印度板塊為什麼會強力北漂？印度板塊為什麼會強力北漂？中國科學院 梁光河 本文發表在2020年《地學前緣》第1期，原文名稱：印度大陸板塊北漂的動力機制研究錛 地學前緣 2020錛27(1): 211-220.摘要：印度大陸板塊是一個活化的克拉通板塊，其向北漂移並與歐亞板塊碰撞過程得到了廣泛研究，但其北漂的動力機制則很少被關注。傳統上認為是海底擴張造成了印度大陸板塊的北漂，但最新的地球物理觀測結果卻與此相悖。本文基于地磁場異常特征、古地磁測量和地震勘探剖面等諸多證據的系統分析研究，結果表明印度大陸板塊厚度大約40 km，其北漂的動力機制與印度板塊南側深部的岩漿上湧密切相關，大陸板塊的漂移是自發驅動的。通過新建立的大陸漂移模型可以合理解釋印度大陸板塊漂移的動力來源。並合理地解釋了印度大陸板塊北漂中伴隨左旋的深層次動力機制。最後探討了印度大陸板塊在80~40 Ma期間異常高速漂移的根源和東非大裂谷的成因。本研究為大陸漂移模式提供了一個新的動力機制。 在傳統的板塊構造理論框架中，印度洋板塊為全球六大板塊之一，它包括印度大陸和澳大利亞大陸兩個次大陸板塊，其餘主要以大洋岩石圈為主，主體屬于大洋板塊。但近期的研究發現，

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同屬印度洋板塊的印度大陸板塊與澳大利亞大陸板塊漂移的歷史顯著不同步。來自印度的古地磁證據說明，在180Ma的時間裡，印度大陸板塊向北至少漂移了6000 km以上，而且伴隨著高達近60度的逆時針旋轉[1]，而且在80~40 Ma，漂移速度顯著加快。澳大利亞從南極最終破裂並形成新海底的時間為55~53 Ma，也就是說澳大利亞大陸大約55~53 Ma開始從南極洲大規模裂解北漂[2]，並沒有發現顯著的左旋運動。這說明說印度大陸板塊和澳大利亞大陸板塊具有顯著不同的構造運動歷史，應該分別進行討論。青藏高原的隆升與印度大陸板塊和亞歐大陸板塊碰撞密切相關，近期的研究主要集中在青藏高原的隆升機制和碰撞時限上[3-6]。對于印度大陸板塊為什麼會強力北漂，

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傳統上認為是印度洋的地幔對流和海底擴張造成的[7-9]，但諸多的觀測事實卻並不支持這個結論，圖1顯示在印度洋中分布廣泛的古老微陸塊殘片，這是傳統的海地擴張模式難以合理解釋的。而且在印度洋的磁異常圖上也沒有發現平行于洋中脊的磁條帶特征，同樣不支持海地擴張模式。這些都說明海底擴張不能提供印度大陸板塊漂移的動力，但印度大陸板塊又的確北漂了，而且還伴隨著左旋，那麼其動力機制會是什麼呢？本文基于近期的地球物理觀測數據說明印度大陸板塊的強力北漂的動力機制，並闡述其北漂中左旋的原因。１－馬斯克林洋底高原；２－馬達加斯加微陸塊；３－馬達加斯加洋底高原；４－莫桑比克微陸塊；５－厄加勒斯微陸塊；６－馬裡昂洋底高原；７－Conrad海隆；８－克洛澤洋底高原；９－Elan Bank微陸塊；10－凱爾蓋朗洋底高原；11－Broken脊；12－納多魯列斯微陸塊；13－Cuvier微陸塊；14－Exmouth微陸塊；15－東經九十度海嶺；16－查戈斯－海嶺；LLSVP-超級地幔柱圖1　印度洋盆及週緣大地構造略圖[10]Ｆig.1 Tectonic sketch of Indian Ocean 1海底擴張與印度板塊北漂的動力機制1.1磁異常不支持海底擴張眾所週知，紅海是一個新生代才裂開的新海洋，按照海底擴張假說，磁異常條帶必定和洋中脊呈現條帶狀平行分布，但實際上並不是這樣，在紅海西部，磁異常條帶幾乎與洋中脊垂直，而在紅海東部磁異常也並不呈條帶狀，而是呈現團塊狀與洋中脊呈似平行狀（如圖2中黑色箭頭所示）。也許有人質疑說，因為紅海是一個還沒有被完全擴張開的海洋，所以磁異常條帶與洋中脊不平行。但印度洋是一個成熟的大洋，那裡的洋中脊與磁異常條帶也沒有平行關系。這說明海底擴張在這裡得不到地磁異常的支持。圖2 印度洋地區磁異常圖[11]Fig.2 Magnetic anomaly map in the Indian Ocean[11]1.2大陸殘片進一步否定海底擴張在印度洋內發現大量古老微陸塊[10]，主要包括：塞舌爾微陸塊、莫桑比克微陸塊、厄加勒斯微陸塊、 Elan Bank微陸塊、Exmouth微陸塊等，塞舌爾群島花崗閃長岩測年在（748.4±1.2） Ma到（808.8±1.9） Ma之間（圖1）。ODP183航次 1137 在 Elan 淺 灘Kerguelen 海台西部的凸出部分玄武岩層序內的礫岩中發現了元古宙大陸岩石碎屑[12]。印度洋內也有巨大的大陸碎塊，例如 Seychelles 群島就是一個在約 64Ma 期間由于海嶺斷裂而孤立存在于印度洋中的晚前寒武紀大陸碎塊[13-14]。在西南印度洋洋中脊附近同時發現了5 Ma和180 Ma的輝長岩，總之大陸殘餘物質可能廣泛地散布在印度洋的岩石圈和軟流圈中，它們孤立存在並被保存下來[15]。這些觀測事實說明，不能用傳統的海底擴張解釋印度大陸板塊的漂移動力機制，需要探尋更深層次的驅動力。2印度大陸板塊的厚度從全球板塊厚度分布圖、印度天然地震的深度約束和羚羊計劃勘探剖面遠程約束結果說明印度大陸板塊厚度大約為40 Km。特別說明的是這裡用大陸地殼的厚度代表大陸板塊的厚度，海底擴張用岩石圈厚度代替大陸板塊厚度，沒有得到精度最高的反射地震證據支持，而且上面諸多證據說明海底擴張假說存在嚴重問題。傳統的板塊構造認為板塊運動發生在岩石圈，岩石圈包括地殼和上地幔的一部分，之下是軟流圈。而實際上，根據全球地溫梯度地下40 Km深度溫度可達1200℃，也就是說在地殼和地幔過度區域大多數岩石都會發生熔融或部分熔融，可以形成一個良好的滑脫面。另外，前人對地殼內以及上地幔接觸帶的岩石流變性及強度進行了很好的研究[16]。結果表明無論假定地殼或地幔含水與否，在40 Km深度都存在一個岩石強度顯著分界面，該深度下岩石強度顯著變低，說明它可能是處于流變狀態，這也是莫霍界面，過去普遍認為那是一個相變界面，在新的大陸漂移模型中認為那是一個主滑脫面。對印度大陸地殼也就是板塊的厚度估算，主要是基于以下四個方面的證據：(1) 從美國地質調查局公布的最新全球地殼厚度分布圖（圖3）可以看出，印度大陸板塊厚度大約為40 Km。(2) 地震勘探實測資料能夠更詳細地說明印度大陸板塊的厚度。在羚羊計劃中，

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對橫跨青藏高原和印度大陸的一條近南北向的大剖面線，依據P波接收函數對進行了綜合解釋[17]，結果顯示最南端的印度板塊的厚度大約為40 Km。(3) 印度大陸板塊內部天然地震的震源深度範圍也能佐證印度大陸板塊的厚度，印度板塊中南部地震震源深度大多集中在40 Km以內，而到北部接近喜馬拉雅山地區，地震震源深度可達80 Km[18]。(4) 全球地溫梯度通常分布在15-80℃/km的範圍，大陸地殼平均地溫梯度30℃/km，洋殼可達80℃/km。古老穩定的克拉通板塊通常地溫梯度較低。長英質岩石的濕固相線溫度多在600℃左右[19]，印度板塊屬于剛性的克拉通板塊，按照最低地溫梯度15℃/km計算，40 Km深度就可以達到長英質岩石的濕固相線溫度，發生熔融或部分熔融。圖3全球地殼厚度分布圖 Fig.3 Global Crustal thickness map3印度板塊北漂的動力機制經過數十年的不懈努力，板塊構造理論雖然取得了長足的進步，但仍不清楚驅動大陸板塊漂移的動力機制到底是什麼。早期的看法是“軟流圈對流施加于板塊底部的牽引力”，但隨著研究深入，人們發現岩石圈與軟流圈的耦合很弱，對岩石圈的運動影響很小；而軟流圈的對流方向並不平行于上覆岩石圈的運動方向[20]；從而進一步認為，板塊運動是板塊自我驅動並控制地幔對流的總體格局。具有負浮力的榴輝岩化岩石圈在俯衝帶下沉並進入地幔，是板塊驅動力的根本來源。近期的研究認為，板塊的驅動力90%以上來自于負浮力，不到10% 來自于洋中脊的擴張推力[21]。最新的研究說明[22]，在其初期，人們以為地幔對流是板塊運動的驅動力。進一步的研究卻表明，弧下深度（80~160 km）大洋岩石圈的重力下沉是導致板塊運動的主要驅動力。這說明海底擴張的驅動模式已經被質疑。但大洋岩石圈的重力下沉驅動板塊運動並沒有得到地球物理證據的確認。既然傳統的海底擴張模型難以對大陸漂移的驅動力進行合理解釋，那麼有必要用新的模型進行解釋。為此作者提出新大陸漂移模型（圖4），該模型認為：大陸板塊可以在熱力驅動下自己發生漂移，動力機制可以用傳統的伸展構造的形成機制和過程來解釋。這個推動力來自一個個連續的伸展構造形成過程。當地幔上湧推動兩側地塊向兩邊移動，處于中心的上湧地幔因上升最高首先凝固，而已經移動的地塊必然會在後面騰出空間，產生低壓誘發下面地幔進一步上湧，上湧的地幔再進一步推動地塊移動，這是一個連鎖反應過程。造成的結果是大陸板塊仰衝在大洋板塊之上發生漂移（相對大陸板塊，洋殼就是俯衝在大陸板塊之下）。在大陸板塊後面引起岩漿不斷上湧，巨大的岩漿熱動力推著大陸板塊往前跑[23-24]。這個運動過程是基于大陸板塊首先發生裂解，產生了一個裂縫和岩漿上湧，在初始階段，大陸漂移與海底擴張一致，但洋中脊噴出的岩漿很快會被海水熄滅，

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因此海底擴張不能持續，但大陸板塊漂移後在其後面持續不斷地湧出岩漿並不斷被海水熄滅，這個熱力推動過程才能持續推動大陸板塊向前漂移。圖4 新大陸漂移模型[23-24]Fig.4 New continental drift model[23-24]該模型有如下特征：（1）大陸板塊的最前方因受到擠壓，增壓升溫產生地殼流，洋殼隆起；（2）大陸板塊前部會產生逆衝斷層、造山帶、火山帶、地震帶；同時地殼流的上湧會在大陸板塊前部的部分薄弱帶出現伸展構造；（3）在大陸板塊後部產生巨厚沉積和正斷層；大陸板塊尾部會有拖尾隆起，可能留下火山島鏈、大陸碎片遺撒物。這個新的大陸漂移模型，不但能夠合理解釋大陸漂移的動力機制，也能對當前全球地震和中國地震分布特征進行合理解釋[24]。4 綜合地球物理證據4.1 古地磁證據古地磁研究表明[25]，印度板塊在71 Ma之前還位于遙遠的印度洋南部，其中心點位于南緯約35 °的地方，從其給出的印度板塊漂移歷史圖上可以看出，從71Ma至今印度板塊大約發生了37度的逆時針旋轉。印度板塊在200Ma之前還位于南緯45度左右[26]，並在向北漂移運動中發生了大幅度的逆時針旋轉，印度板塊的漂移速度也是變化的，在80~40Ma期間速度達到8~18cm/y（圖5）。這說明印度板塊的確是從遙遠的南方漂移到當前位置的，而且正在向北漂移碰撞過程中，其漂移的動力機制是否能夠從新的大陸漂移模型得到支持？人工地震勘探剖面給出了答案。 a-大西洋裂解前的狀態；b-根據古地磁測量得到的印度大陸板塊隨時間緯度變化曲線[1]；c-印度大陸板塊漂移歷史示意圖。圖5 印度大陸板塊的漂移歷史和軌蹟Fig.5 The drift history and trajectory of the Indian mainland plate4.2 人工地震勘探證據圖6~8分別給出了美國ION地球物理公司為勘探石油，在印度近海區域是實施的3條高精度人工地震勘探剖面及簡單地質解譯[27]。圖中a是剖面的實施位置，b是該剖面在新大陸漂移模型中的位置，c是該地震勘探剖面及地質解譯。圖6和7中可以明顯地區分出陸殼、過渡帶和洋殼，陸殼厚度大約40 km，而洋殼厚度7~12 km，中間的過渡帶是典型的被動大陸邊緣盆地。考慮到隨深度升溫，圖中把深部弱反射和雜亂反射區域解釋為軟塑的熔融或半熔融狀態。這些軟塑狀態的地質體會隨著印度大陸板塊的向北漂移在其後面騰出空間，降壓進一步誘發深部岩漿上湧，上湧的岩漿又反過來推動印度大陸板塊，從而產生持續的推動力。圖8的地震勘探剖面大部分在洋殼上，弱反射和雜亂反射區（即軟塑性區）上升到很高的區域，由此會對印度大陸板塊的西南部產生更大的推動力。將這3個剖面深部產生的推動力綜合在圖9上，就能夠得出印度大陸板塊受力總體方向是左旋向北。這與印度大陸板塊漂移的歷史吻合。事實上當今的GPS測量也說明印度板塊在被北漂中左旋。a-剖面的實施位置；b-該剖面在新大陸漂移模型中的位置；c-該地震勘探剖面及地質解譯；黑色箭頭表示正斷層上盤下降方向。圖6 印度近海地區高精度人工地震勘探剖面A及簡單地質解譯Fig. 6 High-precision seismic exploration section A and simple geological interpretation in the offshore area of Indiaa-剖面的實施位置；b-該剖面在新大陸漂移模型中的位置；c-該地震勘探剖面及地質解譯。圖7 印度近海地區高精度人工地震勘探剖面B及簡單地質解譯Fig. 7 High-precision seismic exploration section B and simple geological interpretation in the offshore area of Indiaa-剖面的實施位置；b-該剖面在新大陸漂移模型中的位置；c-該地震勘探剖面及地質解譯。圖8 印度近海地區高精度人工地震勘探剖面C及簡單地質解譯Fig. 8 High-precision seismic exploration section C and simple geological interpretation in the offshore area of India 圖9基于地震勘探剖面得到的印度大陸板塊漂移動力機制模式圖Fig. 9 Schematic diagram of the dynamic mechanism of the Indian continental plate drift based on the seismic exploration profiles4.3 GPS測量證據印度板塊在從岡瓦納裂解向北漂移過程中存在顯著的左旋已經得到廣泛研究[25-26]。當前印度板塊向北俯衝過程中是否仍存在左旋？從近期的中國大陸及鄰區地殼現今速度場GPS測量中[28-29]，可以明顯看出印度大陸板塊右邊向北漂移速度快，左邊向北漂移速度慢（圖10），說明印度大陸板塊在北漂中存在左旋。也就是說印度大陸板塊北漂中不但歷史上存在左旋，現在仍然在左旋。這與人工地震勘探給出的當前受力狀態吻合。圖10 中國大陸及鄰區地殼現今速度場GPS測量結果[28]Fig.10 GPS survey results of the current velocity field of the crust in China and neighboring regions[28] 5 印度板塊異常漂移速度與東非裂谷成因討論在印度洋區域存在兩大科學問題，一是印度大陸板塊歷史上漂移速度異常高的原因，從圖5(b)可以看出印度板塊在80~40 Ma之間漂移速度激增。二是東非大裂谷的成因機制，東非大裂谷是中新生代形成的巨型裂谷，南北長度約7000 km，且正在活動中。按照海底擴張和板塊構造假說，非洲板塊東西南都有洋中脊，而北側的紅海也有新形成的洋中脊，非洲大陸板塊應該處于四面擠壓環境，出現東非裂谷意味著其處于張性伸展環境下，因此海底擴張對此難以給出合乎邏輯的解釋。本文試圖通過新大陸漂移模型來回答這兩個問題。以往的研究認為[30]，印度板塊漂移歷史上速度快的原因在于印度板塊比較薄，根源在當它還是岡瓦納大陸的一部分時，它恰巧位于軟流圈最炎熱區域的上方，這使得它更深層的根部區域被熔化了，從而變得單薄並能更容易地在地幔中滑動。但這難以解釋印度板塊為什麼先慢後快，古地磁證據表明，印度板塊在180~80 Ma之間漂移速度並不快，快速漂移的區間主要在80~40 Ma，這恰好是其漂移在非洲板塊形成的地殼流區間。而40 Ma之後減速主要是與歐亞發生硬碰撞，從而減速。根據新大陸漂移模型，非洲板塊在大西洋裂解過程中，向北東方向漂移，這個巨大板塊漂移過程中，其前部會形成巨大的地殼流（地殼流是能流動的軟塑性的地殼物質）上湧帶（圖11a中白色虛線區域）。在大西洋裂解過程中，非洲大陸板塊向北東方向漂移，由此推斷非洲大陸板塊形成的地殼流上湧帶呈北北東向展布，

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正處在印度板塊北漂的必經之路上。印度板塊在此期間漂移在非洲板塊形成的地殼流上，像衝浪一樣。因為該上湧的地殼流是區域熱上湧區，可以理解為上地幔上湧，使得印度板塊漂移的動力更強速度更快。由此也可以推斷印度板塊的確是一個活化的克拉通板塊，其活化的機制是因為其長期漂移在非洲板塊形成的地殼流上，溫度更高使得印度板塊底部發生熔融，地殼減薄。另外一個重要原因與印度大陸板塊的形狀有關，在80~40 Ma期間，印度大陸板塊當前的西北角處于漂移的前端，使得印度大陸板塊北漂中類似一艘輪船，船頭在前（圖5），所受到的阻力小，因此漂移速度更快。後期由于大幅度的左旋運動，使得印度大陸板塊類似輪船橫起來走，阻力顯著增大，速度也減慢。為什麼會形成東非大裂谷？基于新大陸漂移模型，由于非洲板塊前部的地殼流會在非洲板塊前部，沿部分薄弱地區上湧出現伸展構造（圖11b中紅色箭頭指示的區域），該伸展構造就是地殼流上湧的結果，也是東非大裂谷的成因機制。該薄弱地區處于非洲板塊前期漂移過程中，所形成的造山帶中的山間斷坳帶，沿著這些薄弱的山間斷坳帶在地殼流擠壓作用下發生岩漿上湧，形成伸展構造和東非大裂谷。圖11 印度大陸板塊漂移路線及東非裂谷成因機制示意圖Fig.11 Schematic diagram of the drifting route of the Indian continental plate and the genetic mechanism of the East African Rift6結論（1）印度大陸板塊漂移的動力機制是大陸漂移而非海底擴張。動力機制是隨著印度板塊的持續北漂，

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位于印度板塊南側深部的岩漿不斷上湧產生的推力所致，多方面可靠地球物理測量證據支持新大陸漂移模型。（2）利用新的大陸漂移模型也能很好解釋印度大陸板塊在80~40 Ma之間漂移速度激增的兩個原因。一是印度板塊漂浮在非洲板塊形成的地殼流帶上，二是當時的印度板塊尖端在前，漂移阻力小。（3）利用新的大陸漂移模型，結合非洲大陸板塊的漂移規律也能合理解釋東非大裂谷的成因機制，而用海底擴張則難以解釋。非洲大陸板塊在向東漂移過程中，前部的地殼流沿造山帶薄弱地區上湧出現伸展構造，從而產生非洲大裂谷和火山爆發。 參考文獻[1] GARY A. G. Geomagnetism[M]. Santa Cruz: Press of University of California錛2013.[2] VEEVERS JJ， MCELHINNY MW. The separation of Australia from other continents[J]. Earth Science Reviews錛1976錛12(2-3):139-143.[3] 袁學誠錛李廷棟錛肖序常錛等.青藏高原岩石圈三維結構及高原隆升的液壓機模型[J]. 中國地質錛 2006錛 33(4):711-729.[4] 李德威.青藏高原隆升機制新模式[J].地球科學錛 2003錛 28(6):593-600.[5] 高銳錛李廷棟錛吳功建.青藏高原岩石圈演化與地球動力學過程─亞東─格爾木─額濟納旗地學斷面的啟示[J]. 地質論評錛 1998錛 44(4):389-395.[6] 王二七.關于印度與歐亞大陸初始碰撞時間的討論[J]. 中國科學:地球科學錛 2017錛47:284-292. [7] AITCHISON JC錛 ALI JR錛 DAVIS AM. When and where did India and Asia collide?[J]. Journal of Geophysical Research錛 2007錛112錛 B5. B05423. https://doi.org/10. 1029/2006JB004706. [8] SUO YH錛 LI SZ錛 YU S錛 et al. Morphotectonics and ridge jumpings in Indian Ocean[J]. Geological Journal錛 2016錛51(S1):624-633.[9] YOSHIDA M錛 SANTOSH M. Voyage of the Indian subcontinent since Pangea breakup and driving force of supercontinent cycles: Insights on dynamics from numerical modeling[J].Geoscience Frontiers錛2018錛9:1279-1292.[10] 李江海，張華添，李洪林.印度洋大地構造背景及其構造演化─印度洋底大地構造圖研究進展[J]．海洋學報錛 2015錛 37(7):1-14.[11] KOEHONEN JV錛FAIRHEAD JD錛HAMOUDI M錛 et al. Magnetic Anomaly Map of the World錛Scale:1:50錛000錛000錛1st edition[M]. Paris: Commission for the Geological Map of the World錛 2017. [12] DOMINQUE W錛 STEPHANIE I錛 DIMITRI D錛 et al. Origin of continental components in Indian Ocean basalts Evidence from Elan Bank (Kerguelen Plateau ODP Leg 183 Site 1137)[J].Geology錛2001錛 29(2):147-150.[13] STOREY BC. The role of mantle plumes in continental breakup: Case histories from Gondwanaland[J].Nature錛1995錛377(6547):301-308.[14] TODAL A錛ELDHOLM O. Continental margin off western India and Deccan large igneous province[J]錛Marine Geophysical Researches錛1998錛20(4):273-291.[15] CHENG H錛 ZHOU HY錛 YANG QH錛 et al. Jurassic zircons from the Southwest Indian Ridge [J]. Sci. Rep.2016錛6錛 26260. doi: 10.1038/srep26260.[16] JACKSON J. Strength of the continental lithosphere: Time to abandon the jelly sandwich?[J].GSA Today錛2002錛12:4-9.[17] XU Q錛 ZHAO JM錛YUAN XH錛 et al. Mapping crustal structure beneath southern Tibet: Seismic evidence for continental crustal underthrusting[J]. Gondwana Research錛 2015錛27(4):1487-1493.[18] ROGER B錛 REBECCA B AND KALI W. Flexure of the Indian Plate and intraplate earthquakes[J]. Proceedings of the Indian Academy of Sciences (Earth Planet)錛 2003錛112(3):315-329.[19] 陳國能錛 王勇錛 陳震錛等.花崗岩漿形成定位機制的思考與研究進展[J]. 岩石學報錛 2017錛33(5):1489-1497.[20] 國家自然科學基金委員會，中國科學院.板塊構造與大陸動力學[M].北京：科學出版社，2017.[21] TURCITTE DL，SCHUBERT G. Geodynamics(Second Edition)[M].Cambridge: Cambridge University Press錛2002.[22] ZHENG YF. Fifty years of plate tectonics[J]. National Science Review錛 2018錛5(2):119-119. https://doi.org/10.1093/nsr/nwy024.[23] 梁光河.大陸漂移的源動力-板塊自驅動模式[J]. 地球科學前沿錛 2013錛3:86-96.[24] 梁光河.新大陸漂移模型與地震成因關系研究[J]. 科學技術與工程錛 2018錛18(28):47-57.[25] MOLNAR P錛 TAPPONIER P. Active tectonics of Tibet[J]. Journal of Geophysical Research錛 1978錛83:5361-5375.[26] MASAKI Y錛 M.SANTOSH. Voyage of the Indian subcontinent since Pangea breakup and driving force of supercontinent cycles: Insights on dynamics from numerical modeling[J]. Geoscience Frontiers China University of Geosciences (Beijing)錛2017錛 xxx: 1-14.[27] ION. Seismic exploration in the Indian marginal sea [C] //Research Report on 76th Annual Meeting of European Geophysicists and Engineers錛 Amsterdam錛 2014:5-8.[28] 李強，遊新兆，楊少敏，等. 中國大陸構造變形高精度大密度GPS監測─現今速度場[J].中國科學（D輯）錛2012錛42(5):629-632.[29] ZHENG G錛 WANG H錛 WRIGHT T J錛 et al. Crustal deformation in the India-Eurasia collision zone from 25 years of GPS measurements [J].Journal of Geophysical Research: Solid Earth錛 2017錛 122:9290-9312. https://doi.org/10.1002/2017JB014465.[30] PRAKASH K，

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YUAN XH，M.RAVI KUMAR，et al. The rapid drift of the Indian tectonic plate[J]. Nature錛 2007錛449:894C897.環境監測領域中光譜學技術進展封面文章|劉文清錛陳臻懿錛劉建國錛謝品華錛張天舒錛趙南京錛司福祺錛胡仁志錛殷高方. 環境監測領域中光譜學技術進展[J]. 光學學報錛 2020錛 40(5): 0500001環境的變化影響著現在和未來的世界，一直是國際科學前沿關注的熱點，環境問題的解決離不開先進的監測技術和手段。目前，環境監測技術由局部監測、地面監測開始向全方位遙測相結合的方向發展，環境監測手段向物理、化學、光學、電子等技術綜合應用的高技術領域發展。環境光譜技術基于光譜學原理，通過研究光與環境物質的相互作用，可大範圍快速監測環境污染物，具有非接觸測量、靈敏度高、適用範圍廣等優點，是國際上環境監測技術的主要發展方向之一。中國科學院安徽光學精密機械研究所（中科院安光所）利用光學中的吸收光譜、發射光譜、光的散射以及大氣輻射傳輸等方法，率先開展光學與環境交叉科學的創新研究。目前已形成了以差分光學吸收光譜（DOAS）技術、傅裡葉變換紅外光譜（FTIR）技術、可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術、激光雷達（LIDAR）技術、熒光光譜技術、激光誘導擊穿光譜（LIBS）技術、光腔衰蕩光譜技術（CRDS）、光散射測量技術、光聲光譜技術等為主體的環境光學監測技術體系。實現了對環境痕量成分/多要素的現場快速探測與多維度多平台監測，已成功應用于大氣、水源及土壤等的監測。一、大氣環境光譜技術1.痕量氣體大氣中的痕量氣體雖體積濃度小（不到萬分之一），但能對全球大氣環境及生態產生重大的影響，例如溫室效應、光化學煙霧、臭氧層破壞等。通過建立特征因子指紋光譜數據庫和定量解析算法，獲取痕量氣體的特性，可用于空氣質量、固定和流動污染源自動監測。圖1為部分痕量氣體在紫外─可見波段的吸收光譜。圖1 部分痕量氣體吸收光譜在常規痕量氣體監測方面，主要利用各種光學技術路線：針對SO2、NO2、O3及THC、CH4等污染物，DOAS技術利用氣體分子的吸收特性來鑑別成分，並根據窄帶吸收強度反演出微量氣體的濃度；針對溫室氣體CO2，CRDS技術利用相對較窄的吸收窗口，避免其他組分幹擾，實現較高精度檢測；針對CO，利用TDLAS技術的波長調諧特性，用單一窄帶的激光頻率掃描氣體分子的一條或者幾條氣體特征吸收線，實現CO的定性或定量分析；而對于揮發性有機物（VOCs），主要利用FTIR技術進行監測。大氣中大多數的微量、痕量氣體都是紅外活性氣體，在2~30 μm紅外波段範圍內具有吸收和發射紅外特征光譜的能力，使得傅裡葉變換紅外光譜在VOCs監測中應用前景非常廣闊。中科院安光所在上海、南京、合肥、北京等地利用MAX-DOAS痕量氣體監測網進行長期監測，獲取了長三角地區NO2和HCHO時空分布特征；並在天津利用TDLAS遙測技術對工業園區危險氣體進行立體場探測，並開展了單光路甲烷氣體檢測驗證。2.自由基HOx（OH、HO2）自由基是大氣中最重要的氧化劑，對HOx自由基的準確測量是研究對流層大氣氧化性的先決條件。可利用氣體擴張激光誘導熒光（FAGE）技術對其進行監測：測量OH自由基時，308 nm激光將OH自由基激發至電子激發態，探測激發態OH自由基發出的熒光來確定大氣中OH自由基的濃度；測量HO2自由基時，需向轉換裝置中通入一定濃度的NO將HO2自由基轉化為OH自由基，再通過OH自由基的濃度而確定HO2自由基的濃度。2018年中科院安光所在深圳開展HOx自由基外場觀測實驗，驗證了場測量的有效性，並同步測量臭氧的光解速率，

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有效獲取了OH和HO2自由基濃度序列。3.顆粒物顆粒物在大氣中的垂直分布不均，

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且高空的垂直遷移會影響近地面的污染濃度，因此垂直結構的觀測對于全面認識大氣污染必不可少。米散射激光雷達系統利用氣溶膠的後向米散射回波信號來探測氣溶膠光學特性如後向散射系數/消光系數的時空分布，可實現對顆粒物的垂直分布探測。中科院安光所利用地基激光雷達、MAX-DOAS觀測網和衛星遙感構成天地空一體化立體綜合觀測系統，在北京等區域分析了顆粒物在大氣污染發生-演變-消散全過程中的時空演變。二、水環境光譜技術水體中多數有機污染物屬于含熒光團的大分子有機物，在適當波長的激發光作用下會發射特征熒光光譜，據此可以利用LIBS技術實現對大面積水域的有機物污染狀況的遙測。遙測系統外場測量時，不論是特征熒光波段接收的光信號還是拉曼散射光波段接收的光信號中都包含有環境光信號，由于環境光信號的隨機變化特性，嚴重影響了拉曼信號和熒光信號，通常採用軟硬件結合的方式，即光電倍增管雙脈衝門控高壓控制技術，消除環境背景光對測量的影響。我國于2017年研發的首台基于石墨自動富集和等離子體空間約束技術的水體重金屬在線監測系統，對典型重金屬（Cd錛 Cr錛 Cu錛 Ni錛 Pb錛 Zn）的檢測限已達到幾個μg/L；2019年中科院安光所利用自行研制的海洋生物要素在線監測儀，

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成功獲取了藻類群落結構、葉綠素濃度等數據以及典型海域生物要素分布特征。三、土壤光譜監測技術對于土壤有機污染物，也可利用LIBS技術進行監測。該技術無需化學試劑及復雜的樣品預處理，可同時測量多種元素。原理是激光脈衝經反射鏡轉折、透鏡組準直後經透鏡聚焦，作用在土壤樣品的表面，在樣品表面產生等離子體，

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等離子體輻射出能夠代表樣品元素組成的譜線，傳輸至光譜儀進行分光，並由光譜儀內部的感光元件完成光譜的檢測。光譜儀將光信號轉化成電信號，數據處理系統可以根據特征譜線的強度與元素濃度之間的定量關系反演得到樣品中重金屬元素的濃度。目前中科院安光所已建立了土壤中常見石油烴類污染物的特征熒光譜線庫，通過提取一種石油烴污染物的多個特征峰，建立土壤中石油烴類污染物與其多波長熒光強度的多元線性定量模型，可實現熒光特征準確提取。四、總結與建議在實際運用中，通常將環境光譜和遙感技術結合應用，如地基遙感監測技術、機載遙感監測技術及星載遙感監測技術大氣環境光譜監測技術。通過對系統性、區域性和復合性污染研究和多元信息融合，可以實現在線監測環境復合污染物、三維立體和流動在線監測，為構建天、空、地一體化環境復合污染物觀測、研究、示範平台奠定技術基礎，

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見圖2。圖2 多平台、多維度、多參數融合的環境綜合分析平台隨著光學、電子、信息、生物等相關領域的技術進步，環境光譜技術正向以下幾個方向發展：（1）高精度高靈敏。在大氣復合污染形成過程監測中，需進一步提高檢測精度和靈敏度，使光學監測技術應用于光化學反應機理研究、工業過程控制、生產安全監控。（2）多組分多平台。隨著工業迅速發展，需要監測的污染物種類快速增加、組分更加復雜，亟需發展大氣自由基、全組分有機物、重金屬、生物氣溶膠、水體細菌和其它有機污染物的檢測等。（3）智能化網絡化。發展多平台、智能化、網絡化，且具有特異選擇性的環境監測儀器，實時獲取環境多要素監測數據，構建智能管理決策平台，使環境管理向精細化、精準化轉變，實現主動預見、大數據科學決策。 延伸閱讀：[1] 劉新錛張婷錛張剛錛高光珍錛蔡廷棟. 基于光聲光譜技術的CO氣體探測[J]. 中國激光錛 2020錛 47(1): 0111002[2] 李志永錛譚榮清錛黃 偉錛葉 慶錛李 輝錛韓高策. 傅裡葉變換紅外光譜技術測量甲烷氣壓的實驗研究[J]. 中國激光錛 2017錛 44(3): 0301006[3] 張子鵬錛丁建麗錛王敬哲. 基于諧波分析算法的幹旱區綠洲土壤光譜特性研究[J]. 光學學報錛 2019錛 39(2): 0228003[4] 李冠穩錛高小紅錛肖能文錛肖雲飛. 特征變量選擇和回歸方法相結合的土壤有機質含量估算[J]. 光學學報錛 2019錛 39(9): 0930002[5] 寧志強錛劉家祥錛吳越錛陶孟琪錛方勇華. 基于改進迭代多項式擬合的紅外光譜基線校正方法[J]. 激光與光電子學進展錛 2020錛 57(3): 033001[6] 查申龍錛馬宏亮錛查長禮錛陳家金錛黃星錛劉錕錛佔生寶. 寬帶光聲光譜技術在甲烷濃度探測中的應用[J]. 激光與光電子學進展錛 2019錛 56(4): 043001，