地球海洋与海洋科学技术（4）
胡经国
第四节海洋地质与地球物理学概述
一、海洋地质与地球物理学的概念
海洋地质与地球物理学，是研究地壳被海水淹没部分的物质组成、地质构造和演化规律的科学。其研究内容涉及海岸与海底的地形、海洋沉积物、洋底岩石、海底构造、大洋地质历史和海底矿产资源。它是地质与地球物理学的一部分，又与海洋学有密切联系，是地质地球物理学与海洋学的边缘科学。
海洋覆盖面积约占地球表面积的71%。它既是全球地质构造的重要组成部分，又是现代沉积作用的天然实验室。海底蕴藏着丰富的矿产资源，是人类未来的重要资源基地。
二、海洋地质与地球物理学发展简史综述
1、1872-1891年：近代海洋研究的开始
1872-1876年，英国“挑战者”号进行环球海洋调查，第一次取得深海样品，发现了深海软泥和锰结核。1891年，英国的默里和比利时的勒纳尔，将这次调查成果编制成第一幅世界大洋沉积分布图，并写成《海洋沉积》一书。这标志着近代海洋研究的开始。
2、1925-1927年：首次推算深海区沉积速率
“挑战者”号以后的几十年，海洋地质研究进展甚微。1925-1927年，德国“流星”号调查船远航南大西洋，首次采用电子回声探测技术揭示了深洋底崎岖不平的地形，发现纵贯整个大西洋的中央海岭；并用柱状取样管取样，进行样品的岩石学和矿物学研究，首次推算了深海区的沉积速率。
3、1698-1701年：最早的世界海洋地磁等偏图
最早的世界海洋地磁等偏图，是EdmondHalley在1698-1701年间，利用海军舰艇Paramore号进行3次科学考察后于1702年发表的。作为以等值线方式发表的第一张地球物理测量成果图，它是当时在天文定位和地物目测不可能时进行航海的基础。然而，磁偏角是随时间变化的。Halley认为，这与地球深部相对于外壳向西旋转有关。这是动态行星的思想，至今仍为现代地磁学的核心思想。对海洋磁偏角的测定，从Halley时代一直延续，提供了很多地磁场长周期变化及其起源的信息。
4、1876年以后50年：揭示海底密度测向变化
1876年，C.W.Siemens用重力测深计进行了水深测量实验。由于测量精度不如铅锤测深精度而没有得到推广。大约50年后，F.A.VeningMeinesz在潜艇上利用钟摆装置测定重力，揭示了与构造过程有关的海底密度存在测向变化。
5、20世纪20-30年代：发现与海沟有关的重力负异常
20世纪20-30年代，荷兰地球物理学家芬宁·梅因纳斯等，使用潜艇在爪哇海沟和波多黎各海沟进行了海洋重力测量，发现了与海沟有关的显著的重力负异常。这对海底构造乃至全球构造理论的发展具有重要的意义。
6、20世纪30年代：电法和地震法应用于海洋
在20世纪30年代，陆地电法和地震法被应用于海洋。C.SchIumberger，M.SchIumberger和G.Leonardon，为了能够从电流差和势能差中得到海洋底部基岩的深度，于1934年，在阿尔及利亚附近的海域使用了海底电缆。在1937年的时候，M.Ewing，A.P.Crary和M.Rutherford，在美国东部浅海区进行了开创性的地震测量。1938年，E.C.Bullord和T.F.Gaskel，在英国西南部浅海区也进行了地震测量。通过测量水下爆破所产生的弹性波的传播过程，来确定大陆架下低速沉积厚层的位置。从而，为近海石油工业的发展奠定了基础。
7、第二次世界大战期间：开展声在水中传播规律的研究
第二次世界大战期间，由于海上战争的需要，许多国家致力于海底地形研究，绘制了一批详细的海底地形图；并且大力开展声在水中传播规律的研究，为发展海洋地震勘探打下了基础。战后，由于海底油田开发的需要，海洋地质调查蓬勃发展。
8、1947-1948年：研究大洋沉积物和海底构造
1947-1948年，瑞典国立海洋研究所所长彼得松，率领瑞典“信天翁”号进行环球深海考察，采用真空式活塞取样管取得了长达23米的柱状样品，研究了大洋沉积物的结构、厚度和沉积速率，并且采用人工地震法研究海底构造。
9、20世纪40年代：海洋地质学成为独立学科
20世纪40年代中后期，已经积累了有关大西洋、太平洋的海底地形、海底沉积以及大陆边缘地质结构的大量资料。
20世纪40年代末期，谢泼德的《海底地质学》、苏联克列诺娃的《海洋地质学》和奎年的《海洋地质学》先后问世。海洋地质学成为一门独立学科。
10、二战后：海洋地质学与海洋地球物理学迅速发展
第二次世界大战后，海洋地质学与海洋地球物理学发展迅速。野外勘探调查已远远超出近岸区而进入深水区，甚至进入大洋。彻底改变了我们对海底地质过程、海底构造特性的认识。同时，也改变了我们发现和开采海底资源的方法。
20世纪50年代初期，回声测深技术已大为改进，高分辨率的精密声呐投入使用，测程达万米，为编制各大洋洋底地形图提供了可靠的手段。同时，重力、磁法和地震探测等地球物理仪器也获得较大改进。
11、1952-1958年：提出海底扩张说和转换断层概念
1952-1953年，美国地质学家梅纳德和迪茨发现了东北太平洋的大型断裂带，以后又发现了这种断裂带在世界各大洋有广泛的分布。这是提出转换断层概念的重要依据。
1950-1958年，苏联“勇士”号调查船考察太平洋，通过测深改进了太平洋水深图，在马里亚纳海沟发现了大洋最深点，还采集了海底长柱状样品，研究了1000万年来的气候演变和地质历史。
大规模的海洋地球物理调查提供了大量资料。由此人们发现，洋底沉积层极薄，大洋地壳的结构与大陆地壳截然不同；特别是环绕全球的大洋中脊体系与海底条带状磁异常的发现具有深远的意义。20世纪60年代初期，赫斯和迪茨在上述发现的基础上，分别提出了海底扩张说。1963年，瓦因和马修斯用海底扩张说解释了海底条带状磁异常的原因。1965年，威尔逊提出了转换断层的概念。
12、1967-1968年：提出和验证板块构造说
由于上述发现使一度衰落的大陆漂移说重新复活。大陆漂移的活动论思想，在学术界逐渐取得主导地位，导致1967-1968年，摩根、麦肯奇和勒皮雄等提出了板块构造说。板块构造理论是海洋地质研究结出的硕果。它从根本上动摇了以固定论为哲学基础的地槽说的统治，被称为地学上的一次“革命”。
1964年，美国的一些研究机构发起成立地球深层取样联合海洋机构，1968年，组织了深海钻探计划。该计划在15年期间，历经96个航次，航程超过60万公里，钻井逾千口，至1985年出版了深海钻探初步报告80余卷。这次计划验证了板块构造模式的一些要点，发现了许多新资料，促进了海洋地层学的发展。
13、海底矿产资源进入大规模工业开发阶段
在技术方法方面，除了深海钻探和取样技术以外，还广泛采用了潜艇观察、深海摄像、海底电视、海底着陆器和深海仪器拖运装置等观测手段和自动化装置。海底矿产资源进入大规模工业开发阶段，海底石油产量不断上升，海滨和陆架砂矿的重要性也日见增加。深海锰结核、多金属泥和海底块状硫化物矿床引起广泛注意。
三、海洋地球物理学与海底构造学的研究意义
㈠、海洋地球物理对海底科学发展的重要贡献
直到20世纪50年代，人类对于地球的组成和演化史的认识还主要来自对大陆的研究。但是，以陆地为基础的研究，无法回答以下4个基本地质问题：①、从地质意义上看，大陆与大洋有什么不同？②、大洋是怎样形成的？③、海盆的年龄究竟是多少？④、在整个地质历史时期，洋盆及其边缘是怎样演化的？
早在20世纪初，F.B.Taylor和A.Wegener就认为，海洋是很年轻的，是通过大陆地块的漂移和分裂而形成的。但是，那时大多数地质、地球物理学家认为，海洋形成于很早的地质历史时期，并且是固定不变的。
20世纪50～60年代，地球物理学家推翻了以往有关海陆演化史的思想。海底构造学研究成果表明，海底地壳比大陆地壳年轻，而且二者结构不同。洋壳是通过岩浆作用而形成的，组成地球外壳的岩石圈板块发生分离。板块构造理论很好地概括了岩石圈板块的相互作用及其演化史。
海洋地球物理对海底科学的发展有重要贡献。利用海洋地球物理技术，探测深海大洋，不仅加深了人类对地球本身的认识，而且也促进了人类对其随时间演化过程的认识。
㈡、海洋地球物理技术的重要作用
海洋地球物理技术，对浅海和大陆边缘的探测，对军事科学，为人们认识大陆边缘的形成与演化和沉积盆地的形成，以及寻找石油、天然气等海洋矿产资源具有举足轻重的作用。
㈢、对军事科学的影响
二战期间进行的军事性质的海洋研究，对海洋地球物理学的发展产生了影响。战争时期，必须迅速改进探测潜艇和其它水下目标的技术。因此，根据检测声波和地磁场摄动，制造了一些海洋地球物理仪器，如高精度地磁仪、海底水听器阵列、可频繁进行水下爆破的仪器。为了扫除声学和磁性地雷，使其在安全地方引爆，设计出了拖曳式声源和产生高强度磁场的电缆。为了战术上的考虑，深入了解海洋中声波的传播过程，尤其是水层变化和海底特性对声传播的影响。
1945年以后，许多致力于这些问题研究的科学家，纷纷进入大学、研究所和勘探公司。更加开放的非军事生活环境，给海洋地球物理学的发展提供了巨大的动力。
近年来，军方的资助仍在继续，并且已经扩大公开以前保密的海洋信息，包括水深测量数据，使用核潜艇进行极地研究和应用海底水听器阵列检测地震的发生。
㈣、对石油天然气和其它矿产资源开发的贡献
1、对油气资源开发的贡献
据估计，海洋中蕴藏着大约40%尚未开发的石油。在二战后的一些年，海洋上商业性质的地球物理勘探主要局限于沿岸水域，如墨西哥湾附近地区。由于陆地产油沉积序列一直延伸到大陆架，因而通过观测磁场空间变化评估含油沉积层远景，是一个又快又经济的勘探方法。地震方法目前是浅水区寻找油气资源的最重要的物探方法；目前已取得很大进步，不仅发现了大量的石油，而且通过结合钻孔资料研究，使我们对大陆边缘的演化有了进一步的了解。
2、对非石油矿产资源开发的贡献
非石油矿产资源勘探，只是近岸地球物理勘探的一小部分。然而，各类水深范围的研究，大大促进了高分辨率地球物理技术的发展。这些技术能用于探测海底或近海底的精细地质构造。深海底的矿产资源，包括铁锰结核、金属硫化物以及富含铁、铜、锌、银和金的热液堆积等。在大陆架已经应用海洋地球物理方法对这些重要的非石油矿产资源开展勘探。
3、海洋地球物理测量方法的特点
海洋地球物理测量方法，与陆地测量既相似又不同。由于海洋环境不同于陆地，因而在海洋测点定位、海底地形测量，海洋重力、磁力、地震、电、放射性测量等比陆地要更加困难。例如，海洋地球物理测量需要精确的全球覆盖导航系统；在移动船上进行重力测量时，必须剔出附加的外来加速度；海洋磁测时，传感器必须远离记录平台的磁感应；用水听器探测地震波在海水中的传播过程时，需要特殊的数据记录和数据传输方式；海水是一种电介质，因而海底电流、时变磁场和电场都会受到其传导率的影响。
四、海洋地质与地球物理学的基本内容
海洋地质与地球物理学的研究内容十分广泛，涉及许多学科领域，而且与技术方法的研究，特别是测深技术、地球物理、海洋钻探、海底观测和取样技术，有着十分密切的联系。
㈠、海底地貌
海底地貌景观及其成因和空间分布，以及海底三个最主要的地貌单元——大陆边缘、大洋盆地和大洋中脊，是海洋地质与地球物理学研究的经典内容。
㈡、海底地形
海底地形的基本格架，受海底扩张和板块构造控制。内力作用对地形，尤其是深海地形的发育，起着决定作用。因此，海洋底的大地形主要是构造地形和火山地形。外力作用也有影响，但是与陆地相比要微弱得多。
海底地形的调查主要靠海底测深和侧扫声呐。应用现代高精度的声波测深技术和定位技术，已能查明海底微地形。海底地形是研究海底构造的钥匙，对航海、军事和海底工程都具有重要的现实意义。
㈢、海底沉积物
海底沉积物的类型、形成作用、时空分布和大洋演化历史，是海洋地质学的主要研究内容之一。海底的大部分都覆盖着沉积物。其主要来源有：陆源碎屑、海洋生物骨骸以及海水本身的化学和生物化学过程的产物；也有来自火山和宇宙的组分。
海底沉积物年代是研究沉积史的基础。常用的测年方法有相对年代学方法和绝对年代学方法。前者有古生物法、古地磁法、稳定同位素地层学法；后者有各种放射性同位素测年法。现在已经建立起海底沉积物的地层系统。研究海底沉积地层划分、对比，是海洋地层学的任务。
㈣、大洋构造演化历史
大洋构造演化历史是一个尚待探索的问题。现代多倾向于用海底扩张和板块构造模式来解释。洋底构造研究，对于解决地壳起源、演化等地质学根本问题关系极大，与海底成矿作用也有密切的关系。研究洋底岩石的组成、产状、分布和成因，是在深海钻探技术发展起来以后蓬勃兴起的一个研究领域。
㈤、洋壳岩石
洋壳岩石主要是地幔岩浆活动的产物，也是许多海底矿产的物源，与成矿的关系十分密切。它们在时间空间上的变化记录了洋壳形成和演化的历史，是当前深海钻探中引人注目的一个研究领域。
㈥、大洋地壳
大洋地壳与大陆地壳比较表
大陆地壳 大洋地壳 结构 厚度 10千米左右 5～10千米 层次 沉积层、硅铝质层、硅镁质层 沉积层、硅镁质层（细分） 分布 复杂、多变 较单一 岩性 酸性（花岗岩）+中性（闪长岩）+（超）基性 基性（玄武岩）+超基性（橄榄岩等） 年龄 38亿年 2亿年 大洋地壳作为全球地壳的一个结构单元，具有不同于大陆地壳的一系列特点。陆壳较轻，较厚，比较古老；洋壳较重，较薄（缺乏花岗岩层），相对年轻。在地壳的均衡作用下，陆壳质轻而浮起，洋壳质重而深陷。地球之所以存在着深广的海洋，是与洋壳的物质组成有关的。
㈦、海底矿产资源
海底矿产资源的重要性正在与日俱增。
在滨岸带，由陆源有用矿物富集形成的砂矿床，已被广发利用。
在近岸浅水区，砂和卵石作为建筑材料，已大力开发。
在大陆架，丰富的油气资源已进入大规模工业开发阶段，其产量已达全球石油总产量的1/4。
大陆坡和大陆隆是潜在的油气资源基地。
深海锰结核储量很大，富含锰、铁、铜、镍、钴铅等多种有用元素；在诸大洋均有分布，尤以太平洋为最多。多金属泥和块状硫化物矿床的研究，正在深入。其它如磷酸盐、海绿石等，也有经济价值。
2020年4月27日编写于重庆
5
|
|
