大地构造物理学

研究岩石层内的构造运动和变形的物理过程，以及它们和力的关系的学科

研究岩石层（圈）内的构造运动和变形的物理过程，以及它们和力的关系的学科。它是在大地构造学、大地物理学等学科的基础上，运用地球物理学和近代力学的新概念，以及数值计算方法而发展起来的综合性边缘学科。由于岩石层（圈）的构造运动和变形既表现为地壳内部的相互作用,又和地壳、上地幔的动力过程有关,因而又同主要研究地球内部的力和变形过程的地球动力学紧密相关。

对象

在空间尺度上，大地构造物理学的研究对象，大到全球性的造山运动和板块运动，小到区域性的断裂、褶皱，直至岩石中的微观构造；在时间尺度上，从短暂的地震的发生和火山的大爆发，到以亿年计的大陆漂移、海底扩张等过程，乃至几十亿年的整个地质时期的演化。

内容

大地构造物理学当前的研究工作尚多属力学问题。其主要内容是：变形、力、介质，即根据变形后果反过来追索其形成条件、演变历史以及推动力。

变形

地球表面上分布的各种构造形态，如断层、褶皱、火山、岛弧、洋脊、海沟等无一不是一定力作用下的产物。要探索这些构造形态演化的过程，人们首先对地表上的形态利用各种宏观的方法进行考察，继而用地球物理勘探的方法探测深部的构造形态，以及在显微镜下观察岩石中记录下来的各种信息。例如，在北欧芬诺斯坎迪亚地区相对海平面的抬升，可通过上世纪以来验潮站的记录和地质学上的考察，得出此地区几千年来抬升幅度的分布情况。又如从长城发现的错动量，可探讨这里的地震历史和推算其平均变形速率。20世纪70年代末为了直接验证板块构造学说，人们还开始利用人造卫星和天体进行超甚长基线的测量，以确定各大板块之间的相对运动速率（见地壳运动）。

力

作用在地球上的力可分为周期性的和非周期性的。日、月引潮力，极轴摆动引起的力，以及自转速率的年变化等属于前者。由于它们作周期性变化，变形不会积累,不足以形成构造运动。关于构造运动的动力,早期提出的理论是冷缩学说,即认为地球一直在冷却,半径缩小,引起地表的水平挤压,从而造成皱纹、一般山系和岛弧等。后来由于发现放射性元素衰变放热，认识到地球未必在冷缩,而且它又不能解释大洋中脊的产生,这一理论受到了怀疑。在地壳上经常作用着的力是重力，它和地幔的浮力平衡而成均衡作用，然而从重力异常的分布可以看到某些地方并未达到均衡。此外风化作用、沉积物的迁移、冰川的融化,也在不断地破坏均衡,使得地壳变形。不过这些不平衡的力将只能引起局部的构造运动。另外，狄拉克(P.A.M.Dirac)于1937年提出,引力常数可能会缓慢减小，这能引起地球的膨胀。于是有人试图用地球膨胀的理论解释大地构造物理现象。关于地球自转速率和极轴位置的长期变化的影响，荷兰的韦宁·迈内兹(F.A.Vening Meinesz)在1947年曾计算，若极轴位置变化10°，或由于自转速率的长期变化（经过16亿年）使地球扁率从1/210变到1/297，均可引起30多兆帕的水平正应力，足以解释全球性的剪切破裂网络分布。关于自转速率及极移的长期变化能否积累足够大的构造应力问题，还须考虑更接近实际的地球模型，并和其他力源的作用联合起来进行探讨。板块构造学说则主要用地幔热对流，洋脊的扩张力，俯冲带的重力等解释洋脊分离和海沟俯冲，此外还用对流环的迁移等解释山系在地表上的分布（见地幔对流）。

介质

要把变形和推动力联系起来，关键的因素是地球介质的力学性质。从固体潮和地震波测量知道，地球在快速运动下是一个刚性很大的弹性体，从耸立了成百万年的高山悬崖来看，地壳上部的岩石能长时间的保持应力。另一方面，从均衡作用看，地球介质又是一个流变体，在长时间应力作用下将缓慢地不断变形。总起来可以说，地球介质对短时间的应力作用是弹性的，对长时间的作用则是可以流动的；接近地表的岩石是脆性的，只要经受很小的变形即可破裂，这个变形过程可用弹性模型模拟。而随深度的增加，地球介质逐渐增加其流动性而成为延性的，可以不断地变形，应力也将随时间而松弛，这个变形过程需要用流变模型来模拟。对岩石层（圈）而言,一般认为在1亿年内可看成主要是弹性的，应力的松弛较少（见地球介质的流变性）。

构造应力场

大地构造物理学另一主要内容是求构造应力场。一种办法是通过地应力测量，天然地震的震源机制分析，宏观地质和地貌考察等求得。另一种办法是根据对变形、力、介质3个因素的认识,运用连续介质力学理论进行反演计算，将算得的应力场和位移场同实测资料对比，并据此修改前述假设，使计算结果更接近实际。应力场的计算在70年代以后由于计算技术的进步已有很大进展。

意义

大地造物理学从构造变形场和应力场的角度探讨矿产、油、气等资源的分布规律，并提供寻找盲矿体的途径；同时也为岩体工程建筑的分析提供构造应力的依据。另外，它又从地质体的流变性、破裂规律和现今应力场方面分析地震的危险性，探索中长期地震预测的方法，对国民经济有直接作用。在理论方面，大地构造物理学的研究对整个地球科学的发展也有重要意义。

趋势

大地构造物理学存在的主要问题是，需要建立更切实际的横向不均匀地球模型和更好地代表介质变形及破裂规律的力学模型，以及从岩石变形形迹寻求残余应力的方法中，吸取更多信息等。

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