众所周知，中国原地质部长李四光先生为地质力学的发展作出了卓越贡献，为解决中国油气资源问题提供了理论支撑。在寻找钨矿等金属矿产中，地质力学也发挥了重大作用。尤其是1975年成功预报海城地震，引起业界高度赞许。然而，国内学术界一直对地质力学存在负面看法，在该学说问世之初，就遇到指为“拉郎配”（指将不同时代地层、构造归于同一构造体系）等的批评。在史无前例的灾难中，《红旗》杂志又以李四光的名义发表了一篇抨击一批中国著名地质学家及他们的学说的文章。这篇文章在政治上的恶劣影响，更加“因人废学”，使地质力学遭遇空前冷落。

政治对学术的干扰，无论来自哪个方面，都不利于科学发展。但这绝不是说：李四光的地质力学思想已经尽善尽美，这样理解也不符合李先生自己的看法。在那个特定的一切都被政治绑架的时代，李四光也和常人一样为领袖的意志所左右。上述文章完全违反了李先生的一贯风格，这是了解李四光的同事们的一致认识。笔者所主张的是：排除政治干扰，从学术本身寻找地质力学的弱项，加以改进和创新。

一

李四光地质力学思想是在长期的实际地质工作和理论探索中逐渐形成的。早在1926年，他就用英文在《中国地质学会志》第5 卷3－4期上发表“地球表面形象变迁之主因”一文，阐述自己对大地构造运动力源的看法，同时评述当时已经出现的构造地质学派。他所提出来的原则是：“任何引申出来的结论都必须接受详细观察到的事实的检验。”［1］他对于魏格纳的大陆漂移说，除了不满学说对于地极漂移的过分依赖之外，总体上是热情支持的。这种态度在当时地质学界并不多见。在这篇文章中，他详细地考察了全球性大构造单元的形成和历史变迁，对于构造运动力源已经有了初步思考和计算。

1929年，李四光在英国《地质杂志》8至11月份多期相继以英文形式发表论文“东亚一些构造型式对大陆运动问题的意义”，详细分析东亚巨型构造由挤压力形成的历史与现状，文中还透露他在1925年前后用水浸纸所作的实验，为解释地壳运动受力模式提供参考。这些是李四光以后用泥巴做实验的前期形式。他提出了“多字型”、“帚状”、“歹字型”、“山字型”、“入字型”等具体的构造型式，为推出地质力学完整学说体系奠定了基础。

数十年以后，特别是回国为新中国效力并担任地质部部长以后，李四光的地质力学思想更加成熟和完善。直到1962年李四光的《地质力学概论》（以下简称《概论》）定稿，先是由地质力学所内部发行，1973年8月由科学出版社正式出版，他的地质力学思想算是比较完整地介绍给了世人。可惜的是，他在1965年6月29日写下的提纲《地质力学方法与实践》未能成书，他就离开了人世。

地质力学的方法基本正确，用模拟实验和逻辑推理相结合的办法，研究地质客体是有效的。地质体不是微观客体，用不着量子力学；也不是高速运动的遥远的宇观现象，用不着相对论和现代宇宙学。地质工作要处理的对象都是宏观的、可测量和可推论的地质现象。所以，必须以牛顿力学为指导思想，即适用经典力学范围。岩石在高温高压下，经过长时间作用，其性状即类似于准可塑性物质。地质力学提出的各种构造形迹都可以用泥巴实验做出来。在矿山工作的总工程师们对笔者说：“我的矿脉开完了，要找下一个，没有李四光的压、张、扭，还真的不行。”笔者自己在野外工作中，也觉得李的这一套很实用。比如内蒙呼盟小营子铅锌矿，就是按李四光的“河西系”构造线方向寻找到的。如果说太平洋的极深海沟是两大板块相撞造成的物质下沉，这种说法违背了牛顿力学基本常识：硅铝层比硅镁层轻，位于上部，如果硅铝层相撞，只能像水中木排相撞一样互相叠加，造成高山隆起（例如喜马拉雅山硅铝层厚达五、六十公里），不可能使地壳物质下沉。

但是，在地壳运动力源问题上，李先生忽视了垂直方向的地质力学效应。在《概论》第四章“地壳运动起源问题”，李四光认为，岩层褶皱越近地表越激烈，而不是在地下深处更激烈的现象，说明地壳上层褶皱不是由基底下沉引起的。而且“必须强调地指出，水平构造运动中，不独不排除广大地区的垂直运动，而且相反的，那样的垂直运动，可能是发动水平运动的原因之一。”这本来是重视垂直运动的，但他又说“我们没有理由反对它们所显示的垂直运动 可能起 源于水 平运动。”［2］121－122李 四光又 说“这样，在论到决定地壳运动方向的因素的时候，我们应当考虑的不是地球自转，而是地球自转速度变更的问题。”［2］128由此看来，关于地壳水平运动和垂直运动互为因果的观点，李先生表达得不够明确。而在实际工作中，几乎完全忽略了垂直方向的地质力学效应。

牛顿早就提出地球是一个两极扁缩，赤道膨胀的椭球体的概念。这是因为地球长期自转造成中纬度地区物质向赤道方向集中。这是一种长期稳定的作用力，方向从两极指向赤道，与地球共始终。因此，它的力量比因为地球自转速度变化而产生的“车阀效应”要大得多、持久得多。地球自转速度变化造成的作用力，力量小且方向不固定，可指向西（加速）也可指向东（减速）。从全球构造分析，东西向压性构造带占据统治地位，特别是在北半球亚洲大陆。而全球性巨大南北向构造带比较少见，一些小型南北向构造带有可能是次一级构造，如山字型的脊柱等。说明两极向赤道的挤压是地壳运动的主导方向。从最后结果看，全球大地测量证明牛顿的预测完全正确。地球赤道半径a＝6 378.172 4km，极半径为b＝6 356.798 6km，扁率1 ∶298.3。由于自转，地球赤道上点的线速度是465m／s。a与b 相差21.373 8km，要大于地球海沟最深处至喜马拉雅山最高处的垂直距离。分析表明，李四光上述论断不妥，地球的稳定自转才是造成地壳运动的基本动力。

但是，牛顿所说的，也只是地壳物质水平迁移的一部分动力和方向，仍然不完全。

二

产生垂直方向的地质力学效应的物理机制如下：地壳物质在跟随地球自转过程中，经受两个相反方向的力的作用；一是地心引力，方向指向地心，或微弱偏离（即重力异常）；二是由于地球自转造成的离心力，方向与前一力相反，垂直于地轴方向，即在赤道向上，在中纬度地区与重力方向斜交，在极点为零。牛顿所说中纬度地区地壳物质向赤道迁移的力，正是因为二者合力方向指向赤道（见图1）。但是，地壳上离地心距离不同，即海拔高程不同，这两个力的数值是不同的，随着海拔标高的上升，离心力越来越大，地心引力越来越小；由于离心力是斜着（中纬度地区）或垂直（赤道地区）向上的，所以离心力的增加和引力减小造成的效果一致，这就造成海拔高程愈高，则地壳物质脱离地球的趋向愈强烈。反之，海拔高程越低，则地心对地壳物质拉得越紧。由于这种力的长期作用，地壳物质呈现一定程度的可塑性。这就造成地表地形上“高者愈高，低者愈低”的“马太效应”。这种效应一直到由于地形高差而造成的物质压力差与之平衡为止（见图2）。

应当指出，李四光先生知道这种力的存在，他在《概论》中说道：

“当我们根据重力异常资料（－500毫伽），考虑到西藏高原的硅铝层厚度，大约有五、六十公里的时候，我们就不难理解，起源于重力作用的地壳均衡补偿，就会让这个高原升到它现在的高度。因此，问题的核心不在于重力的作用，而是在于西藏高原的硅铝层为什么达到这样的厚度。我们还得记着，晚到白垩纪乃至第三纪的时期，西藏地区至少部分地受到海浸的影响……这个事实和从喜马拉雅山脉到崑崙山脉之间地区所显示的，自从第三纪以来所发生的强烈挤压现象，结合起来考虑，就很难避免这样的结论：即西藏地区之所以升高，是由于它下面拥有厚度异乎寻常的硅铝层，而这个硅铝层的加厚，是由于它的侧面——主要是南北两面——在輓近地质时代，受到了强烈的挤压。”［2］122

这段话中的“重力作用的地壳均衡补偿”即指我们所说的这种力。但先生对此并不重视，而是偏爱“水平挤压”。插图2告诉我们：P2﹥P1，而F2﹤F1，造成它们的垂直分量也是这样，计算向上分量公式中的θ角与该地区的纬度一致。

三

为了比较地壳水平方向作用力与垂直向上作用力的大小，需要对海拔高低不同地区所受引力、离心力的差异进行计算。

在此之前，先了解一下传统的论述。对中泥盆世珊瑚化石的调查表明，当时的一年可能有385～410天，而今天的一年只有365天。1956年2月和1959年7月21 日，有人发现地球自转速度的异动。这是地球自转速度变化造成地壳运动的实验根据。比如说，我们假定中泥盆世至今每年天数变少完全是由地球自转变慢造成的，根本不考虑太阳离地球距离是否缩短，那么也应该考虑中泥盆世至今已经有3.8亿年之久。在这漫长的时间内有这么一点点速度变化，所产生的力其实微不足道。因为力是动量变异对时间的微分，当时间几乎是无穷大时，所产生的力当然就是无限小量。

如果考虑临时性的、短暂的地球自转速度变化，它产生的地应力可能会比较大。但是，庞大的地质体要发生形变，造成紧密褶皱和巨大的推覆构造，没有固定方向的长期作用力是不可能的。这样看来，偶然的构造地震可能由短暂的地壳作用力引起，而巨大地质体的移动和变化则不可能由短时地应力促成。

这一分析告诉我们：地球自转的长期作用力对于地壳的塑造，其重要性远远大于地球自转速度变化造成的水平作用力。

据牛顿力学，地壳表面质量为m 物体所受地球引力为

式中M 为地球质量，习惯采用数值为5.974×1027 g，约60万亿亿亿吨。G 为引力常量，即G＝6.67×10－11 N·m2／kg2。r为两质点距离，即m 离地心距离。

但是，地面上物体所受地心引力，有一部分提供了对抗地球自转离心力所需要的向心力，所以物体的实际重量要小于它所受到的地心引力。减掉这一部分力之后，才是地面物体的重量P。考虑P与F的下述关系：

式中φ为m 所在地的地理纬度。由于cos90°＝0，同一物体在两极地区受到的地心引力最大。如以此为标准，则物体在其他地区所受引力小于标准引力。其重量也小于标准重量。

以上公式都是在假定r不变的情况下成立的。而事实是，由于海拔高程不同，地壳表面物质所受引力和离心力都将因离地心距离不同而发生变化。

我们知道，（2）式中的系数0.0035与地球自转速度有关，基本上可以看成是不变的。地球质量和讨论的物体质量取固定值，对于纬度很邻近地区我们得到：地壳物质所受重力仅仅与它离地心的距离平方成反比关系。喜马拉雅山海拔约8.84km，太平洋深海沟高程约为－11.0km，地球平均半径取6371.229km，假设一个质量为m 的物体在地表面所受重力为P0，海沟底部所受重力为Pb，而在喜马拉雅山顶所受重力为Pa。那么

这里所使用的P0是指相同纬度，如果纬度不同，应根据（2）式加以校正。

考虑到喜马拉雅山和台湾以东的深海沟纬度都是28°左右，而菲律宾以东海沟是全球海沟最深处，其纬度为10°左右。已知cos10°＝0.9848，cos28°＝0.8829，以上计算结果还需要对p0值进行校正。计算过程从略，结果是：以菲律宾以东深海沟与喜马拉雅山比较，则校正后pb比原来计算结果略小，因为其地点更近赤道，自转离心力更大。

只是这里的P0指原来数据。我们仍以原来P0为标准，则

pb＝1.002791733619p0，新的条件下，

pb－pa＝0.005545291578p0

这里需要说明：自转离心力不是真正的离心力，它属于“惯性离心力”，完全由地球自转惯性引起，所以它取决于地球转动线速度和转动半径。

四

现代测量技术可以足够精确地测量时间，地球自转速度如有明显变化，一定会有可靠报道。迄今为止，科学界还没有给出统一的、可靠的地球自转速度变化资料。由此可见，地球自转速度变化很不显著。但今天的地球和过去不同，我们可以假定地史上的地球自转速度有明显变化，比如，在百年之内，从每年400天变成只有365天。假定地球公转半径1.5亿公里固定不变，据计算，这种速度变化相当于在一百年内赤道地表线速度从每秒510米降至465米。如果注意到这是百年之内发生的事情，由减速造成的力其实很小。一年有365天，每天24 小时，每小时3600 秒，百年即3153600000秒。在赤道上地表线速度下降45米／秒，考虑质量不变，力的变化等于

（45／465）÷3153600000＝3.06869×10－11

这种力的变化的确微不足道。如果采用同样的表示方法，前面计算出来的结果pb－pa＝0.005545291578p0可以表示为5.545291578×10－3，二者相差8个数量级。

让这种巨大变化在一年之内完成行不行？显然不现实。而且即使如此，两种力仍然相差6个数量级。

所以，地球自转速度变化如果在瞬间发生，可以形成断裂之类的构造运动，可能发生地震，但不能用于解释长期的、持久性的地质作用力，而后者是塑造地球外貌的主要动力。

李四光的《天文、地质、古生物：资料摘要》1972年由科学出版社出版。该书对全球大构造作了形象化、通俗化的描写，实际上已经说清楚了这些大构造的成因。比如“非洲东部的大裂隙和地中海东岸走向南北的大裂隙，基本上都属于张性裂隙。”［3］110书中附图标示大西洋中部南北向巨大的张裂，东太平洋曲状张裂，说明牛顿所说物质从中纬度地区向赤道运移的规律是成立的。正是这种南北向的挤压、赤道圈的不断膨胀，造成地壳沿南北方向被撕裂。但李四光在上述表述的同时说“从这种主要的构造体系局限于地壳上层的这些事实，我们可以总结出地壳运动的一个特点，就是地壳运动，无论是在大陆方面或大洋方面，主要是水平的或近于水平的运动。垂直运动，是派生的。”［3］110这一认识则存在着较大的片面性。

这种片面性的产生，是因为没有很好地遵循牛顿力学原则。地球旋转离心力被分解为水平（指向赤道）和垂直向上两个分力，二者在纬度45°附近应该“旗鼓相当”；越靠近赤道，垂直分力比重越大，水平分力比重越小，所以总力量再大，水平力量也会减小；而越靠近两极，虽然水平分力比重增大，但总的旋转离心力变小，所以向上和向赤道的力量都小了。这一分析说明了中纬度地带为什么构造运动发育；同时还告诉我们：旋转离心力的垂直分力不能小看。仅仅把地壳的上下波动看成垂直运动的事例是远远不够的。高山地区大量的滑块构造，说明客观存在着垂直方向的地质力学效应。地壳上很多激烈而持续不断地断陷活动，在地质历史上和今天形成大量断陷盆地，说明了垂直方向运动的激烈和持久。

解释地壳运动越近地表越激烈，用不着以水平运动为主。因为地壳运动所受制约因素很多，很复杂，例如组成地壳的岩石性质，其刚性、可塑性的巨大差异，岩层产状和岩石节理的影响等等。更重要的是：岩石的这些性质与它所处的深度、环境有密切关系。处于地壳深部的地块，构造地质作用力很难撼动它，因为它上下左右都存在巨大的阻碍；而处于地壳表面的岩体或地块，上面不受力，各方面阻力都不大，所以比较容易被构造应力所撼动。

如果再考虑到本文所说的地形上的“马太效应”，即“高者上冲，低者下沉”的作用，垂直方向的作用力在整体上就超过了水平方向的作用力。当然，我们的分析仍然支持它们相互派生、互为因果的关系。在更多的情况下，地壳运动就是两种作用力“同时”塑造而成的，甚至于没有必要分出主次。比如喜马拉雅山的上升，一方面是“高者上冲”的结果，同时也是南北向挤压向该地“塞进”了大量的硅铝物质。二者缺一，喜马拉雅山都很难不断升高。

此外，地球自转产生的科里奥利力也不容忽视。从百米高空落向地面的物体，落地点会向东偏2.2厘米，并不是垂直落下。这是地球自转造成的。这种力使靠近赤道处的地表物质向东移动，或被撕开；加剧了南北向挤压造成的张裂，使所谓“大洋板块”东西运移，造成“海底扩张”。

承认垂直运动的重要地位，克服了思想方法上的片面性，有利于我们更自觉地遵循牛顿力学原则来研究大地构造运动。

五

当代流行的“板块学说”有一个发展过程。1910年代，当魏格纳提出“大陆漂移说”的时候，世界地质学界很少有人正确对待，而是抱着冷淡和怀疑态度。由于古地磁测量的发现，上世纪中期，大陆漂移说才重新活跃起来。1961年美国的赫斯（Hess）和狄兹（Dietz）创立海底扩张说，是为板块构造学第二阶段。1969年由法国地质学家赖皮顺（Lepichon）开始的板块学说，至今风靡全球，是为第三阶段。但是，与地质力学相比，其思维方式明显地背离了系统论的要求。李四光提出构造体系的概念，实际是系统思维在大地构造学说中的运用。板块构造学则把块状地质体与条带状地质体割裂开来。第二个问题，关于海沟形成的力源分析，违背了牛顿力学基本原理。两大板块相向而行并激烈碰撞，只可能形成正地形，不可能形成负地形。唯有牛顿提出的，由李四光所阐述的南北向张裂，才是海沟形成的机理；而垂直方向的地质力学效应，使高者愈高、低者愈低，是海沟一再加深的基本动力。

总之，忽视垂直方向的地质力学效应，是这些学说共同存在的弱点。而地形形成中的“马太效应”，不仅是垂直方向构造运动力源的重要组成部分，而且能合理解释许多构造运动现象。比如中国两大岛比较，台湾更多地震而海南岛地壳相对稳定，主要是因为台湾更靠近深海沟，台湾玉山山脉高程比五指山高得多，海拔高低相差较大，且靠得较近。川藏地区地震频发，地形高低差别太大是重要原因。日本、菲律宾、印尼等地的地震较多都跟它们那里地壳海拔高度相差悬殊有关系。这种地形上的“马太效应”，高低双方相距越近，则作用越大；这和经济学的“马太效应”规律类似。所以，断陷盆地鄱阳湖与庐山之间，也存在着这种“高者愈高，低者愈低”的现象，使庐山五老峰断面陡峭如削。其附近更由于处在“山字型构造”的前弧位置而地震频频（级别不高）。

在实际应用方面，地质力学比板块构造学具有明显的优势。自从“板块热”以来，地质队伍还没有运用板块构造学找到过什么具有世界意义的重要矿产地。而地质力学却不同，它在找矿和矿山勘查中的应用是不争的事实。

结论：我们需要的是，沿着地质力学所开辟的道路继续前进，发展和完善它，而不是抛弃它。牛顿力学是大地构造学的指导思想，必须认真遵循。

参考文献：

［1］李四光.地质力学方法［M］.北京：科学出版社，1976.

［2］李四光.地质力学概论［M］.北京：科学出版社，1973.

［3］李四光.天文、地质、古生物［M］.北京：科学出版社，1972.

［4］宋春青，张振春.地质学基础［M］.北京：人民教育出版社，1978.

［5］吴锡珑.大学物理教程：第一册［M］.上海：上海交通大学出版社，1991.