将来的地球演化趋势及全球变化

广东海洋大学

廖永岩著
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全球变化是当今最热门的一个研究领域。但地球将来到底会怎么变化，是变热或是变冷？众说纷纭[汪品先，2003；Hays, et. al., 1976; Berger and Loutre, 2002]。我们比较和分析了现有的地球塑性和刚性、地球的去气作用及其变化、地球上O₂含量及其变化、地球上矿物有机物的沉积等资料，提出了新的全球变化理论和对策。

1、地球的塑性和刚性及其变化趋势

冰川作用导致的地质作用，明显与地球的流体性有密切关系。组成地球的物质流体性越强，其可塑性就越强，刚性越弱。这时的冰川形成和消融等大质量物质的转移，最能引发地球的地质作用，引发强烈的火山爆发和地震。组成地球的物质流体性越弱，可塑性就越弱，刚性越强；这时的冰川形成和消融等质量的转移，引发地球的地质作用的可能性越弱，引发火山喷发和地震的可能性也相应地越弱。一旦地球完全固化，已没有了流体或没有了流体性，再大的冰川形成，也不会再引发地质作用，也不会再有火山喷发或地震发生。

星体的流体性和刚性，主要决定于星体内热量产生的多少和热量散失的多少。星球越大，星球形成时，产生的热量越多，散热效果越差，热量散失所需的时间越长，维持流体性的时间也就越长，如地球。星体越小，产生的热量越少，热量散失得越快，维持流体性的时间也就越短，如月球和水星。在类地行星及月球中，地球最大，月球最小，质量大小顺序为：地球>金星>火星>水星>月球；维持流体性强弱的顺序为：地球>金星>火星>水星>月球[刘本培和蔡运龙，2000；夏邦栋，1995]。所以，31亿年前，月球最先固化，其次是水星。到目前为止，类地行星中，火星已基本固化；金星还没有完全固化，但流体性已较弱；流体性最强的是地球[夏邦栋，1995；吴泰然和何国琦，2003]。

地球的地壳刚形成时，地壳较薄，地壳内的流体流动性较强，刚性较弱。这时的地球，较容易发生变形，小的冰川活动，小的质量转移，就能造成强烈的地质运动，引发强烈的火山和地震活动。

随着地球内热量的不断散失，许多流体被固化，地壳变厚，流体减少，流动性减弱。这时的地球，流体性较弱，刚性较强，较不易变形，较强烈的冰川活动，较大的质量转移，才可能引发地质运动及火山和地震活动。

随着时间的推移，地球的刚性越来越强，塑性越来越弱，最后将完全固化，刚性最强，几乎没有塑性。

2、地球的去气作用及其变化趋势

一般认为，除O₂外，现今大气中的气体，主要是由于地球的去气作用形成的[涂光炽，1996]。自从地球的地核、地幔和地壳等几大圈层形成之后，地球不断地向外层大气层排出气体。类地行星，如水星、金星和火星，均有类似地球的去气作用。只是由于水星和火星体积远小于地球，整个行星已基本固化，到现在为止，去气作用，已基本结束。类地行星里，只有地球和金星尚没有完全固化，还能继续进行去气作用[吴泰然和何国琦，2003]。

CO₂是地球去气作用中一种主要气体。少量的CO₂等地球去气气体，不间断地从地球内部排出，但大量的CO₂等去气气体，是通过火山喷发和地震等地质活动产生的。

地球的火山和地震，与金星等其它没有水和没有生命的行星上的火山和地震不一样，除早期由外星体碰撞引起一些火山喷发和地震外，主要是由于冰川的形成和消融而引发的。

地球的去气作用，与地球内部的高温和流动性有关。由于地球不断地向外辐射散热量，从地球刚形成时开始，地球的去气作用逐渐减弱。一旦地球固化，就没有火山喷发和地震，也就没有去气作用了。那时，地球再也不会给大气补充CO₂，若植物的光合作用等减少大气CO₂的机制仍继续作用的话，地球的温室效应将逐渐减弱，最后地球将变成一个大雪球。

3、矿物有机物的沉积对O₂的影响

现在地球已沉积矿物有机物1.5×10⁷Gt[Falkowski, et. al., 2000]。生命在地球上出现，已有38亿年历史[Schopf, 1993; Schidlowski and Aharon, 1992]。若从有机物大量沉积的8.5亿年前算起，也已近10亿年。若按38亿年算，每年沉积量=1.5×10⁷÷3.8×10⁹ Gt/年，约每年3.94×10^-3 Gt。若按10亿年算，每年沉积量=1.5×10⁷÷1×10⁹，约每年1.5×10^-2 Gt。若考虑O₂浓度增加，沉积难度增大，沉积量只有正常沉积量的30%左右的话，每年大约也应有1×10^-3 Gt矿物有机物沉积。

地球上所有活生物有机物，及煤、石油、天然气和油母质等矿物有机物，都是植物通过光合作用形成的[曹宗巽和吴相钰，1979]：

光合作用

CO₂+H₂O             (CH₂O)+O₂

         绿色植物

由上式可知：每形成一分子（CH₂O）（表示有机物），消耗1分子CO₂，产生1分子O₂。简单地说，形成1分子（CH₂O）有机物，就会形成1分子O₂。

当大量的矿物有机物沉积（不再参与氧化作用），会在大气中留下大量的O₂。因每年都有约1×10^-3 Gt的矿物有机物沉积，所以，每年大气中也应增加1×10^-3×30/32Gt的O₂（CH₂O的分子量为30，O₂的分子量为32）。

沉积有机物留下的O₂，一部分用来使地球的强还原环境变为氧化环境；一部分就留在大气中[Schlesinger, 1997]。因为现在已是相当氧化型的环境，不会再消耗太多的O₂。所以，随着矿物有机物的不断沉积，大气O₂含量势必增加。

一旦大气O₂含量超过现今大气的O₂含量，这种大气就成为富氧大气。在富氧大气里，物质的着火点降低，氧化速度快。很多不易着火的物质，都变成极易燃烧的物质。举一个很平常的化学实验的例子，铁本来是极不易燃烧的物质，但当烧红的铁丝位于纯氧中时，能剧烈燃烧，并发强光。天然气甚至枯叶等物质都会引发森林大火。

经过自然选择和生存竞争，那些相对不耐火的生物（主要是植物），慢慢淘汰掉了；而相对较耐火的植物得以继续生存下来[杨英等，2000；吕静等，2002]。经过多次这样的反复作用，地球形成了耐火型植物；也形成了耐火型植被，如荒漠和沙漠。大量的森林被草原、荒漠或沙漠代替。

所以，一旦变还原型环境成氧化环境消耗O₂的潜力已用尽，若没有什么机制再阻止矿物有机物的继续沉积，地球上的O₂肯定越来越多，只有靠燃烧地表能与O₂接触的矿物有机物（如煤、天然气或石油）和燃烧活生物体（如森林）来降低O₂的含量。因为地表能直接与O₂接触的矿物有机物的量毕竟有限，所以，一旦这部分消耗O₂的潜力也用完时，只有靠燃烧森林，减少活生物量来控制O₂的浓度。若认为自第四纪后，O₂量基本恒定，没有增加是正确的话[Schlesinger, 1997]，自第四纪以来，地球上活生物量应因为森林大火而减少了50%以上。

4、O₂的演化趋势

自从35亿年前蓝藻类光合放氧生物出现，绿色植物就一直在吸收CO₂制造O₂ [张均，1998]。地球刚形成时，是强烈的还原性环境。植物光合作用形成的O₂，大部分用于将还原性环境改造成氧化型环境，这将近消耗了地球上现已生产出来的80%以上的O₂ [Schlesinger, 1997]。直到20亿年前，大气中的O₂才达现在大气氧的1%。8.5-5.7亿年前，才达现在氧的6-10%[Schlesinger, 1997; 张均，1998]。大约4亿年前的志留纪，大气O₂含量达现在O₂含量的10%以上，完全能遮挡紫外线，使生物可以在陆地上出现[张均，1998；秦瑜和赵春生，2003；Wayne, 2000]。第四纪冰川期以后，大气氧浓度达现在水平，并一直维持到现在[Schlesinger, 1997]。

5、将来全球的变化趋势

地球塑性和刚性的变化，及地球的去气作用的变化趋势，我们人类是没有能力干预的。地球的塑性的丧失，刚性的增强，主要是由于其热量的散失而造成的。我们不可能使地球的塑性继续保持下去，除非我们有能力补充巨大的能量于地球，使地球散失的热量和我们人类补充给地球的能量相等。毕竟我们的能力有限，最终，地球肯定会成为一个实心固体球。

随着地球的固化，地球的去气作用也将逐渐丧失。若我们没有能力改变，一旦地球完全固化，其去气作用完全丧失，将永远不会再给大气补充CO₂。

只要地球上还有生物，光合作用还在进行，必将导致地球上的CO₂量逐渐减少，温室效应将逐渐减弱，最终地球将是一个大雪球。

地球的矿物有机物沉积也将继续进行，这也是我们目前不可能控制的，这将使我们大气中的O₂量增加。若我们无所作为的话，随着地球的含氧量的增加，将造成全球性的森林大火，将燃烧地球上的一切可燃物。地球的植被将变得更加耐火型，活生物量将逐渐减少，不耐火的森林群落，将逐渐被耐火的荒漠或沙漠群落代替。简单地说，大量的活生物（包括植物、动物和微生物等），转化为矿物有机物，直至所有的活生物转化为矿物有机物为止。到那时，地球将成为没有生命的地球，死的地球。当然，人类也就不可能在地球上生存了。

当然，地球上也永远不会再有火山喷发和地震，也不会再有板块移动等地质活动。海洋不会再扩张，陆地及山脉也不会再升高，将在不断的风化作用下，逐渐变得平坦。除非有天外星体撞击了地球，造成一定的有限变化。若天外星体撞击地球，将不会产生象以往地史时期那样的地质活动，它能将地球撞掉一块，有可能会造成地震，但不会造成火山喷发。

6、应变对策

我们现阶段将一定量的煤、石油和天然气作为能源物质进行燃烧是正确的，这有助于矿物有机物埋藏量的减少，使O₂量下降，大大减少森林大火的发生，保护森林。这种燃烧，也有助于大气CO₂量增高，以补充地球去气作用减弱而造成的CO₂不足。

这样，大气中CO₂量将增加，使温室效应增强，使地球变得温暖湿润，使沙漠和荒漠转化为森林。地球上的活生物量将得以增加，生物的生存面积得以增加，人类自己的生存空间也得以增加。当然，温室效应的增强，冰川肯定会消融，海平面会上升，会进入一个间冰期，会对一些城市和国家造成影响。但温室效应的增强，海平面的上升，森林面积的增加，沙漠和荒漠面积的减少，对整个地球、生物，特别是人类是有益的。

所以，我们现阶段，不是该讨论我们要怎么怎么样去减少温室效应，而应该为温室效应产生后，冰川消融之后的现状有所作为。进行一些研究和采取一些对策，以减少有关城市和国家的损失。因为，这些国家和城市，为地球的可持续性发展作出了牺牲。

应尽可能地探测煤、石油和天然气的贮藏量。有开采价值的应该探明，现阶段没有开采价值的，也应探明。因为，绝大多数的矿物有机物，是以没有开采价值的油母质（Kerogen）的形式存在的[Falkowski, et. al., 2000]。按现阶段的开采标准，有开采价值的贮藏量，只占全部矿物有机物的很少一部分，不到1‰[Falkowski, et. al., 2000]。同时，研究探测和开采及提取微量矿物有机物的技术，使我们控制地壳中矿物有机物量的能力得到极大的加强，使我们有能力控制矿物有机物量、O₂量和CO₂量的平衡。所以，矿物有机物不仅是我们的一种重要能源物质，更是一种重要环境调控物质。

开发新的能源物质，一旦矿物有机物作能源物质已经不足够时，我们必须能有其它的代用能源，以维持我们社会的正常生活秩序，以维持人类正常的生活方式。我们必须减少我们对现有矿物有机物能源物质的依靠性。到将来，我们利用或燃烧它，仅只是为了保持生态环境的平衡而已。我们必须有其它的能源物质。

我们必须研究矿物有机物的沉积原理，可能的话，尽可能减少矿物有机物的沉积。最好能控制矿物有机物沉积的量，为地球服务，为人类服务。

我们必须密切监测大气中氧的含量变化。同时，研究过去大气中O₂的变化情况，从而更好地理解大气O₂的变化规律。

若我们能保证沉积有机物的量不增加，O₂的量也不会增加，CO₂的量也不会减少。这样，地球上的生物，才可能长此以久地生存下去。

适当增大大气中的CO₂浓度也应是可取的。一旦进入间冰期，地球的四季将不太分明，将使气候比现在温暖湿润，这样，地球上的活生物量将得到增加。人类本身是生物，人类的食物全是生物，人类的生活离不开生物。人类只有通过减少矿物有机物的含量来增加活生物量。换句话说，只有燃烧大量的煤和石油等矿物有机物，才可能增加地球上的活生物量。也只有这样，才可能保持大气中的O₂浓度不变，减少森林大火的发生。

若真这样的话，地球将不会进入最后的冰期。

各位若想了解这方面有关的详细情况，请各位参见廖永岩著，海洋出版社2007年5月版的《地球科学原理》（28.00元）一书。也可以在以下网址找到这本书的详细目录：http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=7010

也可以在以下网址找到有关这本书的部分相关内容:http://www.sciencenet.cn/blog/user_index.aspx?userid=3534

注：本文摘于廖永岩著《地球科学原理》一书。

参考文献

曹宗巽，吴相钰. 植物生理学，北京：高等教育出版社. 1979. 31-125

刘本培，蔡运龙. 地球科学导论. 北京：高等教育出版社. 2000. 8-303

吕静，王宇飞，李承森. 古炭屑与古森林火. 古地理学报, 2002, 4(2): 71-76

秦瑜，赵春生.大气化学基础. 北京：气象出版社. 2003. 1-14

涂光炽. 关于CO₂若干问题的讨论，地学前缘, 1996, 3(3-4): 53-62

夏邦栋. 普通地质学. 北京：地质出版社. 1995. 243-283

汪品先. 下次冰期预测之谜. 海洋地质与第四纪地质, 2003, 23(1): 1-6

吴泰然，何国琦. 普通地质学. 北京：北京大学出版社. 2003. 9-339

杨英，沈承德，易惟熙，孙彦敏. 大火历史及其与古气候关系研究. 地球科学进展, 2000, 15(3): 328-334

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Berger A, Loutre MF. An exceptionally long interglacial ahead? Science, 2002, 297: 1287-1288

Falkowski P et al. The global carbon cycle: A test of our knowledge of earth as a system. Science. 2000, 290: 291-296

Hays J D, Imbrie J, Shackleton N J. Variations in the Earth’s orbit: Pacemaker of the ice age. Science, 1976, 194: 1121-1132

Schlesinger W. H. Biogeochemistry(2nd edition).Academic Press. 1997

Schidlowski M., Aharon P. Carbon cycle and carbon isotope record: geochemical impact of life cover 3.8 Ga of Earth history. In: Schidlowski M. et al(eds.). Early Organic Evolution. Berlin: Springer-Verlag, 1992, 147-175

Schopf J. W. Microfossils of the Early Archean Apex Chert: New evidence of the antiquity of life. Science, 1993, 260: 640-646

Wayne R P. Chemistry of Atmospheres(third edition). Oxford University Press. 2000

 

 

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