之間相互耦筆者曾多次探討以青藏高原及鄰區為典型代表的合和相互制約,巖石圈動(dòng)力學(xué)是全球動(dòng)力學(xué)的子系大陸板內造山成盆的大陸動(dòng)力學(xué)機制,闡述了大陸板統,而大陸動(dòng)力學(xué)則是巖石圈動(dòng)力學(xué)的子系統,彼此內盆山體系地殼尺度的物質(zhì)動(dòng)態(tài)循環(huán)過(guò)程(李德威和之間存在著(zhù)物質(zhì)交換和能量交換?！?李德威李先福,1993:李德威,1992,1993,1994b,995a,199b,1997)。1995c,1997;李德威和紀云龍,2000 Li dewei,194a,本文進(jìn)一步探討地球內部系統動(dòng)力學(xué)、地球外2000;李德威,2003,2004)。認為大陸基本構造樣式是部系統動(dòng)力學(xué)及其耦合關(guān)系,簡(jiǎn)要闡述地球系統動(dòng)盆山體系,大陸板內造山成盆事件與先期的板塊碰撞力學(xué)分尺度、分層塊、分階段的研究思路,初步提出基本無(wú)關(guān),是受大陸下地殼順層流動(dòng)制約的同步構造地球系統動(dòng)力學(xué)的分類(lèi)方案,試圖探討地球內部系過(guò)程。在盆地中央莫霍面受地幔熱柱影響顯著(zhù)上凸,統與地球外部系統的耦合作用。地殼底部因底侵作用而發(fā)生殼幔反應和部分熔融,引起下地殼物質(zhì)軟化和流動(dòng)。盆地幔隆區熱流物質(zhì)處于1基本思路勢能一重力失穩狀態(tài),低粘度物質(zhì)沿著(zhù)新生下地殼軟理論思維在很大程度上決定科學(xué)創(chuàng )新的走向。層流向相鄰造山帶幔拗區,雙向或多向熱軟化物質(zhì)層研究復雜多變的地球系統必須有清晰的思路。地球流匯聚導致造山帶地殼增厚,特別是造山帶核部下地殼巨量增厚,下地殼熱墊作用向上頂托中上地殼,誘發(fā)系統不同圈層和不同塊體在不同地質(zhì)時(shí)代具有特征的耦合方式。地球系統動(dòng)力學(xué)的終極目標是認識不垂向主應力,導致上地殼熱隆伸展,形成低角度伸展構同地質(zhì)發(fā)展階段地球系統各圈層相互作用和動(dòng)態(tài)耦造系統(如變質(zhì)核雜巖和拆離斷層)和高角度伸展構造合的整體過(guò)程和統一機理,由于地球系統結構復雜系統(如裂谷盆地、裂陷盆地、塹壘構造組合等)。板內歷史悠久、體積龐大,建議采用先分解后綜合的研究新生下地殼層流作用制約大陸盆山系統淺層物質(zhì)運思路,在對地球系統進(jìn)行分尺度、分層塊、分階段的動(dòng),在表淺層次,造山帶快速隆升,強烈的剝蝕作用和伸展作用造成造山帶揭頂和中上地殼減薄甚至局部缺分類(lèi)研究和深入解析的基礎上,再將相互作用的地失,大部分剝蝕物通過(guò)機械搬運充填到相鄰的沉積盆球層塊系統在更宏觀(guān)的背景下作為一個(gè)有機的整體進(jìn)行歸納和綜合。地,導致盆地地殼下薄上厚、邊緣坳陷的異常結構,并1.1分尺度在盆地邊緣拗陷帶形成巨厚的磨拉石建造。巨大的地球經(jīng)歷了漫長(cháng)的演化,地球系統在階筆者在大陸動(dòng)力學(xué)層流構造假說(shuō)的基礎上,以段性動(dòng)態(tài)演變過(guò)程中呈現不均勻結構,不同尺度的青藏高原為例,分析了大陸動(dòng)力學(xué)與巖石圈動(dòng)力學(xué)時(shí)空邊界限定了四維地球系統,不同尺度、不同層塊全球動(dòng)力學(xué)的關(guān)系,初步探討了地球內部系統動(dòng)力的地球系統具有不同方式的物質(zhì)運動(dòng),在高度綜合學(xué)(李德威,1995a,1995b,1997,2003,2004)。認為:盆山體系與洋陸體系、超大陸-超大洋體系是既有之前,有必要對不同時(shí)空尺度的地球運動(dòng)進(jìn)行分解研究?jì)仍诼?lián)系又有本質(zhì)區別的非線(xiàn)性開(kāi)放動(dòng)力系統。1.1.I空間尺度地球是一個(gè)多級分層系統,表現為地球內部不同不同尺度的空間邊界將地球系統分為大小不同深度、不同尺度的軟流層的物質(zhì)運動(dòng)控制其上強度較大的固體圈層的構造活動(dòng)。初步認為:地核軟流的單元,表1是一個(gè)初步的劃分方案。層(即外核)的流體運動(dòng)和熱散聚交替作用制約地中國煤化工分為地球外層地球球脈動(dòng)式膨脹與收縮和超大陸旋回的裂解和聚合這表HCNMHG還可以進(jìn)一步劃分。①李德威.1992.層流隆陷———種大陸動(dòng)力學(xué)模式中國科協(xié)首屆青年學(xué)術(shù)年會(huì )湖北衛星會(huì )議論文集第3期李德威:地球系統動(dòng)力學(xué)綱要表1地球系統空間尺度分類(lèi)氣層)的氣體密度宏觀(guān)上隨離地面高度的增加而降Table 1 Spatial classification of earth system低,6300余公里厚的地球內層的巖石密度總體上隨尺度量級現深度的增加而增加,制約了地球系統多級分層結構巨型全球級超大陸、超大洋、全球氣候變化和物質(zhì)運動(dòng)速率。生物圈中一些極端條件下生存的大型半球級大洋、大陸、南半球大氣環(huán)流、北半球大氣環(huán)流生物擴大了地球外層與地球內層的耦合范圍,拓寬中型區域級造山帶、盆地、亞洲季風(fēng)小型局部級花崗巖體、湖泊、滑坡、鄭石坑、火山口了地球表層的空間。微型微區級亞顆粒、流體包體、微生物1.2.2分塊地球的塊狀結構十分顯著(zhù),特別是在地球內部1.1.2時(shí)間尺度和地球表層(表4)。不同尺度的地球系統的運動(dòng)過(guò)程具有多級韻律性和階段性,大尺度的地球運動(dòng)包含多次小尺度的表4地球內部系統及表層系統分塊結構地球運動(dòng)。不同時(shí)間尺度的地球系統分類(lèi)見(jiàn)表2Table 4 Block structure of earth interior system andearth surface system表2地球系統時(shí)間尺度分類(lèi)巨系統系統子系統造山帶Table 2 Temporal classification of earth system大陸尺度量級(秒)弧后盆地巨型1016-107超大陸旋回、地球起源與演化大陸架大型104-103大陸漂移、板塊碰撞、洋陸轉換超大陸-超大洋大陸邊緣陸坡島弧中型101-1013造山與成盆、江河的形成海平面升降、生物滅絕小型10-10斷層活動(dòng)、巖漿侵入、土壤形成、成礦作用、冰期與間冰期大洋大洋盆地微型10°-105地震、火山、滑坡、泥石流、潮汐、風(fēng)暴、隕石撞擊洋中脊、海底山脈1.2.3層塊關(guān)系此外,地球系統演化過(guò)程傳統地分為太古代、元定大小的塊體對應一定厚度的圈層,特定的古代、古生代、中生代、新生代。每個(gè)階段都有其獨特層塊具有特定的運動(dòng)方式,不同層塊之間的物質(zhì)交的地球結構,地球演化以漸變和突變的方式交替進(jìn)換和能量交換導致地球運動(dòng)和全球變化。行,重大地史界線(xiàn)表現為全球海陸格局和生態(tài)環(huán)境發(fā)在地球外部系統,南半球大氣環(huán)流和北半球大氣生根本性變化,生物的爆發(fā)式新生和集群式絕滅環(huán)流可能與整個(gè)大氣圈的物質(zhì)運動(dòng)相關(guān)。對流層制1.2分層塊約了刮風(fēng)、下雨、降雪等氣候現象,還可進(jìn)一步分為影1.2.1分層響季風(fēng)環(huán)流的大陸氣候區和大洋氣候區,大陸氣候區地球是一個(gè)多級分層系統(表3),顯示不均勻中高原氣候區和平原氣候區的氣候也明顯不同。結構。一般來(lái)說(shuō),2000~3000km厚的地球外層(大地球內部系統的層塊結構十分清晰,陸洋轉換受巖石圈板塊制約,大陸巖石圈與大洋巖石圈在物表3地球系統分層結構性、結構、厚度、強度、變形、形成時(shí)代等方面顯示出Table 3 Stratification of earth system明顯的差異(李德威,1993,1995a,1995b),大洋擴子系統張帶地幔巖上升到地殼推動(dòng)大洋巖石圈水平運動(dòng)電離層(熱層)側向運動(dòng)的大洋巖石圈向大陸巖石圈俯沖實(shí)現淺層中間層地球外層物質(zhì)向深層的轉移,構成洋陸體系(超)巖石圈尺度平流層對流層的物質(zhì)循環(huán)。大陸板內造山成盆與地殼物質(zhì)循環(huán)運水圈動(dòng)有關(guān),造山帶地殼整體增厚及下地殼巨量增厚、上地球巨系統地球表層地殼中國煤化工沉積盆地地殼整土壤圈地殼體減∏ CNMHG地殼層流和韌性地球內層地幔伸展減薄成互動(dòng)關(guān)系(李德威,1993,1994,1995a,1995b,1995c,1997;李德威和紀云龍,2000)。青藏288大他修第29卷高原與周緣盆地之間存在大規模的地殼物質(zhì)循環(huán)生代的洋陸轉換帶(域)之上;燕山期秦嶺板內造山(李德威和李先福,1993; Li Dewei,1994a,2000;李帶和燕山期-喜馬拉雅期青藏高原復合造山帶疊加德威,2003)。青藏高原北部、東部和南部三個(gè)板內在自北而南有序演化的青藏特提斯構造域之上(L盆山地殼體系的形成,可能與西北利亞、太平洋和印 Dewei,1994)。主要表現為碰撞構造被板內構造強度洋三個(gè)巖石圈板塊先后向青藏高原方向俯沖作用烈改造。二是同尺度不同類(lèi)型的大陸構造單元隨著(zhù)有關(guān)。中國西部地殼總體增厚與中國東部地殼總體深部熱演變而出現地殼構造疊加(李德威,1995b)減薄主要是中、新生代板內新生下地殼熱軟化物質(zhì)后期構造單元新生熱下地殼強烈改造和徹底置換已由東向西橫向遷移的結果,其深層動(dòng)力學(xué)背景與太經(jīng)冷卻固結的先期構造單元老下地殼?！安煌?lèi)型平洋板塊作用有關(guān)。的大陸構造單元也可以疊加和改造,像華北平原這1.3分階段種新生代發(fā)展起來(lái)的盆地,沉積巖層可以直接覆蓋地球運動(dòng)在時(shí)間上也是不均勻的,有漸變和突在強烈剝蝕、夷平的古造山帶根帶高級結晶巖系之變之分,還存在特定時(shí)間界線(xiàn)全球巨變和區域變化上”(李德威,1997)。上述由大陸動(dòng)力學(xué)層流構造的差異。地球系統演化包括地球內部系統演化、地演化模式推斷的華北古造山帶,與張旗等(2001)通球外部系統演化和地球表層系統演化,表現為全球過(guò)埃達克巖論證的中國東部高原(或華北高原)不古地理、古氣候、古生物的分階段、不可逆演化。不謀而合。說(shuō)明中國大陸中、新生代發(fā)生了巨大的地同地區不同階段具有不同的動(dòng)力學(xué)特征。貌變遷。最近發(fā)現華南東西向巨大的重磁異常帶為根據全球事件轉折界線(xiàn),具有4.6Ga歷史的地深部隱伏構造帶(滕吉文等,2004),也可能是區域球分階段演化。前寒武紀地球演化是地球重力分異構造疊加的反映。與分層、古元古代 Columbia哥倫比亞超大陸和中青藏高原具有清晰的三階段構造演化過(guò)程(Li新元古代 Rodinia超大陸的裂解與聚合、原始大氣和 Dewei,1994;李德威,2003)?；仔纬呻A段可能與次生大氣形成的過(guò)程。重大構造轉折引起古全球變古元古代哥倫比亞超大陸和中-新元古代羅迪尼亞化,如 Rodinia超大陸的裂解發(fā)生在830Ma之后的裂解與聚合有關(guān)。青藏特提斯構造域演化階段可( Powell et al.,193),800~600Ma的超大陸裂解事分為原特提斯消減與古特提斯擴張、古特提斯消減件造成地球”冰室"效應,地球成為一個(gè)大雪球與中特提斯擴張、中特提斯消減與新特提斯擴張新( Donnadieu et al.,2004)。大約在570Ma,裂解的大特提斯消減與現代特提斯(印度洋)擴張的同步有陸再次碰撞形成 Pannotia超大陸,出現泛非(Pan-序演化序列( Li Dewei,1994a;李德威,2003,2004)。African)事件。這種超大陸開(kāi)合演化的全球動(dòng)力學(xué)過(guò)原特提斯的擴張可能與其北側的始特提斯(阿爾金程可能受控于核幔作用及相關(guān)的超級地幔柱活動(dòng)。昆侖元古洋)的消減之間存在密切的時(shí)空關(guān)系和542Ma進(jìn)入顯生宙的全球重大地質(zhì)事件造成大氣中成因聯(lián)系。青藏高原板內造山階段與周邊的盆地形氧含量急劇增加,臭氧層形成,生命大爆發(fā),0.53Ga成過(guò)程同步,板內造山階段分為不均勻的、以水平運出現澄江動(dòng)物群( Shu et al.,1999)。古生代地球運動(dòng)動(dòng)為主導的構造隆升期和整體的、以垂直運動(dòng)為主主要表現為大陸的裂解和拼合,是以洋陸轉換和耦合導的均衡隆升期。青藏高原由下地殼層流運動(dòng)控制為主導的巖石圈動(dòng)力學(xué)過(guò)程。中生代地球運動(dòng)在洋的板內盆山耦合作用具有從北向東再向南的順時(shí)針陸轉換的背景或基礎上發(fā)生廣泛的燕山期板內造山遷移演化規律,即從青藏高原北部至青藏高原東部,成盆事件和極大規模的成礦成藏作用。新生代以阿再到青藏高原南部(李德威和李先福,1993)。青藏爾卑斯-喜馬拉雅構造帶掘起、全球地貌和環(huán)境巨高原及鄰區中新生代板內造山成盆過(guò)程不僅表現在變、人類(lèi)滋生和繁衍為特征。每個(gè)重大構造轉折事件地區差異上,而且在同一盆山體系也呈現復雜的演在全球不同部位顯示洋陸作用或盆山作用,常伴有火化歷史。例如,青藏高原東部板內造山成盆事件在山、地震、礦產(chǎn)的大爆發(fā)和生物的大滅絕。燕山期、喜馬拉雅早期和喜馬拉雅晚期可能經(jīng)歷了不同尺度和不同類(lèi)型的大陸構造單元可以疊加區培盆山耦合擠壓環(huán)境盆山耦合和和改造(李德威,1995a,1995b)。區域大地構造疊被中國煤化工峰期以造山帶內部加一般有兩種常見(jiàn)類(lèi)型:一是大陸造山帶和沉積盆大CNMHG規模逆沖推覆為主地疊加在洋陸轉換帶之上。例如,中新生代大陸板要標志,這是板內金屬成礦大爆發(fā)期(李德威,內形成的天山造山帶和準噶爾盆地疊加在主體為古1994b;2004)。青藏高原板內峰期金屬成礦相應地第3期李德威:地球系統動(dòng)力學(xué)綱要289出現遷移演化規律,青藏高原北部主要是燕山晚期,約,如時(shí)空結構、物質(zhì)性質(zhì)、熱狀態(tài)、應力狀態(tài)、外星青藏高原東部主要為喜馬拉雅早期(峰期為40~30事件、生物作用等。水循環(huán)記載了土壤圈、水圈、生la)青藏高原南部主要地喜馬拉雅晚期(峰期為17物圈、大氣圈的物質(zhì)運動(dòng);幔(深)源火山巖搭起了~15Ma)。青藏高原整體快速均衡隆升發(fā)生在3.6地球內部系統與地球外部系統耦合的橋梁,融合了Ma以后,造成地貌、生態(tài)、環(huán)境和氣候的巨變(L地幔、地殼、水圈、生物圈、大氣圈的物質(zhì)記錄。此Dewei,9y4;李德威,2004)。青藏高原三階段構造外,地球表層系統復雜的層塊耦合包括自然動(dòng)力對演化是不同尺度和不同類(lèi)型的動(dòng)力學(xué)體制疊加的典人類(lèi)的作用和人類(lèi)活動(dòng)對自然地球系統的反作用。范,這一歷史地球系統動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程增加了地球(2)耦合尺度多級性。從空間上講,地球除與系統的成熟度,核外系統的分層作用和物質(zhì)再造作其它星球存在耦合作用外,地球內部系統與地球外用不斷加強。部系統之間、地球內部系統和地球外部系統中各子系統之間都存在廣泛的耦合作用2主要思想(3)耦合過(guò)程階段性。地球演化表現為不均勻的階段性運動(dòng),顯示出明顯的強度脈動(dòng)特征和演變2.1類(lèi)型節律現象。不同尺度的時(shí)間突變界面在相應尺度的地球系統一直處于四維動(dòng)態(tài)演變和狀態(tài)變化之地球層塊中表現出強耦合作用,出現造超大陸-超中,相應地出現不同類(lèi)型的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,可從時(shí)間、空間和物質(zhì)狀態(tài)等方面進(jìn)行分類(lèi)(表5)。各類(lèi)動(dòng)力大洋作用、造陸-造洋作用、造山-造盆作用,不同學(xué)分類(lèi)還可按各自的依據分為若干亞類(lèi)。例如,地程度地產(chǎn)生成礦作用、火山活動(dòng)、地貌變遷、生物滅球內部系統動(dòng)力學(xué)按深度可分成地殼動(dòng)力學(xué)、地幔絕和環(huán)境變化。特別值得研究的是,金屬成礦大爆動(dòng)力學(xué)、地核動(dòng)力學(xué)。發(fā)期出現在超大陸裂解和板內造山階段。在地球漸變過(guò)程中地球系統各圈層顯示弱耦合特點(diǎn)。(4)耦合作用關(guān)聯(lián)性。地球系統各層塊的耦合表5地球系統動(dòng)力學(xué)分類(lèi)過(guò)程也是相互制約的過(guò)程,包括天地生互動(dòng)、地球內Table 5 Classification of earth system dynamics空閫時(shí)間外互動(dòng)、核?；?dòng)、殼?；?dòng)、海陸互動(dòng)、盆山互動(dòng)。地球外部系統歷史地球系統氣體地球系統(5)耦合效應全球性。不同尺度、不同類(lèi)型的動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)耦合之間存在內在的聯(lián)系,子系統受控于系統,系統地球表層系統現代地球系統液體地球系統類(lèi)型動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)受控于巨系統。例如,青藏高原北部燕山期的板內地球內部系統未來(lái)地球系統固體地球系統造山成盆及金屬成礦事件與中特提斯的消減有關(guān)動(dòng)力學(xué)青藏高原中部和東部板內造山成盆及成礦作用與新特提斯的關(guān)閉和印度板塊與歐亞板塊的最終碰撞有2.2耦合關(guān),青藏高原南部喜馬拉雅晚期的板內造山成盆及地球系統動(dòng)力學(xué)的核心是不同尺度、不同狀態(tài)大規模金屬成礦事件與印度洋板塊作用有關(guān)。青藏的層塊在地球系統演變的不同階段發(fā)生耦合作用及特提斯構造域始特提斯、原特提斯、古特提斯、中特其整體互動(dòng)效應。提斯、新特提斯和現代特提斯(印度洋)自北而南的2.2.1耦合特點(diǎn)演化是未來(lái)澳美歐亞終極超大陸形成的重要組成部地球是一個(gè)復雜的巨系統,不同時(shí)空尺度的地分,對過(guò)去、現在和未來(lái)的全球變化帶來(lái)巨大的影球系統和各種地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程之間的耦合關(guān)系具有響。如下特點(diǎn):2.2.2耦合類(lèi)型(1)耦合系統復雜性。多圈層地球系統是一個(gè)地球是一個(gè)復雜的多級層塊系統,相關(guān)層塊之遠離平衡態(tài)的非線(xiàn)性復雜開(kāi)放動(dòng)力系統,地球系統間存在物質(zhì)和能量交換,并與地外系統構成開(kāi)放體與地外系統之間、地球內部系統與地球外部系統之系。間、地球內部殼幔、核幔之間、地球外部對流層與平度的莉VL中國煤化工與造山帶之間的流層、平流層與中間層、中間層與熱層(電離層)之耦合CNMH之間的耦合。(3)間以及洋陸、盆山之間都存在物質(zhì)交換和能量交換。地氣耦合:大陸與大氣層之間的耦合。(4)海氣耦地球系統不同層塊之間的耦合作用受許多因素的制合:海洋與大氣層之間的耦合。(5)殼幔耦合:地殼290第29卷與地幔之間的耦合。(6)巖軟耦合:巖石圈與軟流物運動(dòng)影響到地表形態(tài)、大氣狀態(tài)和成礦作用。例圈之間的耦合。(7)核幔耦合:地核與地幔之間的如,人類(lèi)活動(dòng)干擾或改變了碳、氮、硫、磷等生源要素耦合。(8)對平耦合:對流層與平流層之間的耦合。的生物地球化學(xué)循環(huán)系統,破壞了地球自然環(huán)境平(9)平中耦合:平流層與中間層之間的耦合。(10)衡狀態(tài),產(chǎn)生大氣污染、臭氧層破壞、溫室效應等嚴中熱耦合:中間層與熱層之間的耦合。(11)內外耦重生態(tài)環(huán)境效應。合:地球內部系統與地球外部系統之間的耦合地球系統耦合作用是各種耦合運動(dòng)方式的結合(12)日地耦合:太陽(yáng)與地球之間的耦合。(13)宇地和轉化,地球內部化學(xué)運動(dòng)可轉化為熱運動(dòng),熱運動(dòng)耦合:宇宙與地球之間的耦合。是地球運動(dòng)的最重要的因素。2.2.3耦合方式2.2.4耦合模地球系統各層塊之間的耦合作用是如下四種基地球系統是一個(gè)受物理、化學(xué)、生物過(guò)程制約的本運動(dòng)方式的結合:(1)機械運動(dòng):不同層塊的物質(zhì)多圈層相互作用的自組織系統,巨系統與系統之間在重力場(chǎng)和應力場(chǎng)中相互作用,在盆山耦合和洋陸系統與系統之間、系統與子系統之間存在物質(zhì)、能量耦合系統的上部占主導地位。(2)物理運動(dòng):不同交換。不同類(lèi)型、不同尺度的層塊耦合以物質(zhì)循環(huán)層塊的物質(zhì)在溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)、引力場(chǎng)、核力場(chǎng)中發(fā)為特征,有其相對獨立的動(dòng)力學(xué)機制。小尺度層塊生熱運動(dòng)、電磁運動(dòng)、基本粒子運動(dòng),是地球系統圈是大尺度層塊存在的基礎,大尺度層塊包含和控制層耦合最重要的方式。(3)化學(xué)運動(dòng):包括物質(zhì)多著(zhù)小尺度層塊,因而小尺度動(dòng)力學(xué)過(guò)程(如大陸動(dòng)種形式的化合與化分,如巖石變質(zhì)、礦物分異,放射力學(xué)、海洋動(dòng)力學(xué))處于從屬地位,大尺度動(dòng)力學(xué)過(guò)性元素衰變、水巖反應、大氣污染等。(4)生物運程(如全球動(dòng)力學(xué)、地球系統動(dòng)力學(xué))起主導作用。動(dòng)。地球表層包括人類(lèi)活動(dòng)、微生物作用在內的生表6地球系統多層塊耦合模式初步構想Table 6 Preliminary coupling model between different layers and blocks in the earth system耦合類(lèi)型層塊關(guān)系物質(zhì)運動(dòng)核心內容主控因素動(dòng)力學(xué)過(guò)程盆山耦合地殼與地幔作用盆山地殼物質(zhì)循環(huán)。親殼型地殼厚度巨變,板內造地殼軟流層大陸動(dòng)力學(xué)地殼物質(zhì)系統山成盆下地殼流動(dòng)(地殼動(dòng)力學(xué))洋陸耦合巖石圈與軟流圈作用洋陸殼幔物質(zhì)循環(huán)。親幔型巖石圈厚度變化,碰撞地幔軟流層巖石圈動(dòng)力學(xué)殼幔物質(zhì)系統軟流圈流動(dòng)(地幔動(dòng)力學(xué))超洋陸耦合地核與核外系統作用超大陸與超大洋物質(zhì)大循環(huán)。地球膨脹與收縮,統地核軟流層球動(dòng)力學(xué)親核型殼幔核物質(zhì)系統大洋和大陸外核流動(dòng)(地核動(dòng)力學(xué))季風(fēng)循環(huán)。地下水、地表水大氣水循環(huán)與轉化。高原上大氣、植被、土壤、太陽(yáng)輻射。陸面地氣耦合燕發(fā),氣溫、氣壓、陸地大氣動(dòng)力學(xué)高原與平原地殼剝蝕、平原上地殼充填與石流體層等分層耦合降水量變化?；鸬孛矂?dòng)力學(xué)平原下地殼流失、高原下地殼作用增生的地殼物質(zhì)循環(huán)山巖漿活動(dòng)大氣物質(zhì)入海,海洋溫室氣體風(fēng)、浪、流、潮、氣相互太陽(yáng)輻射海氣桐海內與海岸排放。厄爾尼諾現象。大規作用,海氣界面物質(zhì)和海底噴流海洋大氣動(dòng)力學(xué)模洋流一“全球輸送帶能量交換海溫場(chǎng)變化海洋動(dòng)力學(xué)大氣層頂底和地內外耩合整個(gè)地球系統大氣環(huán)流、季風(fēng)環(huán)流水請環(huán)地球老屈統,天地生橫自大地球系統動(dòng)力學(xué)碳循環(huán)、生物地球化學(xué)循環(huán)等相互作用,全球變化異熱力地球系統多層塊耦合模式是當代地學(xué)重大前種類(lèi)型的大氣環(huán)流模式、海洋環(huán)流模式、海氣耦合模沿探索性課題,目前較成熟的物質(zhì)運動(dòng)模式除概括式、陸氣耦合模式:合球海陸氣耦合模式(吳國雄洋陸耦合、軟流圈流動(dòng)、板塊運動(dòng)的巖石圈動(dòng)力學(xué)模等中國煤化工met,199;,rh式和多級地幔柱模式外,已初步建立以盆山耦合、下fldCNMHG1998: Manabe and地殼流動(dòng)、殼幔作用為核心的大陸動(dòng)力學(xué)模式(李 Stouffer,1996; Rahmstorf,1994; Stouffer et al.德威,1992,1993,1994b,1995a,1995b,1995)和多1994; Zhang Tao et al..,2002)。然而地球系統動(dòng)力第3期李德威:地球系統動(dòng)力學(xué)綱要291學(xué)模式是最高層次,涉及地球內部系統與地球外部于核外系統和內核必然存在差異轉動(dòng),而且應該是系統的耦合,控制各子系統的行為和過(guò)程,影響與人外核流動(dòng)快,以側向層流為主,在與內核及核外系統類(lèi)活動(dòng)有關(guān)的地球表層的狀態(tài)和過(guò)程,是地球各種的差異轉動(dòng)過(guò)程中起主導作用。地幔柱是全球大尺層塊作用、自然現象和運動(dòng)規律的高度概括,也是預度核幔殼物質(zhì)循環(huán)系統中由地核側向流派生的垂向測地球發(fā)展、演化和未來(lái)全球變化的基礎流。核幔邊界作用和相關(guān)的多級熱、冷地幔柱以及建立地球系統動(dòng)力學(xué)模式,必須考慮以下幾個(gè)洋殼俯沖構成大尺度的物質(zhì)循環(huán),與超大陸裂解和關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題:聚合有關(guān)。大洋擴張中心出現深部熱流物質(zhì)增生和(1)耦合界面。地球系統耦合的一級界面是地上升,大陸邊緣俯沖帶表現為大洋物質(zhì)消減、下沉,球內部系統過(guò)程(如巖漿活動(dòng)、流體活動(dòng)、變質(zhì)作并部分轉移到大陸底部,而大陸表面剝蝕物向大洋用、構造活動(dòng)等)與地球外部系統過(guò)程(如太陽(yáng)光、遷移季風(fēng)、大氣環(huán)流、水循環(huán)、碳循環(huán)等)強烈耦合作用地殼表層及地球外層出現大氣循環(huán)、碳循環(huán)、水的地球表層系統,主要由水圈、生物圈組成,涉及地循環(huán)等。季風(fēng)是典型的大氣循環(huán),全球大氣、海洋球內部系統的淺層和地球外部系統的底層,地球系陸地和冰層相互作用導致干冷冬季風(fēng)和暖濕夏季風(fēng)統演化過(guò)程中地球表層系統不斷發(fā)生變化,包括地的相互交替。人為碳排放影響海洋物理過(guò)程和陸地貌變遷、水系和湖泊演化、氣候變化、生物絕滅、生態(tài)生態(tài)系統,與全球升溫事件密切相關(guān)( Sabine etαl,.環(huán)境改變、地震活動(dòng)、火山噴發(fā)、山體滑坡、沙漠化2004)。水循環(huán)最直觀(guān),大氣水、土壤水、地下水、地等。地球系統存在多個(gè)二級圈層耦合界面,地球內表水、海水、冰雪在一定條件下相互轉化,大氣降水部系統由地核流層(外核)、地幔流層(軟流圈)和地到達地面后,一部分形成地表水,一部分向下滲入形殼流層(下地殼)的快速流動(dòng)及其與各自上、下相鄰成土壤水和地下水,地表水通過(guò)江河帶著(zhù)陸源物質(zhì)圈層的差異剪切運動(dòng)的耦合和解耦是研究地球內部流入海洋,海水人侵到大陸有助于形成地下水。地系統圈層耦合的關(guān)鍵。表水和海水經(jīng)陸面蒸發(fā)和海面蒸發(fā)進(jìn)入大氣層。水(2)物質(zhì)循環(huán)。地球多圈層耦合的核心是物質(zhì)循環(huán)支配全球水量的轉移與變化,影響不同層塊之運動(dòng),不同尺度地球層塊系統存在不同形式的物質(zhì)間的物質(zhì)和能量交換,塑造地球表面豐富的地貌形循環(huán)運動(dòng)。筆者曾描述了大陸板內盆山之間的殼內態(tài),制約生物的生存環(huán)境,因而水循環(huán)充分反映了大物質(zhì)動(dòng)態(tài)循環(huán)過(guò)程(李德威,1993,1995a,1995b)。氣圈、巖石圈、水圈、冰雪圈和生物圈的耦合在盆山地殼物質(zhì)循環(huán)體系中,從與熱點(diǎn)或幔枝有關(guān)不同類(lèi)型、不同尺度的地球層塊體系物質(zhì)循環(huán)的盆地中央莫霍面上凸的部分熔融和強流變伸展區周期顯著(zhù)不同,受物質(zhì)形態(tài)、循環(huán)腔尺度、物質(zhì)密度開(kāi)始,經(jīng)造山帶下地殼熱軟化物質(zhì)韌性流動(dòng)和匯聚和粘度等因素的制約,可分為超短周期(如大氣循增厚以及上地殼熱隆伸展、側向擴展和隆升剝蝕,再環(huán))、短周期(如碳循環(huán)、水循環(huán))、中周期(如盆山地到盆地接受沉積和推覆與滑覆改造,出現細沉積巖殼物質(zhì)循環(huán))、長(cháng)周期(如洋陸殼幔物質(zhì)循環(huán))和超(常伴生火山巖)、幔源或殼?；煸磶r漿巖、高溫麻長(cháng)周期(如超大洋-超大陸殼幔核物質(zhì)循環(huán))。粒巖、超高壓榴輝巖、高壓麻粒巖、埃達克質(zhì)下地殼(3)耦合動(dòng)力。地球系統存在多種動(dòng)力作用,宏源部分熔融巖漿巖、角閃巖相巖石、過(guò)鋁質(zhì)下地殼流觀(guān)上分為內動(dòng)力、外動(dòng)力和人動(dòng)力。局部而言,不同動(dòng)與上地殼斷裂差異運動(dòng)及中上地殼伸展降壓熔融構造發(fā)展階段和不同層塊邊界的主導作用力的類(lèi)型成因的殼源(淡色)花崗巖、綠片巖相巖石、粗沉積(如應力熱力、重力、引力磁力、人力等)有所不同。巖的有序親殼巖石組合,伴隨進(jìn)變質(zhì)作用、退變質(zhì)作從整個(gè)地球系統來(lái)看,熱動(dòng)力是地球系統耦合的主導用、無(wú)變質(zhì)作用和埋藏變質(zhì)作用。板內新生下殼層動(dòng)力源。盆山耦合的大陸動(dòng)力學(xué)過(guò)程與下地殼熱軟流與其上、下圈層耦合作用形成順層韌性剪切帶,形化物質(zhì)的層流作用有關(guān)(李德威,1995a,1995b),洋陸成超鎂鐵質(zhì)糜棱巖、鎂鐵質(zhì)糜棱巖、長(cháng)英質(zhì)糜棱巖等耦合的巖石圈動(dòng)力學(xué)過(guò)程由軟流圈熱對流或層流造構造巖序列。成在兩個(gè)主熱源區地球內部由放射性地球內部還存在更大尺度的洋陸物質(zhì)循環(huán)和地元素中國煤化工射生熱,從而形成幔流動(dòng)( Fortie and mitrovica,2001),地幔柱作用地球CNMHG溫度在1100℃以( Maruyama,1994),內核相對于外核快速差異轉動(dòng)上,地核溫度達5500℃,與地球表層之間存在巨大溫( Song and Richards,1996)。外核流動(dòng)過(guò)程中相對差,熱梯度和熱應力驅動(dòng)地球內部和外部的物質(zhì)運292大他虛戰第29卷動(dòng),制約地球系統物質(zhì)的存在狀態(tài)。參考文獻:地球系統除受自然動(dòng)力作用外,人類(lèi)活動(dòng)改造地貌形態(tài)、大氣狀態(tài)、生態(tài)環(huán)境,人為營(yíng)力和微生物畢思文,許強地球系統科學(xué).北京:科學(xué)出版社畢思文,黃潤秋地球系統力學(xué).北京:地質(zhì)出版社活動(dòng)對地球內部系統與地球外部系統之間強耦合的柴育成202淺議學(xué)科交叉與地球系統科學(xué)地學(xué)前緣,9地球表層系統的狀態(tài)突變將起到關(guān)鍵的觸發(fā)作用。(4)耦合機制。地球系統是一個(gè)結構不均勻、陳述彭,曾杉.1996.地球系統科學(xué)與地球信息科學(xué).地理研演化不平穩的復雜開(kāi)放體系,地球系統動(dòng)力學(xué)機制究,15(2):1-10要從地球系統整體作用的高度去理解,地球巨系統黃秉維.1996:論地球系統科學(xué)與可持續發(fā)展戰略科學(xué)基礎具有臨界閾值和突變特征。在研究地球多層塊耦合(1).地理學(xué)報,51(4):350-353運動(dòng)基礎上要重視地球氣水生殼幔核的整體運動(dòng)李德威199大陸構造樣式及大陸動(dòng)力學(xué)模式初探地球科特征,研究地球的形態(tài)(圈層結構、洋陸分布、盆山學(xué)進(jìn)展,8(5):88-93組合、地貌類(lèi)型)、狀態(tài)(熔層、水域、陸地、氣圈、冰李德威199.大陸構造研究中一些值得重視的問(wèn)題中國地質(zhì),(9):22-24蓋等)、物態(tài)(物質(zhì)存在形式、巖水氣組合、流體、地李德威.1995a.關(guān)于大陸構造的思考,地球科學(xué),20(1):10-18球化學(xué)組分)和生態(tài)(物種、人類(lèi)生存環(huán)境)的內在李德威.195.再論大陸構造與動(dòng)力學(xué)地球科學(xué),20(1)聯(lián)系,探索地球內部系統與地球外部系統在耦合過(guò)程中的物質(zhì)交換和能量交換。李德威.1995c,大陸構造與動(dòng)力學(xué)研究的若干重要方向,地學(xué)前緣,2(2):141-1463結論李德威.1997.大陸動(dòng)力學(xué)的哲學(xué)探索.大自然探索,16(2):107-110地球系統科學(xué)和地球系統動(dòng)力學(xué)都是正在探索李德威.200青藏高原隆升機制新模式地球科學(xué)—一中國的新領(lǐng)域。地球系統科學(xué)是地球系統動(dòng)力學(xué)的基地質(zhì)大學(xué)學(xué)報,28(6):593-600礎,地球系統動(dòng)力學(xué)是地球系統科學(xué)的發(fā)展。地球李德威2004.青藏高原南部板內造山與動(dòng)力成礦地學(xué)前系統動(dòng)力學(xué)除研究地球內部地殼、地幔、地核和地球緣,11(4):361-370外部對流層、平流層中間層、熱層的耦合過(guò)程和耦李德威,紀云龍200陸下地殼層流作用及其大陸動(dòng)力學(xué)合機制外,更重要的是研究地球內部系統與地球外意義,地震地質(zhì),22(1):89-96部系統之間的一級耦合界面(人類(lèi)賴(lài)以生存的地球李德威,李先桶,199四維動(dòng)態(tài)成礦理論的探索與實(shí)表層系統)的耦合過(guò)程耦合效應和耦合機制。踐——以西藏羅布莎鉻鐵礦區為例.武漢:中國地質(zhì)大出版社建立地球系統動(dòng)力學(xué)模式是一項高難度的巨型馬宗晉,杜品仁,盧苗安,200地球的多圈層相互作用地學(xué)理論創(chuàng )新工程,離不開(kāi)多學(xué)科大跨度的交叉、滲透和前緣,8(1):3熔合,高新技術(shù)(如空間和深部探測、實(shí)驗與模擬、任紀舜,陳廷愚,牛寶貴,劉志剛,劉風(fēng)仁.190.中國東部大陸髙精度定年、數據信息計算與處理)的應用,眾多現巖石圈的構造演化與成礦北京:科學(xué)出版社,1-205象的高度綜合和集成,局部模式(大陸動(dòng)力學(xué)、海洋滕吉文,閆雅芳.2004.中國東南大陸和陸緣地帶板內構造界動(dòng)力學(xué))、區域模式(巖石圈動(dòng)力學(xué)、大氣動(dòng)力學(xué))、帶的地磁異常響應.大地構造與成礦學(xué),28(2):105全球模式(地球動(dòng)力學(xué)、地球系統動(dòng)力學(xué))、星系模式(行星統一系統動(dòng)力學(xué))的交融和整合。最終通王焰新,朱水紅,張治河203發(fā)展地球系統科學(xué)的背景,過(guò)原創(chuàng )性的地球系統動(dòng)力學(xué)理論模型科學(xué)預測未來(lái)問(wèn)題及對策.中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(社會(huì )科學(xué)版),3(1):不同時(shí)間尺度的全球變化(如海陸變遷、地貌巨變汪品先.2003,我國的地球系統科學(xué)研究向何處去?地球科氣候變化、環(huán)境變遷、生物演化等)。學(xué)進(jìn)展,18(6):837-851本文是在前人大量研究的基礎上完成的。地球吳國雄,張學(xué)洪,劉輝,俞水強,金向澤,郭裕福,孫菽芬,李偉系統動(dòng)力學(xué)涉及十分廣泛的學(xué)科領(lǐng)域,在此僅作極平,王標,石廣玉.1997.LASG全球海洋一大氣一陸面系其簡(jiǎn)要的初步分析,期待起到拋磚引玉的作用。些認識還有待進(jìn)一步探討和修正H中國煤化工研究,應用氣象學(xué)報,8CNMHG被影響的陸氣耦合模與王焰新、楊坤光等教授進(jìn)行過(guò)有益的討論,在式.力學(xué)學(xué)報,30(3):267-27此深表感謝。袁道先.1999.對地球系統科學(xué)的幾點(diǎn)認識.高校地質(zhì)學(xué)報第3期李德威:地球系統動(dòng)力學(xué)綱要2935(1):1-5(1): 10-18( in Chinese with English abstract)翟裕生.2004.地球系統科學(xué)與成礦學(xué)研究,地學(xué)前緣,11 Li Dewei.1995b. 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Earth system dynamics can be classified into earth interior system dynamics, earth surface system dnamics, and earth external system dynamics based on space, and historical earth system dynamics, modern earthsystem dynamics, future earth system dynamics based on time, as well as gas earth system dynamics, liquid earthsystem dynamics, and solid earth system dynamics based on state of substance. The paper analyses the featurespes, and modes for earth system coupling, and discusses the coupling boundary, motion of matter, powersources, and coupling mechanism between earth interior systemnd finally by taking theinteracting multi- layers in the earth system as a whole structure中國煤化工oduction in theearth interior system and solar radiation heat production fromCN MH Ge dominating powersources for the layer-block coupling in intricate open earth systemKeywords: earth system science; earth system dynamics; earth surface system; global change; coupling