三維物性成像照亮地球內(nèi)部

楊文采

（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037）

三維物性成像照亮地球內(nèi)部

楊文采

（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037）

楊文采廣東大埔人，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所研究員，中國(guó)科學(xué)院院士，地球物理學(xué)家。主要從事地學(xué)、資源勘探方法等方面的研究。在中國(guó)應(yīng)用地球物理學(xué)理論、方法及相關(guān)地學(xué)研究中取得系統(tǒng)和獨(dú)創(chuàng)性成果。

1979年，計(jì)算機(jī)化軸向?qū)游鯴射線攝影技術(shù)（computerized tomography，CT）獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)；1984年，美國(guó)哈佛大學(xué)推出了全地幔地震層析成像圖。1985年，筆者在中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)報(bào)告了地震層析成像的理論方法。此后，地球物理探測(cè)隨信息技術(shù)同步發(fā)展，大約每10年就更新?lián)Q代，地球內(nèi)部更深更精細(xì)的成像成果不斷涌現(xiàn)。全球除了幾千個(gè)固定地震臺(tái)站在連續(xù)監(jiān)測(cè)地震活動(dòng)之外，還有幾萬(wàn)臺(tái)流動(dòng)的地震儀，安置在海底和大陸，采集全球和重點(diǎn)區(qū)域的地殼運(yùn)動(dòng)。

2005年，地球物理學(xué)家完成了CRUST2.0全球地殼地震波速成像，分辨率達(dá)到2°×2°。目前，地殼上地幔地震層析成像的空間分辨率已達(dá)到30～50 km，在不遠(yuǎn)的將來(lái)很快會(huì)達(dá)到10 km×10 km?；诖蟮仉姶艤y(cè)量的地殼上地幔三維電阻率成像也不甘落后，2014年在華北和西藏完成了1°×1°分辨率的三維電阻率成像。2016年，我們根據(jù)全國(guó)重力測(cè)量數(shù)據(jù)建立了中國(guó)大陸地殼三維密度擾動(dòng)模型，分辨率已達(dá)到10 km×10 km。三維成像照亮了地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，可以使地殼上地幔變得越來(lái)越透明。

大陸不僅保留了2億年以來(lái)地質(zhì)作用的大量痕跡，還保留了2億年以前巖石圈地質(zhì)作用的痕跡，如古造山帶、古俯沖帶、古裂谷及古轉(zhuǎn)換斷層等。三維物理性質(zhì)成像照亮了地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，但是如何來(lái)識(shí)別它們是什么構(gòu)造呢？這不是地球物理學(xué)能獨(dú)自解決的問(wèn)題。在20世紀(jì)，固體地球科學(xué)從單一的地質(zhì)學(xué)發(fā)展為一門多學(xué)科分支多兵種的現(xiàn)代科學(xué)，創(chuàng)新了同位素地質(zhì)年代學(xué)、地球化學(xué)、板塊構(gòu)造學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)。同位素地質(zhì)年代學(xué)可以測(cè)定地質(zhì)作用的年齡，地球化學(xué)可以測(cè)定相關(guān)巖石的成分，板塊構(gòu)造學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)可以作為分析地質(zhì)作用過(guò)程的理論基礎(chǔ)。此外，巖石物理可以指示物理性質(zhì)和相關(guān)巖石成分之間的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。有了多學(xué)科多兵種的綜合研究，根據(jù)三維物理性質(zhì)圖像解釋地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)造就有了科學(xué)根據(jù)。

地球內(nèi)部的三維物理性質(zhì)成像不僅證實(shí)了板塊構(gòu)造學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)原先的一些猜想，還使人們看到一些原先不曾想到的地下構(gòu)造。例如，作為大陸骨架的古老克拉通地體，常常有深達(dá)300 km的陸根。大陸的中地殼常常有低電阻率低地震波速低密度的異常體，可能與巖石水溶作用增強(qiáng)和氣水聚集有關(guān)。青藏高原下地殼有低電阻率低地震波速低密度的異常帶，反映下地殼巖石的流變?nèi)鋭?dòng)，造成青藏高原和周邊區(qū)域的隆升和地震活動(dòng)。華北東部有穿透地殼巖石的低電阻率低密度異常體，反映5000萬(wàn)年前大陸巖石圈的裂解，至今尚未完全停止活動(dòng)。地震波速成像揭示了1.5億年前古太平洋板塊俯沖到華南大陸下方，形成了500～660 km深度的高地震波速層。地震波速成像還揭示了南太平洋板塊和東非大裂谷下方，有深達(dá)地核的低地震波速超級(jí)熱羽翅，可能激發(fā)全地幔熱對(duì)流。

板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)成功地解釋了2億年以來(lái)大洋巖石圈的發(fā)展，但是沒有回答大陸巖石圈的演化問(wèn)題，有40億年歷史的大陸巖石圈的演化顯然比大洋演化模式復(fù)雜得多，因此板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)登陸后遇到許多難題。地球內(nèi)部三維物理性質(zhì)成像的成果激發(fā)了地質(zhì)學(xué)家的想象力，為研究地球演化的動(dòng)力學(xué)作用規(guī)律提出了新的假說(shuō)，其中最流行的就是地幔熱羽翅假說(shuō)。這個(gè)假說(shuō)認(rèn)為推動(dòng)地球演化的主要?jiǎng)恿Σ皇前鍓K的生長(zhǎng)和俯沖回歸的循環(huán)，而是地幔熱羽翅的上涌改造。地幔熱羽翅假說(shuō)可以解釋諸如大陸上大火成巖省和大洋底高原形成等問(wèn)題，但是至今尚未找到令人信服的證據(jù)，證明低地震波速顯示的熱羽翅是什么成分和結(jié)構(gòu)。雖然地幔熱羽翅假說(shuō)還只是假說(shuō)而不是理論，但是給了人們一個(gè)重要啟示：地球內(nèi)部不同圈層現(xiàn)今的狀態(tài)，有的還在反映若干億年前地球整體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。正如天文學(xué)研究那樣，今天地球上觀測(cè)到遙遠(yuǎn)星際發(fā)生的事件，反映的是若干億年前遙遠(yuǎn)星際的變動(dòng)；今天地面觀測(cè)到的下地幔熱羽翅，也許反映了若干億年前地球表層的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因?yàn)榈厍蛳到y(tǒng)是持續(xù)向外散熱的保守系統(tǒng)。

總之，地球演化作用的產(chǎn)物隱藏于殼幔結(jié)構(gòu)的不均勻性中。根據(jù)三維物理性質(zhì)圖像解釋地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，然后全球?qū)Ρ韧惔蟮貥?gòu)造單元的殼幔結(jié)構(gòu)，根據(jù)殼幔結(jié)構(gòu)的差異和大地構(gòu)造作用發(fā)生的時(shí)代把它們按演化階段排序，可以找到巖石圈構(gòu)造單元生成和演化的規(guī)律性。當(dāng)前，全球典型大陸構(gòu)造單元的地殼上地幔三維物性成像資料已經(jīng)積累到足以開展全球?qū)Ρ鹊某潭龋ㄟ^(guò)地球物理觀測(cè)、信息處理和反演取得空間準(zhǔn)確定位的描述固體地球內(nèi)部不均勻性的地球模型，并與地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)信息綜合，已經(jīng)為研究地球演化的動(dòng)力學(xué)作用規(guī)律提供了現(xiàn)實(shí)可能性，從而產(chǎn)生了大陸動(dòng)力學(xué)這個(gè)新的科學(xué)分支。大陸動(dòng)力學(xué)要把區(qū)域地球物理研究成果集合起來(lái)，序列起來(lái)，通過(guò)全球?qū)Ρ热ふ业厍騼?nèi)部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的證據(jù)，最后求得對(duì)全球大陸地質(zhì)演化的系統(tǒng)理解。

除人口膨脹和環(huán)境污染之外，21世紀(jì)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展最嚴(yán)重的問(wèn)題仍然是清潔能源緊缺和頻發(fā)的自然災(zāi)害?；诘厍騼?nèi)部三維物理性質(zhì)成像的大陸動(dòng)力學(xué)研究可為解決地球資源匱乏與地質(zhì)災(zāi)害難題提供理論根據(jù)，為社會(huì)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

—— 摘自《科技導(dǎo)報(bào)》2016年第23期