地质力学与板块构造学.pdf

地 质 力 学 与 板 块 构 造 学 比较联系前瞻 丘元禧 编著 北 京 内 容 提 要 经典 地质力 学是 我国著 名地 质学家 李四光 教授 创立的 大地 构造学 说,而板 块 构造 说 则是 当 今最 盛 行的 大 地构 造学 说。本 书对 这两个 大地 构造学 说的理 论体 系、基 本观 点、研 究侧 重点 和 研究 方 法进 行 了系 统 的对 比 性研 究,既从其 历史 渊源和 现实 意义的 角度做 了考 察,又 对其 未来之 发展 做 了前 瞻,从 科学 发 展史 的 角度 探 讨和 阐述 了这两 个学 说的同 源、 殊途 而 同 归、 相 互 补 充、 相 互 包 容 和 互 相 融 合 的 历 史 发 展轨 迹 和 未 来 发 展 趋势 。 全书 内容由 三个 主要部 分组 成,即 地质力 学与 板块构 造学 之系统 比较 、构 造 体系 与 板块 构 造的 相 互关 系 之研 究和 建造与 改造 对立统 一的 研究。 书中 对由作 者建立 的两 个新的 构造 体系即 似新 华夏式 伸展盆 海系 和新生 代 NW 向 压 扭构 造 体系 新河 西 系的建 立依 据做了 系统的 论证 。 本书 是作者 多年 科学研 究成 果的结 晶,书 中包 含了作 者多 年来运 用地 质力 学 与板 块 构造 学 相结 合 的研 究 方法 研究 区域构 造之 成果,融合 了作者 多年来 已发 表的学 术论 文。 本书 可供从 事大 地构造 学、 区域构 造学教 学、 科学研 究的 综合性 大 学地 球 科学 系,地 质院 校 教师 、本 科 生、 研究 生和从 事大 地构造 科学 研究、 区域地 质调 查、矿 产普 查勘探 的地 质 科学 研 究机 构、 生 产单 位 的人 员 参考 使用 。 图书在版编目 CIP数据 地质力学与板块构造学 比较联系前瞻 /丘元禧 编著 . 北京 地质出版社, 2006. 3 ISBN 7-116-04721-2 Ⅰ. 地⋯ Ⅱ. 丘⋯ Ⅲ. 地质力学 - 对比研究 - 大 地构造学 Ⅳ. P5 中国版本图书馆 CIP 数据核字 2005第 161158 号 责任 编辑 陈 磊 刘凤仁 责任 校对 王素 荣 出版 发行 地质 出版 社 社址 邮编 北京 海淀 区学院 路 31 号,100083 电 话 010 82324508 邮 购部 ; 010 82324565 编 辑室 网 址 http / / www. gph. com. cn 电子 邮箱 zbs gph. com. cn 传 真 010 82310759 印 刷 北京 印刷 学院实 习工 厂 开 本 787 mm 1092 mm 印 张 10 字 数 250 千 字 印 数 1 1000 册 版 次 2006 年 3 月北京 第一版 第 一次印 刷 定 价 26. 00 元 ISBN 7-116 -04721 -2 / P2645 凡购买地质出版社的图书, 如有缺页、倒页、脱页者, 本社出版处负责调换 前 言 地质力学这一学科术语的含义,在李四光身后,已有很大发展,乃至有新概念地质力 学的提出,广义的地质力学包括地质静力学和地质动力学 [ 1 ] 。本书所讨论的地质力学是 指李四光生前所创立的以研究地质构造和地壳运动为主要对象的地质力学,亦可谓经典的 地质力学。 20 世纪 40 年代,我国著名地质学家李四光在总结他和他的学生们几十年运用地质学 与力学相结合的方法对中国区域构造进行研究的实践与理论成果的基础上创立了地质力 学。在他的指导下,一大批中国的地质力学工作者早在解放前就对阐明中国区域地质构造 特征方面做出了贡献。新中国成立以后,在党和政府的大力支持下,地质力学有了很大的 发展,对我国的国民经济建设做出了很大的贡献。众所周知,根据时任地质部部长李四光 提出的在我国东部新华夏系沉降带蕴藏有丰富的油气资源的科学论断,我国油气资源勘探 工作作了战略东移的部署,从而找到了大庆、胜利等一系列油气田; 同样,也是根据李四 光关于南岭纬向构造带燕山期花岗岩带是铀矿成矿带的科学论断,并在他的亲自部署和指 导下,在南岭地区找到了一系列花岗岩型铀矿床。20 世纪 70 年代李四光发表了地质力 学概论 ,对地质力学的理论和实践进行了科学的总结与概括。中国广大地质工作者运用 地质力学的理论与方法在许多重要的国民经济领域包括工程与水文地质、地震地质、地热 勘测等方面做了大量工作,取得很大成绩。这一段历史时期堪称是地质力学上升和辉煌的 时期。遗憾的是,正当地学革命在全球范围内进行之际,我国却处在文化大革命之中,与 外界几乎完全隔绝,地质力学未能汲取当代地质学界的最新研究成果。加上文化大革命时 期左的路线的干扰,地质力学在发展道路上遭遇过挫折。但广大的地质力学工作者无论在 理论战线上还是在实践领域里仍然坚持工作,使地质力学继续向前发展和继续为我国的国 民经济做出自己的贡献。李四光是我国地质事业的奠基人之一,是杰出的科学家,是我国 爱国知识分子的一面光辉旗帜,作为中国地质事业的继承人和后辈,我们始终对他怀着崇 高的敬意。 20 世纪 80 年代改革开放之初,经由尹赞勋、李春昱、郭令智、朱夏等地质界前辈介 绍,板块构造学理论得以在我国迅速传播。板块构造学理论一经引入,我国学者以极大的 热情学习和运用,这是科学的进步和学习外国先进科学理论的要求,无可非议; 但与此同 时,经典的地质力学理论观点却开始受到冷落。自然科学与社会科学、人文科学不同,随 着科学技术的迅猛发展,旧科学内容很快为新时代的科学技术内容所更替是一个普遍规 律,作为自然科学工作者不应抱残守缺,而应与时俱进,勇于创新科学思想。板块构造说 代表人类认识地球岩石圈构造的新阶段,因而它取代以前的构造学说是历史的必然。但同 时我们还应该看到,地质学是区域性实践性很强的科学,中国地质学什么时候都离不开中 国的区域地质实际,我国地质前辈所写下的反映中国区域地质实际的科学论著和提出的科 1 学学说对于我国晚辈的地质工作者仍然有传承的意义,何况李四光及其地质力学对地球地 壳运动整体论、系统论的科学思维和对与构造地质学有关的若干领域 如地热、地震、 构造相变等尚有创新、开拓和前瞻性思考,至今对我们仍有指导和实践的意义,遗憾 的是,年轻一代的中国地质工作者们已经不太了解他们的先辈在中国区域地质研究中的建 树了。最近有一位同行建议我不要再用像“追踪张” 这一类地质构造术语,因为年轻的 读者看不懂。这个意见本身没有错 以致在本书中不得不加大对地质力学基本内容的介 绍,以便青年读者能看懂这本书 ,我感慨的是李四光等老一辈地质学家创造了一些非常 反映事物本质的地质术语,这些地质术语不仅科学而且非常民族化,为什么传承不下去 是不是我们在提倡与国际接轨、学习国外先进科学技术理论的同时,也应该提醒国人不要 妄目菲薄,要保留和发扬我国优秀的民族科学遗产 特别像地质学这样实践性、区域性很 强的科学,我们更应该让年轻一代传承中国地质学的优秀遗产,在这方面,我们这一代 人,尤其是在大学地质系执教的地质教育工作者有义不容辞的职责,这是作者写这本书的 一个主要动因。 我想起了 20 世纪 90 年代初期,我在无锡聆听了朱夏先生在其有生之年最后一次学术 报告“活动论构造历史观” [ 2 ] 的发言。他说 “在李四光诞生一百周年的大会上,上海地 质学会叫我讲话。我说,当年板块来的时候,地质力学似乎与其不能相容,现在板块上升 了,有些人不理睬地质力学了。现在看来这是不对的,地质力学与板块相比有五点是共同 的 ①地质力学无疑是活动论,重视相对水平运动; ②改造与建造的关系,提出改造是在 建造基础上的改造,建造是改造背景上的建造; ③地质力学提出压、张、扭,这种东西有 序、有级别,彼此互换; ④都讲的是中生代以来的情况; ⑤提出旋转型“歹字型” 、 “多 字型” ,李先生讲得清清楚楚,太平洋相对欧亚大陆剪切,剪切以后再对冲” 。既然如朱 夏所说两者有如此多的共同点,为什么一个扶摇直上,推崇备至; 一个却被打入冷宫 无 论是受到推崇还是受到冷落,都有其应该追究的原因,无论是成功还是失败都应该予以总 结,这对科学的发展都是重要的,如果我们这样做了,我们就变自在为自觉。文化大革命 前后的人为社会因素对于一种学说来说,只是一种暂时的外因; 对于一个学说的未来,决 定这个学说的命运归根结底是这个学说是否代表着科学的真理,是否对社会发展有益。翻 开一部科学史,各种学说的兴衰此起彼伏,屡见不鲜。这里有几种不同的情况 一是一些 所谓的学说并没有包含多少科学真理,虽曾时髦一阵,但却经不起客观事实的检验,因而 很快地退出了历史舞台; 另一种情况是学说本身包含部分相对真理,虽然不够完善,但经 过补充修正后仍然屹立于科学舞台之上,或者被更为先进的科学理论所包容和代替,后者 如大地构造学中之槽台说为板块构造学说所包容和代替; 还有一种情况是该学说本身一开 始基本上就是正确的,但由于历史条件,当时暂时无法证明其正确性而遭到冷落或者被误 认为是异端邪说,但随着科学的进步终于证明其正确性而被确认为科学真理,哥白尼的日 心说和魏格纳的大陆漂移说就是这方面的最好例证。那么,地质力学究竟属于哪一种情 况 这也是本书想要弄清楚的另一个重要问题。 在科学史上还有一种现象就是学术思潮或学术潮流,这种学术思潮往往带有时代的特 点。在某一个科学发展阶段,往往某种学术思潮占有统治地位。例如 19 世纪中末叶由于 传统地质学首先是在地层学的基础上发展起来的,人们首先是从地层建造中去寻找地质构 造和地壳运动的历史记录,因而垂直运动备受关注,从垂直方向去研究地壳的运动和变迁 2 成为那一时代主要的思维方式,这也就是为什么那一个时期固定论占统治地位的客观原 因。但是随着人们对地质构造现象的深入研究,诸如大规模逆冲推覆构造的发现,地质学 家们开始发现地壳不仅有垂直运动,而且有水平运动,不仅有水平运动,而且有大规模的 水平运动,大到大陆开裂和漂移,于是魏格纳提出了大陆漂移说。如果我们翻开 20 世纪 最初 20 年的地质文献,可以说大陆漂移说成为那一时期的学术潮流和学说时尚,但曾几 何时,大陆漂移说又因动力机制一时无法解决而几乎在科学舞台上被人们遗忘了几十年, 直到海底扩张被证实才重新复活。由此可见,看一个学说正确不正确并不能以某一个时期 有多少人拥护来衡量,而在于它是否拥有科学真理,它的研究思路和研究方法是否真正代 表科学发展的前进方向。真理有时是掌握在少数人手里的,某些拥有真知灼见、掌握科学 发展方向的科学家开始往往是少数派。对于科学家的这种命运,真正的科学家应该有一种 辩证和历史唯物主义的态度,即实事求是的态度 一方面要看到科学家们限于当时的历史 条件,其学说往往有需要完善的部分而敢于加以补充修正; 另一方面要敢于坚持和发扬其 符合真理的部分。 我个人在 20 世纪 70 年代开始学习地质力学。李四光学术思想中的整体论、系统论、 活动论以及学以致用与辩证发展的自然科学观、求实创新和理论与实践统一的科学方法 论 [ 3 ] ,对我的科学研究实践有深远的指导意义。原来意义上的地质力学理论受到冷落难 免使我陷入沉闷,但也促使我思考其低落的原因和未来的发展前途。它的未来将会是科学 史上的那一种情况 朱夏 [ 2 ] 关于板块构造与地质力学的共同点的论述启迪了我进一步去 研究这两个学说在理论上的渊源、形成和发展过程,从而发现它们之间不仅有共同点,而 且也有相异处,这种相异不仅表现在研究对象上 虽然两者都是研究地质构造,但板块 构造学侧重于构造块体的研究,地质力学侧重于构造共生组合及其成生联系的研究 ,而 且也表现在研究思路上的不同,这种差异性处理好了可以互补,处理不好就相互排斥。遗 憾的是,在过去的岁月里它们曾经未能成为互补,相反地,如朱夏所指出的却成为互不相 容的东西,这无疑对于科学家们更全面地认识真理、对科学的发展是有害的。值得庆幸的 是,已经有科学家走上把它们融合的道路,例如马宗晋 [ 4 ] 把全球构造系统划分为大洋中 脊系统、环太平洋俯冲系统和大陆构造系就体现了把板块构造和构造体系结合起来的思 路。本书作者也注意到这种互补性,尽管两种学说在理论上都存在其地球动力学机制尚未 解决的问题,但板块构造和构造体系都是客观存在的构造实体,形成动力机制虽然尚未解 决,并不妨碍我们对这两个构造实体及其相互关系和成生组合规律的研究。自 20 世纪 90 年代以来,我开始用地质力学与板块构造理论相结合的观点和方法研究中国大陆的中、新 生代区域构造,先后在地质力学学报上发表了近十篇学术论文。文章发表以后得到 一些同行的认可和鼓励,建议在前述论文的基础上能进一步有所深化,于是有了这本册 子。本书所阐述的内容可归纳为 前言,问题的提出; 第一篇地质力学与板块构造学在理 论渊源、形成过程和各自特点的比较 包括第一章、第二章、第三章 ; 第二篇板块构造 与构造体系 构造型式在地壳运动和地质历史过程中的相互联系、相互作用的研究 第四章、第五章、第六章 ,第三篇古构造研究 第七章、第八章 ,第四篇是作为它们 的物质记录 建造与改造的对立统一的研究 第九章 ; 最后是前瞻地质力学与板块构 造学未来的发展前景和它们之间在未来可能的融合 结束语 。由于要对这两个学说进行 比较,本书在地质科学术语方面,尽量保持经典地质力学和经典板块构造学原作者的原 3 意,在阐述问题时尽可能采用该学说已使用的术语。至于根据新发现的地质事实需要对原 有某些概念作出某些补充修正,也会在文中予以说明。就本书作者的主观愿望而言,是想 通过本书的写作和出版能与地质同行切磋研究在引进和学习国外先进理论时如何能扬其长 避其短,有所为、有所不为; 对我国地质先辈们根据中国的区域地质实践和对地质科学的 创新所创立的地质理论 不仅是地质力学,也包括黄汲清先生的多旋回说、陈国达先生 的地洼说、张文佑先生的断块说、张伯声先生的波动镶嵌说等,本书只是以地质力学为 例 ,如何传承创新、发扬光大,为我国民族科学在国际科学舞台上争得一席之地,为我 国年轻一代的地质工作者学习老一辈中国地质学家的优秀传统和科学业绩创造更有利的条 件。但限于作者的科学历史知识和理论素养,恐难于达到预期目的。不当之处,尚祈同行 们,特别是地质力学工作者和板块构造工作者的批评指正。 鸣谢 本书在酝酿成书过程中得到地质同行好友刘昭蜀研究员、夏法教授、杨树康研 究员、梁致荣教授、林树榆教授的支持与切磋。成文以后,马文璞教授、覃慕陶教授、孙 岩教授审阅了全稿,提出了许多宝贵的修改意见,对全书质量水平的提高有很大帮助。本 书基础性论文的发表得到地质力学学报编辑部和崔盛芹教授、邓乃恭研究员的支持与帮 助,马宗晋院士为本书写序,周蒂研究员为本书改写英文摘要。作者在此一并表示热忱的 谢意。 4 序 人类对地球的认识,有史以来,一直是多视角、多地域、多目标的,因而不免有这样 或那样的局限性、强化各自的观点论。就先人对地球构造运动认识来说, “固定论” 和 “活动论” 主导地位之争,升降运动与水平运动的主次之争; 地球膨胀与收缩之争; 全球 大陆南向运动与北向运动之争; 构造运动的动力学要素主导地位之争等等。随着人类对资 源、灾害、环境的需求而推进的地学研究和伴随地球基础科学对大气、海洋和固体地球的 认识和技术探测的深化,时而争出另一侧面的发展,反反复复,曲曲折折。地学的灿烂辉 煌,就是在这种争辩之中前进的,但是相对认识的深化和逼近于“ 正确”和“ 精准”的 地学目标,还有相当长的争辩过程。然而,一个时代的地学人总会要站在他所推崇或创新 的立脚点,哪怕他的科学生涯中立脚点有所固定或前进。 我的地学构造观是“兼容并蓄” 的,如果说地球表壳的运动是以水平运动为主,那 么地幔的热运动、重力均衡运动就是以垂向运动为主控,这是固态地球兼而有之,必然的 运动全过程。大气和海洋的运动全过程或许也是如此。 丘元禧先生编著的“地质力学与板块构造学”从比较、联系与前瞻的角度,加以分 析,其宗旨即在于并联魏格纳的科学视角与李四光的科学视角,而以地质力学的全球构造 解析,如全球的纬向和经向构造的力学背景; 全球独有的巨大“康藏 - 印度尼西亚”歹 字形构造弧的成因; 由亚欧大陆东向与美洲大陆西向的运动差探索与地球自转的动力学联 系等,扩展板块构造学的内涵,这是极其有益于现今全球地壳运动构造学发展的优势集 成。前瞻这一大胆集成的走势,丘先生提出了由地核至行星地球整体各圈层的理论与应用 的分支发展,实际上这就是当今广义地球系统科学的目标,可以预计,这无疑就是地球与 人类相互作用的宏大科学领域,希望能引起地学人摆脱把地球系统科学偏置于环境研究的 局限性,而在整体地球各圈层跨越性相互作用的基础上,开创地球整体系统科学宽广的分 支研究和集其大成。 马宗晋 中国科学院院士 2005 年 10 月于北京 Ⅰ 目 录 前 言 1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一篇 地质力学与板块构造学之比较 5⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一章 地质力学理论的历史渊源、形成的科学背景和发展过程 5⋯⋯⋯⋯ 第二章 板块构造学理论的历史渊源、形成的科学背景和发展过程 13⋯⋯⋯ 第三章 地质力学和板块构造学理论与研究方法之比较 20⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二篇 板块构造与构造体系 构造型式的相互关系 26⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四章 星球级构造体系对板块构造的控制 26⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第五章 板块间的相互作用产生区域性构造体系 42⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第六章 板块构造与构造型式的相互关系 62⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三篇 古构造研究 72⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第七章 关于古板块的研究 72⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第八章 古构造形迹和古构造型式的研究 90⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四篇 地质构造与建造、改造的关系 115⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第九章 地质构造是建造与改造的统一 115⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 结束语 前瞻 135⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 参考文献及内部参考资料 144⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ Ⅲ Contents Preface 1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ Section Ⅰ Comparison of geomechanics and plate tectonics 5⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ Chapter 1 Scientific background and evolution history of geomechanics 5⋯⋯⋯⋯ Chapter 2 Scientific background and evolution history of plate tectonics 13⋯⋯⋯ Chapter 3 Comparison of geomechanics and plate tectonics 20⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ Section Ⅱ Connection between plate tectonics and tectonic system tectonic pattern 26⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ Chapter 4 Plate tectonics controlled by global tectonic system 26⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ Chapter 5 Regional tectonic system generated by interaction of plates 42⋯⋯⋯⋯ Chapter 6 Connection between plate tectonics and tectonic pattern type 62⋯⋯ Section Ⅲ Studies of paleo-tectonics 72⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ Chapter 7 Studies of paleo-plates 72⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ Chapter 8 Studies of paleo-structural trace and paleo-tectonic pattern 90⋯⋯⋯⋯ Section Ⅳ Relation is ship between structure and ation as well as deation 115⋯ Chapter 9 Geological structure is the unity of ation and deation 115⋯⋯ Conclusion Foresight 135⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ References 144⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ Ⅳ Geomechanics and plate tectonics Comparison, Connection, and Foresight Qiu Yuanxi Zhongshan University,Guangzhou, 510275,China Abstract Geomechanics is a tectonic theory founded by famous Chinese geologist J. S. Lee in the 40s of the twenty century. Plate tectonics is a tectonic theory that is dominating the present geological community. This book made a comparative study on the logic,viewpoints,arguments,and s of these two theories, reviewed their background and history, and predicted their future development. Geomechanics inherited from conventional structural geology the concepts of ation and deation, but emphasize the association and genetic connection between geological structures, advocates the concepts of tectonic type tectonic patternand tectonic system. Plate tectonics inherited from conventional tectonic geology the concepts of historical analysis, but emphasize the division, movement,and interaction of plates.Both believe mobilism and continental drift, believe that the horizontal movement of the Earth crust is the major force of lithosphere deation.Major difference between the two theories is in the driving force of crustal movement, geomechanics suggest the change of Earth s rotational velocity while plate tectonics suggest the mantle convection. As the objects of study, tectonic systems for geomechanics while plates for plate tectonics, are real entities in the nature and do not change with researchers’believing, we may compare the two theories through the study of these real entities. From this point of view the author discussed in the book how the global tectonic systems controlled the tectonic framework of the plates, how the second-order regional tectonic systems were generated by the movement and interaction of plates, and what tectonic patterns were ed by various assemblages of continental and /or oceanic plates. ation and deation are materialized records of crustal movements and studied by both geomechanics and plate tectonics. Tectonic facies are the patterns of ation and deation. This book discussed the concepts of the tectonic facies,the series of tectonic facies,and the sequence of tectonic facies, and established criteria for their classifications. The author believes that a good combination of geomechanics and plate tectonics will lead to a thorough understanding of geological structures and global tectonics. The book may serve as a reference book for university teachers and students in departments of geology, structural geology, geomechanics and tectonics. Ⅴ 第一篇 地质力学与板块构造学之比较 为了弄清楚经典地质力学 下文简称地质力学与板块构造学在理论体系和研究方 法上的区别,不仅要对其基本理论、学术观点、研究思路和主要的研究方法进行系统的对 比性研究,而且还需要把它们放在地质学和大地构造学发展的历史长河中对其历史渊源、 形成过程进行考察,这样才比较容易弄清楚它们各自的来龙去脉和科学的历史的必然。 19 世纪是传统地质学形成和发展的时期,古典地质学是建立在矿物学、地层古生物 学、岩石学、构造地质学这些基础学科之上的。人们认识地壳运动最初是从火山地震和地 层简单的褶皱、断层、不整合等现象开始的。大量的地壳运动记录首先是从地层建造中获 取的。于是,历史分析的方法和垂直运动的记录受到优先重视,历史大地构造学派成为 19 世纪最盛行的大地构造学派,他们用历史分析法帮助我们认识了诸多的历史构造记录, 如地槽向地台转变的地壳演化规律。在历史大地构造学派形成和发展过程中涌现出一大批 杰出的大地构造学者,诸如美国的丹纳、霍尔 地槽学说的创始人 ,德国的施蒂勒,前 苏联的卡宾斯基、阿尔汉格尔斯基、沙茨基、乌索夫、别洛乌索夫、纳里夫金,我国的黄 汲清等,他们对槽台的演化历史分析做出了杰出的贡献。从这些学者的论述中可以鲜明地 感受到垂直运动论和大陆固定论是那一时期的主要学术思潮。 区域地层古生物的划分对比和沉积岩相古地理的研究是历史分析法的重要组成部分, 是历史大地构造学派研究和重建大陆构造和地质演化历史的主要方法。19 世纪中叶到 20 世纪初,地质学从各大洲积累的地层古生物资料,已经开始认识到非洲、南美洲、印度、 澳大利亚大洋洲等的晚古生代早中生代地层、古生物群可以对比,它们原来可能同属一 个古老的冈瓦纳大陆,以后才分裂成现在的各大洲。 否定之否定是自然法则也是科学发展的规律。正是垂直运动论和固定论的学术研究为水 平运动论和活动论的出现准备了事实依据。在某种意义上说,活动论是从固定论脱胎而来的 叛逆。进入 20 世纪的最初 20 年,大陆漂移说的兴起, 活动论正式登上科学舞台。地质力学 和板块构造学都是活动论, 以后的历史分析表明大陆漂移说是它们的共同的重要理论渊源。 第 一 章 地 质 力 学 理 论 的 历 史 渊 源 、 形 成 的 科 学 背 景 和 发 展 过 程 李四光的地质力学 Geomechanics是地质学与力学相结合的一门科学,它把解决地 壳运动的起因作为自己的总体科学任务。地质力学从建立构造体系和构造型式来反演地壳 运动的程式,李四光把全球构造体系划分为纬向构造体系、经向构造体系和扭动构造体系 5 三大构造体系,认为它们是地球自转速率变化过程中所产生的经向切向力、纬向切向力及 由于它们的不平衡而导致的剪切力所产生的 图 1 - 1 ,同时认为地球自转速率的变快或 变慢是地壳发生大规模水平运动的动因 大陆车阀说,详见后述 [ 5] 。 图 1 - 1 全球构造体系和地壳运动方向 据李 四光 , 1973 Fig. 1 - 1 The global tectonic systems and the earth s crustal movement directions After J. S. Lee, 1973 谈到地质力学的形成和发展,不能不追溯到 20 世纪初至 20 年代期间世界地质学,特 别是构造地质学和大地构造学的发展情况。正是从这些追述中可看出地质力学理论形成的 一些历史背景。 1908 年美国地质学家泰勒 F. C. Taylor 提出“巨型大陆大规模地朝向赤道滑动,从 而形成褶皱山脉” 的观点 1910 年著文论述 。他认为亚洲大陆第三纪山脉的形成导源于 地球自转所产生的离心力,致使北半球大陆向南滑动,南半球大陆向北滑动,在滑动过程 中遇到障碍物,乃在山脉中形成凸出的顶部。他描述原始劳亚大陆有如大陆的硅铝壳,从 极区向赤道方向扩张,颇似陆地上的冰层一样,形成环状向外流动,在前面形成山环和岛 弧。20 世纪 10 ～ 20 年代是大陆漂移提出和盛行的时代。魏格纳 1915 在大陆和海洋的 起源 一书中认为大陆由较轻的刚性硅铝层组成,它漂浮在较重的黏性硅镁质洋底上, 地球自转离心力所产生的离极力驱使大陆从高纬度向低纬度赤道移动,同时认为向西漂移 是日、月吸引所产生的潮汐摩擦使地球的自转速度减慢,从而使地球表层各大陆相对于地 球自转 自西向东 有落后的趋势而导致大陆缓慢地向西移动。当移动的大陆前缘遇到大 洋底的阻力时,因遭受挤压而形成褶皱山脉,美洲海岸山脉便是这样形成的 [ 6 ] 。 6 大陆漂移说主张存在大规模的水平运动,而固定论则只承认相对固定于某一位置的垂 直运动。显然,李四光是活动论者。我们从李四光早年的论著和李四光科学思维的形成发 展过程中可以看到这一时期世界地质科学对他的重要影响,也可以看到这一时期大地构造 学的一些理论思维,特别是大陆漂移说后来成为地质力学理论的重要历史渊源。 构造地质学 大地构造学在历史上是从两方面即从物质组成方面 也就是建造方 面来研究地质构造的和从结构方面 也就是形变方面来研究地质构造的。前人这两 方面的研究成果自然也就成为地质力学理论基础和研究方法的一种渊源。但应该说地质力 学更着重传承了传统构造地质学对构造形变的研究成果和研究方法,只是摒弃了其单纯形 态论的部分而加强了地质构造形迹间成生联系和力学本质的研究。 李四光在总结地质力学的形成发展过程时,认为地质力学是经过两个阶段发展起来 的。为了正确地表述他的认识,这里我们尽可能引述他的原文 [ 7 ] 第一阶段从 1921 年研究中国北方石炭纪二叠纪的沉积物开始。关于太原系的时代 有过长期的争论。李四光等人对地层古生物的研究证明 中国南部占主要地位的晚石炭世 和一部分石炭纪二叠纪过渡的海相层与中国北方以陆相为主夹有若干海相地层的太原系 是同时代的产物。 获得这一研究成果后给自己提出的问题是当时的海侵海退为什么有这样南北的差 异 这个问题牵涉到当时大陆局部的升降运动和海面全面的升降运动,以及在低纬度和高 纬度地区存在着海面差异运动等可能性。他经过对地球上其他地区当时的海侵海退现象的 初步比较,特别是对古生代以后大陆上海水进退规程的初步探索,得到一种假说,这就 是 大陆上海水的进退不完全像著名奥地利地质学家徐士所提出的那样,即海面的升降是 全球性的,而是可能还有由赤道向两极又反过来由两极向赤道的方向性的运动。这个假说 又引发一个问题,为什么海洋会发生这种具有方向性的运动 当时初步设想,这可能是由 于地球自转速度在漫长的地质时期中反复发生过时快时慢的变化。这种设想是否正确,当 然还存在很多问题。不过它对地质力学工作的开端起了相当重要的启发作用。它的作用在 于 提出了这样一个问题,即大陆运动包括区域性的构造运动是不是也会受到这种地球自 转速度变化的影响 如果是,即如果构成大陆的岩石受到长期地质力活动的作用而它具有 一定刚性和塑性的话,那么当大陆和海洋发生南北向的方向性的运动以后,在大陆上也应 该留下相应的形迹,人们有时说地质力学不管沉积,这是不符合事实的。 在 20 世纪 20 年代,关于大陆运动起源的问题,各个学派都提出了自己的看法。李四 光 [ 6 ] 发表了地球表面形象变迁的主因 一文。此文在批判一些传统学派的同时,根据 大陆上大规模运动的方向,推论了那些运动起源于地球自转速度的变化,提出了“ 大陆 车阀” 自动控制地球自转速度的作用。从一个局部性的科学研究成果提升到对全球构造 问题的思考,这正是李四光这位大科学家不同于一般区域地质实际工作者之处。但是李四 光在回顾以往的科学研究进程时,却以自我批评的精神谈到这一时期学术研究的缺点。他 写道 这一套理论 指大陆车阀说 引者注不是没有一点实践的基础;但是,这种 立论,大体上说,也和其他各派的学说一样,在方法论上存在着很大的缺点,主要的缺点 在于 用的资料不够广泛、不够细致、不够落实,而是片面地抓住一些事实或者若干现 象,参考一些第二手资料,就急急忙忙地提出大的理论来。实际上,这些所谓理论,是很 低级的,也是很粗糙的。它