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火星变地球, 解锁地球宜居之谜是关键

2020-10-12 11:03 来源:科技日报 采 写:本报记者 张佳星 策 划:陈 磊

  受探测技术手段的限制,“深地”仍是一个巨大的谜团。一切对于矿产能源的技术应用,仅限于地壳一层。一个更形象地比喻是:如果把地球比作一个鸡蛋的话,万米深钻连鸡蛋皮都没钻破!

  深瞳工作室出品

  “天问一号”探测器正在奔向火星的路上。人们对这一壮举充满期盼——迈向火星,人类将努力把它改造为宜居家园。

  天文学家认为,行星的宜居性取决于它与恒星之间的距离。

  但金星、火星和地球同样位于太阳系宜居带,为什么只有地球生机勃勃?

  地球科学家认为,地球成为太阳系唯一有生命的星球,原因在于它的“内秀”。

  挺进“深地”,探究地球演变机理,找到宜居的秘密,才能将地外行星收入囊中。

  “深地”时常空降惊喜:

  一座巴西火山喷发,“吐出”成堆钻石,研究发现,钻石来自地幔;

  一块地球同时期的陨石“露富”,有研究预测,地核中存储了超过全球储量99%的黄金;

  ……

  相比宝藏,更令科学家心醉的是地球内部有它宜居的秘密,这将成为征服宇宙的起点。

  随着科技实力的大幅跃升,探秘地心的计划正在变成事实。各国雄心勃勃,世界主要大国均对“深地”探测与地球宜居性的研究给予高度重视。

  中国的地球科学家们也正在推进“深地”科学研究,他们通过对地幔、地幔过渡带、核幔边界甚至更深的地核研究,来深度解析地球,研究地球如何通过几十亿年的演变变得宜居。他们认为,只有懂得地球内部发生了什么,才能在地外空间寻找到宜居星球。

  一半是“火焰”一半是“海水”,地球是个“双子座”

  明丽的蓝色,不慌不忙地旋转……宇航员眼里,地球宁静瑰丽;

  沉稳山峦、斑斓静秋、广袤大地、无垠大海……地表居住者眼里,地球固若金汤、沉稳矫健;

  俯冲、跳变、喷薄、粘滞……在深地研究者眼里,地球简直是名“跑酷”选手,它的运动形态不仅多样,还极具变化。

  哪个是最真实的地球?地球其实是个“双子座”,表面的沉稳是“假象”。

  “它的动是与生俱来的。”中国科学院院士、中国科学院广州地球化学研究所所长徐义刚研究员说,地球自形成之始经过数十亿年的演化,逐渐从相对均一、炽热的行星演变成具有良好层圈结构、生机勃勃的宜居星球,其根源在于拥有活跃的地球内部。

  “地球如果不动,它就死掉了。”中国科学院大学地球与行星科学学院教授李忠海说得更直接。

  地球的动,带来了活力,带来了四季分明,但地球的动远不止带来了“风、花、雪、月”,在地表之下,地幔、地核的运动才是地球生机盎然的源泉。

  最初的地球、火星、金星十分相似,到了40亿年—35亿年前它们开始分道扬镳:

  金星发生了失控的温室效应,它的表面温度高达470摄氏度;

  火星发生了失控的冰室效应,表面平均温度零下55摄氏度,大气密度相当于地球的1%;

  而地球,最终拥有了充足的含氧大气,和生物接受范围内的相对恒定的表面温度。

  地球发生了哪些变化?徐义刚举了个例子,在大约二三千万年前,地球大气中二氧化碳的浓度从2000ppm下降到500ppm(人类在二氧化碳浓度为1000ppm时开始感觉困倦)。

  “在现有的知识体系下,温室气体的大量减少本应导致全球温度的下降,但事实上那时全球的温度基本没有发生变化。”徐义刚说。

  “自相矛盾”的现象接二连三地出现。例如,现在普遍认为地球上的氧气是由海洋微生物释放而来,但从30亿年前海洋中已经有蓝细菌和产氧的光合作用,而大约25亿年前地球大气才开始出现可观的氧气。

  “地球表层系统的研究已经非常深入,但难以回答多个矛盾事实出现的原因。”徐义刚说,“探究未解之谜,我们不能忽略地球深部是一个巨大的生命元素储库!”

  储存、运转、释放、运转、再储存。地球内部在“跑酷”!跟着一起的,还有各种生命重要元素发生着流转。或许,上述没有带走热量的二氧化碳转向了地球内部,而地球本身的反应维系了整个温度的平衡。

  “‘深地’与浅表的联动机制正成为新的学科制高点,各国竞相布局,均在争取率先突破”

  学术界开始意识到,地球内部碳、氢、氧、氮等生命元素的动力学过程,深刻参与了整个地球生命的循环。

  “‘深地’与浅表的联动机制正成为新的学科制高点,各国竞相布局,均在争取率先突破。”徐义刚说。

  2016年,美国地球物理联合会和美国地质学会联合发表的《21世纪的大地构造:一个宜居行星的动力学》白皮书中指出,“深地”过程及其与生物圈和大气圈的相互作用在维持地球宜居性方面发挥了极其重要的作用。

  美国Sloan基金会和英国自然环境研究理事会也先后启动了“深部碳观测”全球重大研究计划和“挥发份、地球动力学和固体地球控制宜居地球”重大研究计划。

  在美国研究理事会发布的咨询报告中,早期地球和地球内部动力及其与浅部的联系被列为重点关注方向。

  全球起跑,中国也不甘落后——

  2009年,国土资源部组织实施的《地球深部探测技术与实验研究专项》正式启动,标志着我国地球深部探测的“入地”计划拉开序幕;

  2016年,科技部启动国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项,从资源勘探的角度提出深地探索目标,并在完成过程中发展了移动平台地球物理探测技术装备等;

  不久前,在中国科学院与国家自然科学基金委联合开展的“中国学科及前沿领域发展战略研究(2021—2035)”框架下,“深地科学前沿科学发展问题战略研究”(2021—2035)获批立项,研究将促进地球科学与生物、大气、行星学等多学科的深度融合,启迪创新科学思想,孕育新的学科生长点,推动我国固体地球科学从跟踪前沿向开拓前沿的跨越式发展。

  此外,科技创新2030国家深地探测重大专项、国家自然科学基金委深地重大研究计划也正在积极部署和组织相关论证工作。

  除了钻孔,科学家还有很多间接方法推算地球运动规律和物质循环路径

  英国科幻小说家阿瑟·克拉克在他的短篇作品《地心烈焰》中,描述了一种生活在“深地”的智慧生物,它们是压缩态的高密度生命,可以在白热的岩石间穿行。

  儒勒·凡尔纳的《地心游记》更是把地心世界描绘地栩栩如生、惊心动魄,并刻画了一条现实中并不存在的直达地心的通道。

  走向“深地”,小说家发挥想象,想尽各种遁地方案。现实中,和深海探测以及深空探测不同,研究者们无法通过潜艇或者飞船触达,又该如何研究?

  我国科学家们曾提出大胆设想:在中国钻若干口超过万米的特深钻孔。这将使我国的地球科学研究水平提升至国际先进水平。

  除此之外,科学家们还有很多间接的方法推算出地球的运动规律和物质循环路径。

  “地球要运动,谁推着它?”李忠海说,如果它内部没有一点密度差异,不存在“东重西轻”或“头重脚轻”的情况,那它是不会动的。

  地球内部的运动就像有千万个“跷跷板”。这些“跷跷板”的不平衡给地球动力,而跷跷板的动力是因为地球内部各圈层之间特性不同、均匀性不同、万有引力不同。

  李忠海解释说,如果地球流变强度非常强(“跷跷板”锈住了),转动的应力导致变形很慢,那么地表的板块运动基本上不动,没有新陈代谢,某种意义上说也可以理解为“死”了。

  如果流变强度非常弱,地球像个“散黄蛋”,那意味着地球在固定的驱动力下变形非常快,俯冲板块呼呼地从地表下去,下地幔也很快跑上来,这样的地球可能也不会变成现在宜居的状态。

  自上而下的岩石圈板片俯冲和自下而上的地幔柱运动贯穿和影响着整个地幔的各个圈层,这些运动之间的平衡和规律值得探究。

  “峨眉山、夏威夷、冰岛……都是公认的大地幔柱,它们很像从地幔延伸出来的‘直梯’,它们曾经或者正在进行的喷发,会把‘深地’的信息带上来。”南京大学教授李高军表示,人们通过对这些地区的岩石的采集分析,能够对深部圈层相互作用的构造过程和动力学机制有所认识。此外,人们还利用地震波的探测,来“倾听”来自地下的“动静”。

  “最佳论文”引争议,了解“深地”需要更多探测手段

  “做地球研究太复杂了,各个层圈都要涉及。目前掌握的方法和手段仍旧很有限。”徐义刚说,走进“深地”迫切需要技术创新。

  我国科学家在这个领域取得了较领先的进展。例如金属稳定同位素示踪的方法,让追踪地球深部“跑动”痕迹逐步可视化。

  “我国科学家率先开创镁—锌同位素示踪技术。”中国科学院院士、中国地质大学(北京)教授李曙光说,由于发现海底沉积的碳酸盐岩与地幔岩石存在着巨大的镁同位素差异,2012年,团队率先提出利用镁同位素揭示地球深部储存的沉积碳酸盐岩。

  2017年,利用镁同位素示踪技术,李曙光团队发现中国东部上地幔是一巨大的再循环碳库。

  “我们发现了我国东部地区出现了镁同位素异常现象,异常区域恰好与地震层析成像所揭示的西太平洋板块向中国东部大陆下俯冲,在地幔过渡带滞留的俯冲板片分布区完全重合。”李曙光说。

  轻镁(一种异常的镁元素形态,与碳结合能形成碳酸镁等物质)“高亮”指示出的一块地幔犹如拼图,正好与更深层的地幔俯冲边缘围构成的范围吻合。

  正所谓“雁过留痕”。团队推测二氧化碳会溶解于海水,并以碳酸盐形式沉积于海底,板块的俯冲把海底的沉积碳酸盐带入进入地幔。

  如果这是一种模式,那么,将为“原始地球大气的大量CO2去哪儿了”“地球走向宜居的减碳和增氧是怎么做到的”等问题给出线索,并可能由此找到改造火星大气的方法。

  更现实的意义在于,“我们提出监测中国东部休眠火山(如长白山,五大连池等)和郯庐断裂带的现代二氧化碳排放量。”李曙光说,碳储库在底下,一旦火山爆发将释放大量的二氧化碳,将对温室气体含量和气候产生较大影响。

  相关研究发表在《国家科学评论》(National Science Review)上,并获得了该期刊评选的2019年度最佳论文奖。

  这一论文随后却受到来自学界的挑战,有人认为可能是“扩散”的结果,也有人认为可能是原有尖晶石(主要成分为镁铝氧化物)再结晶的结果。

  科学探索总是在争论中越辩越明。“我们欢迎这样的讨论,推动更进一步的研究。”李曙光说,近期团队又补做了很多实验,例如通过锌的示踪发现,如果是“扩散说”,那么锌镁应该同步扩散,但研究显示并非如此。

  受探测技术手段的限制,如果人类对深空、深海略知一二的话,那么“深地”仍是一个巨大的谜团。一切对于矿产能源的技术应用,仅限于地壳一层。一个更形象地比喻是:如果把地球比作一个鸡蛋的话,万米深钻连鸡蛋皮都没钻破!

  学者们也在逐步探索用模拟的手段替代“亲临深地”的研究。

  就在不久前,一个更让人惊奇的研究发表。北京高压科学研究中心的科学家通过高压化学研究发现,在180万米的地下,会发生与地表完全“逆向”的化学反应。当人类拼命在地表寻找制备氢气的方法时,地下180万米的环境,却能够让水主动释放氢气,留下的氧负离子则进一步氧化氧化物(例如使氧化铁变成过氧化铁)。

  “需要更强的技术创新,给地球科学家得心应手的手段。”徐义刚呼吁,对深地过程与地球宜居性的研究给予高度重视,通过多学科的深度融合,启迪创新科学思想,孕育新的学科生长点,在“深地”领域凝聚我国的核心科学研究力量,为国家“深地”和“深空”战略提供重要科学支撑。

(责任编辑:支艳蓉)