地质力学理论的历史渊源、科学背景和发展过程
图1-1全球构造体系和地壳运动方向
(据李四光1973)
图1-1全球构造体系和地球地壳运动方向
(在J.S.Lee之后，1973)
谈到地质力学的形成和发展，就不能不追溯到20世纪初至20世纪20年代世界地质学，特别是构造地质学和大地构造学的发展。正是从这些叙述中，我们可以看到地质力学理论形成的一些历史背景。
1908年，美国地质学家泰勒(F.C.Taylor)提出了“巨型大陆大规模向赤道滑动，从而形成褶皱山脉”的观点(1910讨论)。他认为亚洲大陆第三纪山脉的形成源于地球自转产生的离心力，导致北半球大陆向南滑动，南半球大陆向北滑动。在滑行的过程中遇到了障碍物，在山中形成了一个突起的顶部。他把原始的劳埃亚大陆描述为一个大陆硅铝壳，从极地向赤道扩张，形成环形向外流动，前面形成山环和岛弧。20世纪10 ~ 20世纪20年代是大陆漂移提出并盛行的时代。魏格纳(1915)认为大陆是由轻的刚性硅铝层组成，漂浮在重的粘性硅镁洋底，地球自转产生的离心力驱使大陆从高纬度向低纬度赤道移动。同时，他认为西漂是太阳和月亮的引力引起的潮汐摩擦，减缓了地球相对于地球的自转速度。当移动的大陆锋遇到洋底的阻力时，被挤压形成褶皱山脉，美国沿海山脉就是这样形成的[6]。
大陆漂移说主张存在大规模的水平运动，而固定说只承认在某个位置相对固定的垂直运动。显然，李四光是一个活动家。从李四光早期的著作和李四光科学思想的形成与发展中，可以看出这一时期世界地质科学对他的重要影响，也可以看出这一时期大地构造学的一些理论思想，特别是大陆漂移学说，后来成为地质力学理论的重要历史来源。
构造地质学(大地构造学)在历史上从两个方面研究地质构造，即物质组成(即建造)和构造(即变形)。前人在这两方面的研究成果自然成为地质力学理论基础和研究方法的一个来源。但应该说，地质力学继承了传统构造地质学中构造变形的研究成果和方法，但抛弃了其单纯形态学理论的部分，加强了对地质构造成因关系和力学性质的研究。
李四光在总结地质力学的形成和发展时，认为地质力学分两个阶段发展。为了正确表达他的理解，这里我们尽量引用他的原文[7]:
第一阶段始于1921年中国北方石炭-二叠纪沉积研究。关于太原学派的时代问题，长期以来一直有争论。李四光等人对地层古生物的研究证明，中国南方晚石炭世和一部分石炭纪至二叠纪的过渡海相地层是中国北方太原系的同时代产物，以陆相为主，有若干海相地层。
得到这个研究结果后，我问自己的问题是:为什么当时的南北会有这样的差异？这个问题涉及到大陆的局部起伏和当时海面的整体起伏，以及低纬度和高纬度海面运动不同的可能性。经过对当时地球其他地方海侵海退现象的初步比较，特别是对古生代以后大陆上海水进退规律的初步探索，他得到了一个假设，即大陆上海水的进退并不完全像奥地利著名地质学家徐实提出的那样，即海面的升降是全球性的，但可能存在从赤道到两极的定向运动，反之亦然。这个假设提出了另一个问题，为什么海洋会有这种定向运动？当时初步认为这可能是由于漫长地质时期地球自转速度的反复变化。这个假设是否正确，当然还有很多问题。但它对地质力学的开端起到了非常重要的启蒙作用。它的作用是提出这样一个问题，即大陆运动，包括区域构造运动，是否也会受到地球自转速度变化的影响。如果是，即如果构成大陆的岩石受到长期的地质作用力活动，具有一定的刚性和塑性，那么在大陆和海洋发生南北方向的运动后，也应该在大陆上留下相应的痕迹。人们有时说地质力学不关心沉积作用，这是不正确的。
20世纪20年代，各种学派对大陆运动的起源提出了各自的观点。李四光[6]发表了《地球表面影像变化的主要原因》一文。在批判一些传统学派的同时，根据大陆大规模运动的方向，推断那些运动起源于地球自转速度的变化，提出了“大陆车阀”自动控制地球自转速度的功能。从一个局部的科研成果，到对全球构造问题的思考，这正是大科学家李四光区别于一般区域地质工作者的地方。但李四光在回顾之前的科研历程时，以自我批评的精神谈到了这一时期学术研究的不足。他写道:这套理论(指大陆汽车气门理论——引论注)并非没有一点实践基础；但总的来说，这种论证和其他学派的理论一样，在方法论上有很大的缺陷。主要缺点是使用的材料不够广泛，不够细致，不够落实。而是片面地掌握一些事实或现象，参考一些二手资料，草率地提出大理论。其实这些所谓的理论都很低级，很粗糙。他们所依赖的证据往往可以这样或那样解释。这是一个非常深刻的教训，同时也积累了一些粗糙而不是无用的经验。特别是让我们知道大陆运动的方向，这是地质力学发展的第一阶段。
如前所述，李四光不是研究建筑的，而是在研究建筑的过程中进一步研究大地构造和地壳运动。正是在这个阶段，他认识到任何关于构造地质学和大地构造学的假说都必须经过严格的检验，即是否能解释现有的地壳形变记录。正是基于这种思想，他毅然将科研的主要方向从对建造和地层古生物的研究转向了对形变的研究。他写道:地质力学发展过程的第二阶段并不是从第一阶段结束开始的，而是在第一阶段后期已经开始了一些零星的工作。这些作品主要针对区域构造现象之间的相互联系。必须说明的是，这里所说的构造现象指的是大规模的、小规模的、单一类型和复合褶皱以及各种断裂。这些变形的图像是当地地壳运动的痕迹，是真实的东西。要了解局部经历的地壳运动的程序，就必须了解它们各自的本质、形成过程以及它们之间可能的关系。这样看问题，和第一阶段只关注大洲的运动不一样。
李四光对构造现象本质的探索，是从对一些个别特殊现象的认识开始的。起初，他看到一条像乌拉尔山脉一样的强烈褶皱的山脉在东西两侧的广阔平原之间突起，并想知道为什么会有这样的山脉。说是回归阶段由南北地槽转化而来，只是把问题往后推了一步，并没有最终解决问题。李四光认为乌拉尔山脉是在晚古生代大构造运动后形成的山脉，很难想象它是孤立的。实际上，在其东、西两侧的广阔平原南部，还有一组相当复杂的弧形山脉——俄罗斯地台和西伯利亚地台。从高加索西部到阿尔泰山脉东部，属于这个弧形山脉。当时，人们知道其中一些弧形山脉与乌拉尔山脉大致同时产生。虽然相距甚远，方向不同，但两者之间有什么联系吗？李四光说这是他对人字形结构认识的开始，李四光说仅凭当时的事实肯定无法得出任何结论。回顾这段经历，李四光说，并不是说这种想法是正确的，而是他想揭露当时如何冒着极大的风险打开一个思路，认真检验这种结构类型或结构体系的概念在实践中是否行得通。
1928左右，南京镇江首次发现大致东西向弧形构造的宁镇山脉。其弧顶位于镇江，向北突出。在南面一片相当广阔的平原上，出现了一条茅山山脉。这条山脉的延伸方向大致为南北向，与宁镇山脉共同构成一个构造体系。这一构造体系的特征与乌拉尔山脉及其以南复杂的弧形山系形成的构造体系基本一致，只是方向相反。此时对山墙结构体系的认识已经前进了一步，但还不够落实，需要拓展。为了了解这种类型的构造系统在中国是否仍然存在，在野外进行了大量的观测。当时为了方便工作，把这个南北向的构件叫做脊柱，把它前面的弧形构造带叫做前弧。后来又相继提出并确定了广西弧和淮阳弧。过了几年，因为发现了书脊，确定了广西山字体和淮扬山字体(后者直到50年代才确定)。但此时从盾构和地台的角度分析地质构造和从构造体系的角度分析地质构造还是有区别的。
20世纪20年代后期，除了几种山墙结构外，还发现了其他不同类型的结构体系。模拟实验对了解这些不同类型的结构体系起到了一定的作用。1929年，李四光对当时已知的构造类型、分布范围和规律及其对地壳运动的意义做了总结。这一总结概括了不同类型构造的特殊性质，界定了构造体系的概念，确定了与每种类型构造体系相关的地区的构造运动方向和方式，推断了大陆和海洋运动的主要原因，为地质力学的建立奠定了实践和理论基础。
20世纪30-40年代初是地质力学在上述基础上继续发展的时期，也是地质力学在构造体系概念的指导下，继续研究尚未研究或深入研究的各种具体构造类型，找出其独特本质，修改、补充和丰富构造体系概念的时期。李四光认为地质力学在这个时期开始走自己的路。在地质学领域，它逐渐扩大了活动范围，在越来越多的地区发现了许多构造体系的定型、定位和时序，以及同一地区不同构造体系之间的交错和部分重叠关系，即复合关系。东西向复杂构造带、华夏系和新华夏系等多性质构造都是在这一时期确定的。在这个阶段，地质力学不仅描述了构造系统的特征，而且要求对它们的起源做出合理的解释。如多边形结构明显反映了力偶的作用，山墙结构的特点可以通过模拟实验和初步的理论分析，与平板在平面上弯曲时的变形相比较。等等，其他类型的构造类型也要求在相关图件中说明地应力活动的方式。这就提出了一系列关于岩石力学性质的问题。根据现场观察，在地应力的作用下，岩石和岩石有时表现出弹性响应，有时表现出不同程度的塑性响应。什么条件决定了同一个岩体表现出这种不同的反应？这里，地质力学不得不进入弹性和非弹性力学领域。这进一步引发了一系列复杂的理论问题。要解决这些问题，显然需要从事实验工作，将实验获得的数据与实际的结构现象相结合，分析自然界中岩石的力学性质和应力场。李四光写道:“地质力学这个名称是在地质力学工作方向明确后，于四十年代初正式提出的。也就是说，地质力学这一边缘学科才正式形成和诞生。这是因为经过几十年的探索，地质力学终于明确了自己的研究对象和任务，有了自己独特的研究思路和解决问题的方法和步骤。”例如，地质力学在解决变形问题时提出了一系列不同于传统构造地质学和大地构造学的方法论原则，其中重要的是对各种变形构造的筛选，新老分层剥离的构造恢复方法，它不同于构造层分析法。
从上面李四光对地质力学形成过程的阐述中，我们可以清楚地看到，地质力学是如何按照其创始人的思想和科学实践的发展而发展的，最终形成了一门地质学和力学相结合的边缘学科——地质力学。但仅从这方面讨论地质力学是不够的，也不能科学地解释为什么地质力学会在20世纪40年代诞生于中国。本书作者认为，地质力学诞生于20世纪40年代的中国，有三个社会和科学背景:①当时国际地质学由传统地质学向现代地质学转变的历史进程，要求地质学(构造地质学)与力学相结合，产生一门新的边缘学科；(2)国际上固定说与活动说的争论，特别是大陆漂移说，揭开了认识大规模水平运动的序幕，要求解决大规模水平运动的力学机制；(3)由于构造地质学是一门区域性学科，正如北美和俄罗斯因地槽和地台发育完善而成为地槽和地台的故乡一样，中国的局部区域构造发展了许多完善的构造类型和构造体系，非常有利于地质力学科学体系的建立。正是上述时代和科学社会的区域地理背景，加上李四光在地质、力学、数学、物理等方面的深厚科学素养，使得中国成为地质力学的故乡，李四光成为地质力学的创始人。
这本书是对地质力学和板块构造学进行比较研究。除了要了解它们的历史渊源、形成过程和科学社会背景，还要了解它们各自的优势和特点。要理解这一点，就必须把他们放回到出生时的科技条件和社会环境中。
从地质力学的理论体系来说，是独一无二的。虽然李四光大陆车阀理论中地球自转速率通过角动量变换的变化引起地壳运动的机制还有待进一步论证，虽然地球自转产生的离心力和水平切向力足以形成纬向和经向构造体系的认识受到了质疑， 地壳运动与地球整体运动及其变化的联系(之前已经与地球自转联系在一起，李四光的创新进步在于与地球自转历史变化的联系)始于李四光。
正如马宗晋指出的，地球自转的变化是地球动力因素的主要和基本因素之一。迄今为止，还没有人像李四光那样全面系统地研究地球自转对地壳运动的动力作用并形成一套理论[4]。这是李四光理论的理论优势。为了说明这一点。这里我们不得不更多地引用李四光原文中的有关理论。
李四光的地球自转动力学理论是基于全球巨型构造体系的方向性，即纬向构造体系、经向构造体系和扭转构造体系(后者被认为是前两者因不平衡运动而产生的变异)。李四光指出:...在地壳的很多地方，在地壳的上下层，虽然都有区域特点，表现出不同的运动方式，但归根结底，它们的大方向是一致的。换句话说，从构造体系的分布和排列规律来看，区域地壳运动的方向和整体地壳运动的大方向是统一一致的，即经向水平错动或纬向水平错动。经向水平位错倾向于将上地壳中的物质从高纬度推向低纬度；纬向的水平位错倾向于将大陆分裂为东西两个方向，南北大陆的相对扭动和大陆西缘的挤压形成褶皱山区[5]。
为什么大陆上的物质倾向于向低纬度推进？为什么南亚大陆水平向印度洋移动？为什么非洲大陆相对欧亚大陆水平向西移动？为什么南、北美大陆在太平洋上水平错位，而北美大陆比南美大陆错位更严重？为什么太平洋海底的西部，特别是它的北部，楔入亚洲大陆的深处？为什么平断层特别发育在低纬度地区，尤其是下地壳和太平洋底纬度地区？为什么很多地区上地壳的结构比下地壳复杂？这些问题很多都与地壳上下层的性质及其存在的条件(主要是压力和温度)有关，更重要的决定性因素是推动地壳运动的动力。
是什么力量以上述方式推动地壳运动？适合上述地壳运动模式的要求，似乎只是一个力，即地球在重力控制下自转的离心力[5]。但要找到上述基本规律的根源，就要注意，确定地壳运动是一回事，使地壳各部分都有可能发动周期性的水平运动和伴随的垂直运动又是另一回事。这两个方面必须同时考虑，才不会陷入片面寻找问题答案的境地。如果说上述东西向和南北向的构造运动单纯起源于地球的自转，那么在地球数十亿年的自转过程中，为了满足重力和离心力的固定合力场的要求，其形状和其表面内部结构应该已经达到了平衡的状态，大规模的地壳运动就不会开始和停止，也不会晚于第三纪甚至第四纪向上述两个方向运动。这样，在谈到决定地壳运动方向的因素时，我们要考虑的不是地球的自转，而是地球自转速度的变化[5]。
李四光接着写道:当地球角速度增大到一定强度时，地壳尤其是其上层，会在等温地表上升的条件下，沿某些纬度和某些经度发生大规模的构造运动，主要是挤压或伸展运动。同时，个别区域会出现水平扭曲。这些运动的一般主要趋势是略微增加地壳的平整度，并使地球的形状适应其增加的旋转速度。一旦这些大规模的构造运动跟不上随基底向东加速的大陆部分，整体向西略微错开是必然的。例如，南美洲和北美洲可能就是这样的大陆块。当由基性岩组成的相对坚硬平坦的洋底阻止它们向西滑动时，在南北美洲的西缘就可能出现大规模的褶皱或凹陷。很可能科迪勒拉和安第斯山向斜以及在这两个向斜中传递的褶皱山脉就是由这一作用形成的。因为这种运动在一些倾向于向西错开的大陆基底前受到阻碍和摩擦，又因为重岩浆大规模侵入或流出地球表面和大规模区域变质作用的影响，又因为潮汐理论家认为这种影响大部分是“弹性的”，所以地球的角速度会稍微变慢。由于角速度的减慢，可能会发生与上述情况类似但方向相反的构造运动。这样，我们可以提出一个简单的推论:在全球大规模构造运动之前，地球的角速度应该会逐渐增大一段时间，在大规模构造运动期间和之后，其角速度会显著减小，并继续减小，直到其角速度再次增大。有些人认为，这样产生的电力不足以将喜马拉雅山、落基山脉和安第斯山脉等山脉提升到它们所达到的高度。这是混淆了两种造山作用。水平推力只是让地壳褶皱或折叠。至于褶皱带上升为山地带的现象，是与重力有关的平衡效应的必然结果。.....根据上述观点，我们可以说地壳的构造运动是一种控制地球自转速度的自动机制...[5].
李四光学术思想的第二个长处是，他抓住了地质构造的本质，即它的力学本质。虽然传统的构造地质学在分析构造变形时已经使用了应变椭球体的应力应变分析，但地质力学分析方法进一步分析了各种具有成因(组成和成因)关系的构造特征及其所反映的构造变形场和构造应力场的共生组合，即建立构造类型和构造体系，然后从构造体系和构造类型反演地壳运动方案，再从地壳运动方案探索地壳运动的力源。这是地质逆序法在构造地质学中的一次成功实践。其中心环节是结构体系和结构类型的确立。李四光建立了严格的研究工作逻辑步骤，包括现场观测、室内模拟实验、岩石力学研究、数学论证等一整套工作内容和方法。虽然构造系统分析方法的建立不可避免地带来了简化处理复杂自然地质现象的弊端[4]，但在实际工作中，确实有同事走上了先入为主的建模之路，而且由于当时测试技术和资金的限制，其可信度受到怀疑，这也是地质力学在构造学界提出的概念和一些构造类型至今没有得到普遍认可的重要原因。但毕竟开创了一条全新的认识地质构造的道路，而这条道路最终将从构造地质学所要解决的科学任务中走出来，从长远来看这是地质力学的根本优势。但是科学是不断发展的，经典地质力学是李四光根据当时的地质研究事实总结出来的。在他的背后，发现了许多新的地质事实，如新的构造体系和样式，新的构造实体和构造复合关系，需要在理论上有新的概括。地质力学提出的一些概念是相对的。如果不重视这种相对性，把它绝对化也会阻碍地质力学的发展。例如，结构迁移和结构类型的方向、最终确定和时间安排只是相对的。众所周知，构造活动的迁移性和构造运动的历时性，使得构造运动的时间性只是相对的；构造类型的定型也因边界条件的变化(特别是构造边界形态的变化)、构造发展阶段的变化(萌芽、成熟、衰退)、后期构造的复合改造而变化。正因为如此，马宗晋[4]指出，构造体系的概念为地壳形变的整体分析提供了方法，但它的刻板性、定向性和方向性简化了复杂的地质现象。当然，本书作者认为构造体系和构造类型的基本概念还是可以成立的，经典地质力学的工作方法也是基本科学的，只是为了强调如果不关注如此丰富多彩的地质变化，可能会使我们的地质力学研究思维僵化。显然，这对地质力学的发展是极其有害的。
新中国成立前，中国长期是一个半封建半殖民地国家。面对列强的科技，相当多的人产生了民族自卑感。20世纪80年代以来，国内构造学界掀起了一股追赶国外现代构造地质学先进水平的热潮，包括拆离构造、基底拆离、韧性剪切变形和递进变形的研究。实际上，国外现代构造地质学的这些新层次、新内容，在我国地质力学建立之初的40年代就已经有人研究过了。众所周知，强调大陆表面向基底的滑动是李四光的一贯思想。地质力学中的结构序概念也是递进变形的概念，岩石力学性质随深度和温压条件的变化而变化的概念早在地质力学的基础上就已经研究过了。
然而，地质力学是在20世纪40年代被提及并开始研究的，它在中国的构造地质学发展中并不领先于中国。相反，它会在几十年后轮流向外国学习。其中的原因值得进一步研究。当然，我国的整体科技水平和国力已经严重制约了我国构造地质学的发展。
如上所述，讨论了中国地质力学的发展过程和可能影响中国地质力学发展的一些因素。本书作者不想低估过去几十年来中国地质力学的重要成就和发展。相反，需要强调的是，李四光生前指示开展的地质力学研究领域，其背后都有重要的进展，都直接或间接地受到李四光学术思想的启发和继承。如马兴元、索树田的构造分析，王佳音、刘瑞勋的应力矿物，谭忠福、熊成云、唐吉芳的复合构造体系与控矿构造研究，沈树民、宁崇智的构造应力场与区域构造模拟实验研究，孙岩断裂构造带的划分与构造地球化学，杨开清、董树文的动力成岩成矿与地壳物质的调整等。吴和秦木涛的构造体系和构造序列控制着花岗岩型铀成矿带的矿床和矿体，崔的古构造，和马兴华的古地磁，王晓峰和刘瑞勋的显微构造，蒋光喜的X射线岩组，以及的地球结构和动力学。、陈清玄、孙晔、研究活动构造体系、安全岛现今构造应力场、区域稳定性评价与构造预测、地质灾害预测，王、、、钱研究地球自转的动力效应等。(这些研究成果已经以专著或学术论文的形式发表在《地质力学》、《地质力学研究》、《地质力学文集》、《地质力学杂志》等刊物上。
还要特别重视地质力学在国民经济建设、环境保护、地质灾害防治等与人民生活密切相关的实际领域的优势。地质力学侧重于研究特定的构造变形，构造类型、构造体系的分布及其形成发展规律对有用矿产的时空分布、工程地基的稳定性、地下水的分布、地质灾害等具有控制意义。因此，系统地研究构造体系和构造类型，不仅对地壳运动的研究具有重要的理论意义，而且对指导生产实践也具有重要的现实意义。更重要的是，在实际工作中具有很强的可操作性，地质力学工作方法简单易行。许多地质调查报告仍然记录了地质力学取得的大量工作成果，这是地质力学强大生命力的一个证明。所以，地质力学工作者不要因为目前相信经典地质力学理论的人不多而气馁，而要看一门科学是否能站得住脚，不断发展。归根结底，还是要看这个学科在理论上能解决什么科学问题，在实践中能给国家经济建设、环境保护和生命财产安全带来什么好处。
上面说的只是经典地质力学在中国的发展。事实上，到目前为止，地质力学已经发展成为广义地质力学或者新概念地质力学，无论在理论还是实践领域都有着极其广阔的前景，但这并不是本书的讨论范围。