穿凿地球系统的时间隧道

中国科学 D 辑:地球科学 2009 年 第 39 卷 第 10 期: 1313 ~ 1338 www.scichina.com earth.scichina.com 《中国科学》杂志社 SCIENCE IN CHINA PRESS 引用格式: Wang P X. Digging a time tunnel through the Earth system (in Chinese). Sci China Ser D-Earth Sci, 2009, 39(10): 1313—1338 穿凿地球系统的时间隧道 汪品先 同济大学海洋地质国家重点实验室, 上海 200092 E-mail: pxwang@tongji.edu.cn; pxwang@online.sh.cn 收稿日期: 2009-09-04; 接受日期: 2009-09-14 国家重点基础研究发展(编号: 2007CB815902)资助 摘要 地球系统科学的重要进展在于拓宽了视域, 在空间域里向更深、更宏观和更微观的领 域推进, 加深了对圈层相互作用的理解. 由于固体与流体地球科学发展的起点在时间尺度上 并不相同, 也由于在时间上穿越能力的限制, 地球系统科学的发展在时间域里遇到的障碍比 空间域里大. 然而地球系统运行机制的探索, 只有穿越不同的时间尺度才能成功. 本文回顾了 地球系统科学在空间和时间两方面所取得的进展, 讨论了地球过程在时间尺度上的复杂关系, 提出从建立时间序列、改变思想和研究计划入手, 穿越时间尺度、打通古今界限, 穿凿地 球系统时间隧道的建议. 关键词 地球系统 时间 空间 多尺度分析 圈层相互作用 目 录 1 引言 2 地球系统科学在空间域里的拓展 2.1 数字化的全球视野 2.2 向更深的层次推进 2.2.1 地面上下的双向系统 2.2.2 海洋上下的双向系统 2.2.3 地球表层和深部的双向系统 2.3 向更广阔的空间推进 2.3.1 星球演化阶段的比较 2.3.2 星球表面特征的比较 2.3.3 星球流态圈层的比较 2.4 向更小的微观世界推进 2.4.1 纳米地球科学 2.4.2 海洋微型生物 2.4.3 微型生物与碳循环 3 地球系统科学在时间域里的汇合 3.1 地球科学的“古” “今”鸿沟 3.2 地球系统时空尺度的连续性 3.2.1 现代过程研究向长时间序列发展 3.2.2 现代过程时间尺度的多样性 3.2.3 古代过程研究向定量化和“现代化”发展 3.3 地球过程时间尺度的连续性 3.3.1 不同时间尺度的叠加 3.3.2 不同过程的时间差异 3.3.3 时间尺度上的拓展与汇合 4 穿越时间尺度的隧道 4.1 地球系统科学中的多尺度问题 4.1.1 地球科学的时空尺度 4.1.2 地球科学中的多尺度分析 4.1.3 “人类中心观”: 认识地球系统的障碍 4.2 古今结合穿凿时间“隧道” 4.2.1 跨越尺度的时间序列 4.2.2 跨越时间尺度的思想方法 4.2.3 跨越时间尺度的研究计划 5 结束语 汪品先: 穿凿地球系统的时间隧道 1 引言 当人类忙着跨越世纪、庆祝“千禧”的时候, 地球 科学却不知不觉地被推上了社会的“风口浪尖”. 1985 年发现臭氧洞, 1989 年通过蒙特利尔议定书, 全球禁 用破坏臭氧洞的人造氯氟烃. 接着, 全球性气候变化 成为政府首脑会谈的一个话题, 2005年京都议定书生 效, 开始全球性限制温室气体排放. 人类排放温室气 体和全球变暖两者之间是否就是因果关系, 目前还 存在争论; 但是全球气候变化占有各国政府内政外 交的核心地位, 却是不争的事实. 学术问题一旦进入 政治层面, 就会出现学科发展的天赐良机. 现在全球 变化就变成了社会的热点、科研的“显学”. 新世纪摆 在地球科学面前的新任务, 是要通过对地球系统的 理解, 制止甚至扭转人类造成自己生存环境恶化的 趋势[1]. 与 200 年前以找矿为主要目标的地球科学相比, 这是完全不同的概念. 那时的任务是矿产资源勘探, 现在新添的方向是环境变化预测. 资源勘探面对的 是过去, 研究的是结果; 环境预测面对的是未来, 研 究的是过程. 矿产勘探可以靠化石形态对比确定相 对年代作定性的探讨, 环境预测却要求通过实测数 据、数值模拟作定量的分析. 经过了 200 年, 原来泾 渭分明的学科今天又融合到一起: 资源勘探也要求 追溯成矿机理、进行定量计算, 研究油气成藏和金属 成矿系统; 环境预测也要求追溯演变历史、比较古代 实例, 研究圈层相互作用的地球系统过程. 两者的结 合, 就是地球系统科学. 然而意识落后于存在. 学科的发展, 并不意味着 科学家研究思路会同步变化, 我们依然习惯于原有 的学科范围和研究方法, 没有感到其中有什么不妥. 其实, 科学的发展既要靠技术进步与资源投入, 更要 靠科学家思路的新意. 本文的目的, 就是想从地球系 统科学思维的角度, 回顾这些年来在研究视域和思 维方式上发生的变化, 从而唤起改变原有思路、反思 研究方向的愿望. 2 地球系统科学在空间域里的拓展 20 世纪 80 年代由人类活动的温室效应问题引出 了全球变化的研究, 20 世纪 90 年代扩展到整个地球 系统, 指出了地球科学各学科发展的新方向, 引起了 从项目立题到研究路线的一系列变化. 具体的研究 工作可能没有重大的差别, 但是瞄准的科学问题变 了, 变得更有全球视野、更讲究数字化; 研究的视野 变了, 进入更深的层次、更大的空间和更小的微观世 界; 追求的目标变了, 从现象描述转向机理探索. 为 了具体说明到底发生了哪些变化, 可以分三个方面 进行回顾. 2.1 数字化的全球视野 长期以来, 地球科学的研究对象通常是某个地 区, 涉及全球范围时, 只是些定性的讨论. 如今卫星 测量可以直接提供覆盖全球的数据, 各地台站的建 设又为全球性统计提供了条件, 于是定量的全球信 息大量涌现. 在前所未有的全球数据中, 包含着前所 不知的宝贵信息. 比如说, 陆地和海洋的生产力早已 分别研究, 但一旦用同一对两者作全球衡量, 就 发现海洋只占生物现存量总数的 0.2%, 比陆地低三 个数量级; 而两者的年生产总量却十分相近, 原因是 海洋生物的周转速率(约 2~6 天), 要比陆地生物(数年 至数十年)快三个量级[2]. 又如全球河流向大洋的沉 积物输运量, Milliman等[3~5]近 30 年来差不多每隔 10 年汇总一次, 统计的河流从 67 条增加到 280 条、再 到 488 条; 他们发现 70%沉积物来自南亚、东南亚一 带, 至于沉积物的供应量, 并不是流域大小、而是流 域的地质因素在起决定作用, 由此发现山区小型河 流有极大的沉积量输出, 以前被低估了大约三个数 量级. 如果考察全球性数据随着时间的变化, 就会发 现更多的科学问题. 就全球CO2 排放来看, 人类活动 放出的碳到了大气里却发现增加量少了 1/3, 说明我 们对碳循环并不了解, 因而发动了各个学科一起寻 找“失踪的碳”. 水也一样, 全球变暖使得蒸发加快, 全球的水文循环也应当加速, 大气里的水分应当相 应增加[6], 在许多地方, 也确实出现了降水增多的记 录[7]. 然而陆地加海洋的全球统计, 却反映出半个世 纪以来全球季风降雨有下降的趋势[8]; 世界 137 条河 流的统计, 也说明 2000 年和 1951 年径流量的总和几 乎没有区别, 半世纪来总量是稳定的[9]. 可见全球升 温和水文循环之间的关系并不那样简单, 其中还包 含有更为复杂、尚未认识的因素. 1314 中国科学 D 辑: 地球科学 2009 年 第 39 卷 第 10 期 将全球性数据向更长的时间序列推进, 带来的 是更多的新认识. 根据多种气候指标的汇总, Mann等 [10]作出了近千年来北半球的温度曲线, 发现最突出 的特征是 20 世纪后期的异常升温, 使得曲线翘起,被 称为“曲棍球杆曲线”. 更长气候的汇总, 主要来 自世界大洋的氧同位素数据, 比如用 57 个站位资料 得出的 530 万年来的合成曲线[11]和根据 40 个站位得 出的 6500 万年来的合成曲线[12], 都揭示出地球轨道 变化对全球气候的驱动, 而每当重大的气候转折期, 气候对轨道参数的响应方式也会发生转折. 这些观 测都带来了“为什么”的问题, 驱使研究向深层次推 进. 这种全球性数据, 是遥测遥感和数据库等技术 发展的产物. 而这种全球视野的出现, 又必然带来宏 观思考的学术新意. 还是原来的事物, 但放宽视角、 从系统和立体的角度去看, 研究对象就会发生变化. 还是那个海洋沉积, 从地球系统的宏观角度看, 其实 是大陆壳到大洋壳的物质转移中间站, 因此从集水 盆地山区剥蚀, 到河道的地貌演变与沉积搬运, 直到 输入海洋、堆积海底、最终形成地层, 是一个“沉积 过路系统(sediment-routing system)”[13], 需要“从源到 汇”作系统研究. 还是那个地磁场, 从地球系统的宏 观角度看, 就不仅是极性地层学的年龄问题, 它向上 是对于宇宙射线的屏蔽, 向下是窥视地球内核的窗 口, 需要和宇宙核素、地核流场联系起来研究[14]. 还 是那个潮汐, 但不仅是表层海水, 而是地球各个圈层 都有潮汐: 海洋潮向下, 是深海的水动力源头[15]; 大 气潮向上, 会影响电离层的密度分布[16]; 而固体潮甚 至可以诱发地震[17]. 地球上的万事万物, 都是地球系 统中的一部分. 所以, 地球系统科学决不是地球科学又多了一 个分支, 它是地球科学研究思路的改变. 这种改变要 求地球科学工作者经历一种类似于“悟道”的改造过 程: 把原来熟悉的研究对象, 在更大的时空境界里重 新理解; 把原来习惯的研究思路, 在一个完整的系统 里重新调整. 2.2 向更深的层次推进 人类生活在地球表面, 习惯于从表层看世界. 但 是地球系统是立体的, 从表层到深部存在着上下之 间双向交流的完整系统, 表面变化只是其中的一部 分. 一旦技术发展到具有为地球科学提供由表及里、 透视更深层次的能力, 就会真相大白. 2.2.1 地面上下的双向系统 人类最熟悉的地面水是河流, 古文明的发祥地 通常也在河流平原. 但是河水只占地球表层水量的 0.0001%, 对于相当于河水总量 6000 多倍的地下水, 反而没有给予那么多的注意. 其实从宏观看来, 地表 的江河湖水, 无非是地下水出露在地表的“露头”; 而 陆地上的淡水, 也可以看作从雨水到海水的中转站. 因此, 考察湖泊、河流或者湿地时, 不能只看地面的 水文条件, 而忘记了地表水和地下水是一个系统. 湿 地或者湖水的化学成分发生变化, 完全可以由于补 给的地下水而引起, 地面上看不出原因[18]. 这种现象, 在沿海的泻湖和岩溶地区更为显著. 在热带玄武岩 或碳酸盐岩的海岸, 常有“滨海沼(anchialine pools)” 发育, 这种从地面看来与海隔绝、而通过地下渠道与 海水相通的小型陆地水体, 其盐度与水面可以随潮 汐而变化, 还会含有特殊的海相动物[19], 给划分“海 相”与“陆相”界限的科学家出了个难题. 由地表水和地下水共同组成的系统, 当然也有 地貌上的表现. 在岩溶区和干旱区, 同一条河流可以 在地面和地下交替流淌(参见文献[20, 21]), 我国仅西 南地区就有地下河流约 3000 条. 一旦地下水渗出地 面, 照样可以像地面河流一样剥蚀岩石、切割地形, 甚至形成河网[22,23]. 这种所谓“渗漏剥蚀(seepage ero- sion)”不仅地球上有, 火星上也有, 属于普遍规律[24]. 然而更加壮观的, 应当是极地冰盖底下的水系. 地球物理调查表明, 南极冰盖之下除岩石地形 十分复杂外, 还存在着约 145 个冰下湖泊, 湖水总量 可能相当于全球淡水的 25%. 其中最大的“东方湖”面 积为 14000 km2, 相当于半个贝加尔湖, 水深超过 500 m, 数全球第七大湖[25], 据推算湖水的滞留时间长达 13300 年[26](图 1). 这类冰下湖有的是冰盖形成时留 下来的“古迹”, 有的是地热作用融冰造成的“新水”. 不管成因如何, 这种夹在岩石地壳和数千米厚冰盖 中间的湖水, 应当很难有活动的余地. 但是卫星测高 的结果出人意料: 随着上覆冰盖压力的变化, 湖水可 以迁徙流动[27]. 比如冰盖穹隆Dome C区的冰下湖群, 1315 汪品先: 穿凿地球系统的时间隧道 图 1 南极冰盖下的河流与湖泊 揭起平均 2000 m 厚的冰盖(上方), 可以看到崎岖的地形和冰下湖、冰下河. 据 http://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?org=NSF&cntn_id=109587&preview=false 16个月里大约有 1.8 km3的水从一个湖流到了 290 km 外另外两个湖里[28]. 至于北极的格陵兰冰盖, 由于温 度比南极高, 夏季在冰面聚集成湖的融冰水, 可以沿 裂缝渗入冰底, 通过润滑作用引起冰盖不稳定, 并造 成冰底的快速水流[29]. 地质时期里还发生过巨大规 模的冰下湖洪水事件: 距今 1440~1240 万年前的中新 世中期, 南极冰下湖水泄出, 留下了 250 m深、600 m 宽的谷道, 推算当时流量可高达每秒 2×106 m3 万立 方的量级[30]. 冰下湖的发现, 说明极地冰盖决不是静态的“白 色山脉”, 而是一个有液态水交织在里面的动态系统: 从冰层、水层到岩层, 从冰盖上的融冰湖到下面的冰 下湖, 都在发生相互作用. 冰盖的消融, 不仅有冰盖 上方的气候因素, 还有冰盖下面的河流侵蚀作用. 冰 下水系在地球系统科学里的价值, 目前还难以估量, 尤其是封存时间以百万年计的古老湖泊, 其中存活 的微生物群, 是未来研究的珍稀材料, 而冰下湖洪水 事件究竟会对大洋产生哪些影响, 都等待着学术界 有志之士前去揭晓. 2.2.2 海洋上下的双向系统 比起陆地来, 人类对海洋的认识更加表面化. 作 为陆地生物, 人类诞生以来就是站在海洋之外看海 水的. 无论从岸上还是船上, 都是自上而下看, 看到 的是一个单向运动的海洋: 物质和能量都是从海面 向海底传送. 洋底好比是世界的终点, 一度主张将核 废料倾入深海底下, 以为可以永远埋葬, 把海底当作 地球的垃圾桶. 随着深海探测技术的成熟, 人类潜入 深海, 立足海底向上看, 方才明白海洋是个双向系统: 不但有自上而下, 还有自下而上的能流和物流. 30 年前东太平洋中隆深海热液的发现[31], 改变 了人类对深海海底的看法, 也拓宽了海洋科学和生 命科学的范围. 350℃高温的“黑水”, 从 2600 m深的 大洋中脊的热液口喷出, 冷凝成为金属硫化物的“黑 烟囱”, 滋养着依靠地热化学合成作用的“黑暗食物 链”, 是一个连科幻作家都感到意外的发现. 这个巨 型的能量与物质源泉位于大洋中脊, 是大洋板块生 成的地方, 也是地球深部通向表层的窗口. 海水沿着 海底的裂隙下渗, 到 4~5 km 深处与熔岩接触, 升温 到 300~400℃后重返海底, 将深部物质与能量带到表 层, 维持着特殊的成矿作用和生命系统[32]. 沿着全大 洋大约 6 万公里长的中脊链, 目前已知的热液系统就 有 100 多处. 据估算, 全大洋的海水每隔 500~1100 万年要到海底热液系统里循环一周, 如果把洋中脊 1316 中国科学 D 辑: 地球科学 2009 年 第 39 卷 第 10 期 两翼的扩散对流也算上, 循环周期就缩减到 100 万年. 地球内部产生的热通量, 25%~30%由大洋热液系统 向外输送[33]. 深海热液并不是海底向上输送能量和物质的唯 一源泉. 2000 年在大西洋中脊水深 750~900 m处, 又 发现了被称为“迷失城”(Lost City)的低温热液系统[34]. 与现代洋壳形成的高温热液不同, 这次是在距离扩 张轴 15 km、150 万年前形成的大洋壳里冒出来的 <40~90℃低温热液. 能量来自上地幔橄榄岩和海水 相互作用所发生的蛇纹岩化, 可以形成高达 60 m的 碳酸盐质“白烟囱”, 而释出的甲烷又支持了以古菌为 基础的厌氧生物群[35]. 热液之外还有冷泉, 在大洋的板块俯冲带和海 底的烃类溢出口都有分布. 海底沉积层里的水占沉 积层体积的 50%~70%, 当被大洋壳负载着向下俯冲 时, 水被挤出地层重返海水, 这种冷泉也会带上甲烷, 造成碳酸盐沉积和冷泉生物群[36]. 在较浅的陆坡, 海 底天然气水合物的分解也会呈冷泉溢出, 造成碳酸 盐结壳和冷泉生物群, 甚至像南海北部那样出现“微 生物礁”[37], 或者在海底造成泥火山[38]. 此外, 海底 的天然气溢出口, 也可以为深海珊瑚礁发育提供基 础[39]. 总之, 海底是“漏”的, 既有海水渗入地壳, 又有 流体从海底上溢, 将海底以下、以至地壳深处的物质 带入海水, 构成能量和物质的上、下两个来源, 在海 水中相互交流. 平均 3800 m厚的海水, 上有来自热聚 变的太阳辐射能, 下有来自热裂变的地内热能; 上有 氧化环境下营光合作用的有光生物群, 下有还原环 境下营化学合成作用的黑暗生物群, 组成了一个上 下交流的双向系统. 至于这种双向交流是否适用于 海水的物理运动, 还是个新近提出的争论问题. 通常 把深部海水的流动归结为“大洋传送带”, 认为是北大 西洋深层水的形成, 带动了全大洋从表层到洋底的 循环, 因此深层流主要由表层流自上而下单向驱动, 深海环流是地球表层气候变化信号的传递手. 这种 依靠海水密度差异驱动的“传送带”假说, 虽然在地质 界奉为圭臬, 却受到了物理海洋学的质疑, 认为在理 论上缺乏物理学的基础[40], 在实际上也得不到观测 结果的支持[41]. 海水的动力来自风力和潮汐, 由于海 底地形的起伏能够将海水的潮能转为内波, 因此提 出了潮能耗散为深海温盐流提供一半能量的新认识 [42]. 目前, 由风力和潮能推动大洋水流的假说尚待论 证[43], 内波如何推动大洋深部水体混合也还不清楚 [44], 从双向系统的角度认识海水运动, 还只能说处在 研究的起步阶段. 2.2.3 地球表层和深部的双向系统 上面说洋底是“漏”的, 其实地球各个圈层都“漏”, 地球内部也不例外. 地壳就是“漏”的: 地幔的挥发性 物质, 不但可以通过岩浆入侵而穿越地壳, 从火山口 或者热液口喷出, 还可以在板块汇聚作用下, 穿过下 地壳之后沿着断层释放到地表[45]. 地幔也是“漏”的: 根据锇同位素判断, 地幔柱从下地幔底部上升时, 带 有地核的物质 , 说明地壳和地幔之间也有物质交 换[46]. 板块学说的确立, 为地球科学带来了革命. 但是 一场革命只能解决一部分问题, 板块下面还有>6300 km的岩石与铁核 , 是人类对地球了解最少的部分 ; 板块内部, 也有一大串等待解决的问题. 人类入地的 能力远远落后于上天, 对于地球内部的事情, 至今还 只能通过间接手段探听. 尽管钻穿地壳是几十年来 大洋钻探计划的一贯愿望, 直至今日“莫霍钻”未能实 现. 30 年来在东太平洋同一个站位钻探了 8 个航次, 也只打进基岩 1836 m, 离莫霍面还十分遥远; 甚至 于莫霍面究竟是不是地壳和地幔的界限, 至今还是 个问题[47]. 其实地壳也是一种双向系统, 看来是表面的现 象, 往往有深层的根源; 以为是深部的过程, 实际上 会由表层引起. 华北稳定地块的“活化”是地面上看到 的现象, 而原因在于地壳之下, 在于岩石圈减薄、下 地壳拆沉 [ 48]. 高原山脉的隆升应当是构造运动深部 过程的表现, 然而表层岩石的风化剥蚀, 同样可以通 过均衡补偿而引起构造抬升, 因此表层的气候可以 影响深部的构造过程[49]. 进一步说, 地幔也在接受板 块运动自上而下的影响: 表层物质通过板块俯冲, 可 以造成地幔物质的不均匀性[50]. 自上而下、自下而上 的作用在地球深部并不鲜见, 关键在于采用适当的 手段加以发掘. 我国近年来在大别-苏鲁造山带, 对 于大陆地壳深俯冲与超高压变质的研究, 就是探索 地球表层与深部双向交流的成功之举. 比如地球表 层的氧、氢等元素, 随着板块俯冲到>200 km的地幔 1317 汪品先: 穿凿地球系统的时间隧道 深处后又重新返回地表, 而超高压变质矿物中还保 留了俯冲前大气降水氧同位素的信息, 整个过程不 过 1~2 千万年 , 被称为地质上的“油炸冰淇淋”模 型[51]. 上述陆地、海洋和地球内部圈层的例子, 都是地 球科学视野向深部拓展的进展, 其结果发现地球各 个圈层都是双向交换的系统, 圈层之间又有“渗漏”和 联通. 因此, 看到表层时应当注意深部, 而对于建立 在“单向”基础上的模型尤其要格外小心. 与此同时, 地球科学的视野还在向更大和更小的尺度推进. 2.3 向更广阔的空间推进 半个世纪以来航天事业的发展, 使得地球科学 与空间科学结合, 开创了以行星尺度研究地球的新 时期. 恰如研究本国史需要学习外国史、研究本国语 言要学外国语言一样, 地球系统科学也需要研究其 他行星的历史, 尤其是与地球相近的内行星. 把视野 扩展到地球以外, 从太阳系、银河系以至宇宙范围来 看地球系统, 是地球科学研究史上的一次“改革开放”, 其效果涉及地球演化的各种方面. 本文无意对比较 行星学进行系统介绍, 只是以太阳系内行星为对象, 围绕行星“全球变化”的比较, 对地球系统的研究方向 做一点探讨. 2.3.1 星球演化阶段的比较 近 10 年来天文学的进展, 发现了许多太阳系之 外的行星, 但是迄今所知大约 250 颗行星, 都是以木 星类型的为主[52], 对于研究地球系统的参考价值远 不如太阳系的内行星来得大. 比较水星、火星、金星 和地球四颗内行星的圈层结构, 可以看到固态部分 比较相近, 都有铁质的地核、石质的地幔和地壳(图 2(a)); 而流态的部分相差悬殊, 只有地球才有水圈, 只有金星、地球和火星有大气圈, 但火星的大气极为 稀薄, 大气压力只相当地球上的 0.007[54]. 这种差别, 反映了行星演化的阶段性. 太阳系内 行星形成的起点都十分相似, 但是演化的历史和现 今所处的阶段却大不相同, 以至不同星球的表面有 着不堪回首的差异. 形成于星球演化早期的表面, 满 布撞击坑, 如今天的水星和月球; 形成于火山活动期 的表面, 有岩浆覆盖, 如今天火星的北半球; 如果有 图 2 内行星与月球的比较 (a) 大小与结构; (b) 星球表面历史(包括火山、剥蚀、沉积、陨石 撞击对现有表面的改造), 显示大多内行星表面的活跃过程在 3~4 亿年前就已结束(据文献[53]) 水和板块运动, 就会形成板块沉积型的表面, 如今天 的地球. 相比之下, 水星和月球都早已内部“熄火”, 不再活跃; 火星 30 亿年前曾经有火山活动和水圈, 形成过沉积岩, 到相当地球上太古代晚期时已经停 止, 只是几百万年前偶尔还有火山活动; 金星的表面 形成于地球的早古生代, 相对较新, 5 亿年前经火山 活动更新过的表面, 撞击坑就不如水星那么密集; 唯 有地球经久不衰, 至今还能充满活力(图 2(b))[54]. 可见, 星球表面显示的活力在于圈层相互作用. 一旦轻元素逸散, 水、气消尽, 只剩下石质表面, 外面 无从吸收太阳能, 内部如果还缺乏深部核反应, 便成 为“死球”, 水星、月球便是实例. 火星 30 亿年前曾经 有过辉煌, 而现在表面−60℃, 是个无生命、无板块、 基本上无液态水的“三无世界”, 处在长期的“冰室”状 态. 金星还有少量火山活动, 表面温度 460 , ℃ 长期 处在失控的“暖室”状态. 内行星的早期历史彼此相似, 只有地球表面温度 15 , ℃ 始终保持着大气圈、水圈, 还产生了生物圈, 以至能够保证“暖室期”与“冰室期” 之间的交替, 被喻为希腊神话里的盖娅地神[55]. 1318 中国科学 D 辑: 地球科学 2009 年 第 39 卷 第 10 期 2.3.2 星球表面特征的比较 太阳系各个行星中, 以火星的研究程度最高, 一 方面因为离地球近, 另方面又因为火星的大气稀薄、 便于空间探测. 火星上的全球变化和表层演变过程, 为研究地球系统提供了最好的对比材料. 火星表面有明显的南北反差: 南半球老而且高, 是环形坑密布的高原; 北半球新而且低, 环形坑少, 两者之间平均有 5 km的高差. 这种差异是火星地质 演化的结果: 南半球保留了火星形成初期的地貌, 是 35~45 亿年前被大量陨石撞击的表面; 北半球的平原 形成于距今 35~20 亿年前, 可能有过海洋发育, 造成 了较新也较平的地形, 不过与地球相比, 这些都已经 是晚元古代以前的事. 此后, 火山爆发事件还时有发 生, 火星上的 Olympus火山高 20000 m、直径 600 km, 体积相当地球火山的 50~100 倍, 是太阳系里最大的 一个. 据推测, 这是 1~2 亿年前多次喷发的产物, 体 积庞大是由于火星缺乏板块运动, 总在同一地点反 复喷发的结果[56]. 2008年 5月, 美国“凤凰号”探测器在火星北极着 陆, 证实了火星上有水. 其实火星上水流活动的地貌 证据早已发现, 有河道、有干裂纹, 甚至有 7~8 km深 的峡谷, 说明有过间断性的流体活动, 可能是火山活 动诱发温室气体释放, 造成短暂的潮湿环境所致[57]. 而火星上沉积岩的发现, 更提供了进一步的证据[58]. 火星研究的进展让地学界兴奋不已. 发现了沉 积岩, 火星地质学的内涵就大大超越了月岩研究的 范围; 岩浆活动和水流的地形, 是地貌学研究的绝佳 材料; 火星稀薄大气的强烈运动, 又使得大气科学界 大开眼界. 学术界提出了火星古老的地质年代表[56], 探索着火星上的短暂而突发的气候活跃旋回[57], 而 且早就在讨论地球上生命来自火星的可能[59]. 火星 上的全球变化, 是地球上全球变化难得的比较对象. 不但火星上大气环流的模拟早已开始[60], 古气候界 还为火星的冰期旋回计算出了轨道驱动的周期性[61]. 在火星上, 地球系统找到了自己的“兄弟“, 地球科学 也从此不再是独子、孤本, 因为有了进行比较研究的 对象. 2.3.3 星球流态圈层的比较 火星的大气层尽管稀薄, 大气对流却相当强盛. 火星的运转和地球相似, 一天 24 小时 40 分, 火星轴 倾斜 25.2°, 因此一年也有四季, 只是一年长度相当 地球的 687 天. 与地球最大的不同, 在于火星大气只 有一个全球的Hadley环流, 不像地球上南北半球分别 形成Hadley环流; 火星温差在于南北半球之间, 而地 球上最大的温差在热带与两极之间. 火星上缺乏液 态水, 属于“超级大陆性”气候, 加上地面干旱和粗颗 粒的土层, 风尘暴比地球上的规模大得多, 常常高达 10 km. 与此相应, 火星只有春夏的“晴空季”和秋冬 的“风尘季”之分, 却没有冷、热或者干、湿的季节性 [56]. 金星上的大气压是地球上的 90 倍, 其中 98%是 CO2, 而 25 km厚的云层主要由硫酸组成[62]. 面对今 天的金星, 地球可以看到自己的童年: 早期地球上的 大气层和今天的金星一样由CO2 组成, 由于地球上有 海洋, 大量的CO2 溶入海水形成了碳酸盐沉积, 又加 上后来植物的光合作用, 使得今天大气里的CO2 只剩 下万分之几, 与火星同源而殊途. 其他星球的大气圈 也各不相同, 如木星有一万公里厚的大气层, 主要由 氢和氦组成, 而低温下冻结成颗粒状的氨和水分, 构 成了木星厚厚的云层[63]. 流态圈层值得研究的不仅是行星, 有些卫星其 实更加有趣. 木星的卫星特别多, 其中最引人注意的 是木卫-2 即Europe, 这颗略小于月亮的星球也有地 核、地幔, 但是外壳居然是上万米厚的冰, 而冰层底 下是个极深的海洋[64,65]! Europe的冰下大洋推测有五 万米深, 依靠潮汐的摩擦和地幔的热能保持液态, 其 中很有可能还有生命, 为我们的海洋科学界留下种 种想象的余地. 可惜去木星及其卫星都很不容易, 美 国计划 2020年发射的探测器, 要到 2026年才能到达. 除了供比较之外, 地外星球对于地球系统还会 产生种种的影响, 比如潮汐和轨道周期的变化. 地外 因素当然不限于太阳系, 最近提出“宇宙气候学”, 认 为宇宙射线通过改变低云的水滴含量, 可以影响地 球上的气候, 而宇宙射线来自银河系中爆发的天体, 同时还受到磁场的调控. 因此太阳系在银河系中所 处的位置十分重要, 地球在最近的 6 亿年中出现过四 次冰室期, 据说都和太阳与银河系旋臂相遇有关[66]. 现在, 地球科学和空间探测相结合, 比较行星学 已经成为发达国家的热门学科之一, 也吸引了众多 1319 汪品先: 穿凿地球系统的时间隧道 青年学生和社会群众的兴趣. 我国的地球科学和航 天事业都在蓬勃发展, 但是两者很少结合起来, 以至 国外如此热门的新学科在国内竟很少提起, 个别热 心人的工作也难以得到重视. 其实和其他空间科学 一样, 大量研究材料都可以从开放的网上获得, 我国 完全有条件、也有必要开展比较行星学的研究, 因为 它牵涉到我国地球系统科学的视野, 牵涉到地球系 统科学理论突破的前景. 2.4 向更小的微观世界推进 地球科学的视域扩大, 指的是跨越的尺度范围 增大, 而不是一味追求大尺度. 在向空间扩展视域的 同时, 技术发展也使地球科学进入新的微观领域. 原 子力显微镜、扫描隧道显微镜等种种新手段的出现, 打开了前所未知的微观世界的大门, 惠及地球科学 几乎每一个学科. 另一方面分子生物学等新技术的 发展, 又开辟了微观生物世界的新领域. 下面就纳米 矿物和微型生物两个方面, 介绍微观视域给地球科 学带来的新意. 2.4.1 纳米地球科学 在 1~100 nm (即 10−9~10−7 m)尺度里研究物质 过程与特性的纳米技术 , 为地球科学开创了一个 新境界—纳米地球科学 . 从土壤到气溶胶 , 从 黏土到胶体矿物 , 地球科学里有的是各种各样的 细小颗粒 . 由于纳米尺度已经是单个原子和分子 的等级 , 一旦颗粒小到纳米级 , 许多原有的性质 就会发生变化 , 这在地球表层过程中十分常见 [67]. 比如Mn的氧化 , 影响到土壤和沉积物的吸附作用 和电位变化 , 是环境科学里的一种重要反应 , 其 中需要有赤铁矿起催化作用 , 但是其催化效率又 和纳米等级赤铁矿的颗粒大小相关 . 实验表明 , 7 nm的赤铁矿比起 37 nm的赤铁矿来 , 催化效率要 高出 1~2 个量级 [68]. 纳米级矿物颗粒, 在海洋里的分布极其广泛, 正 确识别纳米矿物在生物地球化学循环中的作用, 是 一个关键问题. 比如铁是海洋生产力的重要限制元 素 , 生物能利用的只是溶解铁. 按照传统定义凡是 <400 nm的都算“溶解铁”(dissolved Fe), 其实在 20~ 400 nm之间主要是胶体 , <20 nm的才是 “可溶 铁”(soluble Fe). 两者的区分十分重要: 海水里随风 尘降落而浓度急剧变化的是胶体铁, 可溶铁的浓度 却相当稳定[69]. 除风尘之外, 河流和冰山也是海水里 纳米颗粒的重要来源, 仅每年通过融冰水和冰山运 到海洋里的悬移物质就有 2900 Tg·a−1 之多, 基本上 属于~5 nm大小, 其中的氢氧化铁能为生物所用[70]. 有人推测, 盛冰期时冰山输运增加, 由此带到大洋的 铁所产生的“铁肥效应”, 就足以使大气CO2 浓度降到 冰期水平[71]. 大气里的气溶胶, 相当一部分属于纳米粒级, 但 不同大小的粒级也有着性能上的差异. 比如海洋上 由于溅浪蒸发形成的盐类气溶胶, 能够成为云核促 进云层的发育. 但颗粒过小时吸引水分长成云核水 滴的能力不足, 只有>40 nm的NaCl颗粒才有利于云 核生长[70]. 总之, 纳米地球科学目前处在诞生期, 今后的发 展必将带来巨大的影响. 纳米科学介于传统尺度和 量子尺度之间, 至于地球科学向微观世界推进是不 是就以纳米为限, 恐怕还要几十年以后才见分晓. 2.4.2 海洋微型生物 20 世纪末期科学向微观世界发展的一个里程碑, 是巨量海洋微型生物的发现. 海洋微型生物泛指小 于 100~150 μm的生物, 包括细菌、古菌和真核生物. 原来的概念里细菌总是与疾病联系在一起, 而海洋 细菌却是完全不同的概念. 一些重要的海洋细菌自 己能进行光合作用, 是海洋里的生产者, 其中包括 0.8~1.5 μm 蓝 细 菌 聚 球 藻 Synechococcus 和 只 有 0.4~0.8 μm的原绿球藻Prochlorococcus[72]. 用细菌的 “视野”看海洋世界, 1 mm3 海水里通常含有 10000 个 病毒、1000 个细菌、100 个原绿球藻、10 个聚球藻、 10 个真核藻类和 10 个原生生物, 这些大小不等的微 型生物之间有着密切的相互作用, 构成了一个我们 不熟悉的微观生物世界(图 3(a))[73]. 更加令人惊奇的是: 海洋里最主要的生物不是 鱼虾, 而是微型生物, 海洋生物量的 90%属于微型生 物 ; 如果论个数 , 数量最多的“生物体”(biological entities)是病毒. 每一毫升(mL)海水中有上百万个病 毒, 论个数占了大洋中有核酸颗粒的 94%, 估计全大 洋有 1030个病毒, 连起来长度超过 60个银河系, 但是 毕竟个体小, 论生物量在大洋只占 5%. 有细胞核的 1320 中国科学 D 辑: 地球科学 2009 年 第 39 卷 第 10 期 图 3 海洋的微型生物 (a) 海洋有机物的大小范围(据文献[73]改绘); (b) 海洋微生物生物量和丰度比较(据文献[74]改绘). POC, 颗粒有机碳; DOC, 溶解有机碳 原核生物, 论个数占大洋有核酸颗粒总数不到 10%, 而生物量却超过 90%(图 3(b))[74]. 海洋微型生物的惊奇还不止于此. 在海底以下 至少上千米的深处, 居然还有巨大数量的微生物生 活着, 甚至深海玄武岩里还有细菌生活, 构成所谓的 “深部生物圈”. 据估算, 地球上活的生物量, 30%是 在地下的“深部生物圈”里; 而地球上的原核生物, 竟 有 55%~85%是在地下的“深部生物圈”里！ 这样, 地 球上生物圈的分布范围就大大扩展, 一直深入到岩 石圈以内[75,76]. 2.4.3 微型生物与碳循环 海洋微型生物的新发现不仅改变了细菌只是异 养、海洋生产力就是浮游植物的陈旧概念, 而且还揭 示了生物利用能源途径的多样性. 与陆地植物不同, 海洋微型生物中有许多特殊的光合作用途径, 比如 上面提到的原绿球藻, 叶绿素和光合作用都与众不 同; 而有的非光合作用浮游细菌, 能采用别的方法将 光能转化用作新陈代谢的能源 [77]. 至于“深部生物 圈”和深海热液生物群一样, 在黑暗而缺氧的环境下 依靠地球内部的能量, 是生物利用能量的一种比光 合作用更加古老的途径. 迄今为止, 海洋碳循环的研究很少考虑微型生 物的贡献. 海洋生产力与碳循环的模型, 基本上是建 立在浮游生物和颗粒有机碳的基础之上, 但是海水 里的有机碳中 90%是溶解有机碳, 海洋生物量中 90% 是微生物, 忽略了两个 90%的不可能是正确的模型, 一系列的基本概念有待纠正. 20 世纪 80 年代初期就 提出了“微食物环(microloop)”的概念 , 认为浮游动 物、植物产生的溶解有机碳, 可以被细菌吸收利用形 成颗粒有机碳, 再通过原生动物的摄食重新回到主 食物链, 展现了海洋碳循环的新环节. 但这还只是一 部分, 海洋溶解有机碳中 90%~95%是难以为细菌降 解的“惰性溶解有机碳”, 在海洋里起着“非沉降生物 泵“的作用[78]. 所有这种种过程, 都有待纳入海洋碳 循环的模型中去. 最近一项重大发现是深海病毒对碳循环的影响. 如所周知, 病毒没有细胞结构、但是有遗传和复制等 生命特征, 算不算生物都有过争论, 过去主要因为其 病害作用才受重视. 20世纪 90年代起, 认识到海洋病 毒的重要性: 浮游病毒作为海洋微型生物的“杀手”, 通过对宿主微型生物的裂解, 改变着海洋生态系统 1321 汪品先: 穿凿地球系统的时间隧道 中的物质和能量循环, 形成“病毒环(viral loop)”或者 “病毒回路(viral shunt)”, 能够提高生物泵的效率, 改 变海洋微型生物的丰度次序[74]. 2008 年底, 又发现病 毒是“深部生物圈”里 80%微型生物的“杀手”, 通过 “病毒回路”每年为海洋输送 3.7~6.3 亿吨的碳, 是深 海碳循环的重要角色 [79,80]. 一旦明确了它们在深海 碳循环中的作用, 必将有助于解开碳循环在地质尺 度上的疑窦. 无论纳米矿物还是微型生物, 都是地球科学在 微观尺度上的拓展. 尺度上的拓展, 带来研究角度的 变化. 就微型生物来说, 需要在纳米到微米的尺度上 研究微型生物的生态学, 然后才能认识他们在全球 碳循环中的贡献[81]. 以地球圈层相互作用为对象的 地球系统科学, 通过向更深的层次、更大的空间和更 小的微观世界推进, 扩大了在空间里的视域, 标志着 地球系统科学的重大进步. 而圈层相互作用的过程 是在时间里发生的, 为此需要讨论地球系统科学在 时间域里的进展. 3 地球系统科学在时间域里的汇合 构成地球系统的圈层, 是在空间里的划分. 与此 同时, 不同圈层的运动过程还有着时间尺度上的差 异, 总体说来流态圈层的过程比固态的快, 密度小的 圈层变化速率高于密度大的圈层; 即使在同一个圈 层内部, 不同过程的时间尺度也有千变万化. 关于地 质、地貌各种过程的速率差异, 20 年前就有过专著总 结[82], 无须在此重复. 这里要讨论的, 是地球系统科 学在时间域里遇到的问题, 而这要从地球科学的历 史说起. 3.1 地球科学的“古”“今”鸿沟 地球科学不同的学科, 有着不同的来源. 以寻找 矿产资源起家的固体地球科学和预测风向、警告洪灾 的流体地球科学, 从诞生起就不相同. 地质学的诞生 是找矿的需要 . 当时被看成 “挖沟仔 ”的史密斯 (William Smith), 根据“有同样化石的地层年龄相同” 的假设, 在 1799 年绘制了第一张地质图, 被后人称 为“地质学之父”[83]. 如此建立起来的地质学, 需要的 是标志地层的符号和地质历史的结果, 而并不关心 今天的过程或者明天的变化. 相反, 当 1686 年哈雷 (Edmond Halley)制作第一张信风和季风分布图的时 候, 关心的是今天的过程, 也不会去捉摸多少万年前 的古代风场. 长期以来, 固体和流体的地球科学就像 “两股道上跑的车”, 各自分别在“古”和“今”两个不同 的时间域里发展. 随着科技的发展, 这种分野日益模糊. 一方面, 矿产勘探开发的深入需要了解矿床形成和破坏的过 程, 地质灾害的预警更要求知道今天和明天的变化, 从“古”向“今”推进; 另一方面, 大气和海洋科学为预 测未来的变化 , 也必须研究过去的变化 , 从“今”向 “古”延伸, 这也就是地球系统科学在时间域里的发展 趋势. 下面的讨论将要展示: 处在时间尺度两头的学 科正在相向而行 , 然而两者之间的鸿沟依然深邃 . “今”、“古”之间并不应该是时间尺度上的区别, 所谓 “现代过程”本身就包括地质尺度的长期变化, 所谓 “古代过程”也可以和“现代过程”在相似的时间尺度 上进行研究, 两者的区别在很大程度上是学科发展 历史和时间分辨率技术限制的产物. 3.2 地球系统时空尺度的连续性 近代科学的发展表明, 地球系统的过程无论时 间还是空间上都具有多尺度的性质, 而且这些尺度 构成连续的序列, 其间的间隔与鸿沟其实只存在于 我们的脑子即认识之中. 3.2.1 现代过程研究向长时间序列发展 随着地球科学预测未来任务的加重, 现代过程 长序列记录的重要性也愈益突显, 而且在大气与海 洋科学中格外明显. 大气CO2 浓度变化的记录是最好 的例子. 研究碳排放的温室效应, 不能只看这几年, 而现在最长的记录来自夏威夷Mauna Loa实验室, 从 1958 年开始测量直至今日[84], 证明半世纪来CO2 浓 度一直在上升. 然而当时对温室气体并无兴趣, 起初 对CO2 浓度测量的成果并不重视、也不容易发表, 而 现在成了大气化学全球最宝贵的长记录, 是温室气 体浓度增高最为直接、最为准确的证据, 更早的记录 就只能借助于冰芯气泡里大气成分的分析. 另一项长期观测的重要成果是厄尔尼诺成因的 发现. 20 世纪 60 年代已经知道厄尔尼诺是热带太平 洋海气相互作用中的重大异常, 但是不明白形成的 1322 中国科学 D 辑: 地球科学 2009 年 第 39 卷 第 10 期 原因. 1985 年开始, 在太平洋赤道两侧投放了将近 70 个锚系, 对水文、风速、风向等连续观测十几年, 追 踪大气与上层海水的变化, 终于揭示出西太平洋暖 池次表层水温与东太平洋上升流的关系. 原来发生 在东太平洋表层海水的异常, 根子在西太平洋的次 表层, 从而为提前一年半载预报厄尔尼诺提供了科 学依据[85]. 对海洋沉积过程认识的一次重大变化, 来自沉 积捕集器的发明. 早先认为, 浮游生物尸体和悬移颗 粒像雨点一样均匀地垂直降落海底, 20 世纪 70 年代 晚期发明的沉积捕集器, 定期连续收集海水中的沉 积颗粒、测定表层大洋的输出通量, 发现远洋沉积并 非均匀发生, 而是一种脉冲式的“事件”过程, 并且证 明了浮游生物勃发在沉积过程中的重要性[86]. 连续 观测对深海沉积学的另一重大贡献, 是深海“海底风 暴(deep storm)”的发现. 1978 年起在加拿大岸外的北 大西洋深海区, 了专门设备进行连续观测. 7 年 现场试验的结果, 发现表明海底以上 10 m处的最大 流 速 可 达 15~40 cm·s−1, 悬 移 物 浓 度 高 达 3500~12000 μg·L−1, 这种“海底风暴”平均每年发生 8~10 次, 每次延续 2~20 天[87]. 这次发现, 从根本上 改变了深海动力学的概念. 由此可见, 只有长期观测才能获得地球系统中 变化速率的客观数值. 对于地质过程, 往往是“测量 的时间越短, 运动的速率似乎越大”, 因为“大部分地 质过程是间歇性的, 快速变化总是和更长的宁静期 交替出现”[82]. 3.2.2 现代过程时间尺度的多样性 地球系统科学在时间域里的一项重要进展, 是 对于现代过程时间尺度的新认识. 从前认为地质作 用是超越人类观测范围的缓慢过程, 现在随着观测 与计时精度的提升, 地质过程的真实速率已经展现 在我们眼前. 比如板块运动, 根据卫星定位的精确测 量, 我国东部正以 11~12 mm·a−1 的速率朝南东东方 向移动, 而菲律宾海板块以 70 mm·a−1 速率向北西方 向推进, 因此两者相对汇聚速率为 80 mm·a−1; 这种 汇聚速率又不是均匀分布, 其中在台湾岛的海岸山 脉与中央山脉之间的汇聚速率就高达 31~33 mm·a−1. 这里沿着断层发育的秀姑峦溪, 有一座玉里桥东西 两端相距只有 575 m, 而 1995~1999 年间测量表明, 桥两端正以 22 mm·a−1的速率相向汇聚[88]. 与这种惊 人的运动速率相比, 我国东部大陆壳内部的位移就 慢得多: 1998~2005 年间, 华北与华南之间沿秦岭-大 别造山带的相对位移速率只有 3.1 mm·a−1[89]. 所以 说, 只要把测量的精度提高、把观察的视野拓宽, 所 谓“移山倒海”、“海枯石烂”的变化, 不再是神话般的 地质历史, 它们和“日月经天”、“江河行地”一样, 都 是发生在眼前的“现代过程”. 这种快速与慢速运动的对照, 在海底扩张速率 中同样明显. 同是新生洋壳诞生地的大洋中脊, 东太 平洋的扩张速率高达 100~200 mm·a−1, 而印度洋却 不足 20 mm·a−1, 分别属于快速和超慢速的扩展过 程[90]. 甚至地震也有快慢之分. 美国和加拿大西海岸 外的Juan de Fuca板块, 向东俯冲到北美陆地板块之 下, 近百万年来平均速率 40 mm·a−1, 每隔五、六百 年可以产生一次 8 级、甚至 9 级的大地震. 但是近年 来的连续观测发现, 在 25~45 km的深处板块在缓慢 俯冲, 属于安静的“慢地震”, 只是每过 15个月左右会 有一次“颤动(tremor)”, 在 10 多天的时间里突然移动 几厘米[91,92]. 这种“慢地震”在几十分钟到几个月之间 释放能量, 和在几秒钟之间释放能量的“正常地震”大 不相同. 这项发现改变了对地震能量积聚与释放机制 的认识, 原来这也是一种间隙性、而不是渐变的过程. 地球系统中同一过程的快速与慢速并存, 是一 种普遍现象. 海洋沉积作用的间隙性前面已经讲过 (见 3.2.1), 而最大的快速沉积事件是海底滑坡, 比陆 上滑坡的规模可以高出 2~3 个数量级, 这是沉积物从 陆地跨过陆坡进入大洋深海底的基本机制之一. 挪 威岸外的一次滑坡, 沉积物体积达 3000 km3, 移动距 离 800 km, 影响挪威陆坡的面积达 95000 km2[93]; 而 夏威夷Oohu岛外一次滑坡, 体积竟达 5000 km3[94]. 甚至于平时不易察觉的水气交换, 在一定条件下也 可以成为灾变事件. 20 世纪 80 年代西非喀麦隆两个 湖泊先后发生爆发性的“湖喷”, 原来溶解在湖水里的 CO2 突然气化喷出, 使成千人窒息致死. 同样的现象, 完全可以在海水里发生[95]. 总之, 现代过程的速率可以有几个数量级的差 别. “短促地震的位移可以比克拉通的长期运动快百 万倍, 潮湿热带的高山剥蚀可以比温带低地快上千 1323 汪品先: 穿凿地球系统的时间隧道 倍