现今全球变化与社会可持续发展以及整体人类自然科学技术进步发展对地球科学提出了新的需求，需要我们整体认知地球系统，了解现状与其未来将会发生什么及其发展趋势。

现今我们知道，天体地球经历了46 亿年，完成了从宇宙星尘到天体星球及生命的出现与发展的漫长演变。 作为宇宙地球生命的最高形式，人类诞生的最近三百万年以来，在沧海桑田的变幻中，为了生存与发展和追求，人类逐步创造形成了对客观世界宇宙与地球等比较系统的自然科学知识体系。 其中，地球科学就是人类自然科学中的一门重要基本科学系统。 经长期发展，地球科学现仍主要处于多学科分学科研究为主的状态，如气象、海洋、环境、地理、地质(包括地球化学、地球物理) 等近两百年来虽已取得一系列重大认知突破，为人类社会发展做出了巨大贡献，然而，这一状态却给理论研究和实际应用带来很大的束缚以及整体学科的分割。

地球作为整体，大气圈、水圈、生物圈、岩石圈以及地球内部其他圈层等，本是天体地球内外部物质运动、能量转换的统一体，以往单一学科、单一系统的解剖研究及其方式方法，难以认清地球系统整体全貌。而现今面对全球变化和资源、能源、环境与灾害问题，亟待我们重新整体认识地球，了解它的过去、现状和新发展趋势与动态，知晓它将会发生什么，加之科学技术的发展包括地球科学自身发展也需要综合整体探索，以认知、解决更为深层错综复杂的科学问题。特别是进入21 世纪以来，上天、入地、下海、登极观察研究的发展及地球观测技术的快速进步，通过宏观、整体、综合、长期、连续观测，人类研究地球各种自然现象、自然规律、追本求源的能力大大提高，同时，海量信息、图像声音、影像视屏、测试结果等构成的地球大数据，给地球科学带来了巨大冲击与发展空间。

可以预见，21 世纪必将是地球科学进入地球系统科学的时代，秉持地球系统科学的理念意识，必将推动地球科学的新发展，也必将为海洋科学包括海底构造研究，带来新的发现、认知与理论突破。

地球系统，包括三大子系统: 外部的日地系统(Solar-Terrestrial System)，包括从太阳一直到地球表层；内部的地球深部系统(Deep Earth System)，包括地壳、地幔和地核；介于前两者之间的地球表层系统(Earth Surface System)，简称地表系统，包括土壤圈、水圈、大气圈及生物圈和岩石圈等圈层复合交汇。

这些子系统各有其演化规律，各系统之间也始终存在密切而复杂的物质和能量交换。因此，地球各圈层间的相互作用必然是地球系统科学的重点研究内容和领域，包括不同层圈之间的相互作用、循环及其动力学过程、资源环境与全球变化等。近年来，地球系统科学、全球变化和地球动力学等已经被广泛列入各种相关的科学前沿研究发展规划。认识地球内部和外部层圈的结构、成分和动力学，阐明不同层圈物理、化学与生物的相互作用及其特点与规律是地球系统科学的主要目标之一。当前，地球系统科学研究以地球大气圈—水圈—生物圈—土壤圈—岩石圈—地磁圈等之间的相互作用为主题: 一方面，以地球不同层圈的物质组成、结构和性质及其与生命起源、资源形成和环境演化之间的关系为主线，研究不同时空尺度的地质环境变化及其对地球系统的影响，揭示各个地质历史时期地球内部变化对资源环境灾害的制约；另一方面，以地球环境与生态系统为主线，涉及地球各层圈的相互作用及其对生命、人类和社会的影响与协同演化，人类活动对地球环境的反馈及其发展趋势。

地球系统科学研究的各圈层，岩石圈的形成和动力学演化是关键，因而，岩石圈在地球系统中占据着重要地位。岩石圈包括地壳和下伏岩石圈地幔，是人类最能接近且更直接影响人类生存的上部固体地球圈层。岩石圈的结构、组成与演化影响控制着壳幔演化、构造运动(包括地震和其他地质灾害)、岩浆活动及大规模成矿作用的发生以及对应的生态环境效应。 故而，岩石圈的结构、组成与演化始终是地球动力学研究的主题之一，也是地球科学研究的核心主题之一，是研究地球演化的重要组成部分，其研究成果为矿产资源的勘探开发、生态环境保护治理、地震和其他地质灾害的预测预防提供了科学基础。 因此，岩石圈与动力学也是地球固体系统动力学研究的主要内容。

岩石圈可以分为大陆岩石圈和大洋岩石圈。大陆岩石圈动力学及其资源、环境和灾害效应是大陆动力学研究的主题，而大洋岩石圈动力学及其资源、环境和灾害效应是洋底动力学的主题。

该书（《海底构造系统》.上、下册. 李三忠, 索艳慧, 刘博编著． 北京: 科学出版社, 2018．8）以地球系统科学理念，侧重固体海洋在地球系统中的关键过程和作用。 海洋占地球总面积的70. 8%，而深海大洋占据海洋约92. 4%，因此，洋底更是了解众多地球过程的主要窗口之一。 从空间展布和大地构造位置角度，洋底动力系统可以划分为洋脊增生系统、转换构造系统、深海盆地系统、俯冲消减系统和地幔动力系统等，基本对应动力学角度的伸展裂解系统、转换构造系统、俯冲消减系统等。

不同于以往讲授板块构造理论时常划分为活动大陆边缘、被动大陆边缘、转换型大陆边缘逐个介绍的方式，该书改为俯冲消减系统、伸展裂解系统、转换构造系统论述，这一改变，应是学术思想和系统研究的新发展与重要新思维。

通过这个“系统” 观，综合认知地球物质运动，揭示运动的物质跨圈层、跨相态、跨时间尺度的变化，必然涉及相关学科和新的科技成果。 当前海洋地质学已经摆脱单一学科制约，成为多学科交叉融合的起点，以物理海洋、海洋化学、海洋地球化学与海洋地球物理等高新探测和处理技术、观测网络建设为依托，国际上逐步开始实施一系列不同级别的海底观测网络建设计划，通过大量传感器，侧重探测海底各种大地构造背景各级尺度的结构、构造和过程以及动力学过程的各个变量要素，监测不同圈层界面和圈层之间的物质和能量交换、传输、转变、循环等相互作用的过程，为了解地球系统变化提供了技术保障。

针对深海大洋岩石圈动力学与物质循环中的洋脊增生系统、俯冲消减系统的构造动力-岩浆-流体系统之间的海陆耦合、深浅耦合、流固耦合关系研究，成为当今洋底动力学研究的重点，一些国际合作计划亦将其作为研究的重点。 当前科学研究仪器设备日益更新，效率也越来越高，而且，探测手段和方法也从哥伦布时代的走航式、不连续、单点式、低效率、单一学科观察和测量，发展为原位、连续、实时、多学科、数字化、信息化、网络化、高效率观察和测量。 例如，水深测量从重锤测深转变为多波束测深，重力测量从简单的海洋重力仪发展为卫星海洋重力测量，地震技术从浅剖发展为地震层析成像，使得不同深度的洋底结构构造显现出来，也揭示了板块构造学说没有阐明的俯冲洋壳的去向问题。 目前，虽然研究对象依旧是按照板块构造理论为指导，集中于研究板块边缘，即主要集中在洋脊增生系统和大陆边缘的俯冲消减系统以及相关领域的科学研究，但是研究已更具有广泛国际性，具体表现在两个国际计划的设立上，即1992 年开始的国际大洋中脊计划(Inter-Ridge) 和1999 年开始的国际大陆边缘计划(Margins) 及后续的“地质棱镜” 计划(GeoPRISMs)，大大促进了该领域的发展。 另外，不可忽视的是，深海大洋研究中关于大火成岩省的研究，将对地幔柱构造理论的发展和建立起着关键作用，这必将从更深层次揭示地球的动力学本质。

上述针对固体地球系统的国际研究计划不亚于地球系统科学联盟(ESSP) 提出的世界上有关全球气候与环境变化的四大科学计划[世界气候研究计划(WCRP)、国际地圈生物圈计划(IGBP)、全球环境变化人文因素计划(IHDP)、生物多样性计划(DIVER-SITAS)]。 这些表层地球系统的全球计划针对地球系统及其变化、对全球可持续发展的影响，旨在促进各学科的深入和交叉，弥补观测和资料上的空白，以增强人类认识和理解复杂地球系统的能力。 因此，人们一致认为建立描述地球系统内部的过程及其相互作用的理论模式，亦即“地球系统动力学模式” (曾庆存等，2008)，不仅可以阐明全球(包括大地区) 气候和环境变化的机理并进行预测，而且可以助于揭示地球动力学的本质，真正实现实时多圈层相互作用的研究。

国际上深海领域的竞争日趋激烈，21 世纪初前后，各海洋强国及国际组织纷纷制定、调整海洋发展战略计划和科技政策，如《新世纪日本海洋政策框架(2002)》《美国海洋行动计划(2004)》 和《欧盟海洋发展战略(2007)》 等，并采取有效措施，在政策、研发和投入等方面给予强力支持，以确保在新一轮海洋竞争中占据先机。 相应的国际和区域海洋监测网络逐步实施，如美国的OOI、HOBO、LEO-15、H2O、NJSOS、MARS、DEIMOS 等，欧洲的NEMO、SN-1、ESONET 等，美国和加拿大联合建立的NEPTURE 及其扩展成的全球ORION，日本的ARENA 和之后的DONET，它们成为全球的GOOS (Global Ocean Observing System) 对海观测网的一部分。 GOOS 最终与全球环境监测系统( GEMS，Global Environment Monitoring System)、全球陆地观测系统(GTOS，Global Terrestrial Observing System)、全球气候观测系统(GCOS，Global Climate Observing System) 共同构成世界气象组织的WIGOS (WMO Integrated Global Observing Systems) 观测系统，最终建成2003 年倡导建立的名为GEOSS (Global Earth Observation System of Systems) 的全球统一的综合网络，并成为GEOSS 的核心组成。 GOOS 积极发展先进的机电集成技术、传感器、ROVs、AUVs、通讯技术、能源供应技术、海底布网技术、网络接驳技术，建设海底观测站、观测链、观测网等不同级别和目标的海底观测平台，实现天基(space-based)、空基(air-based)、地基(land-based) 以及从岸基(coast-based)到海基(ocean-based，覆盖海面、海水、海床) 全面覆盖海洋的实时立体观测网。地学上它们以热液现象、地震监测、海啸预报、海洋环境变化、全球气候等为科学目标。 我国“九五” 期间863 计划已逐步开始实施类似计划，但类似前述国际性的具重大影响的监测网络建设才刚刚起步。

鉴于地球科学的发展，尤其海洋科学发展和培养人才的需求，中国海洋大学李三忠教授团队新编写了系列新教材，《海底构造系统》 (上、下册) 是其系列教材的第二本和第三本，也是构建“完整海底构造系统” 理论的核心内容，系统介绍了岩石圈及地球更深层动力学的基本概念、基本规律、基本过程。 这些知识是认知海底的基础，也是为其他圈层研究或学科发展、深化、拓展所必需，更是走向系统完整认知地球的起点，其终极目标是揭示海底或洋底的本质与规律及其与其他圈层的关联。

洋底动力学旨在研究洋底固态圈层的结构构造、物质组成和时空演化规律及机制，研究洋底固态圈层与其他相关圈层，如软流圈、水圈、大气圈和生物圈之间相互作用和耦合机理，以及由此产生的资源、灾害和环境效应。它以传统地质学和板块构造理论及其最新发展为基础，在地球系统科学思想的指导下，以海洋地质、海洋地球化学与海洋地球物理及其高新探测和处理技术为依托，侧重研究伸展裂解系统、洋脊增生系统、深海盆地系统和俯冲消减系统的过程及动力学，包括不同圈层界面和圈层之间的物质和能量交换、传输、转变、循环等相互作用的过程，为探索海底起源和演化、发展海洋科学和地球科学，保障人类开发海底资源等各种海洋活动、维护海洋权益和保护海洋环境服务的学科。该书就是为其培养基础人才和普及基本知识的新编教材，是洋底动力学关注的核心内容，值得推荐。

中国科学院院士

2018 年5 月28 日

本文为张国伟院士为《海底构造系统（上、下册）》（李三忠, 索艳慧, 刘博编著． 北京: 科学出版社, 2018．8）一书所作“序”。标题为编者所加。

来源：赛杰奥（科学出版社地球科学公众号）

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