地質(zhì)作用_地質(zhì)與巖土力學(xué)基

情景2　地質(zhì)作用

【學(xué)習(xí)目標(biāo)】

1.了解地質(zhì)作用概念，了解地球的一般性質(zhì)以及地質(zhì)運(yùn)動。

2.熟悉地質(zhì)作用系統(tǒng)，掌握內(nèi)、外動力地質(zhì)作用類型。

3.培養(yǎng)分析地質(zhì)現(xiàn)象、地質(zhì)作用的習(xí)慣。

【能力要求】

1.能夠查閱多種資料，豐富對地球知識的了解。

2.有對地質(zhì)現(xiàn)象整體把握和具體分析的基本能力。

【必要的理論知識與資料】

2.1　地質(zhì)作用概念提出

通過對巖土工程和巖土環(huán)境的了解，我們發(fā)現(xiàn)了環(huán)境問題以及地質(zhì)問題，提出了地質(zhì)概念或者地質(zhì)學(xué)名詞。這個概念已經(jīng)深深地觸入本質(zhì)，幫助我們認(rèn)識和分析各種地球物質(zhì)、地質(zhì)現(xiàn)象、地質(zhì)運(yùn)動，建立起了基本的認(rèn)識框架，認(rèn)識脈絡(luò)，也可以說是一種哲學(xué)式的、宇宙時(shí)空模式的、物理學(xué)模式的認(rèn)知模型。必須培養(yǎng)這樣的認(rèn)知行為和習(xí)慣，這是指導(dǎo)我們認(rèn)識地質(zhì)科學(xué)和學(xué)習(xí)地質(zhì)學(xué)的方向和思路。我們必須清楚，任何地質(zhì)學(xué)的現(xiàn)象或者問題我們都可以說是地球物質(zhì)在時(shí)空的運(yùn)動和變化。但是這是粗線條的，我們需要細(xì)節(jié)的支持。就是哪個物質(zhì)在哪個具體的時(shí)空有怎樣的運(yùn)動和有怎樣的變化。每一個環(huán)節(jié)都有更小的問題需要繼續(xù)提問，這樣的無限提問會追到世界的本來面目。每一個小問題的思路都是我們對地質(zhì)名詞思考模式的循環(huán)，任何問題都逃不出這個框架。

在物理空間里，我們思考地球就如思考一個球體、塊體，甚至質(zhì)點(diǎn)，可以進(jìn)行力學(xué)分析，可以按照運(yùn)動學(xué)來分析，也可以按照光學(xué)現(xiàn)象分析，也可以做熱學(xué)探討，也可以做電磁學(xué)研究等等。而作為地球科學(xué)范疇的地球物理學(xué)，是用物理學(xué)的方法和原理研究地球的形成和動力，研究范圍也包括地球的水圈和大氣層。地球物理學(xué)研究廣泛的地質(zhì)現(xiàn)象，包括地球內(nèi)部的溫度分布;地磁場的起源、架構(gòu)和變化;大陸地殼大尺度的特征，諸如斷裂、大陸縫合線和大洋中脊?，F(xiàn)代地球物理學(xué)的研究延伸到地球大氣層外部的現(xiàn)象(例如，電離層電機(jī)效應(yīng)、極光放電和磁層頂電流系統(tǒng))，甚至延伸到其他行星及其衛(wèi)星的物理性質(zhì)。

相應(yīng)的地球化學(xué)是研究地球的化學(xué)組成、化學(xué)作用和化學(xué)演化的科學(xué)，它是地質(zhì)學(xué)與化學(xué)、物理學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生和發(fā)展起來的邊緣學(xué)科。自20世紀(jì)70年代中期以來，地球化學(xué)和地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)已成為固體地球科學(xué)的三大支柱。它的研究范圍也從地球擴(kuò)展到月球和太陽系的其他天體。地球化學(xué)的理論和方法，對礦產(chǎn)的尋找、評價(jià)和開發(fā)，農(nóng)業(yè)發(fā)展和環(huán)境科學(xué)等有重要意義。地球科學(xué)基礎(chǔ)理論的一些重大研究成果，如界限事件、洋底擴(kuò)張、巖石圈演化等均與地球化學(xué)的研究有關(guān)。

而地球生物學(xué)是地球科學(xué)與生命科學(xué)交叉形成的學(xué)科，它研究作為地球系統(tǒng)三大基本過程之一的生命過程(即生物圈)與地球其他圈層的相互作用。不僅是地球影響生物圈，而且生物圈也影響地球系統(tǒng)。這種相互作用或影響，從地球歷史早期到現(xiàn)在，是一直在協(xié)同、耦合地進(jìn)行著。

這些以地球作為研究對象的不同學(xué)科，所用的研究方法不盡相同，研究的問題各有側(cè)重，關(guān)注的焦點(diǎn)不一而足，但是都?xì)w攏在地球上，我們有理由相信它們都是為了解釋地球的本質(zhì)問題而來，它們一定是相通的，是互相聯(lián)系的，我們處理和研究地球問題的時(shí)候，完全可以采納每一門學(xué)科的成果和結(jié)論來服務(wù)于我們的思考研究。

這些物理的、化學(xué)的、生物的學(xué)科都是研究地球物質(zhì)及能量范疇，都有時(shí)空背景，都有關(guān)運(yùn)動和變化，只是相對于普通地質(zhì)學(xué)學(xué)科來說，它們走向了單維的、線性的、局部的探索領(lǐng)域。而普通地質(zhì)學(xué)更重視實(shí)體的、眼光可見的、具體的、整體的、以環(huán)境面目出現(xiàn)的對象。

在我們思考地質(zhì)學(xué)問題時(shí)，我們不能繞開物理的、化學(xué)的、生物學(xué)的基本層面以及生活常識的基本層面，應(yīng)該從那些直接的、簡單的環(huán)節(jié)入手，例如我們手拿一塊石頭，首先看見形狀、大小、顏色，感覺到它的輕重，然后還有寒涼溫?zé)?、氣味等等，每一?xiàng)都是我們應(yīng)該知道的基本事實(shí)。這些都是通過感覺系統(tǒng)而起的作用，再集中到我們的大腦進(jìn)行分析判斷，在這個過程中，我們有時(shí)會忽略了或者忘記了自己，其實(shí)我們自身就是精妙的感應(yīng)器，分析處理器。

在工程實(shí)踐和科學(xué)研究中，我們也不能單憑自我的感覺，我們需要更多的各種現(xiàn)代科技儀器和分析工具來實(shí)現(xiàn)對對象的客觀的觀測和測定，然后尋找合適的定性定量分析方法，探討我們需要知道的前因后果。

如果看見一塊落下的石頭砸向地面或其他物件，石頭變形粉碎，地面沉陷成坑，有物體變形破壞，我們就意識到兩個客體發(fā)生了關(guān)系，產(chǎn)生了相互性的關(guān)系，出現(xiàn)了相互作用，導(dǎo)致了一系列的后果或者效應(yīng)，這個應(yīng)該是所有有關(guān)相互性的模式的縮影(圖2－1，圖2－2)。在這個相互性的關(guān)系或者過程里，直接表征了世界上各種事物之間的普遍聯(lián)系和關(guān)系，我們通常把這樣的關(guān)系叫相互作用。相互作用的類型多種多樣，不同學(xué)科有不同的定義，但是一定是兩兩相對，或者是多方相對的關(guān)系。

圖2－1　石頭失穩(wěn)傾覆車輛

圖2－2　落石砸向汽車，汽車損毀變形

一切地質(zhì)現(xiàn)象都不是獨(dú)立存在，都是在相互性前提下的存在，任何地質(zhì)事件都有背景和誘因以及推動力(這個推動力是更寬泛意義上的推動力，不局限于推力、壓力、重力等)。借用類似于力學(xué)里常說的力的作用這一說法，我們把地質(zhì)現(xiàn)象、地質(zhì)運(yùn)動等有關(guān)相互性的問題簡潔表述為地質(zhì)作用。地質(zhì)作用存在于一切活動之中，地質(zhì)作用也就是一切地質(zhì)活動。任何活動中都有主動與被動的相對區(qū)分，都有施者與受者，構(gòu)成了基本的地質(zhì)矛盾。而研究具體的矛盾，就是在研究相互之間的關(guān)系。

2008年5月12日14時(shí)28分4秒，四川汶川(103.61E31.46N)、北川(104.45E，31.83N)發(fā)生里氏8.0級地震，地震造成69227人遇難，374643人受傷，17923人失蹤。此次地震為新中國成立以來國內(nèi)破壞性最強(qiáng)、波及范圍最廣、總傷亡人數(shù)最多的地震之一，被稱為“汶川大地震”。如此強(qiáng)烈的地震造成了震中的建筑基本傾覆和損毀(圖2－3)，道路嚴(yán)重變形，山體崩塌滑坡，河流阻塞形成堰塞湖，這種地震作用可謂巨大而不可抗拒。

圖2－3　汶川地震震中建筑損毀情況

距離汶川直線距離500多公里的陜西某地(108.50E，34.28N)家屬院，在地震發(fā)生時(shí)，居民看見高層樓房搖晃劇烈，多層樓房內(nèi)桌面花瓶掉地、部分空調(diào)柜機(jī)傾倒，2003年家屬院整體新修的較高質(zhì)量路面部分位置在汶川大地震時(shí)發(fā)生擠碎斷裂破損(圖2－4，圖2－5，圖2－6，圖片中方位為上北下南，左西右東，地震發(fā)生在西南方向)。而直至2013年也未見其他地方有新的損壞現(xiàn)象。

圖2－4　家屬院中心路面破壞

圖2－5　破壞細(xì)節(jié)

圖2－6　破壞細(xì)節(jié)

一個宏大的自然現(xiàn)象，地質(zhì)事件，地質(zhì)作用，地震作用，導(dǎo)致了劇烈的災(zāi)變，這是一種什么樣的作用細(xì)節(jié)?我們看到了外在的現(xiàn)象，但是它的推動力在什么地方?它的運(yùn)動形式是怎么樣的?地震一旦過后，運(yùn)動似乎停止，離開了當(dāng)時(shí)的視頻實(shí)錄，我們從哪里下手推演?

距離震中遙遠(yuǎn)的異地呈現(xiàn)的現(xiàn)象我們又該作何分析?如果單獨(dú)分析一個混凝土塊體，根據(jù)力學(xué)原理，也可以得出理性的結(jié)論，這樣的分析是合理的和應(yīng)該的。但是遙遠(yuǎn)兩地間的山山水水、無垠大地是怎樣的情況，我們又該怎么去分析和推演?

所有這些，都是我們研究地質(zhì)作用時(shí)所應(yīng)關(guān)心和重視的話題。

2.2　地球概論

要充分理解地質(zhì)作用，就必須對地球有基本的了解，諸如它的空間位置、形態(tài)變化，理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造，它是各種地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生的基本背景。已有的各個行業(yè)和學(xué)科研究得出的地球基本資料很方便我們查閱和分析。

2.2.1　地球球體的概念

許多人在小學(xué)階段就獲得了地球是球體的正確知識，但是，是否內(nèi)化為自己的理解，也不盡然，因?yàn)槲覀兊纳钣^念并不是同樣的認(rèn)知域，我們生活的圈子更小，概括性就更低，也未必在技術(shù)性的處理中自覺意識到球體的存在，我們往往忽略了球體。

為了數(shù)學(xué)上計(jì)算方便，人們用“旋轉(zhuǎn)橢球體”這一幾何形體來代表地球的形狀。后來通過重力測量采用“大地水準(zhǔn)體”這個概念來代表地球的形狀。大地水準(zhǔn)體是指由平均海面所封閉的球體形狀。海面上的重力位各處都是相等的，即海面在重力作用下是一個等位面，把這個等位面延伸通過大陸，就形成一個封閉曲面，這個曲面叫大地水準(zhǔn)面。由于地球表面有71%為海洋所占據(jù)，所以在一定程度上講，大地水準(zhǔn)面代表了地球的形狀，而且這個面是一個實(shí)際存在的面。但它仍然是介于旋轉(zhuǎn)橢球體和地球真實(shí)形狀之間的一個中間形態(tài)。

20世紀(jì)50年代后，科學(xué)技術(shù)發(fā)展非常迅速，為大地測量開辟了多種途徑，高精度的微波測距，激光測距，特別是人造衛(wèi)星上天，再加上電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)用和國際間的合作，使人們可以精確地測量地球的大小和形狀了。通過實(shí)測和分析，終于得到確切的數(shù)據(jù):地球的平均赤道半徑為6738.14km，極半徑為6356.76km，赤道周長和子午線方向的周長分別為40075km和39941km。

地球的球體特性在人們的視覺和大型物體的觀察以及設(shè)計(jì)里都是需要考慮的因素。

只有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的觀測，才會有基本的推理與分析。最新的觀測數(shù)據(jù)反映最接近當(dāng)下的地球?qū)嶋H。不同時(shí)期的可靠的數(shù)據(jù)是不同時(shí)期地球運(yùn)動的真實(shí)記錄。精確的現(xiàn)代大地測量為數(shù)字化地球提供了最大可能和基本保證。

已知的地形外在不均衡性反映了地球內(nèi)部物質(zhì)狀態(tài)也不是穩(wěn)定均衡狀態(tài)。當(dāng)然，穩(wěn)定、均衡、平衡不是地球的目的，只是一種比較，地球的內(nèi)在運(yùn)動和外在形狀應(yīng)該是什么只有依賴自然的發(fā)展規(guī)律來決定，我們應(yīng)該面對自然的實(shí)體，時(shí)刻觀察它，思考它和研究它，找到有限的規(guī)律并利用它服務(wù)于人類自身。

2.2.2　地球的地表形態(tài)

人們對地表現(xiàn)象的了解是與生俱來的，人們通過學(xué)習(xí)、旅游，依賴現(xiàn)代傳媒，全面廣泛獲得了很多信息，自然旅游或探險(xiǎn)揭開了許多陌生的處女地的秘密，發(fā)現(xiàn)了不可思議的許多現(xiàn)象。認(rèn)識地表是人的天性和必然。也只有在不斷的認(rèn)識里，才會發(fā)現(xiàn)新的地質(zhì)秘密。

回憶地球地形數(shù)據(jù)?

大陸平均高度:825m，海洋最深海溝:－11034m，海洋平均深度:－3800m，大陸和海洋的平均高度:－2448m(即全球表面無起伏，將被2448m厚的海水所覆蓋)。

大陸地形單元的特點(diǎn):

山地:海拔高度在500m以上的正地形(表2－1)。

表2－1　山地高程分類

平原:相對高差低于100m的平坦地區(qū)。

高原:海拔大于600m，表面較平坦或略有起伏的廣闊地區(qū)，如青藏高原。

盆地:四周是山地或高原，中央地形低平或呈丘陵?duì)畹牡貐^(qū)，外形似盆狀的地形，如四川盆地、塔里木盆地。

裂谷系:伸延上千公里，寬僅30～50km的線形低地，兩壁或一壁多為斷崖，如東非裂谷系，我國汾渭裂谷。

海底地形單元:

大陸邊緣:分大陸架、大陸坡、大陸基、海溝和島弧。

大洋盆地:可進(jìn)一步分為深海平原、海山和海嶺。

洋中脊:屹立在大洋底上的巨大“山脈”，有的地段露出海面而成帶狀分布的島嶼。例如著名的大西洋中脊，由北極—冰島—蜿蜒穿越大西洋—南極附近，總長度約15000km，洋中脊底部平均寬度約1500km，其上部由平行山脊組成一個高中心帶，中央有一條裂谷，裂谷寬約20km，深度約1000～2000m。

回憶中國地形特點(diǎn)?

2.2.3　地球的物理性質(zhì)

2.2.3.1　地球的密度和重力

地球質(zhì)量是物理學(xué)避不開的話題。地球的質(zhì)量是根據(jù)萬有引力定律計(jì)算出來的，用地球的質(zhì)量除以地球的體積，便可得出地球的平均密度是5.517g/cm3，而地殼上部的巖石平均密度是2.65g/cm3，由此推測地球內(nèi)部必有密度更大的物質(zhì)。根據(jù)地震資料得知，地球密度是隨著深度的加深而增大的，并且在地下若干深度處密度呈跳躍式變化，推測地核部分密度可達(dá)13g/cm3左右。地球的重力異常是揭示地球內(nèi)在的一把鑰匙，也是工程設(shè)計(jì)里應(yīng)該考慮的細(xì)節(jié)。

2.2.3.2　地磁

早在公元前3世紀(jì)戰(zhàn)國時(shí)期，我國就已利用磁性發(fā)明了指南儀器——司南，知道了地球具有的這一特性。地球周圍有一個巨大的地磁場，地磁極與地理極的位置是不一致的。

為了確定地表任何一點(diǎn)的地磁場，需要進(jìn)行磁場強(qiáng)度測量。磁場強(qiáng)度在水平面上的投影為水平強(qiáng)度，它的垂直分量為垂直強(qiáng)度。磁偏角也就是地磁子午線與地理子午線的夾角，以指北針為準(zhǔn)，偏東為正，偏西為負(fù)。磁傾角即磁針與各處水平面的夾角，常隨緯度而變化，在兩磁極為90°，在磁赤道則為0°，以指北針為準(zhǔn)，下傾者為正，上仰者為負(fù)。

地質(zhì)勘探工作中，經(jīng)常會使用到羅盤，在羅盤使用中，我們必須小心意識到磁場異?，F(xiàn)象，避免造成數(shù)據(jù)的失真而引起判斷失誤。在山區(qū)旅游中，指南針也會因磁異常誤導(dǎo)方向。

2.2.3.3　地?zé)?/p>

地球內(nèi)部儲存著巨大的熱能，這就是常說的地?zé)?。地殼表層的溫度常隨外界溫度而有日變化和年變化，也叫外熱層(變溫層)，其熱量絕大部來自太陽。但從地表向下到達(dá)一定深度，其溫度不隨外界溫度而變化，這一深度叫常溫層，是外熱層的下界與內(nèi)熱層的上界之間。該帶的地溫大致保持在當(dāng)?shù)氐孛婺昶骄鶞囟茸笥摇Ｆ渖疃却蠹s在地表以下15～30m。它的深度因地而異，在我國北方，溫度具有年變化的深度大約在30m左右。在年常溫層以下，叫內(nèi)熱層(增溫層)，其特點(diǎn)是地溫隨深度的增加而逐漸增高。此增溫規(guī)律可以用地?zé)嵩鰷丶壔虻責(zé)崽荻缺硎尽Ｋ^地?zé)嵩鰷丶壥窃谀瓿貙右韵?，溫度每升?℃時(shí)所增加的深度，單位是m/℃，例如，大慶的地?zé)嵩鰷丶墳?0m/℃，北京房山為50m/℃。地?zé)嵩鰷丶壍钠骄鶖?shù)值是33m/℃。地?zé)嵩鰷丶壍牡箶?shù)叫地?zé)崽荻?，即每?00m所增加的溫度，單位是℃/100m。地?zé)崽荻鹊钠骄鶖?shù)值是3℃/100m。

地溫增加的情形各地不同，與各地巖石的密度、導(dǎo)熱率、離熱源的遠(yuǎn)近及所處的地質(zhì)構(gòu)造條件有關(guān)。地?zé)嵩鰷氐囊?guī)律只適用于地殼部分或巖石圈。

據(jù)地球物理資料推斷，整個地球的平均溫度約為2000℃。

地?zé)岬闹饕獊碓词怯煞派湫栽厮プ兌a(chǎn)生的。此外，也有一部分熱能可能是由構(gòu)造變動的機(jī)械能、化學(xué)能、重力能和地球旋轉(zhuǎn)能等轉(zhuǎn)換而來的。還有人認(rèn)為地?zé)崾堑厍蛐纬蓵r(shí)殘余下來的，這就是所謂“殘余熱說”。

地球內(nèi)的熱能可以通過不同形式進(jìn)行釋放，如火山噴發(fā)、熱水活動以及構(gòu)造運(yùn)動等都是消耗地?zé)岬男问健５責(zé)後尫抛罱?jīng)常和持續(xù)的形式是地球內(nèi)部熱能從地球深部向地表的傳輸，這種現(xiàn)象稱為大地?zé)崃鳌?/p>

地?zé)崃魉鶐С龅臒崮苁呛芊稚⒌模挥性谝欢ǖ刭|(zhì)條件下富集起來的地?zé)崮?，才能?dāng)做資源看待。

我國東部沿海地區(qū)(包括臺灣在內(nèi))和西南地區(qū)西藏、云南等地，正好分別位于世界的兩條地?zé)釒Х懂爟?nèi)，所以地?zé)豳Y源很豐富。目前我國已發(fā)現(xiàn)熱泉點(diǎn)2800多處(西藏地區(qū)未計(jì)入內(nèi))。據(jù)近年科學(xué)考察，西藏全區(qū)的水熱活動區(qū)不下600處。其中拉薩西北的羊八井熱氣井，鉆井深30m，而溫度達(dá)130℃的熱水汽噴高約30m，是典型地?zé)崽镏弧崛?、溫泉之外，也可以通過鉆井把地下一兩千米以內(nèi)的熱水抽到地面上來，加以利用。熱水除直接利用外，還可用以建立地?zé)岚l(fā)電站。20世紀(jì)70年代以來，我國已在廣東豐順、河北懷來以及湖南、山東、江西、遼寧等省建成小型地?zé)岚l(fā)電站。在西藏羊八井還建立了第一座直接利用地?zé)崞l(fā)電的地?zé)嵩囼?yàn)站。

目前全世界對地?zé)岬睦眠€主要限于地表和地下熱水方面，但近年已注意到如何進(jìn)行“高溫巖體”的利用問題。如日本正在進(jìn)行開發(fā)高溫巖體熱能試驗(yàn)。其方法是在巖漿巖體上開鑿一破碎井(或利用廢井)，在井下采取措施，使下面巖體產(chǎn)生龜裂，然后注水到地下巖體龜裂處，同時(shí)在地面另鑿一生產(chǎn)井，提取利用基巖熱產(chǎn)生出來的蒸汽，推動渦輪機(jī)發(fā)電。1992年在山形縣挖掘了一口深2200m的實(shí)驗(yàn)井，成功地進(jìn)行了第二次制造龜裂的實(shí)驗(yàn)，并準(zhǔn)備繼續(xù)進(jìn)行破碎井與生產(chǎn)井之間水汽通過連續(xù)循環(huán)實(shí)驗(yàn)。據(jù)認(rèn)為如果能開發(fā)4000m以下巖體熱能，則僅日本的這項(xiàng)可以利用發(fā)電的能源資源即可達(dá)到4億kw以上。由此說明，地?zé)豳Y源的開發(fā)利用，有著無限廣闊的前景。

地?zé)岷翢o疑義影響地下工程，當(dāng)然更主要是參與整個地質(zhì)運(yùn)動。以地?zé)嶙鳛槟茉垂こ痰拈_發(fā)無疑會加劇地質(zhì)作用的復(fù)雜性，增加更多的不確定性。面對日益廣泛的地?zé)衢_發(fā)，我們作為環(huán)境的一分子，是喜是悲，應(yīng)該保持一種什么樣的心態(tài)和科學(xué)態(tài)度，應(yīng)該深思。

2.2.3.4　地球的彈塑性

地球具有彈性，表現(xiàn)在地球內(nèi)部能傳播地震波。生活中我們在路基路面附近感受列車等過往的震動，路基的回彈，大樓的搖晃等，都屬于彈性的例子。

同時(shí)，地球也表現(xiàn)出塑性。地球自轉(zhuǎn)的慣性離心力能使地球赤道半徑加大而成為橢球體，表明地球具有塑性;在野外常觀察到一些巖石發(fā)生了強(qiáng)烈的彎曲卻未破碎或斷裂，這也表明固體地球具有塑性。

地球的彈、塑性這兩種性質(zhì)并不矛盾，它們是在不同的條件下的表現(xiàn)。如在作用速度快、持續(xù)時(shí)間短的力(如地震作用力)的條件下，地球常表現(xiàn)為彈性體;在作用力緩慢且持續(xù)時(shí)間長(如地球旋轉(zhuǎn)離心力、構(gòu)造運(yùn)動作用力)或在地下深部較高的溫度、壓力條件下，則可表現(xiàn)出較強(qiáng)的塑性。

2.2.4　地球的結(jié)構(gòu)

我們熟知的地球結(jié)構(gòu)模型是一個處于不同狀態(tài)(物質(zhì)狀態(tài)，運(yùn)動狀態(tài)等)與不同物質(zhì)組成的同心圈層球體，類似于蛋體結(jié)構(gòu)，這些圈層可以分成內(nèi)部圈層與外部圈層，即內(nèi)三圈與外三圈。其中外三圈包括大氣圈、水圈和生物圈，內(nèi)三圈包括地殼、地幔和地核。

2.2.4.1　地球的外部圈層

(1)大氣圈。

從地表(包括地下相當(dāng)深度的巖石裂隙中的氣體)到16000km高空都存在氣體或基本粒子，總質(zhì)量達(dá)5×1015t，占地球總質(zhì)量的0.00009%。主要成分中氮占78%;氧占21%;其他是二氧化碳、水汽、惰性氣體、塵埃等，占1%。風(fēng)云雨雪等大氣活動在地球地質(zhì)作用中扮演極其重要的角色。沙塵暴、霧霾、酸雨、暴雨、颶風(fēng)等是嚴(yán)重的災(zāi)害。

(2)水圈。

水圈包括海洋、江河、湖泊、冰川、地下水等，形成一個連續(xù)而不規(guī)則的圈層。水圈的質(zhì)量為1.38×1018t，占地球總質(zhì)量0.024%，比大氣圈的質(zhì)量大得多，但與其他圈層相比，還是相當(dāng)小。其中海水占97.2%，陸地水(包括江河、湖泊、冰川、地下水)只占2.8%;而在陸地水中冰川占水圈總質(zhì)量的2.2%，所以其他陸地水所占比重是很微小的。此外，水分在大氣中有一部分;在生物體內(nèi)有一部分，生物體的3/4是由水組成的;在地下的巖石與土壤中也有一部分。大氣圈中存在的水分只占水圈總量的十萬分之一，但它的重要意義是不能以百分比來衡量的。水圈對地球的發(fā)展和人類生存有很重要的作用。

(3)生物圈。

生物類的生命活動具有特殊的運(yùn)動和功能，參與地球的各種運(yùn)動，活動很強(qiáng)烈，作用形式多種多樣，豐富多彩。整個生物圈的質(zhì)量并不大，僅僅是大氣圈質(zhì)量的1/300，但它起到的作用卻是很大的。生物圈具有相當(dāng)?shù)暮穸?。綠色植物的分布極限大約是海拔6200m左右，根據(jù)資料，在33000m高空還發(fā)現(xiàn)有孢子及細(xì)菌?？偟膩碇v，生物圈包括大氣圈的下層，巖石圈的上層和整個水圈，最大厚度可達(dá)數(shù)萬米。但是其核心部分為地表以上100m，水下100m，也就是說大氣與地面、大氣與水面的交接部位是生物最活躍的區(qū)域，其厚度約為200m左右，因?yàn)樵谶@個范圍內(nèi)具有適于生物生存的溫度、水分和陽光等最好的條件。

地球上自從出現(xiàn)生物，便對地球的發(fā)展起著重要的特殊的作用。由于生物的生長、活動和死亡，使生物和大氣、水、巖石、土壤之間，進(jìn)行著多種形式的物質(zhì)和能量的交換、轉(zhuǎn)化和更替，從而不斷改變著周圍的環(huán)境。

2.2.4.2　地球的內(nèi)部圈層

內(nèi)部圈層指從地面往下直到地球中心的各個圈層，包括地殼、地幔和地核。雖然人們渴望“向地球的心臟進(jìn)軍”，徹底搞清楚地球內(nèi)部狀況，但是進(jìn)展緩慢，當(dāng)然，站在保護(hù)的角度，人們并不希望科技在這一領(lǐng)域盲目加速。

·地球勘探新成果

目前世界上深井記錄為12262m(俄羅斯科拉半島一口深鉆，施工期為1970年至1986 年)，占地球半徑的1/530。為勘探寒武系——奧陶系地層的油氣藏情況，中國于新疆塔里木盆地鉆探出的中國最深油井——塔深1井，這口井的深度為8408m。塔深1井是中國乃至亞洲目前最深的一口石油探井。

以人類目前的技術(shù)水平，工程建設(shè)涉及的范圍都只在地球表層，世界上最深的礦山——南非蘭德礦山，深度為3600m，相比大陸地殼的平均厚度也僅是十分之一。

深?？茖W(xué)鉆探，始于上世紀(jì)60年代。1968年，美國萬噸船“格羅瑪·挑戰(zhàn)者”號開始在墨西哥灣鉆探，揭開了“深海鉆探計(jì)劃”(DSDP)的序幕，并很快發(fā)展為地球科學(xué)空前規(guī)模的國際合作計(jì)劃。DSDP在15年(1968—1983年)里證實(shí)了洋底擴(kuò)張的假說，確立起全球構(gòu)造運(yùn)動的“板塊理論”;揭示了地球軌道周期造成的冰期旋回，建立了古海洋學(xué)新學(xué)科。其接連的科學(xué)突破，改變了整個地球科學(xué)發(fā)展的軌跡。

據(jù)日本媒體報(bào)道，日本學(xué)者正積極聯(lián)手美國、歐盟、中國籌備一項(xiàng)計(jì)劃，向地球內(nèi)部深挖掘，去探索生命起源的奧秘。報(bào)道說，這在人類歷史上尚屬首次。根據(jù)計(jì)劃，日本科學(xué)家將搜集地球地幔的樣本，尋找生命起源。從地幔和地殼采集來的標(biāo)本還有助于人們分析地球的氣候變化，以及對地震的研究。

名為“地球”的深海鉆探船希望最終能從海水下4000m處開始，再下挖7000m。之所以選擇水下鉆探，是因?yàn)楹Ｑ笙碌牡貧酉鄬Ρ容^薄，可以比陸地鉆探下挖得更深。

所以目前還不能用直接觀察的方法來研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造。通常采用地球物理方法來研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造情況。最重要的間接信息是地震波在地球內(nèi)部的傳播速度，它不僅是劃分地球內(nèi)部圈層的基礎(chǔ)，也是判斷地球內(nèi)部物質(zhì)的密度、溫度、熔點(diǎn)、壓力等物理性質(zhì)的重要依據(jù)。此外還可依靠隕石、地幔巖石學(xué)以及高溫高壓實(shí)驗(yàn)等提供的間接信息推斷地球內(nèi)部的物質(zhì)成分。

地震波在地下若干深度處，傳播速度發(fā)生急劇變化的面，稱為不連續(xù)面。其中有兩個變化最顯著的不連續(xù)面，叫一級不連續(xù)面。根據(jù)地震波的傳播數(shù)據(jù)，可以制成地球內(nèi)部震波傳播速度曲線圖。從圖中可以看出兩個一級不連續(xù)面(圖2－7):

圖2－7　地震波在地球內(nèi)部不同深度處的傳播速度

這兩個一級不連續(xù)面，將地球內(nèi)部劃分為3個圈層:地殼、地幔和地核。

(1)地殼。

指地球莫霍面以上的固體硬殼，屬于巖石圈的上部。地殼主要由硅酸鹽類巖石組成，它的質(zhì)量為5×1019t，約占地球質(zhì)量的0.8%，體積占整個地球體積的0.5%。

①地殼的化學(xué)組成。地殼中含有元素周期表中所列的絕大部分元素，而其中O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg等8種主要元素占98%以上，其他元素共占1%～2%。化學(xué)元素在地殼中平均含量稱克拉克值(表2－2)。

表2－2　地殼中主要元素的平均含量(重量%)

組成地殼的各種元素并非孤立存在，大多數(shù)情況是相關(guān)元素化合形成各種礦物，其中以O(shè)、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg等組成的硅酸鹽礦物為最多，其次為各種氧化物、硫化物、碳酸鹽等。各種不同礦物特別是硅酸鹽類又組成各種巖石，所以說地殼是巖石圈的一部分。

其他大部分元素的克拉克值雖然很小，但它們在一定條件下可以遷移和富集。如在一定地段和一定時(shí)間某些元素富集起來，含量超過該元素的克拉克值，并在質(zhì)和量上達(dá)到開采的要求，這樣的地段就形成了礦床。

②地殼的類型、厚度和結(jié)構(gòu)。地殼是地球表面的一層薄殼，其厚度大致為地球半徑的1/400，但各處厚度不一(表2－3)，大陸部分平均厚度37km多，而海洋部分平均厚度則只有約7km。一般說來，高山、高原部分地殼最厚，如我國青藏高原地殼最厚可達(dá)70km。

表2－3　地殼類型和平均厚度(據(jù)羅諾夫，1967)

地殼可以分為上下兩層，中間被康拉德面所分開。但這一界面在海洋部分不明顯或者根本不存在。

上層地殼，其成分以O(shè)、Si、Al及K、Na等為主，和花崗巖的成分相似，所以叫花崗巖層;此層又稱為硅鋁層。平均密度為2.6～2.7g/cm3，此層厚度在山區(qū)和高原可達(dá)40km，在平原區(qū)常為10km，在海洋地區(qū)變薄甚至完全缺失(如太平洋)，因此是一個不連續(xù)圈層。這一層物質(zhì)組成極為多樣，構(gòu)造形態(tài)和地貌形態(tài)也非常復(fù)雜。在這一層的表層部分常分布有0～10km厚的沉積巖層。

下層地殼，其成分雖然也以O(shè)、Si、Al等為主，但Mg、Fe、Ca等成分則顯著增加，和玄武巖的成分相似，所以叫玄武巖層，又稱為硅鎂層。平均密度為2.9～3.0g/cm3。此層在海洋地殼部分平均厚5～8km，在大陸部分則延伸至花崗巖層之下，推測可厚達(dá)30km，是一個連續(xù)圈層(圖2－8)。

地殼厚度的差異性和垂直結(jié)構(gòu)及物質(zhì)成分的不均勻性，構(gòu)成了地殼總的特征，這種特征常導(dǎo)致地殼物質(zhì)的重新分配和調(diào)整，以便達(dá)到新的平衡關(guān)系，這是引起地殼運(yùn)動的多種因素之一。

(2)地幔。

指莫霍面以下到古登堡面以上的圈層。深度為從地殼底界到2900km。其體積占地球總體積的82%，質(zhì)量為4.05×1021t，占地球總質(zhì)量的67.8%。物質(zhì)密度大約從3.32g/cm3遞增到5.7g/cm3，即在地幔下部接近于地球的平均密度。壓力隨深度而增加，界面上壓力可達(dá)約1.5×1011Pa。溫度也隨深度緩慢增加，下部約為3000℃左右。

圖2－8　地殼結(jié)構(gòu)圖(據(jù)李四光圖修編)

①上地幔。由于震波數(shù)值和在橄欖巖中實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)值相似，所以也稱橄欖巖層，又稱榴輝巖層。橄欖巖的成分和廣泛分布的石隕石(又稱球粒隕石)相似，和地殼相比，SiO2成分減少，鎂鐵成分增加。

上地幔包括兩層，其上層相當(dāng)于固態(tài)的橄欖巖層，故通常把這一層加上地殼合稱為巖石圈。

在深度60～400km范圍內(nèi)，震波速度明顯下降，特別是在100～150km深度左右下降更多，這一層稱為古登堡低速層。所以如此，一般認(rèn)為在這一層可能有部分熔融，具有較大的塑性或潛柔性，因此又稱為軟流圈。軟流圈的深度、厚度和范圍常隨地而異，邊界有起伏變化，有時(shí)呈漸變關(guān)系。軟流圈的溫度大約為700～1600℃，這里可能是巖漿的主要發(fā)源地，同時(shí)地殼運(yùn)動、巖漿活動、火山活動以及熱對流等皆可能與此層有關(guān)。

上地幔下部也有次一級不連續(xù)面，具體情況有待于繼續(xù)探索。中、深源地震(最深可達(dá)720km)的震源皆發(fā)生在上地幔中。

②下地幔。這一層物質(zhì)密度較大，一般在5g/cm3以上，在底界接近地球的平均密度，壓力可達(dá)1.5×1011Pa?；瘜W(xué)成分目前認(rèn)為仍然相當(dāng)于鎂鐵的硅酸鹽礦物，與上地幔無甚差別。但由于這里壓力很大，這些硅酸鹽礦物可能形成晶體結(jié)構(gòu)緊密的高密度礦物。

由于縱波和橫波都能在地幔通過，因此一般認(rèn)為地幔呈固態(tài)存在。

(3)地核。

位于深2900km古登堡面以下直到地心部分稱地核。由于震波速度在這一部分發(fā)生了突然變化，即縱波速度從每秒13.32km下降到8.1km，橫波則消失，表明組成地核物質(zhì)的化學(xué)成分和物理性質(zhì)等有了很大的變化。

根據(jù)地震縱波的變化情況，地核又可分為外核、過渡層和內(nèi)核。

據(jù)推測，地核物質(zhì)非常致密，密度9.7～13g/cm3，地核總質(zhì)量為1.88×1021t，占整個地球質(zhì)量的31.5%;壓力可達(dá)3.0～3.6×1011Pa;溫度為3000℃，最高可能達(dá)5000℃或稍高。

關(guān)于地核的形狀也是科學(xué)家們所關(guān)注的問題。最近美國哈佛大學(xué)的地球物理學(xué)家根據(jù)地震波在地球內(nèi)部傳播情況的監(jiān)測和分析，發(fā)現(xiàn)地震波在包含地球自轉(zhuǎn)軸的平面方向容易穿透地核，而在與地球自轉(zhuǎn)軸垂直的赤道平面則較難穿透地核，從而提出地核形狀接近于圓柱體的形狀，其中軸線與地球的自轉(zhuǎn)軸重合。

2.3　地質(zhì)運(yùn)動

地球自形成以來，已有4600Ma以上的歷史，在漫長的地質(zhì)歷史中，它每時(shí)每刻都在不停運(yùn)動。從基本粒子到星球運(yùn)動，從直接碰撞到場態(tài)作用，從塵土飛揚(yáng)到山體穩(wěn)定，從水滴蒸發(fā)到大海波濤，微生物的無孔不入到樹葉的迎風(fēng)舞動，化合分解的微妙到思維意識的奇妙，大自然呈現(xiàn)出它的永恒運(yùn)動，并且各具特點(diǎn)，這一切充分詮釋了運(yùn)動的普遍性和特殊性。

對運(yùn)動的把握是一切學(xué)科的立足點(diǎn)，地質(zhì)工作者不能用日常性的習(xí)慣思維來思考地質(zhì)現(xiàn)象，不能用大地是穩(wěn)定的觀念來麻痹了科學(xué)意識和思考。通過對運(yùn)動的觀察分析，我們才能進(jìn)入地質(zhì)科學(xué)的大門，才會發(fā)現(xiàn)我們生活的地球是多么復(fù)雜而充滿秘密。地質(zhì)工作者應(yīng)該時(shí)刻感應(yīng)與捕捉各種運(yùn)動，特別需要看見那不動的運(yùn)動，看見那曾經(jīng)的運(yùn)動，更要推測那未來的運(yùn)動。

在華山之巔，你會說出哪些運(yùn)動?面對寶雞磻溪的姜太公釣魚臺公園的孕璜遺璞巨石，你會想到什么運(yùn)動?

地下深處高溫高壓的巖漿在向上運(yùn)移的過程中，將深處的物質(zhì)帶到地球表層，使地球表層的物質(zhì)成分發(fā)生變化;同時(shí)，由于巖漿熱的作用，不斷熔化圍巖，被熔化的物質(zhì)加入到巖漿中，從而使巖漿本身的成分也發(fā)生了改變。有時(shí)巖漿直接噴出地表形成火山，很快改變了地表的形態(tài)和物質(zhì)組成;強(qiáng)烈的地震產(chǎn)生山崩、地裂及其他許多地質(zhì)現(xiàn)象;在北大西洋的北海，淺海沉積物的厚度超過萬米，只有該區(qū)地殼不斷下沉才能產(chǎn)生如此厚的沉積物堆積;河流上游往往形成深溝峽谷，而下游地段開闊，有大量的礫石和泥沙堆積;河水的長期剝蝕作用使地表物質(zhì)不斷遷移;在可溶性巖石地區(qū)，由于地下水的作用，巖石不斷被溶蝕，從而呈現(xiàn)出千姿百態(tài)的壯麗巖溶地貌景觀。這些復(fù)雜的運(yùn)動形式，包含著許多內(nèi)在運(yùn)動。人們常見的大都是運(yùn)動物體的相對靜止?fàn)顟B(tài)，許多的地質(zhì)運(yùn)動只能靠對現(xiàn)存狀態(tài)的分析來確定其運(yùn)動的屬性和特點(diǎn)。

在地質(zhì)學(xué)中，習(xí)慣上把那些宏大地質(zhì)現(xiàn)象才叫地質(zhì)運(yùn)動，例如地殼的上升下降、板塊的運(yùn)動、劇烈的活動期等。

運(yùn)動必須有動力，需要能量，地質(zhì)運(yùn)動的能量來自兩個方面。一是來源于地球本身，主要有地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)能、重力作用產(chǎn)生的重力能、放射性元素蛻變產(chǎn)生的熱能，此外尚有結(jié)晶能和化學(xué)能，這些統(tǒng)稱為內(nèi)能;二是來源于地球以外的能量，主要有太陽輻射能和日月引力能，此外尚有恒星及行星的輻射、宇宙射線、行星碰撞以及隕石等，這些來自地球以外的能量統(tǒng)稱為外能。

①地內(nèi)熱能:地球本身具有巨大的熱能，這是導(dǎo)致地球發(fā)生變化的重要能源。目前公認(rèn)，放射性熱能，即由地球內(nèi)部放射性元素蛻變而產(chǎn)生的熱能，是地球熱能的主要來源。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，地球在由星際物質(zhì)聚集而成的過程中，在本身重力作用下體積逐漸壓縮，產(chǎn)生壓縮熱，也是地球熱能的一種來源。另外，地球內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，或者產(chǎn)生結(jié)晶作用，也可以釋放熱，所以化學(xué)能和結(jié)晶能同樣是地球熱能的來源。據(jù)計(jì)算，地球內(nèi)部每年產(chǎn)生的總熱量大于每年經(jīng)地表散失的總地?zé)崃髁浚@部分剩余的地?zé)崮芰?，是?dǎo)致火山活動、巖漿活動、地震、變質(zhì)作用、地殼運(yùn)動的主要能源，根據(jù)巖石圈板塊理論，地內(nèi)熱對流是板塊運(yùn)動趨動力的主要能源。

②重力能:指地心引力給予物體的位能。在地球表面所有物體都處于重力場的作用之下。同時(shí)，在地球形成和發(fā)展過程中，地內(nèi)物質(zhì)在地心引力作用下，按不同比重發(fā)生分異，即輕者上升、重者下沉，導(dǎo)致物質(zhì)的總位能釋放而轉(zhuǎn)化為熱能，這種熱能稱為重力分異產(chǎn)生的熱能，成為地球熱能來源之一。

③地球旋轉(zhuǎn)能:地球自轉(zhuǎn)對地球表層物質(zhì)產(chǎn)生離心力和離極力。離心力的大小隨緯度而變化，兩極為零，赤道最大，故離心力自兩極向赤道是逐漸增加的;同時(shí)離心力又可分解為兩個分力，一是垂直地面的垂直分力，它和重力作用方向相反，并為重力所抵消;一是過地表相應(yīng)點(diǎn)沿經(jīng)向的水平分力(切向分力)，這是使地殼表層物質(zhì)產(chǎn)生由高緯度向低緯度沿水平方向移動的有效分力。離極力是可變形旋轉(zhuǎn)橢球體的轉(zhuǎn)動慣量矩具有使自己取極大值的趨勢的力，其方向指向赤道，從而導(dǎo)致地球表層物質(zhì)向赤道方向移動。

④太陽輻射能:太陽不斷向地球輸送熱能，根據(jù)計(jì)算，一年中整個地球可以由太陽獲得5.4×1024J的熱量。太陽輻射熱是大氣圈、水圈和生物圈賴以活動、發(fā)育并相互進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的主要能源，并由此產(chǎn)生了一系列的外營力，如風(fēng)、流水、冰川、波浪等。

⑤潮汐能:地球在日、月引力作用下使海水產(chǎn)生潮汐現(xiàn)象。潮汐具有強(qiáng)大的機(jī)械能，是導(dǎo)致海洋地質(zhì)作用的重要營力之一。

⑥生物能:由生命活動所產(chǎn)生的能量，無論是植物的生長、動物的活動以及人類大規(guī)模的改造自然活動，都會產(chǎn)生改變地球物質(zhì)和面貌的作用。但歸根結(jié)底，任何生物能都源于太陽輻射能。

內(nèi)能引起的地質(zhì)運(yùn)動往往遍及巖石圈甚至整個地球，引起整個巖石圈甚至整個地球的物質(zhì)成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地表形態(tài)發(fā)生變化，它包括構(gòu)造運(yùn)動及地震、巖漿作用和變質(zhì)作用等。導(dǎo)致地球的物質(zhì)成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地表形態(tài)的突然變化，稱之為地球演化的“災(zāi)變說”，主要由強(qiáng)烈火山噴發(fā)、頻繁地震作用等引起。

外能里面的行星碰撞以及隕石撞擊地球是直接的甚至是劇烈的，它能夠深刻地影響地球局部或者整體。外能也可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，或者誘導(dǎo)以及形成合力來對地球施加影響。也可以通過對地表的塑造，改變地殼的平衡態(tài)，來誘發(fā)局部或整體運(yùn)動。

自從形成地殼以來，我們今天所說的那些地質(zhì)運(yùn)動就沒有停止過。同時(shí)，各種地質(zhì)運(yùn)動是相對獨(dú)立的，又是相互依存的，是對立的又是統(tǒng)一的。例如，內(nèi)力作用形成高山和盆地，而外力作用則把高山削低，把盆地填平;一個地區(qū)發(fā)生隆起，其相鄰地區(qū)常會發(fā)生拗陷;高山上的礦物巖石受到風(fēng)化、侵蝕和破壞，而被破壞的物質(zhì)又被搬運(yùn)到另外地方堆積下來形成新的礦物巖石，如此等等，運(yùn)動著并不斷改變著。運(yùn)動過程中，地球既產(chǎn)生破壞作用，同時(shí)也產(chǎn)生建造作用。但在不同時(shí)空條件下，它們可能是不平衡發(fā)展的，或者是彼此互為消長的。有些十分迅速，如火山、地震、山崩、泥石流、洪水等，有些卻進(jìn)行得十分緩慢，往往不為人們感官所察覺，但經(jīng)過悠久歲月卻可產(chǎn)生巨大的地質(zhì)后果。

在地質(zhì)學(xué)中，由于一些大的地質(zhì)運(yùn)動在地殼層次以及在生物生存系統(tǒng)里留下了重要的證據(jù)，而且呈現(xiàn)出一種階段性特點(diǎn)，人們習(xí)慣將之分期命名。由于牽扯到地殼的運(yùn)動和變形，于是稱之為構(gòu)造運(yùn)動。比較重要的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動有以下幾個:

①加里東運(yùn)動:古生代早期地殼運(yùn)動的總稱，主要指志留紀(jì)至泥盆紀(jì)形成山地的褶皺運(yùn)動，加里東運(yùn)動的完成標(biāo)志著早古生代的結(jié)束。

②海西運(yùn)動:當(dāng)加里東運(yùn)動終結(jié)后，整個地殼比較穩(wěn)定，這時(shí)沒有褶皺運(yùn)動，海西早期(泥盆紀(jì)至石炭紀(jì))只有升降運(yùn)動，形成了許多陷落盆地群。從石炭紀(jì)末到二疊紀(jì)，為海西運(yùn)動的后半期，海西褶皺運(yùn)動，它將俄羅斯地塊和西伯利亞地塊連接起來，這樣就形成了亞歐大陸的雛形。

③印支運(yùn)動:三疊紀(jì)中期至侏羅紀(jì)早期的地殼運(yùn)動。印支運(yùn)動對中國古地理環(huán)境的發(fā)展影響很大，它改變了三疊紀(jì)中期以前“南海北陸”的局面。包括川西、甘肅和青海南部等地的“雪山海槽”全部褶皺升起;海水退至新疆南部、西藏和滇西一帶，仍屬特提斯型海域;長江中下游和華南地區(qū)大部分已由淺海轉(zhuǎn)為陸地。從此中國南北陸地連為一體，全國大部分地區(qū)處于陸地環(huán)境。

④燕山運(yùn)動:侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)期間中國廣泛發(fā)生的地殼運(yùn)動。該運(yùn)動形成了大量褶皺斷裂山地和大量小型斷陷盆地，并伴以巖漿活動，特別在東南沿海一帶花崗巖侵入和火山巖的噴發(fā)尤為劇烈，顯示了太平洋沿岸地帶構(gòu)造活動的加強(qiáng)。經(jīng)過燕山運(yùn)動，中國地貌的構(gòu)造格局已清晰地顯現(xiàn)出來。

⑤喜馬拉雅運(yùn)動:新生代地殼運(yùn)動的總稱。因形成喜馬拉雅山而得名。這一運(yùn)動對亞洲地理環(huán)境產(chǎn)生重大影響。西亞、中東、喜馬拉雅、緬甸西部、馬來西亞等地山脈及包括中國臺灣島在內(nèi)的西太平洋島弧均告形成，中印之間的古地中海消失。

在時(shí)空大背景下，各別的、具體的、大型的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動為人們描繪出地球運(yùn)動變化也即地球演化的歷史圖景，它成為人們推測思考地球未來變化趨勢的基本依據(jù)。

2.4　地質(zhì)作用系統(tǒng)

通過地質(zhì)作用概念的引入，我們明白了地質(zhì)作用的范疇;對局部的、個別的地質(zhì)事件的分析，我們看出了地質(zhì)作用的直接和簡潔;我們也知道地質(zhì)作用特別強(qiáng)調(diào)的是對相互性、相互作用的理解;對地球基本性狀以及大型構(gòu)造運(yùn)動的了解，讓我們掌握了地質(zhì)作用的基本層面和大尺度表現(xiàn)。所有細(xì)節(jié)的呈現(xiàn)和在整體中的功能、定位，都在幫助我們搭建認(rèn)識的系統(tǒng)框架。

對地質(zhì)作用的認(rèn)識和表達(dá)不完全是對地質(zhì)事件的純客觀描述，應(yīng)該容許語義的廣延和學(xué)習(xí)者的思維定勢，應(yīng)該在社會思維和科學(xué)思維之間做好溝通和打通，終歸，地質(zhì)作用分析是一種思維形式和分析表達(dá)，充分思考和多樣思考都是有益的。在學(xué)習(xí)思考時(shí)，商業(yè)化和功利化思想往往會進(jìn)入認(rèn)識和價(jià)值判斷里，只要我們能夠明確和清晰界定問題維度，它只會豐富和完善概念系統(tǒng)。

許多學(xué)習(xí)者對概念、詞匯都缺乏思索，長期的學(xué)習(xí)習(xí)慣造成對詞匯理解的狹義化、碎片化，終至于概念成為陌生的固化的名詞，只有確定的答案而沒有發(fā)散的思索過程，也就是只有內(nèi)涵，固化的內(nèi)涵，幾乎沒有了外延。

·學(xué)習(xí)討論

試問，某一個人有什么作用?

桌子有什么作用?

說話有什么作用?

思維又有什么作用?

我們回答的時(shí)候游移或者飄忽，我們不能確定地完整地回答所想表達(dá)的一切，或許可以充分說明部分。

以上純生活化的提問是一種語義域，而科學(xué)化的提問又是另一種語境，諸如物理作用?力的作用?燃燒的作用?

那么地質(zhì)作用是什么?

通過對地質(zhì)學(xué)的學(xué)習(xí)，我們應(yīng)該明白我們的對象是地質(zhì)，探尋的是作用。

對一般的生活化的作用意義的理解使得我們明白地質(zhì)學(xué)的作用及其意義是無窮無盡的，它能夠使得我們生存，能夠提供我們充足的生活意義，能夠?yàn)橐磺猩w提供所需，等等。如果我們更為學(xué)理化，更為科學(xué)化地思考，分門別類看作用的形式，那是難以盡數(shù)。我們能不能概括?

最大的概括是什么?

透過最簡單的力的作用這樣的分析，我們也試著對地球照貓畫虎。

我們必須有地球的概括，然后才有作用的概括。概括的地球就是一個球體。

前文已經(jīng)強(qiáng)調(diào):一切的作用它的本質(zhì)意義都體現(xiàn)在相互性上，這個應(yīng)該是我們抽象出的最重要的信息，離開了相互性，一切作用無從談起。

地球的相互性都有哪些?有孤立的地球嗎?

如果我們回到地球概論，詳細(xì)回看地球上豐富多彩的物質(zhì)類型、組織結(jié)構(gòu)，復(fù)雜的理化性質(zhì)，時(shí)空變化，它的作用無窮無盡。

拿起一塊石頭，我們就可以說出地質(zhì)作用，看見一面斜坡，依然可以說出地質(zhì)作用，聳立的山頭，深深的峽谷，蜿蜒的大河，涓涓的清泉，浩瀚的大漠，莽莽的叢林，都是地質(zhì)作用的表現(xiàn)形式。

這些就是地質(zhì)作用。它包含了所有的作用形式、種類，在時(shí)間維度上不斷變化，在空間維度上不斷變化，無始無終。以前的、現(xiàn)在的、未來的這一切構(gòu)成了地質(zhì)作用的全部。

其他的教科書或者資料，給了我們系統(tǒng)的回答(表2－4)。

表2－4　地質(zhì)作用分類

以上宏觀的大構(gòu)架的分類是基本的分類，也只是分類之一種，我們可以根據(jù)學(xué)科、技術(shù)性、工作需要、研究目的、階段性等不同層面而作特定的分類。

對地質(zhì)作用的學(xué)習(xí)不是簡單記下作用的類型，而是要深刻理解作用的恒久性、即時(shí)性，無所不在、無所不包，透過對普遍意義上的作用形式的理解，來指導(dǎo)我們對具體作用的分析和判斷，從而得到更為合理的答案;反之，觀一斑而知全豹，一葉知秋，也就是說，我們對具體細(xì)節(jié)的理解，又是我們返回整體了解全面的基礎(chǔ)。

學(xué)習(xí)和研究地質(zhì)作用不是讓我們不斷重復(fù)地球的地質(zhì)作用形式有哪些，而是要不斷分析各種自然現(xiàn)象，了解分析自然現(xiàn)象之間的聯(lián)系與作用，構(gòu)建起自然現(xiàn)象的無盡網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。面對對象要做到對其地質(zhì)作用的娓娓道來，既要客觀嚴(yán)謹(jǐn)?shù)赜^察，又要做到見微知著，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，邏輯推理，這些就是地質(zhì)學(xué)學(xué)習(xí)的根本所在，靈魂所在。

地質(zhì)學(xué)學(xué)習(xí)的一切都可以歸結(jié)為對地質(zhì)作用的理解和把握?？陀^的地質(zhì)作用系統(tǒng)又與人的分析思考系統(tǒng)走到一起，成為對象、學(xué)習(xí)研究、主體的統(tǒng)一體。作用的發(fā)現(xiàn)是無盡的，人的思考力也是不斷前進(jìn)的，這是一個開放的系統(tǒng)，直至我們了解更多的事實(shí)。

對自然的了解是科學(xué)的話題，而工程設(shè)計(jì)是有預(yù)期和強(qiáng)烈的目的性的，一切工程都不能脫離地質(zhì)作用系統(tǒng)，只有充分掌握地質(zhì)作用的類型和細(xì)節(jié)，充分考慮到這些影響，我們的設(shè)計(jì)才可能更為周到和安全，否則，不清楚的、忽略的任何一個問題都可能成為工程失敗的一個導(dǎo)火索。

2.5　外動力地質(zhì)作用

外能引起的地質(zhì)作用發(fā)生在地球表層。由外能引起地表形態(tài)和物質(zhì)成分變化的作用稱為外動力地質(zhì)作用，包括風(fēng)化作用、剝蝕作用、搬運(yùn)作用和沉積作用等。外動力地質(zhì)作用往往帶來地球的物質(zhì)成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地表形態(tài)的緩慢變化，稱之為地球演化的“漸變說”，其最終結(jié)果是把內(nèi)動力地質(zhì)作用帶來的凹凸不平變得區(qū)域平整，即所謂的“平原化”過程。在地質(zhì)歷史上，有多次的“平原化”過程，也有多次的隆升活動，在一些地方，往往會有多個夷平面殘留，有風(fēng)化殘積的夷平面、也有沉積作用形成的沉積平原夷平面等。

圖2－9　地質(zhì)作用的不同階段

圖2－10　地質(zhì)作用的不同類型

大約在200年前，人們還相信高山、湖泊和沙漠都是地球永恒的特征，可現(xiàn)在我們已知道高山最終將被風(fēng)化和剝蝕而被夷為平地，湖泊將被沉積物和植被填滿，沙漠則隨著小氣候的變化而行蹤不定，而生態(tài)環(huán)境的惡化導(dǎo)致的沙漠化、荒漠化又在不斷蠶食綠洲和沃野。地球上的物質(zhì)無時(shí)無刻不在運(yùn)動著。按外動力地質(zhì)作用的不同階段或者主導(dǎo)動力可分為風(fēng)化作用、剝蝕作用、搬運(yùn)作用和沉積作用四種(圖2－9)，按其動力來源則包括河流的地質(zhì)作用、地下水的地質(zhì)作用、湖泊和沼澤的地質(zhì)作用、海洋的地質(zhì)作用、冰川的地質(zhì)作用和風(fēng)的地質(zhì)作用等(圖2－10，圖2－11)。按照生物與氣候帶的主導(dǎo)性，可以分為極地作用圈、溫帶作用圈、熱帶作用圈，都有各自明顯的地質(zhì)作用力。而生物的地質(zhì)作用在地表系統(tǒng)里是巨大和深刻的作用力，從微生物到動植物活動，再到人類活動，是細(xì)微、劇烈，廣泛、普遍，充滿了能動性和多變性，是不可忽視的強(qiáng)烈地質(zhì)作用力。

在日常的工程實(shí)踐中，明顯的可見外動力地質(zhì)作用因子有溫度(尤其是高溫和低溫以及變幅)、濕度(絕對濕度和相對濕度)、風(fēng)(主要是強(qiáng)風(fēng)、颶風(fēng))、雷暴、降水(降水類型、暴雨、大雪等)、結(jié)冰與凍融、沙塵暴、泥石流、滑坡、崩塌、動植物擾動、河灣、激流、瀑布與跌水、地下水、泉、暗河、洞穴、松散堆積層、人類工程的相互擾動等。這些影響因子更多地以綜合性的力的作用施加于環(huán)境以及工程結(jié)構(gòu)體上，極限的方式是直接破壞環(huán)境或者摧毀建筑物;其次以物理的、化學(xué)的、生物的風(fēng)化造成環(huán)境漸變和工程結(jié)構(gòu)體的損壞，最終破壞工程結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定。

圖2－11　不同的外動力作用場景

2.6　內(nèi)動力地質(zhì)作用

內(nèi)動力地質(zhì)作用是有別于來自地球外三圈的各種作用力和星際的作用力的一種內(nèi)源性的作用力。如我們所見的地震，雖然誘因也可能來自外源，但是巨大的內(nèi)部壓力釋放是地震的直接原因。這些內(nèi)源性的動力形式多樣，作用方式也多種多樣。我們覺得驚駭?shù)哪切┤绲卣?、火山、大斷裂等是明顯而劇烈的，也有許多的作用、變化是不知不覺進(jìn)行的。如板塊的運(yùn)動，高山的隆升，洋殼的俯沖，變質(zhì)作用，巖漿形成等。內(nèi)動力地質(zhì)作用雖然巨大，范圍深廣，但是人們可以觀察到的只有在地表的表現(xiàn)，與外動力地質(zhì)作用共用一個地表表層活動空間。目前對人類工程建筑造成危害的，主要是地震和深大斷裂?；鹕交顒又饕诨鹕綆Оl(fā)生，更多的火山活動在一些島嶼以及洋底，相對遠(yuǎn)離人類。

內(nèi)動力地質(zhì)作用的類型主要是以下這些類型。

①構(gòu)造運(yùn)動。是指由內(nèi)部能源引起地球物質(zhì)運(yùn)移并導(dǎo)致巖石圈內(nèi)或整個地球結(jié)構(gòu)的變化，形成各類大區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)和變形的作用，曾稱地殼運(yùn)動。它是地表變化和巖石圈內(nèi)地質(zhì)體的大尺度變形方式和過程及其時(shí)空分布規(guī)律產(chǎn)生的原因。對不同的構(gòu)造成因的認(rèn)識，有著不同的地球構(gòu)造假說或?qū)W說，如地球收縮說、地球膨脹說、大陸漂移說、地槽地臺學(xué)說和板塊構(gòu)造學(xué)說等;另一方面又與比較具體的構(gòu)造形態(tài)相聯(lián)系，如褶皺運(yùn)動、斷裂運(yùn)動、地裂運(yùn)動、造山運(yùn)動、造陸運(yùn)動等。按地殼運(yùn)動的方向可分水平運(yùn)動和升降運(yùn)動。同一地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動的方向隨著時(shí)間推移而不斷變化，某一時(shí)期以水平運(yùn)動為主，另一時(shí)期則以垂直運(yùn)動為主，且水平運(yùn)動的方向和垂直運(yùn)動的方向也會發(fā)生更替。

著名的東非大裂谷(圖2－12)就是以水平運(yùn)動為主的運(yùn)動。被稱為“地球上最大的傷疤”的東非大裂谷，位于非洲東部，南起贊比亞以南;向北經(jīng)馬拉維湖分為東、西兩支。東支沿維多利亞湖東側(cè)，經(jīng)坦桑尼亞、烏干達(dá)，穿越埃塞俄比亞高原入紅海，再由紅海北上入亞喀巴灣抵約旦地溝。西支沿維多利亞湖西側(cè)，循扎伊爾國界延伸到烏干達(dá)北部，抵尼羅河上游谷地。裂谷寬約幾十至200km，深達(dá)1000～2000m，谷壁如刀削斧劈一般。3000萬年前的地質(zhì)運(yùn)動讓它貫穿東非，總長超過8000km。這條長度相當(dāng)于地球周長1/6的大裂谷，氣勢宏偉，景色壯觀，古往今來不知迷住了多少人。根據(jù)上世紀(jì)60年代美國“雙子星”號宇宙飛船的測量，裂谷北段的紅海擴(kuò)張速度達(dá)每年2cm;在非洲大陸上，裂谷每年加寬幾毫米至幾十毫米。

圖2－12　東非大裂谷

圖2－13　珠穆朗瑪峰

1978年11月6日，地處吉布提的阿法爾三角區(qū)地表突然破裂，阿爾杜科巴火山在幾分鐘內(nèi)突然噴發(fā)，把非洲大陸同阿拉伯半島又分隔開1.2m。科學(xué)家預(yù)言，如果照這種速度繼續(xù)下去，再過2億年東非大裂谷就會被徹底撕裂開，“分娩”出新的大洋。已有的紅海和大西洋就是這種擴(kuò)張運(yùn)動的產(chǎn)物。

垂直運(yùn)動的典型例子就是喜馬拉雅山以及它的代表珠穆朗瑪峰(圖2－13)。

喜馬拉雅山是世界上最高大最雄偉的山脈。它聳立在青藏高原南緣，分布在中國西藏和巴基斯坦、印度、尼泊爾和不丹等國境內(nèi)，其主要部分在中國和尼泊爾交接處。西起青藏高原西北部的南迦帕爾巴特峰，東至雅魯藏布江急轉(zhuǎn)彎處的南迦巴瓦峰，全長2450km，寬200～350km。

喜馬拉雅山脈是由印澳板塊與歐亞大陸板塊碰撞形成的。印度板塊仍在以每年大于5cm的速度向北移動，喜馬拉雅山脈仍在不斷上升中，同時(shí)還處于板塊邊界碰撞型地震構(gòu)造帶上。據(jù)最新測定數(shù)據(jù)表明，珠穆朗瑪峰平均每年增高1cm。

據(jù)地質(zhì)考察證實(shí)，早在20億年前，喜馬拉雅山脈的廣大地區(qū)是一片汪洋大海，稱古地中海，它經(jīng)歷了整個漫長的地質(zhì)時(shí)期，一直持續(xù)到3000萬年前的新生代早第三紀(jì)末期，那時(shí)這個地區(qū)的地殼運(yùn)動，總的趨勢是連續(xù)下降，在下降過程中，海盆里堆積了厚達(dá)30000m的海相沉積巖層。到早第三紀(jì)末期，地殼發(fā)生了一次強(qiáng)烈的造山運(yùn)動，在地質(zhì)上稱為“喜馬拉雅運(yùn)動”，使這一地區(qū)逐漸隆起，形成了世界上最雄偉的山脈，僅在第四紀(jì)冰期之后，它又升高了1300～1500m。經(jīng)地質(zhì)考察證明，喜馬拉雅的構(gòu)造運(yùn)動至今尚未結(jié)束，還在緩緩地上升之中。

②巖漿及火山作用。巖漿通常是指40～100km深處、呈高溫黏稠狀的、富含揮發(fā)組分、成分復(fù)雜的硅酸鹽熔融體。巖漿在高溫高壓下常處于相對平衡狀態(tài)，但當(dāng)?shù)貧み\(yùn)動使地殼出現(xiàn)破裂帶，或其上覆巖層受外力地質(zhì)作用發(fā)生物質(zhì)轉(zhuǎn)移時(shí)，造成局部壓力降低，打破了巖漿的平衡環(huán)境，巖漿就會向低壓方向運(yùn)動，這種現(xiàn)象稱為巖漿活動。當(dāng)其侵入地殼上部或噴出地表冷凝而成的巖石稱巖漿巖，巖漿巖是構(gòu)成巖石圈的主要巖石;當(dāng)巖漿沿地殼軟弱地帶噴出到地表，形成火山噴發(fā)，就成了火山作用。巖漿活動還使圍巖發(fā)生變質(zhì)現(xiàn)象，同時(shí)引起地形改變。

③變質(zhì)作用。由于地殼運(yùn)動、巖漿作用等引起地殼物理和化學(xué)條件發(fā)生變化，促使巖石在固體狀態(tài)下改變其成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的作用。組成地殼的巖石都是在一定的地質(zhì)作用和條件下形成和存在的，它們必然處于不斷地運(yùn)動、變化和發(fā)展之中。地殼中已經(jīng)形成的巖石由于其所處地質(zhì)環(huán)境的改變，在新的物理、化學(xué)條件下，就會發(fā)生礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造等多方面的改造與轉(zhuǎn)變。由地球內(nèi)力作用下，隨著物理、化學(xué)條件的改變，地下的固態(tài)巖石因受溫度、壓力及化學(xué)活動性流體的影響，其原巖組分、礦物組合、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等發(fā)生轉(zhuǎn)化即形成多種不同類型的變質(zhì)巖。

④地震作用。地震是地殼快速振動的現(xiàn)象，地殼運(yùn)動和巖漿作用都能引起地震。巖石中蓄積的應(yīng)變能以彈性波形式突然釋放而引起的地球內(nèi)部的快速顫動。地震發(fā)源于地下深處，傳播而波及地表。地震是地內(nèi)物質(zhì)運(yùn)動的表現(xiàn)之一。絕大多數(shù)地震是構(gòu)造運(yùn)動使巖石斷裂而引起的。

內(nèi)動力地質(zhì)作用是巨大的，在一定時(shí)間段內(nèi)是相對穩(wěn)定的，觀測地應(yīng)力可以明確地下巖體土體的壓力趨勢，對于巖體土體的破壞、工程的抗剪切性研究提供基本依據(jù);地震效應(yīng)可以在已有的破壞里找到證據(jù)，為工程設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)證據(jù)和資料。地下的熱異常，特殊的化學(xué)活動，特殊的重力場等都是工程設(shè)計(jì)不可忽略的基本因素。

實(shí)訓(xùn)材料:

我們可以試著分析以下現(xiàn)象中的地質(zhì)作用(圖2－14)?，F(xiàn)象、形象的意義不盡一致，我們應(yīng)該力爭找到形象的作用，具體的形象的相互作用，抽象的作用也是來自于形象，不能離開形象而存在，因而，我們對地質(zhì)作用的學(xué)習(xí)應(yīng)該永遠(yuǎn)把形象觀察與形象思維放在第一位。

圖2－14　不同的地質(zhì)現(xiàn)象

【思考題與習(xí)題】

1.簡單總結(jié)地球概況。

2.什么是地質(zhì)作用?

3.地質(zhì)作用的類型有哪些?

4.針對具體地質(zhì)現(xiàn)象如何分析地質(zhì)作用?