受探測(cè)技術(shù)手段的限制，“深地”仍是一個(gè)巨大的謎團(tuán)。一切對(duì)于礦產(chǎn)能源的技術(shù)應(yīng)用，僅限于地殼一層。一個(gè)更形象地比喻是：如果把地球比作一個(gè)雞蛋的話，萬米深鉆連雞蛋皮都沒鉆破!

“天問一號(hào)”探測(cè)器正在奔向火星的路上。人們對(duì)這一壯舉充滿期盼——邁向火星，人類將努力把它改造為宜居家園。

天文學(xué)家認(rèn)為，行星的宜居性取決于它與恒星之間的距離。

但金星、火星和地球同樣位于太陽(yáng)系宜居帶，為什么只有地球生機(jī)勃勃?

地球科學(xué)家認(rèn)為，地球成為太陽(yáng)系唯一有生命的星球，原因在于它的“內(nèi)秀”。

挺進(jìn)“深地”，探究地球演變機(jī)理，找到宜居的秘密，才能將地外行星收入囊中。

“深地”時(shí)?？战刁@喜：

一座巴西火山噴發(fā)，“吐出”成堆鉆石，研究發(fā)現(xiàn)，鉆石來自地幔;

一塊地球同時(shí)期的隕石“露富”，有研究預(yù)測(cè)，地核中存儲(chǔ)了超過全球儲(chǔ)量99%的黃金;

……

相比寶藏，更令科學(xué)家心醉的是地球內(nèi)部有它宜居的秘密，這將成為征服宇宙的起點(diǎn)。

隨著科技實(shí)力的大幅躍升，探秘地心的計(jì)劃正在變成事實(shí)。各國(guó)雄心勃勃，世界主要大國(guó)均對(duì)“深地”探測(cè)與地球宜居性的研究給予高度重視。

中國(guó)的地球科學(xué)家們也正在推進(jìn)“深地”科學(xué)研究，他們通過對(duì)地幔、地幔過渡帶、核幔邊界甚至更深的地核研究，來深度解析地球，研究地球如何通過幾十億年的演變變得宜居。他們認(rèn)為，只有懂得地球內(nèi)部發(fā)生了什么，才能在地外空間尋找到宜居星球。

一半是“火焰”一半是“海水”，地球是個(gè)“雙子座”

明麗的藍(lán)色，不慌不忙地旋轉(zhuǎn)……宇航員眼里，地球?qū)庫(kù)o瑰麗;

沉穩(wěn)山巒、斑斕靜秋、廣袤大地、無垠大海……地表居住者眼里，地球固若金湯、沉穩(wěn)矯健;

俯沖、跳變、噴薄、粘滯……在深地研究者眼里，地球簡(jiǎn)直是名“跑酷”選手，它的運(yùn)動(dòng)形態(tài)不僅多樣，還極具變化。

哪個(gè)是最真實(shí)的地球?地球其實(shí)是個(gè)“雙子座”，表面的沉穩(wěn)是“假象”。

“它的動(dòng)是與生俱來的。”中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所所長(zhǎng)徐義剛研究員說，地球自形成之始經(jīng)過數(shù)十億年的演化，逐漸從相對(duì)均一、熾熱的行星演變成具有良好層圈結(jié)構(gòu)、生機(jī)勃勃的宜居星球，其根源在于擁有活躍的地球內(nèi)部。

“地球如果不動(dòng)，它就死掉了。”中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院教授李忠海說得更直接。

地球的動(dòng)，帶來了活力，帶來了四季分明，但地球的動(dòng)遠(yuǎn)不止帶來了“風(fēng)、花、雪、月”，在地表之下，地幔、地核的運(yùn)動(dòng)才是地球生機(jī)盎然的源泉。

最初的地球、火星、金星十分相似，到了40億年—35億年前它們開始分道揚(yáng)鑣：

金星發(fā)生了失控的溫室效應(yīng)，它的表面溫度高達(dá)470攝氏度;

火星發(fā)生了失控的冰室效應(yīng)，表面平均溫度零下55攝氏度，大氣密度相當(dāng)于地球的1%;

而地球，最終擁有了充足的含氧大氣，和生物接受范圍內(nèi)的相對(duì)恒定的表面溫度。

地球發(fā)生了哪些變化?徐義剛舉了個(gè)例子，在大約二三千萬年前，地球大氣中二氧化碳的濃度從2000ppm下降到500ppm(人類在二氧化碳濃度為1000ppm時(shí)開始感覺困倦)。

“在現(xiàn)有的知識(shí)體系下，溫室氣體的大量減少本應(yīng)導(dǎo)致全球溫度的下降，但事實(shí)上那時(shí)全球的溫度基本沒有發(fā)生變化。”徐義剛說。

“自相矛盾”的現(xiàn)象接二連三地出現(xiàn)。例如，現(xiàn)在普遍認(rèn)為地球上的氧氣是由海洋微生物釋放而來，但從30億年前海洋中已經(jīng)有藍(lán)細(xì)菌和產(chǎn)氧的光合作用，而大約25億年前地球大氣才開始出現(xiàn)可觀的氧氣。

“地球表層系統(tǒng)的研究已經(jīng)非常深入，但難以回答多個(gè)矛盾事實(shí)出現(xiàn)的原因。”徐義剛說，“探究未解之謎，我們不能忽略地球深部是一個(gè)巨大的生命元素儲(chǔ)庫(kù)!”

儲(chǔ)存、運(yùn)轉(zhuǎn)、釋放、運(yùn)轉(zhuǎn)、再儲(chǔ)存。地球內(nèi)部在“跑酷”!跟著一起的，還有各種生命重要元素發(fā)生著流轉(zhuǎn)。或許，上述沒有帶走熱量的二氧化碳轉(zhuǎn)向了地球內(nèi)部，而地球本身的反應(yīng)維系了整個(gè)溫度的平衡。

“‘深地’與淺表的聯(lián)動(dòng)機(jī)制正成為新的學(xué)科制高點(diǎn)，各國(guó)競(jìng)相布局，均在爭(zhēng)取率先突破”

學(xué)術(shù)界開始意識(shí)到，地球內(nèi)部碳、氫、氧、氮等生命元素的動(dòng)力學(xué)過程，深刻參與了整個(gè)地球生命的循環(huán)。

“‘深地’與淺表的聯(lián)動(dòng)機(jī)制正成為新的學(xué)科制高點(diǎn)，各國(guó)競(jìng)相布局，均在爭(zhēng)取率先突破。”徐義剛說。

2016年，美國(guó)地球物理聯(lián)合會(huì)和美國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)聯(lián)合發(fā)表的《21世紀(jì)的大地構(gòu)造：一個(gè)宜居行星的動(dòng)力學(xué)》白皮書中指出，“深地”過程及其與生物圈和大氣圈的相互作用在維持地球宜居性方面發(fā)揮了極其重要的作用。

美國(guó)Sloan基金會(huì)和英國(guó)自然環(huán)境研究理事會(huì)也先后啟動(dòng)了“深部碳觀測(cè)”全球重大研究計(jì)劃和“揮發(fā)份、地球動(dòng)力學(xué)和固體地球控制宜居地球”重大研究計(jì)劃。

在美國(guó)研究理事會(huì)發(fā)布的咨詢報(bào)告中，早期地球和地球內(nèi)部動(dòng)力及其與淺部的聯(lián)系被列為重點(diǎn)關(guān)注方向。

全球起跑，中國(guó)也不甘落后——

2009年，國(guó)土資源部組織實(shí)施的《地球深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)》正式啟動(dòng)，標(biāo)志著我國(guó)地球深部探測(cè)的“入地”計(jì)劃拉開序幕;

2016年，科技部啟動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深地資源勘查開采”重點(diǎn)專項(xiàng)，從資源勘探的角度提出深地探索目標(biāo)，并在完成過程中發(fā)展了移動(dòng)平臺(tái)地球物理探測(cè)技術(shù)裝備等;

不久前，在中國(guó)科學(xué)院與國(guó)家自然科學(xué)基金委聯(lián)合開展的“中國(guó)學(xué)科及前沿領(lǐng)域發(fā)展戰(zhàn)略研究(2021—2035)”框架下，“深地科學(xué)前沿科學(xué)發(fā)展問題戰(zhàn)略研究”(2021—2035)獲批立項(xiàng)，研究將促進(jìn)地球科學(xué)與生物、大氣、行星學(xué)等多學(xué)科的深度融合，啟迪創(chuàng)新科學(xué)思想，孕育新的學(xué)科生長(zhǎng)點(diǎn)，推動(dòng)我國(guó)固體地球科學(xué)從跟蹤前沿向開拓前沿的跨越式發(fā)展。

此外，科技創(chuàng)新2030國(guó)家深地探測(cè)重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委深地重大研究計(jì)劃也正在積極部署和組織相關(guān)論證工作。

除了鉆孔，科學(xué)家還有很多間接方法推算地球運(yùn)動(dòng)規(guī)律和物質(zhì)循環(huán)路徑

英國(guó)科幻小說家阿瑟·克拉克在他的短篇作品《地心烈焰》中，描述了一種生活在“深地”的智慧生物，它們是壓縮態(tài)的高密度生命，可以在白熱的巖石間穿行。

儒勒·凡爾納的《地心游記》更是把地心世界描繪地栩栩如生、驚心動(dòng)魄，并刻畫了一條現(xiàn)實(shí)中并不存在的直達(dá)地心的通道。

走向“深地”，小說家發(fā)揮想象，想盡各種遁地方案。現(xiàn)實(shí)中，和深海探測(cè)以及深空探測(cè)不同，研究者們無法通過潛艇或者飛船觸達(dá)，又該如何研究?

我國(guó)科學(xué)家們?cè)岢龃竽懺O(shè)想：在中國(guó)鉆若干口超過萬米的特深鉆孔。這將使我國(guó)的地球科學(xué)研究水平提升至國(guó)際先進(jìn)水平。

除此之外，科學(xué)家們還有很多間接的方法推算出地球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和物質(zhì)循環(huán)路徑。

“地球要運(yùn)動(dòng)，誰推著它?”李忠海說，如果它內(nèi)部沒有一點(diǎn)密度差異，不存在“東重西輕”或“頭重腳輕”的情況，那它是不會(huì)動(dòng)的。

地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)就像有千萬個(gè)“蹺蹺板”。這些“蹺蹺板”的不平衡給地球動(dòng)力，而蹺蹺板的動(dòng)力是因?yàn)榈厍騼?nèi)部各圈層之間特性不同、均勻性不同、萬有引力不同。

李忠海解釋說，如果地球流變強(qiáng)度非常強(qiáng)(“蹺蹺板”銹住了)，轉(zhuǎn)動(dòng)的應(yīng)力導(dǎo)致變形很慢，那么地表的板塊運(yùn)動(dòng)基本上不動(dòng)，沒有新陳代謝，某種意義上說也可以理解為“死”了。

如果流變強(qiáng)度非常弱，地球像個(gè)“散黃蛋”，那意味著地球在固定的驅(qū)動(dòng)力下變形非?？?，俯沖板塊呼呼地從地表下去，下地幔也很快跑上來，這樣的地球可能也不會(huì)變成現(xiàn)在宜居的狀態(tài)。

自上而下的巖石圈板片俯沖和自下而上的地幔柱運(yùn)動(dòng)貫穿和影響著整個(gè)地幔的各個(gè)圈層，這些運(yùn)動(dòng)之間的平衡和規(guī)律值得探究。

“峨眉山、夏威夷、冰島……都是公認(rèn)的大地幔柱，它們很像從地幔延伸出來的‘直梯’，它們?cè)?jīng)或者正在進(jìn)行的噴發(fā)，會(huì)把‘深地’的信息帶上來。”南京大學(xué)教授李高軍表示，人們通過對(duì)這些地區(qū)的巖石的采集分析，能夠?qū)ι畈咳酉嗷プ饔玫臉?gòu)造過程和動(dòng)力學(xué)機(jī)制有所認(rèn)識(shí)。此外，人們還利用地震波的探測(cè)，來“傾聽”來自地下的“動(dòng)靜”。

“最佳論文”引爭(zhēng)議，了解“深地”需要更多探測(cè)手段

“做地球研究太復(fù)雜了，各個(gè)層圈都要涉及。目前掌握的方法和手段仍舊很有限。”徐義剛說，走進(jìn)“深地”迫切需要技術(shù)創(chuàng)新。

我國(guó)科學(xué)家在這個(gè)領(lǐng)域取得了較領(lǐng)先的進(jìn)展。例如金屬穩(wěn)定同位素示蹤的方法，讓追蹤地球深部“跑動(dòng)”痕跡逐步可視化。

“我國(guó)科學(xué)家率先開創(chuàng)鎂—鋅同位素示蹤技術(shù)。”中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)教授李曙光說，由于發(fā)現(xiàn)海底沉積的碳酸鹽巖與地幔巖石存在著巨大的鎂同位素差異，2012年，團(tuán)隊(duì)率先提出利用鎂同位素揭示地球深部?jī)?chǔ)存的沉積碳酸鹽巖。

2017年，利用鎂同位素示蹤技術(shù)，李曙光團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)中國(guó)東部上地幔是一巨大的再循環(huán)碳庫(kù)。

“我們發(fā)現(xiàn)了我國(guó)東部地區(qū)出現(xiàn)了鎂同位素異?，F(xiàn)象，異常區(qū)域恰好與地震層析成像所揭示的西太平洋板塊向中國(guó)東部大陸下俯沖，在地幔過渡帶滯留的俯沖板片分布區(qū)完全重合。”李曙光說。

輕鎂(一種異常的鎂元素形態(tài)，與碳結(jié)合能形成碳酸鎂等物質(zhì))“高亮”指示出的一塊地幔猶如拼圖，正好與更深層的地幔俯沖邊緣圍構(gòu)成的范圍吻合。

正所謂“雁過留痕”。團(tuán)隊(duì)推測(cè)二氧化碳會(huì)溶解于海水，并以碳酸鹽形式沉積于海底，板塊的俯沖把海底的沉積碳酸鹽帶入進(jìn)入地幔。

如果這是一種模式，那么，將為“原始地球大氣的大量CO2去哪兒了”“地球走向宜居的減碳和增氧是怎么做到的”等問題給出線索，并可能由此找到改造火星大氣的方法。

更現(xiàn)實(shí)的意義在于，“我們提出監(jiān)測(cè)中國(guó)東部休眠火山(如長(zhǎng)白山，五大連池等)和郯廬斷裂帶的現(xiàn)代二氧化碳排放量。”李曙光說，碳儲(chǔ)庫(kù)在底下，一旦火山爆發(fā)將釋放大量的二氧化碳，將對(duì)溫室氣體含量和氣候產(chǎn)生較大影響。

相關(guān)研究發(fā)表在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(National Science Review)上，并獲得了該期刊評(píng)選的2019年度最佳論文獎(jiǎng)。

這一論文隨后卻受到來自學(xué)界的挑戰(zhàn)，有人認(rèn)為可能是“擴(kuò)散”的結(jié)果，也有人認(rèn)為可能是原有尖晶石(主要成分為鎂鋁氧化物)再結(jié)晶的結(jié)果。

科學(xué)探索總是在爭(zhēng)論中越辯越明。“我們歡迎這樣的討論，推動(dòng)更進(jìn)一步的研究。”李曙光說，近期團(tuán)隊(duì)又補(bǔ)做了很多實(shí)驗(yàn)，例如通過鋅的示蹤發(fā)現(xiàn)，如果是“擴(kuò)散說”，那么鋅鎂應(yīng)該同步擴(kuò)散，但研究顯示并非如此。

受探測(cè)技術(shù)手段的限制，如果人類對(duì)深空、深海略知一二的話，那么“深地”仍是一個(gè)巨大的謎團(tuán)。一切對(duì)于礦產(chǎn)能源的技術(shù)應(yīng)用，僅限于地殼一層。一個(gè)更形象地比喻是：如果把地球比作一個(gè)雞蛋的話，萬米深鉆連雞蛋皮都沒鉆破!

學(xué)者們也在逐步探索用模擬的手段替代“親臨深地”的研究。

就在不久前，一個(gè)更讓人驚奇的研究發(fā)表。北京高壓科學(xué)研究中心的科學(xué)家通過高壓化學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在180萬米的地下，會(huì)發(fā)生與地表完全“逆向”的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)人類拼命在地表尋找制備氫氣的方法時(shí)，地下180萬米的環(huán)境，卻能夠讓水主動(dòng)釋放氫氣，留下的氧負(fù)離子則進(jìn)一步氧化氧化物(例如使氧化鐵變成過氧化鐵)。

“需要更強(qiáng)的技術(shù)創(chuàng)新，給地球科學(xué)家得心應(yīng)手的手段。”徐義剛呼吁，對(duì)深地過程與地球宜居性的研究給予高度重視，通過多學(xué)科的深度融合，啟迪創(chuàng)新科學(xué)思想，孕育新的學(xué)科生長(zhǎng)點(diǎn)，在“深地”領(lǐng)域凝聚我國(guó)的核心科學(xué)研究力量，為國(guó)家“深地”和“深空”戰(zhàn)略提供重要科學(xué)支撐。

標(biāo)簽： 地球