【CC讲坛】地球大龟裂,一位中国科学家的地球演化新说——唐春安

地球的板块构造,究竟是如何启动的?科学界对于这一家喻户晓的问题一直没有很好的解答。中国学者提出的地球大龟裂假说是补充解答,还是演化新说?地球已经演化了45.6亿年,有过五次生物大灭绝,未来我们要如何用人类的智慧迎接地球演化带来的挑战?

唐春安

大连理工大学岩土工程学科 教授

中国地质大学(武汉)大地构造学科 首席教授

我先想跟大家分享一幅照片,这幅照片上是一位年轻的爸爸,在给两个孩子介绍一本画册。他为什么将这张照片寄给我呢?因为他很感慨,他说:我现在终于可以给孩子们讲,非常深奥的地球科学故事了。这本画册就是我刚刚在地质出版社出版的《地球大龟裂—地球演化新说》

其实我是一个岩土工程专家,主要从事岩石力学研究,研究岩石的破裂过程,以及工程灾害的分析。

与地球科学结下不解之缘,得益于两个偶然。

十五六年前,我与我太太一起去,大连金石滩滨海国家地质公园游览,公园里有块镇园之宝——六亿年前的龟裂石。太太问我:你是做岩石破裂分析研究的,这个龟裂是怎么形成的?

这个问题使我想到了,我的数值模拟方法,回到家里我将这个过程模拟出来了。大家看,这个红色的图,就是一个龟裂的模拟过程,它很好地再现了一个介质从受力到开裂,最后形成完整龟裂的全过程。实际上我对龟裂着迷就从这时开始的,我因此还在国际上,发表了几篇不错的论文。

从岩石龟裂到地球大龟裂,实际上得益于另一次偶然的机会。

也是在十多年前,我去南京古生物研究所,沈树忠院士给了我一张很漂亮的龟裂照片,这个照片是六亿年前细胞分裂的化石,细胞分裂化石是非常非常小的。大家看看,这是小孩玩泥巴坨的时候,干裂的一个图像。大家看这两幅图像, 在几何上几乎是一样的,当然从物理上不一样,但是它们之间的尺度相差非常大。

这使我想到一个问题,在这个尺度上,我再往上去跨尺度,我们看看右上角这个图是两亿年前的,冈瓦纳超大陆裂解的图像,几乎形式上一样,是一个非常漂亮的龟裂图像。所以这件事使我想到,地球大龟裂与岩石龟裂和细胞的龟裂,它们是力学尺度上的一种跨尺度效应。

那么龟裂的跨尺度效应有没有可能,为探索板块的形成,提供一种新的思路,这是一个我开始的思考问题。实际上 我是在不经意间遇到了一个大科学问题。大家都知道,板块起源是地球科学到现在仍然未解的难题,从这两个资料可以看清:一个是美国最近的一个战略报告,一个是我们中国的相关战略发展报告,都将板块起源列为,地球科学中的未解难题。

我们都知道,全球分为六大板块,尽管板块构造学说,几乎家喻户晓,但是地球科学界,对于板块运动,究竟是如何启动的,其实仍然没有一个很好的解释。

我用自己开发的破裂过程分析软件,模拟了一个球的内部膨胀过程,让这个球内部膨胀。大家看,这个球在膨胀的过程中,在一个相对短的时间内,产生了全球尺度的破裂,这就是我今天说的地球大龟裂。这个龟裂的过程,实际上有可能成为,早期地球板块起源的,一种很好的或者一种合理的解释。

我们的成果终于在2020年7月16日,发表在Nature Communications。我们的成果发表不到十天,国际上有23家主流媒体,包括ABC、 Science Daily等等,连续发表了26篇对于我们的评述性报道。不仅如此,国际上的《地质学百科全书》,也很快将我们的成果收录到了它的板块构造条目。

科学探索并未停止,既然地球可以发生大龟裂,那么它在地球的演化过程中,到底能产生什么作用?因为它不只是一个简单的破裂问题,我们现在看看地球是怎么演化的。大家看,在地球45.6亿年的演化过程中,地球出现了多次大起大落的冷热波动。

比如说,在23亿年左右的第一次雪球事件,整个地球几乎被冰雪覆盖,甚至延伸到赤道附近。第二次雪球事件发生在6亿年至7亿年前之间,后面还有奥陶纪冰期,泥盆纪冰期等等,还有现在的第四纪冰期。

这么大的冷热波动大起大落,过去的地球板块构造假说,对这个冷热波动没有很好的解释。主流的观点是认为,地球本身是单调降温的,地球表面出现冰河期等冷热波动,是有别的原因。比如说二氧化碳波动,比如说太阳黑子的变化,甚至认为地球轴向倾角变化等等。也许这些都是可能的影响因素,但是有一条,我坚信不能回避,既然地球能够出现大龟裂,那么这种大龟裂,一定会扰动地球的冷热波动。

这是我今天想展开讨论的,我先用一个生活中的常识,给大家解释什么叫热力学系统。比如说我们去吃火锅,服务员端上一盆开水,这就是原始的热,当然这个原始的热如果我们没有点火的话,这个火锅是吃不成的,因为火锅一直在降温。所以我们会点一个火,当然点这个火肯定不会太大,不能烧得火锅咕嘟咕嘟地翻滚,就是点的火苗不足够大。

因此,虽然点了火,有了热输入,但是这个系统还是在降温,我们吃火锅经常遇到这个情况,我们怎么办?我们需要盖一个锅盖。大家注意,盖上锅盖,你并没有增加热量收入,还是那个火苗,但是为什么盖上锅盖,你后面就能吃成火锅了呢?因为锅盖阻碍了热的耗散,系统并没有增加热量收入,可是它将这个系统从降温变成了升温。

如果我们做一个实验,我们在锅里放个压力传感器,放一个温度传感器,你会发现温度和压力会按照这么一个曲线波动:比如盖盖前降温,盖盖后升温、慢慢升,当升到某一个临界值,锅盖被顶开了,锅盖被顶开就是压力和温度的突然下降,它会慢上升,快下降。

我们现在再回到地球。

地球在45.6亿年前就是一个滚烫的火锅,地球表面就是一个岩浆海。地球开始一定会冷却,正因为冷却,它可以形成岩石圈。即冷却形成岩石圈,就相当于给地球盖了一个大锅盖。有了这个锅盖以后,里头的热从原来总是放热冷却,就有可能进入一个升温的阶段,按照锅盖这个理论,我们把道理讲清楚了。

从科学上我们再看一下,我们这个地球系统,受哪几种热共同作用呢?

第一、太阳能输入,这是大家比较关注的;

第二、地球本身的地幔-地壳之间的热变化,即凝固和熔融会产生相变热;

第三、就是最重要的热源,地球内部有许多放射性元素,有几十亿年的半衰期,它在不断地产热,这个热就相当于我刚才讲的火锅的火苗。当然,地球一定会释放热量,不管是将锅盖盖着还是打开,都在释放热量,所以共有四种热。

我把这四种热,按照热力学方程,列了一个热平衡方程。尽管这个方程很复杂,我只想大家理解其中两点就行了:

第一点、大家看看这个方程里,有一项跟我的地球大龟裂相关,这个“L”指的是裂纹的总长度,就是龟裂的总长度。如果地球确实在某一个时刻,会发生快速的破裂,那么这一项,就会出现极值。出现极值以后,我们再看看,它会引起高压锅内部温度的突然下降,阀打开了 还有什么会下降?压力下降,所以它会引起压力的下降。

压力降会造成一种特别重要的地质现象,叫降压熔融。为什么?因为熔点会随压力下降而下降,这样我们就得到这个方程的两个极值条件:第一、裂纹快速扩展,地球会失热,这个很明显像高压锅,打开了会失热。还有一个更重要的,是高压锅表达不出来的,就是压力突然下降,会造成降压熔融。降压熔融是个什么过程?是吸热过程,所以这种吸热造成岩石圈再次本质性变冷,这就是我的一个发现,地球大龟裂不仅是一个破裂行为,它更可能是造成地球本质性降温的根源。

按照这个思路我们就可以很清晰地看到,地球内部在升温,岩石圈破裂,破裂就要释放热量,释放热量地球就要变冷,一定记住,这是个能量守恒。变冷,岩石圈就会修复,比如说裂纹就会闭合。闭合会发生什么?内部又会积累热量,就像高压锅又盖上了锅盖,所以我的结论是:地球一定具有它自身的周期脉动,整个地球演化,不一定只受外界的因素影响,它内部就有一种波动存在。

上个月我这个观点发表在《中国科学》杂志上了,而且在这个观点里面我特别讲到了,既然热有这么大的波动,那么是不是重大地质事件跟它有关系?我由此得到一个很重要的推论,我认为:地球内部的冷热波动,会对地表的气候变化造成影响,但是反之却不亦然。

什么叫反之却不亦然?地表的气候,不可能反过来造成地球演化的波动,这是我的一个基本观点。

我们用这个观点来解释一下,刚才提到的雪球事件。大家知道,雪球事件就是一个地球整体被冰雪包围着,过去都认为是二氧化碳降低造成的,或者地球角度变化使得太阳光照减少等等。

这些因素也许可能存在,但是我要强调的是另外一个因素,我们看看在两亿年的,雪球事件期间,地球发生了什么?在这两亿年期间,第一地球几乎没有火山活动,第二没有造山运动,第三没有岩浆活动,甚至板块的漂移速度大大减缓,这个数据是来自Nature的文章。既然地球两亿年没有构造活动,大家想想看,谁是因谁是果,是气候变化造成地球不活动,还是地球本身不活动,会造成气候变化。

这就是我今天讲到的,也是发表在《科学通报》上的一个观点,我认为:超大陆裂解是Evidence 是事实,这次雪球事件之前的超大陆裂解,造成了全球内部的热量释放。这种热量释放造成了没有岩石圈活动,没有岩浆活动,没有造山运动等等。当然,它也会造成地表的变冷,所以是个因果关系。

不仅仅是对气候变化,我今天的模型,地球内部的变化不仅仅是影响地表气候,它也会再造地球的表面,因为它的力量太大了。

比如说科罗拉多大峡谷,过去传统理论认为它是水冲出来的。当然水冲的观点,我不反对,但是科罗拉多大峡谷,你去看看就知道,1500米、1600米深的绝壁,绝对不是水冲出来的。实际上,当你去考察大峡谷的时候,科学家有几个问题摆在桌面上:

第一个问题是科罗拉多大峡谷谷顶高度,比上游还高1000多米,为什么它的谷顶高度比上游还高?

第二个问题是为什么科罗拉多大峡谷形成的时间,远比地质学家预计的短?因为河流冲需要很长时间。

第三个更有趣的问题,为什么科罗拉多大峡谷的河流冲刷,没有形成大的三角洲?你去Google地球,上网去查,世界十大三角洲中没有科罗拉多三角洲。可是科罗拉多河是被认为,世界上的河全装进去都装不满它的一半,那么它的冲刷体哪去了?这是我的疑问。

我用龟裂理论解释,大家知道龟裂是一个在张力情况下的开裂行为。

龟裂有两种三岔口的破裂形式:第一个当它的三条裂缝几乎是同时产生的时候,是120度相交。但是如果有主裂谷,然后再生成次裂谷的时候,是90度相交的。而恰恰在科罗拉多大峡谷,你们可以上Google地球上去查,沿着400多公里长的主峡谷,有大量的垂直分岔裂谷存在。而且告诉大家,这些垂直分岔连水都没有,它基本上不是河。所以我认为科罗拉多大峡谷,一定是一种力学的开裂行为。

这个观点我也发表在《科学通报》上了,我提出了一个科罗拉多大峡谷抬升开裂理论,我认为抬升造成了开裂。那么抬升有没有证据?有,科罗拉多大峡谷是高原,这个高原从7000万年前就开始抬升了,大概有三次大的抬升,总计抬升高度大概是3.2公里左右。每次抬升 按照我学力学预计,抬升弯曲一定会造成裂谷形成,所以它的裂谷分了几次行程,真正的突破贯通是在500万年左右。因为它是抬升,所以谷顶高于上游是很合理的。

为什么形成时间短呢,因为它不是水力冲刷出来的,它是开裂,大的地震开裂形成了这样大的裂谷。

为什么没有大的三角洲?因为不是冲出去的,是一个抬升开裂行为,虽然它也有三角洲 但不是最大的。

这个解释也可以拓展到其他裂谷,如中国的雅鲁藏布江大峡谷,如东非大裂谷,还有贝加尔湖大裂谷,都可以从抬升开裂,找到它的形成机制。

科学探索,就是大胆假设,小心求证。

我将这些年研究的成果,研究思路,用一幅图来表达。

看这幅图中间的横条,代表了45.6亿年。它的颜色代表了这45.6亿年期间的,温度变化,黄色表示最高温度,红色也是很高的一定不宜居,白色的地方表示是冰河期。上面还给出了波动曲线,我在这个图上放上了很多重大地质事件:比如说刚才的雪球事件,大氧化事件,生物大灭绝事件。我发现,这些大事件最活跃的时期,都在这个图上的温度高温期,最安静的时候,都在这个图上的低温期。所以这张图被基金委,引入到最近出版的中国地球科学发展战略报告。

这些都是有关地球热演化的探索,我们可不可以来想一个问题,地球上这么多的地质活动到底与什么相关?我据此提出的一个重要观点,地球内部的冷热波动,可能是重大地质事件的同源驱动力。很多事件都是相关的,它们一个系统。

对地球系统的理解可否再展开一下?想象一下我们的行星系统,至少类地行星,既然地球45.6亿年来,能产生这种热演化波动,那么其它行星呢?在它们形成的初期,火星、金星、地球都是孪生姊妹,为什么火星走着走着变冷了,金星走着走着变热了?实际上我认为有可能它们都是处在演化历史中的不同阶段,它们有冷的时候也有热的时候。既然地球的演化有波动周期,其它行星有没有?我认为它也有波动,当然这个波动的大小、频率会不一样。为什么?因为球的大小不一样,与太阳的距离等等因素不一样,会有不同的波动频率。

但是随着时间的推移,推移到任意一个时刻,你去看它当时的状态,看这第一个时刻,分别有高温、中温、低温。下一个时刻呢?高温变低温了,低温变高温了,是在不断波动的。所以我们不要认为今天的火星这么冷,未来也是这么冷。也不要认为今天金星这么热,未来它一直这么热。

从地球演化的历史来看,地球已经存续了45.6亿年,经历了五次生物大灭绝,当时由于没有智人的存在,所以这些生物灭绝都是优胜劣汰,自然消亡。今天科学家告诉我们,地球还有40亿年。既然还有40亿年,我们相信地球的未来绝对不是死水潭。过去的地球有多次雪球、冰河期,不可能因为今天有了人类,地球的未来就会安安静静的,人类没有这种能力。

人类只可能用我们的智慧,去迎接未来地球的再次骚动。第六次生物大灭绝一定会到来,地球已经有了智人,我们人类可否用我们的智慧,迎接未来地球灾难的挑战?这是我们要思考的问题,我们作为一个地球人,今天应该以全球、百万年尺度,这种大的时空去思考我们地球的未来,要关注人类赖以生存的地球的过去,今天和未来。

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