【CC講壇】地球大龜裂，一位中國科學家的地球演化新説——唐春安_風聞

地球的板塊構造，究竟是如何啓動的？科學界對於這一家喻户曉的問題一直沒有很好的解答。中國學者提出的地球大龜裂假説是補充解答，還是演化新説？地球已經演化了45.6億年，有過五次生物大滅絕，未來我們要如何用人類的智慧迎接地球演化帶來的挑戰？

我先想跟大家分享一幅照片，這幅照片上是一位年輕的爸爸，在給兩個孩子介紹一本畫冊。他為什麼將這張照片寄給我呢？因為他很感慨，他説：我現在終於可以給孩子們講，非常深奧的地球科學故事了。這本畫冊就是我剛剛在地質出版社出版的**《地球大龜裂—地球演化新説》**。

其實我是一個岩土工程專家，主要從事岩石力學研究，研究岩石的破裂過程，以及工程災害的分析。

與地球科學結下不解之緣，得益於兩個偶然。

十五六年前，我與我太太一起去，大連金石灘濱海國家地質公園遊覽，公園裏有塊鎮園之寶——六億年前的龜裂石。太太問我：你是做岩石破裂分析研究的，這個龜裂是怎麼形成的？

這個問題使我想到了，我的數值模擬方法，回到家裏我將這個過程模擬出來了。大家看，這個紅色的圖，就是一個龜裂的模擬過程，它很好地再現了一個介質從受力到開裂，最後形成完整龜裂的全過程。實際上我對龜裂着迷就從這時開始的，我因此還在國際上，發表了幾篇不錯的論文。

從岩石龜裂到地球大龜裂，實際上得益於另一次偶然的機會。

也是在十多年前，我去南京古生物研究所，沈樹忠院士給了我一張很漂亮的龜裂照片，這個照片是六億年前細胞分裂的化石，細胞分裂化石是非常非常小的。大家看看，這是小孩玩泥巴坨的時候，乾裂的一個圖像。大家看這兩幅圖像， 在幾何上幾乎是一樣的，當然從物理上不一樣，但是它們之間的尺度相差非常大。

這使我想到一個問題，在這個尺度上，我再往上去跨尺度，我們看看右上角這個圖是兩億年前的，岡瓦納超大陸裂解的圖像，幾乎形式上一樣，是一個非常漂亮的龜裂圖像。所以這件事使我想到，地球大龜裂與岩石龜裂和細胞的龜裂，它們是力學尺度上的一種跨尺度效應。

**那麼龜裂的跨尺度效應有沒有可能，為探索板塊的形成，提供一種新的思路，這是一個我開始的思考問題。**實際上 我是在不經意間遇到了一個大科學問題。大家都知道，板塊起源是地球科學到現在仍然未解的難題，從這兩個資料可以看清：一個是美國最近的一個戰略報告，一個是我們中國的相關戰略發展報告，都將板塊起源列為，地球科學中的未解難題。

我們都知道，全球分為六大板塊，儘管板塊構造學説，幾乎家喻户曉，但是地球科學界，對於板塊運動，究竟是如何啓動的，其實仍然沒有一個很好的解釋。

我用自己開發的破裂過程分析軟件，模擬了一個球的內部膨脹過程，讓這個球內部膨脹。大家看，這個球在膨脹的過程中，在一個相對短的時間內，產生了全球尺度的破裂，這就是我今天説的地球大龜裂。這個龜裂的過程，實際上有可能成為，早期地球板塊起源的，一種很好的或者一種合理的解釋。

我們的成果終於在2020年7月16日，發表在Nature Communications。我們的成果發表不到十天，國際上有23家主流媒體，包括ABC、 Science Daily等等，連續發表了26篇對於我們的評述性報道。不僅如此，國際上的《地質學百科全書》，也很快將我們的成果收錄到了它的板塊構造條目。

**科學探索並未停止，既然地球可以發生大龜裂，那麼它在地球的演化過程中，到底能產生什麼作用？**因為它不只是一個簡單的破裂問題，我們現在看看地球是怎麼演化的。大家看，在地球45.6億年的演化過程中，地球出現了多次大起大落的冷熱波動。

 比如説，在23億年左右的第一次雪球事件，整個地球幾乎被冰雪覆蓋，甚至延伸到赤道附近。第二次雪球事件發生在6億年至7億年前之間，後面還有奧陶紀冰期，泥盆紀冰期等等，還有現在的第四紀冰期。

**這麼大的冷熱波動大起大落，過去的地球板塊構造假説，對這個冷熱波動沒有很好的解釋。**主流的觀點是認為，地球本身是單調降温的，地球表面出現冰河期等冷熱波動，是有別的原因。比如説二氧化碳波動，比如説太陽黑子的變化，甚至認為地球軸向傾角變化等等。也許這些都是可能的影響因素，但是有一條，我堅信不能迴避，既然地球能夠出現大龜裂，那麼這種大龜裂，一定會擾動地球的冷熱波動。

這是我今天想展開討論的，我先用一個生活中的常識，給大家解釋什麼叫熱力學系統。比如説我們去吃火鍋，服務員端上一盆開水，這就是原始的熱，當然這個原始的熱如果我們沒有點火的話，這個火鍋是吃不成的，因為火鍋一直在降温。所以我們會點一個火，當然點這個火肯定不會太大，不能燒得火鍋咕嘟咕嘟地翻滾，就是點的火苗不足夠大。

因此，雖然點了火，有了熱輸入，但是這個系統還是在降温，我們吃火鍋經常遇到這個情況，我們怎麼辦？我們需要蓋一個鍋蓋。大家注意，蓋上鍋蓋，你並沒有增加熱量收入，還是那個火苗，但是為什麼蓋上鍋蓋，你後面就能吃成火鍋了呢？因為鍋蓋阻礙了熱的耗散，系統並沒有增加熱量收入，可是它將這個系統從降温變成了升温。

如果我們做一個實驗，我們在鍋裏放個壓力傳感器，放一個温度傳感器，你會發現温度和壓力會按照這麼一個曲線波動：比如蓋蓋前降温，蓋蓋後升温、慢慢升，當升到某一個臨界值，鍋蓋被頂開了，鍋蓋被頂開就是壓力和温度的突然下降，它會慢上升，快下降。

我們現在再回到地球。

地球在45.6億年前就是一個滾燙的火鍋，地球表面就是一個岩漿海。地球開始一定會冷卻，正因為冷卻，它可以形成岩石圈。即冷卻形成岩石圈，就相當於給地球蓋了一個大鍋蓋。有了這個鍋蓋以後，裏頭的熱從原來總是放熱冷卻，就有可能進入一個升温的階段，按照鍋蓋這個理論，我們把道理講清楚了。

從科學上我們再看一下，我們這個地球系統，受哪幾種熱共同作用呢？

第一、太陽能輸入，這是大家比較關注的；

第二、地球本身的地幔-地殼之間的熱變化，即凝固和熔融會產生相變熱；

第三、就是最重要的熱源，地球內部有許多放射性元素，有幾十億年的半衰期，它在不斷地產熱，這個熱就相當於我剛才講的火鍋的火苗。當然，地球一定會釋放熱量，不管是將鍋蓋蓋着還是打開，都在釋放熱量，所以共有四種熱。

我把這四種熱，按照熱力學方程，列了一個熱平衡方程。儘管這個方程很複雜，我只想大家理解其中兩點就行了：

第一點、大家看看這個方程裏，有一項跟我的地球大龜裂相關，這個“L”指的是裂紋的總長度，就是龜裂的總長度。如果地球確實在某一個時刻，會發生快速的破裂，那麼這一項，就會出現極值。出現極值以後，我們再看看，它會引起高壓鍋內部温度的突然下降，閥打開了 還有什麼會下降？壓力下降，所以它會引起壓力的下降。

壓力降會造成一種特別重要的地質現象，叫降壓熔融。為什麼？因為熔點會隨壓力下降而下降，這樣我們就得到這個方程的兩個極值條件：第一、裂紋快速擴展，地球會失熱，這個很明顯像高壓鍋，打開了會失熱。還有一個更重要的，是高壓鍋表達不出來的，就是壓力突然下降，會造成降壓熔融。降壓熔融是個什麼過程？是吸熱過程，所以這種吸熱造成岩石圈再次本質性變冷，這就是我的一個發現，地球大龜裂不僅是一個破裂行為，它更可能是造成地球本質性降温的根源。

按照這個思路我們就可以很清晰地看到，地球內部在升温，岩石圈破裂，破裂就要釋放熱量，釋放熱量地球就要變冷，一定記住，這是個能量守恆。變冷，岩石圈就會修復，比如説裂紋就會閉合。閉合會發生什麼？內部又會積累熱量，就像高壓鍋又蓋上了鍋蓋，所以我的結論是：地球一定具有它自身的週期脈動，整個地球演化，不一定只受外界的因素影響，它內部就有一種波動存在。

上個月我這個觀點發表在《中國科學》雜誌上了，而且在這個觀點裏面我特別講到了，既然熱有這麼大的波動，那麼是不是重大地質事件跟它有關係？我由此得到一個很重要的推論，我認為：地球內部的冷熱波動，會對地表的氣候變化造成影響，但是反之卻不亦然。

什麼叫反之卻不亦然？地表的氣候，不可能反過來造成地球演化的波動，這是我的一個基本觀點。

我們用這個觀點來解釋一下，剛才提到的雪球事件。大家知道，雪球事件就是一個地球整體被冰雪包圍着，過去都認為是二氧化碳降低造成的，或者地球角度變化使得太陽光照減少等等。

這些因素也許可能存在，但是我要強調的是另外一個因素，我們看看在兩億年的，雪球事件期間，地球發生了什麼？在這兩億年期間，第一地球幾乎沒有火山活動，第二沒有造山運動，第三沒有岩漿活動，甚至板塊的漂移速度大大減緩，這個數據是來自Nature的文章。既然地球兩億年沒有構造活動，大家想想看，誰是因誰是果，是氣候變化造成地球不活動，還是地球本身不活動，會造成氣候變化。

這就是我今天講到的，也是發表在《科學通報》上的一個觀點，我認為：超大陸裂解是Evidence 是事實，這次雪球事件之前的超大陸裂解，造成了全球內部的熱量釋放。這種熱量釋放造成了沒有岩石圈活動，沒有岩漿活動，沒有造山運動等等。當然，它也會造成地表的變冷，所以是個因果關係。

不僅僅是對氣候變化，我今天的模型，地球內部的變化不僅僅是影響地表氣候，它也會再造地球的表面，因為它的力量太大了。

比如説科羅拉多大峽谷，過去傳統理論認為它是水衝出來的。當然水衝的觀點，我不反對，但是科羅拉多大峽谷，你去看看就知道，1500米、1600米深的絕壁，絕對不是水衝出來的。實際上，當你去考察大峽谷的時候，科學家有幾個問題擺在桌面上：

第一個問題是科羅拉多大峽谷谷頂高度，比上游還高1000多米，為什麼它的谷頂高度比上游還高？

第二個問題是為什麼科羅拉多大峽谷形成的時間，遠比地質學家預計的短？因為河流衝需要很長時間。

第三個更有趣的問題，為什麼科羅拉多大峽谷的河流沖刷，沒有形成大的三角洲？你去Google地球，上網去查，世界十大三角洲中沒有科羅拉多三角洲。可是科羅拉多河是被認為，世界上的河全裝進去都裝不滿它的一半，那麼它的沖刷體哪去了？這是我的疑問。

我用龜裂理論解釋，大家知道龜裂是一個在張力情況下的開裂行為。

龜裂有兩種三岔口的破裂形式：第一個當它的三條裂縫幾乎是同時產生的時候，是120度相交。但是如果有主裂谷，然後再生成次裂谷的時候，是90度相交的。而恰恰在科羅拉多大峽谷，你們可以上Google地球上去查，沿着400多公里長的主峽谷，有大量的垂直分岔裂谷存在。而且告訴大家，這些垂直分岔連水都沒有，它基本上不是河。所以我認為科羅拉多大峽谷，一定是一種力學的開裂行為。

這個觀點我也發表在《科學通報》上了，我提出了一個科羅拉多大峽谷抬升開裂理論，我認為抬升造成了開裂。那麼抬升有沒有證據？有，科羅拉多大峽谷是高原，這個高原從7000萬年前就開始抬升了，大概有三次大的抬升，總計抬升高度大概是3.2公里左右。每次抬升 按照我學力學預計，抬升彎曲一定會造成裂谷形成，所以它的裂谷分了幾次行程，真正的突破貫通是在500萬年左右。因為它是抬升，所以谷頂高於上游是很合理的。

為什麼形成時間短呢，因為它不是水力沖刷出來的，它是開裂，大的地震開裂形成了這樣大的裂谷。

為什麼沒有大的三角洲？因為不是衝出去的，是一個抬升開裂行為，雖然它也有三角洲 但不是最大的。

這個解釋也可以拓展到其他裂谷，如中國的雅魯藏布江大峽谷，如東非大裂谷，還有貝加爾湖大裂谷，都可以從抬升開裂，找到它的形成機制。

科學探索，就是大膽假設，小心求證。

我將這些年研究的成果，研究思路，用一幅圖來表達。

看這幅圖中間的橫條，代表了45.6億年。它的顏色代表了這45.6億年期間的，温度變化，黃色表示最高温度，紅色也是很高的一定不宜居，白色的地方表示是冰河期。上面還給出了波動曲線，我在這個圖上放上了很多重大地質事件：比如説剛才的雪球事件，大氧化事件，生物大滅絕事件。我發現，這些大事件最活躍的時期，都在這個圖上的温度高温期，最安靜的時候，都在這個圖上的低温期。所以這張圖被基金委，引入到最近出版的中國地球科學發展戰略報告。

這些都是有關地球熱演化的探索，我們可不可以來想一個問題，地球上這麼多的地質活動到底與什麼相關？我據此提出的一個重要觀點，地球內部的冷熱波動，可能是重大地質事件的同源驅動力。很多事件都是相關的，它們一個系統。

對地球系統的理解可否再展開一下？想象一下我們的行星系統，至少類地行星，既然地球45.6億年來，能產生這種熱演化波動，那麼其它行星呢？在它們形成的初期，火星、金星、地球都是孿生姊妹，為什麼火星走着走着變冷了，金星走着走着變熱了？實際上我認為有可能它們都是處在演化歷史中的不同階段，它們有冷的時候也有熱的時候。既然地球的演化有波動週期，其它行星有沒有？我認為它也有波動，當然這個波動的大小、頻率會不一樣。為什麼？因為球的大小不一樣，與太陽的距離等等因素不一樣，會有不同的波動頻率。

但是隨着時間的推移，推移到任意一個時刻，你去看它當時的狀態，看這第一個時刻，分別有高温、中温、低温。下一個時刻呢？高温變低温了，低温變高温了，是在不斷波動的。所以我們不要認為今天的火星這麼冷，未來也是這麼冷。也不要認為今天金星這麼熱，未來它一直這麼熱。

從地球演化的歷史來看，地球已經存續了45.6億年，經歷了五次生物大滅絕，當時由於沒有智人的存在，所以這些生物滅絕都是優勝劣汰，自然消亡。今天科學家告訴我們，地球還有40億年。既然還有40億年，我們相信地球的未來絕對不是死水潭。過去的地球有多次雪球、冰河期，不可能因為今天有了人類，地球的未來就會安安靜靜的，人類沒有這種能力。

人類只可能用我們的智慧，去迎接未來地球的再次騷動。第六次生物大滅絕一定會到來，地球已經有了智人，我們人類可否用我們的智慧，迎接未來地球災難的挑戰？這是我們要思考的問題，我們作為一個地球人，今天應該以全球、百萬年尺度，這種大的時空去思考我們地球的未來，要關注人類賴以生存的地球的過去，今天和未來。