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地球的非对称性

2020-07-24 00:00:00

地球的非对称性目录前言 *章　对称与非对称自然界中的对称现象广义的对称性对称性与守恒定律及其他对称方法非对称现象非对称性与测量和涨落非对称性的应用参考文献第二章　地球非对称性概论引言南北半球的非对称性大西洋半球和太平洋半球的非对称性南北半球的扭动和低纬剪切带地球的非对称性与全球级构造系统第三章　环太平洋构造系定义和基本特征太平洋半球的东西非对称环太平洋构造系的东西非对称板条构造的板舌构造东南太平洋区段东北太平洋区段西北太平洋区段西南太平洋区段参考文献 …… 地球的非对称性节选 br /> 经过二十多年的潜心研究，搜集了有关地球形状、地热场、地磁场、地震带、地球内部结构、全球构造运动等方面的非对称性资料和论据，马宗晋、杜品仁两位学者，在其专著《地球的非对称性》中，把我们带到对地球更为深刻的认识中去。把地球仪转动一下，我们会看到北半球陆多洋少，而南半球则陆少洋多；太平洋形成了水半球，而大西洋所在的半球则是陆地居多。跟随着这本专著，我们看到，南、北半球的地壳构造呈扭动型，大西洋半球与太平洋半球的地壳运动则各是拉张型和挤压型。就太平洋而论，其东南、东北、西北、西南的环太平洋地区构造形态也各有差别。太平洋西部岛弧多，从北到南有阿留申岛弧、千岛岛弧、日本本岛岛弧、琉球岛弧、马里亚纳岛弧以及菲律宾东南亚一带的岛屿群；而东南太平洋，南美洲则是深海峭壁，安第斯山脉拔地而起。在大洋之中，推动板块构造活动的洋中脊既有共性又有所不同。我们随之浏览了大西洋、太平洋、印度洋和北冰洋的洋脊，探讨它们在结构上的异同。大陆上的重要地震带也各有千秋。本书论述了中蒙地震区、北美地震区、伊阿巴地震区和东地中海地震区的特点，从大陆构造体系上研究其差异。以上种种，都是地球非对称性的表现。作者进一步从地球形状、地球热状态、地磁场的变化，以及从地震波速度场反映的地球内部密度场的变化来探讨地球内部结构的非对称性表现。这种非对称性的成因何在?作者从地球演化史中全局性的冷缩热胀引起的地球形变与形成不同的构造、地球自转力的作用、地幔对流模式，以及潮汐、天体撞击等外力影响来讨论其可能成因。后，作者把对地球非对称性的认识扩展到我们熟悉的天体——太阳、月亮、火星上去，逐一论述它们的非对称性表现。综上所述，《地球的非对称性》是一本从固体地球的角度出发，使我们对地球有更深认识的专著，广大读者必定可以从中受益。我们在讨论地球绕太阳的运动之时，往往只需把地球当作一个均匀球体，只论其速度、质量，甚至可以设想为一个质点，就可以计算地球绕太阳的运动。而在细致地讨论地球自转运动之时，例如计算自转轴的岁差、章动之时，就需要考虑地球的各圈层结构、弹性与黏性、大气与海洋的影响，才可能得到与当前精细观测相一致的计算与分析结果。讨论地球自转速度的微小而快速变化之时，从全球不同区域的风向、风速，甚至青藏高原等山脉的阻力来计算大气角动量变化对于地球自转速度的影响，在今天的观测精度之下，已经能够一一对应，可以用模式计算出来。这些都说明不同的认识深度带来非对称性或不均衡性的细节，是对客观世界的更深更全面的认识。大自然的非对称性或不均衡性推之于人体，甚至于花鸟鱼虫亦莫不如是。一朵向日葵，乍看来同一层花瓣都一样，细看却没有两片完全相同；蜈蚣的每一只脚，也会有其细微的区别。地球是人类的家园，它既是载荷着我们平安运行于太阳系中的方舟，也由于大气、海洋、地壳、地幔各层的相互作用，使我们蒙受飓风、暴雨、大旱、大涝、地震、海啸、火山喷发等灾害，对这些灾害的认识、预测与防御，都需要了解地球本身的非对称性细节。由于科学技术的进步，特别是空间对地球观测的各种技术的发展、地层深钻与深海探测的开展，我们对地球的认识日益加深，地球结构的各种细节和演变过程正在逐步显现。期望更多的类似《地球的非对称性》这样富有创新价值的学术专著不断出现，既丰富我们对地球的认识，又推动地学研究更深入开展。前言人类关于“对称”的概念，初是源于对自然界各种物体形态的直观感觉，如人的眼、耳、手、足左右相互对应，许多鸟、兽、鱼、虫的外形也有类似特征。自然界许许多多天然实物的对称性，给人以规则、协调、均衡、流畅的美感，使人类在远古时期就已对对称的物体产生了偏爱。在人类社会的形成与发展过程中，人类自觉与不自觉地把对称作为完美的象征、和谐的标志，因而在建筑中，在雕塑、造型、绘画、音乐、文学等艺术形式中，对称的应用无处不在。实际上，对称美和非对称美是密切相关的。美除了对称之外，还需要蜿蜒曲折、错落有致、此起彼伏，需要对称与非对称的结合。人的感受如此，自然界的构成更是如此。对称与非对称的结合，才构成了绚丽多彩、变化万千的世界。一般所用“对称”一词的含义，是指图形或物体对某个点或直线或平面而言，在大小、形状和排列上具有一一对应的关系。而“对称性”，则是指物体具有由若干对称部分构成的属性。随着科学的发展，对称性成了科学技术中的一个至关重要的概念。某种对称性，即相应变换下的不变性。这个概念更加抽象而严格，也比通常的含义普遍得多，适用于一切自然现象，从宇宙的产生到每个微观的亚核反应过程。对称是相对的。对同一事物，由于侧重点、精度范围、应用与研究领域等方面的不同，对其是否具有对称性或非对称性，会出现不同的表述。谈到对称现象时，很自然地会联想到人体的左右对称。如果仔细端详就会发现，很多人一只眼大，一只眼小；一只耳大，一只耳小；一边肩高，一边肩低；一只手长，一只手短……并不完全对称。再看人体的内部，肺部分为左肺和右肺，似乎很对称，但左肺分上、下两叶，右肺却分为上、中、下三叶；人的大脑分为左、右两个大脑半球，似乎也很对称，但两大脑半球的结构和功能却很不相同。大到宇宙起源这类问题也是如此。宇宙学家认为，早期的宇宙很可能处于高度对称的状态。有生物学家依据20种与生命起源有关的氨基酸中有19种氨基酸均呈左旋L 型，表明氨基酸是非对称的分子，于是认为：“生命向我们显示的乃是宇宙非对称的功能。宇宙是非对称的，生命受非对称作用支配。”这类例子既显示了对称和非对称现象的普遍性，也显示了这两类现象相互依存的复杂关系。对称性和非对称性还可相互转化。在物理学中，将随着环境、条件或状态的改变，对称性被破坏或丧失而变成的非对称性，称为对称破缺。如常温常压下的水，可以看作是均匀材料，其空间各点是等价的，具有平移对称性。将水冷却成冰，成为有结晶点阵的固体状态后，当沿空间的某一特定方向移动时，它的许多性质就不再相同了。这标志其平移对称性发生了破缺，即在水的状态下所具有的对称性在冰的状态下失去了，转化成了非对称性。对称性意味着规律性、简单性、必然性，非对称性则代表着随意性、复杂性、偶然性。自然界正是在对称性与非对称性并存的条件下，才会呈现如此的纷繁复杂和多姿多彩。因此，不但要研究对称性，也要研究非对称性。笔者从1980年才开始研究非对称性问题，此前一直专注于中国的地质构造和地震活动性研究。1966年至1976年的十年内，我国境内接连发生了 15次Ms≥7．0的地震，仅死亡人数就达30余万，直接经济损失几百亿元。这样连续的大地震，我国两千余年的地震史料记载中从未有过，不但造成了惨重的人员伤亡和巨额经济损失，还使数亿人民不得安宁。为减轻地震灾害造成的损失，推进我国的地震科学研究，我国政府决定在1982年召开 *届全球大陆地震讨论会。在大会筹备期间，我们编制了全球地震分布图，并进行了深入分析，从中认识到全球有环太平洋地震带、大洋中脊地震带和北半球沿20。N～50。N的大陆地震带。这三大地震构造带在地球坐标系中的展布，清晰地显示了地球岩石圈构造的半球非对称性。这种非对称性，既有南、北半球的非对称，也有0。半球与180。半球的非对称，所以，我们说地球具有双重非对称性。初步追溯其根源，发现其与地球的构造应力场和地球深部动力学背景密切相关。 1990年以后，通过与国内从事空间大地测量和地球深部探测研究的学者合作，以及与其他支持这一学术观点的学者合作研究，发现了更多的地球非对称性现象和证据。如空间大地测量结果揭示的地球形状的非对称性、全球大地热流数据得出的地热场和地球内部热散失量的非对称性、地震波 CT技术探测到的地球内部物质分布和波速结构的非对称性，以及地球非偶极子磁场的非对称性等。近，通过对ITRF97和ITRF2000地球参考架下空间对地观测站速度矢量显示的全球构造运动和全球大地震幕式活动的分析，不但获得了全球板块协调运动的非对称性球面扭动模式，而且还发现这种非对称性运动很可能与全球主要大地震带大地震的幕式活动有密切联系。逐步推进这项研究所获得的一系列成果表明，有必要将地球非对称性研究深入进行下去。为什么要研究地球的非对称性，笔者初步认为，至少有下述必要性：首先，非对称性是地球的基本属性之一，要全面认识地球，深入了解地球，就不能将这一属性或特征置之不理。例如，地球洋、陆分布的半球非对称性是众所周知的事实。由此自然会引出这样的问题：地球表面的半球非对称性在地球内部有无反映或显示；在地球形成和演化过程中，对称性和非对称性是如何变化的。探讨这样的问题，有助于从地球整体角度更深入地认识地球。其次，非对称性研究是科学技术发展的必然趋势。随着科学技术的发展，从20世纪70年代以来，许多科学家对世界的复杂性进行了探索，从研究平稳、均匀、线性等简单现象跨越到研究非平稳、非均匀、非线性等复杂现象。特别值得一提的是，对非线性现象的研究极大地增进了人们对复杂现象的认识，推进了科学的发展。深入研究非对称现象也很可能产生如非线性科学一样的非对称科学。在固体地球科学研究中，现已很重视非均匀和非平稳问题。相信不久的将来，非对称性也会越来越受到重视。第三，研究地球的非对称性有可能为地球科学提供新的思路，并促进其发展。迄今为止，地球科学的许多分支学科仍以地球是个均匀、对称的旋转椭球体为基本前提。但是，实际的地球存在不同级别、不同层次的非对称性。随着空间科学技术的飞速发展，业已证实火星的南、北半球的地形和气候是非对称的，月球的背面和正面是非对称的。因此，地球科学已到了不可回避地球非对称性问题的时候。而发现更多的非对称现象，探讨其可能影响，追溯其成因，则可从另一角度，从非传统的角度，增进对地球的认识，并可能为解决地球科学所面临的一些难题带来新的思路，促进地球科学的发展，甚至从对称跨越到非对称。本书是笔者等人1980年以来关于地球非对称性研究成果的系统总结，显示了中国科学家在这一至今还不太引人关注的领域所取得的重要进展。笔者期望通过本书的出版，能促进地球非对称性研究取得更大进展。为了说明非对称现象的普遍性和研究非对称性的重要性，笔者在第 1章专门论述了对称性和非对称性，并提出非对称性可分为原生非对称性和对称破缺两大类。地球深部探测成果充分证明，大陆岩石圈与大洋岩石圈的结构存在明显差异。据此，本书将地表由于洋、陆分布所显示的半球非对称性引中至岩石圈底。书中还引用了大量地球结构、构造的新资料，来充实地球三大构造系统的特征，阐明地球非对称性的层次性。为了论证笔者关于地球非对称性的主要观点，书中除搜集整理了国内外有关地球非对称性的论述外，还搜集整理了太阳、月球和火星等天体的非对称性观测研究资料；为了探讨地球非对称性的成因，本书还涉及了岩石圈动力学和地幔与地核动力学。因此，本书不仅是关于地球非对称性的专著，还充分反映了地球构造、岩石圈动力学、地幔动力学等固体地球科学分支的新成果和发展动向。在笔者从事地球非对称性研究和本书的写作过程中，与许多专家、学者有过值得永远怀念的密切合作，得到过许多专家和学者的热情帮助和支持，在此一并表示诚挚的感谢。尤其要感谢王鸿祯、叶叔华、许厚泽、陈俊勇、石耀霖、冯锐、傅容珊、高祥林、洪汉净、黄立人、孙付平、汪洋、魏自刚、徐文耀、张健、张进等先生多年的合作与支持，还要感谢叶叔华院士为本书作序，感谢张兰凤女士为本书绘制和修改了部分图件。本书涉及的知识面太广，学科太多，错误和疏漏在所难免，诚请读者批评指正。马宗晋杜品仁大洋中脊构造系第4章 4．1定义和基本特征 4．1．1 定义大洋中脊(MOR)，也称洋中脊或洋脊，是地球上长的山脉、宏伟壮观的构造。它从北冰洋的拉普帖夫海起，穿过冰岛，纵贯大西洋，环绕南极洲，又从东太平洋蜿蜒伸展至北美的西海岸(图4—1)，总长度约75()(]0 km，几乎相当于环绕地球赤道两周。这条蜿蜒于四大洋的海底山系，我们统称之为大洋中脊构造系。大洋中脊构造系也是地球上地震和火山活跃的地区之一，可与北大陆构造系和环太平洋构造系并列为全球三大活动构造系(马宗晋， 1982；马宗晋等，1992)。这条全球长的海底山系，是从19世纪70年代英国“挑战者”号调查船作环球考察，发现北大西洋中部有一条海底山系之后，才逐渐被揭示和认识的。1925—1927年期间，通过德国“流星号”的回声测深工作，确定了整个大西洋纵列着长达17 000 km的巨大山脉，而且其中央脊的轴线到大西洋东、西两岸的距离几乎相等，故被称为大西洋中脊。Hill(1957)首先观察到大洋中脊上的裂谷。Heezen(1960)进一步指出，世界各大洋都有大洋中脊存在。从上世纪60年代以来，对大洋中脊已开展了大量探测研究工作，但至今仍存在许多问题还未解决。大洋中脊被发现后，有关其起因等问题便很快成为地球科学家关注的重点。一些假说和理论应运而生。20世纪60年代初提出的海底扩张学说(Hess， 1962；Dietz，1961)，以及完善和发展这一假说而提出的板块构造理论，都主要建立在大洋中脊这一客观依据和对其研究的基础上。与此有关的还有转换断层概念的提出。大洋中脊并不是一条连续的山脊，它常被垂直其走向的断层错断。将洋脊错断为一系列洋脊段的断层，其性质与通常的走滑断层不同，被称为转换断层(Wilson，1965)。60年代后期问世的板块构造学说，认为大洋脊是板块增生的地方，将大洋中脊作为发散型板块边界(马宗晋等，2003)。尽管板块构造理论用岩石圈板块在洋中脊处分开，在转换断层处滑动，在某些大洋的边缘处相撞，系统地描绘了地球刚性外壳在几百万年期间的运动图像，但是驱动岩石圈板块运动的机制问题并未真正解决。要弄清板块运动的驱动机制，研究重点仍要放在洋中脊处，因为在洋中脊之下的地幔中的化学进程和热过程，比任何人能预期的都要更为复杂和迷人，它决定了新的洋壳是如何形成的，而且研究洋中脊区域的地形、组成及地震结构往往会得出与传统预期情况相反的结果。大洋中脊是地表长、大的岩浆作用带，被称为是地球“难以愈合的伤口”，也是地球内部通向外部的佳出口。大西洋中脊的顶峰处，除了地震频繁发生之外，在频繁的火山喷发期间还喷出了炽热的岩浆。这些岩浆冷却固化，从而形成新的洋壳。普遍认为，在大洋中脊处上升的岩浆起源于上地幔。对此过程的解释是：炽热的橄榄岩物质从海底之下超过100 km的深度处上升到洋中脊之下；当其向上运动时，地幔橄榄岩因受到的压力降低而部分熔化；熔化部分呈现出玄武岩岩浆的组成并与未熔化的橄榄岩分开；熔化部分迅速朝地表上升；部分熔体沿洋中脊脊顶喷出到洋底之上，在这里冷却并固化加入到脊顶中，余下的部分熔体在地表之下缓慢冷却并固化，形成新的洋壳。然而，是地幔岩浆上涌导致洋壳裂解分离，还是洋壳裂解诱发地幔岩浆上涌，这一问题至今仍无定论。对北极附近(87。N)加克(Gakkel)海岭的探测发现，该洋脊可以在无岩浆或极少岩浆的情况下扩张(Henry et al．，2003；薛发玉等，2006)。这一新的超慢速扩张洋脊(全扩张速率为3～7 mm／a)的扩张形式，使洋底扩张机制更加复杂化，也提供了更全面地认识洋脊的机会。大洋中脊还是热点一地幔柱密集地带。全球已经确定的热点大约有44个，其中大多数都与洋中脊系统有关联(Lin，2002)。全球洋中脊系统已经或正在受到附近热点的作用，而且邻近洋中脊的大多数岛屿都是这一作用的产物。冰岛和亚速尔群岛下的两个热点，沿洋中脊分别向南北两个方向延伸，很可能是整个北大西洋洋中脊的巨大的持续不断的岩浆供给源。在南大西洋，紧挨着洋中脊也分布有一系列热点，如特里斯坦岛、戈夫岛、迪斯卡弗里岛和Shona热点。这些热点很可能是南大西洋洋中脊的岩浆供给源。热点之间明显不同，每个热点与洋中脊的相互作用也各具独特的动力学特征。当洋脊与地幔柱相遇时，会出现不同的脊一柱相互作用(李三忠等，2004)。未来的10年，将是研究洋中脊地幔柱(热点)相互作用这种令人关注的地质现象的*令人振奋的时期。大洋中脊是热液生物群的主要聚集区。自上世纪70年代，“ALVIN'’号深潜器在东太平洋洋脊发现“黑烟囱”(热液喷发)和其喷口区的热液生物群之后，大洋中脊的热液活动备受关注。至今，各国科学家在各大洋中脊已发现了 150多个热液区域及其热液生物群。热液生物群可生存于因含硫化物热液喷出而形成近百度高温的暗无天日的深海底，这完全改变了一切生命形式都要靠光合作用才能存在的传统认识，大大拓宽了生物圈的分布范围。海底热液活动的发现，是地学领域内继板块构造理论确立之后的又一革命性事件。“热液生物”、“黑暗生物链”、“深部生物圈”等新概念纷纷提出，许多国家对热液硫化物、热液生物基因资源的调查力度正逐年加大。洋中脊生态系统的分布模式和生态过程，洋中脊生物的群体结构，以及活动热液区的地质、化学和生物体系如何相互依存等课题，已列入《全球大洋中脊研究十年科学规划(2004— 2014)》(东京大学海洋研究所InterRidge办公室，2004)。因此，洋中脊研究不仅对地球的演化历史、现状及发展趋势的了解有关键作用，对生命起源及地圈、水圈和生物圈的相互作用等重大基础科学问题也至关重要。大洋中脊按其发育特征可分为两种基本类型：一种是洋脊轴部具有宽数十千米，深2 000～7 000 m的中央裂谷，并且洋脊确实是沿洋盆中部展布的，这样的洋脊称为洋中脊，以大西洋中央分布的中脊为代表；另一种是地势比较平缓，中央裂谷不发育，洋脊也并不沿洋盆中部延伸，这样的洋脊被称为海隆、洋隆或中隆，以东太平洋洋脊为代表。而印度洋洋脊则是它们的过渡状态。中国科学院上海天文台叶叔华 2007年9月地球的非对称性作者简介 p> 马宗晋1933年生，吉林省吉林市人。1955年北京地质学院毕业，1960年中科院地质所研究生毕业。中国地震局地质研究所研究员、名誉所长，中科院院士，国家科委国家计委国家经贸委自然灾害综合研究组组长，科技部第一届基础研究科技咨询顾问，国家减灾委下设专家委员会主任，国家重大科学工程“中国地壳运动观测网络”和 “中国陆态变动监测工程”首席科学家。长期致力于地质构造、地震预报、全球构造和多种自然灾害综合研究。提出的长期、中期、短期和临震四个阶段的渐进式地震预报模式和相应工作程序，至今仍是国内预报大地震的主要工作思想和工作程序；提出的全球三大构造系统和地球双重非对称性及相应的地球动力学模式，是对全球构造理论的拓展，为灾害和矿产研究提供了部分理论基础；提出的“灾度”概念、灾害的自然属性和社会属性、综合减灾系统工程的结构框架，推进着全国减灾事业的全面发展。1979年获全国劳动模范称号， 1989年获首届李四光地质科学奖，获国家科技进步奖二等奖2项、国家自然科学奖三等奖l项、省部级科技进步奖一等奖5项、二等奖3项、三等奖l项。■ 社品仁1939年生，四川省夹江县人。1963年中国科学技术大学高空物理专业毕业。中国地震局地质研究所研究员。主要从事固体潮、天文因素与地震关系、全球构造和地球动力学研究。在国内外共发表论文60余篇，译著有《行星地球的固体潮)》

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