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    刘嘉麒:漫谈地球科学

                            
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    时间:2021-11-20  来源:新华网


  •   一、地球是浩瀚宇宙中的“天之骄子”
     
      地球养育了人类,人类也在不断探索地球。在浩瀚无际的宇宙中,星球不可计数,直到现在我们只发现地球拥有生命。地球是生命的摇篮,核素是它的细胞,岩浆是它的血液,地震是它的脉搏,火山是它的喉咙,它朝气蓬勃日夜运转,遨游在广袤太空,养育着数以亿计的生灵。以人类视角看,在太阳系的八大行星中,地球最有生气、最有作为,是当之无愧的“天之骄子”。
     
      1.火山是地球的灵魂
     
      在太阳系八大行星及卫星中,除了木卫一以外,只有地球火山活动最频繁。火山活动并不像人们想象的那么恐怖,相反,它是地球富有生命的象征,是地球的灵魂。在有些地方,火山活动非常重要。
     
      2.地球的陆地与海洋
     
      地球圈层分为地球外圈和地球内圈两大部分。地球外圈可进一步划分为四个基本圈层,即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈;地球内圈可进一步划分为三个基本圈层,即地幔圈、外核液体圈和固体内核圈。此外在地球外圈和地球内圈之间还存在一个软流圈,它是地球外圈与地球内圈之间的一个过渡圈层,位于地面以下平均深度约150公里处。这样,整个地球总共包括八个圈层,其中岩石圈、软流圈和地球内圈一起构成了所谓的固体地球。对于地球外圈中的大气圈、水圈和生物圈,以及岩石圈的表面,一般用直接观测和测量的方法进行研究。而地球内圈,主要用地球物理的方法,例如地震学、重力学和高精度现代空间测地技术观测的反演等进行研究。地球各圈层在分布上有一个显著的特点,即固体地球内部与表面之上的高空基本上是上下平行分布的,而在地球表面附近,各圈层则是相互渗透甚至相互重叠的,其中生物圈表现最为显著,其次是水圈。
     
      地球有七大洲五大洋,七大洲即亚洲、欧洲、非洲、北美洲、南美洲、大洋洲、南极洲;五大洋除了我们熟悉的太平洋、大西洋和印度洋,还有北冰洋、南大洋。国际水文地理组织定义南大洋在南纬60°左右为界的经度范围内,是包围着南极洲的海域,面积约2000千平方公里。我记得小时候地理老师教的是中国有960万平方公里的土地。但严格来说,我国还有300多万平方公里的海洋,除了领海还包括属于全人类的南极及我们在北极的部分权利。
     
      3.第一个称量地球的人
     
      地球半径有多长,密度是多少,这些基本但特别重要的常数是谁测的?英国化学家、物理学家亨利·卡文迪许。知道牛顿的人很多,知道卡文迪什的人可能相对少一点,卡文迪什是一位贡献和水平都不低于牛顿的科学家。他测量出地球的引力常量并由此推算出地球的质量,还测出了地球的半径和密度,以及水和空气的成分。卡文迪什是称量地球的第一人,被誉为“最富有的学者”,他的工作精神值得所有搞科研的人学习。他痴迷于工作,连吃喝都是扔一张纸条放在门外,让仆人按纸条上的要求买回来放在走廊里,等时候休息再自己拿着吃。
     
      卡文迪什是一位为科学贡献一生的伟大科学家。剑桥大学有个卡文迪什实验室,从外面看起来比较简陋,但这个实验室到目前为止已经出了26位诺贝尔奖获得者,可见其水平和重要性。
     
      二、地球的历史与演变
     
      地球大约形成于46亿年前。46亿年间,整个地球发生了天翻地覆的变化,我们在地质上把它划分为太古代、元古代、古生代、中生代和新生代五个时期。46亿年间地球是怎么演变的呢?
     
      6.5亿年前
     
      6.5亿年前的地球。之所以从6.5亿年算起是因为46亿年前太久远了,以我们现在的科技水平没办法向前追溯那么长时间。黑色的部分是这一时期的古大陆,蓝色是古大洋,两个红箭头分别代表中国的南方和北方。
     
      5.1亿年前
     
      5.1亿年前,地质年代上叫寒武纪。中国北方和南方的红色箭头位置发生了变化,我们可以通过中国位置的变化知道地球在这一时期的海陆变迁。
     
      2.5亿年前
     
      2.5亿年前,地质时代上叫二迭纪。古大陆中间有一片称为特提斯海的古海洋,它所在的位置就是从今天的青藏高原向西经过中东到地中海这一片区域。青藏高原现在是地球上海拔最高的高原,它所在的位置原先是特提斯海,从原先的古大洋变为现在的大陆,说明地球的海陆变迁是非常明显的。另外,代表中国南北方的红色箭头在2.5亿年时开始靠拢了。
     
      9400万年前
     
      9400万年前,白垩纪晚期,恐龙快灭绝了,面积最大的一块古大陆解体,古海洋出现在各块大陆之间,中国的南北方已经靠拢。这一时期,我国北边的大陆是劳拉西亚大陆,南边的大陆是冈瓦纳古陆。
     
      1400万年前
     
      1400万年前,也就是地质年代上的中新世,地球的海陆格局已经与现在基本一致,欧亚大陆之间的青藏高原基本形成。
     
      假设再过1.5亿年,地球的海陆分布大致如下所示:
     
      以上叫古地理图,由大量测量和计算得出。地球是个庞大的磁场,通过测量磁场可以确定方向和位置;根据岩石可以推测地球的年龄;根据生物化石可以分辨哪里有水,哪里是陆地。对于1.5亿年以后的情况是根据46亿年来演变的过程推测出来的。
     
      地质时代的单位为:宙、代、纪、世、期、时,与地质时代各单位相对应的地层单位为:宇、界、系、统、阶、带。人们经常提到的白垩纪、侏罗纪等只是中生代的一段时期。
     
      我们把46亿年浓缩到一天24小时,大家可以看得更直观,如下所示:
     
      其中冥古宙、太古宙占了大量时间,反观从人类出现到现在的这段时间实际上很短。地球上最简单的单细胞生命出现在38亿年前,地球诞生在46亿年前,也就是说,地球形成早期的7到8亿年时间是找不到生命痕迹的。单细胞生物出现时就有了大气,逐渐形成了海洋。低级生物不断向高级生物演变,最后出现了人类。
     
      对我们来说,人类的出现是地球上最重要的一件事。人类起源于非洲猿人在学界已达成广泛共识。从猿人到人类,经历了从猿人到直立猿人,从直立猿人到智人,从智人到人的进化过程。中国的猿人遗址主要在北京周口店猿人遗址和云南元谋猿人遗址。
     
      人类在地球生物演变历史中只是短暂的一瞬,把整个演变过程浓缩到一天,会发生什么事呢?
     
      凌晨4:00单细胞生物出现,直到晚上9:04三叶虫才登场。三叶虫是寒武纪的标准化石,寒武纪在距今大约5亿多年前。晚上9:52,植物开始出现在陆地上,晚上10:56恐龙登场。午夜前20分钟左右,哺乳动物的时代开始,直到午夜前1分17秒人类才出现。把地球从诞生到现在的时间看作24小时,人类存在的时间很短,仅有1分17秒。整个人类的存在都那么短暂,一个人的存在就可想而知了,所以我们要珍惜自己拥有的这段生命。
     
      三、人与自然的关系
     
      人类出现以后,人与自然的关系变得非常密切。人类生活在自然界中,自然界有人需要的空气、水、资源、能源等等,自然界的气候环境也影响着人的生存。地球养活人类,人类依赖地球,人类面临的资源、能源、环境、生态、气候、灾害等生存发展的一切问题都要靠地球科学去求索和解决。可以说,地球科学是养活人类的科学,人类离不开自然就是离不开地球科学。
     
      1.人类所需的绝大部分物质,都来源于矿产资源和能源,需要地球科学去研究、寻找、开发
     
      现在人类社会所需的能源大部分是从矿产资源中获得的。资源有可再生和不可再生之分,可再生资源包括生物质能、太阳能和风能等,不可再生资源主要包括煤炭、天然气和其他一些矿产资源。
     
      社会发展的过程就是人类向自然索取资源和能源,并将其转变为财富的过程。从某种意义上说,没有自然资源就没有我们今天的社会和社会发展。资源的消耗量与发展呈正比。
     
      世界是由物质组成的,物质是由材料表征的,材料是人类文明的重要标志,是社会进步的物质基础。从古代石器时代到青铜器时代再到铁器时代,材料的革新促进了社会的发展。19世纪,钢铁的广泛应用使人类进入工业时代。随着材料进一步发展,出现了信息材料、超导材料、纳米材料、复合材料、仿生材料等,人类开始迈入信息社会。尽管出现了这么多新材料,但所有材料最基本的原料还是从岩石和矿物当中获取的。
     
      另外,在所有自然资源中,水资源对人类来说是最重要的。地球上的总水量约14亿立方公里,看似丰富,但实际上97.5%都是海水。地球的淡水资源仅占其总水量的2.5%,而在这适合人类饮用的极少的淡水资源中,又有70%以上被冻结在南极和北极的冰盖中。所以淡水是非常宝贵的资源,寻找水源和节约用水变得尤为重要。随着社会不断发展,人类对水资源的需求量也逐渐增加。据相关资料统计,按照全球人均用水量的标准,全世界有100多个缺水国家,还有几十个严重缺水的国家。我国水资源存在时空分布不均的问题,在空间上是南方多,北方少;在时间上是夏天多,冬天少。国家很重视这个问题,启动了南水北调工程。
     
      2.人类生存的生态环境需要地球科学去研究、保护和改善
     
      我国应该是世界上发展最快的国家,建设日新月异。建设过程中对大量土地资源的使用对生态环境产生了一定影响。所以现在我们已经意识到并反复强调生态文明和生态建设的重要性。
     
      3.人类面临的严重自然灾害需要地球科学去预测、预防和救助
     
      自然灾害危害巨大,可能会造成严重的生命财产损失。联合国教科文组织提到,预防和减轻自然灾害是21世纪最重要最迫切的二十个全球性问题之一。这一问题的规模之大,造成的苦难之巨,采取全球性预防和减轻灾害措施似乎已是必不可少......这些灾害的规模和发生频率迅速增加,以至于国际社会必须担起责任。
     
      结合对国外的了解,我认为我们国家的优越性在救灾防灾方面得到了充分体现。一旦某个地区遭遇灾害,全国都会积极主动支援,而且越是困难的地方越能得到发达地区的帮助。在灾害面前,我国全民都表现出了大爱精神。
     
      当然,应对自然灾害不能光靠救灾,更要想办法防灾,减轻或减少自然灾害。防灾重于救灾,对于居住在有高自然灾害发生风险地区的人,不应通过改造或加固房屋来保障他们的安全,有条件的话最好把那里的老百姓迁出来,避免灾害发生时造成过大的伤亡和损失。
     
      我们现在面临的自然灾害有很多,比如地质灾害、气象灾害、海洋灾害、生物灾害、空间灾害等。地质灾害大家比较熟悉,有地震、火灾、滑坡、泥石流、地面沉降等。还有一种自然灾害叫地球化学异常。所谓地球化学异常,指某个地区的土地、水甚至空气中含有的某种元素、化合物超标或极其缺乏。那么长期饮用该地区的水或长期食用该地区土地培育的粮食和蔬菜就会患上地方病。生活在缺碘的地方的人会得甲状腺肿(大脖子病),生活在多氟、多硒的地方会得大骨节病。西南有些地方的水土中含砷多,毒性很强,老百姓经常吃当地的庄稼和蔬菜,喝当地的水就有可能中毒。我们要及时发现并尽可能改变这种异常。气象灾害有洪涝、干旱、冰雹、风灾等。海洋灾害是全球气候变暖使海平面上升造成的灾害。生物灾害即虫灾或病毒造成的灾害,比如2003年的SARS病,现在的新冠肺炎疫情。空间灾害大家可能不是很熟悉,也不是很在意。从前我们打电话是有线电话,现在之所以只要有手机不管在全球哪里都可以打无线电话,是因为掌握了空间磁场的规律。但地球空间里的磁场在不断变化,有时会发生磁暴或太阳风,可能造成空间灾害,导致网络失灵。有一次我在新疆遭遇了地震,地震过后赶紧跑出去打电话,大概有二三十秒的时间都拨不通,不但我打不通,周围几个朋友和同事的手机都没信号了。在那几十秒的时间里磁场乱了,试想一下,如果信号丢失的情况持续很长时间会怎么样?现在一旦没有网络,很多事情都没法正常运转,飞机、火车都得瘫痪,所以空间灾害应当受到重视。
     
      4.社会建设的各项重大工程离不开地球科学作支撑
     
      人类社会的重大建筑工程需要地球科学作支撑。以我国为例,改革开放四十多年来,我们修建机场、码头、矿山、水库、工厂、道路、桥梁之前,包括城市电站选址、选线,都需要做大量地质调查和论证,对稳定程度和安全程度等进行评估,然后才能开始动工。开工之后还要做大量工程方面的地理的、遥感的测量。
     
      不仅是地面上的工程,人类对太空的探索也需要地球科学。我国登月工程的原首席工程师欧阳自远先生有一次开玩笑说,上天是我们航天部门的事,你们地质的跟着搀和什么?我说,你们能够上天,但是上天以后干什么你们不清楚,或者说知道的不够全面。我们上不了天,但是知道登月的时候在哪落地,落地之后应该采什么样品、做什么分析。这些事是靠地球科学去考虑的,所以空间科学和地球科学是可以密切结合的。
     
      这些年我们国家完成了很多伟大的工程,简单给大家举几个例子:
     
      新疆塔克拉玛干沙漠公路
     
      塔克拉玛干沙漠是世界第二大沙漠,当年我们去那里考察,开车转一圈至少要十天左右的时间,路难走、沙漠范围大造成路程特别长。后来我们修成了一条长五六百公里的沙漠公路,这条公路很难修,路线如何选、地基怎么打、修成后怎么保护,都必须提前考虑好。因为塔克拉玛干是流动沙漠,公路修好以后,一场风可能就把路埋了,所以我们的车上必须带着铁锹,因为不一定在哪段路上会被沙包挡住。为了防止沙子把路掩盖,我们在路旁栽红柳。现在塔克拉玛干沙漠公路已经有4条,是目前世界最长的贯穿流动沙漠的等级公路。
     
      青藏铁路
     
      青藏高原铁路全线都在海拔4000米以上,最高处达5000多米。其中从格尔木到拉萨的1100多公里铁路,大部分是冻土带和非冻土带,地基比较难打。为了把地基选好打牢,在论证这段铁路时,工程部门打了13000多钻才探明冻土多深、沙土多深、基岩多深等问题。除此以外,还要考虑气候变化,因为现在是冻土的地方可能过几年气候变暖就不是冻土了,所以修筑过程中需要做大量工作。
     
      西气东输
     
      西气东输是我国距离最长、口径最大的输气管道,西起塔里木盆地的轮南,东至上海。我们从俄罗斯、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦等国家买的气也通过西气东输的管道运过来。当初管道的选线、修建、保护,都是地球科学要考虑的问题。
     
      南水北调
     
      南水北调有三条线,东线是从杭州到天津,先疏通古运河,再把长江的水通过古运河输送到北方;中线是把湖北丹江口的长江水和汉江水,经湖北、河南、山西、河北输送到北京;西线在四川和青海,尚在规划探讨中,预想的是把金沙江、长江上游的水灌到黄河,通过黄河上游把水输送下来,解决西北地区缺水的问题。
     
      5.为谋划一带一路做贡献
     
      “一带一路”倡议涉及到跟其他国家在资源、交通、生态环境方面的合作,怎么把战略跟我国的发展相结合,都需要地球科学的知识和技能。
     
      四、地球科学的魅力
     
      1.探索自然奥秘
     
      地球科学是探索自然奥秘的科学。地球隐含着无限的奥秘,上至天文下至地理,大至宇宙小到核素,令人类的探索永无止境。
     
      大家常常会思考这些问题:地球是怎么形成的?人是怎么诞生的?为什么地球上有人类?为什么会有海洋、冰川、高山、洼地?为什么会发生地震、火山、狂风暴雨?另外,人类在地球演变过程中产生,人类的未来在哪里?人类生存所需的一切物质材料和能源都是从地球上索取的,这些物质耗尽了怎么办?面对这一系列问题,人们不断地探索着。从过去到现在,从局部到整体,从现象到本质,一个个新鲜事物被发现,一个个奥秘被揭示。
     
      地球科学经历了漫长的发展过程,期间也取得了一些重要进展,比如从大陆漂移现象的发现到板块学说的创立。原来有人把地球科学称为“大概科学”,因为自然很难测量和分析。但现在不一样了,我们用同位素定年可以非常准确的知道地球的年龄是45.5亿年,随便找一块石头就能测出它的大致时代。考古定年也多采用同位素定年的方法,而同位素是地球科学的一个主要研究范畴。
     
      现在世界信息科学发展迅速,不管是大数据云计算,遥感和GPS定位,还是信息科学,都与地球科学密切相关。可以说,地球科学为整个社会的发展做了贡献。
     
      2.集现代科学技术之大成
     
      地球科学集数学、物理、化学、生物、天文、气象、环境、生态、人文等传统科学,以及信息、光学、电子、纳米、遥感、大数据、云计算、测量等现代技术之大成,极大地推动了基础科学和应用科学的发展,丰富和提高了国计民生和科学发展观的内涵,是人类上天入地、登极下海的巨大推动力,为实现生态文明和建设小康社会提供了重要理论基础。
     
      生态文明和小康社会的概念与自然科学密切相关。坦率地讲,现在大家都离不开手机,手机至少有二三十种元素和成分是地球科学的成果。宇航探测也得靠地球科学,不管是月球还是火星,登陆以后第一件事就是看有没有生命迹象。探测生命迹象首先得看有没有水,大部分星球上找不到水,那就看有没有水存在过的痕迹,也就是因流水冲击产生的沉积物,地质学上叫沉积岩。如果能找到沉积物和沉积岩,说明曾经有过水。一旦连水的痕迹都找不着,就很难说有生命痕迹了。对空气的探测也是一样。我们探月也曾带着植物上去,植物在舱里长得很好,拿到外面马上就死了,说明月球没有生存环境。这就是各个科学学科间的相互交叉。
     
      3.地球科学有广泛的国际合作
     
      我国幅员辽阔,各种地质现象几乎都有,在自然科学、地球科学的研究中占有一定优势,所以国际上很愿意跟我们合作。我们也乐于与其他国家开展广泛的合作,把中国的地质问题与其他国家进行对比。地球科学得跟大自然打交道,不是说在一个地方解决就真的解决了。在中国发现的现象要到其他地方得到验证才能说明它具有普遍性,如果不具有普遍性,那这种理论和规律就不一定能站住脚,所以地球科学需要广泛实践。
     
      4.人人都需要地球科学
     
      地球科学与人类生存息息相关。不管你学的是什么专业,从事何种职业,不管你是男是女是老是少,只要你生活在地球上,都会自觉或不自觉地接受自然变化的洗礼,问津各种自然现象。从衣食住行到吃喝玩乐,从建国方略到国际事务,人类面临的资源、能源、气候、环境灾害等一系列问题,无不与地球科学有关。
     
      归根结底,人类要靠地球来养活,这是地球的功绩,也是地球科学的魅力。
     
      5.与自然协调发展是人类生存的必然选择
     
      万物皆有道,自然最和谐。自然界有其自身的发展规律,人类活动会对自然产生附加作用和影响,一旦影响超出自然界的负荷,打破自然的平衡,就会造成灾难。因此,自然规律是不可抗拒的,人类必须自觉保护和改善环境。
     
      人类与自然的关系大致经历了三个发展阶段:一是原始社会,人类依赖、适应自然来获得发展;二是农业社会和工业社会,人类向大自然索取,通过掠夺自然资源求得发展。这种发展也给自己带来了灾难。三是现阶段,人类开始注重保护生态环境,认识到与自然协调发展是人类生存的必然选择。
     
      6.地球科学为人类谋福祉
     
      所有科学的落脚点都是造福于人类,推动社会进步,地球科学也一样。
     
      20世纪50年代,中国还没发现石油,北京的汽车上还背着“大煤气包”,外国人说中国根本没有石油。老一辈的地质学家认为,中国找不到海上石油但可以找陆上石油。陆上很多湖相环境跟海相环境是相似的,地质理论水平提高以后,我们通过对生物条件和自然环境条件的考察推断出了中国石油资源的所在地,使中国不再是一个贫油国家。
     
      20世纪80年代开始,国际科学界先后发起并组织实施了以全球变化与地球系统为研究对象,由四大研究计划组成的全球变化研究计划,即世界气候研究计划、国际地圈生物圈计划、全球环境变化人文因素计划、生物多样性计划。进入21世纪,四大全球环境变化计划又联手建立了地球系统科学联盟。联盟的研究对象最终聚焦到水、食物、碳循环、人体健康等方面,均是在为人类未来的生存做考虑。可见地球科学对人类非常重要,在国际上很受重视。
     
      7.实践是地球科学的灵魂
     
      实践是增长才干的必由之路,信息科学再发达也不能代替实践,特别是从事自然科学研究的人,必须勇于实践。
     
      我经常跟我的学生讲,搞地学必须跑野外,认识自然现象才行。当然,进行科学考察和探险比较艰苦,过去真的是跋山涉水、四海为家。当年我去西藏,包括去南北极,没有手机通信,就是听天由命,能活着回来就行。当时研究自然科学,没有点探险精神,做不了什么事。在跟大自然打交道的过程中,虽然有困难、危险,但能见到很多在其他地方见不到的现象,开阔眼界、增长才干,培养解决实际问题的能力。经验来源于实践,信心来源于实力,经验多实力就强,信心就足,做任何事都是这样,只要有本事、有实力,心里就有底。
     
      科学考察能认识和发现新的自然现象,获取第一手资料,这是科技创新的重要源泉。除了专业知识以外,还会学到很多其他方面的知识和技能。
     
      地球科学讲今论古,谈天说地,上至天文,下至地理,博大精深,包罗万象,是一门既理性又实用的公益科学,是养活全人类的科学。地球科学工作以天地为己任,山川作课堂,揭宇宙之奥秘,探地下之宝藏,为人类谋福祉,助国家变富强,是无限崇高,无比豪迈的事业。谢谢大家。

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