《地球科学概论》课程是高等学校地质学类、地质工程类和水利水电工程类等专业学生的入门课程。
地球科学是一门历史悠久、研究领域宽阔、分支学科多、理论与实践紧密结合、有着广泛应用前景的学科体系。其研究领域涉及地质学、地理学、地震学、气象学、海洋学、水文学、环境科学、第四纪地质学和天文学等学科的内容。
进入二十一世纪以后，地球科学的研究领域进一步拓展，全球天然气水合物的首次开采成功；嫦娥探月工程使我们的研究触角深入到星际领域；自然资源的濒临枯竭、生存环境的不断恶化、自然灾害的频繁发生，使地球科学研究与人类的未来发展密切相关；也使地球科学真正进入到“上天、入地，下海，资源、环境、未来”的新时代。从“将今论古”研究地球近50亿年的演化到“以古论今，论未来”探讨地球与人类的将来，地球科学越来越与人类的命运紧密相关。
《地球科学概论》第二版，陶世龙，万天丰，地质出版社
板块构造学说
第二次世界大战之后, 美苏等强国出于冷战的需求, 开始了紧张的海洋调查。美苏两国的差别在于，美国把这项秘密任务交给以赫斯（H. H. Hess, 1906～1969）为首的地球科学家负责，他们不仅完成了海军部所要求的用声呐探测洋底地形(附图见封2)的任务，同时还采集洋底沉积物样品, 进行重力、地磁、地热以及人工地震等一系列的地球物理探测以研究洋底构造。因而，到20世纪60年代初期, 海洋地球物理调查与全球地震台网工作共获得了四个重要的新成果: 发现了大洋脊扩张带、贝尼奥夫带、转换断层以及相当新的洋底沉积物等。据此，赫斯和迪茨（R. S. Dietz, 1914～）最早提出海底扩张（sea floor spreading）的设想。苏联也由海军部门秘密进行洋底声呐测深研究，获得一本十分详尽的全球海图，遗憾的是在科学上没有更多的建树。由此可见，决策人的眼光不同，对科学发展的影响是很不相同的。
新获得的有关海底扩张的第一个重要事实是全球洋脊的存在。洋脊（oceanic ridge）纵贯全球各大洋, 延伸长度达64 000km，为海底的巨大山系, 构成一系列海底山岭与谷地相间的地貌。大洋脊部常发育成深达1000～2000m的谷地, 谷底宽度为数m至数百m, 由一系列陡倾斜的、具有拉张性质的断裂所造成，常发生浅源地震及火山活动, 且有较高的地热异常（其热流值为全球平均值的2～3倍), 反映大洋脊部有深部岩浆物质上涌，为地热显示的重要地段。结合洋脊两侧海底磁异常条带对称分布的研究（图10-12），海底扩张的概念就能比较准确地建立起来，并计算出最近一亿八千万年来各大洋海底扩张的速度都在1～12厘米每年之间。最初以为洋脊都形成于大洋中部，因而称之为洋中脊，后来发现洋脊并不都分布在大洋中部，太平洋脊就展布在东太平洋边部。
图10-12海底地磁极翻转与海底扩张
从20世纪40年代开始对海底磁场进行了系统的观测。海底磁异常调查有力地支持了海底扩张概念的形成。以大洋脊为中心，两侧对称地、交替分布着具有正磁极性 (深灰色)岩石与反磁极性(浅灰色)岩石(均为玄武岩流)；离扩张中心越远, 岩石的形成年龄也越老。这种现象只能解释为海底在不断地扩张，深部玄武岩流不断地由洋脊上涌，并在海底冷凝。不同时期流出的玄武岩，当它低于居里点温度（岩石的居里点温度一般为560ºC）后，就可记录下当时地磁场的极性特征；用大洋脊两侧岩石的年龄除以该处与大洋脊的距离就可求得各时期海底扩张的速度(现在知道海底扩张速度为1～12cm/yr，一般为几cm/yr) 。
地震台网的观测发现：全世界的深源地震只在海沟附近才存在。这些海沟都分布在大洋的边缘, 主要在环太平洋及印度洋东北边缘，深度一般为6000～10000米。海沟附近的重力值相当低，为负重力异常, 热流值也比正常洋盆低得多, 说明该区海底下的物质其温度、密度都较低。20世纪50年代贝尼奥夫（H. Benioff, 1899～1968)首先发现天然地震的震源深度与海沟有密切关系, 呈有规律的变化。在海沟附近都是浅源地震(震源深度为0～70km), 朝大陆方向、随着离海沟距离的加大, 依次出现中源地震 (震源深度为70～300km) 和深源地震 (震源深度大于300km，最深可达720km)。震源可排列成一条由海沟向大陆方向深处的倾斜带 (图10~13), 被后人称为贝尼奥夫带（Benioff zone，也译作毕鸟夫带）。该带的倾角一般为45°, 可在15°～80°之间变化。贝尼奥夫带的发现,说明沿大陆边缘的海沟, 存在着倾向大陆的、正在活动着的巨型断裂带, 洋壳沿此带向下俯冲、下插到大陆岩石圈下面去。现在认为贝尼奥夫带就是一个洋壳的俯冲带（subduction zone）, 是海洋和大陆岩石圈的会聚带。在此之前，利用天然地震资料, 早已发现较刚性的岩石圈的厚度为60~250km, 其下部存在一个软流圈，地震波速在此反而比上部降低了５％～10％左右，这表明此处岩石强度较低，可能富含超临界流体。这个成果就使岩石圈在软流圈上的运移成为完全可以理解的事情。
图10-13贝尼奥夫带的震源深度分布
海洋调查的另一项重要成果是通过深海钻探与大洋钻探计划的执行, 发现洋底的沉积物厚度很小,其下为玄武岩流，它们的厚度不超过1000m。大洋底岩石的时代都很新, 没有比中侏罗世（180百万年）更老的。大洋脊附近, 洋底岩石的年龄最小, 远离大洋脊的年龄则较大。深海钻探的成果更令人信服地证实了海底扩张的理论。
第四个重要成果是确定了转换断层（transform fault）的存在。在大洋脊附近, 发现洋脊被一系列横向断层所切断, 断距可达数百至上千千米, 断层长度可达数千千米。1965年加拿大学者威尔逊(Wilson, J. T.)首先指出, 这种截断大洋脊的断层不是一般的平移断层, 而是由于自洋脊轴部向两侧扩张量不同所引起的一种特殊的平移断层, 他称为转换断层。
上述新资料与新成果的发现, 为板块构造学说（Plate tectonic theory）的提出奠定了可靠的基础。板块构造学说归纳了大陆漂移、海底扩张等地球物理研究的重要成果, 及时吸收了当时对岩石圈和软流圈所获得的新认识, 从全球整体的角度, 系统地阐明了岩石圈活动与演化的重大问题。板块构造学说的基本思想是：在固体地球的上层, 存在比较刚性的岩石圈及其下伏的较塑性的软流圈; 地表附近较刚性的岩石圈可划分为若干大小不一的板块, 它们可在塑性较强的软流圈上进行大规模的运移; 海洋板块不断新生, 又不断俯冲、消减到大陆板块之下; 板块内部相对稳定, 板块边缘则由于相邻板块的相互作用而成为构造活动性强烈的地带; 板块之间的相互作用控制了岩石圈表层和内部的各种地质作用过程, 同时也决定了全球岩石圈运动和演化的基本格局。
岩石圈板块的划分是以构造活动性强烈的板块边界为界线的。按照板块之间相对运动方式的不同, 可以将板块边界分成三种类型: ①离散型板块边界（divergent boundary）, 指的就是大洋脊轴部, 其两侧板块相背运动, 板块边界受到拉张而分离, 软流圈物质上涌, 冷凝成新的洋底岩石圈，所以,离散型板块边界也称为增生或建设性板块边界；②会聚型板块边界（convergent boundary）, 即海沟附近的板块俯冲带或大陆板块之间的碰撞带(collision zone)，当大洋与大陆板块会聚时, 由于大洋板块密度较大, 位置较低, 故大洋板块总是俯冲到大陆板块之下, 在地表形成海沟。当大洋板块不断俯冲到大陆板块之下, 并在地表逐渐消失时, 其后部的大陆板块就有可能与其他密度相近的大陆板块发生碰撞, 从而产生强烈的构造变形、岩浆与变质作用, 并形成山脉, 此时形成的强烈构造变形带就称为板块碰撞带（即相当于以前所谓的“造山带”）；③转换型板块边界（transform boundary）, 即转换断层, 其两侧板块发生水平剪切滑移，转换断层一般分布在大洋脊附近, 有时也可延伸到大陆边部, 如美国西部的圣安德烈斯断层。
利用上述三种板块边界在全球的展布，就可勾画出岩石圈板块轮廓的现状(见封三的彩图)。目前, 一般认为全球现在共有12个板块, 其中以大陆为主, 涉及少量海洋的板块有欧亚板块、北美板块、南美板块、非洲板块、阿拉伯板块以及南极洲板块; 以海洋为主的板块有太平洋板块、菲律宾海板块、印度－澳大利亚板块、加勒比板块以及在东太平洋地区的纳兹卡(Nazca)板块和可可（Cocos）板块等。
此外, 在上述12个大板块之外, 有人还划分出许多微板块。这些微板块对于了解板块运动的细节和演化很有帮助。依据区域地质演化历史、 古地磁、构造变形和板块运移的特征, 还可能恢复地质历史时期各个古板块的位置和范围。关于这个问题，目前还正在热烈地讨论之中, 尚无定论。
岩石圈板块不是平面状的, 而是呈球面形状。板块的运动, 自然也不是一种简单的平面滑移, 而是沿地球表面作球面运移。对海洋板块的运移速度目前已经测定得较准确, 一般都在1～12 cm/yr之间。大陆板块运移速度显然小于这个数据(n cm/yr～n mm/yr)。通常一个板块的面积越大, 其运移速度就越小,也相对比较稳定。而在岩石圈之下的中下地幔的运动速度则很小，至今还没有发现超过1cm/yr的数据。平时讲的板块运动速度就是岩石圈板块相对于其下部地幔的运动速度, 是以地幔为参照系的速度。
由于各岩石圈板块的相互运动和作用，在大洋板块向大陆板块俯冲处就形成了地表地形最低洼的海沟，当俯冲带插入地下100km深处时，其正上方就形成很高的山脉，易生成大量的火山喷发和侵入岩体，即构成安山岩带，并可伴生世界上规模最巨大的斑岩铜、钼、金等矿床。在两个大陆板块碰撞时, 由于两者的强度比较接近，两盘岩石常互相穿插，褶皱、断裂十分发育，形成极其复杂的构造带，构成山脉，岩浆变质作用强烈，此带也为各类矿床的形成创造了一些有利的条件。可以说全球最主要的大山脉、岩浆作用、构造变形、大地震都是由于板块会聚作用的俯冲带和碰撞带所造成的。而板块的伸展、离散处，则形成一系列深切岩石圈的正断层，构成大陆裂谷，基性岩浆活动剧烈，进一步扩张就可分裂成两个板块，形成原始的大洋，如红海，以至于形成大洋盆地。由于洋脊扩张速度的不均匀，还经常产生一系列横切洋脊的转换断层，把大洋板块切断成一条一条的“板条”（见封二，全球地形图的洋底部分）。而岩石圈板块内部，地形变化、构造变形、岩浆活动、变质作用和成矿作用等，相对而言，都要微弱一些。总之，可以看出，全球地形、构造变形、岩浆活动、变质作用和成矿作用都受岩石圈板块构造运动所控制。
岩石圈之所以能够较快地运动，很重要的原因在于岩石圈之下的地幔内存在软流圈。软流圈是一个地震波速突然降低、超临界流体较富集的部位，这是一个极其容易发生圈层互相作用的部位。在受到构造作用力时，容易造成岩石圈和软流圈(深60~250 km)之间的水平滑脱，即岩石圈板块的运动，此界面就是岩石圈板块滑动的主要界面。此时的构造滑脱是在1200ºC左右的温度、约3000MPa的静岩压力和富含超临界流体的条件下进行的，因而附近的岩石都在固体状态下发生了变质作用，形成韧性剪切带。当此界面与深部断裂带相交切时，岩石由于受力不均匀，易发生滑脱作用，产生局部的减压和增温现象，从而发生局部熔融，形成超基性的原始岩浆房（其成分相当于橄榄岩）。当它们沿着压力较小的方向朝上运移，同化了许多浅部富含铝硅酸盐岩石后，通常可以沿着深断裂在地壳上部形成基性岩浆侵入岩体或在地表造成玄武岩的喷出，包括洋脊的玄武岩喷发。与此种岩浆活动相关的作用，主要有利于铁族、铂族元素的聚集，也可形成部分金属硫化物的富集，在很特殊的条件下还可形成金刚石矿床。
在一般情况下，岩石圈内部的各个次级圈层之间是耦合得很好的。在板块学说提出的早期，由于研究得还不够多，常以为岩石圈板块基本上是一块刚性较强、完整性很好的块体。没有注意到其内部还有什么塑性变形。上世纪90年代提出“大陆动力学”以来，大量资料都证明岩石圈板块不是“铁板一块”的、完整的刚性体，而是在内部存在许多的断裂、弱化带和滑脱面的。
岩石圈内部通常可以存在如下两个物性突变的界面：中地壳地震波速低、电导率高的层位（简称低速高导层，深15~20 km，仅在部分大陆岩石圈内存在）和莫霍面(深30~40 km)。上述两个界面，在区域性构造作用下容易发生次级圈层之间的相互作用，出现局部解耦的现象，发生局部构造滑脱现象，它们在一定条件下会显著地影响区域岩浆活动和内生金属矿床的成矿作用, 容易发生壳内地震，并可产生局部的动力变质作用，这一点在中国大陆岩石圈内部表现得尤其显著，值得格外重视。简言之，不同层次的次级圈层之间的相互作用可以控制不同的岩浆活动、变质作用和不同类型的成矿作用。滑脱界面的深度不同，岩浆活动、变质作用和成矿作用的类型就不同。因而，弄清区域构造断裂和圈层界面的活动深度，对于找矿工作具有战略性的指导意义。由于岩石圈板块的运动强烈地改变着地表地形，从而影响了地表圈层的相互作用，控制了全球剥蚀、搬运和沉积作用的强度、特征和分布。
总之，岩石圈板块之间的相互作用控制了岩石圈表层和内部的各种作用过程, 同时也决定了全球岩石圈运动和演化的基本格局。
本文摘选自地质出版社出版的《地球科学概论》第二版。
