裂解中的中国大陆与雾霾天气的成因

The cracking mainland China and the haze weather

梁光河

中国科学院地质与地球物理研究所

中国科学院矿产资源研究重点实验室，北京，100029

Email:lgh@mail.iggcas.ac.cn

摘要：雾霾天气形成是气象(逆温层）、工农业排放、地下排气综合（耦合）造成的。其成因类似卤水点豆腐，各种污染物相当于主体豆浆，地球深部上来的带电的气溶胶相当于点豆腐的卤水。而气候条件相当于点豆腐时候的水温条件。这种雾霾有可能通过在各种烟筒上加装电磁装置进行消减！

一、问题的提出

2013年严重的雾霾天气难道完全是由工业污染造成的吗？中国古代完全没有工业污染，但据历史文献记载，古代中国也常常出现雾霾天气，这是雾霾工业污染成因难以给出让人信服解释的一个最有力的反证。目前的主流研究陷入“有罪推定”怪圈，几乎所有的研究都认为只有工业排放是形成雾霾的罪魁祸首。甚至有研究说雾霾主要是由于燃煤造成的，我们似乎缺少了一些逻辑分析能力，就拿我国来说，山西是我国煤炭主产地，在山西各大煤田遍布燃煤火电厂，但为什么山西省的雾霾远没有中国东部严重？作者认为雾霾至少有四个主要成因，分别是地质、农业、工业、气候成因（排名不分先后）。

地质成因：正在裂解中的中国东部，产生大量深部气体排放。

农业污染：全国大面积农田氮肥过量施肥，造成面状污染，未被植物吸收的氮肥最终排放到空气中，形成大气氮污染，还有燃烧秸秆造成的污染等等。

工业污染：快速发展的经济使得工业污染逐渐严重。

气候原因：微风和无风的低气压（逆温层）使得污染物不易扩散。

本文试图以裂解中的中国大陆，从地球动力学对气候的影响，结合氮肥过量施肥及工业污染加剧进行一些综合探讨，对雾霾的成因给出一个新思路。

二、裂解中的中国大陆

嵇少丞教授的研究总体上说明了逃逸构造对中国总体的宏观影响，在印度板块向北的强烈挤压下，亚洲大陆逐渐裂解，分成断块向东或东南方依次逃逸。

作者在“西北环太平洋岛弧成因探讨”和“朝鲜半岛成因与郯庐断裂动力机制”两篇文章中给出了影响欧亚板块的动力机制新模式（图1），该模式不但考虑了印度板块对欧亚板块的影响，也同时考虑了形成夏威夷岛链的那个蝙蝠鱼状板块对欧亚板块施加了一个北西向的作用力（否定了所谓的太平洋板块的作用力），在这两个板块的综合作用下造成了欧亚板块东侧的裂解，像剥洋葱皮一样，欧亚板块东侧一层一层被剥开，最后被剥离的是日本三个主岛，朝鲜半岛和郯庐断裂（多期次，最后一次）的形成时间基本上和日本主岛的剥离漂移时间一致。这两篇文章也说明宏观上中国东部正处于一种剪切拉涨环境下。

   难道现在地球的活动已经停止了吗？当然没有，这种板块间的作用力还存在，而且应该还在加剧，因此这种类似的剥离还应该继续存在，那么下一个被剥离的地方是哪里呢？

图1 左图（A）欧亚板块东部模型受力变形前的初始状态，右图（B）欧亚板块东部模型受力变形后的状态

打开手机导航软件我们看到（设置到地形地貌图层）如图2A所示的中国东部地形地貌图，图中显示中国东部正处于裂解状态，从学习基础地质时代老师就教我们如何识别覆盖区的断裂，那就是寻找河道。图2B中红色虚线表示的是涨性断裂（黑色箭头表示相对运动和受力方向），这种断裂在图中非常明显，南东走向的较粗断层基本上沿着古老的京杭大运河中南段，该断裂向北直指石家庄。这表明从上海到江苏一直往北到临沂、济南等块体正在从中国主体裂解。也就是说类似于日本和朝鲜半岛一样正在被剥开，也许若干个Ma后，该块体将被完全分离出去，那时候现在的京杭大运河中南段将扩张形成类似于渤海的新海洋。

还有另外一个较长的断裂，基本上沿着长江走向，也应是一个涨性的大断裂。还有其它一些小的涨性断层，用较细的红色虚线表示（包括黄河）。当然还不能忽略正在活动的郯庐断裂带，这说明中国东部整体处于拉涨环境中。

   这种拉涨环境在地陷方面表现的特别明显，比如从百度搜索“南京　地陷”将出现一百多万条结果，沿着京杭大运河断裂带，很多地方如聊城等地也常常发生地陷，多数地陷区域并没有采矿历史。

 图2 左图（A）中国东部地形地貌图，右图（B）中国东部当前断裂状态解译图

三、涨性断裂与地球排气

涨性断裂会使地球深部形成的气体得到释放，杜乐天教授的研究结果表明，这些气体成份十分复杂，至少包括H₂O、CO₂、N₂、H₂S、HC1、HF、SO₂、SO₃、CO、H₂、CH₄、C₂H₆等(后4种为可燃气)。

作者认为这些气体与工业排放的污染物共同作用，加上特殊的气候条件会加剧雾霾的形成和发展。

   朱炳泉教授2013年的文章（从另一个角度看中国的PM2.5问题），给出了另外一个思路，文章说“大气中直径小于2.5微米的颗粒物被称为PM2.5。严格讲应称为气溶胶PM2.5。这是指长期悬浮在大气层中的胶体。美国NASA公布了一个PM2.5全球浓度分布图（图3）。图上可见，从非洲至东亚的PM2.5高值区。这使国内外人们普遍中国空气污染很严重,为世界之最。近来北京等北方地区普遍出现PM2.5超标,达到500以上,更引起了公众和政府的关注与不安。当我们看一下NASA世界图，可以发现NASA全球PM2.5高值区带与全球季风带走向与范围大体上相一致。中国极大部分地区位于季风带上”。从该图上也可以看出，沿着正裂解中国东部的主断裂带，中国的PM2.5也是最高的紫红色。

图3 美国NASA公布的PM2.5全球浓度分布图

   2013年12月7日-9日，中国发生了有历史记录以来可能最为严重的雾霾天气。连续3天中国东部笼罩在重度雾霾中，雾霾维持在重度水平而且数天基本上不扩散，图4给出了美国NASA在2013年12月7日对中国东部的航拍图，该图也说明重度雾霾基本上沿着正裂解中国东部的主断裂带分布。

图4 美国NASA公布的2013年12月7日对中国东部的航拍图

2013年12月6日至8日 中东部霾区分布一览（资料来源：新华社）

   2014年1月16日中国又发生大面积雾霾，图5给出了中国及周边国家2014年1月16日主要空气污染指数分布图，从该图中可以看出重度污染区域与正裂解中国东部的主断裂带范围吻合很好。

图5 中国及周边国家2014年1月16日主要空气污染指数

   深大断裂真的会排气吗？有一个现实的例子告诉我们真的会排气，而且气量不小。

   江苏黄桥CO₂ 气田是目前我国陆上最大的CO₂气田，具有特殊的成藏地质条件（李海庆，2012）：深大断裂的发育为岩浆-幔源型CO₂气提供了运移的通道，背斜轴部中生代、古生代海相地层中的裂隙储集层CO₂气提供了丰富的赋存空间，多期厚层泥岩尤其是上白垩统浦口组中、上部厚层纯泥岩段是本区最有利的盖层。江苏黄桥二氧化碳气田主要位于江苏省泰兴市黄桥镇、溪桥镇和河失镇（图6）。该气田自1983年苏174井偶获高产CO₂气流之后，并进行开采利用，产量不断增长，地层压力几乎稳定不变（图7）。目前已探明含气面积51平方公里,探明储量64亿方。黄桥CO₂气田毗邻于长江构造破碎带。该破碎带被证明是一条东西向延伸的重要深部断裂带，其断距深度达莫霍面之下，它为岩浆起源、CO₂气体的聚散、氦气的上升提供了必要的地质条件。研究表明，该区气田中CO₂气碳同位素分析数据显示CO₂气具有无机成因特点，属岩浆-地幔来源，浅层气田中氦气的³He/⁴He比值具有明显的地幔来源的特点，另据氩同位素⁴⁰Ar/³⁶Ar值同样反映深源的特点，这都充分说明黄桥CO₂气田应为无机成因，属岩浆-地幔来源。可以说，深大断裂为CO₂气提供了运聚的通道。造成CO₂气大量运移聚集的深大断裂向下深切地幔，向上则贯穿上覆巨厚刚性地层(灰岩和砂岩)形成的次生裂隙网络，而不同于以往常规的“生储盖组合”，而是一个跨越各刚性地层的自成系统的巨大储集体系。气田纵向上具有多个气藏组合分布的特点（郭念发等，2000），海相层系中的气藏为深层气藏，气藏埋深1800-2300m，陆相层系中的气藏为浅层气藏，气藏埋深仅378m左右。深层气藏以CO₂为主，CO₂含量近90%以上，伴有少量烃类气和凝析油，单井日产CO₂(33.2-46.13)万方。浅层气藏以N₂为主，其含量达56%以上，CH₄和CO₂分别为24%-28%和15%左右，He含量高达0.013%-1.06%,最高达1.34%，高于其工业品位(He含量大于0.3%) 而成为He气藏。

   从CO₂的岩浆-地幔源成因分析,气田形成期可能比较晚（郭念发等，2000）。黄桥地区新生代岩浆活动频繁,新生界地层中较为普遍地发育玄武岩(包括辉绿岩),气田上方的N13井在海相碳酸盐岩中发现B石英。B石英是一种高温矿物,常压条件下在573-870度温度区间才能形成。由此推断CO₂气田深部可能有隐伏岩体存在。苏174井和气田上方的其他一些深井在石炭、二叠系碳酸盐岩地层中常见大量方解石脉,大多数方解石脉经糜棱岩化后成白色粉末状,方解石脉和其糜棱岩化程度随深度增加而增加。这些现象说明气田深部可能曾经有过岩浆热液用。

  这些深层成因的天然气现在是否正在外泄到空气中呢？事实上，该气田的外围勘探就使用了化探方法, 结果表明气田西部和南部出现明显的甲烷、乙烷和汞异常( 图8) , 这些异常是地下天然气运动规律的反映，说明这些深层成因的天然气目前仍在泄露中。

图6 黄桥气田位置图

图7 黄桥气田剖面图（据李海庆，2012）

图8 黄桥气田勘探远景化探异常图（据郭念发等，2000）

  上述图片显示出正裂解中国东部的主断裂带分布可能影响着雾霾的分布及发展，其机理是什么呢？

朱炳泉教授从气溶胶PM2.5的化学组成与同位素示踪作了深入研究，结果表明，它具有相对较稳定的化学组成，明显区别于区域性PM>10的粉尘，以及表土与基岩，也区别于燃煤、汽车尾气等人为排放物。图6是广州地区的MgO-FeO重金属图解，从图可见到这种明显的差别。PM>10的粉尘的化学组成与区域污染源排放以及地质背景有着密切的相关性。气溶胶PM2.5中的重金属含量也明显低于PM>10的粉尘，表明人为污染物加入相对较小。气溶胶PM2.5的高镁特征；同时在世界各地均具有稳定的SiO₂/MgO比值（12.8－14.8左右），明显区别于上地壳物质，反映了与地球深源物质有关（图9）。

朱炳泉教授的结论是：可能有不同时期火山喷发产生的气溶胶加入到大气层中，并长期存留。作者有不同的观点，很难想象以Ma为记年单位的古老火山喷发悬浮物至今还漂浮在空气中。既然这些高镁特征的气溶胶PM2.5来自于地球深部，为什么不是现在正沿着深大断裂向上排气造成的？因此作者认为这很有可能是地球深部排气造成的。麻庭光（2013）的研究（雾霾源头在哪里？-- 在北极和太阳）结果表明：“成霾条件就是大气浮力丧失的结果”。这是否意着地球深部的排气携带着带电粒子，与粉尘带电粒子相互作用，使得原有的大气浮力平衡遭到破坏，从而使大气浮力丧失？　

作者认为，雾霾天气的成因类似卤水点豆腐，各种污染物相当于主体豆浆，地球深部上来的带电气溶胶相当于点豆腐的卤水，只需要很少的量就可以达到惊人的效果。而气候条件相当于点豆腐时候的水温条件。

图9  广东地区气溶胶PM2.5与粉尘的MgO－FeO分布范围图，并与地表基岩和土壤比较（朱炳泉，2013）

 杨学祥教授的研究表明（http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-661113.html）地球排气是地热释放和雾霾形成的自然原因，污染是雾霾形成的人为因素。除此之外，地震频发和气候异常等因素造成的地质和气象灾害也应在我们的研究范围之内。2013年公布的材料表明此次重霾前后一共4次（到本文撰写的1月30日为止），分别是7—13日，16—19日，21—23日，26—30日。与1月9-12日、16-19日、21-23日、27-30日四次潮汐组合一一对应，与地球潮汐形变、自转速度变化造成的“地球呼吸”相一致。计算表明，地球潮汐形变造成的地壳容积周期变化，可以形成地球的呼吸运动。异常规模的地球呼吸与地震火山活动相对应，与异常雾霾天气相对应，值得深入研究。中国处于欧亚地震带和环太平洋地震带交叉地区，中强地震频发，是全球地震多发地区。地震活动和地下排气也是中国的华北、华东、华中PM2.5高密度区形成的原因。

   张学文教授的研究强调了大气如何把地面细颗粒物卷入空中（http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-748077.html），而传统的研究忽视了地面的细颗粒物物质可以卷入低层大气而成为霾，是气象学的重要错误。其实从早上到晚上我们的大地也在呼吸，早晚温差形成的热胀冷缩，使得地下部分物质挥发应该是一个道理。

   空气中细小的霾颗粒到底是什么样子呢？@张超_摇光通过显微镜，将霾颗粒放大1000倍后，发现他们形状各异，有复合体，有生物颗粒，有矿物质的，看上去触目惊心（图10）。从这个图中我们可以看出，这些霾颗粒大多数是由很小的颗粒粘结在一起，由此造成雾霾颗粒的加重而不易向高空扩散，从而产生了严重的雾霾，这应该是一种带电粒子的吸附作用引起的。如果没有细小霾颗粒的吸附作用，他们应该向高空扩散，就不会产生严重雾霾天气。这从正面印证了霾颗粒可能与地球深部带电气溶胶的参与有关。

图10 霾颗粒放大1000倍后的照片（据@张超_摇光，2014）

四、农业污染和工业污染

我国以全球8%的耕地使用了超过30%的全球氮肥用量。每年大约使用7000万吨氮肥（尿素为主），这些氮肥能被植物吸收的比例大约占30% （刘建明，2013）。也就是说70%左右的氮肥并没有被植物吸收，它们会溶于土壤水体，并部分挥发到大气中，形成面状污染。这个量是巨大的，大约每年有4900万吨的未被植物吸收的过剩氮肥污染着我们的江河湖泊和大气。这些氮肥最终会以复杂的化合物排放到大气中，是否能转化成硝酸盐？作者没有做过深入研究，但现在普遍认为硝酸盐是工业污染的主要成份之一，其来源恐怕不能排除氮肥过量施肥的影响。其实车用尿素使用量也很大，要达到国四排放标准，在汽车排放尾气处理上就要选用适合的SCR技术，而这项技术必须利用尿素溶液对尾气中的氮氧化物进行处理。另外还有大面积燃烧秸秆造成的污染等等也不容忽视。

作者并不否认工业污染会加剧大气雾霾的形成和发展，因此加大治理力度也是必须的。但不能简单地认为雾霾完全由工业污染造成。道理很简单，现在的雾霾越来越严重，人们怨声载道。很多人认为古代空气好，没有雾霾。其实，据史料记载，那时候也有雾霾，而且雾霾还不少。那时如果出现严重雾霾，皇帝往往下罪己诏，检讨自己的过失。

史载建始元年（公元前32年）四月，因为出现了特别严重的黄霾天气，朝野震恐，成帝遂自责说：“朕承先帝圣绪，涉道未深，不明事情，是以阴阳错缪，日月无光，赤黄之气，充塞天下。咎在朕躬。”

《元史》：元天历二年，“雨土，霾，天昏而难见日，路人皆掩面而行。”

元六年，“雾锁大都，多日不见日光，都门隐于风霾间，风霾蔽都城数日。”

《明实录》：明成化四年，“今年自春徂夏，天气寒惨，风霾阴翳，近一二日来，黄雾蔽日，昼夜不见星日。”

明成化十七年，“连日狂风大作，尘霾蔽空。”

成化二十一年，“正月丁末，京师阴霾蔽日，自辰至午乃散。三日后阴霾又起，五日不散，致漕运舒缓，京师官仓存米告急。”

弘治十年，“京师去冬恒燠无雪，今春狂风阴霾。西直门外霾尘积聚，难见路人，官军半掩城门，以遮霾尘。”

万历十一年，“正月辛酉，京师风霾。闰二月壬戌，京师风霾，四月癸亥，大学士张四维等言：‘风霾陡作，黄沙蔽天。’五日不见西山之踪。”

《清史稿》：康熙六十年，“今日会试出榜，黄雾四塞，霾沙蔽日。”

嘉庆十五年，“京师入腊月以后，时有雾起霾升，连宵达旦，宛平、大兴具有上报。琼岛雾锁霾封，难见真容，煤山隐于风霾中。”

咸丰六年，“入冬以来，雪少雾多，土雨风霾时临京师，以昌平、宛平为浓重。”

现在人觉悟高了，出现雾霾首先想到的是科学，认为是污染造成的。而古代人迷信，认为是天怒，当然是焚香祷告，祈求神灵宽恕自己。我们对于雾霾的态度，可喜的是破除了迷信，可悲的是没有吸取教训，更加破坏环境，但更应该知道雾霾的多种成因和发展。

五、结论与讨论

我国雾霾加重至少有四个主要原因：（１）地质上，正在裂解中的中国东部，产生大量深部气体排放（带电气溶胶）。（２）农业方面，全国大面积农田氮肥过量施肥，造成面状污染，未被植物吸收的氮肥最终排放到空气中，形成大气氮污染，同时还包括大面积燃烧秸秆造成的面状污染。（３）工业方面，快速发展的经济使得工业污染逐渐严重。（４）气候方面，微风和无风的低气压（逆温层）使得污染物不易扩散。在多种因素的耦合作用下，可能造成了今天中国雾霾天气的频发。

作者认为，雾霾天气的成因类似卤水点豆腐，各种污染物相当于主体豆浆，地球深部上来的带电的气溶胶相当于点豆腐的卤水，只需要很少的量就可以达到惊人的效果。而气候条件相当于点豆腐时候的水温条件。

总之，雾霾的形成与发展与地球的地质发展过程、工业化发展及农业发展密切相关，我们不可割裂他们的联系，单纯头疼医头，脚疼医脚。这样往往难以根治。

可以预见的是，今后雾霾天气作为大自然演化的一部分，在中国将常态化，如果单纯对工业污染进行治理，雾霾可能会难以根治。如何综合治理，将是摆在我们面前的一个新课题。

六、消减雾霾之我见

我们知道，高层云彩上面带正电，下面带负电，而地球表面释放负电荷；正是由于人们排放的污染物颗粒带正电荷，使得这些正电荷离子与地表释放的负电荷结合，使得大气丧失浮力。那么我们能怎样改变呢？

我们能做的事情就是在一个城市，改变区域低空的大气的地球物理特性，比如在燃煤燃气高炉上加装电磁装置（图12），使得带负电荷的粒子释放，带正电荷的粒子被回收，这是一个全新思路。这样做的效果有3个：（1）排放的颗粒物带负电荷，大地排气带负电荷，同性相斥！这样做能使得云层增高，大气容量增大，降低雾霾浓度。（2）一半的排放粒子被回收（带正电荷部分），大气污染物将大大减少！（3）不需要投入很多资金，也不要求停工停产，影响国民经济的发展！

图12 消减雾霾示意图

 参考文献（略）

更多资料请参阅探密地球http://blog.sciencenet.cn/u/liangguanghe1