地球系统科学研究态势：固体地球系统

图1 板块俯冲与地球内部圈层之间相互作用示意图

1

固体地球系统基本特点

1.1 一级特点

(1) 分层结构：固体地球内部由多个层次构成，其中地壳是地球最外层的固体岩石层，分为长英质上地壳和镁铁质下地壳。地幔位于地壳之下，主要由超镁铁质岩石组成，分为上地幔、过渡带和下地幔，其顶部为刚性岩石圈地幔，其余则为韧性可对流地幔。地核则是地球最内部的部分，主要由铁和镍组成，分为液态外核和固态内核。

(2) 物理性质变化：随着深度的增加，地球内部的温度、压力和密度等物理性质发生显著变化。随着温度逐渐升高，压力逐渐增大，物质密度也逐渐增加。这些变化对地球内部的物质状态和性质产生重要影响。

(3) 地质活动：地球内部的地质活动非常活跃，包括滑坡、地震、火山喷发等，主要由地球内部的热能和应力驱动，且内部各圈层之间存在能量和物质的交换，对地球表面的地形地貌、气候环境和生物活动产生深远影响。

(4) 磁场产生：地球内部的电流和地磁场密切相关，地核中的熔融铁流动会导致地磁场的产生和变化，地磁场对地球生物活动具有重要影响，如鸟类迁徙、航海定向等。

(5) 资源与能源：地球内部蕴藏着丰富的资源和能源，如矿物、金属、化石燃料等。这些资源和能源是人类社会发展的重要基础，对经济社会发展和人类生活水平提高具有重要意义。

1.2 二级特点

(1) 化学组成多样性：地球内部由多种化学元素组成，包括氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、氢、镁等。这些元素在地球内部的不同深度和层次中以各种岩石、矿物和合金的形式存在，反映了地球形成和演化的复杂历史。

(2) 热对流与热膨胀：地球内部的热量主要通过热对流的方式传递。地幔中的岩石由于加热而膨胀，密度降低，会上升到较冷的岩石圈底部，而冷却的岩石则会下沉到软流圈地幔深处，形成热对流循环。这种热对流是板块构造过程的主要驱动力之一。

(3) 部分熔融状态：软流圈地幔内部矿物颗粒边界处于部分熔融状态，导致对流地幔中某些区域的定向运动。地壳岩石的部分熔融状态使得岩石具有流动性，能够发生变形和流动，从而影响地壳的稳定性和地形地貌的形成，进而影响断层活动以及地震的孕育和发生。

(4) 地震波传播特性：地震波在地球内部的传播速度和路径受到地球内部物质的密度、弹性和温度等因素的影响，其传播特征和震相十分复杂。通过研究地震波的传播特性，可以推断固体地球圈层的物质组成和结构。

(5) 长期演化过程：固体地球系统经历了长达数十亿年的演化过程，包括地球形成、大陆地壳生长、岩石圈板块的形成和演化、地幔对流模式的改变等。这些长期演化过程塑造了地球内部的过去和现在结构和特性，并将继续影响着地球内部未来的变化。

(6) 与地表系统的相互作用：固体地球系统与地表系统之间存在着物质和能量的交换，一方面是地表物质通过板块俯冲进入软流圈地幔，另一方面是软流圈物质通过极向对流进入岩石圈表面。此外，地壳的运动和变形可以导致滑坡、地震、火山喷发和构造地貌的形成，而地表水循环、生物活动和物理化学剥蚀也可以影响地壳的化学组成和稳定性。

1.3 其它特点

(1) 地核的特殊性：地核是地球内部最深处的部分，主要由铁和镍组成，处于极高的温度和压力条件下。地核的存在对地球的磁场起到了关键作用，而地球的磁场保护地球免受太阳风等宇宙辐射的强烈影响。

(2) 地幔的对流：地幔是地球内部最大的一层，由硅酸盐矿物和岩石及其衍生的颗粒边界熔体组成。软流圈地幔中的岩石处于高温高压条件下的可蠕变状态，因此在定向应力的作用下可以表现出一定的流动性。软流圈地幔的对流运动是板块边缘物质和能量传输到岩石圈地幔和地壳的主要驱动力，导致了滑坡、地震和火山活动以及地壳的变形和移动。

(3) 地壳的薄壳结构：地壳是地球最外圈层的固体岩石层，相对于地球半径来说较薄。地壳的厚度不均匀，大陆地壳平均厚度约为30~40km，大洋地壳则较薄，平均厚度只有6~8km。地壳承载着地表的土壤圈、生物圈和水圈，含有丰富的矿产资源和化石燃料。

(4) 地球内部的热源：地球内部的热量主要来自于地球形成时的原始热量和放射性衰变产生的热量。一方面地壳中放射性元素(如铀、钍和钾)在衰变过程中释放出大量的热能，另一方面在地核-地幔-地壳之间存在显著的热梯度，因此地球内部热对流是岩石圈地质活动的主要能源。

(5) 不连续界面和速度突变：地球内部存在着一些重要的不连续界面，如莫霍洛维奇不连续面和古登堡不连续面等。这些界面标志着地球内部物质在物理和化学性质上的突变，例如地震波传播速度的变化和物质密度的跳跃以及地球介质的非均匀性。

2

固体地球系统研究面临的科学问题

2.1 一级问题

(1) 岩石圈热结构与地热资源：研究岩石圈的热状态和热流分布，了解地壳和岩石圈地幔中的热异常区域，探索地表地热能的可持续利用途径，有助于缓解能源危机和预防火山气体排放，对于地热资源的勘探和开发以及人类活动具有重要意义。

(2) 岩石圈构造活动与地壳稳定性：深入研究岩石圈构造变形、断层活动和地壳应力分布，了解构造活动与地表地形、地貌和沉积作用的关系，有助于评估地壳的稳定性和地震、火山等自然灾害的风险和防灾减灾，对于理解地质历史和地表过程的演化至关重要。

(3) 岩石圈演化与古气候重建：通过研究构造古地理演化、古地磁变化、地壳变质变形和岩浆作用随时间变化的岩石学、矿物学和地球化学记录，结合同位素年代学研究，可以重建地球过去的演化历史，提供不同尺度下的古气候、古海洋、古环境和古地理等方面的信息，进而了解地壳物理化学变化与古气候之间的相互作用过程，有助于预测未来气候变化的可能趋势和幅度。

(4) 地球内部与外部系统之间的相互作用：研究地球内部与外部系统之间通过板块俯冲和地幔对流所发生的相互作用，包括地壳运动和地质活动对气候变化、海平面升降和生物多样性变化等方面的影响，以及表层地球系统对地球内部过程的响应和调节作用，有助于理解地球系统的整体行为和地表环境的变化。

2.2 二级问题

(1) 地壳均衡与重力异常：地壳均衡是指地壳在垂直方向上的物质调整和应力平衡过程。研究地壳均衡有助于理解地壳的稳定性、地形的形成和变化，以及地震和火山活动的分布。重力异常是指地球重力场与理论重力场之间的差异。通过研究重力异常，可以揭示地球内部物质密度分布的不均匀性，进而推断地壳和地幔的结构和性质。

(2) 地壳热流分布与地热产生：地壳中的热产元素(如铀、钍、钾)通过放射性衰变产生热量，岩石圈之下的软流圈上涌可以向地壳传导热量。研究这两类热量的分布和传输过程，确定地壳内部的热源分布和地热产生机制，不仅对于地热资源的开发、利用和管理具有重要意义，而且有助于解释一些重要地质现象，如超高温变质岩和热液金属矿床的形成。

(3) 地电化学与地磁场变化：地电化学是研究地球内部电场和电流分布及其与地质过程相互作用的学科。通过研究地电化学现象，可以了解地球内部的电化学性质、物质运移和能量转换过程。地磁场是地球的重要物理场之一，其变化与地球内部过程密切相关。研究地磁场的变化有助于理解地球内部的磁源分布、磁层结构和地磁极反转等现象。

(4) 板块构造与大陆动力学：板块构造是固体地球科学的基本理论之一，它解释了地壳运动和岩石圈变形以及地震和火山活动等自然现象。深入研究板块构造的运行机制、边界类型和相互作用，认识地幔对流与板块构造之间的相互作用，有助于理解板块边缘地壳的稳定性以及地质资源和灾害的产生机制。大陆动力学是研究大陆形成、演化和动力学过程的学科。通过研究大陆地壳的组成、结构和变形变质历史，可以揭示大陆岩石圈的形成机制、生长过程及其与下伏软流圈地幔之间的相互作用。

2.3 其它问题

(1) 地球深部物质性质与状态：研究地球深部岩石的物理和化学性质，如密度、弹性、黏性、熔点以及矿物学组成，有助于了解地球内部物质的运动和变形特征。探究地球深部物质在高温高压下的相变和物态变化，如固-液-气转变，对于理解地球内部的热结构和热演化具有重要意义。

(2) 地球内部地震波传播与层析成像：研究地震波在地球内部的传播速度、衰减和散射特性，可以揭示地球内部不同层级的结构和物质分布。通过地震层析成像技术，可以构建地球内部的三维图像，进而揭示地壳、地幔和地核的精细结构及其相互作用。

(3) 地球内部热源与热传递机制：确定地球内部的热源分布和强度，主要包括放射性衰变、地幔对流等，是理解地球热演化的基础。探究地球内部的热传递机制，如热传导、热对流和热辐射，有助于揭示地球内部的热平衡和热流路径。

(4) 地球内部水循环与地质作用：地球内部的水可以影响矿物岩石的物理和化学性质，进而引发岩浆作用、变质作用和变形作用等地质过程。研究地球内部水的来源、储存状态和运移路径，对于理解地质作用和地球演化具有重要意义。

(5) 地球内部磁场起源与变化：地磁场的起源和维持机制是地球物理学的重要问题之一。研究地球内部的电流系统、磁性物质分布和地磁场的历史变化，有助于揭示地磁场的产生和演化机制。

3

固体地球系统研究面临的挑战

(1) 地球深部环境的极端性：地球内部环境极为恶劣，具有高温、高压、高辐射等特点。这种极端环境对探测设备和技术的要求极高，使得直接观测和数据获取变得非常困难。

(2) 地球内部物质的复杂性和不确定性：地球内部物质具有复杂性和不确定性，包括岩石、矿物、流体和挥发份等多种成分。这些物质的性质和行为在地球内部环境下可能发生显著变化，增加了对地球内部过程理解和模拟的难度。

(3) 地球动力学过程的复杂性：地球内部的动力学过程以板块运动和地幔对流为主导，导致了地震、火山活动、地热流等。这些过程受到多种因素的共同影响，如地球的自转、重力、浮力、热传导和膨胀等。理解和模拟这些复杂的动力学过程需要综合考虑多种因素，增加了相关研究的复杂性。

(4) 地震和火山喷发预报的准确性：地震和火山活动是固体地球系统对表层系统能量和物质传输的典型表现，是影响地球宜居性的重要因素。控制地震孕育发生和火山喷发形式的因素较多，对地震发生的时空和震级、火山喷发的时间和等级进行准确预报还存在很大的不确定性。

(5) 观测手段和技术限制：目前对地球内部的观测主要依赖于地震波、重力、磁法等间接手段。这些手段虽然能够提供一定的信息，但受到分辨率、精度和可靠性的限制，难以完全揭示地球内部的精细结构和动力过程。

(6) 理论和模型的局限性：现有的地球内部理论和模型大多基于简化和假设，难以完全准确地描述实际的地球内部过程。此外，由于地球内部数据的不完备性，对这些理论和模型的检验和修正也面临一定的困难.