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　　“地質學按其性質來說，主要是研究那些不但我們沒有經歷，而且任何人都沒有經歷過的過程，所以要挖掘最后的、終極的真理，就要費很大力氣。”

　　翟明國 · 中國科學院院士

　　科學大咖講科學 | 北京 2021年

　　大家好，我是翟明國。今天我講的題目是“神秘的地球及人類的使命”。

　　地球是我們大家生活的地方，應該是最熟悉的。可是實際上，對于地球的很多知識，大家都感到陌生，所以它是個神秘的星球。

　　近些年來，地球科學及相關問題可以說是“網紅”，比如《侏羅紀公園》講恐龍的滅絕與再現，《流浪地球》講人類向宇宙的逃亡。與其他國家相比，我國對地球知識的普及做得還不夠好，有必要喚起大家對地球知識的渴望。了解地球后，就知道人類對于地球負有神圣的使命。

　　神秘的地球

　　人們見面時常常會問：你是誰？多大了？你從哪里來？要到哪里去？還有一個咱們中國人比較忌諱的問題：你將歸往何處？對地球來說，同樣存在這些問題。

　　地球處于宇宙之中。宇宙是時間、空間、物質（能量）的總和，是一個非常龐大的系統。太陽系是宇宙中的一個星系，地球就在太陽系里面。

　　依次為：初期混沌地球早期開始分層

　　現代藍色地球將來的地球？

　　與其他萬物一樣，地球也有前世、今生和未來。它最初叫“混沌地球”，混混沌沌、沒有天、沒有地。后來逐漸有了分層，有了地核、地幔和地殼，又有了大氣圈、水圈和生物圈，我們稱之為藍色地球。藍色地球會不會永存？它還會演化，最終成為一個未知的地球。

　　地球從誕生到現在是46億年。在這期間，它經歷了驚天動地、翻天覆地或者說造天造地的變化。了解地球，特別是大陸的形成演化是自然科學的核心和王冠，這是一個非常深奧的知識。

　　地球結構

　　地球本身是有圈層的，所以我們說地球是圓的。它的結構就像上圖，由地心至地表依次為地核、地幔和地殼。圈層之間并不是靜止、僵死的，而是相互運動、有生命的。地球內部有巖漿，可以由火山噴出。什么地方火山爆發了，就說明圈層之間在運動。

　　打個形象的比方，雞蛋也有“圈層”：內部是蛋黃和蛋白，外面是蛋殼。雞蛋的結構也不是僵死的：雞蛋核可以慢慢孕育出新生命，從蛋白里吸取營養，最后孵出小雞。

　　萬物的基本形態就是圈層。我們站立在地球表面，因此我們最應該了解的是地殼。

　　這個地殼有多厚呢？它的平均厚度約17公里，其中大陸地殼厚度較大，平均約為35公里。高山、高原地區地殼更厚，最高可達70公里。大陸地殼又可以分為下地殼和上地殼，下層是玄武質的，是基性的，二氧化硅含量比較低；上層是花崗質的，呈酸性，二氧化硅含量高。

　　那么大陸地殼是由什么組成的？是由巖石組成的。巖石有三類，一類叫水成巖，也叫沉積巖，還有火成巖和變質巖，其中火成巖包括火山巖和侵入巖。變質巖是指受到地球內部力量（溫度、壓力等）改造而成的新型巖石。水成巖、火成巖和變質巖都可以再經過變質。這些石頭從地殼淺層“跑”到深處，10公里以下、20公里以下、30公里以下、40公里以下，再次發生變化，不再是原來的結構，而成為另一種礦物。變質巖記錄了地球表層巖石所發生的翻天覆地的變化。

　　巖石又是由礦物組成。礦物有不同的色彩，包括我們平常大家都喜愛的金剛石，紅寶石、藍寶石、祖母綠等。部分礦物還是重要的尖端材料，是我們非常難以人工合成的，能應用于高精度的高科技制造。

　　地殼又分為大洋地殼和大陸地殼。大家所知的海洋下面的這個底，就是大洋的殼。我們所在的大陸，就是大陸殼。大陸跟大洋的面積比大概是3∶7，前者主要集中在北半球。大洋底部跟大陸一樣坑洼不平，也有山脊和洼地。夏威夷群島就是海底山脈中的一些山峰，最高有1萬米以上，比人類所在的陸地最高峰珠穆朗瑪峰還要高很多。

　　地球的運動和運動的地球

　　圈層之間是相互運動的、有生命的。所以我們將地球稱為運動的地球。地球內部有巖漿、有流體，有水在不斷地運動、運移。海可以變成山，山可以變成海。構造運動引發地震，甚至還可以讓一整塊大陸漂移到另一個地方去。

　　地球的運動還有一個深刻的含義：地球不是僵死的星球，它是有生命的，從它誕生起就在一天一天地變老。我寫了一本書《運動：地球的生命密碼》，就介紹了地球的運動。

　　先民對地球的運動都有所知。比如《左傳》中就載有“高岸為谷，深谷為陵”，指的就是高岸變成深谷，深谷變成大土山。還有滄海桑田、麻姑獻壽的故事。麻姑說，她曾看見東海三次變為高山，又三次變為海洋。古人都知道山變海、海變山的道理。所以當大家登上高山，看見山頂上的石頭含有魚類化石，一點兒都不用驚奇。因為那個地方在很多很多年前曾經是海，后來變成了陸。

　　古人對“地動”也很早就有了解，但沒有完全解開其中的秘密，很多古人都寫了優秀的文章進行探討，比如屈原的《天問》里就有“八柱何當，東南何虧”。意思是：為什么天不一樣高，西邊是高的，東邊是低的呀？解答為東邊柱子倒了。為什么柱子倒了？過去我們有神話，叫“共工怒觸不周山”，這就告訴你地球是運動的。

　　地球“變臉”

　　除了大的運動之外，地球還有規模小一些的運動。我們給了大地震一個詞，叫“變臉”。地震之后，大家一看原來的山變低了，原來有樹、樹倒了，原來有橋、橋斷了，原來的路被錯斷了幾十甚至上百米……這都是地球的變臉。

　　這些照片是在汶川地震1周年拍攝的。

　　日本大地震

　　大家可能都知道日本2011年的大地震引發了海嘯，造成了核災難。

　　地震是地球的一項活動，還有巖漿噴發是大家看得最多的。地震相當于地球的脈搏，巖漿噴發相當于地球的血液。什么時候地球沒有地震了，也就沒有脈搏了，地球就僵死了。所以我們懼怕的不是地震，而是地球有一天會僵死。

　　人們一直在摸索地球運動的規律，其中有一項是由魏格納提出的大陸漂移假說。魏格納是一名德國氣象學家，據說他在屋子里抽著雪茄、喝著咖啡、偶然翻閱世界地圖時，發現一個奇特現象：歐洲和非洲的西海岸遙對北南美洲的東海岸，它們的輪廓非常相似；如果從地圖上把這兩塊大陸剪下來，可以拼接成一個大致吻合的整體。他想它們是不是原來在一塊兒，后來又分開了，于是提出來大陸曾經漂移過。

　　這個假說提出后受到了世人的恥笑，也受到了科學家的批評。他并沒有更多的知識儲備，只是看到了這個現象，做出了圖像解密。后來，魏格納在北極考察時遇到暴風雪犧牲了。50年以后，人們根據大陸漂移學說創造了板塊構造理論。

　　超級大陸—盤古大陸（左）與現在（中）

　　板塊構造理論就像一個巧巧板拼圖。在2.5億年以前，各個大洲基本上是連在一起的，后來逐漸分開了、漂開了，成了不同的大陸，就是現在的樣子。

　　有科學家根據現在板塊漂移的速度，認為再過2.5億年大陸又會重新匯聚一次，就像上面那張圖所表示的。

　　當然這是假說，還需要證實。但這個證實我們都看不到，大家也都看不到2.5億年以前。但這個推測并不是胡亂說的，是根據現在的觀測、記錄推算出來的。歐亞板塊運動的速度有多快呢？相當于我們一年不剪指甲，新長部分的長度就相當于歐亞板塊每年運動的距離。

　　板塊構造的深刻道理包括地幔對流、洋底擴張。就像左邊這張圖，紅色巖漿不斷噴出來往兩邊走，形成洋底擴張。右上方是板塊俯沖，右下方是歐洲和北美曾經有一條連續的山脈。

　　板塊學說是上世紀六七十年代最偉大的一項自然科學貢獻，現在這項科學仍在繼續發展。由它我們可以知道地球有三大科學問題：

　　第一，地球的板塊構造是怎么回事？什么時候有板塊構造？是地球剛形成大陸就有，還是后來才有的？這個板塊構造會不會永遠有？以后要不是板塊構造會是什么構造？第二，大陸是不是從來就有的？它是怎么長成現在這么大的？第三，水和氧氣是什么時候形成的？地球現在的環境是什么時候定型的？

　　這三大科學問題在地球科學研究中非常前沿，全世界科學家都在關注。在這些問題中，我專門拎出來一個問題：大陸是如何演化的。大陸演化太重要了，在各個國家的地球科學白皮書中，第一項課題都是大陸如何形成、何時形成、怎么演化的。

　　大陸如何演化

　　大陸為什么重要？因為我們人在大陸上生活。沒有大陸，那我們可能就成了水生動物。此外，只有大陸能夠記錄地球演化的歷史。雖然海洋下也有地殼，但洋殼每2-3億年就會循環一次，通過俯沖所形成的洋脊殼幔的循環就消失了，變成了新的。大陸殼則從誕生一直保留到現在，如果我們要想了解地球的歷史，就要研究大陸。

　　杰克山鋯石（上）

　　石英礫巖（下）

　　我們通過研究巖石，就能發現大陸的年齡。中國最早的石頭是38億年；世界上最早的石頭來自澳大利亞的杰克山，那邊的石頭里有一種礦物叫做鋯石，可以用它來做同位素研究，進而確定它的年齡。

　　它的年齡是多少呢？44億年，因此大陸形成了44億年，因為這時才形成規模的大陸殼。地球的年齡還需要向前推一兩億年，46億年就是我們現在所知道的地球年齡。

　　那么接下來有一個新問題：大陸是這時候形成的，大洋是什么時候形成的？答案是不知道。因為現在的科學還沒有足夠的證據證明是先有陸還是先有洋。

　　巖漿洋階段，44億年前？

　　如果先有洋，我們假設一個硅酸鹽的洋，就像圖中的紅色“大洋”，其中二氧化硅占比大概有40%-52%。這個洋如果可以在上面分異出一個陸殼，下面分異成地幔，就可以解釋陸殼的成因。但是這個模式在地球上不行，對月球倒可以用。因為月球上面的陸殼是斜長巖殼，而地球大陸是花崗巖殼，所以行不通。

　　假設先有洋殼，通過洋殼俯沖到一定深度時再部分熔融，熔出來的部分變成陸殼。部分熔融的意思就是熔化一部分，容易熔的熔化了，不容易熔的沒熔化。但這也遇到很大困難，計算模式存在問題。

　　所以到目前為止，大陸究竟如何形成還是一個謎，有待于繼續解答。其實有很多假說和證據，我沒有時間給大家展開，它們也都發表在世界頂級的雜志上。

　　其實，除了44億年以來的大陸，46億年以來的地球每一個階段都有很多謎。

　　地質年表

　　現在我們通過地質年表來了解地球基本歷史：45.6億-38億年前這段叫冥古宙，38億-25億前是太古宙，25億-5.45億前叫元古宙，從5.45億前到現在叫顯生宙。每一個階段、每一個事件都有科學家在研究、在追蹤。

　　顯生宙階段可以用化石記錄地層了，這是我們看到的地質時代分布，從三葉蟲一直到恐龍滅絕。

　　地球從陸核到大陸、從無板塊構造到有板塊構造、從無氧到現在有氧，將來還會怎么樣？還會不會變成沒氧？這都是人們要討論的問題。所以我們講整個地球的演化是從熱到冷，什么時候地球完全涼了，地球就“死”了。地球特別熱的時候沒有生物，等到了合適的溫度才開始有生物；等到再繼續冷了又沒有了。這就是地球的演化歷史。

　　地球的命運會是什么？

　　地球的演化歷史引出地球的命運。地球是有生命的，它的命運是什么？我小時候聽別人說，地球越來越熱，在將來它會爆炸。現在我知道了，地球不是越來越熱，而是越來越冷，地球的命運不是爆炸，是僵死。

　　講地球命運的時候，我們要把地球放到宇宙、放到太陽系里。太陽系里有很多星球，太陽是恒星，還有很多行星，有些行星還有自己的衛星，比如地球的衛星就是月亮。

　　什么叫行星呢？行星是可以運動、圍繞恒星轉動的星球，我們又可以把它們分為類地行星和類木行星兩類。類地行星與地球大同小異，比如它也有可能有核、幔還有外面的殼，成分以硅酸鹽為主。類木行星則是一種氣體大行星，木星、土星就是典型的類木行星。

　　八大行星中水星、金星、地球、火星是類地行星，在這里我也把月球當成行星介紹。我們研究最多的就是月球，因為它是地球的衛星，離地球最近，并且跟地球很相像。我們了解行星也好、了解衛星也好，都是為了更好地認識地球，研究地球怎樣演化，預測地球將來變成什么樣，這是人類非常重要的任務。

　　先不說地球對于人類生存多么重要，光說一個人在地球上生活，不知道地球什么樣、不知道地球多大年齡、不知道地球的結構，那在地球上生活得太迷茫了。所以我們要了解星球、了解行星、了解地球。

　　火星（Mars）

　　火星距太陽比較近，是第7大行星。火星是目前人類比較關注的星球，它上面也有氣體，但是氣體非常稀薄，只有地球的1%。它看起來很溫柔、顏色很淡，是因為能量少、光線少。火星非常干燥，還非常寒冷，平均表面溫度只有零下63度。不管是水、二氧化碳還是其他氣體，它們到了火星上都會變成固體，因此火星上不可能有比較高等的生命。我看到有的文章說：我們好好研究火星吧，將來地球不能生存了，我們就坐上火箭，大家都到火星上去生活。這個故事愚人節可以講，畢竟火星早就比地球更不能生存了。

　　金星（Venus）

　　金星是離地球最近的行星，大家都很喜歡它，西方人管它叫維納斯女神，中國人管它叫太白星。金星的亮度僅次于月球，在黎明前出現在東方天空，被稱為“啟明”；黃昏后出現在西方天空，被稱為“長庚”。它的能量非常多，溫度很高，地表溫度最高能達到480多度。不要說高等生命了，什么生命在這樣的高溫下都不可能生存。所以金星是一個熾熱的琢磨不透的星球，同時它外表面都是硫酸云。

　　我們最喜歡看、了解最多的是月球。月球完全沒有能量，月光全部來自太陽。月球亮的時候很漂亮，但它只是一個“僵尸”。

　　地-月撞擊說

　　月球是怎么形成的呢？有一個理論叫地-月撞擊說：在地質歷史上有一天，一個火星大小的物體撞擊地球，撞完了以后它們的物質彌漫在太空里部分相連，你中有我、我中有你，后來最終又分開了，由此產生月球。這個學說至今還占據主流。

　　我們為什么研究月球？它能不能給地球的演化提供信息？雖然現在月球“死”了，但它相當于地球的一張老照片。

　　月球也是分層的，有月幔、月核、月殼，但是跟地球有很大差別。它不是洋-陸構造，而是撞擊坑構造，我們看到的黑圈就是撞擊形成的。白色部分是月球的“陸地”，叫斜長巖高地；黑色部分就是“洋”，是隕石撞下來后月幔熔融、巖漿噴發形成的海。

　　月球表面撞擊過程：月球表層的隕石撞擊

　　很多撞擊都發生在四十幾億年前，那時月球表面炙熱，撞出的坑都是紅色的，再逐漸地冷卻成現在的樣子。現在隕石還在不斷地撞擊，月球有生命的時候會撞擊出海，沒有生命后就只有撞擊坑，也就是我們看到的月球的隕石坑。

　　月球最古老巖石

　　那么月球的年齡有多少？它的斜長巖陸殼年齡是44億年，與地球上最老的花崗巖一樣。

　　月球巖石樣品

　　月球的巖石樣品跟地球的巖石樣品是有差別的。除了斜長巖以外，它還有玄武巖。玄武巖比較常見，大家去五大連池、長白山都可以看到。但月球還有地球上無法見到克里普巖，它是一種含鉀、稀土元素很高的巖石。另外，月球上沒有地球上最主要的陸殼巖石類型——花崗巖。

　　雖然月球跟地球有親密的關系，但它們的演化歷史很不相同。月球是撞擊構造，沒有海洋、大陸，自然也沒有進入板塊構造階段。

　　我們看到一期又一期的隕石撞擊月球，就是一期一期的月球演化。后期的撞擊坑覆蓋了前面的，科學家對它們進行探索，通過最年輕的月海計算出月球何時“死亡”。

　　中國的嫦娥五號就取了月壤樣品，算出它的年齡是20億年前。過去認為大概31億年前月球就死了，那么這次年齡定下來，可能到20億年的時候才死。月球“死亡”是什么概念？即沒有生命、沒有能量、沒有地震、沒有巖漿，什么活動都沒有了。

　　接下來來看行星“由生到死”的歷程，這里我把月球也當成一個行星。月球長的太“著急”，由于內部的能量消耗殆盡，20億年前就完全死掉了。

　　下面是火星行將入木，顏色暗淡，已經沒有大氣和水。

　　地球處于壯年期，有水有氧氣，生氣勃勃。它還有多長時間才會到達月球的狀態呢？大約45億年。像這樣一個由生到死的歷程就是地球的宿命。

　　再往后看金星，我們可以說金星是一個“災變星球”。它很年輕，現在還很熱，將來可能慢慢變涼，變成另一個地球。但也有一種說法，金星在8億年前曾經歷了一個災變事件，原有的大氣和海洋都逃逸了。所以我們研究金星有兩個方向：看金星可不可能繼續演化，變得越來越涼、越來越適合生存；如果是災變的，那如何看待災變事件的發生？這對我們預警地球提供一些新的根據和資料。

　　地球會永遠宜居嗎？

　　地球是太陽系中最幸運的行星，具備“四個唯一”：唯一有宏觀水和氧氣的星球，供萬物生長；唯一充分演化到現在狀態的星球；唯一有生命、有林草樹木的星球，同時它是唯一有可以駕馭世界的高等動物——人類的星球。

　　地球早期沒有氧，那么什么時候產生的氧？早期沒有水，哪兒來的水？這是地球科學需要認真研究的。

　　地球歷史上兩次大氧化事件

　　目前人們認識到地球有兩次大的氧化事件，一個是GOE（古元古代氧化事件），發生在大概到23.5億-22億年前；還一個叫NOE（新元古代氧化事件），發生在6億-7億年前。這兩次大氧化事件使地球上的氧發展到現在的水平。

　　歷史上的地球大變臉

　　氧是從何而來的？它怎么會突然升高？有很多假設，其中有一個叫雪球假設。7億年前地球叫雪球地球（Snowball Earth），從赤道到兩極都是冰雪覆蓋，后來二氧化碳發生變化，冰融化導致了氧氣的出現。

　　右圖藍色階段為雪球地球時期

　　這種災變為地球帶來幸運，5億多年前出現了寒武紀生命大爆發，逐步演化為現在地球的繁榮。再早些時候，第一次大氧化事件導致真核生物的誕生。

　　這是個地球的演化的過程，氧首先是地球自己演化的。深層的演化關系：從核到幔逐漸把帶有氫氧的物質弄到地球表層上來。也有可能是災變，如其他星球撞擊造成水和氧。原因應該不是單一的，得有不同的來源：比如像氮氣，深部怎么能分解出這么大的量？現在還不能完全把它算出來，算來算去加起來以后這個數量總是不對，可能還有這樣那樣的問題，就是它們得有不同的來源，有深部的，還得有天體碰撞的。

　　地球歷史上兩大氧化事件給地球帶來了現今的繁榮，氧氣濃度的變化造成了動物的進化。動物不斷地出現，從最早的微生物一直到高級生命，這是不是永遠恒定地演化？每天都是這樣演化過來的？不是，是跳躍式的發展。在有了比較高級的生命之后，還會發生氧的突然降低與升高，地球歷史上多次生命大滅絕都與此相關，如恐龍大滅絕。

　　氧氣濃度變化與物種滅絕

　　高等生物大滅絕是因為地球環境的變化，地球環境的變化也是地球演化的一種表現。變化的原因可以是像火星或者其他星球一樣，受到太陽系中的一些變化的影響；另外還有地球自己本身的結構、巖漿構造活動的變化都可以造成。

　　水的來源及演化

　　那水是怎么來的呢？在44億年前的鋯石里就發現了水的作用，但是不是宏觀水還不知道。右下圖能看見厚厚的巖層，它們都是水里沉下來的巖石，所以那時是有宏觀水的，39億年前就有宏觀水。我們仍然要研究宏觀水，研究地球的演化規律：構造的演化、礦物的演化以及生物的演化，演化是地球重要的科學前沿。

　　礦物與微生物隨時代的演化

　　地球的演化像其他類地行星一樣，遵循著客觀的演化規律：地球內能的消耗規律，還受到太陽系運動的影響。人不能從根本上來改變這個演化進程。地球本身也遵循著從不宜居到宜居、再到不宜居的演化模式。太陽系中沒有比地球更宜居或者今后更宜居的星球。在46億歲地球演化的長河中，顯生宙只有5億多年，而約5萬年前才出現晚期智人。人類有足夠的時間了解地球，繼續探索、掌握更多的科學知識。

　　我們的神圣責任與使命

　　了解地球如何演變之后，我們有哪些神圣的責任和使命？

　　人類向地球的索取與消耗帶來了三大問題：人的生存環境、人類的資源問題、地質災害和人為災害。這就形成了一門新的科學——人地關系學。

　　首先要認識地球客觀的規律，其次遵循地球客觀的規律，最后在遵循客觀規律的基礎上合理利用地球資源，在人類可能的范圍內保護地球的表層環境。

　　人在地球上生活，生存和發展都離不開地球資源，這條無法改變。人類歷史經歷了石器時代、青銅器時代、鐵器時代，再發展到能源時代和電子時代，沒有自然寸步難行。