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NSR专访徐义刚院士:在地球深部,隐藏着这颗星球“生机勃勃”的关键

已有 2523 次阅读 2021-3-10 16:08 |个人分类:国家科学评论|系统分类:人物纪事

■ 采访/整理:

刘锦 (北京高压科学研究中心研究员) 

毛河光 (北京高压科学研究中心主任)




活跃的地球深部是整个地球系统运转的动力所在,同时也在地表演变、地质灾害中扮演着非常关键的角色。科学家们一直在试图理解和认识我们这颗宜居星球的深部过程。特别是随着板块构造理论的提出,他们更加专注于寻找其内在因素。然而迄今为止地球深部的运行机制仍是个谜。 

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在薄薄的地壳之下,是活跃的“地球深部”(Kelvinsong/CC BY-SA 3.0)

2020年底,中国科学院开始筹建深地科学卓越创新中心,为此类新型跨学科研究提供有力支持,以满足“向深地进军”的国家战略需求。近日,《国家科学评论》(National Science Review, NSR)采访了该中心依托单位——中国科学院广州地球化学研究所徐义刚院士,针对地球内部研究的重要性、相关领域的国内研究进展、地球宜居环境的形成要素等,进行了深入探讨。


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徐义刚院士


地球内部的变化过程,为何重要?


NSR为什么地球深部科学研究如此重要?

徐义刚:地球之所以成为太阳系中唯一宜居的星球,得益于以下两个特征。其一,地球内部十分活跃,如地幔和液态外地核对流强烈。也许正是由于地核的对流产生并维持着地球磁场,这对生命的起源和演化至关重要。地球磁场构成了一道不可逾越的屏障,将太阳风、高能粒子拒之门外,同时它还能够有效抑制大气向外太空的逸散。如今,就能量耗散而言,地球尚处于中年时期,而月球早在30亿年前就已经“死亡”。火星也处于“垂死”阶段,其能量所剩无几,已不能维持它的正常运转。

其二,尽管绝大部分行星自身的地质构造也会导致火山、环形山脉以及断层的形成,但地球似乎是太阳系中唯一具有板块构造活动的行星。在过去的50年,地球科学家在地球的化学组成、结构以及动力学方面的研究中取得了长足进步。

板块运动现象的发现,以及相应的板块构造理论的提出,称得上是20世纪科学界的突破性进展。好比物理学中的量子力学和生物学中的基因序列,板块构造学说已经彻底改变了人们对地球科学的认识。板块构造学说从根本上颠覆了我们对于地球运转机制的传统认知。它描述了地球表层100公里厚的板块运动,为海底扩张、陆地山脉形成、地震、火山活动以及板块边界的成矿作用提供了一个统一的理论框架。更为重要的是,板块构造运动在研究大气演化、气候变迁,甚至是在生命起源中也扮演了不可或缺的角色。

但是板块运动仅限于地球表层(~100 km,地球半径为6300 km),地球运转的最终内驱力还是取决于深部状态,比如地幔对流带来的影响。从这个意义上而言,理解板块运动,研究地球内部的状态,对地球宜居性的研究至关重要。

NSR您能否举例说明,深部过程是如何影响地球的宜居性的?

徐义刚:以大规模火山活动为例,火山喷发是由地球深部活动导致的,其喷发产物诸如火山灰、气体、岩屑等可以穿透地球不同的圈层,如水圈、生物圈和大气圈;其次,火山活动,是将地球内部与表层系统演化联系起来的重要地球动力学过程。

地球上的火山活动按喷发量由大到小,可分为洋中脊火山活动、与板块俯冲有关的火山弧活动,以及板块内部火山活动。在地球的整个历史演化进程中,板块内部火山活动的喷发量相对较小,但这些火山活动大多与热点有关,可能是由于板块下方来源于核幔边界的高温地幔柱上涌引起的。中国西南地区的二叠纪峨眉山溢流玄武岩正是一个典型的例子。它出现于2.6亿年前,覆盖面积超过50万平方公里。约八百万年之后,另一个超级大陆溢流玄武岩省,也就是西伯利亚暗色岩系开始出现,其形成的整个过程仅用了短短的几万到几十万年,其覆盖面积超过200万平方公里,体积达400万立方公里。如此大规模的火山爆发向大气中释放出大量温室气体和有害气体,不仅大大提高了地表温度(西伯利亚和峨眉山溢流玄武岩的喷发分别使当时的海平面温度上升了大约10℃和4℃),还对地球宜居的其他因素造成影响。这一系列的变化,造成了显生宙最严重的生物危机。在二叠纪末期,也就是2.5亿年前,地球上90%以上的海洋生物,70%以上的陆地脊椎动物以及绝大部分地表植被相继灭绝。

NSR:您提到的“二叠纪物种大灭绝事件”是人类已知的地球历史上最大规模的物种灭绝事件。当时,地球上的生命基本已经消失殆尽。

那么,从当今人类社会的角度来看,认识地球深部的意义是什么呢?

徐义刚:人类社会的延续,离不开矿产资源和能源的供给。自从地球科学家有能力大规模研究与勘探这类自然资源后,工业文明便开始蓬勃发展。矿产资源促进了生产工具的开发和升级,使社会能够为数十亿人提供足够的工业制品及燃料。但是不断膨胀的人口数量,使资源供给面临的压力与日俱增。理解地球深部是如何运转的,对勘探和管理自然资源来说是十分关键的,例如固态地球深部流体的运动是自然资源形成的前提。当前,地球科学家将地球看作是一个整体来研究,联合地质学、地球物理学、海洋学、水文学、大气学以及其他学科,对地球系统开展跨学科研究。地球深部位于我们这颗蓝色星球的中心位置,在过去的45亿年,通过与其他地球子系统之间的相互作用,最终决定了大部分资源在地球上的分布。

板块构造学说和地幔柱构造为理解矿产资源和能源的起源和分布提供了理论基础。例如,在环太平洋俯冲板块边界已探明数亿吨的铜矿资源。世界上最大的铂族元素(包括钌、铑、钯、锇、铱和铂)、钛、钒矿床分别位于南非布什维尔德杂岩体和峨眉山大火成岩地区,这些资源的形成均与地幔柱有关。


国内地球深部科学的研究进展


NSR中国对地球深部研究和探索的目标是什么?

徐义刚:关于地球深部的研究和探索,中国的目标涉及两个方面。一方面,它与国家需求息息相关。中国经济的高速发展,离不开矿产资源的持续供给。世界上主要矿产资源大国的大部分资源勘探深度已超过2000米,而我国的勘探深度基本还在500米以内。为了保持中国经济可持续发展,需要从深部寻找更多的矿产资源。面向国家重大需求,高分辨率可视化岩石圈结构,以及高效勘探技术是研究的关键所在。

另一方面,地球深部研究可以为地球科学提供潜在的突破性进展。正如我前面提到过的那样,虽然板块构造理论是20世纪最伟大的科学新发现之一,但它只涉及到100千米以内的地球表层的运动。虽然我们已经知道了板块运动的驱动力来自地球深处,但具体到究竟是如何运作的,至今仍是个谜。获取更多关于地球深部的结构、成分以及运动规律的知识,必将有助于完善地球科学理论,甚至还能建立起新的理论学说。

NSR:目前我们对地球深部的理解仍然很肤浅。对于解释超大陆裂解,除了稳定的地幔热对流作用之外,我们还需要探索新的机制。那么在后板块时代,我们的重点研究方向有哪些呢?

徐义刚:地球系统科学是从20世纪80年代开始发展起来的一门重要学科。是有关大气物理化学、海洋物理学、气候学和古环境等跨学科的整合,在全球变化研究领域已经取得了巨大的成功。但必须指出的是,这些进步只涉及地球表层系统的圈层相互作用,而对可能在整个地球系统中起到核心作用的地球深部尚未引起足够的重视。因此,我们期待能够尝试更多学科间的整合,特别是要将固体地球深部纳入地球系统科学研究的框架中。当然,由于目前我们对地球深部过程如何控制地表系统的演化还知之甚少,因此这项工作的挑战性不小。正因为如此,自2016年起,我们在中科院的支持下开展了一个跨学科的战略性先导科技专项研究项目。为了解地球表面系统与深部过程的相互作用,开展了三个方面的研究:地球内部状态,深部过程及其地表响应。

NSR在过去的五年(2016至2021年)中,关于地球深部的研究一直是中国科学院战略性先导科技专项(B类)的重点工作之一。您是否可以向我们介绍一些由广州地化所牵头开展的有关地球内部运行机制与表层响应的先导专项的研究工作?

徐义刚:我们由衷感谢中科院本部对这个先导专项的资助。在我看来,这代表我国在推动地球深部探索方面迈出了重要的一步。这个专项包含三个课题:


  • 课题一旨在通过地震学、矿物物理学、计算地球化学、同位素地球化学、地磁观测和古地磁学以及比较行星学等多学科、多尺度深入探索地球内部结构与物质组成。

  • 课题二主要是通过对板块俯冲和地幔柱的研究来更好地理解地球内部圈层相互作用和物质循环。该研究特别关注挥发份在不同圈层中的分布,及其对地幔物理化学性质和深部动力学过程的影响。

  • 课题三的研究目的则是评估地球内部运行的表层系统响应,重点是研究其在资源、古气候、海洋变化以及生命演化中所扮演的角色。


通过这四年多的实施,该专项取得了一些较大的突破。例如,我们的地震成像能力已有了极大提升,能够定量研究地球深部小尺度结构的非均一性。有趣的是,地幔转换带底部(660千米深度)并不是均匀的。换句话说,地球表面不仅起伏大,分布着大量山脉和峡谷,地球内部也隐藏着类似的结构。

再例如,到目前为止地球上已经发现了大约200个陨石撞击坑,其中,广州地化所的陈鸣研究员在位于中国辽宁省的岫岩撞击坑处发现了一个新现象:二氧化碳和地幔主要矿物铁方镁石发生反应,形成了天然金刚石。

在对二叠系-三叠系界线(PTB)生物大灭绝原因研究方面也取得了重要进展。该研究发现,大规模的火山活动,以及快速增强的大陆风化作用可将大量营养物质带到海洋里,导致海水富营养化,进而引起氧含量不足、酸化、甚至生态紊乱,从而可能最终导致了二叠纪末期的物种大灭绝。

NSR除了科研成果之外,深地先导专项的实施还在哪些方面起到了促进作用?

徐义刚:从项目的组织和管理的角度来看,有两点是值得强调的。一是跨学科的互动:中科院的深地先导专项将两个以前几乎没有过交集的研究团队整合到了一起。这两个团队分别进行地球内部系统和地表系统的相关研究,两者的合作和互动产生了奇妙的“化学反应”,不但取得了振奋人心的研究成果,同时还对地球系统科学理论的发展提供了崭新的视角。

二是该项目的顺利完成极大地提高了我们的平台建设能力,如构建了许多新的分析测试实验设施和计算模拟平台,而且在深部地球物理探测、地球化学示踪、地质年代的高精度测定、复杂地质问题的计算模拟等方面的水平均有了大幅度的提升,促进了国内地球深部研究的发展,显著提升了我们对地球内部物理、化学和动力学的认知。

让我感到十分欣慰的是,这个研究方向目前已经得到了中科院和国家自然科学基金委(NSFC)的认可,委托我牵头做进一步的战略调研,为2021−2035年间的深地科学发展提供咨询。

特别值得一提的是,我们将在广州建立中科院深地科学卓越创新中心。凭借这些支持,我深信可以更加深入地探索地球深部演化史以及宜居地球的形成规律。

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工作中的徐义刚院士


蓝色地球和行星宜居性


NSR那么,我们这颗星球有哪些宜居的条件呢?

徐义刚:蓝色地球的演化,不仅与大气圈、水圈以及生物圈有关,而且也离不开地球深部作用过程。如果没有稳定的大气圈和水圈,生命不可能在地球上产生和演化。在太阳系中,金星的大气层几乎全部是二氧化碳,大气密度约为地球的一百倍。二氧化碳所造成的温室效应使得金星表面过热,最高温度可达470摄氏度,生命难以存在。生命似乎只能在零下15摄氏度到零上200摄氏度之间存活,低温将导致化学物质的反应变缓,会对生命演化所必须的化学反应造成影响,而高温会使得蛋白质和其他遗传物质发生分解。

在金星表面高温环境的形成过程中,二氧化碳扮演着非常重要的角色。幸好目前地球大气层中的二氧化碳含量非常少,主要的碳元素被封存在固体地球中。如果地球上所有的碳元素都以二氧化碳气体的形式存在,那么大气压可能会增加100倍之多。有意思的是,这将与金星的状态极为相似,也就是说,或许地球和金星形成伊始,它们各自的挥发性成分是相似的。地壳中的碳酸钙是二氧化碳最主要的赋存形式。在板块俯冲过程中碳酸盐矿物比含水矿物要更加稳定,大量的碳元素可能被储存在地球深部。目前,火山排放和俯冲板片携带下去的碳总量仍有待确认。 

NSR:我们知道沙滩上贝壳的主要成分是碳酸钙,小小的贝壳可以锁住大量的二氧化碳,从而防止地表温度过高,这一点非常有意思。除二氧化碳外,水又为地球的宜居环境做出了怎样的贡献呢?

徐义刚:水不如二氧化碳那样容易挥发。我们都知道,地球上的生命需要水。诸多有机物质富含水分,并经历着与水化和脱水相关的变化。众所周知,人体成分的60%是水,地球表面71%的面积被水所覆盖。事实上,地球上的水可能早在生命出现前就已经存在了,生命的演化与水的广泛分布密不可分。格陵兰岛上发现的最古老的沉积物显示,水的存在至少可以追溯到38亿年前。古老的锆石为44亿年前液态水的存在提供了重要线索。值得注意的是,海平面的变化可以用来界定地表水的储量。数十亿年来,地表水的总量可能一直保持在较窄幅度的范围内波动。也就是说,海水蒸发与汇入的水量是平衡的。水岩相互作用可以导致地壳蚀变,生成富含水或二氧化碳的矿物。通过板块俯冲作用,挥发份回归到地球深部,从而平衡了通过火山喷发排放到大气中的挥发份。

对于生命而言,最重要的是稳定的气候和地表液态水。在一定程度上,这是由地球深部的物理、化学和动力学过程所决定的。从根本上看,对于地球为何宜居,我们还知之甚少,还有许多谜团有待进一步探索和解决。

NSR其中一些谜团的答案隐藏在地球深部,所以,将深部过程和地球的宜居环境联系起来,是十分必要的。您认为,未来我们应该朝着哪些关键方向开展研究呢?

徐义刚:为了更好地了解深部过程与地球宜居环境之间的关系,我们需要解决的关键问题包括:


  • 早期过程是如何改造地球的?

  • 是什么作用引发了地球历史上的重大地质事件?这些事件又如何影响地球的演化?

  • 挥发性物质是如何在地球内部和地表系统之间循环的?它们在生命进化中又扮演着什么角色?

  • 深部新化学反应是一种新的地球动力之源吗?

  • 地球的深部过程是如何运行的?它们又如何控制矿床、火山爆发和地震的形成?


关于这些激动人心的科学问题的来龙去脉,将会在一本关于地球深部科学的调研报告中进行详细的阐述,该书计划于明年年初出版。




本文是NSR Interview文章“Yi-Gang Xu: The Earth's deep interior holds the key to habitability”的中文版本,英文原文链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab018



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