地球大龟裂假说的多学科检验

                           杨学祥， 杨冬红（吉林大学）

       关键提示： 近年来，大连理工大学唐春安教授提出了一个全新的地球演化与全球变暖假说——“地球大龟裂”，也称“锅盖理论”，引起了很多人的关注。

       一个正确的地球演化学说必须符合地球的演化历史，这是我们辨别真伪的出发点。

      气候冷暖变化的历史检验

      火山喷发历史的检验

      地球自转速度变化的历史检验

      综合数据检验

地球自转在4亿年中除了有逐渐减少的长期趋势变化外，还有叠加在其上的周期变化。当月球离地球很近时，朔望月天数将会变化得很快^[16]。任振球认为，古地球自转可能存在间隔2亿多年的准周期，其原因可能与小行星或彗星撞击地球等因素有关，图1 给出了朔望月天数变化所表示的地球自转速度变化曲线^[17]。从图1中可以看出，1.4亿年中生代，地球自转速度处于高峰；2.3亿年前二叠纪，地球自转速度处于低谷。

Whyte指出，在过去4.5亿年中地球旋转速率、地磁轴视极移、洋脊的活动、海平面和气候变化有伴随出现的现象。地球旋转加速时期主要对应了正极性时期，而旋转减慢时期主要对应了负极性时期，前者如志留纪至早泥盆纪和中生代，这阶段由于地球旋转速度加快，使地磁极具正极性、洋脊活动增强、全球性海侵和古气候变暖。自晚泥盆纪至二叠纪和新生代，是地球旋转速度减慢时期，表现为负极性为主、洋脊活动减弱、全球性海退、气候剧烈变化和出现大冰期。这些资料表明，在几亿年时间尺度上，各种地质旋回有一定程度的相关性存在，与地球自转速度变化相对应^[18]。我们讨论了地球自转速度变化、构造运动、地磁极性倒转和灾害性气候相互对应的地球物理机制^{[1, 15, 19-21]}。

       根据“锅盖理论”，地球周期性地发生热胀冷缩作用。热胀时期，大洋地壳开裂，火山喷发，气温升高，地球体积增大，转动惯量变大，自转变慢；冷缩时期，大陆地壳收缩成山脉，气候变冷，地球体积变小，转动惯量变小，自转变快。这与地球演化史正好相反。

      有人认为，重力作用使一个密度均匀的地球通过重力分异，变为重物质向地心集中的分层地球，由于转动惯量变小，地球自转应该变快。事实也并非如此。

      这些矛盾都可以通过圈层差异旋转理论来解释。因此，地球各圈层差异旋转理论可以使“锅盖理论”更加完善。

图1  近5亿年来朔望月天数的变化[据任振球, 1990 ^[17]]

地球的重力分异产生地球各圈层的分化和差异旋转，使地壳自转减慢；圈层角动量交换将动能变为热能，使地壳自转加快，这两个过程多次反复，可形成地球自转速度的较长周期变化。能够验证这一变化周期的最有力证据是气候变暖、火山喷发和热幔柱活动的高潮时期与地球自转加快时期相对应，这是圈层角动量交换将动能变为热能积累在核幔边界并释放的结果。

比较图1和图2，其形状的相似性表明地球自转与火山活动的相关性：自转加速对应火山活动高峰，自转减速对应火山活动低谷。白垩纪后地球自转速度的急剧变化在火山活动曲线上没有表现，其原因可能与地核重力分异、小行星或彗星撞击地球等突发因素有关。

图2  北美火山活动曲线[据 Engel and Engel, 1964^[23]]

由于内核相对地壳地幔的差异旋转，核幔角动量交换使部分旋转动能转变为热能积累在核幔边界（赤道处的核幔速度差最大，积累的热能最多）。超级热幔柱在海底赤道区喷发，加热了底层海水，并引发赤道和两极之间的海洋整体热循环，降低了赤道和两极大气的温差，使两极的海温和气温逐渐上升到冰点以上，形成中生代全球无冰温暖气候。有证据表明，随着热幔柱喷发强度的减弱，近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15℃，大气冷却了10~15℃。海底火山活动引发的深海热对流在全球气候变化中的作用不容忽视。表5给出了这种地质旋回与地球自转周期的相关关系，热幔柱强烈喷发导致大量生物灭绝^[24]。

表1  地球自转周期与地质旋回

现代火山活动有明显致冷的记录。短周期的对应关系是：小冰期对应强火山活动，小气候最适期对应弱火山活动。但是，火山长周期的对应关系却是：火山活动峰值与全球无冰期对应，而谷值与大冰期对应^{[14, 42]}。

据Coffin和Eldholm（1993）海洋考察结果，巨大火成区所显示的大陆溢流玄武岩和大洋溢流玄武岩的喷发强度与全球高温和大气CO₂高浓度对应（见图3-5）^[43]。

图3 全球巨大火成区

图4  1.5亿年以来海平面变化、全球气温变化、黑色岩、大规模生物灭绝

图5 1.2亿年以来热幔柱喷发的规模比较：规模变小与气温变冷对应 

120Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台，其释放的热量为6×10²⁶J，海洋的质量为1.45×10²⁴g，可使全球海水温度增高33℃，平均每万年海温升高0.1℃^[42]。有证据表明，在古新世末不到6000年的时间内大洋底层水增温4⁰C以上^[33]。海底火山活动引发的海温增高和CO₂排放在全球气候变化中的作用不容忽视，这是白垩纪强烈火山活动、大气中高浓度CO₂和异常高温一一对应的原因。最近发现在15~20Ma前南极的夏季温度要比现在高出大约11℃，最高可以达到大约7℃。这一南极地区的“绿化”过程最高峰大致出现在中新世中期，距今大约16.4~15.7Ma。中新世中期的温暖环境被认为应当对应于400~600ppm的大气二氧化碳浓度^[44]。15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩喷发是大气CO₂浓度增加的原因（见图2）。

1000km³熔岩要释放1.6×10¹³ kg的CO₂，3×10¹²kg的硫和3×10¹⁰kg的卤素。一个巨大火成区的累积过程要发生上千次这样的喷发，它使现代人类造成的污染物产生的影响相形见绌^[42]。120Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台的体积为36×10⁶km³，15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩体积为1.3×10⁶km³，释放的CO₂分别为5.8×10¹⁷ kg和2.1×10¹⁶ kg。

Engel and Engel给出了北美火山喷发曲线^[45]，Larson给出了1.5亿年以来全球地磁、洋壳产量、古温度、古海平面、黑色页岩的异常变化^[46]，与图3-5的变化趋势基本一致。

根据地质和气象等综合数据，表6给出地球自转周期、地质旋回、气候变化和地磁变化的对应规律，与图1和图2的地球自转变化曲线和火山活动变化曲线相对应。特别值得指出的是，地壳相对地核自转减慢对应地磁反向，地壳相对地核自转加快对应地磁正向，这一现象的发现为地球各圈层差异旋转影响地磁反向提供了证据。

理论模型研究和实际测量表明，地球内核自转较快，地壳和地幔自转较慢，形成地球内外圈层的差异旋转，核幔边界不仅是热交换边界，而且是圈层角动量交换的边界。圈层角动量使地壳和地幔自转变快，内核自转变慢，部分动能转化为热能积累在核幔边界。这是地球自转加速对应大规模热幔柱喷发的原因^[11-15]。

表2  地球自转周期、地质旋回和地磁极性倒转^{[1, 2, 16, 21]}

参考文献

杨冬红, 杨学祥. 地球自转速度变化规律的研究和计算模型. 地球物理学进展, 2013，28（1）：58-70。

杨冬红，杨学祥. 全球气候变化的成因初探. 地球物理学进展. 2013, 28(4): 1666-1677.

杨冬红, 杨学祥.灾害频发和地磁减弱的关系. 世界地质,2011, 30(3): 474~480

杨学祥。火山作用的双重性：短期致冷和长期致热。2010-1-31 06:19。科学网。http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-291543.html

相关报道

一个大胆假说：地球大龟裂 

2015-11-18 09:17 

地球演化过程中的温度周期变化示意图

唐春安

    地球演化究竟是怎样进行的？全球变暖的主要动因是人为因素还是自然变化？这些都是目前科学界热衷讨论的前沿问题。随着联合国气候变化大会召开的临近，这些问题也更加受人关注。实际上，人类进化历程中的每一个关键时期，都可以看到全球气候变化的影响。（参阅今日20版《气候变化影响文明盛衰？》）

    近年来，大连理工大学唐春安教授提出了一个全新的地球演化与全球变暖假说——“地球大龟裂”，也称“锅盖理论”，引起了很多人的关注。虽然这是个假说，有些看法还和主流观点相悖，但科学正是通过大胆猜想和探索而不断前进的。现特邀唐春安先生就这个假说，向读者做一个简明通俗的解读。

    板块构造假说已经提出五六十年，并被地球科学界基本不加怀疑地接受。但是，板块构造假说并不是一个有关地球演化历史全周期的理论。它所描述的板块，只是魏格纳大陆漂移后形成的格局，只有近2亿年的历史。在太古代地球演化的早期，地球处于液态演化阶段，没有岩石圈。当时的地球表面只有可以随意流淌的熔岩。没有大陆，没有海洋，没有生命。地球演化过程不仅涉及板块形成、漂移和俯冲，还涉及地壳形成、海洋诞生、火山与溢流事件、生物演化与灭绝、雪球事件与冰河期及全球变暖等诸多重大地质事件。地球为什么时而冷若冰霜、时而热如炼狱？它们之间究竟有没有内在联系？板块构造理论并不能很好地回答。

    地球形成固态地壳 好比火锅被盖上了锅盖

    对于地球系统的演化而言，由于地球系统属于内能外泄型的巨型宏观开放系统（以地球形成初期原有的热能和半衰期可达数十亿年的放射性元素衰变热为主，伴随有太阳能的输入和地球辐射热的输出），任何地质作用过程都是地球内能耗散的过程（即熵增加）。

    地球从形成初期的熔融液态演化到具有岩石圈的固态地球，其中最重要的标志，就是地球的液态表面因冷却发生相变，形成了固态地壳。这一过程好比逐渐变冷的火锅被盖上了锅盖。锅盖效应，导致地球像高压锅反复喷气一样（即锅内温度、压力会周期波动）产生温度的周期性变化。地球诞生、成长和消亡的全生命周期中，地壳的形成、裂解、聚合，曾多次像锅盖一样封闭地球。这种岩石圈封闭地球的作用必然引起地球内部升温，从而产生高温、高压的积累。经过漫长地质年代的间歇期，以地球内部放射性衰变为主的热积累，必然造成岩石圈的逐渐膨胀，从而引起地壳应力增加，直至地壳破裂，造成地球内部的熔岩灾难性地爆发，并以猛烈的形式向太空释放热量，成为地球变冷的本质原因之一。

    只要地球不断膨胀 就逃脱不了以龟裂形式胀裂

    龟裂现象随处可见。池塘干裂、陶瓷冷缩等等，都会因为表面层产生拉应力而形成龟裂。龟裂也会在不同尺度上发生。如6亿年前的细胞分裂、孩童玩耍的泥团，甚至地球表面的洋中脊裂谷系。

    龟裂是一个力学系统以能量最小、路径最短原理形成多边形裂纹的临界自组织现象。球壳破裂行为的研究，可能对于解释板块构造和大陆裂解有重要的指导意义。当人们重构冈瓦那大陆在2亿年前裂解初期的块体边界分布时，发现由2万多公里长的裂缝所组成的多边形块体令人称奇的规则。不仅如此，当分析劳伦古陆从劳亚古大陆分裂的情况时，人们也发现了类似的“几何多边形”现象。

    运用数值计算方法，可以模拟球壳在内部温度上升过程中膨胀并产生表面龟裂的现象。根据模拟结果可以推测，地壳在温度膨胀（特别是熔融扩容）作用下的力学状态，完全能够满足产生地壳龟裂的力学要求。只要有关地球内部放射性衰变产热的假说成立，地球在内部温度作用下膨胀的事实就不可否认。那么，只要地球不断膨胀，就终将逃脱不了以龟裂形式胀裂的命运。这一发现的重要科学价值在于，它为地球演化历史中可能出现全球尺度或超大陆尺度的地壳裂解找到了一种理论解释，从而可能为全球尺度的冰期、地球变暖乃至生物大灭绝等灾害事件，提供了一种新的驱动机制解。

    地球破裂造成的热平衡波动 致冰河期形成

    根据地球大龟裂假说，可以发现地球大破裂具有两种制冷效应。第一种是大龟裂诱发大规模火山喷发或玄武岩溢流，从而造成大量释放热量。根据能量守恒原理，地球内部逐渐积累的热量不能补充因地壳快速破裂而损失的热能，地壳变冷势在必然。第二种制冷机制，涉及大龟裂造成地壳底部大规模降压。这种大规模降压可能产生大规模降压熔融。而熔融是一个吸热过程，降压熔融过程中的吸热，必然导致周围地壳降温。降温的高低，则与地壳破裂的程度有关。

    因此，根据地球大龟裂假说，冰河期的形成可能与地球自身破裂所造成的热平衡的波动有关，是地球大龟裂的必然结果。资料表明，新元古代冰期就是发生在罗迪尼亚超大陆裂解之时或之后。有学者认为超大陆裂解是形成这次冰期的直接原因之一。

    生物大灭绝事件 可能与地球大龟裂有关

    对于地质历史上出现的多次大规模灭绝事件的原因，学界一直众说纷纭。其中一次最著名的灭绝事件导致了恐龙的消亡。较为主流的观点认为，大约6500万年前一颗小行星撞击了地球，导致了这场浩劫。但是波士顿大学的马修•杰克森和他的同事们提出了另一种观点，他们认为当时大量的岩浆通过裂隙喷出地表，从而抹去了地球上无数的生命。如印度的德干玄武岩区形成的时间，恰好与恐龙灭绝的时间相符。地球大龟裂造成地球演化过程中的热-冷转换，必然间歇性地打断生物演化的进程，造成可能的全球性生命浩劫。

    越来越多的证据表明，地质历史上出现的许多大灭绝，似乎都和规模巨大的岩浆喷发活动同时出现。大约2.5亿年前，地球上海洋生命的95%、陆地生命的70%惨遭厄运，科学界称之为“二叠纪末大灭绝”。有关这次灭绝的原因，我国学者金玉玕等早在2000年就在《科学》杂志撰文，认为大规模岩浆喷涌活动是这次大灭绝的元凶。他们发现，大灭绝在不到50万年的时间里发生，并与西伯利亚玄武岩溢流事件的时间吻合。加拿大卡尔加里大学研究人员的研究成果也再次证实了这个答案。他们认为，造成二叠纪末大灭绝的原因，就是大规模的火山爆发导致海量的碳燃烧，由此产生的有毒烟雾云对全球陆地和海洋产生了巨大而广泛的影响。

    如果地球大龟裂假说所推论的温度周期模型正确，那么，不仅可以容易地推定生物灭绝事件与地球大龟裂造成的岩浆活动有关，而且可以推定，在生物的演化进程与温度周期之间，也应该存在密切的联系，这为从地球热周期活动出发研究生物进化与灭绝的规律提供了新的思路。

    大陆漂移与停滞 应该与温度周期相关

    地质学家张祖还先生早就计算过，如果没有其他放热机制干预，只要经过几亿年的积累，地球内部的放射性衰变热就可使整个地壳达到熔化程度。因此，即使通过地球破裂可以释放热量，但在地球出现极端高温时，部分薄壳发生熔融是可能的。

    断定14亿至13亿年及2亿年左右，地球曾经出现过薄壳熔融是地球大龟裂模型中的一个大胆推测，并认为这是大陆可以产生漂移的基本前提。尽管目前还难以找到令人信服的证据来证明这一点，但通过对地球演化过程中地层锆含量分布的分析，对于14亿到13亿年间和2亿年左右地层锆石含量分布极少的事实，只有大胆地假设地球一定处在罕见的极端高温时期，才能更好地理解。这两个“罕见的极端高温”阶段，很可能出现过部分薄壳熔融。如果这个命题成立，那么，魏格纳的大陆漂移问题就迎刃而解了。

    根据地球大龟裂模型中的温度周期假设，既然地球进入高温期可能出现局部熔融，进入寒冷期则会出现再次凝固。那么，大陆漂移的速度应该与温度周期相关。当地球进入高温期时，岩熔活动活跃，大陆可以裂解、漂移。而当地球进入寒冷期时，岩熔活动停滞，大陆的漂移也可能出现停滞。这一推断与美国华盛顿哥伦比亚特区卡内基研究所的两名研究人员西尔韦和贝恩在《科学》杂志报告的成果是一致的。他们经过研究发现，大陆并不是一直在运动，板块构造运动曾有过全部停止的时刻。他们通过调查铌、钍和氦的两种同位素在古岩石中的分布情况，这些元素都是地球内部温度随着时间流逝而逐渐冷却的可靠指标。这一冷却过程很可能意味着板块构造活动的相应减缓或停止。

    特别观点

    地球变暖或并非二氧化碳所致

    近年来，许多气候学家都将大气变暖的原因，归咎于人类活动产生的二氧化碳等温室气体。然而，纵观地球演化的历史，曾多次出现与地球高温周期相对应的碳循环，因果并未定论，至少不是人类活动所致。

    资料表明，造成气候变暖的温室气体效应中，二氧化碳的比例只占0.117%，而水蒸气的比例则高达95%，是二氧化碳的800多倍。因此，有人认为，综合考虑水蒸气凝结相变辐射和大气中水蒸气的热容量，二氧化碳的大气温室效应完全可以忽略不计。基于这一分析，我们完全有理由怀疑全球气候变暖的原因是人为二氧化碳排放的增大所致。

    如果上述结论正确，那么全球变暖一定另有原因。根据北京石花洞石笋重建的温度记录，在两汉、隋-盛唐、宋-元和现代几个温暖时期，特别是从15世纪小冰期以来，北京地区温度就一直波动上升。《科学》杂志发表的全球多个采样点500年来全球温度变化的样品分析数据 也表明，早在工业革命以前，全球气温就已经从小冰期返回并不断上升，说明除了工业“温室效应”这个原因之外，更为重要的原因则是自然背景的地球内部的热量积累。这种地球内部的热量积累，波及到地表，就是人们所感受到的全球气候变暖。

    地球内部变暖诱发冰盖底部融化现象，可能说明南极冰盖融化是地球变暖而非气候变暖的重要证据。在南极大陆厚达数千米的冰层覆盖之下，目前已经探明至少有200多个地下淡水湖泊，包括最近俄罗斯科学家在南极钻探发现的世界第三大淡水湖——东方湖。这些千米冰盖之下的淡水湖，可能是地球内部变暖的重要证据，即冰川的消融首先从接触地面的冰盖底部开始，因为来自地球深处的增温，首先是通过地层与冰盖的接触面进入冰盖的。

    事实上，地质科学家已经发现，南极西部冰原不仅处在一个火山活动带，而且在南极西部冰盖下，存在着一个比美国科罗拉多大峡谷更长、更深的巨型峡谷。正是这条大峡谷，将地壳中的热量源源输送到冰盖底部，造成冰盖底部融化。这可能是南极西部冰原融化的最主要原因。

    格林兰冰原因岩石圈变薄而引起冰盖底部融化并向海洋注水的例子，也可以成为地球内部变暖的证据。

（如详细了解地球大龟裂理论，可参见《前沿科学》2015年第二期《地球大龟裂：地球演化动力学新思考》一文）

https://www.sohu.com/a/42484645_115402

[转载]地球大龟裂：一位中国科学家的地球演化观

已有 4866 次阅读 2020-10-14 17:27 |系统分类:博客资讯| 地球, 龟裂, 演化, 科学家, 新说 |文章来源:转载

    国家最高科学技术奖获得者钱七虎院士等作序推荐、唐春安教授撰著的科学画册《地球大龟裂：一位中国科学家的地球演化观》将由地质出版社出版发行，敬请期待！（注：图片1—8源自本画册初稿）

http://blog.sciencenet.cn/blog-552089-1254376.html