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【格致论道论坛】地球最终的命运是什么?可能会超出大多数人的想象 | 翟明国院士
2022-04-24 | 作者:转自:格致论道论坛 | 【 】【打印】【关闭

来源:地质地球所企鹅号  发布日期:2022-4-24

  文章转载自“格致论道讲坛”

  地质学按其性质来说,

  主要是研究那些不但我们没有经历,

  而且任何人都没有经历过的过程,

  所以要挖掘最后的、终极的真理,就要费很大力气。

[video:【SELF论坛】翟明国-神秘的地球及人类的使命]

  翟明国·中国科学院院士

  科学大咖讲科学 | 北京 2021年

  大家好,我是翟明国。今天我讲的题目是“神秘的地球及人类的使命”。

  地球是我们大家生活的地方,应该是最熟悉的。可是实际上,对于地球的很多知识,大家都感到陌生,所以它是个神秘的星球。

  近些年来,地球科学及相关问题可以说是“网红”,比如《侏罗纪公园》讲恐龙的灭绝与再现,《流浪地球》讲人类向宇宙的逃亡。与其他国家相比,我国对地球知识的普及做得还不够好,有必要唤起大家对地球知识的渴望。了解地球后,就知道人类对于地球负有神圣的使命。 

  神秘的地球

  人们见面时常常会问:你是谁?多大了?你从哪里来?要到哪里去?还有一个咱们中国人比较忌讳的问题:你将归往何处?对地球来说,同样存在这些问题。

  地球处于宇宙之中。宇宙是时间、空间、物质(能量)的总和,是一个非常庞大的系统。太阳系是宇宙中的一个星系,地球就在太阳系里面。

▲ 依次为:初期混沌地球 早期开始分层

  现代蓝色地球 将来的地球?

  与其他万物一样,地球也有前世、今生和未来。它最初叫“混沌地球”,混混沌沌、没有天、没有地。后来逐渐有了分层,有了地核、地幔和地壳,又有了大气圈、水圈和生物圈,我们称之为蓝色地球。蓝色地球会不会永存?它还会演化,最终成为一个未知的地球。

  地球从诞生到现在是46亿年。在这期间,它经历了惊天动地、翻天覆地或者说造天造地的变化。了解地球,特别是大陆的形成演化是自然科学的核心和王冠,这是一个非常深奥的知识。 

▲地球结构

  地球本身是有圈层的,所以我们说地球是圆的。它的结构就像上图,由地心至地表依次为地核、地幔和地壳。圈层之间并不是静止、僵死的,而是相互运动、有生命的。地球内部有岩浆,可以由火山喷出。什么地方火山爆发了,就说明圈层之间在运动。

  打个形象的比方,鸡蛋也有“圈层”:内部是蛋黄和蛋白,外面是蛋壳。鸡蛋的结构也不是僵死的:鸡蛋核可以慢慢孕育出新生命,从蛋白里吸取营养,最后孵出小鸡。

  万物的基本形态就是圈层。我们站立在地球表面,因此我们最应该了解的是地壳。

  这个地壳有多厚呢?它的平均厚度约17公里,其中大陆地壳厚度较大,平均约为35公里。高山、高原地区地壳更厚,最高可达70公里。大陆地壳又可以分为下地壳和上地壳,下层是玄武质的,是基性的,二氧化硅含量比较低;上层是花岗质的,呈酸性,二氧化硅含量高。

  那么大陆地壳是由什么组成的?是由岩石组成的。岩石有三类,一类叫水成岩,也叫沉积岩,还有火成岩和变质岩,其中火成岩包括火山岩和侵入岩。变质岩是指受到地球内部力量(温度、压力等)改造而成的新型岩石。水成岩、火成岩和变质岩都可以再经过变质。这些石头从地壳浅层“跑”到深处,10公里以下、20公里以下、30公里以下、40公里以下,再次发生变化,不再是原来的结构,而成为另一种矿物。变质岩记录了地球表层岩石所发生的翻天覆地的变化。 

 

  岩石又是由矿物组成。矿物有不同的色彩,包括我们平常大家都喜爱的金刚石,红宝石、蓝宝石、祖母绿等。部分矿物还是重要的尖端材料,是我们非常难以人工合成的,能应用于高精度的高科技制造。

  地壳又分为大洋地壳和大陆地壳。大家所知的海洋下面的这个底,就是大洋的壳。我们所在的大陆,就是大陆壳。大陆跟大洋的面积比大概是3∶7,前者主要集中在北半球。大洋底部跟大陆一样坑洼不平,也有山脊和洼地。夏威夷群岛就是海底山脉中的一些山峰,最高有1万米以上,比人类所在的陆地最高峰珠穆朗玛峰还要高很多。

  地球的运动和运动的地球

  圈层之间是相互运动的、有生命的。所以我们将地球称为运动的地球。地球内部有岩浆、有流体,有水在不断地运动、运移。海可以变成山,山可以变成海。构造运动引发地震,甚至还可以让一整块大陆漂移到另一个地方去。

  地球的运动还有一个深刻的含义:地球不是僵死的星球,它是有生命的,从它诞生起就在一天一天地变老。我写了一本书《运动:地球的生命密码》,就介绍了地球的运动。

  先民对地球的运动都有所知。比如《左传》中就载有“高岸为谷,深谷为陵”,指的就是高岸变成深谷,深谷变成大土山。还有沧海桑田、麻姑献寿的故事。麻姑说,她曾看见东海三次变为高山,又三次变为海洋。古人都知道山变海、海变山的道理。所以当大家登上高山,看见山顶上的石头含有鱼类化石,一点儿都不用惊奇。因为那个地方在很多很多年前曾经是海,后来变成了陆。

  古人对“地动”也很早就有了解,但没有完全解开其中的秘密,很多古人都写了优秀的文章进行探讨,比如屈原的《天问》里就有“八柱何当,东南何亏”。意思是:为什么天不一样高,西边是高的,东边是低的呀?解答为东边柱子倒了。为什么柱子倒了?过去我们有神话,叫“共工怒触不周山”,这就告诉你地球是运动的。

▲地球“变脸”

  除了大的运动之外,地球还有规模小一些的运动。我们给了大地震一个词,叫“变脸”。地震之后,大家一看原来的山变低了,原来有树、树倒了,原来有桥、桥断了,原来的路被错断了几十甚至上百米……这都是地球的变脸。

这些照片是在汶川地震1周年拍摄的。

  ▲日本大地震

  大家可能都知道日本2011年的大地震引发了海啸,造成了核灾难。

  地震是地球的一项活动,还有岩浆喷发是大家看得最多的。地震相当于地球的脉搏,岩浆喷发相当于地球的血液。什么时候地球没有地震了,也就没有脉搏了,地球就僵死了。所以我们惧怕的不是地震,而是地球有一天会僵死。

  人们一直在摸索地球运动的规律,其中有一项是由魏格纳提出的大陆漂移假说。魏格纳是一名德国气象学家,据说他在屋子里抽着雪茄、喝着咖啡、偶然翻阅世界地图时,发现一个奇特现象:欧洲和非洲的西海岸遥对北南美洲的东海岸,它们的轮廓非常相似;如果从地图上把这两块大陆剪下来,可以拼接成一个大致吻合的整体。他想它们是不是原来在一块儿,后来又分开了,于是提出来大陆曾经漂移过。

  这个假说提出后受到了世人的耻笑,也受到了科学家的批评。他并没有更多的知识储备,只是看到了这个现象,做出了图像解密。后来,魏格纳在北极考察时遇到暴风雪牺牲了。50年以后,人们根据大陆漂移学说创造了板块构造理论。

  ▲超级大陆—盘古大陆(左)与现在(中)

  板块构造理论就像一个巧巧板拼图。在2.5亿年以前,各个大洲基本上是连在一起的,后来逐渐分开了、漂开了,成了不同的大陆,就是现在的样子。  

  有科学家根据现在板块漂移的速度,认为再过2.5亿年大陆又会重新汇聚一次,就像上面那张图所表示的。

  当然这是假说,还需要证实。但这个证实我们都看不到,大家也都看不到2.5亿年以前。但这个推测并不是胡乱说的,是根据现在的观测、记录推算出来的。欧亚板块运动的速度有多快呢?相当于我们一年不剪指甲,新长部分的长度就相当于欧亚板块每年运动的距离。 

  板块构造的深刻道理包括地幔对流、洋底扩张。就像左边这张图,红色岩浆不断喷出来往两边走,形成洋底扩张。右上方是板块俯冲,右下方是欧洲和北美曾经有一条连续的山脉。

  板块学说是上世纪六七十年代最伟大的一项自然科学贡献,现在这项科学仍在继续发展。由它我们可以知道地球有三大科学问题:

  第一,地球的板块构造是怎么回事?什么时候有板块构造?是地球刚形成大陆就有,还是后来才有的?这个板块构造会不会永远有?以后要不是板块构造会是什么构造?第二,大陆是不是从来就有的?它是怎么长成现在这么大的?第三,水和氧气是什么时候形成的?地球现在的环境是什么时候定型的?

  这三大科学问题在地球科学研究中非常前沿,全世界科学家都在关注。在这些问题中,我专门拎出来一个问题:大陆是如何演化的。大陆演化太重要了,在各个国家的地球科学白皮书中,第一项课题都是大陆如何形成、何时形成、怎么演化的。

  大陆如何演化

  大陆为什么重要?因为我们人在大陆上生活。没有大陆,那我们可能就成了水生动物。此外,只有大陆能够记录地球演化的历史。虽然海洋下也有地壳,但洋壳每2-3亿年就会循环一次,通过俯冲所形成的洋脊壳幔的循环就消失了,变成了新的。大陆壳则从诞生一直保留到现在,如果我们要想了解地球的历史,就要研究大陆。 

▲ 杰克山锆石(上)石英砾岩(下)

  我们通过研究岩石,就能发现大陆的年龄。中国最早的石头是38亿年;世界上最早的石头来自澳大利亚的杰克山,那边的石头里有一种矿物叫做锆石,可以用它来做同位素研究,进而确定它的年龄。

  它的年龄是多少呢?44亿年,因此大陆形成了44亿年,因为这时才形成规模的大陆壳。地球的年龄还需要向前推一两亿年,46亿年就是我们现在所知道的地球年龄。

  那么接下来有一个新问题:大陆是这时候形成的,大洋是什么时候形成的?答案是不知道。因为现在的科学还没有足够的证据证明是先有陆还是先有洋。

▲岩浆洋阶段,44亿年前?

  如果先有洋,我们假设一个硅酸盐的洋,就像图中的红色“大洋”,其中二氧化硅占比大概有40%-52%。这个洋如果可以在上面分异出一个陆壳,下面分异成地幔,就可以解释陆壳的成因。但是这个模式在地球上不行,对月球倒可以用。因为月球上面的陆壳是斜长岩壳,而地球大陆是花岗岩壳,所以行不通。

  假设先有洋壳,通过洋壳俯冲到一定深度时再部分熔融,熔出来的部分变成陆壳。部分熔融的意思就是熔化一部分,容易熔的熔化了,不容易熔的没熔化。但这也遇到很大困难,计算模式存在问题。

  所以到目前为止,大陆究竟如何形成还是一个谜,有待于继续解答。其实有很多假说和证据,我没有时间给大家展开,它们也都发表在世界顶级的杂志上。

  其实,除了44亿年以来的大陆,46亿年以来的地球每一个阶段都有很多谜。

▲地质年表

  现在我们通过地质年表来了解地球基本历史:45.6亿-38亿年前这段叫冥古宙,38亿-25亿前是太古宙,25亿-5.45亿前叫元古宙,从5.45亿前到现在叫显生宙。每一个阶段、每一个事件都有科学家在研究、在追踪。

  显生宙阶段可以用化石记录地层了,这是我们看到的地质时代分布,从三叶虫一直到恐龙灭绝。

  地球从陆核到大陆、从无板块构造到有板块构造、从无氧到现在有氧,将来还会怎么样?还会不会变成没氧?这都是人们要讨论的问题。所以我们讲整个地球的演化是从热到冷,什么时候地球完全凉了,地球就“死”了。地球特别热的时候没有生物,等到了合适的温度才开始有生物;等到再继续冷了又没有了。这就是地球的演化历史。

  地球的命运会是什么? 

  地球的演化历史引出地球的命运。地球是有生命的,它的命运是什么?我小时候听别人说,地球越来越热,在将来它会爆炸。现在我知道了,地球不是越来越热,而是越来越冷,地球的命运不是爆炸,是僵死。 

  讲地球命运的时候,我们要把地球放到宇宙、放到太阳系里。太阳系里有很多星球,太阳是恒星,还有很多行星,有些行星还有自己的卫星,比如地球的卫星就是月亮。

  什么叫行星呢?行星是可以运动、围绕恒星转动的星球,我们又可以把它们分为类地行星和类木行星两类。类地行星与地球大同小异,比如它也有可能有核、幔还有外面的壳,成分以硅酸盐为主。类木行星则是一种气体大行星,木星、土星就是典型的类木行星。

  八大行星中水星、金星、地球、火星是类地行星,在这里我也把月球当成行星介绍。我们研究最多的就是月球,因为它是地球的卫星,离地球最近,并且跟地球很相像。我们了解行星也好、了解卫星也好,都是为了更好地认识地球,研究地球怎样演化,预测地球将来变成什么样,这是人类非常重要的任务。 

  先不说地球对于人类生存多么重要,光说一个人在地球上生活,不知道地球什么样、不知道地球多大年龄、不知道地球的结构,那在地球上生活得太迷茫了。所以我们要了解星球、了解行星、了解地球。

▲火星(Mars)

  火星距太阳比较近,是第7大行星。火星是目前人类比较关注的星球,它上面也有气体,但是气体非常稀薄,只有地球的1%。它看起来很温柔、颜色很淡,是因为能量少、光线少。火星非常干燥,还非常寒冷,平均表面温度只有零下63度。不管是水、二氧化碳还是其他气体,它们到了火星上都会变成固体,因此火星上不可能有比较高等的生命。我看到有的文章说:我们好好研究火星吧,将来地球不能生存了,我们就坐上火箭,大家都到火星上去生活。这个故事愚人节可以讲,毕竟火星早就比地球更不能生存了。

▲ 金星(Venus)

  金星是离地球最近的行星,大家都很喜欢它,西方人管它叫维纳斯女神,中国人管它叫太白星。金星的亮度仅次于月球,在黎明前出现在东方天空,被称为“启明”;黄昏后出现在西方天空,被称为“长庚”。它的能量非常多,温度很高,地表温度最高能达到480多度。不要说高等生命了,什么生命在这样的高温下都不可能生存。所以金星是一个炽热的琢磨不透的星球,同时它外表面都是硫酸云。

▲ 月亮—地球的老照片

  我们最喜欢看、了解最多的是月球。月球完全没有能量,月光全部来自太阳。月球亮的时候很漂亮,但它只是一个“僵尸”。

▲ 地-月撞击说

  月球是怎么形成的呢?有一个理论叫地-月撞击说:在地质历史上有一天,一个火星大小的物体撞击地球,撞完了以后它们的物质弥漫在太空里部分相连,你中有我、我中有你,后来最终又分开了,由此产生月球。这个学说至今还占据主流。

  我们为什么研究月球?它能不能给地球的演化提供信息?虽然现在月球“死”了,但它相当于地球的一张老照片。

  月球也是分层的,有月幔、月核、月壳,但是跟地球有很大差别。它不是洋-陆构造,而是撞击坑构造,我们看到的黑圈就是撞击形成的。白色部分是月球的“陆地”,叫斜长岩高地;黑色部分就是“洋”,是陨石撞下来后月幔熔融、岩浆喷发形成的海。

▲ 月球表面撞击过程:月球表层的陨石撞击

  很多撞击都发生在四十几亿年前,那时月球表面炙热,撞出的坑都是红色的,再逐渐地冷却成现在的样子。现在陨石还在不断地撞击,月球有生命的时候会撞击出海,没有生命后就只有撞击坑,也就是我们看到的月球的陨石坑。

▲ 月球最古老岩石

  那么月球的年龄有多少?它的斜长岩陆壳年龄是44亿年,与地球上最老的花岗岩一样。

▲ 月球岩石样品

  月球的岩石样品跟地球的岩石样品是有差别的。除了斜长岩以外,它还有玄武岩。玄武岩比较常见,大家去五大连池、长白山都可以看到。但月球还有地球上无法见到克里普岩,它是一种含钾、稀土元素很高的岩石。另外,月球上没有地球上最主要的陆壳岩石类型——花岗岩。

  虽然月球跟地球有亲密的关系,但它们的演化历史很不相同。月球是撞击构造,没有海洋、大陆,自然也没有进入板块构造阶段。 

  我们看到一期又一期的陨石撞击月球,就是一期一期的月球演化。后期的撞击坑覆盖了前面的,科学家对它们进行探索,通过最年轻的月海计算出月球何时“死亡”。

  中国的嫦娥五号就取了月壤样品,算出它的年龄是20亿年前。过去认为大概31亿年前月球就死了,那么这次年龄定下来,可能到20亿年的时候才死。月球“死亡”是什么概念?即没有生命、没有能量、没有地震、没有岩浆,什么活动都没有了。

  接下来来看行星“由生到死”的历程,这里我把月球也当成一个行星。月球长的太“着急”,由于内部的能量消耗殆尽,20亿年前就完全死掉了。

  下面是火星行将入木,颜色暗淡,已经没有大气和水。

  地球处于壮年期,有水有氧气,生气勃勃。它还有多长时间才会到达月球的状态呢?大约45亿年。像这样一个由生到死的历程就是地球的宿命。 

  再往后看金星,我们可以说金星是一个“灾变星球”。它很年轻,现在还很热,将来可能慢慢变凉,变成另一个地球。但也有一种说法,金星在8亿年前曾经历了一个灾变事件,原有的大气和海洋都逃逸了。所以我们研究金星有两个方向:看金星可不可能继续演化,变得越来越凉、越来越适合生存;如果是灾变的,那如何看待灾变事件的发生?这对我们预警地球提供一些新的根据和资料。

  地球会永远宜居吗? 

  地球是太阳系中最幸运的行星,具备“四个唯一”:唯一有宏观水和氧气的星球,供万物生长;唯一充分演化到现在状态的星球;唯一有生命、有林草树木的星球,同时它是唯一有可以驾驭世界的高等动物——人类的星球。 

  地球早期没有氧,那么什么时候产生的氧?早期没有水,哪儿来的水?这是地球科学需要认真研究的。

▲ 地球历史上两次大氧化事件

  目前人们认识到地球有两次大的氧化事件,一个是GOE(古元古代氧化事件),发生在大概到23.5亿-22亿年前;还一个叫NOE(新元古代氧化事件),发生在6亿-7亿年前。这两次大氧化事件使地球上的氧发展到现在的水平。

▲ 历史上的地球大变脸

  氧是从何而来的?它怎么会突然升高?有很多假设,其中有一个叫雪球假设。7亿年前地球叫雪球地球(Snowball Earth),从赤道到两极都是冰雪覆盖,后来二氧化碳发生变化,冰融化导致了氧气的出现。

▲右图蓝色阶段为雪球地球时期

  这种灾变为地球带来幸运,5亿多年前出现了寒武纪生命大爆发,逐步演化为现在地球的繁荣。再早些时候,第一次大氧化事件导致真核生物的诞生。

  这是个地球的演化的过程,氧首先是地球自己演化的。深层的演化关系:从核到幔逐渐把带有氢氧的物质弄到地球表层上来。也有可能是灾变,如其他星球撞击造成水和氧。原因应该不是单一的,得有不同的来源:比如像氮气,深部怎么能分解出这么大的量?现在还不能完全把它算出来,算来算去加起来以后这个数量总是不对,可能还有这样那样的问题,就是它们得有不同的来源,有深部的,还得有天体碰撞的。

  地球历史上两大氧化事件给地球带来了现今的繁荣,氧气浓度的变化造成了动物的进化。动物不断地出现,从最早的微生物一直到高级生命,这是不是永远恒定地演化?每天都是这样演化过来的?不是,是跳跃式的发展。在有了比较高级的生命之后,还会发生氧的突然降低与升高,地球历史上多次生命大灭绝都与此相关,如恐龙大灭绝。

▲氧气浓度变化与物种灭绝

  高等生物大灭绝是因为地球环境的变化,地球环境的变化也是地球演化的一种表现。变化的原因可以是像火星或者其他星球一样,受到太阳系中的一些变化的影响;另外还有地球自己本身的结构、岩浆构造活动的变化都可以造成。

▲水的来源及演化

  那水是怎么来的呢?在44亿年前的锆石里就发现了水的作用,但是不是宏观水还不知道。右下图能看见厚厚的岩层,它们都是水里沉下来的岩石,所以那时是有宏观水的,39亿年前就有宏观水。我们仍然要研究宏观水,研究地球的演化规律:构造的演化、矿物的演化以及生物的演化,演化是地球重要的科学前沿。

 

▲ 矿物与微生物随时代的演化

  地球的演化像其他类地行星一样,遵循着客观的演化规律:地球内能的消耗规律,还受到太阳系运动的影响。人不能从根本上来改变这个演化进程。地球本身也遵循着从不宜居到宜居、再到不宜居的演化模式。太阳系中没有比地球更宜居或者今后更宜居的星球。在46亿岁地球演化的长河中,显生宙只有5亿多年,而约5万年前才出现晚期智人。人类有足够的时间了解地球,继续探索、掌握更多的科学知识。

  我们的神圣责任与使命

  了解地球如何演变之后,我们有哪些神圣的责任和使命?

  人类向地球的索取与消耗带来了三大问题:人的生存环境、人类的资源问题、地质灾害和人为灾害。这就形成了一门新的科学——人地关系学。

  首先要认识地球客观的规律,其次遵循地球客观的规律,最后在遵循客观规律的基础上合理利用地球资源,在人类可能的范围内保护地球的表层环境。 

  人在地球上生活,生存和发展都离不开地球资源,这条无法改变。人类历史经历了石器时代、青铜器时代、铁器时代,再发展到能源时代和电子时代,没有自然寸步难行。

  人类活动对地球环境总有影响。比如人类活动的耗氧过程就是一个例子,要是耗氧过多,空气就不新鲜了,你就不舒服了。

  所以地球人的使命和责任就是:认识地球的演化规律,特别是未来的规律,未来地质学一定会是自然科学的王冠;然后我们要合理地利用地球资源;要合理科学地保护地球的环境;我们还要坚持和平共存的国际发展理念。 

  我在这呼吁大家热爱科学、崇尚科学、学习科学、从事科学。科学就是接近客观事物认识的学问,真正了解世界必须掌握真理,违背真理就什么事做不了。

  最后用恩格斯《反杜林论》中的一句话作为结尾:地质学按其性质来说,主要是研究那些不但我们没有经历、而且任何人都没有经历过的过程,所以要挖掘最后的、终极的真理,就要费很大力气。

  地球科学非常重要,恩格斯说地球科学是终极之理。我希望大家都能学好地球科学知识,为我们共同的家园地球尽一份责任。

  谢谢大家!

 
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