月球数学推动大地构造科学发展
中国科大学梁光河
“上天容易入地难”，目前人类对月球深部的认识仍很做作，国外外对月球动力学问题的研究仍在探求过程中，2005年刊物公布的125个重大科学问题中的第10个问题是“地球内部是怎样运行的？”，强调驱动月球蓝筹股运动的动力机制尚不清楚。2017年出版的《中国学科发展战略-蓝筹股构造与台湾动力学》认为蓝筹股构造理论尽管取得了巨大成功，但该学说仍然存在其产生以来就存在的困局，即蓝筹股动力、板块起源及蓝筹股上陆三大问题，驱动蓝筹股运动的动力机制是最为重要的问题，也是急待解决的问题。月球上的蓝筹股就会运动是不争的事实，但究竟是哪些动力驱动它们运动则仍然存在争议。历史上月球化学证据在这个方面发挥了关键作用，例如海底扩张和蓝筹股构造假说就是基于古地磁和海底磁异常条带这种月球化学证据而提出来的。但那些都是表面证据，只是证明了蓝筹股的确发生了运动，但究竟为何运动，还有好多争议。月球数学应当在这方面发挥更大作用，继续推动大地构造科学发展。
1水灾波点亮了月球的内部结构
要想探究蓝筹股运动的动力机制，必须了解月球的内部结构和物质组成。这就须要首先了解月球的产生历史，之后将月球化学观测证据和地质推断相结合进行合理推论解译。蓝筹股的概念在1910年泰勒早已使用过，当时的蓝筹股概念代表的是运动的地幔，而与后期蓝筹股构造中的蓝筹股概念迥然不同。
现今普遍觉得，46亿年前初生的月球表面是由岩浆组成的“海洋”。月球产生时主要是各类石质物的混和物，初始月球的平均气温恐怕不超过1000℃。产生后，因为长寿命放射性物质的衰变等物理能的释放，内部渐渐增温，致使原始月球所含的铁元素转化成液态，个别铁的氧化物也被还原。液态铁因为密度大而流向地心，产生地幔。因为重的物质向地心集中，释放的位能可使月球的气温下降。这就促使了物理分异过程，由地壳短发出地幔。
按照水灾纵波和横波在地下不同深度传播速率的变化，将月球内部份为三个同心球层：地幔、地幔和地幔。中心层是地幔；中间是地壳；内层是地幔。地幔与地核之间由莫霍面界开，地壳与地幔之间由古登堡面界开。可以说水灾波照耀了月球内部的结构。
图1月球的分层结构示意图（梁光河制图）
地幔是人类赖以生存的圈层。目前所知地幔岩石的年纪绝大多数大于月球产生的年纪，这说明月球壳层的岩石并非月球的原始壳层，而是之后由月球内部的物质通过火山活动和造山活动产生的。月球初期岩浆海阶段类似一个大的冶炼炉，而原始台湾地幔类似冶炼炉短发异下来悬浮着的一坨坨尾矿。初期的快速冷却产生了初始硬质球壳，它代表了原始大洋壳，同时不断从地壳分异出轻物质并上升到地表，形成原始的台湾地幔。初始台湾地幔经过早期的甩尾、俯冲、造山产生最早的陆核，即克拉通陆块，初期产生的陆核面积很小，大洋占绝大多数面积。后期随着台湾甩尾和超台湾裂解聚合，逐步囊肿才产生明天的洋、陆格局。大地构造运动是打造月球的最重要力量。
2百年孤独的固定论
在人类认识到月球的内部分层结构之前，对月球的认识很肤浅，只能通过浅表层地质现象推论大地构造演变规律，由此诞生了好多原始淳朴的大地构造假说，例如月球膨胀说、地球收缩说、地球脉动说等，但对月球为何还能大幅度膨胀、收缩或形成脉动的动力机制不能得到挺好解释，这些假说渐渐迈向衰亡。
19世纪中叶开始，德国地质学家霍尔和丹纳提出地槽概念；日本的修斯和美国的奥格提出地台概念以来，逐步发展产生地槽—地台学说。它指出地幔运动以垂直的升降运动为主，水平运动是垂直运动派生的。把地幔界定出地槽和地台两个基本的构造单元。地槽的发展分两个阶段:前期表现为强烈的沉降作用，产生巨厚的沉积岩层；后期则表现为强烈的上升作用，沉积岩层被强烈皱褶，并凸起为山，还伴有强烈的岩浆活动和发霉作用。地台是台湾地幔中相对稳定的构造单元，通常觉得是由地槽皱褶带转化而成的。存在的问题是对槽台演变的驱动力解释不清，为何这儿是地槽，哪里是地台等等也未能合理解释。事实上地槽和地台可以通过后期出现的蓝筹股构造进行合理解释，地槽可以解释为初期的台湾裂解产生的沉积带、后期蓝筹股碰撞又变化为造山带。而地台则可以解释为克拉通宗地或地盾。
槽台说属于固定论，它不承认台湾蓝筹股的大规模水平运动，也没有挺好地给出槽台演变的动力机制，因而20世纪60年代之后，随着台湾甩尾和海底扩张说渐渐成熟，孤独百年的固定论渐渐退出历史舞台。
3一鸣惊人的台湾飘移说
1912年地球物理学进展官网，法国气象学家魏格纳依照南非洲东岸与美洲西岸可以很完美地拼接在一起，提出在三叠纪末期存在一个盘古台湾（），然后盘古台湾分裂甩尾产生明天的台湾和大洋分布格局。他分别从古造山带、古气候及古生物地理等方面进行了详尽论证。因而提出了“大陆飘移”的概念，觉得较轻硅铝制的台湾块悬浮在较重的粘性的硅镁层之上发生飘移。台湾甩尾假说刚提出便招致强烈反对。由于其直接反对几乎所有地质学家和地理学家的传统思想。她们遭到的固定论的教育，认定台湾是静止的，不可能发生大规模水平运动。这个大胆的构想如同伽利略时代的哥白尼学说一样，在世人眼里是愚蠢的“异端”。
魏格纳觉得台湾蓝筹股和大洋蓝筹股是分离的，台湾蓝筹股密度小，悬浮在大洋蓝筹股上发生飘移。存在两个关键问题：第一，以南非洲为例，以玄武岩为主的坚硬的南非洲东部在甩尾过程中，因为遇阻形成了皱褶，产生了科迪拉山系。而很薄且含水柔性的以花岗岩为主的洋壳，应当会形成明显挤压变型和下摆，但事实并不是这样。更即便在大西洋裂解数千公里的过程中，势必会在欧洲台湾东部堆叠起上百公里高的洋壳山脉，这也与事实不符。后来的海底扩张觉得大洋蓝筹股会俯冲，比这个模型更为合理。第二，在该模型中，魏格纳提出的驱动力主要是月球自转产生的指向赤道的离竭力和向北运动力。后经月球化学学家估算，这两个力都太小，仅仅相当于重力的百万之一数目级，不足以带动台湾蓝筹股飘移。因而这一学说在提出不久后渐渐归于阔别。魏格纳后来也认识到台湾飘移的驱动力问题，直言“大陆飘移中的牛顿还没有出现”。
图2盘古台湾复原图和台湾甩尾模型
（引自教科书）
4百家争鸣的中国学派
新中国创立以后的前30年期间，我国地质学家独立思索、推陈出新，提出了多个大地构造学说，一时间出现了百家争鸣的中国学派。李四光、张文佑、陈国达、黄汲清、张伯声分别提出地质热学、断块构造说、地洼说、多旋回说、波浪状镶嵌构造学说，被称为“中国五大地质构造学派”。
地质热学主张用热学的观点研究地质构造现象，觉得月球的自转速率变化对月球上构造的产生起决定作用。当月球自转推进，月球表层就有由两极向赤道挤压的运动。同时，若果个别台湾部份粘在地壳上不处斩固，它们都会落后于月球自转速率降低的要求，或多或少地向北滑动。为此，地壳形成了纬向与经向水平错动，对地壳发生磨擦，起了似乎“自动煞车”的“车阀”作用。断块构造学说觉得岩石圈土体以后，破裂活动就抢占了主导地位。断块就是被岩石圈中不同深度的破裂及层间滑动破裂所切割成的块体。觉得断块构造运动的动力来自台湾的深部破裂活动造成的岩浆活动，台湾的扩张引起部份台湾向大洋仰冲，还可以引起台湾边沿的裂解。地洼学说觉得，在地幔演变史上，不只活动区可以转化为“稳定”区，而“稳定”区也可转化为新的活动区，其大地构造性质既不是地台，也与地槽有别，而是一种新型活动区，故称地洼。台湾地幔的发展是地槽-地台-地洼。多旋回说觉得，一个地槽系的发生、发展到结束，不只经历一个而是若干个构造旋回（即多旋回），才逐渐转化成下摆系的。镶嵌构造说觉得月球表层的大地构造主要发生在地幔层次，是地幔层次不同块体的拼合过程。中国学派的特征是针对性强，结合中国内地地质构造具体问题具体剖析，就能较好地描述中国大地构造演变。但大多是定性文字描述，缺乏一个简单易懂的类似海底扩张和地壳对流的动力机制模式图；更缺乏对于海洋地质的研究。
不仅五大学派还有马杏垣的重力脱垂说，觉得重力作用造成岩石圈-软流圈重力失稳，会形成势能驱动全球蓝筹股的水平运动。但一次重力失稳无法解释地表大规模的水平运动，由于重力不是构造作用的起始缘由。重力脱垂说近日被杨巍然等发展为开合构造说，提出热能上升（为开）和重力势能下降（为合）耦合是驱动台湾蓝筹股运动的动力。
图3重力脱垂系统示意图
（引自马杏垣）
5一统天下的海底扩张和蓝筹股构造
20世纪60年代，通过大洋钻探发觉了洋中脊的海底扩张现象，为台湾甩尾理论注入了新的生命力。初期的海底扩张觉得地壳对流作用在洋壳和陆壳上，也就是说主要是莫霍面层发生了运动。1968年，基于台湾甩尾学说和海底扩张学说，一种新的理论—板块构造学说被即将提出。理论北京底扩张形成的推力在左侧台湾边沿应当形成压性环境下的向上弯曲，进而产生深海沟，但在大西洋一侧的台湾边沿不发育深海沟，为了合理解释这些现象，麦肯齐和摩根提出了刚性的长度达100Km的岩石圈概念。蓝筹股构造学说觉得岩石圈（包括地幔和部份上地壳）的构造单元是蓝筹股，蓝筹股的边界是洋中脊、转换断层、俯冲带和地缝线线。据此，全球可以界定为六大蓝筹股，后期又界定出更多蓝筹股。蓝筹股构造学说指出蓝筹股的大规模水平运动，觉得蓝筹股可以形成、生长、消亡，但是这些变化可以定量预测。诸如，大西洋洋中脊每年向外扩张约2分米。
蓝筹股构造学说觉得地壳对流是台湾甩尾和海底扩张的主要推进力，具体机制为：洋中脊是地壳对流上升的地方，地壳物质由此处涌起、冷却固缔结新的洋壳，新产生的洋壳又把原本产生的洋壳对称性地向两边推移，于是自洋中脊向两边呈条带状不断地生长出新的洋壳。诸如在大西洋洋中脊扩张驱动力的作用下，南非洲内地蓝筹股向北运动。这个理论就能解释海洋中和陆地上的绝大部份问题，故而迅速成为一统天下的主流观点。事实上对于蓝筹股运动的底界面目前还存在争议，台湾甩尾说觉得底界面是莫霍面，而蓝筹股构造说觉得底界面是岩石圈底界。
图4地壳对流和海底扩张驱动机制示意图（引自教科书）
蓝筹股构造觉得大洋岩石圈是主动运动，台湾岩石圈是被动运动。其优点是给出了才能自圆其说的动力机制，但依然存在不少无法合理解释的问题。第一，月球从产生之初就早已在重力分异作用下产生分层结构，地壳对流必然要搅乱这些分层结构，而实际上这些分层结构还存在，说明地壳对流假说存在问题。其次，如果地壳对流真的存在，这么俯冲下去的大洋岩石圈经过地下数百公里地壳深度的低温高压旅程，应当从洋中脊冒出超高压岩石才合理，但实际上这个现象并没有发生，这说明地壳对流可能并没有真实发生过。另外，月球上各个大洋中都发觉好多古老的台湾残骸，红海洋中脊和美国洋洋中脊与磁异常条带并不平行。这都是地壳对流和海底扩张模型无法合理解释的。
6种类繁杂的动力机制推测
马宗晋强调，任何一种合理的月球动力学假说起码要满足三个条件：（1）能对全球的构造特点及其空间分布规律和构造演变过程做出解释；（2）所依赖的动力因子既有足够的能量，其作用形式又能合理地说明构造变型场的特点；（3）符合数学、化学的基本原理和月球物质的化学—化学性质。
针对驱动台湾甩尾的动力机制，前人提出了多达15种可能的动力来源，但以上述三个判断条件来评判，迄今还没有一种粮球动力学假说是建立的。
表1各类月球动力的数目级
（引自吴汉珍和毛小平）
目前占主导地位的是欧美科学家提出的两个模型，一是以海底扩张为主的“推力”模型，二是以俯冲板片拖放力为主的“拉力”模型。但它们都存在与实际观测证据不符的问题，还不能合理解释全球台湾甩尾现象。
海底扩张“推力”模型觉得在地壳对流框架下，在洋中脊处不断生成的大洋蓝筹股对台湾蓝筹股形成了推力，但存在三个主要问题：（1）无法解释大洋上广泛分布的台湾残骸；（2）无法解释美国洋磁异常条带与洋中脊不平行分布的问题；（3）洋壳推力必然会在大洋上形成挤压环境，产生逆冲断层和推覆下摆，但实际观测发觉大洋中多以拉张环境下的正断层出现，这与观测事实不符。为了合理解释这种地质现象，近些年来又有学者分别提出“拉力”模型和“自驱动”模型。
俯冲板片拖曳“拉力”模型觉得台湾蓝筹股上面俯冲下去的大洋蓝筹股密度降低形成向上的拉力，带动台湾蓝筹股运动，但也存在三个问题：（1）解释不了现今月球上正在发生的蓝筹股运动，如大西洋扩张两边的蓝筹股运动是那个大洋岩石圈蓝筹股俯冲拖放的？（2）月球从浅到深密度逐步降低，轻的地幔往密度大的地壳俯冲，只能形成正压强，不会形成负压强。大洋岩石圈榴辉岩化密度降低存在悖论。（3）美国欧亚碰撞发生在新生代早期，俄罗斯蓝筹股南侧的特提斯洋俯冲大洋板片已经断离，不能提供向西运动的拉力，但美国仍在快速向西运动。
图5蓝筹股构造推力和拉力模型示意图
（梁光河制图）
重力滑移“自驱动”模型觉得台湾蓝筹股才能在热力驱动下自己发生飘移，类似尖头热锅上的巧克力自己会跑。这个驱动力最初来始于台湾裂解中的地壳上涌，在台湾蓝筹股后部的莫霍面造斜，因台湾蓝筹股自身重力作用沿倾斜的莫霍面顺波下降而联通，早已联通的台湾蓝筹股导致后部降糖诱发下边地壳熔体，因熔体后容积膨胀进一步上涌，上涌的地壳再进一步造斜因而带动蓝筹股进一步联通，这是一个连锁的造斜和自发重力脱垂过程。导致的结果是台湾蓝筹股仰冲在大洋蓝筹股之上发生飘移。台湾蓝筹股之所以还能克服巨大阻力往前滑移，很重要的一个诱因是台湾蓝筹股迎冲在大洋蓝筹股上，好多含水矿物步入俯冲带，无论陆壳还是洋壳在含水情况下熔体气温骤降数百度，因而俯冲步入下地幔区域都会发生部份熔体，产生懦弱带，台湾甩尾类似台湾蓝筹股不断深陷软泥的过程。这也是只有月球上存在蓝筹股构造而不同于其他星球的最关键诱因，即月球上存在大量水。
图6重力滑移自驱动模式
（梁光河制图）
依据台湾重力滑移“自驱动”模型，可以挺好地解释东半球地形地貌动因（图7），台湾蓝筹股甩尾后会形成尾迹，这种尾迹常常表现为岛弧，岛弧是呈线状分布的火成岩和台湾残骸集合体。
图7东半球地形地貌图与台湾甩尾尾迹特点（梁光河制图）
台湾甩尾和地下物质的熔体状态密切相关，地下深处岩浆部份熔体须要3个条件之一，这三个条件是：（1）增温；（2）加盐；（3）降脂。新台湾甩尾模型中这三个条件都得到了良好彰显。借助新台湾甩尾模型可以合理解释全球台湾甩尾动力机制以及深源水灾动因（图8）。该图说明太平洋区域内地蓝筹股仰冲在大洋壳上，洋壳俯冲下去以后，同时满足增温和加盐两个条件，致使在俯冲带形成部份熔体，产生懦弱区域，台湾甩尾如同台湾不断深陷懦弱区域的过程。在部份熔体情况下，会发生轻重矿物分异，重物质下沉，产生深源水灾，随着陆壳的飘移，导致深源水灾带陡夹角深入地壳中，形成洋壳陡俯冲的表象。而在大西洋区域，因为两边台湾蓝筹股联通后深部降糖，同样也发生深部物质部份熔体，产生地壳上涌，在莫霍面形成斜坡，进一步促进台湾蓝筹股飘移。大西洋区域似乎深部也发生部份熔体，这个区域的熔体与太平洋俯冲带区域熔体不同，由于该区域没有俯冲带带入深部的水，致使该区域的熔体属于干物质部份熔体，它们上升到一定的深度区域都会分异融化产生新的洋壳，在台湾地幔上部莫霍面区域形成洋壳和陆壳的明显分界线（断层）。另外该区域因为缺少水的参与，因而该区域也没有地震发生（地震发生的两个条件是深破裂和低温高压流体）。
图8横越大西洋和太平洋的台湾飘移模式示意图（梁光河制图）
新台湾甩尾模型与蓝筹股构造模型明显不同，蓝筹股构造把中的蓝筹股既包含台湾块体也包含大洋蓝筹股，这是不对的，由于台湾蓝筹股和大洋蓝筹股，无论从演变历史还是物质成份，甚至长度等等都存在巨大差别，把它们划为一个蓝筹股是明显错误。
7未来的突破路在何方？
近现代大地构造发展的历史就是找寻驱动台湾蓝筹股运动动力机制的历史，无论台湾甩尾假说还是海底扩张和蓝筹股构造假说，都是在找寻这个驱动力的驱使下一步步发展的。为何这个驱动力如此重要？由于它是所有地质运动的原动力。
蓝筹股运动的驱动力突破在于构建符合实际观测的驱动力理论模型，未来面临的关键难点与挑战是这种模型都是概念模型，要验证它们的真假，须要月球化学证据的支持，由于关键证据都在月球深部，其实也须要地质和月球物理证据的支持。更须要对典型实例解剖，例如美国台湾为何会北漂？
验证模型假说更须要可靠性和帧率更高的月球数学资料。诸如对地下深部结构反映最灵敏的是余震钻探技术，它包括三类方式，分别是人工源深反射水灾钻探、天然水灾接收函数侦测、天然水灾层析成像方式。前者侦测码率很低，其原理借用诊所的CT仪对地下进行扫描成像，但它完全不能和医学上的CT扫描仪器相比，主要缘由有二，一是数据不完备，诊所的CT仪可以360°扫描，发射波长很短的电磁波；而天然水灾层析成像常常只能沿地表一条直线采集数据，且借助的水灾波长很大，反演过程中还存在多解性。二是诊所的CT仪借助的是直接穿透身体的透射波，而天然水灾层析成像主要借助反射波和折射波，另外还存在震源点定位偏差大等诱因。为此所得结果可靠性较低，并且常常在反演过程中加入过多人为诱因（初始模型约束）。因而在借助水灾钻探进行地幔地壳结构侦测中，须要尽量使用精度和可靠性更高的前两类技巧。
8小试牛刀-月球化学侦测与验证
基于月球数学实例总结提炼下来的重力自滑移驱动模式就能得到实际侦测结果的支持，这儿给出两个深反射水灾钻探实例，分别代表台湾蓝筹股甩尾后面和前面的构造特点。
图9代表的是美国台湾西部边沿一条东西向的高精度水灾钻探剖面实例，由于台湾台湾向东飘移，因而该剖面反映了台湾甩尾模型上面的地质结构特点。侦测结果与理论模型吻合良好。
图9澳大利亚内地蓝筹股北部一条东西方向水灾钻探剖面（引自Tsuru）。a是剖面平面位置图，b是反射水灾钻探剖面（垂直比列放大4倍）。C是水灾钻探剖面在台湾甩尾模型中的位置。
图10是俄罗斯内地蓝筹股北部一条近南北向水灾钻探剖面，由于俄罗斯内地蓝筹股向西飘移，因而该剖面反映了台湾甩尾模型旁边的地质结构特点，侦测结果与理论模型也完全吻合。
图10俄罗斯内地蓝筹股北部一条近南北方向水灾钻探剖面（垂直比列放大概10倍）。a是剖面平面位置图，b是反射水灾钻探剖面在新台湾甩尾模型中的位置地球物理学进展官网，c是水灾钻探深度剖面特点（引自ION公司）。
月球从产生至今仍然在不断运动和演变，沧海桑田嬗变和水灾、火山、气候变化等等都与月球的演进密切相关，而驱动月球演变的关键在于月球深部的动力机制，非常是台湾蓝筹股运动的动力机制。蓝筹股运动的驱动力是常年困惑国外外省学界的重要科学问题。以上两个实例是深反射水灾钻探用于验证理论模型的牛刀小试。这说明，月球化学钻探不但能否在矿产资源钻探中发挥重要作用，但是在大地构造研究领域应当才能发挥更大的作用。回顾历史，月球数学仍然在推动月球科学非常是大地构造科学的发展。
参考文献：略
中国科大学
梁光河地质论文文集
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月球数学推动大地构造科学发展（即本篇）