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“幔汁”与“气圈”----杜乐天的地球观

已有 6003 次阅读 2008-7-23 09:05 |个人分类:资源环境观察

“幔汁与“气圈”

----杜乐天的地球观

地球:理论与现象... 1

杜乐天:幔汁与气圈... 2

地壳:漂移与溃变... 2

成矿... 2

地震... 2

气候灾变... 2

整体的视野... 2

2008年,雪灾、地震、洪水,自然灾害似乎一刻也没离开我们。不但在中国,日本有地震、美国有洪水与森林大火、东南亚有台风、南部非洲各国则有热带风暴与洪水。自然灾害中,我们中国是最大的受害者。联合国减灾科技委员会的报告中这样描述中国:

“这是世界上自然灾害最严重的少数国家之一,大陆地震的频度和强度居世界之首,占全球地震总量的1/10以上;台风登陆的频率平均每年高达7次;从有人类记录以来,旱涝灾害、山地灾害、海岸带灾害每年都在中国发生。”

汶川地震以其惨烈的破坏,提醒中国人,必须深入认识我们寄居于其上的地球,在这个问题上,我们必须力争“从必然王国走向自由王国”。

地球:理论与现象

地球的平均半径为6371.012km,而人类仅生活在地球的表面。地面上最高点珠穆朗玛峰高8.848km;海洋最深处斐查兹海渊深11.034km,人类就生活在这19.882km的范围之内。如果将地球视为一个半径5厘米的苹果,那人类的生活范围不超过0.156毫米----仅相当于苹果皮的厚度,人类不过是附着这苹果皮上的细菌。我们就是在这样的位置上认识地球的。

在这样的位置上,人们很自然地将大气圈、水圈和大地分别归入不同的学科,作为各自独立的对象来研究。至于对地球内部的认识,相当长的时间内只有“地狱”之类的想象而已。

地质学的发展使人们开始认识地壳。直到现在,世界上最深的矿井仅45km,最深的科研钻井不过12.5km,还不到地壳平均厚度的40%

直到上个世纪后半期,随着地震学的进展,特别是采用仪器台阵,利用核爆破作人工震源,对各种波长和地球自由震荡数据做出精确的解释,才勾画出地球的内部构造。图1表现了目前对地球内部构造的主流认识。

1:地球的内部构造示意

这里有两个值得注意的界面:

其一是地壳与地幔的界面--莫霍洛维奇不连续面(简称莫霍面,Moho discontinuity),它的深度在大陆之下平均为33km,在大洋之下平均为7km,是地壳与地面的界面,为南斯拉夫学者莫霍洛维奇于1909年发现。

其二是地幔与地核的界面--古登堡面不连续(简称古登堡面,Gutenberg discontinuity),它的深度为2885km,是地幔与外地核的界面,为美国地球物理学家古登堡于1914年发现。

整个地球内部基本上是固态的,但有两个例外:

其一是地幔的上部,约70km250km处存在一个软流圈。软流圈物质虽然是固态,但强度非常小,只能承受很小的应力, 岩石圈和软流圈的强度差别高达100倍。主流理论倾向于用软流圈的热对流解释板块彼此间的相对运动。

其二是地核外层,深度28854170km,,根据横波不能通过,纵波发生大幅度衰减的事实推测其为液态,一般认为那是液态铁。

 

然而,视地球基本为固体,使我们无法理解观察到的大量现象。

其一,矿物能源的来源

石油被理解为地表古生物沉积变质的结果,所以,油田只能存在于可能发生古生物沉积的地质构造中。然而,除南极洲情况不明外,所有大陆上都发现基底结晶岩石中有重要的油气藏(美国、利比亚、委内瑞拉、西伯利亚、第聂伯等地)。仅东西伯利亚近年来就发现了3O个以上的元古宙油气田。它们分布于深断裂带附近 (鲁什耶伊 1991)

天然气被认为是煤和石油的派生产物。然而广泛见于北极永久冻土带及海底的冰状水合甲烷附近并没有煤层、油层伴生。石油顶多分布于上地壳深度6km以上,再深就不稳定要热分解;但俄国科拉超深钻(终孔深度12260m),在所有的层位中都发现天然气流(HeH2N2CH4CO、烃类)而且还随深度加大而增多(科兹洛夫斯基,1984)。这暗示了一种可能性:天然气来自地球深部,不是油田派生出天然气,而是相反。

其二、气候灾变

最典型的是台风,它时常突然转向,现有的大气动力学方程无法解释它。逻辑上只有两种可能,其一是神秘事件。其二是我们尚未认识的外部扰动。又如“神秘百慕大三角”,如果我们不想止步于“神秘”,就必须找到造成灾难的原因。又如森林大火,一般归因于人为火种,然而森林大火往往是在数万、十数万km2的大区域内多处同时起火(见图10),很难用人为因素解释。

其三、地球排气

自上个世纪80年代以来,苏联和现独联体学者发现地球向外排气是非常普遍的现象。杜乐天等中国学者观察了多年的近万张卫星热红外图像,发现了地球大规模不均匀强烈排气的证据。

已发现的大规模排气地带包括:黑海、亚速海、里海、阿塞拜疆油气区、喀尔巴阡山前油气区等,所排气体主要是烃类,以黑海为例,气流成分(按体积计算)为:CH4  94.7%C2H6  4.7%C3H8  0.6%

不但油气田大量排气,红海、太平洋、大西洋、印度洋的中脊都有规模极大的热泉活动和喷气作用。世界各地数以百万计的热液矿床包裹体成分的测定数据表明,热液中携带和溶解有巨量的气体,诸如CO2N2H2SHC1HFSO2SO3COH2CH4C2H6……(4种为可燃气)

2:海底热泉

与之相应,在海水中溶解了巨量深部H2CH43He气体,海底天然气水合物更成了各国研究、探测、开发的重点。图3是南海天然气水合物稳定带分布图。

3:南海天然气水合物稳定带分布图

气体组成:90%甲烷,7%乙烷,3%丙烷;孔隙水盐度:0%)单位m

http://define.cnki.net/WebForms/bigimage.aspx?l=http%3A%2F%2Fimage.cnki.net%2Fimagepath%2Fa%2Fscta0510%2Fkcdz200504%2Fkcdz200504003%2F0004.png

    此外,火山爆发不仅排出岩浆,也总排出大量气体(图4)。

4:火山排气

国际上一些地质学家甚至提出“火山爆发是由地球内部的‘气泡’引起的”。而泥火山实际上不应叫火山,这是气喷发。19916月菲律宾皮纳图博火山的巨大气柱竟直冲3.5万米高空。

地球上每次大地震都会排气,这是普遍规律。1976年的唐山大地震前就是如此。198910月大同地震前后,北京郊区光华吉和小汤山井水中氢气突然高达(1000--1500)×10-619909月北京沙河地震前,塔院水气观测站地下释放CO2CH4等,CO2/Ar值较平时高10倍。川滇地区现代活动断裂带都在强烈地放气。

有趣的是,这种排气居然与日、月相关。对东西伯利亚1994--2001年的系统排气测量发现,地球排气强度的变化与日、月引潮力大小有关。在一天里的早晚最强,大于白天、夜间2倍以上。一月内最大排气在望月,高于朔月56(沙拉莫夫 2002)。对达吉斯坦全年全天质谱监测发现,惰性气体HeAr流也与日月潮汐力有关,每天有两次最高、最低值(萨达洛夫 1991)

在高温高压的地球深部,怎么可能包容如此大量的气体,并持续地排放?元古宙的油气田,其碳氢化合物又来自何方?其物理、化学机制是什么?这无法用简单的固体地球来解释。如此大规模的排气,等于给大气圈和水圈外加了一个“强迫项”,于是,对海洋和大气的研究不再可能封闭在孤立的学科之内。

于是,人们不得不质疑两个根深蒂固的观念:其一,地球基本上是固体;其二,大气圈、水圈、地壳、地球内部分属不同学科研究。

杜乐天:幔汁与气圈

为解释这些现象,出现了许多新的假说,如地幔对流动力学、地幔柱(plume)动力学、热点动力学、地幔或软流层()底辟动力学、地幔不均质动力学、热流地球动力学、地幔交代动力学、涌流通道动力学等,力图突破固体地幔的制约,对地幔内部的物质交换和热运动做出解释。

核工业北京地质研究院研究员杜乐天在此基础上提出了“流体地球观”。杜乐天心目中的地球内部流体既不是我们熟悉的气体、也不是我们熟悉的流体,他说:

“地球内部(特别是深于上地壳)的流体均呈超临界态存在,既不是水液,也不是岩浆,而是高压缩高密度的极强还原性气体(例如H2COCH4,和地表上的大气成分截然不同)。地球排气作用(de-gassingoutgassing)和哮喘就是在强大的温度差、压力差、粘度差、密度差驱动下高压气体自发反重力不均匀的向上辐射喷流。这当然会对大气、海洋、地震等灾害的孕育和发生产生不可忽视的影响”

他用“幔汁”和“气圈”来描述这种流体。

20世纪70年代末,英国学者BaileyD.K.等就提出了“地幔流体”的概念,用它来解释岩浆形成的过程:某种渗透性、流动性、挥发性强的流体作为媒介,进行的物质交换过程,整个过程被称为“地幔交代作用”。

1987年杜乐天提出了“幔汁假说”,指出地幔是由幔岩和幔汁两部分构成的。他立足于物质的萃取与输送功能,从轻质、渗透性、挥发性的角度确定幔汁的成分。

“地幔流体”中,氢(H)是原子序最低的元素(1),也是渗透性最强的元素,所以氢是幔汁的首要成分。除了氢以外,幔汁中还有碱金属(用字母A表示),在地幔条件下,碱金属的化合物是挥发性的,是不可少的主控性成员。此外还包括碳(C)、氧(O)、氮(N)、硫(S),所以杜乐天用HACONS来表示幔汁。构成幔汁的皆是轻物质,原子序最高的是钾(19),其余的都在11以下。至于“地幔流体”中的其他成分,在杜乐天看来,是被幔汁萃取与输送的物质。

液态铁构成的外地核溶解了大量的氢(H2)。氢是太阳系中丰度最高的元素,而铁(Fe)能溶解氢是冶金学的常识。压力越大,温度越高,液态铁中氢溶解量越大。前人的超高压实验发现在地核中可以形成原子比为1:1FeH。而“幔汁”就发源于由液态铁外地核辐射出的强大氢流。

当幔汁向上喷流途经下中地幔后,演化为氢型幔汁(H-HACONS),许多不相容元素呈氢化物形式迁移。

当氢型幔汁向上穿透到上地幔后,由于一路上萃取许多不相容元素特别是Na+K+(钠、钾)之类阳离子碱金属后,逐渐演化为碱型幔汁(A-HACONS)。碱型幔汁在岩石圈的屏蔽下积聚即成上地幔软流圈。在幔汁渗入后软流体不断扩大溃变的体积,上隆形成波峰,甚至刺穿上覆岩层形成穹隆或蘑菇状构造。

当岩石圈发生破裂、张开、拉伸(如裂谷、裂陷、深大断裂、伸展或拆离等),碱型幔汁继续向上进入地壳,进一步演化为氧型幔汁(O-HACONS)。它们的压力大(数千MPa),温度高(高于1000℃,远高于花岗岩的熔点700℃),其中的氢、烃又开始部分氧化而产生较多的H2OCO2,故很容易导致地壳岩石或地层的全部熔融,产生花岗岩浆和安山岩浆。氧型幔汁如在地壳中积聚,即形成地球物理异常带:地震波速低、电导率高导、高热流等,杜乐天将其统称之为“溃变体”。

于是在杜乐天的视野中,地球内部的流体垂向分带大体是,地核氢流→氢型幔汁→碱型幔汁→氧型幔汁→岩浆、热液、热泉、油气、水合天然气→水圈(包括海洋、地下水)→大气圈。(见图5

5:幔汁在地球内部的垂向分带

(杜乐天 «幔汁(ACOHNS)流体的重大意义»

大地构造与成矿学 卷13.119893月)

幔汁在巨大的压力、温度、密度、浓度梯度驱动下,反重力向上迁移,这就是整个地球内部、外部基本的流体体系。杜乐天将这一过程称为“幔汁辐射”,认为是它控制了地球演化、岩浆作用、热液作用、大地构造运动的发生。

“幔汁辐射”的原动力来自地球内部的温度差、压力差和质量差。通俗地说,轻而渗透性强的漫汁因压力差而上浮。杜乐天认为,“幔汁辐射”的过程就是地球向外排气的过程。地球不只有人人都感知到的大气圈,它一共有5个气圈(见图6),它们自外向内顺序是:

1、大气圈

大气圈呈连续性球面分布,气体成分是N202CO2Ar等,低温、低压和低密度,表面上看大气层很厚,气体量似乎很大,其实由于密度很小,气体量只占地球现存气体量的极小一部分。大气是高氧化态。

2、上地壳充气圈

该气圈分布于地表下和海面下大约67km深度之上,且不连续和不均匀分布,由海水、地下水、卤水的溶解气,冻土带和大陆坡水合物气,岩石中气体,可燃气,石油和煤伴生气等组成。其成分复杂,有CO2N2H2SCH4O2CO、高碳烷烃及其它烃类、水蒸气、惰性气体(HeAr)Hg等。总的可称为上地壳充气圈,此气圈是人类目前大规模开发的对象,主要赋存于年轻沉积岩系或沉积物中。

3、中地壳充气圈

大体是地下810km深度以下(温度200400℃,压力数千巴)的又一气圈,气体分布也不连续、不均匀,随大地构造部位而变。气圈Ⅲ的气体以H2CH4C2C3C4COCO2等气为主,H2O已很次要,气体具强还原性质,它们在高压下以高密度赋存于结晶岩系(火成岩、变质岩)之中,分布也很不均匀,与大地构造关系极为密切。

4、上地幔充气圈

其深度是地下28km70km以下不等。温度10OO1300℃,压力几万到几十万巴,气体分布在超基性岩如辉橄岩、榴辉岩、辉石岩之中,突出的特点是往往和局部熔融出来的岩浆共存在一起。气体分布很不均匀。在气圈IV中,气体成分中H2所占的比重进一步加大,也许存在CH3CH2之类。CO2>CO,不存在H2O或很少,气体为强还原性。虽然气圈lV气体储藏量很大,由于埋藏太深,很难直接为人类服务,但它却是其上面的气圈Ⅲ重要的气体补给源,在剖面上二者的起伏也似乎有对应关系,有可能存在某些不知道的沟通渠道。

5、位于地核的外层,据中外研究,此处是熔融铁,在极大的压力下其中溶解了巨量的氢。铁水中可以溶解很多氢,这在钢铁工业中是常识(氢脆问题)。温度越高,氢在铁水中溶解越多。

气圈Ⅰ、Ⅱ的存在并无争论,气圈Ⅲ、Ⅵ、Ⅴ的存在是杜乐天提出的,他广泛引用地质学、矿物学、地球物理学、地球化学的证据来论证自己的假说。

6地球的 5个气圈(I11、Ⅲ、IVV)的分布示意图

以点为气圈的代表,未按比例尺

(杜乐天 «地球的 5个气圈与中地壳天然气开发 »

天然气地球科学 第l712006)

杜乐天认为,上地幔气圈是大气圈的120倍,外地核气圈则是大气圈的400倍。

由此,杜乐天提出了从固体地球观向流体地球观的转变。指出地球动力学的真正起因不是来自固体的力效应,而是来自深部流体活动,是流体在地球3个基本动力(重力、地球自转速度改变和各地质圈层差异转速及天体引潮力)的合力作用下的结果。只要有1%左右(体积)的此等流体积聚即可导致地球内部动荡不安,必然发生大地构造运动。这才是大地构造运动之产生根源。

流体比固体更具活动性,对各类外力的响应远比固体敏感,研究地球内部的动力特征,抓住流体才可能抓住主要矛盾。而地球内部流体地向外喷涌,则提供了一个前所未有的视角,使原来分属不同领域而又难于理解的种种现象,暴露出共同的根源。

    由此,杜乐天甚至思考到地球的“寿命”

“星体的去气作用是普遍现象.月球上发现KREEP(钾、稀土、磷)岩的重要含义现在未必引起多少人的注意。幔汁能否看成地球的生命液?如果能成立,那么有否可能从地幔(当然还有地核)中还保有若干幔汁以及今后幔汁耗散速度来推知地球还有多久寿命及最后地球表面将达到多少面积、体积的大陆与海洋?

基于这样的假说,杜乐天对分布于不同学科的大量未解之谜做出了统一的解释。

地壳:漂移与溃变

在解释地壳的运动时,基于魏格纳的板块漂移学说是当今的主流。然而这一学说却回答不了漂移的动力何在?更无力解释一个板块之内各地块的相对运动。而这是地震预测的基础。

在杜乐天看来,幔汁对固体地幔的作用类似于病毒侵入,必将造成溃烂、软化、弱化、塑流,直至形成岩浆,溃变体体积膨胀扩大,密度明显小于原来同体积固体地幔,溃变地幔会自深向浅产生巨大的浮力,使岩石圈隆升并破裂,并导致岩石圈不断减薄和出现侧向伸展拉张应力。

7是川滇黔区域断裂与莫霍面等深线关系图。记住,莫霍面是地壳与地幔的界面,莫霍面的起伏反映了地幔的“涌动”。断裂往往位于莫霍面等深线密集区,即莫霍面的陡坡上。可见地漫上涌造成的拉力与断裂的关系。

7 川滇黔区域断裂与莫霍面等深线关系图(据晏贤富,1981)

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由于岩石圈下的溃变体几乎无摩擦阻力,必将因地球自转速变的长期颤动,产生侧向重力滑动。已被溃变大大减薄的岩石圈也必将破断产生裂陷、裂谷,两侧同时产生挤压造山。

如侧面无陆壳阻挡,则可以发生大陆漂移。当移动前方遇到另一大陆或板块时,必将产生碰撞(俯冲、仰冲、斜冲),出现大规模褶皱造山运动。这就是板块漂移的动力。

由此,板块产生运动主要源于邻区裂谷的扩张和分离传递过来的球面远程力效应,而裂谷之所以发生,则是因为软流体的上隆、底辟、穿刺。板块运动实为裂谷运动的派生运动。地球动力学中的驱动能主要根源来自溃变作用的诱发。

成矿

杜乐天的本业是铀矿,他注意到中外盆地盛产石油、天然气、煤田、油页岩、地沥青;同时盆地中往往伴生各种金属、非金属矿。一旦找到其中的几种矿产,肯定还会找到其他不少矿种。例如,西西伯利亚盆地中有6000个泥炭矿床,有1000亿吨泥炭(占世界储量40%),直到今天还在形成。在油--煤间是环状结构分布,泥炭位于中心(沼泽地),泥炭中富集各种金属及磷酸盐,还有碳酸盐化、硫化蚀变。(克雷多夫 2002)

杜乐天称这种现象为“矿套”,这种共生、伴生现象的背后是何机理?

杜乐天的视野越出了各矿种独自的成因,而是思考盆地的形成机理。

布格重力异常是大地水准面以下物质分布不均匀所产生的综合重力异常。由于地幔的密度比地壳大得多,莫霍面越上凸,重力越大,布格重力异常越呈正值,反之则越呈负值。于是布格重力异常的分布一定程度上反映了莫霍面的起伏。图8为中国的布格重力异常图,在青藏高原,布格重力异常为很大的负值,说明莫霍面下凹;而在东部地区,布格重力异常为很大的正值,说明莫霍面上凸。

8  中国布格重力异常图

8显示,盆地底部莫霍面上凸,其实是地幔上拱,这是由于深部幔汁上涌造成的地壳、地幔溃变。盆地在发展初期都比较小,然后逐渐扩大、延长、联合,最后过渡为拗陷盆地,往往形成广大的平原或高地,例如华北平原、松辽平原、鄂尔多斯高地。正是深部幔汁流体向上高度渗透,决定了盆地成矿的大背景。

在杜乐天看来,在盆地广泛存在的天然气并非来自油、煤。石油顶多分布于上地壳深度6km以上,再深就不稳定要热分解;煤层也全部是上地壳沉积盆中太阳能的植物转化。而天然气分布的深度可以一直到2900km(外地核)。另外广泛见于北极永久冻土带(我国青藏高原也有分布)及海底的冰状水合甲烷附近并没有煤层、油层伴生。可见天然气来自幔汁。至于石油,是幔汁上涌过程中,在适当的压力、温度环境下通过一系列化学反应形成的。

杜乐天据此提出:举凡地下地球物理低速高导体都有可能打出工业气流。低速体正是理想屏蔽条件下的充气体、气储。下面的压力很大,气储量比上地壳大得不可比拟,完全可以自喷,开采条件远远优于现在的上地壳油气田开发。1994年,他提出在渤海湾的蓬莱--庙岛列岛--大连地区海域下的元古界蓬莱群、荆山群变质岩系中四千米以下一直到百余公里有一个巨大的上地幔和地壳充气囊群。其天然气远景资源量相当可观,保守估计也在30万亿m3以上(相当于300亿吨石油),与之对比,2006年我国石油消费约为3.5亿吨。

注意,幔汁(HACONS)是富碱和挥发分的流体,在上涌过程中形成“碱交代作用”,杜乐天将其定义为:

“在富碱和挥发分的热液(或流体)中岩石有碱质带入和改造并释放矿质产生价歧化和酸碱空间分离的热液活动过程”。

通俗地说,就是幔汁在从地核向外涌流过程中萃取、传输各种元素,形成矿藏。碱交代是从岩石中大量释放矿质最重要的一个环节。这就是金属、非金属矿床与可燃有机矿伴生的机理。

地震

主流理论将地震视为板块挤压或拉伸造成岩石断裂的结果。从这个视角无法解释震前、震中大量的异常现象。

卫星测量证实地震前大面积高空显著增温(增高57oC)。地面上水井中H2CO2CH4RnHeAr等含量也相应突然升高,这已被各地台站或野外实测结果所证明(汪成民等,1991;孔令昌,1991;上官志冠,19911995)

海城地震(1975)“寒冬腊月却温暖异常,不仅有围绕震中的高温异常区还有围绕震中的夜间增温区,地震当日竞有赤膊干活者。许多地区出现似烟非烟的浓雾,雾层浓而薄,从地下冒出,竟将冷冻三尺的土层或冰层融成一片片大小不等的解冻区。这些葬紧贴地面(想必不是简单的空气或热水气,比重显然较大——笔者注),疏密不均,移动迅速,波涛翻滚,带强烈的H2S昧、666粉味、沥青味等,使人和动物都感到呼吸困难,甚至中毒休克”(以上见徐好民《地震·静电》一书)

汶川震后专家发现:震前20--8天,卫星热红外图像显示,青藏高原东缘出现了源于印度板块、紧邻汶川的北东向近3000公里长的条带状高温异常;震前5--1小时,电视云图显示:震中龙门山断裂带及青藏高原东昆仑断裂带上方,分别出现了线性云,表明地下水汽溢出异常。汶川正好位于两者的延伸交叉位置。(吴立新等《汶川地震前卫星热红外异常与云异常现象》2008528日 科技导报)

在汶川地震的震中,映秀镇和漩口镇即将交界处的蔡家沟村,村民反映地震时“地动山摇中,突然听到“嘭”一声巨响,就看见旁边一个山顶上像是炸开一个洞,洞里像挤牙膏一样炸出好多东西。”“当时简直就像是火山喷发!”记者看到:在“眼前近一公里宽的山沟,沟底全由水泥碎块厚厚地铺成,至少绵延两公里,犹如一大块水泥,被人有意敲成了直径二十至五十厘米不等的碎块。”村民说,这些水泥一样的岩石“喷了差不多三分钟。” 那些“水泥碎块”的发源地犹如一个火山口。(531日中新社报道)

凡是油气田都有长年油气泄露。奇特的是油气田开发之后地震就减少,级别降低。世界各大油气田(包括我国)都有此规律。

这些是“板块相对运动”所无法解释的,然而从地球内部流体喷出的视角看,则是在自然不过的了,许多地震是地球排气造成的,和地震同发的热、电、光、气体等流可以从地球深部一直穿过地壳上冲到数十里的高空,这是一个活动轨迹,把浅部现象和深部现象有机地联系了起来。

比较图8的布格重力异常和图9的地震和火山分布图,发现在布格重力异常等值线密集的地方(表明莫霍面坡度大),往往是地震、火山多发区。它从侧面印证了地震/火山现象与幔汁上涌的相关性:这正是溃变地幔上拱造成地壳拉伸最强烈的地带。

9 中国地震和火山

从这个角度,傅承义院士关于地震成因的“红肿”假说、耿庆国发现的“旱震关系”、民国年间《重修隆德县志》总结出的六条“地震之兆”,都可以理解了。

小震闹,大震到,背后的假设其实是:地震是单纯的材料断裂问题。迷信这个“规律”的结果,无视大量的前兆信息,漏报了唐山地震。这次汶川地震,依旧强调“没有前兆”,教训还不惨痛吗?

气候灾变

早在5O60年代学界就认识到大气圈、水圈本身就是地球排气作用造成的。根据杜乐天的理论,大气圈只是薄薄的一个吸留层。地球内部气圈的质量远大于它,且在不断排放,忽视这个因素,就不可能把握大气圈、水圈的行为。

旱灾、热灾洪灾、特大暴雨、沙漠形成、区域性森林草原大火、台风突拐、厄尔尼诺、海底风暴、海啸等等对人类造成巨大威胁,对它们的成因及预测至今是世界性难题,一旦意识到地球深部含有巨量的高压下的压缩气体(比大气圈多数百倍),它们强烈地向上喷流,对大气圈和海洋造成重大影响,或许就打开了一扇新的认识之窗。

早在1986年,西安地质学院王战研究了1951-197929幅全国年降水量距平百分率图等值线圈闭的形态和1470-1979511幅全国旱涝等级分布图形态,发现他们与其下的地质结构有对应关系。据此他认为控制地质构造的“构造场”和控制云雨分布的“气象场”应是完全一致的,前者是因,后者是果:

“大气层中的能量有相当部分来自地球内部,大量事实向我们直观地说明一些灾异群发现象是地壳运动造成的,是岩石圈向大气圈输送物质和能量的结果”。(王战《构造波与旱涝灾害灾害学198601

世界各地的近代研究资料表明。在南北半球中纬度各存在着一个巨大的由地球排气造成的东西向气温异常偏高的干旱带。(《地球排气干旱带》2003 8 29日科技日报) 对中国而言,北方排气带自日本海、朝鲜半岛、黄海、渤海向西过京津、内蒙古、甘肃、宁夏、青海、新疆再向西到中亚,是北半球中纬度规模最大的地球排气放热带。由于地面和大气温度高,过路云团水气很难凝结降雨,故导致大规模干旱、沙漠化。沙漠实乃地球强烈排气的产物。

对暴雨、洪水、雪灾之类的气象灾害,杜乐天提出,可从地球排气扰动富水云流的角度分析。只要在此云流的上游发生大震,排气排热形成大气增温,气压降低,引空中云过来;排气还包括地下排出有温度的水汽,进一步增多云流中水量,最终导致云流下游降水异常,造成大暴雨戒暴雪,引发大洪水及地面雪灾。

1998年长江流域特大暴雨及空前规模的8次洪峰。事后杜乐天及其同事专门到长江四个地段现场测量气体,证实长江裂谷是H2CO CH4的强烈排气带。考虑到长江是历年来南涝(凉)北旱(热)的一条明显的分界带。杜乐天认为暴雨的原因是长江裂谷突发强烈排气形成气墙,并以华北排气热区为强大后盾阻挡南来富水云团过江,使之在江南改为垂直运动出现特大暴雨。

197585日,“7503号”台风突然转向,并滞留在伏牛山脉与桐柏山脉之间的大弧形地带,造成历史罕见的特大暴雨。杜乐天注意到这里的南阳盆地有油气田,认为是南洋盆地强烈喷气,气流使大气升温,造成减压区,吸引台风突拐,在驻马店地区与南下冷空气相遇,酿成洪灾。

一般将森林大火都归因于人为火种或雷击。然而森林大火往往是在数万、十数万km2的大区域内多处同时起火(见图10),很难用人为因素解释。

10:美国爱达荷州蒙大那国家森林的多处野火燃烧点

“奋进”号航天飞机返航途中拍摄, 20070822日中国新闻网

杜乐天对内蒙古阿尔山1998年森林大火作了详细的考察,发现火是从远处地下腐殖层着过来的,然后燃起草皮火,由草火上窜再引起树火。呈现地火-草火-树火的发展过程。林区的所有树、草、腐殖层都烧光了之后,石头缝及石头洞里还在冒火(见图11

11 林区玄武岩缝内起火

    在进行野外气体测量、分析卫星热红外图像、研究地质构造后,杜乐天得出结论:“森林大火的真正原因是地下深处有还原可燃气体上渗慢撒气聚积于林区腐殖层中发生自燃。”

厄尔尼诺是海水突然大规模增温(能增高34℃,有的地区89),升温过程可达数年。有时在此之后还出现降温现象(叶拉尼娜)。海水深处水温很低,约2℃,是很冷的流。这种现象会给广大地域造成灾难(强降雨、洪灾 、干旱,飓风 、冷冻等),多年来认为厄尔尼诺是受赤道信风的影响或气候影响,但很多模型全失败了。

1992--1993年有800名专家对西太平洋进行观测。发现有和美国面积一样大的热水海区(有的水温高到30),他们认为这就是厄尔尼诺。如此巨大规模的地球散热效应,用大气气象和气候是无法解释的。杜乐天认为,这是强大的地球内部热流,这种热流并不是岩浆而是地幔排气流( HACONS)。事实上,在太平洋(东部、西部、南部海域)、大西洋、印度洋、红海发现了越来越多的地幔热流体上涌的记录和证据。

百慕大,英国北海巫婆、巴伦支海、美国缅因湾以海难、空难闻名。杜乐天注意到,这些区域地球排气强烈,由于1体积天然气水合物可含200体积气体,稍有热扰动或地震,就将大量散气,使海水中充满气泡,浮力大减,导致沉船;同时排放出的大量CH4使空气缺氧,发动机功力不够飞机下栽或使驾驶员窒气而死,机尾火星又会使CH4气流爆炸。这是许多海难、空难的原因。如巴伦支海是一个海底泥火山密集分布区,历史上有许多潜艇在此无故沉没。几年前俄国库尔斯克号潜艇失事又是一例。

渤海海底油气藏丰富,同样是排气强烈的区域。1998年杜乐天等即撰文呼吁要注意渤海,没人理解。结果是2002200320042005年,渤海接二连三发生轮船失火沉船事故。

整体的视野

人类的认识史上常常有这样的情况:原来分属不同领域的现象,要用各种复杂而艰难的手段处理的问题,在认识深化之后,可用同一个基本学说清晰明了地解释,原本繁难的问题,由此得到了有效的处理手段。这意味着人类的认识能力提高了一个层次,获得了一把开启未知世界的钥匙,其意义远超过解决某个具体的难题。

杜乐天的流体地球观似乎再次提供了这样的契机,一个整体的地球科学复杂巨系统的真正建立似乎有了一些可能。

现代社会一个明显的特征是分工深化,这使学科越分越细,以地球研究为例,被分成了几十种分支学科,每一分支学科又划分了许多专业,还有继续向更细碎的方向分化的趋势。许多学者终身囿于一个子学科的“孤立体”内,而客观现实是广泛联系的,学科的“孤立体”只是存在于学者的脑海之中。细分学科有助于集中精力重点突破,然而这种思路走到极端却导致“只见树木,不见森林”,而无视森林的结果,必然限制对单棵树木的认识,更不必说森林层次的宏大事件了。

杜乐天试图以地球排气(幔汁辐射)为“串联之纲”,建立一个统一的地球科学(见图10

10 各主要分支学科的串连之纲(幔汁辐射)

(取自杜乐天《地球排气作用——建立整体地球科学的一条统纲》

地学前缘(中国地质大学北京)第7卷第220044月)

一位学地质的年轻朋友告诉我,他在学校中最深的感受是:只有大量的经验堆积,却没有系统的理论构架。存在大量经验却没有足以统辖这些经验的理论,这表明这门学科正处于理论突破的前夕。从1988年杜乐天发表《幔汁(HACONS)流体》以来,已经整20年,他为这理论突破努力了20年。

目前接受杜乐天假说的人正在增多,反对者也不少。一个新提出的假说,被证明不完善甚至错误,都是正常的。但害怕犯错误而回避探索,认识将无由深化。这个假说将会被承认、被修正还是被放弃,有待时日检验。然而杜乐天的研究方向,从科学意义上看,事关对地球的整体认识;从应用上看,事关能源、矿产资源、气象、海洋和重大自然灾害等国运攸关问题。这个方向上的每一个进步,都有助于我们在这国运攸关的问题上,从必然王国走向自由王国。

 

(注:文中大量引用、转述了杜乐天老师各论文的内容,为行文方便,未一一注明,也未提及与杜乐天老师一同工作的各位学者的名字。以下列出杜乐天老师的部分论文与著作(其中少部分与他人合写),在这些论文中,也能看到与他工作相关的各位学者的名字。)

标题

刊物/出版社

1987

裂谷地球化学

国外铀矿地质

3

 

1988

幔汁(HAOONS)流体

大地构造与成矿学

1

 

1989

幔汁(ACOHNS)流体的重大意义

大地构造与成矿学

13

1

1990

当代地球科学的一项重大前沿课题                 ——幔汁研究

地球科学进展 探索与争鸣

1

 

1990

硅谜与碱盲--近代热液成矿学的两大暗区

铀矿地质

6

6

1993

气体地球动力学----一个重要的研究新方向

地球科学进展

8

6

1993

地球的五个气圈与氢烃资源

铀矿地质

5

 

1993

气体地球动力学

地球科学进展

 

 

1993

地球的五个气圈与氢烃资源                      ——兼论气体地球动力学

铀矿地质

 

 

1996

地壳流体与地幔流体间的关系

地学前缘

3

3-4

1996

烃碱流体地球化学原理                          ——重论热液作用与岩浆怍用

科学出版社

 

 

1996

地幔流体中碱金属地球化学

地质出版社

 

 

1996

地幔流体与软流层()地球化学

地质出版社

 

 

1996

自然灾害可能的深部流体肇固

地学前缘

3

3-4

1996

地幔流体与软流层()地球化学

地质出版社

 

 

1998

区域性森林大火的成因与防治

中国地球物理学会年刊

 

 

1998

幔壳溃变诱发地球动力学集成

北大100年校庆国际地质学术讨论会文集

 

 

1998

地幔流体与玄武岩及碱性岩岩浆成因

地学前缘

 

 

1999

流体地球科学进展

地震出版社

 

 

1999

气体致震--一个可能的地震成因

流体地球科学进展

 

 

2000

地球排气作用与自然灾害

地震出版社

 

 

2001

地球排气与森林火灾和地震活动

地学前缘(中国地质大学,北京)

8

2

2002

盆地矿套

国外铀金地质

19

3

2003

从固体地球观向流体地球观转变

自然辩证法研究

19

10

2004

地球排气作用                                  ——建立整体地球科学的一条统纲

地学前缘

7

2

2005

地幔中铀的存在状态及其地球化学含义

地学前缘

13

 

2005

地球排气作用的重大意义及研究进展

地质论评

51

2

2005

中国近海海域卫星热红外亮温增温        异常探讨

现代地质

19

1

2006

对当代地球科学理论的怀疑与新见       (84个问题)

地质哲学通讯

 

1

2006

地球的 5个气圈与中地壳天然气开发

天然气地球科学

17

1

2006

区域性森林大火的真正成因

地学前缘

13

2

2007

固体地球观向流体地球观的概念更新

地球物理学进展

22

4

2007

地球排气作用——巨大天然气能源和重大自然灾害的孕因

气象出版社

 

 

 



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