唐春安：地球大龟裂 一位中国科学家的地球演化新说

　　主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第44期演讲于2021年8月28日在北京以在线直播方式举行。来自大连理工大学岩土工程学科教授中国地质大学（武汉）大地构造学科唐春安教授出席并以《地球大龟裂，一位中国科学家的地球演化新说》为题发表演讲。

　　以下为演讲全文：

　　我先想跟大家分享一幅照片，这个照片上是一个年轻的爸爸，在给两个孩子介绍一本书。他这个照片为什么寄给我？因为他是很感慨，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。他讲的这本书，就是我刚刚在中国地质出版社出版的《地球大龟裂——地球演化新说》。

　　我的专业是岩土工程专家，我的贡献是研究的岩石的破裂过程，以及工程灾害的分析。那么与地球科学为什么有不解之缘？有两个偶然的机会。

　　十五六年前我跟我太太一起去大连金石滩海洋地质公园，这个公园里头有一个镇园之宝，叫做龟裂石。太太就问我，她说：你是做岩石破裂分析的，龟裂是怎么形成的？ 她的一个问，实际上是让我想到了我的用数字模拟的方法，回到家里我把这个过程给它模拟出来了。大家看，红色的图就是一个龟裂的模拟过程，它很好的再现了一个介质，从受力到开裂，形成完整的龟裂的一个过程。我对龟裂着迷上就从这开始的，不仅这样，我在国际上还发表了几篇还不错的论文。

　　从龟裂到地球大龟裂，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，沈树忠院士给我一张很漂亮的照片。这个照片是6亿年前的细胞分裂的化石，细胞分裂是非常小的。大家看看这是现在小孩在玩泥巴坨的时候干裂的一个图像，这两幅图像的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是非常大，使我想的一个问题，在这个程度上我再往上去翻，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，也是一样的，看看这是一个非常漂亮的龟裂的图。所以这件事使我想起了地球的龟裂和岩石的龟裂和细胞的龟裂，它们是一种力学尺度上的跨尺度效应。那么龟裂的跨尺度效应，有没有可能为探索板块的形成经历提供一种新的思路，这是我开始思考的一个问题。

　　实际上我是在不经意间遇到一个大科学问题，大家都知道板块起源是地球科学中到现在的一个未知的难题。这两个资料一个是美国的最近的一个战略报告，一个是我们中国的，都把板块起源作为地球科学中的未解难题。

　　我们都知道全球现在的板块分为六大板块，尽管板块构造学说几乎家喻户晓了，但是地球科学界对于板块运动究竟是如何启动的，其实是没有一个很好的解释。我用自己的破裂过程分析软件，模拟了一个球的内部的膨胀过程。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破裂，这就是我今天说的地球大龟裂。龟裂的过程有可能成为早期地球板块起源于一种很好的或者一种合理的解释。所以终于在去年7月16号，《nature communication》也就是《自然通讯》发表了我们的成果。发表不到十天，国际上大概二十三家主流媒体，比如说《ABC》、《ScienceDaily》类等等，连续发表了二十六篇对于我们的报道，大家看有英语、法语等等七国语言。不仅如此，我们看他们的报道，对我们评价的高低，比如说他们讲第一个报道，用了叫Breaking News这个概念。第二个报道讲可能地球板块的形成是不是与我们完全想象的不一样，这句话的意思实际上就是说我们提出的观点是一个颠覆性的。还有报道也是非常清晰的表达了我们的核心思想，地球岩石圈的比如说升温、破裂、最后到形成板块。不仅如此，《地质学百科全书》，也很快把我们收录了到它的板块构造条目中。

　　当然科学探索到现在没有完，地球大龟裂既然能够出现，那么它在地球的演化过程中到底能发生什么作用？因为它不是一个简单就破裂一次的事情。我们现在看看地球在45.6亿年里它是怎么演化的。

　　在地球的45.6亿年的过程中，地球出现了多次，大起大落的冷热波动。比如说第一次是23亿年左右的雪球事件，整个地球几乎被雪包围着，包括赤道的附近。第二次雪球事件发生在6亿年到7亿年之间，那么后面奥陶纪冰期，泥盆纪冰期等等，还有现在第四纪冰期。这么多的大起大落，过去的地球科学的板块构造，对这个没有很好的解释，主流的观点是认为地球本身是单调降温的，意思就是地球一直降温。那地求表面又为什么有冰河期？为什么有热波动？那是别的原因，比如说二氧化碳波动，比如说太阳的黑子的变化，甚至地球的倾角变化等等。也许这些是可能考虑的，但是有一条我觉得不能回避，就是既然地球能够出现大龟裂，我觉得它一定会扰动地球的热波动，这就是我今天想展开的。

　　我想用一个生活中的常识给大家解释什么叫一个热力学系统。比如说我们去吃火锅，服务员端上一锅开水，这就是原始的热，当然只有原始热如果我们没有点火的话，你这个火锅吃不成的 ，为什么？因为这个火锅一定会降温的，所以我们点了一个火，当然你点这个火肯定不会太大，不能老烧开着让它的咕嘟。所以火不够大的时候就有可能出现，虽然有点了火，有热输入，但是这个系统还在降温，我们吃火锅经常遇到这个情况，怎么办，我们是否要盖一个锅盖？大家注意盖上锅盖，你并没有增加热量输入，还是原本的火苗，但是为什么盖上锅盖，你后面就能吃成这个火锅呢？是因为锅盖阻碍热的传播，所以这个系统就只是个锅盖的现象，并没有增加热量收入，可是它把这个系统把降温变成了升温系统了。

　　如果我们做一个实验，我们在里头放一个压力传感器，再放一个温度传感器的话，你会发现它会按照这么一个曲线去波动：比如盖前的降温，盖过后它慢慢升温，为什么慢慢升？因为火苗就这么大。当升到某一个值的时候，临界值，锅盖被顶开了，顶开就是压力、温度的突然下降，所以它会慢上升快下降。

　　我们现在再回到地球，地球在45.6亿年前，它就是一个滚烫的火锅，地球是岩浆海，那么它一定会冷却，所以冷却的过程，它形成岩石圈。冷却形成岩石圈，就相当于给地球盖了一个大锅盖，锅盖住以后，里头的热从原来的总是放热，就有可能进入一个升温的阶段，所以按照锅盖理论，我们把这个道理讲清楚了。但是科学上我们再看一下，地球系统它是哪几种热：第一太阳能输入这是大家比较关注的。第二地球本身它的地幔、地壳之间的热变化，凝固、熔融、它会产生热。第三个就是最重要的热源，地球内部有一种元素叫放射性元素，它有几十亿年的半衰期，它在不断的产热，这个热就是我刚才讲的火锅火苗。当然地球一定会释放热量，不管它是将锅盖盖着，它还是打开了，它都在释放热量，所以有四种热，我把这四种热，都按照热力学方程，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。

　　第一个这个方程里头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间会发生很快的破裂，那么这一项dl/dt这个时间倒数是一个极值，出现极值以后，还会引起高压锅阀打开了，锅里头温度会突然下降，压力下降。压力下降会造成一种特别重要的地质现象，叫降压熔融，因为熔点会跟着压力下降而下降，这样我们就得到这个方程两个极值条件。

　　第一你看如果裂纹快速扩展，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，压力突然下降，会造成降压熔融。降压融是个什么过程？是吸热过程，这种吸热造成岩石圈再次本质性变冷，所以这就是我的一个发现。地球大龟裂不光是一个破裂行为，它可能是造成地球本质性的降温的根源。所以按照这个思路我们就可以很清晰的看到地球内部在升温，岩石圈破裂，破裂就要释放热量，释放热量地球要变冷，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，闭合后内部又会产生热量，就像高压锅锅盖上，所以我的结论是：地球一定具有它自身的周期脉动。我们整个地球演化不一定只受外界的因素，它内部就有一种波动存在。最近我把这个观点发表在我们《中国科学》杂志上，而且在这个观点里头我特别讲到了，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？而且我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，地表的气候不可能反过来造成地球演化的波动，这是我的基本观点。

　　我们用这个观点来解释一下，刚才提到的雪球事件。雪球事件，大家知道一个地球被雪包围着，过去都是认为，比如说二氧化碳的降低，或者地球在角度变化，使得太阳光照减少等等。这些因素可能存在，但是我要问的另外一个因素，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《Science》文章。所以既然地球两亿年没有活动，大家想想看，因谁是果？是气候变化了，造成地球不活动了，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，也是刚刚上2018年发表在《科学通报》上，我个人认为超大陆裂解释放大量热量，因为超大陆裂解是Evidence是事实的，所以这次雪球事件之前的超大陆裂解，造成了全球的内部的热量释放，这种热量释放，造成没有岩石圈活动，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量，所以它是个因果关系。

　　今天我的模拟地球内部的变化，不仅仅是影响气候，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，我们过去传统理论认为当时是水冲出来的，当然水冲有力，我不反对，但是科罗拉多大峡谷，你去看看就知道， 1500米、1600米的这种绝壁，它绝对不是水冲出来的。科学家有几个问题摆在桌面上：

　　第一个为什么科罗拉多大峡谷的谷顶高出上游1000多米？

　　第二个问题说了，为什么科罗拉多大峡谷的形成时间远比地质学家预计的短？因为河流冲上实际上是很长时间的。

　　还有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型三角洲？你上Google地球上去查，世界十大三角洲里头没有我们科罗拉多三角洲。可是科罗拉多河是被认为世界上的河全装进去装不满它的一半，那么它的冲刷体在哪去了？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模式：第一个当它的三条裂缝几乎是同时产生的时候，它是120度相交；但是如果它有主裂谷，然后再生成次裂谷的时候，它是90度相交。而恰恰在科罗拉多大峡谷，沿着400多公里长的主峡谷，有大量的垂直的分差存在，而且告诉大家这些垂直分差连水都没有，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。这个观点我发表在《科学通报》上，我提出一个自己的观点抬升开裂，我认为这是抬升造成的开裂，那么抬升有没有证据？有，科罗拉多大峡谷是高原，从7000万年前就开始抬升了，一共大概有三次大的抬升，总计抬升高度大概是3.2公里左右。我学力学的，每次抬升按照，弯曲抬升一定会造成一个裂谷，所以它的裂谷分了几次，真正的突破贯通是在500万年左右。因为它是抬升，所以谷底高于上游是很合理的。

　　第二个为什么形成时间短？因为刚才讲了它不是水冲出来的，它是开裂，大的活动地震这样的形成大的裂谷。为什么没有大的三角洲，因为它不是冲出去的，它是一个抬升开裂行为，所以它也有三角洲但不是最大的。这是我的今天的两个解释，也可以拓展到我认为我们中国的雅鲁藏布江大峡谷，东非大裂国，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，当然说是大胆假设，小心求证。我把这些年研究的成果，研究的思考，我用了这么一幅图来表达它。大家看这幅图中间横条，它是代表了45.6亿年，它的颜色都代表了这45.6亿年期间它们的温度的变化。黄色表最高温度，红色也是很高的，一定没有人移居的，白色的地方就表示是冰河期。上面我有波动曲线，我在这个图上放上了很多重大地质事件，比如说雪球事件、大演化事件，生物大灭绝事件，我发现这些大的事件最活跃的时候，都在这个图上，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最近的中国战略报告，引进去了。

　　我们可不可以来想这样一个问题，这么多的活动到底跟什么相关？这是我提出一个观点：地球内部的热力波动可能是重大地质事件的同源驱动力。就是说很多事件都是相关的，就是一个系统。我们可不可以想象我们的行星系统，至少类地行星，既然地球的从45.6亿年来，它能产生这种波动，那么其他行星在产生初期的时候，我们知道火星、金星、都是孪生姊妹，为什么火星走着走着变冷了，金星走出来变热了？实际上我认为有可能它们都是在历史变化中不同的阶段，它们有冷的时候也有热的时候。比如说地球有波动，其他行星有没有？我认为它也有波动，当然波动大小、频率会不一样，为什么？球的大小不一样，以及与太阳的距离等等因素不一样，它会不同波动。但是当你随着时间推移，它推移到任意一个时刻，你去看它当时的这个状态，你看有高温中温低温。下一个时刻也一样，你看高温变低温了，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，是不是未来它一直这么热。

　　我们就从地球演化历史的看，地球已经演化了45.6亿年，经历了五次生物大灭绝，当然由于五次生物大灭绝没有智人的存在，所以这些生物灭绝都是优胜劣汰，自然消亡。

　　科学家告诉我们，地球还有四十亿年，既然还有四十亿年，我们想地球的未来绝对不是死水潭， 第六次生物大灭绝，一定要到来。当然我们已经有了人类，我们有了智慧，我们人类可否用我们的智慧，迎接未来的地球灾难的挑战，这是我们要思考的问题。

　　我想我们作为一个地球人，作为人类，我们今天应该以全球和百万年尺度这样的大的时空去思考我们地球问题。要关注人类赖以生存的地球的过去、今天，未来。

　　谢谢大家。

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责任编辑：邓健