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固体地球科学新前沿

2021-10-13  文殊院士

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在过去的几十年里,地球科学正在迅速地从主要的描述性学科转变为以过程为导向的学科,旨在建立定量模型来重建和预测固体地球中的复杂过程。这包括预测地质系统未来行为意义上的预测,但也包括预测现在存在于地下的地质模式,作为过去冰冻的证据。这两种预测方法都同人类的基本需要高度相关:供水和资源、防止自然灾害和控制地球环境退化。对人类栖息地的密集利用带来了很大程度上未知的风险,并使我们越来越脆弱。人类对最外层固体地球的利用正在加速。迫切需要科学先进的地质预测系统,能够准确定位地下资源,预测地震、火山爆发和地面沉降(部分人为)的时间和震级。这种系统的设计是一项重大的多学科科学挑战。固体地球过程的预测也为海洋学和大气科学以及气候变化的预测提供了重要的制约因素。

1,物质交换

物质交换是指地壳某些区域的岩石被侵蚀而在另一些区域重新沉积,以及地球内部对这些逐渐变化的压力作出反应的方式。这提出了现代地球科学的一个新前沿,即试图定量地理解这些过程。这就需要一种研究策略,将现有的方法结合起来,一方面解决有限近地表记录的高分辨率时间尺度问题,另一方面解决更典型的整个沉积盆地规模的长期和大规模研究方法。实现四维方法(即包括空间和时间)的关键步骤需要以一种结合小尺度数据和高质量现代地震成像的方式对固体地球过程进行建模。如果我们要量化和限制驱动地壳板块的力量,我们就需要探测地球深部,以获得关于地球深部结构和过程的高分辨率图像。深层地球框架提供了一个统一的主题,能够以面向过程的方式处理地球系统的全部动力学。最近的技术进展(包括地震层析成像、面向地球的空间观测、海洋和大陆钻探、建模和分析技术)通过将最先进的方法和全球数据库的组合结合起来的全球努力,为取得突破创造了良好的基础。

2,重建地球历史

岩石圈沉积盖层提供了高分辨率的环境变化记录,以及地壳、岩石圈和地幔系统在地表和不同深度的变形和物质传递。在过去的几年中,一些开创性的贡献有助于解释岩石圈构造过程和沉积记录之间的关系。例如,这些实验证明了岩石圈板块应力场对其上方堆积的沉积层序的控制作用,以及对沉积盆地中相对海平面变化的记录的控制作用。地球科学家也越来越意识到活跃的构造过程影响沉积盆地的方式,以及这些过程对连接地球深部和地表过程的耦合系统中的流体流动和最近的垂直运动的主要影响。岩石圈沉积盖层记录了地球表面以及地壳、岩石圈和地幔系统不同深度的变形和物质传递。在过去的几十年里,沉积盆地分析在整合沉积和岩石圈(以前是分离的)地质学和地球物理学领域中处于领先地位。综合活动构造、地表过程和岩石圈动力学对这些盆地及其周边地区的古地形进行重建是一个关键目标。

3,岩石圈变形机制

岩石地幔流的方式施加控制的厚度和强度岩石圈板块,板块运动之间的耦合的程度和在地球内部流动,模式和软流层的对流速度以及更多的局部流程如地幔流的模式和速度和融化在大洋中脊提取。为了了解固体地球外部的动力学行为,特别是岩石圈伸展的动力学以及与之相关的裂谷和沉积盆地的发育,必须详细了解地幔流动的不同区域的方式。造山带的经典模式包括与陆-陆碰撞有关的造山作用的威尔森海开闭旋回(Dewey, 1969;威尔逊,1966)。这些模型无法解释世界上大量造山带的地质历史,在这些造山带中,变形、变质和地壳生长发生在一个正在进行的板块汇聚的环境中。这些带被称为增生造山带,但也被称为非碰撞造山带或外部造山带、科迪勒兰型造山带、太平洋型造山带、Miyashiro型造山带和突厥型造山带(Matsuda and Uyeda, 1971;Windley, 1992;Sengor, 1993;Maruyama, 1997;恩斯特,2005)。增生造山带形成于大洋岩石圈的俯冲部位。他们由增生楔(图1)包含物质累积下行板和上板的侵蚀,岛弧,蛇绿岩,大洋高原,旧大陆块,post-accretion花岗质岩石和变质产品granulite-facies,剥露高压变质岩和碎屑沉积盆地(Cawood et al ., 2009)。增生造山带似乎在地球历史的大部分时期都很活跃,并构成了大陆生长的主要场所(Cawood等人,2006年)。它们含有大量的矿藏(Groves and Bierlein, 2007),因此提供了许多国家的矿化潜力,如澳大利亚、加拿大、津巴布韦、沙特阿拉伯、也门、尼日利亚、中国、哈萨克斯坦和蒙古。

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本文作者:锅 贴  张 松

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