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作者大咖 刘嘉麒院士， 1941年5月29日生。中国科学院院士，中国科学院地质与地球物理研究所研究员。曾任英国开放大学地质系客座教授；现任亚洲湖泊钻探科学指导委员会副主席；国际第四纪研究联合会地层学专业委员会副主席；国际第四纪研究联合会火山与火山灰年代学专业委员会常务委员；中国第四纪研究委员会暨中国第四纪科学研究会主任、理事长；中国火山学会副理事长；中国地质学会副秘书长。 导语  地球养育了人类，人类也在不断地探索地球，地球隐含着无穷无尽的科学奥秘令人类的探索永无极致。从某种意义上说，世间最聪明的不是万物之灵——人，而是大自然本身。 万物皆有道，自然最和谐。人类只能在适应自然变化的过程中求得生存，在探索自然奥秘的过程中变得聪明，在掌握自然规律的过程中进步发展。  不管你是学什么做什么的，也不管你是男女老少，只要你生活在这个地球上，你自觉不自觉都得接受自然变化的洗礼，问津千奇百怪的自然现象，人们的衣食住行、吃喝玩乐以及谁都要接触的自然环境，无不与地球有关，无不与地球科学有关。 地 球  在一连串的问号中，人们首先要溯本求源：地球是怎样形成的？生命是怎样诞生的？在太阳系的八大行星中地球是老是新？为什么只有地球上有人类生存？走过近 46 亿年历程的地球处于成长的哪个阶段？其发展前景会是什么样子? 科 学 1 地球有生命吗？ 地球是有生命的星体，高山是它的骨骼、流水是它的经络、岩浆犹如它的血液、地震显示它的脉搏，每当地震或火山爆发，看似静止沉睡的大地暴跳如雷，那雷霆万钧之势，展示了巨大的能量，这能量从何而来？又是怎样聚集和释放？  火山爆发
 地月系统  元素周期表 地球的资源会耗尽吗？从物质不灭定律来考虑，资源是不会穷尽的，只是要从一种形态转变为另一种形态，一种物质耗尽了必将有另外的物质代替它，物质的循环和演替永远不会终结。许多现今看似没有什么用途的物质。将来会变得有用途。就拿到处可见的玄武岩来说。谁曾想到用它可以拉出细如棉毛和纱锭的丝，进而制作各种特殊材料和产品，用于航天、航空、军事、交通、消防、建筑等许多领域。玄武岩已成为 21 世纪重要的新型、高性能、无污染的绿色材料，让点石成金成为现实。  玄武岩 在那数以百计的元素中包含1700余种放射性同位素（核素），它们以不同的半衰期不停地衰变着，半衰期短的核素在地球形成之前或形成早期就已消亡，而半衰期特长的核素在目前地球年龄的范围内起的作用很小，只有半衰期介于106至1010年之间的核素，如40K、235U、238U、232Th、247Cm和244Pu等，才在地球演化中起重要作用，其中最主要的是235U，它们产生的衰变能为 5.1×1020~23×1020 cal/a（1cal=4.187J），自地球形成以来累计能量为5.85×1030~8×1030 cal，这些能量若集中起来足以使地球熔化，但由于能量积累是个漫长过程，且边积累边释放（如地震、火山爆发），才使地球保持相对稳定。放射能进而转变为热能、机械能等，成为地球运动（包括海陆变迁，地质体的隆升、沉降、增生、剥蚀......）和物质转变的主要动力。随着衰变进行，其母体同位素的质量不断减少，最终走向枯竭，相应的放射性产能减弱，地球的内能减少，进而影响地球的运动活力。  放射性规律 门捷列夫元素周期表自1869年建立已有140余年，除了后人填补了一些空缺位置上的元素外，没有什么大的改变。那么，自然界除了已发现的元素是否还存在其他元素（人工合成元素除外）？不同元素有不同的原子量和克拉克值，在这个星球上富集的元素，在另一个星球上却稀少，它们的丰度为什么相差悬殊？其衰变和分馏特性有何不同？由此对资源的形成和气候环境演变会产生怎样的影响？许多放射性元素是测定地质体年龄的时钟，地球的年龄就是用它们来测量的，不过到目前为止，在地球上仅找到了能测出约40亿年的样品，比地球的初始年龄年轻了近6亿年，这远古的6亿年（距今 46~40 亿年）地球是什么样子？是没有那 6 亿年的物质还是那时的物质没有保留下放射性时钟？当时的物质状态是什么样的？这些至今都是个谜。   通过锆石U-Pb定年发现最古老的岩石，年龄为40-40.3亿年，位于加拿大阿卡斯塔（Acasta）地区，岩性为英云闪长质片麻岩  地球上最古老的，现有确切年龄位40.3亿岁的“阿卡斯塔”（Acasta，岩石产地名）片麻岩 任何事物都有始有终，如果说宇宙已有110多亿年，年仅46亿岁的地球与之相比还处于青壮年。在八大行星的家族中，它可能是最年轻的一个。因为只有它有水、有生命、有火山活动。火山活动是星球有生命力的象征，其他星球，除了土星的卫星I0外，至今已不发生火山活动，显示它们的活力已经退化；已存在的火山迹象表明过去曾发生过火山活动，但不能由此推断当初有火山活动的时候也有水和生命存在。不同的星球有不同的演化阶段和生命过程，即使有的星球上发现了水，也不一定有生命存在。 太阳系的八大行星 2 天翻地覆的时代 在地球演变的46亿年当中，从远古到现今划分出多个时代，如太古代、元古代、古生代、中生代和新生代。每个时代都有其特定的含义、特定的环境，是渐变到突变的重要分界线。当初划分这些地质时代的主要依据是生物印记和构造运动。而现今的研究表明，从低级生物向高级生物进化，乃至人类起源都有许多新发现，包括许多突发事件（如寒武纪生物大爆发）和向古追溯的趋势。那么，有些地质时代要不要重新划分？划分的标志和界限又该为何？在无同位素定年的时代可以以生物为主要标志，而随着科学技术的进步，许多地质时代和地质事件要由多指标、综合因素来确定。 地质年表 在地质历史的长河中，有许多天翻地覆的时代，在这样的时代，自然界发生了根本的改变，除了已经划分的地质时代外，在某个地质时代时期也有一些重要时代值得重视，这些时代相对于漫长的地质历史虽然是短暂的一幕，却代表着一次重要的地质事件和环境突变。 仅就新生代而言，青藏高原隆升是具有全球性的地质事件，伴随着高原隆升出现了多次巨变的时代。如前所述，45 Ma前后，印度板块与亚欧板块碰撞，青藏高原隆升、大陆边缘离散，东亚大陆裂谷系和边缘海（弧后盆地）相继形成，基本上奠定了现代自然格局，这是新生代早期全球发生的最重要地质事件。 35 Ma前后，青藏高原继印度板块与亚欧板块碰撞后，在北部和东部边缘发生强烈走滑和扭曲作用，形成了与高原地体走向近于正交的横断山系，预示着青藏高原可能遭受到来自西方阿拉伯板块向东的俯冲作用。 中新世以来青藏高原隆升/生长与亚洲季风演化及亚洲内陆干旱化发展综合示意图 （引自中新世以来我国季风-干旱环境演化与青藏高原的生长 , 第四纪研究, 2006 (05). ） 而阿拉伯板块的俯冲力与东非大裂谷的拉张不无联系，但东非大裂谷的扩张和北端岩浆湖的存在并不像西方某些学者所说的，它预示着非洲大陆将一分为二，在地球上出现第八大洲和第五大洋；南极大陆冰盖在35 Ma前后开始形成，生物界也发生了重大变化，全球进入一个相当长的冰冷期。到13 Ma前后，全球又发生急剧变化，构造活动十分活跃，火山活动遍布全球，此时期是东非大裂谷和东亚大陆裂谷系的主要形成期和青藏高原的重要隆升期，纵贯亚洲大陆东部边缘的郯庐——伊通——依兰断裂，从南到北绵延数千公里，几乎在同一时间发生了一连串的火山喷发，年龄几乎都在13 Ma前后，其岩浆性质也都以幔源的碱性玄武岩浆为主。2.6 Ma是第四纪的开始，全球进入冰冷期，人类在此时进化。 地球的彩色图像 板块构造的不断运动最终形成现在的洲-洋分布格局 纵观地球的发展历程，总是渐变孕育着突变，突变再转化为渐变，每次变化都伴随地质、生物、气候、环境等事物的演变和突变，它们构成一个完整的统一体，相辅相成，互相印证。这些重大地质事件是在某一特定的历史时期发生的，那么，是什么力量，什么因素促使那具有全球性的地质事件发生？ 当前，地球正处于一个比较强烈的活动期，不仅地震、火山喷发等构造运动频繁发生，气候变化也处于高频震荡期，这个时间将持续多长，现在还不好估计，但从自然演变的历史看，有振幅越来越快、周期越来越短的趋势。 3 不必怨天尤人 哥本哈根会议把气候问题吵得沸沸扬扬，似乎气候问题已不是科学问题，而是政治问题，讨论气候也不是科学家的事，而是政治家的事了。人们普遍关注，气候增温将导致一系列自然灾害，而气候增温的导火线是二氧化碳递增，二氧化碳递增则是由人类排放造成的；于是就要追究人类是怎样排放二氧化碳的，这个责任应该由谁负责？表面看来，这样的逻辑有一定的理性，其实，根本的问题还是在于气候变化本身。诚然，二氧化碳增加是引起气温升高的一个重要因素，但气候变化和气温增高并不都是由二氧化碳增加所造成的，而受多种因素制约，其主要因素取决于地球本身。 哥本哈根世界气候大会的标志 2009年12月7日在哥本哈根举行的2009年联合国气候变化大会开幕式 在《联合国气候变化框架公约》第十五次缔约方会议期间，一群人表示抗议前殖民化国家是排放最多二氧化碳的国家。 地球是个巨系统，地能的释放，地质体的变迁，物质的迁移与交换，地球表层地、水、气、生物各圈层的相互作用，地球在自然界中所处的位置和与外界（宇宙）发生的关联，接受太阳辐射的程度等，是引起气候变化的本质所在。试想，一次大的火山喷发（譬如 1990 年菲律宾的皮纳图博火山喷发）要释放出数以千万吨的二氧化硫、二氧化碳等温室气体；而每年要有数十次大小不同的火山喷发，它们释放的二氧化碳等温室气体该是多么可观！ 地球各圈层系统的相互作用 不必怨天尤人。把二氧化碳增加的责任归罪于人类排放，特别是发展中国家的排放，是不公平也不客观的。自然界有许多途径排放二氧化碳，没有人类时也曾有过比现在二氧化碳浓度还高的时期，如白垩纪。众所周知，地球表面约三分之二是水，三分之一是陆地，而在三分之一陆地上有人类居住的地方大体只占二分之一，这就是说，人类活动的范围不及地球表面的20%，它对全球性的气候影响是有限的，最多起到推波助澜的作用。气候变化有其自身的原因和规律，不以人们的意志为转移。这样说，并不是鼓励人类排放二氧化碳，节能减排、实施低碳经济，无论是对气候变化还是社会经济发展都是有益的，应该成为人类的自觉行动。 NASA举行了关于碳在地球未来气候中的作用的简报。（美国国家航空航天局正在推进新的模型，比如在大气中模拟二氧化碳的超级计算机模型，以便更好地了解如果陆地和海洋不能再吸收几乎一半的气候变暖的二氧化碳排放，地球的气候将会发生什么变化。） 2006年8月7日生物圈二氧化碳通量（NOAA碳追踪器） 4 历史会不会重演？ 在漫长的历史长河中，地球发生了千变万化，平地隆起了高山，沧海变成了桑田，气候有过炎热，也有过寒冷……整个自然界以它那固有的频率和步伐向前发展着。历史是面镜子，自然与社会，往往有许多事情惊人的相似，重演。尽管有些生物，譬如恐龙，灭绝了不再重生， 但自然灾害，气候变化却会周而复始地出现，有时来得迅猛，有时来得缓慢，迅猛者让人措手不及，缓慢者又可能使人们放松警惕。在大自然面前，人类显得藐小，无奈。最好的办法是持续不断广泛深入地进行科学探索，认识自然、掌握自然变化规律；人们对自然了解得越深刻，适应自然变化的能力就越强，就能变被动为主动，成为自然的主人。当然，这是个漫长的过程。 美国科学家提出：火山剧烈喷发和小行星撞击的双重打击导致恐龙灭绝（化石网配图） 文章来源：10000个科学难题”地理科学编委会. 10000个科学难题:地球科学卷[M]. 科学出版社, 2010. |
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