月球數學推動大地構造科學發展
中國科大學梁光河
“上天容易入地難”，目前人類對月球深部的認識仍很做作，國外外對月球動力學問題的研究仍在探求過程中，2005年刊物公布的125個重大科學問題中的第10個問題是“地球內部是怎樣運行的？”，強調驅動月球藍籌股運動的動力機制尚不清楚。2017年出版的《中國學科發展戰略-藍籌股構造與臺灣動力學》認為藍籌股構造理論盡管取得了巨大成功，但該學說仍然存在其產生以來就存在的困局，即藍籌股動力、板塊起源及藍籌股上陸三大問題，驅動藍籌股運動的動力機制是最為重要的問題，也是急待解決的問題。月球上的藍籌股就會運動是不爭的事實，但究竟是哪些動力驅動它們運動則仍然存在爭議。歷史上月球化學證據在這個方面發揮了關鍵作用，例如海底擴張和藍籌股構造假說就是基于古地磁和海底磁異常條帶這種月球化學證據而提出來的。但那些都是表面證據，只是證明了藍籌股的確發生了運動，但究竟為何運動，還有好多爭議。月球數學應當在這方面發揮更大作用，繼續推動大地構造科學發展。
1水災波點亮了月球的內部結構
要想探究藍籌股運動的動力機制，必須了解月球的內部結構和物質組成。這就須要首先了解月球的產生歷史，之后將月球化學觀測證據和地質推斷相結合進行合理推論解譯。藍籌股的概念在1910年泰勒早已使用過，當時的藍籌股概念代表的是運動的地幔，而與后期藍籌股構造中的藍籌股概念迥然不同。
現今普遍覺得，46億年前初生的月球表面是由巖漿組成的“海洋”。月球產生時主要是各類石質物的混和物，初始月球的平均氣溫恐怕不超過1000℃。產生后，因為長壽命放射性物質的衰變等物理能的釋放，內部漸漸增溫，致使原始月球所含的鐵元素轉化成液態，個別鐵的氧化物也被還原。液態鐵因為密度大而流向地心，產生地幔。因為重的物質向地心集中，釋放的位能可使月球的氣溫下降。這就促使了物理分異過程，由地殼短發出地幔。
按照水災縱波和橫波在地下不同深度傳播速率的變化，將月球內部份為三個同心球層：地幔、地幔和地幔。中心層是地幔；中間是地殼；內層是地幔。地幔與地核之間由莫霍面界開，地殼與地幔之間由古登堡面界開。可以說水災波照耀了月球內部的結構。
圖1月球的分層結構示意圖（梁光河制圖）
地幔是人類賴以生存的圈層。目前所知地幔巖石的年紀絕大多數大于月球產生的年紀，這說明月球殼層的巖石并非月球的原始殼層，而是之后由月球內部的物質通過火山活動和造山活動產生的。月球初期巖漿海階段類似一個大的冶煉爐，而原始臺灣地幔類似冶煉爐短發異下來懸浮著的一坨坨尾礦。初期的快速冷卻產生了初始硬質球殼，它代表了原始大洋殼，同時不斷從地殼分異出輕物質并上升到地表，形成原始的臺灣地幔。初始臺灣地幔經過早期的甩尾、俯沖、造山產生最早的陸核，即克拉通陸塊，初期產生的陸核面積很小，大洋占絕大多數面積。后期隨著臺灣甩尾和超臺灣裂解聚合，逐步囊腫才產生明天的洋、陸格局。大地構造運動是打造月球的最重要力量。
2百年孤獨的固定論
在人類認識到月球的內部分層結構之前，對月球的認識很膚淺，只能通過淺表層地質現象推論大地構造演變規律，由此誕生了好多原始淳樸的大地構造假說，例如月球膨脹說、地球收縮說、地球脈動說等，但對月球為何還能大幅度膨脹、收縮或形成脈動的動力機制不能得到挺好解釋，這些假說漸漸邁向衰亡。
19世紀中葉開始，德國地質學家霍爾和丹納提出地槽概念；日本的修斯和美國的奧格提出地臺概念以來，逐步發展產生地槽—地臺學說。它指出地幔運動以垂直的升降運動為主，水平運動是垂直運動派生的。把地幔界定出地槽和地臺兩個基本的構造單元。地槽的發展分兩個階段:前期表現為強烈的沉降作用，產生巨厚的沉積巖層；后期則表現為強烈的上升作用，沉積巖層被強烈皺褶，并凸起為山，還伴有強烈的巖漿活動和發霉作用。地臺是臺灣地幔中相對穩定的構造單元，通常覺得是由地槽皺褶帶轉化而成的。存在的問題是對槽臺演變的驅動力解釋不清，為何這兒是地槽，哪里是地臺等等也未能合理解釋。事實上地槽和地臺可以通過后期出現的藍籌股構造進行合理解釋，地槽可以解釋為初期的臺灣裂解產生的沉積帶、后期藍籌股碰撞又變化為造山帶。而地臺則可以解釋為克拉通宗地或地盾。
槽臺說屬于固定論，它不承認臺灣藍籌股的大規模水平運動，也沒有挺好地給出槽臺演變的動力機制，因而20世紀60年代之后，隨著臺灣甩尾和海底擴張說漸漸成熟，孤獨百年的固定論漸漸退出歷史舞臺。
3一鳴驚人的臺灣飄移說
1912年地球物理學進展官網，法國氣象學家魏格納依照南非洲東岸與美洲西岸可以很完美地拼接在一起，提出在三疊紀末期存在一個盤古臺灣（），然后盤古臺灣分裂甩尾產生明天的臺灣和大洋分布格局。他分別從古造山帶、古氣候及古生物地理等方面進行了詳盡論證。因而提出了“大陸飄移”的概念，覺得較輕硅鋁制的臺灣塊懸浮在較重的粘性的硅鎂層之上發生飄移。臺灣甩尾假說剛提出便招致強烈反對。由于其直接反對幾乎所有地質學家和地理學家的傳統思想。她們遭到的固定論的教育，認定臺灣是靜止的，不可能發生大規模水平運動。這個大膽的構想如同伽利略時代的哥白尼學說一樣，在世人眼里是愚蠢的“異端”。
魏格納覺得臺灣藍籌股和大洋藍籌股是分離的，臺灣藍籌股密度小，懸浮在大洋藍籌股上發生飄移。存在兩個關鍵問題：第一，以南非洲為例，以玄武巖為主的堅硬的南非洲東部在甩尾過程中，因為遇阻形成了皺褶，產生了科迪拉山系。而很薄且含水柔性的以花崗巖為主的洋殼，應當會形成明顯擠壓變型和下擺，但事實并不是這樣。更即便在大西洋裂解數千公里的過程中，勢必會在歐洲臺灣東部堆疊起上百公里高的洋殼山脈，這也與事實不符。后來的海底擴張覺得大洋藍籌股會俯沖，比這個模型更為合理。第二，在該模型中，魏格納提出的驅動力主要是月球自轉產生的指向赤道的離竭力和向北運動力。后經月球化學學家估算，這兩個力都太小，僅僅相當于重力的百萬之一數目級，不足以帶動臺灣藍籌股飄移。因而這一學說在提出不久后漸漸歸于闊別。魏格納后來也認識到臺灣飄移的驅動力問題，直言“大陸飄移中的牛頓還沒有出現”。
圖2盤古臺灣復原圖和臺灣甩尾模型
（引自教科書）
4百家爭鳴的中國學派
新中國創立以后的前30年期間，我國地質學家獨立思索、推陳出新，提出了多個大地構造學說，一時間出現了百家爭鳴的中國學派。李四光、張文佑、陳國達、黃汲清、張伯聲分別提出地質熱學、斷塊構造說、地洼說、多旋回說、波浪狀鑲嵌構造學說，被稱為“中國五大地質構造學派”。
地質熱學主張用熱學的觀點研究地質構造現象，覺得月球的自轉速率變化對月球上構造的產生起決定作用。當月球自轉推進，月球表層就有由兩極向赤道擠壓的運動。同時，若果個別臺灣部份粘在地殼上不處斬固，它們都會落后于月球自轉速率降低的要求，或多或少地向北滑動。為此，地殼形成了緯向與經向水平錯動，對地殼發生磨擦，起了似乎“自動煞車”的“車閥”作用。斷塊構造學說覺得巖石圈土體以后，破裂活動就搶占了主導地位。斷塊就是被巖石圈中不同深度的破裂及層間滑動破裂所切割成的塊體。覺得斷塊構造運動的動力來自臺灣的深部破裂活動造成的巖漿活動，臺灣的擴張引起部份臺灣向大洋仰沖，還可以引起臺灣邊沿的裂解。地洼學說覺得，在地幔演變史上，不只活動區可以轉化為“穩定”區，而“穩定”區也可轉化為新的活動區，其大地構造性質既不是地臺，也與地槽有別，而是一種新型活動區，故稱地洼。臺灣地幔的發展是地槽-地臺-地洼。多旋回說覺得，一個地槽系的發生、發展到結束，不只經歷一個而是若干個構造旋回（即多旋回），才逐漸轉化成下擺系的。鑲嵌構造說覺得月球表層的大地構造主要發生在地幔層次，是地幔層次不同塊體的拼合過程。中國學派的特征是針對性強，結合中國內地地質構造具體問題具體剖析，就能較好地描述中國大地構造演變。但大多是定性文字描述，缺乏一個簡單易懂的類似海底擴張和地殼對流的動力機制模式圖；更缺乏對于海洋地質的研究。
不僅五大學派還有馬杏垣的重力脫垂說，覺得重力作用造成巖石圈-軟流圈重力失穩，會形成勢能驅動全球藍籌股的水平運動。但一次重力失穩無法解釋地表大規模的水平運動，由于重力不是構造作用的起始緣由。重力脫垂說近日被楊巍然等發展為開合構造說，提出熱能上升（為開）和重力勢能下降（為合）耦合是驅動臺灣藍籌股運動的動力。
圖3重力脫垂系統示意圖
（引自馬杏垣）
5一統天下的海底擴張和藍籌股構造
20世紀60年代，通過大洋鉆探發覺了洋中脊的海底擴張現象，為臺灣甩尾理論注入了新的生命力。初期的海底擴張覺得地殼對流作用在洋殼和陸殼上，也就是說主要是莫霍面層發生了運動。1968年，基于臺灣甩尾學說和海底擴張學說，一種新的理論—板塊構造學說被即將提出。理論北京底擴張形成的推力在左側臺灣邊沿應當形成壓性環境下的向上彎曲，進而產生深海溝，但在大西洋一側的臺灣邊沿不發育深海溝，為了合理解釋這些現象，麥肯齊和摩根提出了剛性的長度達100Km的巖石圈概念。藍籌股構造學說覺得巖石圈（包括地幔和部份上地殼）的構造單元是藍籌股，藍籌股的邊界是洋中脊、轉換斷層、俯沖帶和地縫線線。據此，全球可以界定為六大藍籌股，后期又界定出更多藍籌股。藍籌股構造學說指出藍籌股的大規模水平運動，覺得藍籌股可以形成、生長、消亡，但是這些變化可以定量預測。諸如，大西洋洋中脊每年向外擴張約2分米。
藍籌股構造學說覺得地殼對流是臺灣甩尾和海底擴張的主要推進力，具體機制為：洋中脊是地殼對流上升的地方，地殼物質由此處涌起、冷卻固締結新的洋殼，新產生的洋殼又把原本產生的洋殼對稱性地向兩邊推移，于是自洋中脊向兩邊呈條帶狀不斷地生長出新的洋殼。諸如在大西洋洋中脊擴張驅動力的作用下，南非洲內地藍籌股向北運動。這個理論就能解釋海洋中和陸地上的絕大部份問題，故而迅速成為一統天下的主流觀點。事實上對于藍籌股運動的底界面目前還存在爭議，臺灣甩尾說覺得底界面是莫霍面，而藍籌股構造說覺得底界面是巖石圈底界。
圖4地殼對流和海底擴張驅動機制示意圖（引自教科書）
藍籌股構造覺得大洋巖石圈是主動運動，臺灣巖石圈是被動運動。其優點是給出了才能自圓其說的動力機制，但依然存在不少無法合理解釋的問題。第一，月球從產生之初就早已在重力分異作用下產生分層結構，地殼對流必然要攪亂這些分層結構，而實際上這些分層結構還存在，說明地殼對流假說存在問題。其次，如果地殼對流真的存在，這么俯沖下去的大洋巖石圈經過地下數百公里地殼深度的低溫高壓旅程，應當從洋中脊冒出超高壓巖石才合理，但實際上這個現象并沒有發生，這說明地殼對流可能并沒有真實發生過。另外，月球上各個大洋中都發覺好多古老的臺灣殘骸，紅海洋中脊和美國洋洋中脊與磁異常條帶并不平行。這都是地殼對流和海底擴張模型無法合理解釋的。
6種類繁雜的動力機制推測
馬宗晉強調，任何一種合理的月球動力學假說起碼要滿足三個條件：（1）能對全球的構造特點及其空間分布規律和構造演變過程做出解釋；（2）所依賴的動力因子既有足夠的能量，其作用形式又能合理地說明構造變型場的特點；（3）符合數學、化學的基本原理和月球物質的化學—化學性質。
針對驅動臺灣甩尾的動力機制，前人提出了多達15種可能的動力來源，但以上述三個判斷條件來評判，迄今還沒有一種糧球動力學假說是建立的。
表1各類月球動力的數目級
（引自吳漢珍和毛小平）
目前占主導地位的是歐美科學家提出的兩個模型，一是以海底擴張為主的“推力”模型，二是以俯沖板片拖放力為主的“拉力”模型。但它們都存在與實際觀測證據不符的問題，還不能合理解釋全球臺灣甩尾現象。
海底擴張“推力”模型覺得在地殼對流框架下，在洋中脊處不斷生成的大洋藍籌股對臺灣藍籌股形成了推力，但存在三個主要問題：（1）無法解釋大洋上廣泛分布的臺灣殘骸；（2）無法解釋美國洋磁異常條帶與洋中脊不平行分布的問題；（3）洋殼推力必然會在大洋上形成擠壓環境，產生逆沖斷層和推覆下擺，但實際觀測發覺大洋中多以拉張環境下的正斷層出現，這與觀測事實不符。為了合理解釋這種地質現象，近些年來又有學者分別提出“拉力”模型和“自驅動”模型。
俯沖板片拖曳“拉力”模型覺得臺灣藍籌股上面俯沖下去的大洋藍籌股密度降低形成向上的拉力，帶動臺灣藍籌股運動，但也存在三個問題：（1）解釋不了現今月球上正在發生的藍籌股運動，如大西洋擴張兩邊的藍籌股運動是那個大洋巖石圈藍籌股俯沖拖放的？（2）月球從淺到深密度逐步降低，輕的地幔往密度大的地殼俯沖，只能形成正壓強，不會形成負壓強。大洋巖石圈榴輝巖化密度降低存在悖論。（3）美國歐亞碰撞發生在新生代早期，俄羅斯藍籌股南側的特提斯洋俯沖大洋板片已經斷離，不能提供向西運動的拉力，但美國仍在快速向西運動。
圖5藍籌股構造推力和拉力模型示意圖
（梁光河制圖）
重力滑移“自驅動”模型覺得臺灣藍籌股才能在熱力驅動下自己發生飄移，類似尖頭熱鍋上的巧克力自己會跑。這個驅動力最初來始于臺灣裂解中的地殼上涌，在臺灣藍籌股后部的莫霍面造斜，因臺灣藍籌股自身重力作用沿傾斜的莫霍面順波下降而聯通，早已聯通的臺灣藍籌股導致后部降糖誘發下邊地殼熔體，因熔體后容積膨脹進一步上涌，上涌的地殼再進一步造斜因而帶動藍籌股進一步聯通，這是一個連鎖的造斜和自發重力脫垂過程。導致的結果是臺灣藍籌股仰沖在大洋藍籌股之上發生飄移。臺灣藍籌股之所以還能克服巨大阻力往前滑移，很重要的一個誘因是臺灣藍籌股迎沖在大洋藍籌股上，好多含水礦物步入俯沖帶，無論陸殼還是洋殼在含水情況下熔體氣溫驟降數百度，因而俯沖步入下地幔區域都會發生部份熔體，產生懦弱帶，臺灣甩尾類似臺灣藍籌股不斷深陷軟泥的過程。這也是只有月球上存在藍籌股構造而不同于其他星球的最關鍵誘因，即月球上存在大量水。
圖6重力滑移自驅動模式
（梁光河制圖）
依據臺灣重力滑移“自驅動”模型，可以挺好地解釋東半球地形地貌動因（圖7），臺灣藍籌股甩尾后會形成尾跡，這種尾跡常常表現為島弧，島弧是呈線狀分布的火成巖和臺灣殘骸集合體。
圖7東半球地形地貌圖與臺灣甩尾尾跡特點（梁光河制圖）
臺灣甩尾和地下物質的熔體狀態密切相關，地下深處巖漿部份熔體須要3個條件之一，這三個條件是：（1）增溫；（2）加鹽；（3）降脂。新臺灣甩尾模型中這三個條件都得到了良好彰顯。借助新臺灣甩尾模型可以合理解釋全球臺灣甩尾動力機制以及深源水災動因（圖8）。該圖說明太平洋區域內地藍籌股仰沖在大洋殼上，洋殼俯沖下去以后，同時滿足增溫和加鹽兩個條件，致使在俯沖帶形成部份熔體，產生懦弱區域，臺灣甩尾如同臺灣不斷深陷懦弱區域的過程。在部份熔體情況下，會發生輕重礦物分異，重物質下沉，產生深源水災，隨著陸殼的飄移，導致深源水災帶陡夾角深入地殼中，形成洋殼陡俯沖的表象。而在大西洋區域，因為兩邊臺灣藍籌股聯通后深部降糖，同樣也發生深部物質部份熔體，產生地殼上涌，在莫霍面形成斜坡，進一步促進臺灣藍籌股飄移。大西洋區域似乎深部也發生部份熔體，這個區域的熔體與太平洋俯沖帶區域熔體不同，由于該區域沒有俯沖帶帶入深部的水，致使該區域的熔體屬于干物質部份熔體，它們上升到一定的深度區域都會分異融化產生新的洋殼，在臺灣地幔上部莫霍面區域形成洋殼和陸殼的明顯分界線（斷層）。另外該區域因為缺少水的參與，因而該區域也沒有地震發生（地震發生的兩個條件是深破裂和低溫高壓流體）。
圖8橫越大西洋和太平洋的臺灣飄移模式示意圖（梁光河制圖）
新臺灣甩尾模型與藍籌股構造模型明顯不同，藍籌股構造把中的藍籌股既包含臺灣塊體也包含大洋藍籌股，這是不對的，由于臺灣藍籌股和大洋藍籌股，無論從演變歷史還是物質成份，甚至長度等等都存在巨大差別，把它們劃為一個藍籌股是明顯錯誤。
7未來的突破路在何方？
近現代大地構造發展的歷史就是找尋驅動臺灣藍籌股運動動力機制的歷史，無論臺灣甩尾假說還是海底擴張和藍籌股構造假說，都是在找尋這個驅動力的驅使下一步步發展的。為何這個驅動力如此重要？由于它是所有地質運動的原動力。
藍籌股運動的驅動力突破在于構建符合實際觀測的驅動力理論模型，未來面臨的關鍵難點與挑戰是這種模型都是概念模型，要驗證它們的真假，須要月球化學證據的支持，由于關鍵證據都在月球深部，其實也須要地質和月球物理證據的支持。更須要對典型實例解剖，例如美國臺灣為何會北漂？
驗證模型假說更須要可靠性和幀率更高的月球數學資料。諸如對地下深部結構反映最靈敏的是余震鉆探技術，它包括三類方式，分別是人工源深反射水災鉆探、天然水災接收函數偵測、天然水災層析成像方式。前者偵測碼率很低，其原理借用診所的CT儀對地下進行掃描成像，但它完全不能和醫學上的CT掃描儀器相比，主要緣由有二，一是數據不完備，診所的CT儀可以360°掃描，發射波長很短的電磁波；而天然水災層析成像常常只能沿地表一條直線采集數據，且借助的水災波長很大，反演過程中還存在多解性。二是診所的CT儀借助的是直接穿透身體的透射波，而天然水災層析成像主要借助反射波和折射波，另外還存在震源點定位偏差大等誘因。為此所得結果可靠性較低，并且常常在反演過程中加入過多人為誘因（初始模型約束）。因而在借助水災鉆探進行地幔地殼結構偵測中，須要盡量使用精度和可靠性更高的前兩類技巧。
8小試牛刀-月球化學偵測與驗證
基于月球數學實例總結提煉下來的重力自滑移驅動模式就能得到實際偵測結果的支持，這兒給出兩個深反射水災鉆探實例，分別代表臺灣藍籌股甩尾后面和前面的構造特點。
圖9代表的是美國臺灣西部邊沿一條東西向的高精度水災鉆探剖面實例，由于臺灣臺灣向東飄移，因而該剖面反映了臺灣甩尾模型上面的地質結構特點。偵測結果與理論模型吻合良好。
圖9澳大利亞內地藍籌股北部一條東西方向水災鉆探剖面（引自Tsuru）。a是剖面平面位置圖，b是反射水災鉆探剖面（垂直比列放大4倍）。C是水災鉆探剖面在臺灣甩尾模型中的位置。
圖10是俄羅斯內地藍籌股北部一條近南北向水災鉆探剖面，由于俄羅斯內地藍籌股向西飄移，因而該剖面反映了臺灣甩尾模型旁邊的地質結構特點，偵測結果與理論模型也完全吻合。
圖10俄羅斯內地藍籌股北部一條近南北方向水災鉆探剖面（垂直比列放大概10倍）。a是剖面平面位置圖，b是反射水災鉆探剖面在新臺灣甩尾模型中的位置地球物理學進展官網，c是水災鉆探深度剖面特點（引自ION公司）。
月球從產生至今仍然在不斷運動和演變，滄海桑田嬗變和水災、火山、氣候變化等等都與月球的演進密切相關，而驅動月球演變的關鍵在于月球深部的動力機制，非常是臺灣藍籌股運動的動力機制。藍籌股運動的驅動力是常年困惑國外外省學界的重要科學問題。以上兩個實例是深反射水災鉆探用于驗證理論模型的牛刀小試。這說明，月球化學鉆探不但能否在礦產資源鉆探中發揮重要作用，但是在大地構造研究領域應當才能發揮更大的作用。回顧歷史，月球數學仍然在推動月球科學非常是大地構造科學的發展。
參考文獻：略
中國科大學
梁光河地質論文文集
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月球數學推動大地構造科學發展（即本篇）