學者提出全新地球演化與全球變暖假說:地球大龜裂

岡瓦那大陸2億年前裂解

　　唐春安

　　地球演化究竟是怎樣進行的？全球變暖的主要動因是人為因素還是自然變化？這些都是目前科學界熱衷討論的前沿問題。隨著聯合國氣候變化大會召開的臨近，這些問題也更加受人關注。實際上，人類進化歷程中的每一個關鍵時期，都可以看到全球氣候變化的影響。(參閱今日20版《氣候變化影響文明盛衰？》)

　　近年來，大連理工大學唐春安教授提出了一個全新的地球演化與全球變暖假說——「地球大龜裂」，也稱「鍋蓋理論」，引起了很多人的關注。雖然這是個假說，有些看法還和主流觀點相悖，但科學正是通過大膽猜想和探索而不斷前進的。現特邀唐春安先生就這個假說，向讀者做一個簡明通俗的解讀。

　　板塊構造假說已經提出五六十年，並被地球科學界基本不加懷疑地接受。但是，板塊構造假說並不是一個有關地球演化歷史全周期的理論。它所描述的板塊，只是魏格納大陸漂移後形成的格局，只有近2億年的歷史。在太古代地球演化的早期，地球處於液態演化階段，沒有巖石圈。當時的地球表面只有可以隨意流淌的熔巖。沒有大陸，沒有海洋，沒有生命。地球演化過程不僅涉及板塊形成、漂移和俯衝，還涉及地殼形成、海洋誕生、火山與溢流事件、生物演化與滅絕、雪球事件與冰河期及全球變暖等諸多重大地質事件。地球為什麼時而冷若冰霜、時而熱如煉獄？它們之間究竟有沒有內在聯繫？板塊構造理論並不能很好地回答。

地球演化過程中的溫度周期變化示意圖

　　地球形成固態地殼 好比火鍋被蓋上了鍋蓋

　　對於地球系統的演化而言，由於地球系統屬於內能外洩型的巨型宏觀開放系統(以地球形成初期原有的熱能和半衰期可達數十億年的放射性元素衰變熱為主，伴隨有太陽能的輸入和地球輻射熱的輸出)，任何地質作用過程都是地球內能耗散的過程(即熵增加)。

　　地球從形成初期的熔融液態演化到具有巖石圈的固態地球，其中最重要的標誌，就是地球的液態表面因冷卻發生相變，形成了固態地殼。這一過程好比逐漸變冷的火鍋被蓋上了鍋蓋。鍋蓋效應，導致地球像高壓鍋反覆噴氣一樣(即鍋內溫度、壓力會周期波動)產生溫度的周期性變化。地球誕生、成長和消亡的全生命周期中，地殼的形成、裂解、聚合，曾多次像鍋蓋一樣封閉地球。這種巖石圈封閉地球的作用必然引起地球內部升溫，從而產生高溫、高壓的積累。經過漫長地質年代的間歇期，以地球內部放射性衰變為主的熱積累，必然造成巖石圈的逐漸膨脹，從而引起地殼應力增加，直至地殼破裂，造成地球內部的熔巖災難性地爆發，並以猛烈的形式向太空釋放熱量，成為地球變冷的本質原因之一。

泥團乾裂

　　只要地球不斷膨脹 就逃脫不了以龜裂形式脹裂

　　龜裂現象隨處可見。池塘乾裂、陶瓷冷縮等等，都會因為表面層產生拉應力而形成龜裂。龜裂也會在不同尺度上發生。如6億年前的細胞分裂、孩童玩耍的泥團，甚至地球表面的洋中脊裂谷系。

　　龜裂是一個力學系統以能量最小、路徑最短原理形成多邊形裂紋的臨界自組織現象。球殼破裂行為的研究，可能對於解釋板塊構造和大陸裂解有重要的指導意義。當人們重構岡瓦那大陸在2億年前裂解初期的塊體邊界分布時，發現由2萬多公裡長的裂縫所組成的多邊形塊體令人稱奇的規則。不僅如此，當分析勞倫古陸從勞亞古大陸分裂的情況時，人們也發現了類似的「幾何多邊形」現象。

　　運用數值計算方法，可以模擬球殼在內部溫度上升過程中膨脹並產生表面龜裂的現象。根據模擬結果可以推測，地殼在溫度膨脹(特別是熔融擴容)作用下的力學狀態，完全能夠滿足產生地殼龜裂的力學要求。只要有關地球內部放射性衰變產熱的假說成立，地球在內部溫度作用下膨脹的事實就不可否認。那麼，只要地球不斷膨脹，就終將逃脫不了以龜裂形式脹裂的命運。這一發現的重要科學價值在於，它為地球演化歷史中可能出現全球尺度或超大陸尺度的地殼裂解找到了一種理論解釋，從而可能為全球尺度的冰期、地球變暖乃至生物大滅絕等災害事件，提供了一種新的驅動機制解。

　　地球破裂造成的熱平衡波動 致冰河期形成

　　根據地球大龜裂假說，可以發現地球大破裂具有兩種製冷效應。第一種是大龜裂誘發大規模火山噴發或玄武巖溢流，從而造成大量釋放熱量。根據能量守恆原理，地球內部逐漸積累的熱量不能補充因地殼快速破裂而損失的熱能，地殼變冷勢在必然。第二種制冷機制，涉及大龜裂造成地殼底部大規模降壓。這種大規模降壓可能產生大規模降壓熔融。而熔融是一個吸熱過程，降壓熔融過程中的吸熱，必然導致周圍地殼降溫。降溫的高低，則與地殼破裂的程度有關。

　　因此，根據地球大龜裂假說，冰河期的形成可能與地球自身破裂所造成的熱平衡的波動有關，是地球大龜裂的必然結果。資料表明，新元古代冰期就是發生在羅迪尼亞超大陸裂解之時或之後。有學者認為超大陸裂解是形成這次冰期的直接原因之一。

　　生物大滅絕事件 可能與地球大龜裂有關

　　對於地質歷史上出現的多次大規模滅絕事件的原因，學界一直眾說紛紜。其中一次最著名的滅絕事件導致了恐龍的消亡。較為主流的觀點認為，大約6500萬年前一顆小行星撞擊了地球，導致了這場浩劫。但是波士頓大學的馬修·傑克森和他的同事們提出了另一種觀點，他們認為當時大量的巖漿通過裂隙噴出地表，從而抹去了地球上無數的生命。如印度的德幹玄武巖區形成的時間，恰好與恐龍滅絕的時間相符。地球大龜裂造成地球演化過程中的熱-冷轉換，必然間歇性地打斷生物演化的進程，造成可能的全球性生命浩劫。

　　越來越多的證據表明，地質歷史上出現的許多大滅絕，似乎都和規模巨大的巖漿噴發活動同時出現。大約2.5億年前，地球上海洋生命的95%、陸地生命的70%慘遭厄運，科學界稱之為「二疊紀末大滅絕」。有關這次滅絕的原因，我國學者金玉玕等早在2000年就在《科學》雜誌撰文，認為大規模巖漿噴湧活動是這次大滅絕的元兇。他們發現，大滅絕在不到50萬年的時間裡發生，並與西伯利亞玄武巖溢流事件的時間吻合。加拿大卡爾加裡大學研究人員的研究成果也再次證實了這個答案。他們認為，造成二疊紀末大滅絕的原因，就是大規模的火山爆發導致海量的碳燃燒，由此產生的有毒煙霧雲對全球陸地和海洋產生了巨大而廣泛的影響。

　　如果地球大龜裂假說所推論的溫度周期模型正確，那麼，不僅可以容易地推定生物滅絕事件與地球大龜裂造成的巖漿活動有關，而且可以推定，在生物的演化進程與溫度周期之間，也應該存在密切的聯繫，這為從地球熱周期活動出發研究生物進化與滅絕的規律提供了新的思路。

　　大陸漂移與停滯 應該與溫度周期相關

　　地質學家張祖還先生早就計算過，如果沒有其他放熱機制幹預，只要經過幾億年的積累，地球內部的放射性衰變熱就可使整個地殼達到熔化程度。因此，即使通過地球破裂可以釋放熱量，但在地球出現極端高溫時，部分薄殼發生熔融是可能的。

　　斷定14億至13億年及2億年左右，地球曾經出現過薄殼熔融是地球大龜裂模型中的一個大膽推測，並認為這是大陸可以產生漂移的基本前提。儘管目前還難以找到令人信服的證據來證明這一點，但通過對地球演化過程中地層鋯含量分布的分析，對於14億到13億年間和2億年左右地層鋯石含量分布極少的事實，只有大膽地假設地球一定處在罕見的極端高溫時期，才能更好地理解。這兩個「罕見的極端高溫」階段，很可能出現過部分薄殼熔融。如果這個命題成立，那麼，魏格納的大陸漂移問題就迎刃而解了。

　　根據地球大龜裂模型中的溫度周期假設，既然地球進入高溫期可能出現局部熔融，進入寒冷期則會出現再次凝固。那麼，大陸漂移的速度應該與溫度周期相關。當地球進入高溫期時，巖熔活動活躍，大陸可以裂解、漂移。而當地球進入寒冷期時，巖熔活動停滯，大陸的漂移也可能出現停滯。這一推斷與美國華盛頓哥倫比亞特區卡內基研究所的兩名研究人員西爾韋和貝恩在《科學》雜誌報告的成果是一致的。他們經過研究發現，大陸並不是一直在運動，板塊構造運動曾有過全部停止的時刻。他們通過調查鈮、釷和氦的兩種同位素在古巖石中的分布情況，這些元素都是地球內部溫度隨著時間流逝而逐漸冷卻的可靠指標。這一冷卻過程很可能意味著板塊構造活動的相應減緩或停止。

　　特別觀點

　　地球變暖或並非二氧化碳所致

　　近年來，許多氣候學家都將大氣變暖的原因，歸咎於人類活動產生的二氧化碳等溫室氣體。然而，縱觀地球演化的歷史，曾多次出現與地球高溫周期相對應的碳循環，因果並未定論，至少不是人類活動所致。

　　資料表明，造成氣候變暖的溫室氣體效應中，二氧化碳的比例只佔0.117%，而水蒸氣的比例則高達95%，是二氧化碳的800多倍。因此，有人認為，綜合考慮水蒸氣凝結相變輻射和大氣中水蒸氣的熱容量，二氧化碳的大氣溫室效應完全可以忽略不計。基於這一分析，我們完全有理由懷疑全球氣候變暖的原因是人為二氧化碳排放的增大所致。

　　如果上述結論正確，那麼全球變暖一定另有原因。根據北京石花洞石筍重建的溫度記錄，在兩漢、隋-盛唐、宋-元和現代幾個溫暖時期，特別是從15世紀小冰期以來，北京地區溫度就一直波動上升。《科學》雜誌發表的全球多個採樣點500年來全球溫度變化的樣品分析數據也表明，早在工業革命以前，全球氣溫就已經從小冰期返回並不斷上升，說明除了工業「溫室效應」這個原因之外，更為重要的原因則是自然背景的地球內部的熱量積累。這種地球內部的熱量積累，波及到地表，就是人們所感受到的全球氣候變暖。

　　地球內部變暖誘發冰蓋底部融化現象，可能說明南極冰蓋融化是地球變暖而非氣候變暖的重要證據。在南極大陸厚達數千米的冰層覆蓋之下，目前已經探明至少有200多個地下淡水湖泊，包括最近俄羅斯科學家在南極鑽探發現的世界第三大淡水湖——東方湖。這些千米冰蓋之下的淡水湖，可能是地球內部變暖的重要證據，即冰川的消融首先從接觸地面的冰蓋底部開始，因為來自地球深處的增溫，首先是通過地層與冰蓋的接觸面進入冰蓋的。

　　事實上，地質科學家已經發現，南極西部冰原不僅處在一個火山活動帶，而且在南極西部冰蓋下，存在著一個比美國科羅拉多大峽谷更長、更深的巨型峽谷。正是這條大峽谷，將地殼中的熱量源源輸送到冰蓋底部，造成冰蓋底部融化。這可能是南極西部冰原融化的最主要原因。

　　格林蘭冰原因巖石圈變薄而引起冰蓋底部融化並向海洋注水的例子，也可以成為地球內部變暖的證據。

　　(如詳細了解地球大龜裂理論，可參見《前沿科學》2015年第二期《地球大龜裂：地球演化動力學新思考》一文)