地球動力係統
全球的海陸麵貌究竟是如何形成的？在整個地質曆史進程中地殼或岩石圈以怎樣的方式和規律進行演化、發展？各種地質作用特別是內部地質作用的機理及相互聯係怎樣？自從地球科學萌生的那天起，科學家和哲學家就對這些問題進行著不停地探討。隨著科學的發展，人們對這些問題的認識也不斷加深。
16世紀意大利學者布魯諾最早提出收縮說，他把蘋果幹縮的褶皺表皮與地球表麵的岩層褶皺相對比。19世紀中葉法國學者博蒙根據拉普拉斯的太陽係起源為由熱變冷的假說又重新提出收縮說，認為地球內部由熱變冷是地球表部收縮和褶皺及其它構造形成的原因。但是收縮說不能解釋地球表部出現的由拉張形成的眾多大規模裂陷或裂穀盆地帶。17世紀英國學者培根最早提出了與收縮說相對立的膨脹說，到19世紀末和本世紀初一些學者如曼托瓦尼、希克森等用地球膨脹說來解釋大西洋兩岸形狀的相似性和非洲裂穀係等現象，但膨脹說不能解釋地球表層的眾多大規模擠壓褶皺山係。
19世紀中、後葉，由美國學者霍爾、丹納和奧地利學者休斯相繼提出地槽、地台概念，從而建立了地槽-地台學說。所謂地槽是指地殼上的強烈活動帶，分布於大陸邊緣、大陸內部或大陸間，一般呈長條形，長達數百至數千公裏、寬幾十至幾百公裏。地槽的發展一般經曆了兩個階段：早期為大幅度沉降並形成巨厚沉積層；晚期為褶皺回返形成山係，並伴隨有強烈的岩漿活動和變質作用。地台是大陸上相對穩定的地區，具麵積大、地形起伏小、構造活動弱的特點。該學說認為地殼的基本構造單元是由地槽區和地台區組成，地槽褶皺回返後經剝蝕、夷平可轉變為地台區。該學說自提出後直到本世紀中葉在地學界長期占據著統治地位，對固體地球科學的發展起了促進作用，但其忽視地球的大規模水平運動，對地槽-地台演化的動力機製及全球動力係統之間的關係也沒有令人滿意的解釋。
我國地質學家李四光於1926年提出地質力學學說，並在其後進行了不斷補充和完善。該學說主張運用力學原理研究地殼構造及其成因，並將地殼構造歸納為3大類構造體係：緯向構造體係、經向構造體係和扭動構造體係。認為構造運動以水平運動為主，垂直運動是水平運動派生的，水平運動以南北向和東西向為兩個主導方向，構造運動的動力是由於地球自轉的速度變化引起的。但是，對於地球自轉速度變化能否產生足夠大的動力形成全球海陸分布與大規模的褶皺山係，地殼上不同方向、不同時代的各種紛繁複雜的地質構造與地質現象能否全用這種動力係統加以解釋，尚存在不同看法。
岩石圈板塊構造學說是現代地球科學對全球動力學認識的主流，被譽為是地球科學的革命，它是在確立了對大陸漂移與海底擴張的認識的基礎上建立起來的。
大陸漂移
茫茫大陸，就像碩大無比的巨輪，竟然可以一漂千裏。它經曆過長期的漂移，而且至今仍在不停地漂移著。大陸漂移（continentaldrift）的概念，今天已廣為人們接受。但這一概念從提出到接受並不是一帆風順的，而是經曆了提出、衰落到重新興起的過程。
盡管大陸漂移的思想早有萌芽，但是第一次全麵、係統地論述大陸漂移假說的是德國氣象學家和地球物理學家魏格納。魏格納最初於1912年發表大陸漂移觀點，至1915年進一步著成《海陸的起源》一書，係統地論述了大陸漂移問題。魏格納認為：較輕的矽鋁質的大陸塊就像一座座塊狀冰山一樣漂浮在較重的矽鎂層之上，並在其上發生漂移；全世界的大陸在古生代晚期曾連接成一體，稱為聯合古大陸或泛大陸（Pangaea），圍繞聯合古大陸的廣闊海洋稱為泛大洋（圖9.1）；可能由於某種作用力的影響，自中生代開始，泛大陸逐漸破裂、分離、漂移，形成現代海陸分布的基本格局。
魏格納的大陸漂移說主要是根據大陸形狀的相似性、地層、地質構造、古生物、古氣候等方麵的證據提出來的。
魏格納起初曾從大西洋兩岸非洲和南美洲的海岸線彎曲形狀的相似性中得到啟發。後來他進一步發現美洲和非洲、歐洲在地層、構造和古生物化石的分布方麵均有密切聯係。例如北美洲紐芬蘭一帶的褶皺山係與北歐斯堪的納維亞半島的褶皺山係遙相呼應，同屬早古生代的加裏東褶皺帶；美國阿巴拉契亞山的海西褶皺帶，其東北端沒入大西洋，延至英國西部和中歐一帶複又出現；非洲西部的古老岩石分布區（老於20億年）可以與巴西的古老岩石區相銜接，而且二者之間的岩石結構、構造也彼此吻合；非洲南端的開普勒山脈與南美的布宜諾斯艾利斯附近的山脈在地層和構造上可以彼此銜接等等（圖9.2）。對此，魏格納作了一個很淺顯的比喻。他說，如果兩片撕碎了的報紙按其參差的毛邊可以拚接起來，且其上的印刷文字也可以相互連接，我們就不能不承認這兩片破報紙是由一大張撕開來的（圖9.3）。魏格納還指出，在非洲和印度、澳大利亞等大陸之間，也有地層構造之間的聯係，而這種聯係都限於中生代以前的地層和構造。
古生物學家早就發現，在目前遠隔重洋的一些大陸之間，古生物麵貌有著密切的親緣關係。例如，中龍是一種營淡水生活的小型水生爬行類，它既見於巴西石炭—二疊係的淡水湖相地層中，也出現在南非的石炭—二疊係同類地層中，而迄今為止，世界上其它地區都未曾找到過這種動物化石，這表明巴西和南美之間一定有過陸地相連係。又如舌羊齒植物化石，廣布於澳大利亞、印度、南美、非洲等南方諸大陸的晚古生代地層中，為解釋這些現象，古生物學家曾提出“陸橋說”，設想在這些大陸之間的大洋中，一度有陸地或一係列島嶼把遙遠的大陸聯係起來，後來這些陸橋沉沒消失了，大陸才被大洋完全分隔開來。然而，魏格納卻認為，各大陸之間古生物麵貌的相似性，並不是因為它們之間有什麼陸橋相聯係，而是由於這些大陸本來是直接毗連在一起，到後來才分裂漂移開來。
在魏格納提出的漂移說中，古氣候的證據占有重要的地位，其中尤以古冰川的分布最具說服力。距今約3億年前後的晚古生代，在南美洲、非洲、澳大利亞、印度和南極洲都曾發生過廣泛的冰川作用，有的還可以從冰川的擦痕判斷出古冰川的流動方向（圖9.4）。從冰川遺跡分布的規模與特征判斷，當時的冰川為發育在極地附近的大陸冰川。而且南美、印度和澳大利亞的古冰川遺跡殘留在大陸邊緣地區，冰川的運動方向是從岸外指向內陸，反映古冰川不是源於本地。要解釋這種古冰川的分布及流向特征，過去一直是地質學上的一道難題。但是，正是這些特征，卻為大陸漂移說提供了強有力的證據。在漂移說看來，上述出現古冰川的大陸在當時曾是連結在一起的，並且處在南極附近，冰川中心位於非洲南部，古大陸冰川由中心向四方放射狀流動，這就很合理地解釋了古冰川的分布與流動特征。除古冰川遺跡外，蒸發鹽、珊瑚礁、紅層等作為古氣候標誌，也可用來推斷它們形成時產生的古緯度。魏格納等曾將石炭紀蒸發鹽、煤等的分布標在聯合古大陸上，其中岩鹽、石膏、沙漠砂岩均集中在幹燥的亞熱帶，與它們所要求的古氣候條件完全相符，從而為聯合古陸的存在提供了佐證。
大陸漂移學說的論據雖然很多，但漂移的機製並沒有很好解決。因此，受當時認識水平的限製，大陸漂移說受到許多地球物理學家和地質學家的反對。到30年代，大陸漂移說便逐漸衰落下來。到了50年代，由於一些新的、獨立的大陸漂移證據的發現，使得大陸漂移說再度活躍起來。其中最有力的證據是古地磁學研究的成果。
現今地球周圍存在著地磁場，地質曆史時期的地球周圍也同樣存在著地磁場稱古地磁場。岩石在其形成的過程中因受當時古地磁場的磁化可以獲得磁性，磁化的方向與古地磁場方向一致。例如岩漿岩在其冷凝成岩的過程中，當它冷卻經過居裏溫度點時，岩漿中的一些鐵磁性礦物就會順當時的地磁場方向排列而發生磁化，當岩漿冷凝成岩後這種磁性就保存下來；沉積岩在沉積和固結成岩的過程中，由於一些鐵磁性礦物顆粒受當時地磁場影響發生順磁力線方向的定向排列，也會獲得較弱的磁性。這種岩石在形成過程中所獲得的磁性稱為天然剩餘磁性或化石磁性。這種化石磁性一經形成便具較強的穩定性，可一直保存到今天。借助於岩石的化石磁性，我們可以追溯岩石自形成以後所發生的水平運動情況。
近代地磁場的觀測表明，地磁極是圍繞地理極附近作周期性移動的，若從數千年以上的時間尺度來看，地磁極的平均位置可以看成是與地理極重合的。根據這一原理，可以把地質曆史時期的古地磁極近似地當作古地理極；把古地磁場的磁子午線方向當作古地理經線；古地磁場的等磁傾角線則可看成是古地理緯度線，磁傾角與緯度值之間可用簡單的數學公式進行換算。岩石在形成時所產生的剩餘磁性的磁化方向可用來確定古經線的方向，測定岩石中化石磁性的磁傾角可確定所處的古緯度。
古地磁研究在本世紀50年代時曾盛極一時。英國著名學者布萊克特和朗科恩等測定了大批的岩石化石磁性資料，並根據化石磁性的古地磁要素，求出某一時代岩石標本所在地的古緯度以及相應的古地磁極的位置。他們發現，在一些地區或大陸，所測得的古緯度往往與目前所處的緯度有很大的差別，說明這些地區或大陸曾發生過大規模的水平位移，這就為大陸漂移提供了重要證據。如果假設大陸固定於目前的位置上不動，把大陸上不同時代的岩石化石磁性得出的磁極位置都標在地圖上，發現地質時代越古老，古地磁極的位置偏離現代磁極的位置就越遠，把各時代的古地磁極連起來即可得出該大陸的古地磁極的遷移軌跡。但實際上地磁極是基本上位於地理極附近不動的，極移曲線本身反映了大陸漂移的路線（圖9.5）。在任何地質曆史時期，某一個極性（N或S）的古地磁極隻可能有一個，
但古地磁研究表明，不同的大陸岩石測出了不同的極移軌跡，這說明了這些大陸之間必定發生過相對位移。圖9.5是分別根據歐洲大陸和北美大陸岩石測出的兩條極移曲線，這兩條曲線在現代相交於一點，隨著時代變老兩者偏離越遠，為了把北美的極移曲線與歐洲的重合，就必須將北美大陸向東退回30個經度左右，這時大西洋消失，北美大陸與歐洲拚貼在一起，這就恰好恢複了魏格納漂移說所提出的聯合古陸的情況。其它各大陸的古地磁資料也進一步表明，如果把各大陸大致按魏格納的設想恢複到漂移前的位置，則根據古地磁資料測出的各大陸同一地質時代的地磁極位置相當接近，各大陸的極移曲線亦可互相重合。所以古地磁資料再次令人信服地證實了大陸漂移。
古地磁研究使漂移說複蘇以後，人們又開始深入探討與大陸漂移有關的一些問題，並獲得了許多新的證據和資料。例如，英國學者布拉德等借助電子計算機對大西洋兩岸（按約1000m的等深線）地行了十分完美的拚接，為驗證大陸漂移提供了最形象的證據；此外，南極洲及其它大陸發現的古生物、地層、構造新資料等也都進一步證實了大陸漂移的存在性。盡管到了50年代晚至60年代早期，大陸漂移說衰而複興，然而，對大陸漂移的機製問題依然懸而未決。這期間，海底地質與地球物理的研究飛速發展，終於為大陸漂移機製的解決帶來了曙光。
海底擴張
一、海底擴張說的提出
二次世界大戰以後，工業較發達的西方各國出於軍事、資源與能源等方麵的考慮，開展了廣泛的海底地形與地質調查。例如，他們利用回聲測深等高精度的水深測量方法研究海底地形並繪製出精確的海底地形圖；用重力、地震、地磁及地熱等地球物理勘探方法研究海底的地質構造特征等等。到60代初，海底調查已獲得了大量的新成果與新資料，為海底擴張說的建立準備了條件。其中比較重要的有下述3個方麵。
（1）全球大洋中脊及中央裂穀係的發現50年代晚期發現了縱貫世界大洋洋底的大洋中脊和裂穀體係。大洋中脊在各大洋中互相連接，延伸總長約64000km，總麵積超過陸地麵積的一半，它是世界上最長大的山係，無疑也是地球上最重要的構造單元之一。在洋中脊軸部常發育有平行洋脊的巨大的中央裂穀，穀深可達1000～2000m，穀壁陡峭，實際上是一係列向穀內陡傾的張性斷裂。裂穀寬數十至百餘公裏，窄的穀底寬度不過幾公裏。這種張性斷裂作用造成的穀地，顯示洋中脊附近存在巨大的張力作用。大洋中脊軸部具有很強的構造活動性，常發生淺源地震及火山活動，並且有高的地熱流異常（可達（3～5）×41.686mW/m2），反映中脊軸部是地熱的排泄口和深部岩漿物質上湧的地方。
（2）海溝及貝尼奧夫地震帶在遼闊的大洋中，中部被高大的大洋中脊占據，而深陷的海溝卻分布在大洋的邊緣。海溝主要見於太平洋及印度洋東北部邊緣，沿大陸邊緣的島弧或海岸山脈線狀延伸。海溝的橫剖麵多呈V字形，溝底深度一般大於6000m，深者可達10000m以上（如馬裏亞納海溝深達11033m），若計海溝溝底與島弧或海岸山脈的相對高差，則可達13000m以上。所以海溝附近是地球上高差最為懸殊的巨型地形單元，其中一定包含著極其重要的地質含義。地球物理調查表明，海溝的重力值相當低，出現負重力異常，這說明海溝下方的物質的密度輕，是不是也存在類似於高山之下的地殼“山根”插到地幔之中？但據地殼重力均衡原理，密度低的物質必將上浮形成高的地勢，這與海溝的地勢相矛盾。所以，可以推測，在海溝處必定有一種向下拉的作用力存在，這種力破壞了該處的重力均衡，使輕的地殼物質強製下陷。此外，海溝的地熱流比正常洋盆顯著低，說明海溝下麵的物質比較冷。海溝附近是最強烈的構造活動帶，例如，沿太平洋邊緣的海溝及其附近，形成著名的環太平洋火山帶與地震帶。在環太平洋地震帶中，地震震源深度變化是很有規律的：在海溝附近都是淺源地震，離海溝較遠出現中源地震，在更遠的大陸內部則出現深源地震，最深達720km，震源排列成為一個由海溝向大陸方向傾斜的帶，其傾角一般45°左右（圖9.6）。海溝附近的這種震源排列形式是50年代美國學者貝尼奧夫發現的，故稱為貝尼奧夫地震帶。這種現象說明，沿著大陸邊緣的海溝，存在著傾向大陸的、正在活動的巨大斷裂帶。