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火星變地球,解鎖地球宜居之謎是關鍵

來源:科技日報

作者:

2020-10-12 07:42:10

受探測技術手段的限制,“深地”仍是一個巨大的謎團。一切對於礦產能源的技術應用,僅限於地殼一層。一個更形象地比喻是:如果把地球比作一個雞蛋的話,萬米深鑽連雞蛋皮都沒鑽破!

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

天文學家認為,行星的宜居性取決於它與恆星之間的距離。

但金星、火星和地球同樣位於太陽系宜居帶,為什麼只有地球生機勃勃?

地球科學家認為,地球成為太陽系唯一有生命的星球,原因在於它的“內秀”。

挺進“深地”,探究地球演變機理,找到宜居的祕密,才能將地外行星收入囊中。

“深地”時常空降驚喜:

一座巴西火山噴發,“吐出”成堆鑽石,研究發現,鑽石來自地幔;

一塊地球同時期的隕石“露富”,有研究預測,地核中存儲了超過全球儲量99%的黃金;

……

相比寶藏,更令科學家心醉的是地球內部有它宜居的祕密,這將成為征服宇宙的起點。

隨着科技實力的大幅躍升,探祕地心的計劃正在變成事實。各國雄心勃勃,世界主要大國均對“深地”探測與地球宜居性的研究給予高度重視。

中國的地球科學家們也正在推進“深地”科學研究,他們通過對地幔、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。他們認為,只有懂得地球內部發生了什麼,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“雙子座”

明麗的藍色,不慌不忙地旋轉……宇航員眼裏,地球寧靜瑰麗;

沉穩山巒、斑斕靜秋、廣袤大地、無垠大海……地表居住者眼裏,地球固若金湯、沉穩矯健;

俯衝、跳變、噴薄、粘滯……在深地研究者眼裏,地球簡直是名“跑酷”選手,它的運動形態不僅多樣,還極具變化。

哪個是最真實的地球?地球其實是個“雙子座”,表面的沉穩是“假象”。

“它的動是與生俱來的。”中國科學院院士、中國科學院廣州地球化學研究所所長徐義剛研究員説,地球自形成之始經過數十億年的演化,逐漸從相對均一、熾熱的行星演變成具有良好層圈結構、生機勃勃的宜居星球,其根源在於擁有活躍的地球內部。

“地球如果不動,它就死掉了。”中國科學院大學地球與行星科學學院教授李忠海説得更直接。

地球的動,帶來了活力,帶來了四季分明,但地球的動遠不止帶來了“風、花、雪、月”,在地表之下,地幔、地核的運動才是地球生機盎然的源泉。

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鑣:

金星發生了失控的温室效應,它的表面温度高達470攝氏度;

火星發生了失控的冰室效應,表面平均温度零下55攝氏度,大氣密度相當於地球的1%;

而地球,最終擁有了充足的含氧大氣,和生物接受範圍內的相對恆定的表面温度。

地球發生了哪些變化?徐義剛舉了個例子,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時開始感覺睏倦)。

“在現有的知識體系下,温室氣體的大量減少本應導致全球温度的下降,但事實上那時全球的温度基本沒有發生變化。”徐義剛説。

“自相矛盾”的現象接二連三地出現。例如,現在普遍認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有藍細菌和產氧的光合作用,而大約25億年前地球大氣才開始出現可觀的氧氣。

“地球表層系統的研究已經非常深入,但難以回答多個矛盾事實出現的原因。”徐義剛説,“探究未解之謎,我們不能忽略地球深部是一個巨大的生命元素儲庫!”

儲存、運轉、釋放、運轉、再儲存。地球內部在“跑酷”!跟着一起的,還有各種生命重要元素髮生着流轉。或許,上述沒有帶走熱量的二氧化碳轉向了地球內部,而地球本身的反應維繫了整個温度的平衡。

“‘深地’與淺表的聯動機制正成為新的學科制高點,各國競相佈局,均在爭取率先突破”

學術界開始意識到,地球內部碳、氫、氧、氮等生命元素的動力學過程,深刻參與了整個地球生命的循環。

“‘深地’與淺表的聯動機制正成為新的學科制高點,各國競相佈局,均在爭取率先突破。”徐義剛説。

2016年,美國地球物理聯合會和美國地質學會聯合發表的《21世紀的大地構造:一個宜居行星的動力學》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揮了極其重要的作用。

美國Sloan基金會和英國自然環境研究理事會也先後啓動了“深部碳觀測”全球重大研究計劃和“揮發份、地球動力學和固體地球控制宜居地球”重大研究計劃。

在美國研究理事會發布的諮詢報告中,早期地球和地球內部動力及其與淺部的聯繫被列為重點關注方向。

全球起跑,中國也不甘落後——

2009年,國土資源部組織實施的《地球深部探測技術與實驗研究專項》正式啓動,標誌着我國地球深部探測的“入地”計劃拉開序幕;

2016年,科技部啓動國家重點研發計劃“深地資源勘查開採”重點專項,從資源勘探的角度提出深地探索目標,並在完成過程中發展了移動平台地球物理探測技術裝備等;

不久前,在中國科學院與國家自然科學基金委聯合開展的“中國學科及前沿領域發展戰略研究(2021—2035)”框架下,“深地科學前沿科學發展問題戰略研究”(2021—2035)獲批立項,研究將促進地球科學與生物、大氣、行星學等多學科的深度融合,啓迪創新科學思想,孕育新的學科生長點,推動我國固體地球科學從跟蹤前沿向開拓前沿的跨越式發展。

此外,科技創新2030國家深地探測重大專項、國家自然科學基金委深地重大研究計劃也正在積極部署和組織相關論證工作。

除了鑽孔,科學家還有很多間接方法推算地球運動規律和物質循環路徑

英國科幻小説家阿瑟·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,它們是壓縮態的高密度生命,可以在白熱的岩石間穿行。

儒勒·凡爾納的《地心遊記》更是把地心世界描繪地栩栩如生、驚心動魄,並刻畫了一條現實中並不存在的直達地心的通道。

走向“深地”,小説家發揮想象,想盡各種遁地方案。現實中,和深海探測以及深空探測不同,研究者們無法通過潛艇或者飛船觸達,又該如何研究?

我國科學家們曾提出大膽設想:在中國鑽若干口超過萬米的特深鑽孔。這將使我國的地球科學研究水平提升至國際先進水平。

除此之外,科學家們還有很多間接的方法推算出地球的運動規律和物質循環路徑。

“地球要運動,誰推着它?”李忠海説,如果它內部沒有一點密度差異,不存在“東重西輕”或“頭重腳輕”的情況,那它是不會動的。

地球內部的運動就像有千萬個“蹺蹺板”。這些“蹺蹺板”的不平衡給地球動力,而蹺蹺板的動力是因為地球內部各圈層之間特性不同、均勻性不同、萬有引力不同。

李忠海解釋説,如果地球流變強度非常強(“蹺蹺板”鏽住了),轉動的應力導致變形很慢,那麼地表的板塊運動基本上不動,沒有新陳代謝,某種意義上説也可以理解為“死”了。

如果流變強度非常弱,地球像個“散黃蛋”,那意味着地球在固定的驅動力下變形非常快,俯衝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變成現在宜居的狀態。

自上而下的岩石圈板片俯衝和自下而上的地幔柱運動貫穿和影響着整個地幔的各個圈層,這些運動之間的平衡和規律值得探究。

“峨眉山、夏威夷、冰島……都是公認的大地幔柱,它們很像從地幔延伸出來的‘直梯’,它們曾經或者正在進行的噴發,會把‘深地’的信息帶上來。”南京大學教授李高軍表示,人們通過對這些地區的岩石的採集分析,能夠對深部圈層相互作用的構造過程和動力學機制有所認識。此外,人們還利用地震波的探測,來“傾聽”來自地下的“動靜”。

“最佳論文”引爭議,瞭解“深地”需要更多探測手段

“做地球研究太複雜了,各個層圈都要涉及。目前掌握的方法和手段仍舊很有限。”徐義剛説,走進“深地”迫切需要技術創新。

我國科學家在這個領域取得了較領先的進展。例如金屬穩定同位素示蹤的方法,讓追蹤地球深部“跑動”痕跡逐步可視化。

“我國科學家率先開創鎂—鋅同位素示蹤技術。”中國科學院院士、中國地質大學(北京)教授李曙光説,由於發現海底沉積的碳酸鹽巖與地幔岩石存在着巨大的鎂同位素差異,2012年,團隊率先提出利用鎂同位素揭示地球深部儲存的沉積碳酸鹽巖。

2017年,利用鎂同位素示蹤技術,李曙光團隊發現中國東部上地幔是一巨大的再循環碳庫。

“我們發現了我國東部地區出現了鎂同位素異常現象,異常區域恰好與地震層析成像所揭示的西太平洋板塊向中國東部大陸下俯衝,在地幔過渡帶滯留的俯衝板片分佈區完全重合。”李曙光説。

輕鎂(一種異常的鎂元素形態,與碳結合能形成碳酸鎂等物質)“高亮”指示出的一塊地幔猶如拼圖,正好與更深層的地幔俯衝邊緣圍構成的範圍吻合。

正所謂“雁過留痕”。團隊推測二氧化碳會溶解於海水,並以碳酸鹽形式沉積於海底,板塊的俯衝把海底的沉積碳酸鹽帶入進入地幔。

如果這是一種模式,那麼,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麼做到的”等問題給出線索,並可能由此找到改造火星大氣的方法。

更現實的意義在於,“我們提出監測中國東部休眠火山(如長白山,五大連池等)和郯廬斷裂帶的現代二氧化碳排放量。”李曙光説,碳儲庫在底下,一旦火山爆發將釋放大量的二氧化碳,將對温室氣體含量和氣候產生較大影響。

相關研究發表在《國家科學評論》(National Science Review)上,並獲得了該期刊評選的2019年度最佳論文獎。

這一論文隨後卻受到來自學界的挑戰,有人認為可能是“擴散”的結果,也有人認為可能是原有尖晶石(主要成分為鎂鋁氧化物)再結晶的結果。

科學探索總是在爭論中越辯越明。“我們歡迎這樣的討論,推動更進一步的研究。”李曙光説,近期團隊又補做了很多實驗,例如通過鋅的示蹤發現,如果是“擴散説”,那麼鋅鎂應該同步擴散,但研究顯示並非如此。

受探測技術手段的限制,如果人類對深空、深海略知一二的話,那麼“深地”仍是一個巨大的謎團。一切對於礦產能源的技術應用,僅限於地殼一層。一個更形象地比喻是:如果把地球比作一個雞蛋的話,萬米深鑽連雞蛋皮都沒鑽破!

學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,一個更讓人驚奇的研究發表。北京高壓科學研究中心的科學家通過高壓化學研究發現,在180萬米的地下,會發生與地表完全“逆向”的化學反應。當人類拼命在地表尋找製備氫氣的方法時,地下180萬米的環境,卻能夠讓水主動釋放氫氣,留下的氧負離子則進一步氧化氧化物(例如使氧化鐵變成過氧化鐵)。

“需要更強的技術創新,給地球科學家得心應手的手段。”徐義剛呼籲,對深地過程與地球宜居性的研究給予高度重視,通過多學科的深度融合,啓迪創新科學思想,孕育新的學科生長點,在“深地”領域凝聚我國的核心科學研究力量,為國家“深地”和“深空”戰略提供重要科學支撐。

[責任編輯:楊凡、武雲泉]

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