秦占杰:气候变暖的新思考 海底巨厚蒸发岩成因之谜

秦占杰:气候变暖的新思考 海底巨厚蒸发岩成因之谜
2023年08月22日 14:52 市场资讯

专题:2023年CC讲坛

  主题为“和而不同,思想无界”的CC讲坛第55期演讲2023年8月19日在北京举行。来自中国科学院青海盐湖研究所副研究员秦占杰出席,并以《气候变暖的新思考 海底巨厚蒸发岩成因之谜》为题发表演讲。

  大家好,我是来自中国科学院青海盐湖研究所的秦占杰,我今天跟大家分享的题目是“海底巨厚蒸发岩成因之谜”。

  首先给大家展示两张图片,盐就是我们日常生活中所用到的食盐,氯化钠,没有它我们的生活会索然无味。我们的老祖宗非常的智慧,早在二千多年前就通过打井抽取井里面这种高盐度的卤水,来人工熬制食盐,现在主要是在海边修建盐田来晒制食盐。那么在我国西北的青藏高原有很多的盐湖,像青海的茶卡盐湖,也是修建盐田来晒制食盐,加工以后我们就能食用了。

  我今天所讲的蒸发岩,主要就是由石盐组成的,当然是没有被加工过的,它除了食盐,还包括一些硫酸盐,像石膏,我们家里面装潢用的石膏板就是由它制成的,还有一些碳酸盐,像方解石,我们家里面刷墙用到石灰是由它制成的。蒸发岩我们通常的定义就是太阳蒸发,当湖盆里面的水体逐渐咸化的时候,达到盐类矿物结晶的饱和点,蒸发岩就可以析出来了。

  它与我们平时所见的那种非常坚硬的石头还不太一样,像北京凤凰岭那种花岗岩,大家都见过,非常坚硬,蒸发岩跟它是不一样的,蒸发岩是易于溶解的。这些就是蒸发岩的一些单晶的矿物,这些单晶矿物大量堆积以后,就能形成我们的蒸发岩体了。

  蒸发岩其实在我们的生活中非常的普遍,这是我们在新疆科考,库车盆地在半山腰就有这种蒸发岩,主要是由石盐和石膏组成的,非常的纯净,它的面积大概有三万多平方公里,二三百米厚。形象点说相当于两个北京市这么大,一百层楼那么高。

  我们在我们的邻国老挝和泰国也开展了工作,那边的蒸发岩将近有五万多平方公里,也有三百米多厚,相当于四个北京市这么大,一百层楼差不多高。

  也有学者对全球蒸发岩进行了一个初步的统计,发现在世界上,各个地方差不多都有这种蒸发岩,或大或小。尤其特殊的就是在海底,也发现了非常厚的蒸发岩,比如像美国的墨西哥湾,欧洲的地中海,阿拉伯国家的红海,还有南美和非洲西部属于大西洋,底下也有非常厚的蒸发岩。

  具体来说,地中海的蒸发岩有两千多米厚,面积有六十多万平方公里,相当于四十个北京市这么大,一千层楼那么高。红海的蒸发岩体量更是巨大,达到了五千米厚。在南美洲巴西的东部,还有西非刚果,临近南大西洋下面的蒸发岩也是达到三千多米厚,一百多万平方公里,我们北京市才1.6万平方公里,大家可以在脑子里有个形象的对比。在美国的墨西哥湾的蒸发岩有四千多米厚,非常庞大,都在海底。我的工作一直是与蒸发岩打交道的,特别想研究清楚这些岩到底是怎么形成的,尤其是新发现的这些海底巨厚的蒸发岩怎么形成的,难道它们也是像盐湖一样被太阳蒸发晒出来的吗?

  目前关于这些海底蒸发岩的成因并没有一个科学的解释。就拿地中海来说,学者研究当今地中海,如果把它全部蒸干以后,只能形成二十六米厚的岩,但是在五百多万年前,短时间内,地中海就沉积形成了两千多米厚的岩。从厚度上来说是当今的一百多倍,体量来说也是有二十多倍。学者研究认为形成这么厚的岩,当时地中海肯定是干涸了,难道地中海曾经被蒸干过二十多次吗?最近的一些研究发现,认为地中海当时并没有干涸,而且水还非常深,那么岩是怎么形成的呢?

  另外还有一个疑问,地中海现今的年净蒸发量是有三十多亿吨的水,但是在五百多万年前形成那么大的蒸发岩,每年的净蒸发量需要达到一百二十多亿吨的水,相当于现在的差不多四倍,当时的环境有这么极端吗?古生物最新的成果研究,当时地中海与现在的气候是差不多的,那么地中海的蒸发岩到底是怎么形成的?太阳蒸发在地中海蒸发岩形成过程中扮演了什么样的角色呢?带着这个巨大的疑问,我就开始思考蒸发岩形成的本质。

  我们传统上来说蒸发岩形成,需要三个基本条件:一个就是构造,一个是物源,还有一个是气候。构造,大家可以想象,它需要一个盆地;物源就是需要一些水体在盆地里面留存;那么在干旱的气候条件下,就会逐渐的达到盐类析出形成蒸发岩,我们所见的盐湖就是这样形成的。但这只是它的一个基本条件,并不是唯一的条件。达到了蒸发岩形成有个目标,我刚才说的只要水体逐渐咸化,能够达到盐类矿物析出饱和度,自然能够形成盐类矿物结晶出来。实现这个目标,还有其他的途径,比如说加入高密度的高盐度的卤水,我一开始展示的四川自贡井盐,卤水盐度非常高。不用太阳蒸发,有别的热源导致水体逐渐咸化,也是一种途径。举个最简单的例子,一锅水放到太阳下面可以蒸干,你给它加一个火苗,在家里面照样可以蒸干。

  因此我就在怀疑和想象,海底这些巨厚的蒸发岩,是不是有其他新的成因机制,而不需要太阳蒸发。比如说有地热,这种新的一种热源,导致它成岩了。沿着这样的思路,我们就开始收集相关的证据。首先是地质方面的证据,我们发现这些岩,主要形成在两种构造环境中,一种就是裂谷环境,还有一种就是俯冲环境。而且这些蒸发岩,都是在这种环境形成之后,它们才形成的,或者是和这种环境同时形成的。

  我们都知道地球是有地核,地幔,还有最外面是地壳,我们就生活在地壳上,由这三层来组成的。地壳有一些水平和垂直的运动,地壳水平运动的时候,在拉动的环境下就会形成裂谷,比如像东非的大裂谷。还有的地壳碰撞以后由于密度的差异,一个地壳板块会向另一个下面俯冲,像现在南美洲西部的安第斯山脉就是这种情况。在这两种构造环境中,由于这种地壳地质作用,会有很多的岩浆侵入或者火山喷发等等,是与地热关系非常密切的,它们有一个共同的特点,就是地热非常发育。我们也对全球蒸发岩的地质构造环境,进行了统计,发现将近80%多的蒸发岩,都是在这两种环境中形成的,因此我们就认为地热与蒸发岩的形成,可能存在一定的联系。

  进一步我们就收集了地球5.4亿年至今,蒸发岩形成的一些数据,还有大火成岩省的数据。大家可以通俗这么理解,大火成岩省就是火山集中喷发的时候,发现它们两个时期,时间对应的非常好,非常吻合。但是反映气候指标的,全球海表温度,还有大气二氧化碳浓度,这些指标与我们的蒸发岩形成的时期,不是完全吻合,有时候甚至呈现相反或者矛盾的趋势。因此我们认为,地热对我们蒸发岩的形成关系可能是比较密切的。

  我们还做了一个工作,就是对蒸发岩形成时候的古地理进行了重建,发现海底这些蒸发岩形成的时候,与当时火山喷发等这种岩浆事件,在空间上,时间上吻合得非常好,再次侧面验证了,我们觉得地热是主要原因的一种机理。

  还有的学者做了一些蛇纹石化的实验,蛇纹石化在海底下面非常普遍。海底有坚硬的岩石,我们通常称之为洋壳,在洋壳下面有地幔,有岩浆活动,岩浆这种地热与洋壳发生反应,蛇纹石化能形成蛇纹石。那么学者开展蛇纹石化模拟实验,在这个过程中就形成了石盐、还有杂卤石、石膏、硬石膏,都是蒸发盐的一些矿物。

  在现实中,学者也在地中海地区发现了,这种蛇纹石化的迹象。比如在图中A、E、G2,这三个粉色点的地方,下面就有十到二十公里这种蛇纹石化的痕迹,上面就是蒸发岩。学者理论计算了十几万立方公里的这种蛇纹石化,就能形成七百多立方公里蒸发岩的矿物。

  另外有学者做了一些高温的模拟实验,修建了一个近五十平米,三米高的一个池子,用海水来做实验,在其中加入了一个能调温的设备,把温度调到一百多度,让它沸腾,十一天的时候就析出了,像我们右图展示的这种蒸发岩的矿物,主要是石膏、石盐,还有硬石膏的一些东西,这些与我们太阳蒸发是没有太大联系的。学者理论模拟计算,最后得出海底高温形成蒸发岩,有一个基本条件,就是在海水两千多米的时候,温度有400℃,压力达到30个兆帕,海水会呈现超临界的一种状态,就会析出石盐,而且对析出的石盐不会发生溶解。

  我国的学者大连理工大学唐春安教授,他也提出一个新的假说叫“地球大龟裂”。他认为地球是有冷热波动的,是可以自身调节温度的一个星球。比如说热的时候,它就通过岩浆喷发来释放热量,然后就会冷却,进入下一个热积累的阶段。而且在地质历史上,四十六亿年地球形成至今,确实也发现了好几次冷热波动的现象。他认为地球是一个热演化系统,而且这个系统,对我们地表很多事件,会产生重大的影响。比如我们通常所听到的生物大灭绝,还有大洋红层,雪球事件,整个冰雪覆盖不仅是现在的南极北极而是到赤道,这些事件等等,都会产生很重大的影响。这个新的假说,给了我很大的启发。

  基于上述的一些研究收集的证据,还有我们对地球作为一个热演化系统初步的认识,我们跟唐老师共同合作,对海底巨厚的蒸发岩提出了一种新的成因机制,我们认为,它主要是由地热来驱动的。

  这个工作从2019年开始着手,历时有四年多,我们写成的文章成果投稿被拒了有十多次。有一些直接没给我们任何评审的机会,有一些认为我们的证据收集的不够充分,让我们再补充数据,还有一些认为我们需要更详细的理论计算,但是对我们思想上的一些闪光点一点不在乎。我们修改的版本有四五十个,从最初的一万多字删减到最后的只剩下一千多字。在修改的过程中,每次大家会争论得非常激烈,面红耳赤。有时候感觉非常的失落,甚至有放弃的那种念头,但是我们平静一段时间以后,又会认真的思考,我们的假说这个理论是否成立,我们会经过一轮又一轮的讨论,认为我们这个思想,它值得而且应该去传播出去。所以我们修改完又会认真的再投一次,直到今年六月份,我们的文章终于被接收,由我们中国科学院青年创新促进会创办的期刊,《The Innovation Geoscience》这个题目就是《创新地球》。论文发表以后,引起了我们的同行的热议,他们认为我们提出了一种蒸发岩形成的新机制,这给了我们很大的鼓舞。而且我们也非常感谢期刊,对我们质疑的科研精神的包容态度,让我们能够坚持科研的本性,继续认真的做科研。

  当然我们的假说和理论也有很多不足的之处,比如说数据收集方面,还有一些算法方面,尤其是地质学讲究一个有现实的地质证据,来证明我们这个理论。这些方面我们正在通过大数据,还有联系国内外的一些学者,共同在开展这方面的工作。

  通过以上的工作,给了我比较大的触动,第一点我感觉科研工作是一个非常细致的工作,但是它更需要质疑的态度,这也是科研科学精神的一个本质。我们日常生活中,所习以为常见怪不怪的一些认识,可能也只是在现有认知或者是现有科学发展水平条件下,所呈现出来的一种状态,我们需要去打破常规,我们不能完全跟风,这会让我们迷失。

  第二点我们生活在这个地球上,对我们生活的地球还了解得非常的少。尤其是地球内部这种地热,地球作为一个热演化系统,地热运动的规律,以及它对我们地表产生的这种影响等等,我们了解的还非常的浅薄。

  比如拿时下最热门的全球变暖这个事件来说,它本身是一个气候领域的科学问题,大家都会关注二氧化碳对全球变暖带来的影响,甚至认为是人类产生了很大的影响。就拿南极冰盖来说,学者认为南极冰雪融化主要是二氧化碳造成了一些影响,但是最新的研究,最新的科研调查发现,在南极的西部有很多冰盖下面有很多火山和岩浆事件,有很多热的异常,这个是与我们的二氧化碳没有关系的,它造成了南极冰盖融化的影响是不可估量的,而且以前是被忽视的。

  因此我个人的观点,在我们关注与我们生活息息相关的全球变暖,极端气候等这些事件的时候,我们在研究二氧化碳的基础的条件上,我们不能忽视地球本身的作用。它本身作为一个热演化系统,自己发热,自己调节温度,以及它对地表产生的一个影响。只有将地球本身作为一个内因,二氧化碳等外因,两者结合起来去研究地球,才可以更加客观地把自然规律给揭示出来。

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责任编辑:梁斌 SF055

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