發(fā)布時(shí)間：2016-05-27 22:01

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    岡瓦那大陸2億年前裂解

    

    唐春安

 

    地球演化究竟是怎樣進(jìn)行的？全球變暖的主要?jiǎng)右蚴侨藶橐蛩剡�是自然變化？這些都是目前科學(xué)界熱衷討論的前沿問(wèn)題。隨著聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)召開(kāi)的臨近，這些問(wèn)題也更加受人關(guān)注。實(shí)際上，人類(lèi)進(jìn)化歷程中的每一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，都可以看到全球氣候變化的影響。(參閱今日20版《氣候變化影響文明盛衰？》)

 

    近年來(lái)，大連理工大學(xué)唐春安教授提出了一個(gè)全新的地球演化與全球變暖假說(shuō)——“地球大龜裂”，也稱“鍋蓋理論”，引起了很多人的關(guān)注。雖然這是個(gè)假說(shuō)，有些看法還和主流觀點(diǎn)相悖，但科學(xué)正是通過(guò)大膽猜想和探索而不斷前進(jìn)的�，F(xiàn)特邀唐春安先生就這個(gè)假說(shuō)，向讀者做一個(gè)簡(jiǎn)明通俗的解讀。

 

    板塊構(gòu)造假說(shuō)已經(jīng)提出五六十年，并被地球科學(xué)界基本不加懷疑地接受。但是，板塊構(gòu)造假說(shuō)并不是一個(gè)有關(guān)地球演化歷史全周期的理論。它所描述的板塊，只是魏格納大陸漂移后形成的格局，只有近2億年的歷史。在太古代地球演化的早期，地球處于液態(tài)演化階段，沒(méi)有巖石圈。當(dāng)時(shí)的地球表面只有可以隨意流淌的熔巖。沒(méi)有大陸，沒(méi)有海洋，沒(méi)有生命。地球演化過(guò)程不僅涉及板塊形成、漂移和俯沖，還涉及地殼形成、海洋誕生、火山與溢流事件、生物演化與滅絕、雪球事件與冰河期及全球變暖等諸多重大地質(zhì)事件。地球?yàn)槭裁磿r(shí)而冷若冰霜、時(shí)而熱如煉獄？它們之間究竟有沒(méi)有內(nèi)在聯(lián)系？板塊構(gòu)造理論并不能很好地回答。

 

    地球演化過(guò)程中的溫度周期變化示意圖

 

     地球形成固態(tài)地殼 好比火鍋被蓋上了鍋蓋

 

    對(duì)于地球系統(tǒng)的演化而言，由于地球系統(tǒng)屬于內(nèi)能外泄型的巨型宏觀開(kāi)放系統(tǒng)(以地球形成初期原有的熱能和半衰期可達(dá)數(shù)十億年的放射性元素衰變熱為主，伴隨有太陽(yáng)能的輸入和地球輻射熱的輸出)，任何地質(zhì)作用過(guò)程都是地球內(nèi)能耗散的過(guò)程(即熵增加)。

 

    地球從形成初期的熔融液態(tài)演化到具有巖石圈的固態(tài)地球，其中最重要的標(biāo)志，就是地球的液態(tài)表面因冷卻發(fā)生相變，形成了固態(tài)地殼。這一過(guò)程好比逐漸變冷的火鍋被蓋上了鍋蓋。鍋蓋效應(yīng)，導(dǎo)致地球像高壓鍋反復(fù)噴氣一樣(即鍋內(nèi)溫度、壓力會(huì)周期波動(dòng))產(chǎn)生溫度的周期性變化。地球誕生、成長(zhǎng)和消亡的全生命周期中，地殼的形成、裂解、聚合，曾多次像鍋蓋一樣封閉地球。這種巖石圈封閉地球的作用必然引起地球內(nèi)部升溫，從而產(chǎn)生高溫、高壓的積累。經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)地質(zhì)年代的間歇期，以地球內(nèi)部放射性衰變?yōu)橹鞯臒岱e累，必然造成巖石圈的逐漸膨脹，從而引起地殼應(yīng)力增加，直至地殼破裂，造成地球內(nèi)部的熔巖災(zāi)難性地爆發(fā)，并以猛烈的形式向太空釋放熱量，成為地球變冷的本質(zhì)原因之一。

 

    泥團(tuán)干裂

 

      只要地球不斷膨脹 就逃脫不了以龜裂形式脹裂

 

    龜裂現(xiàn)象隨處可見(jiàn)。池塘干裂、陶瓷冷縮等等，都會(huì)因?yàn)楸砻鎸赢a(chǎn)生拉應(yīng)力而形成龜裂。龜裂也會(huì)在不同尺度上發(fā)生。如6億年前的細(xì)胞分裂、孩童玩耍的泥團(tuán)，甚至地球表面的洋中脊裂谷系。

 

    龜裂是一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)以能量最小、路徑最短原理形成多邊形裂紋的臨界自組織現(xiàn)象。球殼破裂行為的研究，可能對(duì)于解釋板塊構(gòu)造和大陸裂解有重要的指導(dǎo)意義。當(dāng)人們重構(gòu)岡瓦那大陸在2億年前裂解初期的塊體邊界分布時(shí)，發(fā)現(xiàn)由2萬(wàn)多公里長(zhǎng)的裂縫所組成的多邊形塊體令人稱奇的規(guī)則。不僅如此，當(dāng)分析勞倫古陸從勞亞古大陸分裂的情況時(shí)，人們也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的“幾何多邊形”現(xiàn)象。

 

    運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法，可以模擬球殼在內(nèi)部溫度上升過(guò)程中膨脹并產(chǎn)生表面龜裂的現(xiàn)象。根據(jù)模擬結(jié)果可以推測(cè)，地殼在溫度膨脹(特別是熔融擴(kuò)容)作用下的力學(xué)狀態(tài)，，完全能夠滿足產(chǎn)生地殼龜裂的力學(xué)要求。只要有關(guān)地球內(nèi)部放射性衰變產(chǎn)熱的假說(shuō)成立，地球在內(nèi)部溫度作用下膨脹的事實(shí)就不可否認(rèn)。那么，只要地球不斷膨脹，就終將逃脫不了以龜裂形式脹裂的命運(yùn)。這一發(fā)現(xiàn)的重要科學(xué)價(jià)值在于，它為地球演化歷史中可能出現(xiàn)全球尺度或超大陸尺度的地殼裂解找到了一種理論解釋，從而可能為全球尺度的冰期、地球變暖乃至生物大滅絕等災(zāi)害事件，提供了一種新的驅(qū)動(dòng)機(jī)制解。

 

     地球破裂造成的熱平衡波動(dòng) 致冰河期形成

 

    根據(jù)地球大龜裂假說(shuō)，可以發(fā)現(xiàn)地球大破裂具有兩種制冷效應(yīng)。第一種是大龜裂誘發(fā)大規(guī)�；鹕絿姲l(fā)或玄武巖溢流，從而造成大量釋放熱量。根據(jù)能量守恒原理，地球內(nèi)部逐漸積累的熱量不能補(bǔ)充因地殼快速破裂而損失的熱能，地殼變冷勢(shì)在必然。第二種制冷機(jī)制，涉及大龜裂造成地殼底部大規(guī)模降壓。這種大規(guī)模降壓可能產(chǎn)生大規(guī)模降壓熔融。而熔融是一個(gè)吸熱過(guò)程，降壓熔融過(guò)程中的吸熱，必然導(dǎo)致周?chē)貧そ禍亍＝禍氐母叩�，則與地殼破裂的程度有關(guān)。

 

    因此，根據(jù)地球大龜裂假說(shuō)，冰河期的形成可能與地球自身破裂所造成的熱平衡的波動(dòng)有關(guān)，是地球大龜裂的必然結(jié)果。資料表明，新元古代冰期就是發(fā)生在羅迪尼亞超大陸裂解之時(shí)或之后。有學(xué)者認(rèn)為超大陸裂解是形成這次冰期的直接原因之一。

 

     生物大滅絕事件 可能與地球大龜裂有關(guān)

 

    對(duì)于地質(zhì)歷史上出現(xiàn)的多次大規(guī)模滅絕事件的原因，學(xué)界一直眾說(shuō)紛紜。其中一次最著名的滅絕事件導(dǎo)致了恐龍的消亡。較為主流的觀點(diǎn)認(rèn)為，大約6500萬(wàn)年前一顆小行星撞擊了地球，導(dǎo)致了這場(chǎng)浩劫。但是波士頓大學(xué)的馬修·杰克森和他的同事們提出了另一種觀點(diǎn)，他們認(rèn)為當(dāng)時(shí)大量的巖漿通過(guò)裂隙噴出地表，從而抹去了地球上無(wú)數(shù)的生命。如印度的德干玄武巖區(qū)形成的時(shí)間，恰好與恐龍滅絕的時(shí)間相符。地球大龜裂造成地球演化過(guò)程中的熱-冷轉(zhuǎn)換，必然間歇性地打斷生物演化的進(jìn)程，造成可能的全球性生命浩劫。

 

    越來(lái)越多的證據(jù)表明，地質(zhì)歷史上出現(xiàn)的許多大滅絕，似乎都和規(guī)模巨大的巖漿噴發(fā)活動(dòng)同時(shí)出現(xiàn)。大約2.5億年前，地球上海洋生命的95%、陸地生命的70%慘遭厄運(yùn)，科學(xué)界稱之為“二疊紀(jì)末大滅絕”。有關(guān)這次滅絕的原因，我國(guó)學(xué)者金玉玕等早在2000年就在《科學(xué)》雜志撰文，認(rèn)為大規(guī)模巖漿噴涌活動(dòng)是這次大滅絕的元兇。他們發(fā)現(xiàn)，大滅絕在不到50萬(wàn)年的時(shí)間里發(fā)生，并與西伯利亞玄武巖溢流事件的時(shí)間吻合。加拿大卡爾加里大學(xué)研究人員的研究成果也再次證實(shí)了這個(gè)答案。他們認(rèn)為，造成二疊紀(jì)末大滅絕的原因，就是大規(guī)模的火山爆發(fā)導(dǎo)致海量的碳燃燒，由此產(chǎn)生的有毒煙霧云對(duì)全球陸地和海洋產(chǎn)生了巨大而廣泛的影響。

 

    如果地球大龜裂假說(shuō)所推論的溫度周期模型正確，那么，不僅可以容易地推定生物滅絕事件與地球大龜裂造成的巖漿活動(dòng)有關(guān)，而且可以推定，在生物的演化進(jìn)程與溫度周期之間，也應(yīng)該存在密切的聯(lián)系，這為從地球熱周期活動(dòng)出發(fā)研究生物進(jìn)化與滅絕的規(guī)律提供了新的思路。

 

    大陸漂移與停滯 應(yīng)該與溫度周期相關(guān)

 

    地質(zhì)學(xué)家張祖還先生早就計(jì)算過(guò)，如果沒(méi)有其他放熱機(jī)制干預(yù)，只要經(jīng)過(guò)幾億年的積累，地球內(nèi)部的放射性衰變熱就可使整個(gè)地殼達(dá)到熔化程度。因此，即使通過(guò)地球破裂可以釋放熱量，但在地球出現(xiàn)極端高溫時(shí)，部分薄殼發(fā)生熔融是可能的。

 

    斷定14億至13億年及2億年左右，地球曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)薄殼熔融是地球大龜裂模型中的一個(gè)大膽推測(cè)，并認(rèn)為這是大陸可以產(chǎn)生漂移的基本前提。盡管目前還難以找到令人信服的證據(jù)來(lái)證明這一點(diǎn)，但通過(guò)對(duì)地球演化過(guò)程中地層鋯含量分布的分析，對(duì)于14億到13億年間和2億年左右地層鋯石含量分布極少的事實(shí)，只有大膽地假設(shè)地球一定處在罕見(jiàn)的極端高溫時(shí)期，才能更好地理解。這兩個(gè)“罕見(jiàn)的極端高溫”階段，很可能出現(xiàn)過(guò)部分薄殼熔融。如果這個(gè)命題成立，那么，魏格納的大陸漂移問(wèn)題就迎刃而解了。

 

    根據(jù)地球大龜裂模型中的溫度周期假設(shè)，既然地球進(jìn)入高溫期可能出現(xiàn)局部熔融，進(jìn)入寒冷期則會(huì)出現(xiàn)再次凝固。那么，大陸漂移的速度應(yīng)該與溫度周期相關(guān)。當(dāng)?shù)厍蜻M(jìn)入高溫期時(shí)，巖熔活動(dòng)活躍，大陸可以裂解、漂移。而當(dāng)?shù)厍蜻M(jìn)入寒冷期時(shí)，巖熔活動(dòng)停滯，大陸的漂移也可能出現(xiàn)停滯。這一推斷與美國(guó)華盛頓哥倫比亞特區(qū)卡內(nèi)基研究所的兩名研究人員西爾韋和貝恩在《科學(xué)》雜志報(bào)告的成果是一致的。他們經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，大陸并不是一直在運(yùn)動(dòng)，板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)曾有過(guò)全部停止的時(shí)刻。他們通過(guò)調(diào)查鈮、釷和氦的兩種同位素在古巖石中的分布情況，這些元素都是地球內(nèi)部溫度隨著時(shí)間流逝而逐漸冷卻的可靠指標(biāo)。這一冷卻過(guò)程很可能意味著板塊構(gòu)造活動(dòng)的相應(yīng)減緩或停止。

 

    特別觀點(diǎn)

    

    地球變暖或并非二氧化碳所致

 

    近年來(lái)，許多氣候?qū)W家都將大氣變暖的原因，歸咎于人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的二氧化碳等溫室氣體。然而，縱觀地球演化的歷史，曾多次出現(xiàn)與地球高溫周期相對(duì)應(yīng)的碳循環(huán)，因果并未定論，至少不是人類(lèi)活動(dòng)所致。

 

    資料表明，造成氣候變暖的溫室氣體效應(yīng)中，二氧化碳的比例只占0.117%，而水蒸氣的比例則高達(dá)95%，是二氧化碳的800多倍。因此，有人認(rèn)為，綜合考慮水蒸氣凝結(jié)相變輻射和大氣中水蒸氣的熱容量，二氧化碳的大氣溫室效應(yīng)完全可以忽略不計(jì)。基于這一分析，我們完全有理由懷疑全球氣候變暖的原因是人為二氧化碳排放的增大所致。

 

    如果上述結(jié)論正確，那么全球變暖一定另有原因。根據(jù)北京石花洞石筍重建的溫度記錄，在兩漢、隋-盛唐、宋-元和現(xiàn)代幾個(gè)溫暖時(shí)期，特別是從15世紀(jì)小冰期以來(lái)，北京地區(qū)溫度就一直波動(dòng)上升�！犊茖W(xué)》雜志發(fā)表的全球多個(gè)采樣點(diǎn)500年來(lái)全球溫度變化的樣品分析數(shù)據(jù)也表明，早在工業(yè)革命以前，全球氣溫就已經(jīng)從小冰期返回并不斷上升，說(shuō)明除了工業(yè)“溫室效應(yīng)”這個(gè)原因之外，更為重要的原因則是自然背景的地球內(nèi)部的熱量積累。這種地球內(nèi)部的熱量積累，波及到地表，就是人們所感受到的全球氣候變暖。

 

    地球內(nèi)部變暖誘發(fā)冰蓋底部融化現(xiàn)象，可能說(shuō)明南極冰蓋融化是地球變暖而非氣候變暖的重要證據(jù)。在南極大陸厚達(dá)數(shù)千米的冰層覆蓋之下，目前已經(jīng)探明至少有200多個(gè)地下淡水湖泊，包括最近俄羅斯科學(xué)家在南極鉆探發(fā)現(xiàn)的世界第三大淡水湖——東方湖。這些千米冰蓋之下的淡水湖，可能是地球內(nèi)部變暖的重要證據(jù)，即冰川的消融首先從接觸地面的冰蓋底部開(kāi)始，因?yàn)閬?lái)自地球深處的增溫，首先是通過(guò)地層與冰蓋的接觸面進(jìn)入冰蓋的。

 

    事實(shí)上，地質(zhì)科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，南極西部冰原不僅處在一個(gè)火山活動(dòng)帶，而且在南極西部冰蓋下，存在著一個(gè)比美國(guó)科羅拉多大峽谷更長(zhǎng)、更深的巨型峽谷。正是這條大峽谷，將地殼中的熱量源源輸送到冰蓋底部，造成冰蓋底部融化。這可能是南極西部冰原融化的最主要原因。

 

    格林蘭冰原因巖石圈變薄而引起冰蓋底部融化并向海洋注水的例子，也可以成為地球內(nèi)部變暖的證據(jù)。

 

    (如詳細(xì)了解地球大龜裂理論，可參見(jiàn)《前沿科學(xué)》2015年第二期《地球大龜裂：地球演化動(dòng)力學(xué)新思考》一文)

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