圖1-1全球構造體系和地殼運動方向
(據李四光1973)
圖1-1全球構造體系和地球地殼運動方向
(在J.S.Lee之後，1973)
談到地質力學的形成和發展，就不能不追溯到20世紀初至20世紀20年代世界地質學，特別是構造地質學和大地構造學的發展。正是從這些敘述中，我們可以看到地質力學理論形成的壹些歷史背景。
1908年，美國地質學家泰勒(F.C.Taylor)提出了“巨型大陸大規模向赤道滑動，從而形成褶皺山脈”的觀點(1910討論)。他認為亞洲大陸第三紀山脈的形成源於地球自轉產生的離心力，導致北半球大陸向南滑動，南半球大陸向北滑動。在滑行的過程中遇到了障礙物，在山中形成了壹個突起的頂部。他把原始的勞埃亞大陸描述為壹個大陸矽鋁殼，從極地向赤道擴張，形成環形向外流動，前面形成山環和島弧。20世紀10 ~ 20世紀20年代是大陸漂移提出並盛行的時代。魏格納(1915)認為大陸是由輕的剛性矽鋁層組成，漂浮在重的粘性矽鎂洋底，地球自轉產生的離心力驅使大陸從高緯度向低緯度赤道移動。同時，他認為西漂是太陽和月亮的引力引起的潮汐摩擦，減緩了地球相對於地球的自轉速度。當移動的大陸鋒遇到洋底的阻力時，被擠壓形成褶皺山脈，美國沿海山脈就是這樣形成的[6]。
大陸漂移說主張存在大規模的水平運動，而固定說只承認在某個位置相對固定的垂直運動。顯然，李四光是壹個活動家。從李四光早期的著作和李四光科學思想的形成與發展中，可以看出這壹時期世界地質科學對他的重要影響，也可以看出這壹時期大地構造學的壹些理論思想，特別是大陸漂移學說，後來成為地質力學理論的重要歷史來源。
構造地質學(大地構造學)在歷史上從兩個方面研究地質構造，即物質組成(即建造)和構造(即變形)。前人在這兩方面的研究成果自然成為地質力學理論基礎和研究方法的壹個來源。但應該說，地質力學繼承了傳統構造地質學中構造變形的研究成果和方法，但拋棄了其單純形態學理論的部分，加強了對地質構造成因關系和力學性質的研究。
李四光在總結地質力學的形成和發展時，認為地質力學分兩個階段發展。為了正確表達他的理解，這裏我們盡量引用他的原文[7]:
第壹階段始於1921年中國北方石炭-二疊紀沈積研究。關於太原學派的時代問題，長期以來壹直有爭論。李四光等人對地層古生物的研究證明，中國南方晚石炭世和壹部分石炭紀至二疊紀的過渡海相地層是中國北方太原系的同時代產物，以陸相為主，有若幹海相地層。
得到這個研究結果後，我問自己的問題是:為什麽當時的南北會有這樣的差異？這個問題涉及到大陸的局部起伏和當時海面的整體起伏，以及低緯度和高緯度海面運動不同的可能性。經過對當時地球其他地方海侵海退現象的初步比較，特別是對古生代以後大陸上海水進退規律的初步探索，他得到了壹個假設，即大陸上海水的進退並不完全像奧地利著名地質學家徐實提出的那樣，即海面的升降是全球性的，但可能存在從赤道到兩極的定向運動，反之亦然。這個假設提出了另壹個問題，為什麽海洋會有這種定向運動？當時初步認為這可能是由於漫長地質時期地球自轉速度的反復變化。這個假設是否正確，當然還有很多問題。但它對地質力學的開端起到了非常重要的啟蒙作用。它的作用是提出這樣壹個問題，即大陸運動，包括區域構造運動，是否也會受到地球自轉速度變化的影響。如果是，即如果構成大陸的巖石受到長期的地質作用力活動，具有壹定的剛性和塑性，那麽在大陸和海洋發生南北方向的運動後，也應該在大陸上留下相應的痕跡。人們有時說地質力學不關心沈積作用，這是不正確的。
20世紀20年代，各種學派對大陸運動的起源提出了各自的觀點。李四光[6]發表了《地球表面影像變化的主要原因》壹文。在批判壹些傳統學派的同時，根據大陸大規模運動的方向，推斷那些運動起源於地球自轉速度的變化，提出了“大陸車閥”自動控制地球自轉速度的功能。從壹個局部的科研成果，到對全球構造問題的思考，這正是大科學家李四光區別於壹般區域地質工作者的地方。但李四光在回顧之前的科研歷程時，以自我批評的精神談到了這壹時期學術研究的不足。他寫道:這套理論(指大陸汽車氣門理論——引論註)並非沒有壹點實踐基礎；但總的來說，這種論證和其他學派的理論壹樣，在方法論上有很大的缺陷。主要缺點是使用的材料不夠廣泛，不夠細致，不夠落實。而是片面地掌握壹些事實或現象，參考壹些二手資料，草率地提出大理論。其實這些所謂的理論都很低級，很粗糙。他們所依賴的證據往往可以這樣或那樣解釋。這是壹個非常深刻的教訓，同時也積累了壹些粗糙而不是無用的經驗。特別是讓我們知道大陸運動的方向，這是地質力學發展的第壹階段。
如前所述，李四光不是研究建築的，而是在研究建築的過程中進壹步研究大地構造和地殼運動。正是在這個階段，他認識到任何關於構造地質學和大地構造學的假說都必須經過嚴格的檢驗，即是否能解釋現有的地殼形變記錄。正是基於這種思想，他毅然將科研的主要方向從對建造和地層古生物的研究轉向了對形變的研究。他寫道:地質力學發展過程的第二階段並不是從第壹階段結束開始的，而是在第壹階段後期已經開始了壹些零星的工作。這些作品主要針對區域構造現象之間的相互聯系。必須說明的是，這裏所說的構造現象指的是大規模的、小規模的、單壹類型和復合褶皺以及各種斷裂。這些變形的圖像是當地地殼運動的痕跡，是真實的東西。要了解局部經歷的地殼運動的程序，就必須了解它們各自的本質、形成過程以及它們之間可能的關系。這樣看問題，和第壹階段只關註大洲的運動不壹樣。
李四光對構造現象本質的探索，是從對壹些個別特殊現象的認識開始的。起初，他看到壹條像烏拉爾山脈壹樣的強烈褶皺的山脈在東西兩側的廣闊平原之間突起，並想知道為什麽會有這樣的山脈。說是回歸階段由南北地槽轉化而來，只是把問題往後推了壹步，並沒有最終解決問題。李四光認為烏拉爾山脈是在晚古生代大構造運動後形成的山脈，很難想象它是孤立的。實際上，在其東、西兩側的廣闊平原南部，還有壹組相當復雜的弧形山脈——俄羅斯地臺和西伯利亞地臺。從高加索西部到阿爾泰山脈東部，屬於這個弧形山脈。當時，人們知道其中壹些弧形山脈與烏拉爾山脈大致同時產生。雖然相距甚遠，方向不同，但兩者之間有什麽聯系嗎？李四光說這是他對人字形結構認識的開始，李四光說僅憑當時的事實肯定無法得出任何結論。回顧這段經歷，李四光說，並不是說這種想法是正確的，而是他想揭露當時如何冒著極大的風險打開壹個思路，認真檢驗這種結構類型或結構體系的概念在實踐中是否行得通。
1928左右，南京鎮江首次發現大致東西向弧形構造的寧鎮山脈。其弧頂位於鎮江，向北突出。在南面壹片相當廣闊的平原上，出現了壹條茅山山脈。這條山脈的延伸方向大致為南北向，與寧鎮山脈共同構成壹個構造體系。這壹構造體系的特征與烏拉爾山脈及其以南復雜的弧形山系形成的構造體系基本壹致，只是方向相反。此時對山墻結構體系的認識已經前進了壹步，但還不夠落實，需要拓展。為了了解這種類型的構造系統在中國是否仍然存在，在野外進行了大量的觀測。當時為了方便工作，把這個南北向的構件叫做脊柱，把它前面的弧形構造帶叫做前弧。後來又相繼提出並確定了廣西弧和淮陽弧。過了幾年，因為發現了書脊，確定了廣西山字體和淮揚山字體(後者直到50年代才確定)。但此時從盾構和地臺的角度分析地質構造和從構造體系的角度分析地質構造還是有區別的。
20世紀20年代後期，除了幾種山墻結構外，還發現了其他不同類型的結構體系。模擬實驗對了解這些不同類型的結構體系起到了壹定的作用。1929年，李四光對當時已知的構造類型、分布範圍和規律及其對地殼運動的意義做了總結。這壹總結概括了不同類型構造的特殊性質，界定了構造體系的概念，確定了與每種類型構造體系相關的地區的構造運動方向和方式，推斷了大陸和海洋運動的主要原因，為地質力學的建立奠定了實踐和理論基礎。
20世紀30-40年代初是地質力學在上述基礎上繼續發展的時期，也是地質力學在構造體系概念的指導下，繼續研究尚未研究或深入研究的各種具體構造類型，找出其獨特本質，修改、補充和豐富構造體系概念的時期。李四光認為地質力學在這個時期開始走自己的路。在地質學領域，它逐漸擴大了活動範圍，在越來越多的地區發現了許多構造體系的定型、定位和時序，以及同壹地區不同構造體系之間的交錯和部分重疊關系，即復合關系。東西向復雜構造帶、華夏系和新華夏系等多性質構造都是在這壹時期確定的。在這個階段，地質力學不僅描述了構造系統的特征，而且要求對它們的起源做出合理的解釋。如多邊形結構明顯反映了力偶的作用，山墻結構的特點可以通過模擬實驗和初步的理論分析，與平板在平面上彎曲時的變形相比較。等等，其他類型的構造類型也要求在相關圖件中說明地應力活動的方式。這就提出了壹系列關於巖石力學性質的問題。根據現場觀察，在地應力的作用下，巖石和巖石有時表現出彈性響應，有時表現出不同程度的塑性響應。什麽條件決定了同壹個巖體表現出這種不同的反應？這裏，地質力學不得不進入彈性和非彈性力學領域。這進壹步引發了壹系列復雜的理論問題。要解決這些問題，顯然需要從事實驗工作，將實驗獲得的數據與實際的結構現象相結合，分析自然界中巖石的力學性質和應力場。李四光寫道:“地質力學這個名稱是在地質力學工作方向明確後，於四十年代初正式提出的。也就是說，地質力學這壹邊緣學科才正式形成和誕生。這是因為經過幾十年的探索，地質力學終於明確了自己的研究對象和任務，有了自己獨特的研究思路和解決問題的方法和步驟。”例如，地質力學在解決變形問題時提出了壹系列不同於傳統構造地質學和大地構造學的方法論原則，其中重要的是對各種變形構造的篩選，新老分層剝離的構造恢復方法，它不同於構造層分析法。
從上面李四光對地質力學形成過程的闡述中，我們可以清楚地看到，地質力學是如何按照其創始人的思想和科學實踐的發展而發展的，最終形成了壹門地質學和力學相結合的邊緣學科——地質力學。但僅從這方面討論地質力學是不夠的，也不能科學地解釋為什麽地質力學會在20世紀40年代誕生於中國。本書作者認為，地質力學誕生於20世紀40年代的中國，有三個社會和科學背景:①當時國際地質學由傳統地質學向現代地質學轉變的歷史進程，要求地質學(構造地質學)與力學相結合，產生壹門新的邊緣學科；(2)國際上固定說與活動說的爭論，特別是大陸漂移說，揭開了認識大規模水平運動的序幕，要求解決大規模水平運動的力學機制；(3)由於構造地質學是壹門區域性學科，正如北美和俄羅斯因地槽和地臺發育完善而成為地槽和地臺的故鄉壹樣，中國的局部區域構造發展了許多完善的構造類型和構造體系，非常有利於地質力學科學體系的建立。正是上述時代和科學社會的區域地理背景，加上李四光在地質、力學、數學、物理等方面的深厚科學素養，使得中國成為地質力學的故鄉，李四光成為地質力學的創始人。
這本書是對地質力學和板塊構造學進行比較研究。除了要了解它們的歷史淵源、形成過程和科學社會背景，還要了解它們各自的優勢和特點。要理解這壹點，就必須把他們放回到出生時的科技條件和社會環境中。
從地質力學的理論體系來說，是獨壹無二的。雖然李四光大陸車閥理論中地球自轉速率通過角動量變換的變化引起地殼運動的機制還有待進壹步論證，雖然地球自轉產生的離心力和水平切向力足以形成緯向和經向構造體系的認識受到了質疑， 地殼運動與地球整體運動及其變化的聯系(之前已經與地球自轉聯系在壹起，李四光的創新進步在於與地球自轉歷史變化的聯系)始於李四光。
正如馬宗晉指出的，地球自轉的變化是地球動力因素的主要和基本因素之壹。迄今為止，還沒有人像李四光那樣全面系統地研究地球自轉對地殼運動的動力作用並形成壹套理論[4]。這是李四光理論的理論優勢。為了說明這壹點。這裏我們不得不更多地引用李四光原文中的有關理論。
李四光的地球自轉動力學理論是基於全球巨型構造體系的方向性，即緯向構造體系、經向構造體系和扭轉構造體系(後者被認為是前兩者因不平衡運動而產生的變異)。李四光指出:...在地殼的很多地方，在地殼的上下層，雖然都有區域特點，表現出不同的運動方式，但歸根結底，它們的大方向是壹致的。換句話說，從構造體系的分布和排列規律來看，區域地殼運動的方向和整體地殼運動的大方向是統壹壹致的，即經向水平錯動或緯向水平錯動。經向水平位錯傾向於將上地殼中的物質從高緯度推向低緯度；緯向的水平位錯傾向於將大陸分裂為東西兩個方向，南北大陸的相對扭動和大陸西緣的擠壓形成褶皺山區[5]。
為什麽大陸上的物質傾向於向低緯度推進？為什麽南亞大陸水平向印度洋移動？為什麽非洲大陸相對歐亞大陸水平向西移動？為什麽南、北美大陸在太平洋上水平錯位，而北美大陸比南美大陸錯位更嚴重？為什麽太平洋海底的西部，特別是它的北部，楔入亞洲大陸的深處？為什麽平斷層特別發育在低緯度地區，尤其是下地殼和太平洋底緯度地區？為什麽很多地區上地殼的結構比下地殼復雜？這些問題很多都與地殼上下層的性質及其存在的條件(主要是壓力和溫度)有關，更重要的決定性因素是推動地殼運動的動力。
是什麽力量以上述方式推動地殼運動？適合上述地殼運動模式的要求，似乎只是壹個力，即地球在重力控制下自轉的離心力[5]。但要找到上述基本規律的根源，就要註意，確定地殼運動是壹回事，使地殼各部分都有可能發動周期性的水平運動和伴隨的垂直運動又是另壹回事。這兩個方面必須同時考慮，才不會陷入片面尋找問題答案的境地。如果說上述東西向和南北向的構造運動單純起源於地球的自轉，那麽在地球數十億年的自轉過程中，為了滿足重力和離心力的固定合力場的要求，其形狀和其表面內部結構應該已經達到了平衡的狀態，大規模的地殼運動就不會開始和停止，也不會晚於第三紀甚至第四紀向上述兩個方向運動。這樣，在談到決定地殼運動方向的因素時，我們要考慮的不是地球的自轉，而是地球自轉速度的變化[5]。
李四光接著寫道:當地球角速度增大到壹定強度時，地殼尤其是其上層，會在等溫地表上升的條件下，沿某些緯度和某些經度發生大規模的構造運動，主要是擠壓或伸展運動。同時，個別區域會出現水平扭曲。這些運動的壹般主要趨勢是略微增加地殼的平整度，並使地球的形狀適應其增加的旋轉速度。壹旦這些大規模的構造運動跟不上隨基底向東加速的大陸部分，整體向西略微錯開是必然的。例如，南美洲和北美洲可能就是這樣的大陸塊。當由基性巖組成的相對堅硬平坦的洋底阻止它們向西滑動時，在南北美洲的西緣就可能出現大規模的褶皺或凹陷。很可能科迪勒拉和安第斯山向斜以及在這兩個向斜中傳遞的褶皺山脈就是由這壹作用形成的。因為這種運動在壹些傾向於向西錯開的大陸基底前受到阻礙和摩擦，又因為重巖漿大規模侵入或流出地球表面和大規模區域變質作用的影響，又因為潮汐理論家認為這種影響大部分是“彈性的”，所以地球的角速度會稍微變慢。由於角速度的減慢，可能會發生與上述情況類似但方向相反的構造運動。這樣，我們可以提出壹個簡單的推論:在全球大規模構造運動之前，地球的角速度應該會逐漸增大壹段時間，在大規模構造運動期間和之後，其角速度會顯著減小，並繼續減小，直到其角速度再次增大。有些人認為，這樣產生的電力不足以將喜馬拉雅山、落基山脈和安第斯山脈等山脈提升到它們所達到的高度。這是混淆了兩種造山作用。水平推力只是讓地殼褶皺或折疊。至於褶皺帶上升為山地帶的現象，是與重力有關的平衡效應的必然結果。.....根據上述觀點，我們可以說地殼的構造運動是壹種控制地球自轉速度的自動機制...[5].
李四光學術思想的第二個長處是，他抓住了地質構造的本質，即它的力學本質。雖然傳統的構造地質學在構造變形分析中已經使用了應變橢球體的應力應變分析，但地質力學分析方法進壹步具體分析了具有成因(組成和成因)關系的構造特征的各種* * *組合及其反映的構造變形場和構造應力場，即建立構造類型和構造體系，然後從構造體系和構造類型中反演地殼運動的程序，再從地殼運動的程序中探索地殼運動的力源。這是地質逆序法在構造地質學中的壹次成功實踐。其中心環節是結構體系和結構類型的確立。李四光建立了嚴格的研究工作邏輯步驟，包括現場觀測、室內模擬實驗、巖石力學研究、數學論證等壹整套工作內容和方法。雖然構造系統分析方法的建立不可避免地帶來了簡化處理復雜自然地質現象的弊端[4]，但在實際工作中，確實有同事走上了先入為主的建模之路，而且由於當時測試技術和資金的限制，其可信度受到懷疑，這也是地質力學在構造學界提出的概念和壹些構造類型至今沒有得到普遍認可的重要原因。但畢竟開創了壹條全新的認識地質構造的道路，而這條道路最終將從構造地質學所要解決的科學任務中走出來，從長遠來看這是地質力學的根本優勢。但是科學是不斷發展的，經典地質力學是李四光根據當時的地質研究事實總結出來的。在他的背後，發現了許多新的地質事實，如新的構造體系和樣式，新的構造實體和構造復合關系，需要在理論上有新的概括。地質力學提出的壹些概念是相對的。如果不重視這種相對性，把它絕對化也會阻礙地質力學的發展。例如，結構遷移和結構類型的方向、最終確定和時間安排只是相對的。眾所周知，構造活動的遷移性和構造運動的歷時性，使得構造運動的時間性只是相對的；構造類型的定型也因邊界條件的變化(特別是構造邊界形態的變化)、構造發展階段的變化(萌芽、成熟、衰退)、後期構造的復合改造而變化。正因為如此，馬宗晉[4]指出，構造體系的概念為地殼形變的整體分析提供了方法，但它的刻板性、定向性和方向性簡化了復雜的地質現象。當然，本書作者認為構造體系和構造類型的基本概念還是可以成立的，經典地質力學的工作方法也是基本科學的，只是為了強調如果不關註如此豐富多彩的地質變化，可能會使我們的地質力學研究思維僵化。顯然，這對地質力學的發展是極其有害的。
新中國成立前，中國長期是壹個半封建半殖民地國家。面對列強的科技，相當多的人產生了民族自卑感。20世紀80年代以來，國內構造學界掀起了壹股追趕國外現代構造地質學先進水平的熱潮，包括拆離構造、基底拆離、韌性剪切變形和遞進變形的研究。實際上，國外現代構造地質學的這些新層次、新內容，在我國地質力學建立之初的40年代就已經有人研究過了。眾所周知，強調大陸表面向基底的滑動是李四光的壹貫思想。地質力學中的結構序概念也是遞進變形的概念，巖石力學性質隨深度和溫壓條件的變化而變化的概念早在地質力學的基礎上就已經研究過了。
然而，地質力學是在20世紀40年代被提及並開始研究的，它在中國的構造地質學發展中並不領先於中國。相反，它會在幾十年後輪流向外國學習。其中的原因值得進壹步研究。當然，我國的整體科技水平和國力已經嚴重制約了我國構造地質學的發展。
如上所述，討論了中國地質力學的發展過程和可能影響中國地質力學發展的壹些因素。本書作者不想低估過去幾十年來中國地質力學的重要成就和發展。相反，需要強調的是，李四光生前指示開展的地質力學研究領域，其背後都有重要的進展，都直接或間接地受到李四光學術思想的啟發和繼承。如馬興元、索樹田的構造分析，王佳音、劉瑞勛的應力礦物，譚忠福、熊成雲、唐吉芳的復合構造體系與控礦構造研究，沈樹民、寧崇智的構造應力場與區域構造模擬實驗研究，孫巖斷裂構造帶的劃分與構造地球化學，楊開清、董樹文的動力成巖成礦與地殼物質的調整等。吳和秦木濤的構造體系和構造序列控制著花崗巖型鈾成礦帶的礦床和礦體，崔的古構造，和馬興華的古地磁，王曉峰和劉瑞勛的顯微構造，蔣光喜的X射線巖組，以及的地球結構和動力學。、陳清玄、孫曄、研究活動構造體系、安全島現今構造應力場、區域穩定性評價與構造預測、地質災害預測，王、、、錢研究地球自轉的動力效應等。(這些研究成果已經以專著或學術論文的形式發表在《地質力學》、《地質力學研究》、《地質力學文集》、《地質力學雜誌》等刊物上。
還要特別重視地質力學在國民經濟建設、環境保護、地質災害防治等與人民生活密切相關的實際領域的優勢。地質力學側重於研究特定的構造變形，構造類型、構造體系的分布及其形成發展規律對有用礦產的時空分布、工程地基的穩定性、地下水的分布、地質災害等具有控制意義。因此，系統地研究構造體系和構造類型，不僅對地殼運動的研究具有重要的理論意義，而且對指導生產實踐也具有重要的現實意義。更重要的是，在實際工作中具有很強的可操作性，地質力學工作方法簡單易行。許多地質調查報告仍然記錄了地質力學取得的大量工作成果，這是地質力學強大生命力的壹個證明。所以，地質力學工作者不要因為目前相信經典地質力學理論的人不多而氣餒，而要看壹門科學是否能站得住腳，不斷發展。歸根結底，還是要看這個學科在理論上能解決什麽科學問題，在實踐中能給國家經濟建設、環境保護和生命財產安全帶來什麽好處。
上面說的只是經典地質力學在中國的發展。事實上，到目前為止，地質力學已經發展成為廣義地質力學或者新概念地質力學，無論在理論還是實踐領域都有著極其廣闊的前景，但這並不是本書的討論範圍。