【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。