固體地球物理學(xué)分科術(shù)語(yǔ)之演變

楊文采

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所,北京 100037)

固體地球物理學(xué)分科術(shù)語(yǔ)之演變

楊文采

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所,北京 100037)

近百年來(lái)固體地球物理學(xué)的發(fā)生、發(fā)展和分科術(shù)語(yǔ)的演變,尤其是自 20世紀(jì) 70年代至今,新學(xué)科分支迅速萌芽和發(fā)展,造成新學(xué)科名詞發(fā)生率遠(yuǎn)超過(guò)傳播率的局面。把握各學(xué)科的發(fā)展脈絡(luò),及時(shí)更新學(xué)科分類、介紹與推廣科學(xué)新詞的內(nèi)涵,就成為創(chuàng)新知識(shí)傳播的重要組成內(nèi)容。

地球物理學(xué),固體地球物理學(xué),應(yīng)用地球物理學(xué),大地構(gòu)造物理學(xué),區(qū)域地球物理

地球是人類的家園,為我們提供了生存與發(fā)展所需的各種資源與能源。人類與地球的相互作用,產(chǎn)生了地質(zhì)環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害方面的問(wèn)題。上述問(wèn)題的解決需要應(yīng)用地球物理學(xué)的知識(shí)。地球物理學(xué)(geophysics)是一門通過(guò)觀測(cè)研究地球行為、屬性、相態(tài)和演化的學(xué)科。

地球物理學(xué)是數(shù)理科學(xué)與地球科學(xué)的交叉,在19世紀(jì)屬于物理學(xué)中以地球?yàn)閷?duì)象的一個(gè)研究領(lǐng)域。地球物理學(xué)從物理學(xué)中分離出來(lái)成為一門獨(dú)立的學(xué)科,大約是在 20世紀(jì)的 20年代,其標(biāo)志是西方多所大學(xué)中地球物理系的建立[1-3]。到 20世紀(jì) 60年代,地球物理學(xué)已經(jīng)成為地球科學(xué)中三大二級(jí)學(xué)科之一,與地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)并列。

固體地球物理學(xué) (Solid Earth Physics)是地球物理學(xué)中形成最早和研究最深入的分科,20世紀(jì)上半葉下屬有地震學(xué) (seis mology)、地磁學(xué) (geomagnetism)、重力學(xué) (earth gravitation)、地電學(xué)(earth electromagnetism)和地?zé)釋W(xué) (geother mics)等分支。從分科的名稱與物理學(xué)分科緊密關(guān)聯(lián)可見,當(dāng)時(shí)的地球物理學(xué)還未進(jìn)入地球科學(xué)的核心。作為構(gòu)建固體地球物理學(xué)的支柱之一,主要用于能源礦產(chǎn)勘查的應(yīng)用地球物理學(xué) (applied geophysics)曾經(jīng)是固體地球?qū)W的一個(gè)主要分支[2-4]。由于工業(yè)社會(huì)對(duì)資源和能源的渴求,以資源和能源勘探為主要目標(biāo)的應(yīng)用地球物理學(xué)也同時(shí)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展[4-5]。尤其是 20世紀(jì) 80年代以來(lái),信息技術(shù)的快速發(fā)展,在數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)和信息提取與融合等方面,推動(dòng)應(yīng)用地球物理學(xué)成為一門引人矚目的高科技領(lǐng)域。此外,應(yīng)用地球物理技術(shù)的快速發(fā)展也為解決地球內(nèi)部探測(cè)、近地表的環(huán)境監(jiān)測(cè)與工程基礎(chǔ)調(diào)查、古文物遺址探測(cè)及地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估等提供了有效的方法技術(shù)。

應(yīng)用地球物理學(xué)下屬的分科包括地震勘探(seis mic exploration)、重力勘探 (gravitational exploration)、磁法勘探 (magnetic exploration)、電法和電磁法勘探 (electromagnetic exploration)、放射性勘探(radioactivity exploration)和地球物理測(cè)井 (geophysicalwell-logging)。由于應(yīng)用地球物理學(xué)有工程科學(xué)的性質(zhì),因此在目前學(xué)科分類中,大都將其劃入工科的范圍。但是,近 40年來(lái)應(yīng)用地球物理學(xué)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海陸與地球內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)的調(diào)查和地球動(dòng)力學(xué)活動(dòng)的監(jiān)測(cè),成為研究地球內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)不可缺少的科學(xué)知識(shí)[6-10]。盡管應(yīng)用地球物理學(xué)兼有工程學(xué)科的性質(zhì),但仍然是地球科學(xué)的主要組成部分。因此,現(xiàn)在應(yīng)將應(yīng)用地球物理學(xué)從固體地球物理學(xué)中獨(dú)立出來(lái),共同成為地球物理學(xué)中的下屬學(xué)科。

20世紀(jì) 20年代促成地球物理學(xué)獨(dú)立的重大事件可歸納成兩個(gè)方面:一是地球物理學(xué)適應(yīng)工業(yè)化發(fā)展的需求,于 1926年在美國(guó)用反射地震法找到了大型油氣田;二是由于舊金山、東京等地大地震的頻發(fā),增進(jìn)了公眾對(duì)地球物理學(xué)的重要性的認(rèn)識(shí)。到了 20世紀(jì) 50年代,地球科學(xué)進(jìn)入了創(chuàng)建全球大地構(gòu)造理論的關(guān)鍵時(shí)刻,地球物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了地球剛性表層下方存在較為連續(xù)的低地震波速和低電阻率的層位,即“軟流圈”。這一發(fā)現(xiàn)無(wú)疑是魏格納大陸漂移假說(shuō)起死回生的一個(gè)關(guān)鍵證據(jù),引起了地學(xué)界的高度重視。此后,聯(lián)合國(guó)教科文組織把 1959年命名為“地球物理年”,體現(xiàn)了固體地球物理學(xué)對(duì)當(dāng)時(shí)科學(xué)發(fā)展的里程碑式含義。在其后的 60年代,固體地球物理學(xué)研究成果為板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)提供了大量證據(jù),促進(jìn)了板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)的建立和完善[7-13]。與此同時(shí),將目標(biāo)鎖定在巖石圈與軟流圈行為、屬性、相態(tài)和組構(gòu)研究的學(xué)問(wèn)“大地構(gòu)造物理學(xué)”也應(yīng)運(yùn)而生,并成為近 40年來(lái)地球科學(xué)活動(dòng)的主流學(xué)科之一。

板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)給人最重要的啟示就是,表觀無(wú)比復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象,原來(lái)可以用非常基礎(chǔ)的物理學(xué)定律來(lái)解釋清楚。因此,創(chuàng)新地球觀的研究路線,無(wú)非是攻破物理學(xué)與地質(zhì)學(xué)之間的壁壘,建立以物理學(xué)為構(gòu)架的地質(zhì)構(gòu)造學(xué)說(shuō)。自從 20世紀(jì) 60年代板塊構(gòu)造建立之后,固體地球物理學(xué)的研究范圍已經(jīng)從傳統(tǒng)的重、磁、電、聲等物理現(xiàn)象的研究,轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)地球內(nèi)部行為、屬性、相態(tài)和組構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)的研究為主要對(duì)象,其分科也以地球圈層劃分,力求綜合各種物理探測(cè)信息綜合解決其行為、屬性、組構(gòu)、相態(tài)等地球科學(xué)問(wèn)題[13-16]。例如:

大地構(gòu)造物理學(xué) (tectonophysics):以巖石圈和軟流圈為主要對(duì)象。

地幔物理學(xué) (mantle physics):以上、下地幔為研究對(duì)象。

地球內(nèi)部物理學(xué) (earth Interior physics):以地核為主要研究對(duì)象。

地球動(dòng)力學(xué) (geodynamics):以地球內(nèi)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和力的作用為主要對(duì)象的跨學(xué)科研究領(lǐng)域。

其中地球動(dòng)力學(xué)又分為大陸動(dòng)力學(xué) (continental dynamics)和海洋動(dòng)力學(xué) (marian dynamics)兩個(gè)分支,前者與大地構(gòu)造物理學(xué)關(guān)系密切,而后者與地球表面系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)關(guān)系密切。

近半個(gè)世紀(jì)以來(lái),科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展和學(xué)科交叉不斷深入,使新學(xué)科分支迅速萌芽和發(fā)展,造成新學(xué)科名詞發(fā)生率遠(yuǎn)超過(guò)傳播率的局面。把握各學(xué)科的發(fā)展脈絡(luò),及時(shí)修補(bǔ)和更新學(xué)科分類、介紹與推廣科學(xué)新詞的內(nèi)涵,就成為創(chuàng)新知識(shí)傳播的重要組成內(nèi)容。因此,自 20世紀(jì) 70年代至今,可稱為地學(xué)界的后板塊時(shí)代,這個(gè)時(shí)代的目標(biāo)在于創(chuàng)立一門系統(tǒng)地揭示巖石圈和軟流圈運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué),即大地構(gòu)造地球物理學(xué)。在 21世紀(jì)我們已經(jīng)走到了這樣一個(gè)臨界點(diǎn):過(guò)去被當(dāng)做原理引用到地質(zhì)科學(xué)中的經(jīng)典力學(xué)、平衡態(tài)化學(xué)及達(dá)爾文進(jìn)化論在它們各自的領(lǐng)域里不斷地被質(zhì)疑,使我們不得不重新考慮它們對(duì)固體地球這一復(fù)雜巨系統(tǒng)的適用性。大地構(gòu)造物理學(xué)已經(jīng)從一個(gè)跨學(xué)科的研究領(lǐng)域,走向一門繼板塊構(gòu)造之后基于地球物理探測(cè)的學(xué)科分支,極大地改變了人類對(duì)固體地球系統(tǒng)的認(rèn)識(shí),成為開拓創(chuàng)新全球地質(zhì)理論的重要支柱之一[17]。

大地構(gòu)造物理學(xué)研究注重演化的細(xì)節(jié)、過(guò)程和證據(jù),以及它們與物理學(xué)定理的兼容性。大地構(gòu)造物理學(xué)主要包含三個(gè)下屬的學(xué)科:巖石圈探測(cè)(lithosphere probing)、區(qū)域地球物理 (regional geophysics)和巖石圈信息學(xué) (lithosphere informatics)。由于地球其他固體圈層的探測(cè)信息量還不大,巖石圈信息學(xué)目前是地球信息學(xué)的一個(gè)最重要的組成部分,內(nèi)容包括巖石圈信息編碼、處理、存儲(chǔ)和檢索等,用于解決區(qū)域及全球巖石圈行為、屬性、組構(gòu)、相態(tài)等地球科學(xué)問(wèn)題。巖石圈探測(cè)目前是“地球探測(cè)”的一個(gè)最重要的組成部分,而“地球探測(cè)和信息技術(shù)”目前被列為工程科學(xué)中隸屬于“地質(zhì)工程”的一門分科,包含地球物理勘探和地球化學(xué)勘探兩個(gè)學(xué)科。巖石圈探測(cè)從發(fā)生地質(zhì)作用產(chǎn)生的“指紋”入手,了解地質(zhì)作用的行為和屬性,以及它們發(fā)生的環(huán)境和動(dòng)力機(jī)制。地球是一個(gè)整體,一個(gè)區(qū)域構(gòu)造單元是其中相對(duì)獨(dú)立的組成單位,對(duì)區(qū)域內(nèi)觀測(cè)到的豐富多彩、而且貌似矛盾的各種地球資料,區(qū)域地球物理學(xué)以物理學(xué)為指導(dǎo),把它們集合起來(lái),序列起來(lái),通過(guò)全球?qū)Ρ热ふ业厍騼?nèi)部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的證據(jù),并最后求得對(duì)區(qū)域地質(zhì)演化的系統(tǒng)理解。如果研究者不具備系統(tǒng)的大地構(gòu)造物理學(xué)知識(shí),他的解釋就不免流于想象,就難以準(zhǔn)確地抓著區(qū)域演化的脈絡(luò)和規(guī)律,形成準(zhǔn)確客觀的認(rèn)識(shí)體系。

我國(guó)擁有 960萬(wàn) km2的陸地和 300多萬(wàn)km2的海域,獨(dú)特的地域環(huán)境和自然現(xiàn)象,如青藏高原、黃土高原、階梯狀地貌、寬廣的大陸架和邊緣海、復(fù)雜的大陸組成與結(jié)構(gòu)、年輕的山脈和構(gòu)造的活動(dòng)性、豐富的古生物化石埋藏等,為我國(guó)地球科學(xué)的發(fā)展提供了獨(dú)特的研究對(duì)象、科學(xué)問(wèn)題和天然的研究試驗(yàn)室,也為我國(guó)地球物理工作者提供了一個(gè)施展才能的寬廣平臺(tái)。希望我國(guó)地學(xué)同人與時(shí)俱進(jìn),在開拓地球物理學(xué)研究領(lǐng)域的同時(shí),不斷規(guī)范地球物理學(xué)科學(xué)術(shù)語(yǔ),為學(xué)科發(fā)展作出新貢獻(xiàn)。

[1]Ambronn R.Elements of geophysics(Tr.ByM C Cobb) [M].New York:McGraw-HillBook Com,1928.

[2]Gudenberg B. Physics of the Earth[M].New York: Dover,1951.

[3]Jeffreys H.The earth[M].London:Cambridge Univ. Press,1970.

[4]Shaw H.Applied geophysics[M].London:H M StationaryOffice,1931.

[5]Telford W M,Geldart L P,Sheriff R E,et al.Applied Geophysics[M].London:Cambridge Univ.Press,1976.

[5]Dott R H Jr,Batten R L.Evolution of the Earth[M].New York:McGraw-HillBook Com,1987.

[6]Anderson D L.Theory of the Earth[M].Boston:Blackwell Scientific,1989.

[7]Davies G F.Dynamic Earth:Plates,Plumes and Mantle Convection[M].London:Cambridge Univ.Press,1999: 1-458.

[8]丁國(guó)瑜.中國(guó)巖石圈動(dòng)力學(xué)概論[M].北京:地震出版社,1991.

[9]Fowler CM R.The Solid Earth[M].London:Cambridge Univ.Press,1993.

[10]Pakiser L C,MooneyW D(eds.).Geophysical framework of the continentalUnited States[M].Geological Society ofAmerica,Memoir,1989:172.

[11]金性春.板塊構(gòu)造學(xué)概論 [M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1993.

[12]Moores EM,Twiss R J.Tectonics[M].New York:W. H.Freeman and Company,1995.

[13]RichardsM A,Gordon R G,Van der Hilst(eds.).The history and dynamics of global plate motions[M].AGU Monograph,2000:121.

[14]Rogers J W.Continents and Supercontinents[M].Oxford Univ.Press,2004.

[15]楊文采.后板塊地球內(nèi)部物理學(xué)導(dǎo)論[M].北京:地質(zhì)出版社,1999.

[16]滕吉文,張中杰,白武明,等.巖石圈物理學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[17]楊文采.東亞古特提斯域大地構(gòu)造物理學(xué)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2009.

Evolution ofBranch Terms in Solid Earth Physics

YANGWencai

This p ap e r reviews the g row ing,deve lopm ent of the Solid Ea rth G eop hys ics toge the r w ith its b ranch te rm s.Esp ec ia lly,new b ranches in this fie ld have frequently been em e rg ing s ince1970s,resulting in the c rea tion ra te of new sc ientific te rm s heavily exceeds the ir p rop aga tion ra te.It is thought tha t keep ing the b ranch deve lopm ent in m ind,renew ing the d ivis ion te rm s and introduc ing new sc ientific te rm to p ub lic in t im e a re a lso imp ortant for know ledge c rea tion and gene ra liza tion.

geop hys ics,solid Ea rth p hys ics,app lied geop hys ics,tec tonop hys ics,reg iona l geop hys ics.

P31;N04

A

1673-8578(2011)01-0051-04

2010-10-09

楊文采(1942—),男,中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所研究員,中國(guó)科學(xué)院院士,研究方向?yàn)閼?yīng)用地球物理與地球探測(cè)。通信方式:yangwencai@ccsd.cn。