地球系统动力学纲要

卷( Volume)29,期( Number)3,总(SUM)106页( Pages)285-294,2005,8( August,2005)大地构造与成矿学Geotectonica et Metallogenia地球系统动力学纲要李德威(中国地质大学地球科学学院和青藏高原研究中心,湖北武汉430074)摘要:与地球系统科学和全球变化密切相关的地球系统动力学研究地球系统多层块耦合作用的结构、过程、机理和效应,是地球动力学、岩石圈动力学、大陆动力学海洋动力学、大气动力学的高度综合。本文采用分尺度、分层块、分阶段的思路研究复杂的地球系统,将地球系统动力学按空间、时间和物质分为地球内部系统动力学、地球表层系统动力学、地球外部系统动力学,历史地球系统动力学、现代地球系统动力学、未来地球系统动力学,气体地球系统动力学、液体地球系统动力学、固体地球系统动力学,分析了地球系统的耦合特征、耦合类型和耦合方式,初步探讨地球内部系统与地球外部系统耦合作用的耦合边界、物质运动、动力来源和耦合机制。最终将地球系统相互作用的各层块作为一个有机的整体进行综合,认为地球内部放射性衰变生热和地球外部太阳辐射生热是驱动地球复杂开放系统层块耦合的主要动力源关键词:地球系统科学;地球系统动力学;地球表层系统;全球变化;耦合中图分类号:P541献标识码:A文章编号:1001-1552(2005)030285-100引言学科作为一个有机的整体进行大跨度的系统研究,是以美国国家航空与宇航管理局地球系统科学委员大陆动力学是当代地球科学的重大前沿领域,会出版的《地球系统科学》(NASA,1988)一书作为然而大陆是地球系统中的一个组成部分,地球系统里程碑,提出了地球系统科学的概念,将相互作用的具有长期的演化历史和复杂的层块结构,包含陆洋、大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈作为统一的整核幔、壳幔、陆气、海气等多重耦合作用,涉及大气体进行研究。圈、水圈、生物圈、岩石圈的时空演变、物质运动和相1983年钱学森院士首先倡导“地球表层学”。互作用,影响全球变化的物理过程、化学过程和生物近十年来,中国学者从不同角度论述了地球系统科过程,制约陆地生态系统和人类生存环境,这些重大学(任纪舜等,1990;陈述彭和曾杉,1996;黄秉维,问题是地球系统科学和地球系统动力学的核心,因1996;袁道先,1999}张志强等,1999}马宗晋等而地球系统科学和地球系统动力学是当代地球科学2001;毕思文和许强,2002;柴育成,2002;汪品先,的最大前沿领域,对自然科学和人类社会的发展也2003;王焰新等,2003;翟裕生,2004),推动了地球系具有十分重要的意义统科学的发展。地球系统多圈层耦合具有开放的体尽管许多学者早已注意到地质学、地理学、气象系、复杂的过程、关联的机制,因此,必须从地球系统学、海洋学、生态学、灾害学、地球物理学、地球化学动力学的高度研究地球系统中不同类型的物质循环等学科中某些学科之间的交叉和渗透,但是将这些的内在规律和驱动营力。最近,毕思文和黄润秋收稿日期:20040927;改回日期:2005402-14中国煤化工基金项目:中国地质调查局“1:25万定结县幅、陈塘区幅区域地质调查”(项目编号屬、不冻泉幅区域地质调查”(项目编号:20013000和“雅鲁藏布江成矿区中段铜多金属矿CNMHG作者简介:李德威(1962-),男,博士,教授,博士生导师,本刊常务编委,构造地质学专业,主要从事大陆动力学和成矿动力学的研究及教Email:dewei89@sina.com286第29卷(2003)提出地球系统力学,试图用现代力学的方法全球动力学过程,引起地球半径的增减交变作用,描述地球各个圈层的相互作用过程。导致全球重大地质事件和成矿事件间歇式发生;地本文所阐述的地球系统动力学主要研究地球系幔软流层(相当于通常所说的软流圈)的羽状层流统多层块耦合作用的时空结构、演变过程、动力来源和环形对流控制了以岩石圈板块运动和陆一洋转换和作用机理,是地球动力学、岩石圈动力学、大陆动为标志的岩石圈动力学过程;地壳软流层(即大陆力学、海洋动力学、大气动力学的高度综合,与地球下地壳)的波状层流引起大陆盆山作用和叠加演化系统科学和全球变化密切相关。等大陆动力学过程。这三种动力学过程之间相互耦笔者曾多次探讨以青藏高原及邻区为典型代表的合和相互制约,岩石圈动力学是全球动力学的子系大陆板内造山成盆的大陆动力学机制,阐述了大陆板统,而大陆动力学则是岩石圈动力学的子系统,彼此内盆山体系地壳尺度的物质动态循环过程(李德威和之间存在着物质交换和能量交换。”(李德威李先福,1993:李德威,1992,1993,1994b,995a,199b,1997)。1995c,1997;李德威和纪云龙,2000 Li dewei,194a,本文进一步探讨地球内部系统动力学、地球外2000;李德威,2003,2004)。认为大陆基本构造样式是部系统动力学及其耦合关系,简要阐述地球系统动盆山体系,大陆板内造山成盆事件与先期的板块碰撞力学分尺度、分层块、分阶段的研究思路,初步提出基本无关,是受大陆下地壳顺层流动制约的同步构造地球系统动力学的分类方案,试图探讨地球内部系过程。在盆地中央莫霍面受地幔热柱影响显著上凸,统与地球外部系统的耦合作用。地壳底部因底侵作用而发生壳幔反应和部分熔融,引起下地壳物质软化和流动。盆地幔隆区热流物质处于1基本思路势能一重力失稳状态,低粘度物质沿着新生下地壳软理论思维在很大程度上决定科学创新的走向。层流向相邻造山带幔拗区,双向或多向热软化物质层研究复杂多变的地球系统必须有清晰的思路。地球流汇聚导致造山带地壳增厚,特别是造山带核部下地壳巨量增厚,下地壳热垫作用向上顶托中上地壳,诱发系统不同圈层和不同块体在不同地质时代具有特征的耦合方式。地球系统动力学的终极目标是认识不垂向主应力,导致上地壳热隆伸展,形成低角度伸展构同地质发展阶段地球系统各圈层相互作用和动态耦造系统(如变质核杂岩和拆离断层)和高角度伸展构造合的整体过程和统一机理,由于地球系统结构复杂系统(如裂谷盆地、裂陷盆地、堑垒构造组合等)。板内历史悠久、体积庞大,建议采用先分解后综合的研究新生下地壳层流作用制约大陆盆山系统浅层物质运思路,在对地球系统进行分尺度、分层块、分阶段的动,在表浅层次,造山带快速隆升,强烈的剥蚀作用和伸展作用造成造山带揭顶和中上地壳减薄甚至局部缺分类研究和深入解析的基础上,再将相互作用的地失,大部分剥蚀物通过机械搬运充填到相邻的沉积盆球层块系统在更宏观的背景下作为一个有机的整体进行归纳和综合。地,导致盆地地壳下薄上厚、边缘坳陷的异常结构,并1.1分尺度在盆地边缘拗陷带形成巨厚的磨拉石建造。巨大的地球经历了漫长的演化,地球系统在阶笔者在大陆动力学层流构造假说的基础上,以段性动态演变过程中呈现不均匀结构,不同尺度的青藏高原为例,分析了大陆动力学与岩石圈动力学时空边界限定了四维地球系统,不同尺度、不同层块全球动力学的关系,初步探讨了地球内部系统动力的地球系统具有不同方式的物质运动,在高度综合学(李德威,1995a,1995b,1997,2003,2004)。认为:盆山体系与洋陆体系、超大陆-超大洋体系是既有之前,有必要对不同时空尺度的地球运动进行分解研究内在联系又有本质区别的非线性开放动力系统。1.1.I空间尺度地球是一个多级分层系统,表现为地球内部不同不同尺度的空间边界将地球系统分为大小不同深度、不同尺度的软流层的物质运动控制其上强度较大的固体圈层的构造活动。初步认为:地核软流的单元,表1是一个初步的划分方案。层(即外核)的流体运动和热散聚交替作用制约地中国煤化工分为地球外层地球球脉动式膨胀与收缩和超大陆旋回的裂解和聚合这表HCNMHG还可以进一步划分。①李德威.1992.层流隆陷———种大陆动力学模式中国科协首届青年学术年会湖北卫星会议论文集第3期李德威:地球系统动力学纲要表1地球系统空间尺度分类气层)的气体密度宏观上随离地面高度的增加而降Table 1 Spatial classification of earth system低,6300余公里厚的地球内层的岩石密度总体上随尺度量级现深度的增加而增加,制约了地球系统多级分层结构巨型全球级超大陆、超大洋、全球气候变化和物质运动速率。生物圈中一些极端条件下生存的大型半球级大洋、大陆、南半球大气环流、北半球大气环流生物扩大了地球外层与地球内层的耦合范围,拓宽中型区域级造山带、盆地、亚洲季风小型局部级花岗岩体、湖泊、滑坡、鄭石坑、火山口了地球表层的空间。微型微区级亚颗粒、流体包体、微生物1.2.2分块地球的块状结构十分显著,特别是在地球内部1.1.2时间尺度和地球表层(表4)。不同尺度的地球系统的运动过程具有多级韵律性和阶段性,大尺度的地球运动包含多次小尺度的表4地球内部系统及表层系统分块结构地球运动。不同时间尺度的地球系统分类见表2Table 4 Block structure of earth interior system andearth surface system表2地球系统时间尺度分类巨系统系统子系统造山带Table 2 Temporal classification of earth system大陆尺度量级(秒)弧后盆地巨型1016-107超大陆旋回、地球起源与演化大陆架大型104-103大陆漂移、板块碰撞、洋陆转换超大陆-超大洋大陆边缘陆坡岛弧中型101-1013造山与成盆、江河的形成海平面升降、生物灭绝小型10-10断层活动、岩浆侵入、土壤形成、成矿作用、冰期与间冰期大洋大洋盆地微型10°-105地震、火山、滑坡、泥石流、潮汐、风暴、陨石撞击洋中脊、海底山脉1.2.3层块关系此外,地球系统演化过程传统地分为太古代、元定大小的块体对应一定厚度的圈层,特定的古代、古生代、中生代、新生代。每个阶段都有其独特层块具有特定的运动方式,不同层块之间的物质交的地球结构,地球演化以渐变和突变的方式交替进换和能量交换导致地球运动和全球变化。行,重大地史界线表现为全球海陆格局和生态环境发在地球外部系统,南半球大气环流和北半球大气生根本性变化,生物的爆发式新生和集群式绝灭环流可能与整个大气圈的物质运动相关。对流层制1.2分层块约了刮风、下雨、降雪等气候现象,还可进一步分为影1.2.1分层响季风环流的大陆气候区和大洋气候区,大陆气候区地球是一个多级分层系统(表3),显示不均匀中高原气候区和平原气候区的气候也明显不同。结构。一般来说,2000~3000km厚的地球外层(大地球内部系统的层块结构十分清晰,陆洋转换受岩石圈板块制约,大陆岩石圈与大洋岩石圈在物表3地球系统分层结构性、结构、厚度、强度、变形、形成时代等方面显示出Table 3 Stratification of earth system明显的差异(李德威,1993,1995a,1995b),大洋扩子系统张带地幔岩上升到地壳推动大洋岩石圈水平运动电离层(热层)侧向运动的大洋岩石圈向大陆岩石圈俯冲实现浅层中间层地球外层物质向深层的转移,构成洋陆体系(超)岩石圈尺度平流层对流层的物质循环。大陆板内造山成盆与地壳物质循环运水圈动有关,造山带地壳整体增厚及下地壳巨量增厚、上地球巨系统地球表层地壳中国煤化工沉积盆地地壳整土壤圈地壳体减∏ CNMHG地壳层流和韧性地球内层地幔伸展减薄成互动关系(李德威,1993,1994,1995a,1995b,1995c,1997;李德威和纪云龙,2000)。青藏288大他修第29卷高原与周缘盆地之间存在大规模的地壳物质循环生代的洋陆转换带(域)之上;燕山期秦岭板内造山(李德威和李先福,1993; Li Dewei,1994a,2000;李带和燕山期-喜马拉雅期青藏高原复合造山带叠加德威,2003)。青藏高原北部、东部和南部三个板内在自北而南有序演化的青藏特提斯构造域之上(L盆山地壳体系的形成,可能与西北利亚、太平洋和印 Dewei,1994)。主要表现为碰撞构造被板内构造强度洋三个岩石圈板块先后向青藏高原方向俯冲作用烈改造。二是同尺度不同类型的大陆构造单元随着有关。中国西部地壳总体增厚与中国东部地壳总体深部热演变而出现地壳构造叠加(李德威,1995b)减薄主要是中、新生代板内新生下地壳热软化物质后期构造单元新生热下地壳强烈改造和彻底置换已由东向西横向迁移的结果,其深层动力学背景与太经冷却固结的先期构造单元老下地壳。“不同类型平洋板块作用有关。的大陆构造单元也可以叠加和改造,像华北平原这1.3分阶段种新生代发展起来的盆地,沉积岩层可以直接覆盖地球运动在时间上也是不均匀的,有渐变和突在强烈剥蚀、夷平的古造山带根带高级结晶岩系之变之分,还存在特定时间界线全球巨变和区域变化上”(李德威,1997)。上述由大陆动力学层流构造的差异。地球系统演化包括地球内部系统演化、地演化模式推断的华北古造山带,与张旗等(2001)通球外部系统演化和地球表层系统演化,表现为全球过埃达克岩论证的中国东部高原(或华北高原)不古地理、古气候、古生物的分阶段、不可逆演化。不谋而合。说明中国大陆中、新生代发生了巨大的地同地区不同阶段具有不同的动力学特征。貌变迁。最近发现华南东西向巨大的重磁异常带为根据全球事件转折界线,具有4.6Ga历史的地深部隐伏构造带(滕吉文等,2004),也可能是区域球分阶段演化。前寒武纪地球演化是地球重力分异构造叠加的反映。与分层、古元古代 Columbia哥伦比亚超大陆和中青藏高原具有清晰的三阶段构造演化过程(Li新元古代 Rodinia超大陆的裂解与聚合、原始大气和 Dewei,1994;李德威,2003)。基底形成阶段可能与次生大气形成的过程。重大构造转折引起古全球变古元古代哥伦比亚超大陆和中-新元古代罗迪尼亚化,如 Rodinia超大陆的裂解发生在830Ma之后的裂解与聚合有关。青藏特提斯构造域演化阶段可( Powell et al.,193),800~600Ma的超大陆裂解事分为原特提斯消减与古特提斯扩张、古特提斯消减件造成地球”冰室"效应,地球成为一个大雪球与中特提斯扩张、中特提斯消减与新特提斯扩张新( Donnadieu et al.,2004)。大约在570Ma,裂解的大特提斯消减与现代特提斯(印度洋)扩张的同步有陆再次碰撞形成 Pannotia超大陆,出现泛非(Pan-序演化序列( Li Dewei,1994a;李德威,2003,2004)。African)事件。这种超大陆开合演化的全球动力学过原特提斯的扩张可能与其北侧的始特提斯(阿尔金程可能受控于核幔作用及相关的超级地幔柱活动。昆仑元古洋)的消减之间存在密切的时空关系和542Ma进入显生宙的全球重大地质事件造成大气中成因联系。青藏高原板内造山阶段与周边的盆地形氧含量急剧增加,臭氧层形成,生命大爆发,0.53Ga成过程同步,板内造山阶段分为不均匀的、以水平运出现澄江动物群( Shu et al.,1999)。古生代地球运动动为主导的构造隆升期和整体的、以垂直运动为主主要表现为大陆的裂解和拼合,是以洋陆转换和耦合导的均衡隆升期。青藏高原由下地壳层流运动控制为主导的岩石圈动力学过程。中生代地球运动在洋的板内盆山耦合作用具有从北向东再向南的顺时针陆转换的背景或基础上发生广泛的燕山期板内造山迁移演化规律,即从青藏高原北部至青藏高原东部,成盆事件和极大规模的成矿成藏作用。新生代以阿再到青藏高原南部(李德威和李先福,1993)。青藏尔卑斯-喜马拉雅构造带掘起、全球地貌和环境巨高原及邻区中新生代板内造山成盆过程不仅表现在变、人类滋生和繁衍为特征。每个重大构造转折事件地区差异上,而且在同一盆山体系也呈现复杂的演在全球不同部位显示洋陆作用或盆山作用,常伴有火化历史。例如,青藏高原东部板内造山成盆事件在山、地震、矿产的大爆发和生物的大灭绝。燕山期、喜马拉雅早期和喜马拉雅晚期可能经历了不同尺度和不同类型的大陆构造单元可以叠加区培盆山耦合挤压环境盆山耦合和和改造(李德威,1995a,1995b)。区域大地构造叠被中国煤化工峰期以造山带内部加一般有两种常见类型:一是大陆造山带和沉积盆大CNMHG规模逆冲推覆为主地叠加在洋陆转换带之上。例如,中新生代大陆板要标志,这是板内金属成矿大爆发期(李德威,内形成的天山造山带和准噶尔盆地叠加在主体为古1994b;2004)。青藏高原板内峰期金属成矿相应地第3期李德威:地球系统动力学纲要289出现迁移演化规律,青藏高原北部主要是燕山晚期,约,如时空结构、物质性质、热状态、应力状态、外星青藏高原东部主要为喜马拉雅早期(峰期为40~30事件、生物作用等。水循环记载了土壤圈、水圈、生la)青藏高原南部主要地喜马拉雅晚期(峰期为17物圈、大气圈的物质运动;幔(深)源火山岩搭起了~15Ma)。青藏高原整体快速均衡隆升发生在3.6地球内部系统与地球外部系统耦合的桥梁,融合了Ma以后,造成地貌、生态、环境和气候的巨变(L地幔、地壳、水圈、生物圈、大气圈的物质记录。此Dewei,9y4;李德威,2004)。青藏高原三阶段构造外,地球表层系统复杂的层块耦合包括自然动力对演化是不同尺度和不同类型的动力学体制叠加的典人类的作用和人类活动对自然地球系统的反作用。范,这一历史地球系统动力学演化过程增加了地球(2)耦合尺度多级性。从空间上讲,地球除与系统的成熟度,核外系统的分层作用和物质再造作其它星球存在耦合作用外,地球内部系统与地球外用不断加强。部系统之间、地球内部系统和地球外部系统中各子系统之间都存在广泛的耦合作用2主要思想(3)耦合过程阶段性。地球演化表现为不均匀的阶段性运动,显示出明显的强度脉动特征和演变2.1类型节律现象。不同尺度的时间突变界面在相应尺度的地球系统一直处于四维动态演变和状态变化之地球层块中表现出强耦合作用,出现造超大陆-超中,相应地出现不同类型的动力学过程,可从时间、空间和物质状态等方面进行分类(表5)。各类动力大洋作用、造陆-造洋作用、造山-造盆作用,不同学分类还可按各自的依据分为若干亚类。例如,地程度地产生成矿作用、火山活动、地貌变迁、生物灭球内部系统动力学按深度可分成地壳动力学、地幔绝和环境变化。特别值得研究的是,金属成矿大爆动力学、地核动力学。发期出现在超大陆裂解和板内造山阶段。在地球渐变过程中地球系统各圈层显示弱耦合特点。(4)耦合作用关联性。地球系统各层块的耦合表5地球系统动力学分类过程也是相互制约的过程,包括天地生互动、地球内Table 5 Classification of earth system dynamics空阃时间外互动、核幔互动、壳幔互动、海陆互动、盆山互动。地球外部系统历史地球系统气体地球系统(5)耦合效应全球性。不同尺度、不同类型的动力学动力学耦合之间存在内在的联系,子系统受控于系统,系统地球表层系统现代地球系统液体地球系统类型动力学动力学动力学受控于巨系统。例如,青藏高原北部燕山期的板内地球内部系统未来地球系统固体地球系统造山成盆及金属成矿事件与中特提斯的消减有关动力学青藏高原中部和东部板内造山成盆及成矿作用与新特提斯的关闭和印度板块与欧亚板块的最终碰撞有2.2耦合关,青藏高原南部喜马拉雅晚期的板内造山成盆及地球系统动力学的核心是不同尺度、不同状态大规模金属成矿事件与印度洋板块作用有关。青藏的层块在地球系统演变的不同阶段发生耦合作用及特提斯构造域始特提斯、原特提斯、古特提斯、中特其整体互动效应。提斯、新特提斯和现代特提斯(印度洋)自北而南的2.2.1耦合特点演化是未来澳美欧亚终极超大陆形成的重要组成部地球是一个复杂的巨系统,不同时空尺度的地分,对过去、现在和未来的全球变化带来巨大的影球系统和各种地球动力学过程之间的耦合关系具有响。如下特点:2.2.2耦合类型(1)耦合系统复杂性。多圈层地球系统是一个地球是一个复杂的多级层块系统,相关层块之远离平衡态的非线性复杂开放动力系统,地球系统间存在物质和能量交换,并与地外系统构成开放体与地外系统之间、地球内部系统与地球外部系统之系。间、地球内部壳幔、核幔之间、地球外部对流层与平度的莉VL中国煤化工与造山带之间的流层、平流层与中间层、中间层与热层(电离层)之耦合CNMH之间的耦合。(3)间以及洋陆、盆山之间都存在物质交换和能量交换。地气耦合:大陆与大气层之间的耦合。(4)海气耦地球系统不同层块之间的耦合作用受许多因素的制合:海洋与大气层之间的耦合。(5)壳幔耦合:地壳290第29卷与地幔之间的耦合。(6)岩软耦合:岩石圈与软流物运动影响到地表形态、大气状态和成矿作用。例圈之间的耦合。(7)核幔耦合:地核与地幔之间的如,人类活动干扰或改变了碳、氮、硫、磷等生源要素耦合。(8)对平耦合:对流层与平流层之间的耦合。的生物地球化学循环系统,破坏了地球自然环境平(9)平中耦合:平流层与中间层之间的耦合。(10)衡状态,产生大气污染、臭氧层破坏、温室效应等严中热耦合:中间层与热层之间的耦合。(11)内外耦重生态环境效应。合:地球内部系统与地球外部系统之间的耦合地球系统耦合作用是各种耦合运动方式的结合(12)日地耦合:太阳与地球之间的耦合。(13)宇地和转化,地球内部化学运动可转化为热运动,热运动耦合:宇宙与地球之间的耦合。是地球运动的最重要的因素。2.2.3耦合方式2.2.4耦合模地球系统各层块之间的耦合作用是如下四种基地球系统是一个受物理、化学、生物过程制约的本运动方式的结合:(1)机械运动:不同层块的物质多圈层相互作用的自组织系统,巨系统与系统之间在重力场和应力场中相互作用,在盆山耦合和洋陆系统与系统之间、系统与子系统之间存在物质、能量耦合系统的上部占主导地位。(2)物理运动:不同交换。不同类型、不同尺度的层块耦合以物质循环层块的物质在温度场、电磁场、引力场、核力场中发为特征,有其相对独立的动力学机制。小尺度层块生热运动、电磁运动、基本粒子运动,是地球系统圈是大尺度层块存在的基础,大尺度层块包含和控制层耦合最重要的方式。(3)化学运动:包括物质多着小尺度层块,因而小尺度动力学过程(如大陆动种形式的化合与化分,如岩石变质、矿物分异,放射力学、海洋动力学)处于从属地位,大尺度动力学过性元素衰变、水岩反应、大气污染等。(4)生物运程(如全球动力学、地球系统动力学)起主导作用。动。地球表层包括人类活动、微生物作用在内的生表6地球系统多层块耦合模式初步构想Table 6 Preliminary coupling model between different layers and blocks in the earth system耦合类型层块关系物质运动核心内容主控因素动力学过程盆山耦合地壳与地幔作用盆山地壳物质循环。亲壳型地壳厚度巨变,板内造地壳软流层大陆动力学地壳物质系统山成盆下地壳流动(地壳动力学)洋陆耦合岩石圈与软流圈作用洋陆壳幔物质循环。亲幔型岩石圈厚度变化,碰撞地幔软流层岩石圈动力学壳幔物质系统软流圈流动(地幔动力学)超洋陆耦合地核与核外系统作用超大陆与超大洋物质大循环。地球膨胀与收缩,统地核软流层球动力学亲核型壳幔核物质系统大洋和大陆外核流动(地核动力学)季风循环。地下水、地表水大气水循环与转化。高原上大气、植被、土壤、太阳辐射。陆面地气耦合燕发,气温、气压、陆地大气动力学高原与平原地壳剥蚀、平原上地壳充填与石流体层等分层耦合降水量变化。火地貌动力学平原下地壳流失、高原下地壳作用增生的地壳物质循环山岩浆活动大气物质入海,海洋温室气体风、浪、流、潮、气相互太阳辐射海气桐海内与海岸排放。厄尔尼诺现象。大规作用,海气界面物质和海底喷流海洋大气动力学模洋流一“全球输送带能量交换海温场变化海洋动力学大气层顶底和地内外耩合整个地球系统大气环流、季风环流水请环地球老屈统,天地生横自大地球系统动力学碳循环、生物地球化学循环等相互作用,全球变化异热力地球系统多层块耦合模式是当代地学重大前种类型的大气环流模式、海洋环流模式、海气耦合模沿探索性课题,目前较成熟的物质运动模式除概括式、陆气耦合模式:合球海陆气耦合模式(吴国雄洋陆耦合、软流圈流动、板块运动的岩石圈动力学模等中国煤化工met,199;,rh式和多级地幔柱模式外,已初步建立以盆山耦合、下fldCNMHG1998: Manabe and地壳流动、壳幔作用为核心的大陆动力学模式(李 Stouffer,1996; Rahmstorf,1994; Stouffer et al.德威,1992,1993,1994b,1995a,1995b,1995)和多1994; Zhang Tao et al..,2002)。然而地球系统动力第3期李德威:地球系统动力学纲要291学模式是最高层次,涉及地球内部系统与地球外部于核外系统和内核必然存在差异转动,而且应该是系统的耦合,控制各子系统的行为和过程,影响与人外核流动快,以侧向层流为主,在与内核及核外系统类活动有关的地球表层的状态和过程,是地球各种的差异转动过程中起主导作用。地幔柱是全球大尺层块作用、自然现象和运动规律的高度概括,也是预度核幔壳物质循环系统中由地核侧向流派生的垂向测地球发展、演化和未来全球变化的基础流。核幔边界作用和相关的多级热、冷地幔柱以及建立地球系统动力学模式,必须考虑以下几个洋壳俯冲构成大尺度的物质循环,与超大陆裂解和关键科学问题:聚合有关。大洋扩张中心出现深部热流物质增生和(1)耦合界面。地球系统耦合的一级界面是地上升,大陆边缘俯冲带表现为大洋物质消减、下沉,球内部系统过程(如岩浆活动、流体活动、变质作并部分转移到大陆底部,而大陆表面剥蚀物向大洋用、构造活动等)与地球外部系统过程(如太阳光、迁移季风、大气环流、水循环、碳循环等)强烈耦合作用地壳表层及地球外层出现大气循环、碳循环、水的地球表层系统,主要由水圈、生物圈组成,涉及地循环等。季风是典型的大气循环,全球大气、海洋球内部系统的浅层和地球外部系统的底层,地球系陆地和冰层相互作用导致干冷冬季风和暖湿夏季风统演化过程中地球表层系统不断发生变化,包括地的相互交替。人为碳排放影响海洋物理过程和陆地貌变迁、水系和湖泊演化、气候变化、生物绝灭、生态生态系统,与全球升温事件密切相关( Sabine etαl,.环境改变、地震活动、火山喷发、山体滑坡、沙漠化2004)。水循环最直观,大气水、土壤水、地下水、地等。地球系统存在多个二级圈层耦合界面,地球内表水、海水、冰雪在一定条件下相互转化,大气降水部系统由地核流层(外核)、地幔流层(软流圈)和地到达地面后,一部分形成地表水,一部分向下渗入形壳流层(下地壳)的快速流动及其与各自上、下相邻成土壤水和地下水,地表水通过江河带着陆源物质圈层的差异剪切运动的耦合和解耦是研究地球内部流入海洋,海水人侵到大陆有助于形成地下水。地系统圈层耦合的关键。表水和海水经陆面蒸发和海面蒸发进入大气层。水(2)物质循环。地球多圈层耦合的核心是物质循环支配全球水量的转移与变化,影响不同层块之运动,不同尺度地球层块系统存在不同形式的物质间的物质和能量交换,塑造地球表面丰富的地貌形循环运动。笔者曾描述了大陆板内盆山之间的壳内态,制约生物的生存环境,因而水循环充分反映了大物质动态循环过程(李德威,1993,1995a,1995b)。气圈、岩石圈、水圈、冰雪圈和生物圈的耦合在盆山地壳物质循环体系中,从与热点或幔枝有关不同类型、不同尺度的地球层块体系物质循环的盆地中央莫霍面上凸的部分熔融和强流变伸展区周期显著不同,受物质形态、循环腔尺度、物质密度开始,经造山带下地壳热软化物质韧性流动和汇聚和粘度等因素的制约,可分为超短周期(如大气循增厚以及上地壳热隆伸展、侧向扩展和隆升剥蚀,再环)、短周期(如碳循环、水循环)、中周期(如盆山地到盆地接受沉积和推覆与滑覆改造,出现细沉积岩壳物质循环)、长周期(如洋陆壳幔物质循环)和超(常伴生火山岩)、幔源或壳幔混源岩浆岩、高温麻长周期(如超大洋-超大陆壳幔核物质循环)。粒岩、超高压榴辉岩、高压麻粒岩、埃达克质下地壳(3)耦合动力。地球系统存在多种动力作用,宏源部分熔融岩浆岩、角闪岩相岩石、过铝质下地壳流观上分为内动力、外动力和人动力。局部而言,不同动与上地壳断裂差异运动及中上地壳伸展降压熔融构造发展阶段和不同层块边界的主导作用力的类型成因的壳源(淡色)花岗岩、绿片岩相岩石、粗沉积(如应力热力、重力、引力磁力、人力等)有所不同。岩的有序亲壳岩石组合,伴随进变质作用、退变质作从整个地球系统来看,热动力是地球系统耦合的主导用、无变质作用和埋藏变质作用。板内新生下壳层动力源。盆山耦合的大陆动力学过程与下地壳热软流与其上、下圈层耦合作用形成顺层韧性剪切带,形化物质的层流作用有关(李德威,1995a,1995b),洋陆成超镁铁质糜棱岩、镁铁质糜棱岩、长英质糜棱岩等耦合的岩石圈动力学过程由软流圈热对流或层流造构造岩序列。成在两个主热源区地球内部由放射性地球内部还存在更大尺度的洋陆物质循环和地元素中国煤化工射生热,从而形成幔流动( Fortie and mitrovica,2001),地幔柱作用地球CNMHG温度在1100℃以( Maruyama,1994),内核相对于外核快速差异转动上,地核温度达5500℃,与地球表层之间存在巨大温( Song and Richards,1996)。外核流动过程中相对差,热梯度和热应力驱动地球内部和外部的物质运292大他虚战第29卷动,制约地球系统物质的存在状态。参考文献:地球系统除受自然动力作用外,人类活动改造地貌形态、大气状态、生态环境,人为营力和微生物毕思文,许强地球系统科学.北京:科学出版社毕思文,黄润秋地球系统力学.北京:地质出版社活动对地球内部系统与地球外部系统之间强耦合的柴育成202浅议学科交叉与地球系统科学地学前缘,9地球表层系统的状态突变将起到关键的触发作用。(4)耦合机制。地球系统是一个结构不均匀、陈述彭,曾杉.1996.地球系统科学与地球信息科学.地理研演化不平稳的复杂开放体系,地球系统动力学机制究,15(2):1-10要从地球系统整体作用的高度去理解,地球巨系统黄秉维.1996:论地球系统科学与可持续发展战略科学基础具有临界阈值和突变特征。在研究地球多层块耦合(1).地理学报,51(4):350-353运动基础上要重视地球气水生壳幔核的整体运动李德威199大陆构造样式及大陆动力学模式初探地球科特征,研究地球的形态(圈层结构、洋陆分布、盆山学进展,8(5):88-93组合、地貌类型)、状态(熔层、水域、陆地、气圈、冰李德威199.大陆构造研究中一些值得重视的问题中国地质,(9):22-24盖等)、物态(物质存在形式、岩水气组合、流体、地李德威.1995a.关于大陆构造的思考,地球科学,20(1):10-18球化学组分)和生态(物种、人类生存环境)的内在李德威.195.再论大陆构造与动力学地球科学,20(1)联系,探索地球内部系统与地球外部系统在耦合过程中的物质交换和能量交换。李德威.1995c,大陆构造与动力学研究的若干重要方向,地学前缘,2(2):141-1463结论李德威.1997.大陆动力学的哲学探索.大自然探索,16(2):107-110地球系统科学和地球系统动力学都是正在探索李德威.200青藏高原隆升机制新模式地球科学—一中国的新领域。地球系统科学是地球系统动力学的基地质大学学报,28(6):593-600础,地球系统动力学是地球系统科学的发展。地球李德威2004.青藏高原南部板内造山与动力成矿地学前系统动力学除研究地球内部地壳、地幔、地核和地球缘,11(4):361-370外部对流层、平流层中间层、热层的耦合过程和耦李德威,纪云龙200陆下地壳层流作用及其大陆动力学合机制外,更重要的是研究地球内部系统与地球外意义,地震地质,22(1):89-96部系统之间的一级耦合界面(人类赖以生存的地球李德威,李先桶,199四维动态成矿理论的探索与实表层系统)的耦合过程耦合效应和耦合机制。践——以西藏罗布莎铬铁矿区为例.武汉:中国地质大出版社建立地球系统动力学模式是一项高难度的巨型马宗晋,杜品仁,卢苗安,200地球的多圈层相互作用地学理论创新工程,离不开多学科大跨度的交叉、渗透和前缘,8(1):3熔合,高新技术(如空间和深部探测、实验与模拟、任纪舜,陈廷愚,牛宝贵,刘志刚,刘风仁.190.中国东部大陆髙精度定年、数据信息计算与处理)的应用,众多现岩石圈的构造演化与成矿北京:科学出版社,1-205象的高度综合和集成,局部模式(大陆动力学、海洋滕吉文,闫雅芳.2004.中国东南大陆和陆缘地带板内构造界动力学)、区域模式(岩石圈动力学、大气动力学)、带的地磁异常响应.大地构造与成矿学,28(2):105全球模式(地球动力学、地球系统动力学)、星系模式(行星统一系统动力学)的交融和整合。最终通王焰新,朱水红,张治河203发展地球系统科学的背景,过原创性的地球系统动力学理论模型科学预测未来问题及对策.中国地质大学学报(社会科学版),3(1):不同时间尺度的全球变化(如海陆变迁、地貌巨变汪品先.2003,我国的地球系统科学研究向何处去?地球科气候变化、环境变迁、生物演化等)。学进展,18(6):837-851本文是在前人大量研究的基础上完成的。地球吴国雄,张学洪,刘辉,俞水强,金向泽,郭裕福,孙菽芬,李伟系统动力学涉及十分广泛的学科领域,在此仅作极平,王标,石广玉.1997.LASG全球海洋一大气一陆面系其简要的初步分析,期待起到拋砖引玉的作用。些认识还有待进一步探讨和修正H中国煤化工研究,应用气象学报,8CNMHG被影响的陆气耦合模与王焰新、杨坤光等教授进行过有益的讨论,在式.力学学报,30(3):267-27此深表感谢。袁道先.1999.对地球系统科学的几点认识.高校地质学报第3期李德威:地球系统动力学纲要2935(1):1-5(1): 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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中国煤化工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