第一章 科学意义与战略价值

第一节 学科发展与科学意义

一、当代地球科学的主导学术思想与理论

板块构造理论及其地球构造观是当代世界地球科学主导的学术思想与理 论，指导与引领着现代地球科学各个分支学科的研究与发展。显然，它在地 球科学，尤其固体地球科学中占据主导地位，发挥着重要的科学引领作用。 因此，在人类整个科学体系与社会发展中，它具有重要的科学意义和战略指 导作用。板块构造学说是关于地球岩石圈的组成、结构、形成演化的大地构 造理论，是地球科学各分支学科研究的理论基础与学术指导思想。它是在 20 世纪中期，于第二次世界大战及之后，在世界海洋地质的研究中，通过海洋 探测的重大发现，从而提出海底扩张，进而创建了板块构造理论（尹赞勋， 1978；Condie，1997）。板块构造学说的提出，引发了一场地球科学革命，改 变了在地学界长期占统治地位的地球大地构造观，代替了从 18 世纪后半期 至 20 世纪上半期占据地学主导地位的、以固定论为特征的地槽 - 地台大地 构造假说。板块构造学说以崭新的活动论作为全球统一的认知观，深刻阐明 了地球层圈结构、岩石圈块体绕球面的物理运动、壳 - 幔物质交换等，使地 球科学面目一新，发生认知上的根本性变革；也使地球科学，尤其是固体地 球科学发展至一个新的阶段。板块构造学说对人类科学技术的发展，特别是对地球科学而言，具有历史性、里程碑式的变革作用与意义，被世界科学界 誉为与生命科学领域的进化论、物理科学领域的量子力学同等重要的三大科 学成果，指导了人类对自然世界的认识，成为人类科学技术发展的标志性成 就。在今后相当长的历史时期，板块构造学说仍将会是地球科学的主导基本 理论，继续发挥着理论指导的战略作用。

二、新的挑战、突破与重大科学意义

科学是不断发展的。正如当代物理科学的发展，面对宇宙暗物质和更 微观世界问题，人们正在通过思考与讨论相对论与量子力学的存在问题，去 探讨物理学的新发展。在人类认知世界宇宙的认识长河中，追求真理的过程 总是在不断更新前进与深化发展的，总是在不断逼近客观真理的道路中前 进。对于在当代地球科学中占据主导地位的板块构造理论来说，在经历了半 个多世纪的发展与应用后，人们逐渐发现，板块构造理论虽然较好地解释与 认知了地球外层岩石圈的形成与演化的物理运动，尤其关于大洋岩石圈板块 构造的发生、发展与演化，为人类社会发展所需求的资源能源预测、环境改 善、灾害治理等提供了新的理论支撑，并做出了重大贡献，但当板块构造理 论“登陆”并解读认知大陆问题时，却遭遇到一系列的难解之谜，暴露出其 理论的不完整性与局限性，不能完全解释和回答大陆的一些基本问题，不能 完全地从本质上认知大陆（李晓波，1994a；Keith，2001；Pollard，2003；

O’Neill and Debaille，2014）。于是，板块构造理论面临着一场新的巨大 挑战。以 20 世纪 80 年代晚期美国提出的为期 30 年的“大陆动力学”国家 研究计划为标志，英国、德国、法国等世界发达国家均将大陆动力学列为 优先资助和发展领域，开展了新的规划与研究（NSF，USA，1991，1992； British Geological Survey Natural Environment Research Council，2005；U.S. Department of the Interior U. S. Geological Survery，2006）。我国国家自然科学 基金委员会和相关部委也于 20 世纪 90 年代开始，将大陆动力学列为优先和 前沿研究领域。因此，从 20 世纪 90 年代到今天，发展板块构造理论、研究 大陆动力学，一直是国际地学发展的优先和重大前沿问题。在此期间，美国 相继完成了多部国家科学发展战略咨询报告，如“地球科学发展机遇”“板 块科学研究发展的新航程”“地球的起源和演化：变化行星的研究问题”等， 皆将板块构造与大陆问题列为重大科学问题。在 21 世纪固体地球科学的十大 研究问题中，就有“地球如何拥有板块构造和大陆”的问题。由此可见，在当代地球科学的发展过程中，深化发展板块构造，研究大陆动力学，是突出 的、重大的、前沿的基本科学问题。

大陆是地球外层洋 - 陆两大基本构成单元之一，是地壳的基本组成部分， 也是人类赖以生存发展的基础。当代人类社会可持续发展面临的重大问题包 括全球气候变化、资源与能源的需求、环境保护与灾害防治等方面，这些都 急需地球科学对大陆形成与演化规律的新认知，提供新的理论支撑。如上所 述，当代地球科学正面临着一个基本理论发展与突破的难得机遇。深化发展 板块构造理论，突破局限，探索与认知大陆及其动力学，构建囊括板块构造 在内的新的地球构造观已是大势所趋，且条件渐熟。深化发展板块理论，探 索研究大陆问题，必将引领与推动地球科学取得新的重大发展。

大陆问题一直是地球科学的基本科学问题，也已成为当代地球科学发 展与理论突破的核心问题（张国伟等，2001，2006，2011，2013；Condie， 2005）。虽迄今仍未得到根本解决，但科学总是在探索中不断前进的。人类 社会可持续发展的需求是推动地球科学基本理论突破的强大动力。

三、当代地球科学发展的切入点与突破口

创建板块构造理论与板块构造理论的成功应用是地球科学迄今为止最大 的科学成就。诚然，它还存在板块运动的驱动力、板块构造的起源、板块构 造与大陆关系三大问题，其中尤以不能完全认知大陆为突出的现实问题。因 此，深化发展板块构造理论，深入探索大陆构造与大陆动力学，聚焦大陆问 题，就成为当代地球科学向前发展的切入点与突破口。

大陆作为地球固体外壳——地壳的基本组成部分，与人类社会发展关系 密切，一直被地球科学家所关注与长期研究。随着地球科学的发展，大陆研 究与认识也在逐步发展与深化。自 20 世纪后半期以来，全球地学界在运用 板块构造观点与理论认识大陆与验证板块构造学说的过程中，一方面极大地 丰富与深化了对大陆的认识，使大陆研究提高到了一个新水平；另一方面， 地球科学家也在此过程中逐步发现并认识到大陆与大洋虽是相伴而生，密切 相关，但又有本质的不同。洋、陆岩石圈板块两者差异巨大，大陆经历了 数十亿年的保存与演化，其物质组成、结构构造、地质过程、演化历史均与 大洋岩石圈不同，难以用经典板块构造原理全面而完整地认识并解释大陆的 起源、形成与演化及其动力学等基本问题。因而，这引起世界地学界的广泛关注，并提出了新思维，如“大陆动力学”，并作为相对独立的动力学系统， 赋予了新的含义，突破了经典板块构造的理论约束。近年来又提出了包括板 块构造在内的行星地球构造观（Pollard，2003；中国科学院地学部地球科学 发展战略研究组，2009）。显然，大陆构造与大陆动力学仍然是 21 世纪地球 科学发展的前沿与难题，是深化发展板块构造理论、探索与解决大陆问题、 创建新的行星地球构造观的切入点与突破口。

四、引领相关学科发展及交叉拓展，推动科学发展与技术 进步

发展和完善板块构造，离不开对大陆问题的研究。而大陆问题又是地 球科学研究中非常复杂的难题，具有综合大科学工程研究的性质，需要各相 关学科和分支学科的合作攻关。研究大陆地壳的组成、形成与演化过程，不 但需要地球科学内各个学科的协同，也需要数理化天地生等相邻学科及技术 学科的联合攻关，协同创新。深化板块构造理论，探索大陆动力学问题，不 只会带动地学各学科的深入发展，也必然推动和促进相关科学技术领域、人 类科学等领域的发展，产生新的交叉学科，拓展新的科研领域。例如，物理 学、力学与地学相结合共同研究大陆构造，将会产生大陆流变学学科；地球 物理学、地球化学与大地构造学相结合，共同解读认知地球深部物质的组 成、结构、状态、壳幔物质交换过程等，必会产生地球物理大地构造学、地 球化学大地构造学；计算机数理计算 - 模拟与大陆构造研究相结合，可能交 叉出现数值模拟大地构造学，等等。

开展大陆构造的研究，既需要地球科学的全局视野，还需要新的思维、 理念与新的技术方法。不但需要以宇宙与整体地球的哲学思维去观察复杂的 地质现象，还需要运用当代先进测试技术剖析洋、陆外壳在漫长演化过程中 的统一性和差异性。在洋、陆共同组成地球固体外壳的过程中，既有共性与 共同规律，又有差异与各自规律。正因如此，使完全建立在大洋地壳研究基 础上、没有考虑大陆问题的板块构造理论，在“登陆”之后不能完全回答大 陆的一些基本问题。大陆问题的研究，不只是对地球科学，而且对相关学科 均提出了重大的、新的科学问题。因为大陆本身就是行星地球长期物理、化 学、生物综合演化的产物，其中涉及其漫长历史、长期与瞬时变动、庞大尺 度与极微空间、多元多级复杂控制因素、级联效应等问题，既无法观察也无法实验验证，是地球科学研究领域面临的难题。众所周知，板块构造尚不能 回答的大陆问题，关键就是洋、陆之间的基本差异和地球早期机制及动力体 制等基本问题：①洋、陆在组成、结构与属性的差异性。大陆以硅铝质成分 为主，广泛发育花岗岩类，密度小，长期漂浮保存而不进入地幔，因此，经 历过漫长而复杂的构造演化，故地表多以古老陆块拼合体为特征。大陆具有 层块结构，刚性弱，流变性状复杂，广泛发育弥散型构造变形。其物理属性 与板块构造的刚性原理相悖。大洋则由硅镁质物质组成，刚性强，流变性状 单一，变形与变动主要发生在板块边界，形成与演化时间短，故大洋板块成 分简单，时代年轻。②洋、陆在运动学上的差异性。洋、陆岩石圈具有不同 的生长和消亡循环规律。大洋岩石圈在洋脊带生长，在俯冲带消减返回地 幔，循环周期约为 2 亿年。大陆不同于大洋，其主体是保存了几十亿年之久 的古老大陆，历经过多次离散与聚合，呈现与大洋不同的增生与消亡循环规 律和保存状态。③大陆起源、早期地壳演化机制和板块起始时间（Hamilton， 1998；Dewey，1988；Harrison et al.，2005；Brown，2006；Valley et al.， 2006；Condie et al.，2006；欧阳自远，2006；Stern，2007，2008；Grif？n et al.， 2013）。这是地学迄今没有解决的基本问题，观点各异，争论不止。目前多 认为在冥古代—早太古代，大陆已经存在，但地球上可能不存在板块构造， 被称作前板块构造时期。突出的问题是：在地球的前板块构造时期，大陆演 化的构造体制与机制是什么？板块构造是什么时候起始的？洋、陆之间为何 会有如此大的差异？大洋是何时、如何形成的？④大陆动力学、板块动力学 和地球动力学及其三者的关系问题。这也是当代地学前沿领域未能解决的基 本问题。板块动力学与大陆动力学都是地球动力学的子系统，三者的关系首 先是板块动力学与大陆动力学，它们之间的关系如何？显然，这些都是当代 地球科学，特别是构造地质与大地构造学科最终要解决的基础科学问题。每 个问题均错综复杂，都需要多学科合作研究，协同解决。

总之，研究、总结和概括洋、陆的异同及其原因，关系到地球科学理论 的创新与发展。无疑，对于当代地球科学的创新研究及深化发展板块构造理 论，探索大陆动力学机制与演变过程，求解板块起始时间与动力学，解决大 陆起源及其动力学等问题，均需要相关自然科学学科与地学的共同合作，深 度融合，以大科学系统工程的视野去持续攻关，才能求得解决。

综合当代地球科学的创新成果与突破性发展，构建大陆构造理论体系， 深化发展板块构造理论，认知大陆，聚焦板块构造与大陆动力学，以大陆 问题为切入点与突破口，占领当代地球科学发展制高点，不只是会引领地球 科学的重大进展与突破，而且也会引领相关自然科学学科与技术的重大新发展，对世界科学技术的发展也具有重要的引领作用和重大的科学意义。