海洋地球物理学与地球科学革命

海洋地球物理学与地球科学革命

海洋地理学是海洋科学的基础学科，其研究成果对海洋科学发展中的许多重要问题的解决起到了重要作用。地球表面的71%是海洋,可以说,地球是一个表面被海水包围的星球。正是由于被海水覆盖,人们研究海洋地质学就不能像研究陆地地质学那样直接去野外观察,而必须通过其他手段去间接地研究,海洋地球物理学的应用正是这种间接手段。所以,海洋地质学的研究与发展,必须依靠海洋地球物理学的发展和研究成果。海洋地质学的奠基人是JMurray。1872—1876年间,英国“挑战者”(R/VChallenger)考察船在全球大洋进行了一次划时代的科学考察,航程127653km,在362个站位上采集了6200个底质样品。考察由生物学家CWThomson领导,苏格兰自然学家JMurray随船考察。根据这次考察的成果,1891年由JMurray和AFRenard共同编写并出版了一部科学巨著——《深海沉积》;1912年,JMurray和JHjort合作又出版了另一部著作——《大洋深处》。继“挑战者号”全球海洋考察之后,美、荷、德、前苏联等国的科学考察船相继在不同海域进行了海洋考察工作,特别是第二次世界大战爆发之后,战争的残酷和海洋战略地位的重要性,激发了西方国家纷纷加强海洋科学研究,这些研究工作促进了海洋地质科学蓬勃发展。在海洋地质学的发展过程中,科学技术的进步、海洋地球物理方法的发展,才有了海洋地质学的进步。特别是20世纪60年代以板块构造假说的诞生为标志的地球科学革命,是海洋地球物理学理论和应用发展的结果。本文概述了海洋地球物理学理论研究和技术方法的进展,海洋地质学家对海洋构造认识的深入,以及由此掀起的地球科学革命。1海洋地球物理调查是研究海洋社会学的重要手段地球物理学是用物理学理论和方法研究地球内部构造和结构,包括位场理论和波动理论。位场理论包含地球重力场、磁场、温度场、自然电场及直流电场,相应科学分支有重力测量、磁力测量、地热流测量和电法测量;波动理论包括声学理论、地震波理论和电磁波理论,相应的科学分支有水深测量、地震测量和电磁测量。水深测量包含单波束和多波束水深测量,地震测量则包含地震剖面测量、单道地震测量、多道地震测量、三维地震测量、四维地震测量和折射地震测量。我国陆地面积960万km2,海域管辖面积300万km2。因此,应该说我国是一个海洋大国。自1994年联合国海洋法生效后,世界上还有很大面积的公海,我们应该积极到公海去取得更多地利用公海资源的权益和资源。海洋里有丰富的资源,如石油、天然气水合物、固体矿产(如多金属矿藏、硫化物矿藏等)、生物资源等。海洋的面积大、资源量很大。因此,各国特别是发达国家对海洋资源的争夺日趋激烈,海洋地球物理调查是研究海洋地质学的一个非常重要手段,应密切关注它的发展趋势。海洋地球物理调查方法包括:(1)地震方法(反射、折射);(2)重力测量方法;(3)磁力测量方法;(4)地热测量方法;(5)水深测量方法(单波束、多波束);(6)电磁测量方法。下面,我们重点讨论几种与海洋地质学发展密切相关的地球物理方法。1.1美国哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测所kraft海洋地震方法分两类:一是利用设在岸上或海底的地震仪记录天然地震的资料,在对资料处理和解释后,了解海底的地质构造及地球内部的结构;另一种是人工地震方法,用人工地震震源激发地震波,向地下传播之后,在地下不同波阻抗界面上反射或折射回来,用地震电缆内的水听器接收,再记录在地震仪上,然后对资料进行处理,研究地球浅层的结构与构造。海洋地震方法是在调查船上进行的:船上须配备导航定位系统以便正确给出测量位置;要装备一组地震震源(目前大都是组合气枪)用于激发地震波;安装接收返回地震波的装置,目前大都用充航空煤油的水听器电缆,或是噪音很小的固体水听器电缆。在做二维地震调查时用一条水听器电缆,做三维地震探测时用多条水听器电缆。海上地震调查开始于20世纪50年代初,美国哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测所的所长尤因教授(MEwing)在研究墨西哥湾地质构造时,首先在海上做人工震源海上地震调查工作,发现在沉积层之下存在一高速层,推测是盐层。后来他推动深海钻探(DSDP)试钻,发现沉积层之下有一较高速度层是盐层,证明他们的解释是正确的。1962年,Magyne首次在墨西哥湾用单船采集了共深度点地震反射(CommonDepthPoint,CDP)资料,并进行了多次叠加处理,得到了信噪比高的地震反射剖面。他由此开创了海洋共深度点多次叠加地震反射方法的先河,为海洋地质研究和石油等矿产资源勘探带来了一个强有力的工具。20世纪70年代,美国哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测所科学家Stoffa(1979)设计了双船地震方法,用两条地震船工作(每条船拖2.4km长的水听器电缆)将排列长度扩展到8km,从而使勘探深度超过30km。90年代,该所科学家在尤因(Ewing)号船上设计了6km长的数字电缆,150L气枪阵,配合OBS,得到地壳的反射剖面和速度结构。1985年,通过合作,广州海洋地质调查局和美国拉蒙特-多尔蒂地球观测所的科学家在南海北部做了双船地震测量,勘查了这一地区的地壳深部结构。20世纪80年代,英国剑桥大学科学家组织了大不列颠反射剖面联合会(BIRPS),用4.5km长地震电缆,80～196L气枪阵,得到莫霍面(35km)和岩石圈底界面(90km)的反射波。由于海洋石油勘查工作的需要,石油工业界大力发展海洋地震勘探方法,新设备和新方法日新月异。目前,多缆三维地震调查已成为普通方法。结合油气开发的需要,四维地震勘探就应任而生,空间(三维)加上时间,就是四维,四维地震勘探可以随时了解油气储藏构造中的油气动态。在做四维地震勘探时,地震电缆内装有水听器和检波器,将电缆长期放在海底上,用带有地震震源和记录仪器的地震船,随时可做地震调查,了解地下油气的开发动态。为了调查高速屏蔽层(如盐层或火山岩层)下的油气资源,目前还发展了双震源双地震电缆的地震勘探方法。为了研究地下构造的详细结构和构造,海洋地球物理学家也开始使用三维地震方法,如美国拉蒙特-多尔蒂地球观测所的科学家为了了解东太平洋海隆(活动扩张中心)之下的岩浆囊之大小和形状,做了三维地震调查,但结果还没有发表。1.2测重力的测量方法海上重力测量是将陆地重力仪搬到潜水艇上进行的。1929年,荷兰地球物理学家维宁·迈尼兹(VeningMeinesz,1929)用他所改进的用于不稳定地面之摆式仪器(迈尼兹摆)装在潜艇上做海上重力测量,这种仪器由3个周期近似的重力摆组成,上面装有记录用的镜子。还有一种测量方法是用潜水钟,由人带着重力仪随潜水钟下到海底,测量重力值。上述方法只能在浅水区测量,因为潜水艇和潜水钟不能在深水区工作。20世纪60年代,出现了格拉夫-阿斯卡尼亚弹簧式重力仪,整个测量部分装在以垂直陀螺仪为标准并能自动跟踪它的水平稳定台上,因此,能消除上下摇动加速度。另一使用普遍的重力仪是拉科斯特重力仪,测量重力的元件是零长弹簧。仪器装在由驼螺仪控制的平台上(LaCosteandHarrison,1961)。这种重力仪是装在调查船上,都装有陀螺仪平台,用以消除船舶摇摆的加速度,可以连续测量,测量精度和调查速度提高很多,因此,可以在全球海域工作。目前我国使用的是从德国引进的海洋重力仪KSS-31型,包括传感器和陀螺平台、KE-31平台控制单元、PS31电源、CE31加热单元和存储单元等,在使用差分全球定位系统(DGPS)时,测量精度可达1mGal。另外,海上广泛应用卫星重力测量技术,有两种模式。一种是以卫星为载体,将卫星本身作为重力传感器或利用卫星携带的观测仪器(加速度仪、精密测距系统、雷达测高计和重力梯度仪等),通过观测卫星轨道摄动或相关参数,以确定地球重力场的方法和技术;另外,一种是在卫星上安置雷达测高仪或激光测高仪,直接测定卫星至其在海洋面星下点的距离(由于波束的发散影响,星下点实为一定范围的圆形区域,此距离为其平均距离),根据卫星的轨道位置并考虑到海潮、海流、海风、海水盐度及大气压等因素的影响,推算出海洋大地水准面高,并进而计算出海面重力场。由卫星重力可以得到全球的卫星重力异常,因而推动了全球构造,特别是海洋构造的研究。目前,美国DavidTSandwell(加利福尼亚大学斯克里普斯海洋协会)和WalterHFSmith(美国国家海洋与大气局卫星测高实验室)两位教授由卫星重力数据推算了全球重力异常,在海域数据网度为1′×1′、总精度可以达到3.03mGal,局部地区可达1.8mGal。在陆地,数据网度为5′×5′、总精度可以达到4.125mGal。1.3船舶磁场观测系统的发展海洋磁力测量工作是将磁力仪装在船上进行地球磁场测量。中国在11世纪已知磁铁不指向地理北方,12世纪发明了罗盘;16世纪若奥·得卡斯特(JoaodeCastro)在海上系统地调查了磁偏角;1700年埃德·蒙哈利(EdmondHalley)编制了最早的大西洋等偏线图;1819年汉斯廷(Hansteen)编写了第一张地磁水平分量和世界地磁总强度分布图;由于钢铁船有磁性,因此,又制造了木制船加利莱(Calilee)号(1905—1908)和卡内基(Carnegie)号(1909—1929)在全世界海洋中进行了地磁观测工作;1956年,前苏联的曙光(Zarya)号继续在海洋中开展磁测工作;1960年开始了地磁计划(ProjectMagnet),作为世界地磁测量(WorldMagneticSurvey)的一部分,在全世界进行了地磁三要素的测量工作。目前,海洋磁力测量时将磁力探头装在电缆尾部,与调查船的距离大于船长的三倍,因此,船舶磁场的影响可以忽略不计。这样就可以在海洋中连续测量。1.4海洋地热学的研究地热流是地球内部穿过地壳而流出地表的热流量。1949年,布拉德(Bullard)研究出在海上测量热流的设备和方法,1952年首次在大西洋进行了海洋地热流测量]。此后,日本东京大学海洋研究所、美国斯克里普斯海洋研究所和拉蒙特-多尔蒂地球观测所等单位,分别用自己发明的地热流测量仪在世界各大洋进行了海洋地热流测量。地热学的研究一般包括如下内容:(1)观测地热流值;(2)研究地球内部物理和化学变化环境的温度状况,并讨论地球内部的热平衡;(3)根据原始地球模型研究地热在地球发展历史中的作用。海洋地区地热流分布有如下特征:(1)就平均值而言,大洋地区和陆地大约相近;(2)陆地在新生代岩浆活动地区热流值高,老而稳定地区热流值低,而海洋地区在大洋中脊地区热流高,洋盆内部低;(3)岛弧地区具高热流值,高热流带的外部边缘与火山带前缘一致;(4)海沟地区热流值低,与岛弧高热流带相距很近。1.5海洋声脉冲测量在海洋科学考察中,早期的水深测量都是用重锤单点测量,即将绳索头部系一重锤,放入水中,当重锤接触海底时,量入水绳索长度,即得该处水深。这种方法测量水深的误差较大,效率低。然而,直到20世纪20年代才出现回声测深仪,利用船上声波发射设备(换能器),向海发射声波,到达海底的声波被海底反射回来,由船底换能器接收。由于海水中的声速函数已知,利用其双程时间可得到该处的水深。海洋声学研究表明,频率小于50kHz的声波在水中衰减较慢。因此,在海洋水深测量时,一般采用10～15kHz的声脉冲比较合适;陆架浅水地区可用高一些频率的声脉冲。用回声测量仪比过去绳索测量,不仅速度快,而且精度高得多。20世纪60年代,美国海军开发了利用船底及两侧的声纳传感器测量海底成带状的水深。1985年,作者参加了美国哥伦比亚大学和英国伯明翰大学合作研究巴巴多斯外的巴巴多斯增生楔的船上测量工作,水深测量用的是罗得岛大学研制的多波束水深测量仪,由于当时计算机技术的限制,只能得到等深曲线图。后来,由于计算机技术的进步,多波束测深系统(Seabeam)有了很大改进。在海上工作时,设计多波束测深系统的航线间的间隔满足扫描宽度之间有重叠,这样可得到海底的详细水深和地貌图,使地质学家能够研究海底地貌成因及构造地貌。可见技术进步促进了地质学研究的深入发展。1.6地下电阻率的测量由于地下许多地质体具有不同于周围环境的电学性质,因此,用电法测量可得到许多地质构造信息。如地下热流体、火成岩融体、多金属硫化物及沉积矿藏等,它们的电阻率低,用电法调查可探查它们。尤其是那些深埋的小型异常区和密度、地震波速度、磁化强度与围岩之差异很小的地区,电法调查是非常有用的调查方法。测量结果用电阻率表示,或用电阻率的倒数-电导率表示。大地电阻率的变化可通过测量天然低频磁场和电场时得到,海洋电磁场通常用不同的仪器设备各自独立得到。测量磁场时,将磁力仪置于距海底1m的三角架上,一般连续记录6个月,采样率设为每分钟32次,场变化为0.1～0.2nT。由于大地电场和磁场与电阻率有一定关系,由此可得到地下电阻率。后来,又出现了人工激发的大地电磁测量方法,如海洋可控源电磁法。2海底扩张的历史1912年,气象学家魏格纳(AlfredWegener)从大西洋两岸的相似性,提出了大陆漂移假说。他认为地球表层存在大规模的水平运动,中生代以前地球上只有一个大陆和一个海洋,分别称之为泛大陆(联合古陆)和泛大洋。中生代以来,联合古陆分裂,并逐次漂移,形成今日的各大陆及大洋之格局。后来他逐步用古生物、古冰川、蒸发岩、珊瑚礁、红层和煤层等地质与古气候标志,进一步论证了他的假说。但是,对于大陆漂移的动力,以及大陆是否能移动,由于当时科技水平的限制,以及当时对地球内部认识的限制,他无法给出正确的解释,这也正是他的学说受到固定论者攻击的要害之处。许多地球物理学家则认为,地球表层岩石层之间结合紧密,是不能流动的,因此也反对大陆漂移假说。20世纪50年代,大陆漂移学说获得了古地磁资料的证据,如根据剩磁资料,得出印度孟买城自60Ma以来向北漂移6000km。英国地球物理学家SKRuncorn根据古地磁极位置在不同地质时代的变化,可得到大陆在地质时代的古地磁极迁移轨迹,发现欧洲大陆和北美大陆的磁极在现代交于一点,随着时代变老,它们逐步分开。这些资料初步证实大陆漂移学说的正确性。1959年,在美国哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地质观测所(现在更名为地球观测所)所长尤因教授(MauriceEwing)的领导下,实施一个重大研究计划,用约600t的调查船维玛号(R/VVEMA)沿大洋中部地震带(作者在上大学时,1963年傅承义教授在讲固体地球物理学时还是这样说的)进行包括单道地震、重力、磁力、水深测量等综合地球物理调查,海上工作一年多,发现这里存在连结各大洋的一条长达60000km之裂谷带,它是和大洋地震带重合的。这是一件非常振奋人心和非常重要的发现。这条裂谷带后来被板块学说创建者作为海底扩张中心而提出了海底扩张假说。此后不久,拉蒙特的JEwing教授(MEwing的弟弟)在大洋内做地震反射调查,发现洋底沉积比较薄,而且洋脊附近沉积很薄,离洋脊愈远,沉积逐步加厚(图1),因为大洋的沉积速率很小,并且速率变化不大,这基本说明洋壳年龄由洋脊向两边逐步变老。图1中,沉积厚度是根据反射地震剖面确定的,而地壳厚度是根据重力资料计算出来的。由图可见,洋壳厚度仅数千米,而陆壳厚度达30千米以上,说明大陆地壳和大洋地壳存在很大差别。20世纪50年代,地球物理学家梅森(Mason)于1955年在美国西海岸外进行了海洋地磁测量,测网为间隔5英里的网络状,使用的是磁通门式磁力仪。此后,拉夫和梅森又扩大测区,编制了测区磁异常图(图2)。从图看出,在南北方向上,正负磁异常振幅达800nT,最大达1000nT。60年代初,狄茨和赫斯将地幔对流说和大陆漂移说结合起来,分别提出了海底扩张假说。此后不久,凡因和马修斯将海底的移动和地球磁场在地质时期曾发生多次倒转结合起来,讨论洋中脊处涌出来的地幔物质冷却形成新洋壳时,在当时地球磁场方向上被磁化,并逐步远离中脊。因此,地球磁场变化的历史被海底记录下来,这就是由观测得到的地球磁场异常条带(图2)。凡因和威尔逊假设北美西海岸外的胡安-德富卡海脊上之扩张速率为1.5cm/a,计算结果表明,这里观测的地磁异常条带与地球磁场倒转的历史是一致的。大洋岩石圈在扩张中心不断产生,随着时间不断向洋中脊的两方传送,如果这个过程一直进行下去,那么,地球表面大洋的面积将不断加大。因此,地球表面将不断膨胀,这与地球上的事实不符。那么,增生的大洋岩石圈到那里去了呢?地震学家早就发现,环太平洋海沟至陆侧斜坡处,存在强烈地震带,震中分布从海沟向下直至700km深处,倾角通常为45°,一般在15°～90°之间变化。美国地震学家贝尼奥夫在20世纪50年代对此地震带进行过详细研究,因此,地震学界以他的名字命名此地震带。海底扩张学说诞生后,地球科学家想到贝尼奥夫带,推测是大洋岩石圈从海沟处向下俯冲,逐步消亡在地幔深处,在向下俯冲时,由于大洋岩石圈与上覆大陆岩石圈发生摩擦,产生地震,贝尼奥夫地震带就是证据。至此,板块构造学说完整地诞生了,大洋岩石圈在洋中脊不断产生,推动其两翼不断向洋脊的两边运动;在贝尼奥夫带的海沟处,大洋岩石圈不断地向下俯冲,逐渐消亡在上覆大陆岩石圈之下的地幔深处。当大洋岩石圈俯冲完毕之后,大洋消失了,两边的大陆岩石圈发生碰撞,形成一条造山带。俯冲带的增生楔就存在于造山带中,这就是大陆增生。在地质时期,这个过程一直在进行,因此,地球上不存在年龄大于1.8亿年的大洋岩石圈。地球上,大陆最老的年龄可达38亿年,和大陆相比,大洋是很年青的。1968年,几乎是同时XLePichon、DPMcKenzie、RHParker、WJMorgan与JCoulomb各自独立出版了有关板块构造假说的书,各自讨论了新诞生的板块学说之内涵及运动过程。这个假说认为,地球表层分若干刚性球面块体,即板块(plate),地球科学家称之为岩石圈板块(lithosphericplate)。此后,板块学说上陆了,对造山带的概念有了飞跃的发展;对沉积盆地、火山岩、变质岩的成因有了新的解释。由此地球科学出现了一场变革性的大革命。3古登堡对板块学说的认识由于第二次世界大战中的需要,海洋勘查技术有了飞速的进步,战后海洋地球物理学家在大洋中开展了大量调查,得到许多新资料,在对这些新资料的解释过程中,对海洋构造的认识有了飞跃进步,诞生了板块构造学说。板块构造理论在海里产生,当它上陆后,对造山带、沉积盆地、火成岩活动等之解释发生了质的变化和巨大进步,对整个地球科学产生了巨大振动,从而带来一场地球科学的大革命。在这场地球科学大革命中。海洋地球物理学家冲锋在前,起到了排头兵的带动作用。海洋地球物理学家勒皮雄(XLePichon),1985年回忆他1959年第一次到美国哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测所见到他的博士导师、该所所长尤因(MEwing)教授时,尤因对他说,必须到大洋里去研究海洋学(Oceanographyhastobelearnedatsea)。他照听师意,参加了“R/VVEMA”号船的大洋地震带调查计划,在船上工作了8个月,从而发现了大洋中脊。此后成为了著名的板块构造学家。由此可见,一个海洋地球物理学工作者或地质工作者,首先必须到海洋里去,参加海洋调查工作,在工作过程中不断积累资料和经验,不断思考,才能不断成长,才能有新发现。20世纪50年代初,著名的美国地球物理学家古登堡发现,地震波的速度在地下80km处开始减小,但幅度不大;从80到150km这个深度间隔中地震波速度幅度变小但速度保持不变,从150km开始速度迅速增加。他认为地下80～150km深度间隔中,温度达到岩石发生部分熔融,从而引起地震波速度减小,他将从地表到80km深的地球圈层称为岩石圈(lithosphere),其下部厚约70km的圈层为软流圈(asthenosphere)。古登堡教授的发现为十年后的海洋地球物理学家和地质学家,提供了地球表层存在岩石圈和软流圈的重要地球内部资料,由此想到了岩石圈板块在下伏软流层上产生运动,最终诞生了板块构造学说。这一点很重要,当20世纪初期,魏格纳提出大陆漂移假说时,反对他的不仅是坚持固定论的地质学家,更有许多地球物理学家也坚决反对。因为地球物理学家是从物理学的原理来研究固体地球的,他们所用的工具是力学和热力学方程。他们坚信,地下固体岩石是不能发生流动的,因此不会发生大陆漂