当代地球物理学研究的核心科学问题和发展导向

第 2 3卷 第 3期 2008年 6月(页码 ：637～640) 地 球 物 理 学 进 展 PR0GRESS IN GEOPHYSICS Vo1．23 NO．3 June 2oo8 [院士论坛] 当代地球物理学研究的核心科学问题和发展导向 滕吉文 (中国科学院地质与地球 物理研 究所 ，北京 100029) 摘 要 地球物理学在 2o世纪的百年中取得了辉煌的成就，也提 出了一系列有待研究和探 索的科学问题．基于国家 战略需求和 自主创新的方针，基于国家在金属矿产资源、油气能源、地震与火山灾害和军事与国防的需求和防范，则 必须深化研究和认识地球本体．为此，地球 内部物质与能量的交换、深层过程和动力学响应已成为 21世纪地球科学 研 究和发展 的核心 ，地球物理 学必须造福 于人 类． 关键 词 地球物理 学，核心科 学问题 ，物质 与能量交换 ，深层动 力过程 ，发展 导向 中图分 类号 P3 文献标识码 A 文章编 号 1004—2903(2008)03—0637-04 The core scientific problems for the contemporary and development direction geophysical research TENG Ji—wen (Institute ofGeology and Geophysics，ChineseAcademy of Sciences，Beijing 100029，China) Abstract Geophysics obtained splendid achievement in 100 years of the 20th century and it has also put forward a se— ries of problems for research and probe．In view of the policy of national strategy key points and innovation of our country，especially for the metallic minerals，oil and gas，earthquakes and volcanic calamity，military and national de— fence，we must improve the understanding of the Earth’S itself．The exchange of substance and energy，deep process and dynamical response in Earth’S interior are the core for earth science studies and development in the 21st century． Geophysical research must contribute tO making happiness for mankind． Keywords Geophysics，Core scientific problems，exchange of substance and energy，deep dynamical process，devel opment direction 0 引 言 地球物理学是 20世纪初 、中叶问世的一门边缘 科学，在其中、下 叶得到迅猛发展 ，并在 20世纪 的百 年里取得了辉煌成就_1]，促进 了地球科学 的整体发 展，为国家工业化进程和经济腾飞做出了卓越贡献． 为此，在进入 21世纪 的今天 ，在地 球物理学 领域 里 深化认识地球本体已为成山、成盆 、成岩、成矿 、和成 灾研究 中的本质所在．这就是说 ，地球内部精细 圈层 结构、耦合效应和地球内部 物质与能量交换 的深 层 动力学过程乃是 当代地球物理学研究的核心所在． 人们必须清晰地认识到 ：地球物理学 ，特别是地 球内部物理学与大陆动力学在本世纪整体地球科学 研究 和发展 的长河中乃是 中流砥柱[1]，当然也存在 着挑战l2 ]．为此 ，就必须通过该科学领域核心科学 问题的深入研究和探索 ，为人类提供一个 良好 的生 活与生存空间和社会与经济可持续发展 的物质源泉 及保证．我们知道 ：“地球物理学在本质上是一 门观 测的科学，必须采集海量的信息．因此可靠信息与信 息量的缺乏或不足则是任何数学技巧和图像显示所 无法弥补 的”_4 ]．基 于这样 的前 提 ，必须 将 “地壳 (包括沉 积建造 ，结 晶基 底)，壳 幔介 质的精细结 收稿 日期 2008—03—10； 修 回日期 2008 04 20． 基金项目 2007年中国科学院学部咨询项目和中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZXCX3 sw 148)联合资助． 作者简介 滕吉文，1934年生，研究员，中国科学院院士，主要从事地球物理学和地球动力学研究．曾率先进行青藏高原的地球物理研究，并 取得了第一批重要的创新性成果．在国内外学术期刊上发论文 200余篇．(E mail：jwteng@mail．iggcas．ac．cn) 维普资讯 http://www.cqvip.com 638 地 球 物 理 学 进 展 构 ，物质的物理一力学组成与属性 ，物质与能量的交 换 ，深层过程一物质的运动学行为和轨迹一圈层耦 合的动力学机制”作为一个系统工程来研究和探索， 进而揭示地球内部物质运动的奥秘，以造福于人类! 为此，本文将分为以下五个方面进行概要的论述． (1)对地球 内部与深层动力过程的研究与思考 ； (2)地球物理学的发展导向； (3)地球内部圈层结构和动力学研究的主体内涵； (4)地球物理学研究的核心科学问题 ； (5)地球物理学必须造福于人类． 矿产资源的形成与聚集 ，造山的深层过程 ，沉积 盆地的形成，地震“孕育”、发生和发展的深部介质和 构造环境 ，地球圈层之间的耦合效应和活动边界与 块体 的运移 ，均必涉及地球深部物质与能量的交换 和深层动力过程．因此 ，它必 然要成为 21世纪地球 科学研究与探索的“焦点”，即在第二深度空间(500 ～ 2000 m)金 属 矿 产 资 源 和 油 气 能 源 (5000～ 10000 m)探查、灾害和环境研究与探索的创新研究 中，必须深化对地球本体的认识 ，从机理上给出新的 认识和建立起新 的运动学和动力学 的模型c4,8,9]． 1 对地球内部与深层动力过程的研究与思考 2 地球物理学的发展导向 金属矿产资源的形成 、演化和分布均为深部物 质分异、调整、运移和其物理～力学 化学作用过程 的产物．现以黄金为例来看一下其形成过程 ，根据黄 金的非专属性、金属特性和其组构 的金属原子结构 模型，推断黄金起源于地核 ；金的形成要经过气态 气、液混和态一液态一固、液混和态一固态和源于地 核一地幔一地壳～大气层(地表)的运移和演变过 程．沉积盆地的形成与深部幔源物质上涌 及其导致 的地壳、特别是上地壳物质变形关切，故形成了壳 幔边界抬升与沉积建造呈现水平向拉张型盆地及其 下凹的“镜像”模式[4 ]．此外 ，以金伯利岩筒为 向上 输运通道和以岩浆为载体的金刚石等则是另一个例 证．地震的“孕育”、发生与发展除震源区介质与构造 环境外，更重要的是其力源作用与深层过程 ]．地球 内部物质的热状态、火山作用与喷发、造山运动、高 原的抬升与地一气和海一陆耦合等不仅影响着人文 与气 候 及地 理 环 境 的变 迁，而 且 制 约 着 全 球 变 化[4 ]．地球内部磁场的变化和西向漂移 、突变与倒 转不仅构成了地史期 间的一系列重要事件 ，而且会 导致生物灭绝与生命的异常演化． 日地关系的响应 ，沧海桑 田与海、陆的变迁，天 体运动与地球内部各圈层间的耦合效应研究和探索 亦在不断深化和“交叉”．因为它们是一个耦合体系， 是地球系统科学深化研究的必然 ，是天 、地相互作用 的必然轨迹． 在论及环境与全球变化时 ，必须将环境视为四 维时空(z、Y、 、 )：即大气圈、地圈、岩石圈和其随时 间的变化，而其变化又是不均匀的、各向异性的和非 线性的过程．为此，地球 内部物理及其深层动力过程 的研究，不论对地震 的发生、火 山的喷发 、地球物理 异常场的变异 、大气的变化及环境 的变迁 ，还是对社 会和经济的发展均有着十分重要的意义． 2．I 地球 内部圈层的精细结构与相互作用 地球物理学的发展必然是将地球作为一个整体 来研究，其重点乃是地球内部物质与能量的交换与 动力学 响应，以探讨资源、能源、灾害和环境 的变迁 及其深层过程口 ]．为此必须通 过地球物理场及其 边界场效应进行高层次的综合研究，且要在理论、观 测和实验三位一体 的研究和探索 中取得突破性进 展，且在机理上有所建树． 2．2 全方位地揭示地球内部奥秘 岩石圈精细结构的地球物理观测和探测结果表 明，不论是大陆 、海洋 ，还是一些特异 的构造背景地 带，它们的深部结构都是千差万别的．正因为如此才 会演绎 出一幕幕壮观的全球“景色”．这是 因为地表 所见到的各类构造运动，地球物理异常场和海陆变 迁等等 ，它们作用的时间是如此之长，规模又是如此 之大，不可能是地表或浅表层过程作用所致 ，必然地 要涉 及到地球深部的物理一力学过程和其力源机 制 ]，故必须深化认识地球本体 ，才能为成山 ，成盆 ， 成岩，成矿和成灾的研究与探索中做出创新性的贡献． 3 地球 内部圈层结构和 动力学研究的主体 内涵 这里只能给出一个纲要，而不再去进行详细论 述口 ]．从整体上归结起来可分为以下几个方面 ： (1)地面高精度地球物理观测系统的建立、以获 得高分辨率的信息和求得复杂介质的精细物理一力 学结构 ； (2)地球深部介质结构、物质组成和属性与各圈 层之间的相互作用与力源机制 ； (3)基于相似理论与多要素约束下的、逼近的物 理 数学模拟和仿真； (4)建立地震波场、重力场、磁力场、电磁感应 维普资讯 http://www.cqvip.com 3期 滕吉文：当代地球物理学研究的核心科学问题和发展导向 场 、地热场等新一代的理论体系、反演方法和解释系 统 ； (5)地球 内部物质分异 、调整 、运移和物质 与能 量的交换与金属矿产 、资源、油气能源 、地震 和火 山 灾害、环境变迁和对人文与大气环境变化的响应 ； (6)地球物理学在大型工程建设 、城市环境和军 事与国防事业 中的作用(包括军事武器和作战)； (7)板内与板缘典型大型构造界带 的地球物理 学探测和边界场效应与对比研究 ； (8)地球 内部 圈层耦合 与运动学和动力学模 型 及新理论的建立 ； (9)地球内部高温高压条件下 的物理实验和物 质 的状态(包括变形和流变学)与新物质或新现象的 产生及发现 ； (1o)地球物理观测仪器和实验设备的 自主研发 和新物理量的发现与应用． 以上 10个核心科学问题的研究是在 国家战略 需求和 自主创新为导 向下 ，且在深入研 究和取得 创 新性认识之必须 1 4 地球物理学研究的核心科学问题 4．1 研究主题与中心 (1)研究 主题 ：地球内部精细结构与地球物理场 特征，物质组成和各圈层 的耦合． (2)研究 中心 ：地壳 、地幔、壳 幔边 界、地幔低 速层 、410 km和 670 km 间断面、核一幔边界 、地核 和其形成与演化的深层过程，特别是其界带或过渡 带的物质属性及结构组合． 4．2 研究目标与目的 (1)研究 目标 ：深部物质运移与能量的交换 、深 层过程、力源机制与地球动力学响应及运动学和动 力学模型的建立． (2)研究 目的：在深化对地球本体认识的基点 上，为资源、灾害、环境和全球变化提供地球深部介 质与构造环境 ，耦合要 素和深部与浅部物质运移的 物理 力学 化学过程及动力 学机 制 ，并对其潜在 的前景进行预测． 4．3 典型研究地域 (1)青藏高原与东、西构造结； (2)川I滇南北构造带与深部物质侧 向流展 ； (3)东部大陆 、陆缘地域与分区(带)； (4)北方构造带(古亚洲洋界带与其南北缘)； (5)中央造 山带； (6)临近海域与板缘效应． 4．4 这是一项系统工程 地球深部各圈层的结构与动力学响应涉及到人 类的生存空间和生产活动与社会 的发展及兴衰的方 方面面．这便迫使人们要对地球整体的深层过程、各 圈层之间的相互作用 和力源体系进行新的思考，将 这一领域作为一个与国民经济和理论基础均密切相 关的“系统工程”来研究和探索 ，即“地球内部 ，特别 是壳、幔介质的精细结构一物质的物理、力学组成和 属性一物质与能量交换 的深层过程 物质的运动学 行为和运动轨迹一动力学机制”，以使地球物理与动 力学的研究在深化认识地球本体的基础上，在成山、 成盆 、成岩 、成矿和成灾的研究中[1 为人类服务并 做出新的贡献． 5 地球物理学必须造福于人类 地球物理学研究 的最终 目标是深化认识地球本 体及其从太阳系中诞生到目前状态的演化，以便能 对行星的物理学 、化学、地质学和生物学的深层作用 过程建立起详细的、定量的概念性预测模式 ，即了解 整个地球和其系统的过去 、现在和未来 的行为，建立 行星地球的整体理论 ，并利用这种认识 为人类生存 提供可持续发展的物质 与环境．因为地球深部圈层 与动力学研究 的宗 旨必须是促进科 学与技术 的发 展 ，为人类提供一个 良好 的、可持续发展的生活与生 存空间，并造福于人类． 地球内部 ，特别是 地壳 、地幔、地核与地球动力 学研究是深化认识地球本体 ，为人类提供一切物质 资源的源泉，但也是地震、火山等 自然灾害发生和影 响大地变迁的策源地 ，同时它们又制约着各圈层 的 耦合和物质与能量 的交换．如今 ，地球深部结构 ，特 别是岩石圈与软流圈的精细结 构，深层 过程与动力 学机制的研究正成为地球科 学发展 的核心所在．因 为一系列有关地球内部的本质问题或成 因机理均必 然地要涉及地球深部物质的分异、调整和运移，即在 力源作用下深部物质与能量的交换及其深层动力过 程 ． 6 结 语 在全球科学与技术 、社会与经济的发展大潮中， 在人类生活、生存与可持续发展 的长河中，已在理论 上 、实践上确凿的，地球物理学不仅是地球科学 发展的中流砥柱 ，而且正在成为与诸多学科渗透 、交 叉和共进的“链”或“桥”． 中国是一个大国，人 口众多，在科学与技术上 当 维普资讯 http://www.cqvip.com 640 地 球 物 理 学 进 展 23卷 必涉及到各个学科的方方面面．为此，要想成为真正 的科技强国，则在科学与技术发展的征程 中必须严 格地遵循国家战略需求和自主创新的方针．理应迅 速打破部门所有、资料封锁、各自为政和低水平的 N 元重复以及不惜去迎合外国人的认识．为此，在地球 物理学与大陆动力学研究领域里一定要长中国人的 志气 ，迅速建立起和谐的、全国统一的规划和实施计 划 以达共进 ，切不要为了“创新”而将他人的论点与 论据仅在文字形式上给以细微的修变而标上自己的 “创新”标签．因为这必将 阻碍科学的发展和技术的 进步．在当今的国内外形势下，国家是如此重视科学 技术，人们是如此期盼科学技术带来 的社会进步和 经济发展，为此我们切切不能有任何依赖、任何幻 想 ，只有脚踏实地、刻苦奋进、创造未来 ，才能独立于 世界民族之林 ! 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