【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
CC讲坛-CC讲坛官方账号-创新引领未来,传播改变世界。2021-09-30 10:49
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。