地质学按其性质来说，

主要是研究那些不但我们没有经历，

而且任何人都没有经历过的过程，

所以要挖掘最后的、终极的真理，就要费很大力气。

翟明国 · 中国科学院院士

科学大咖讲科学 | 北京 2021年

大家好，我是翟明国。今天我讲的题目是“神秘的地球及人类的使命”。

地球是我们大家生活的地方，应该是最熟悉的。可是实际上，对于地球的很多知识，大家都感到陌生，所以它是个神秘的星球。

近些年来，地球科学及相关问题可以说是“网红”，比如《侏罗纪公园》讲恐龙的灭绝与再现，《流浪地球》讲人类向宇宙的逃亡。与其他国家相比，我国对地球知识的普及做得还不够好，有必要唤起大家对地球知识的渴望。了解地球后，就知道人类对于地球负有神圣的使命。

神秘的地球

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人们见面时常常会问：你是谁？多大了？你从哪里来？要到哪里去？还有一个咱们中国人比较忌讳的问题：你将归往何处？对地球来说，同样存在这些问题。

地球处于宇宙之中。宇宙是时间、空间、物质（能量）的总和，是一个非常庞大的系统。太阳系是宇宙中的一个星系，地球就在太阳系里面。

▲ 依次为：初期混沌地球 早期开始分层

现代蓝色地球 将来的地球？

与其他万物一样，地球也有前世、今生和未来。它最初叫“混沌地球”，混混沌沌、没有天、没有地。后来逐渐有了分层，有了地核、地幔和地壳，又有了大气圈、水圈和生物圈，我们称之为蓝色地球。蓝色地球会不会永存？它还会演化，最终成为一个未知的地球。

地球从诞生到现在是46亿年。在这期间，它经历了惊天动地、翻天覆地或者说造天造地的变化。了解地球，特别是大陆的形成演化是自然科学的核心和王冠，这是一个非常深奥的知识。

▲ 地球结构

地球本身是有圈层的，所以我们说地球是圆的。它的结构就像上图，由地心至地表依次为地核、地幔和地壳。圈层之间并不是静止、僵死的，而是相互运动、有生命的。地球内部有岩浆，可以由火山喷出。什么地方火山爆发了，就说明圈层之间在运动。

打个形象的比方，鸡蛋也有“圈层”：内部是蛋黄和蛋白，外面是蛋壳。鸡蛋的结构也不是僵死的：鸡蛋核可以慢慢孕育出新生命，从蛋白里吸取营养，最后孵出小鸡。

万物的基本形态就是圈层。我们站立在地球表面，因此我们最应该了解的是地壳。

这个地壳有多厚呢？它的平均厚度约17公里，其中大陆地壳厚度较大，平均约为35公里。高山、高原地区地壳更厚，最高可达70公里。大陆地壳又可以分为下地壳和上地壳，下层是玄武质的，是基性的，二氧化硅含量比较低；上层是花岗质的，呈酸性，二氧化硅含量高。

那么大陆地壳是由什么组成的？是由岩石组成的。岩石有三类，一类叫水成岩，也叫沉积岩，还有火成岩和变质岩，其中火成岩包括火山岩和侵入岩。变质岩是指受到地球内部力量（温度、压力等）改造而成的新型岩石。水成岩、火成岩和变质岩都可以再经过变质。这些石头从地壳浅层“跑”到深处，10公里以下、20公里以下、30公里以下、40公里以下，再次发生变化，不再是原来的结构，而成为另一种矿物。变质岩记录了地球表层岩石所发生的翻天覆地的变化。

岩石又是由矿物组成。矿物有不同的色彩，包括我们平常大家都喜爱的金刚石，红宝石、蓝宝石、祖母绿等。部分矿物还是重要的尖端材料，是我们非常难以人工合成的，能应用于高精度的高科技制造。

地壳又分为大洋地壳和大陆地壳。大家所知的海洋下面的这个底，就是大洋的壳。我们所在的大陆，就是大陆壳。大陆跟大洋的面积比大概是3∶7，前者主要集中在北半球。大洋底部跟大陆一样坑洼不平，也有山脊和洼地。夏威夷群岛就是海底山脉中的一些山峰，最高有1万米以上，比人类所在的陆地最高峰珠穆朗玛峰还要高很多。

地球的运动和运动的地球

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圈层之间是相互运动的、有生命的。所以我们将地球称为运动的地球。地球内部有岩浆、有流体，有水在不断地运动、运移。海可以变成山，山可以变成海。构造运动引发地震，甚至还可以让一整块大陆漂移到另一个地方去。

地球的运动还有一个深刻的含义：地球不是僵死的星球，它是有生命的，从它诞生起就在一天一天地变老。我写了一本书《运动：地球的生命密码》，就介绍了地球的运动。

先民对地球的运动都有所知。比如《左传》中就载有“高岸为谷，深谷为陵”，指的就是高岸变成深谷，深谷变成大土山。还有沧海桑田、麻姑献寿的故事。麻姑说，她曾看见东海三次变为高山，又三次变为海洋。古人都知道山变海、海变山的道理。所以当大家登上高山，看见山顶上的石头含有鱼类化石，一点儿都不用惊奇。因为那个地方在很多很多年前曾经是海，后来变成了陆。

古人对“地动”也很早就有了解，但没有完全解开其中的秘密，很多古人都写了优秀的文章进行探讨，比如屈原的《天问》里就有“八柱何当，东南何亏”。意思是：为什么天不一样高，西边是高的，东边是低的呀？解答为东边柱子倒了。为什么柱子倒了？过去我们有神话，叫“共工怒触不周山”，这就告诉你地球是运动的。

▲ 地球“变脸”

除了大的运动之外，地球还有规模小一些的运动。我们给了大地震一个词，叫“变脸”。地震之后，大家一看原来的山变低了，原来有树、树倒了，原来有桥、桥断了，原来的路被错断了几十甚至上百米……这都是地球的变脸。

这些照片是在汶川地震1周年拍摄的。

▲ 日本大地震

大家可能都知道日本2011年的大地震引发了海啸，造成了核灾难。

地震是地球的一项活动，还有岩浆喷发是大家看得最多的。地震相当于地球的脉搏，岩浆喷发相当于地球的血液。什么时候地球没有地震了，也就没有脉搏了，地球就僵死了。所以我们惧怕的不是地震，而是地球有一天会僵死。

人们一直在摸索地球运动的规律，其中有一项是由魏格纳提出的大陆漂移假说。魏格纳是一名德国气象学家，据说他在屋子里抽着雪茄、喝着咖啡、偶然翻阅世界地图时，发现一个奇特现象：欧洲和非洲的西海岸遥对北南美洲的东海岸，它们的轮廓非常相似；如果从地图上把这两块大陆剪下来，可以拼接成一个大致吻合的整体。他想它们是不是原来在一块儿，后来又分开了，于是提出来大陆曾经漂移过。

这个假说提出后受到了世人的耻笑，也受到了科学家的批评。他并没有更多的知识储备，只是看到了这个现象，做出了图像解密。后来，魏格纳在北极考察时遇到暴风雪牺牲了。50年以后，人们根据大陆漂移学说创造了板块构造理论。

▲ 超级大陆—盘古大陆（左）与现在（中）

板块构造理论就像一个巧巧板拼图。在2.5亿年以前，各个大洲基本上是连在一起的，后来逐渐分开了、漂开了，成了不同的大陆，就是现在的样子。

有科学家根据现在板块漂移的速度，认为再过2.5亿年大陆又会重新汇聚一次，就像上面那张图所表示的。

当然这是假说，还需要证实。但这个证实我们都看不到，大家也都看不到2.5亿年以前。但这个推测并不是胡乱说的，是根据现在的观测、记录推算出来的。欧亚板块运动的速度有多快呢？相当于我们一年不剪指甲，新长部分的长度就相当于欧亚板块每年运动的距离。

板块构造的深刻道理包括地幔对流、洋底扩张。就像左边这张图，红色岩浆不断喷出来往两边走，形成洋底扩张。右上方是板块俯冲，右下方是欧洲和北美曾经有一条连续的山脉。

板块学说是上世纪六七十年代最伟大的一项自然科学贡献，现在这项科学仍在继续发展。由它我们可以知道地球有三大科学问题：

第一，地球的板块构造是怎么回事？什么时候有板块构造？是地球刚形成大陆就有，还是后来才有的？这个板块构造会不会永远有？以后要不是板块构造会是什么构造？第二，大陆是不是从来就有的？它是怎么长成现在这么大的？第三，水和氧气是什么时候形成的？地球现在的环境是什么时候定型的？

这三大科学问题在地球科学研究中非常前沿，全世界科学家都在关注。在这些问题中，我专门拎出来一个问题：大陆是如何演化的。大陆演化太重要了，在各个国家的地球科学白皮书中，第一项课题都是大陆如何形成、何时形成、怎么演化的。

大陆如何演化

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大陆为什么重要？因为我们人在大陆上生活。没有大陆，那我们可能就成了水生动物。此外，只有大陆能够记录地球演化的历史。虽然海洋下也有地壳，但洋壳每2-3亿年就会循环一次，通过俯冲所形成的洋脊壳幔的循环就消失了，变成了新的。大陆壳则从诞生一直保留到现在，如果我们要想了解地球的历史，就要研究大陆。

▲ 杰克山锆石（上）

石英砾岩（下）

我们通过研究岩石，就能发现大陆的年龄。中国最早的石头是38亿年；世界上最早的石头来自澳大利亚的杰克山，那边的石头里有一种矿物叫做锆石，可以用它来做同位素研究，进而确定它的年龄。

它的年龄是多少呢？44亿年，因此大陆形成了44亿年，因为这时才形成规模的大陆壳。地球的年龄还需要向前推一两亿年，46亿年就是我们现在所知道的地球年龄。

那么接下来有一个新问题：大陆是这时候形成的，大洋是什么时候形成的？答案是不知道。因为现在的科学还没有足够的证据证明是先有陆还是先有洋。

▲ 岩浆洋阶段，44亿年前?

如果先有洋，我们假设一个硅酸盐的洋，就像图中的红色“大洋”，其中二氧化硅占比大概有40%-52%。这个洋如果可以在上面分异出一个陆壳，下面分异成地幔，就可以解释陆壳的成因。但是这个模式在地球上不行，对月球倒可以用。因为月球上面的陆壳是斜长岩壳，而地球大陆是花岗岩壳，所以行不通。

假设先有洋壳，通过洋壳俯冲到一定深度时再部分熔融，熔出来的部分变成陆壳。部分熔融的意思就是熔化一部分，容易熔的熔化了，不容易熔的没熔化。但这也遇到很大困难，计算模式存在问题。

所以到目前为止，大陆究竟如何形成还是一个谜，有待于继续解答。其实有很多假说和证据，我没有时间给大家展开，它们也都发表在世界顶级的杂志上。

其实，除了44亿年以来的大陆，46亿年以来的地球每一个阶段都有很多谜。

▲ 地质年表

现在我们通过地质年表来了解地球基本历史：45.6亿-38亿年前这段叫冥古宙，38亿-25亿前是太古宙，25亿-5.45亿前叫元古宙，从5.45亿前到现在叫显生宙。每一个阶段、每一个事件都有科学家在研究、在追踪。

显生宙阶段可以用化石记录地层了，这是我们看到的地质时代分布，从三叶虫一直到恐龙灭绝。

地球从陆核到大陆、从无板块构造到有板块构造、从无氧到现在有氧，将来还会怎么样？还会不会变成没氧？这都是人们要讨论的问题。所以我们讲整个地球的演化是从热到冷，什么时候地球完全凉了，地球就“死”了。地球特别热的时候没有生物，等到了合适的温度才开始有生物；等到再继续冷了又没有了。这就是地球的演化历史。

地球的命运会是什么？

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地球的演化历史引出地球的命运。地球是有生命的，它的命运是什么？我小时候听别人说，地球越来越热，在将来它会爆炸。现在我知道了，地球不是越来越热，而是越来越冷，地球的命运不是爆炸，是僵死。

讲地球命运的时候，我们要把地球放到宇宙、放到太阳系里。太阳系里有很多星球，太阳是恒星，还有很多行星，有些行星还有自己的卫星，比如地球的卫星就是月亮。

什么叫行星呢？行星是可以运动、围绕恒星转动的星球，我们又可以把它们分为类地行星和类木行星两类。类地行星与地球大同小异，比如它也有可能有核、幔还有外面的壳，成分以硅酸盐为主。类木行星则是一种气体大行星，木星、土星就是典型的类木行星。

八大行星中水星、金星、地球、火星是类地行星，在这里我也把月球当成行星介绍。我们研究最多的就是月球，因为它是地球的卫星，离地球最近，并且跟地球很相像。我们了解行星也好、了解卫星也好，都是为了更好地认识地球，研究地球怎样演化，预测地球将来变成什么样，这是人类非常重要的任务。

先不说地球对于人类生存多么重要，光说一个人在地球上生活，不知道地球什么样、不知道地球多大年龄、不知道地球的结构，那在地球上生活得太迷茫了。所以我们要了解星球、了解行星、了解地球。

▲ 火星(Mars)

火星距太阳比较近，是第7大行星。火星是目前人类比较关注的星球，它上面也有气体，但是气体非常稀薄，只有地球的1%。它看起来很温柔、颜色很淡，是因为能量少、光线少。火星非常干燥，还非常寒冷，平均表面温度只有零下63度。不管是水、二氧化碳还是其他气体，它们到了火星上都会变成固体，因此火星上不可能有比较高等的生命。我看到有的文章说：我们好好研究火星吧，将来地球不能生存了，我们就坐上火箭，大家都到火星上去生活。这个故事愚人节可以讲，毕竟火星早就比地球更不能生存了。

▲ 金星（Venus）

金星是离地球最近的行星，大家都很喜欢它，西方人管它叫维纳斯女神，中国人管它叫太白星。金星的亮度仅次于月球，在黎明前出现在东方天空，被称为“启明”；黄昏后出现在西方天空，被称为“长庚”。它的能量非常多，温度很高，地表温度最高能达到480多度。不要说高等生命了，什么生命在这样的高温下都不可能生存。所以金星是一个炽热的琢磨不透的星球，同时它外表面都是硫酸云。

▲ 月亮—地球的老照片

我们最喜欢看、了解最多的是月球。月球完全没有能量，月光全部来自太阳。月球亮的时候很漂亮，但它只是一个“僵尸”。

▲ 地-月撞击说

月球是怎么形成的呢？有一个理论叫地-月撞击说：在地质历史上有一天，一个火星大小的物体撞击地球，撞完了以后它们的物质弥漫在太空里部分相连，你中有我、我中有你，后来最终又分开了，由此产生月球。这个学说至今还占据主流。

我们为什么研究月球？它能不能给地球的演化提供信息？虽然现在月球“死”了，但它相当于地球的一张老照片。

月球也是分层的，有月幔、月核、月壳，但是跟地球有很大差别。它不是洋-陆构造，而是撞击坑构造，我们看到的黑圈就是撞击形成的。白色部分是月球的“陆地”，叫斜长岩高地；黑色部分就是“洋”，是陨石撞下来后月幔熔融、岩浆喷发形成的海。

▲ 月球表面撞击过程：月球表层的陨石撞击

很多撞击都发生在四十几亿年前，那时月球表面炙热，撞出的坑都是红色的，再逐渐地冷却成现在的样子。现在陨石还在不断地撞击，月球有生命的时候会撞击出海，没有生命后就只有撞击坑，也就是我们看到的月球的陨石坑。

▲ 月球最古老岩石

那么月球的年龄有多少？它的斜长岩陆壳年龄是44亿年，与地球上最老的花岗岩一样。

▲ 月球岩石样品

月球的岩石样品跟地球的岩石样品是有差别的。除了斜长岩以外，它还有玄武岩。玄武岩比较常见，大家去五大连池、长白山都可以看到。但月球还有地球上无法见到克里普岩，它是一种含钾、稀土元素很高的岩石。另外，月球上没有地球上最主要的陆壳岩石类型——花岗岩。

虽然月球跟地球有亲密的关系，但它们的演化历史很不相同。月球是撞击构造，没有海洋、大陆，自然也没有进入板块构造阶段。

我们看到一期又一期的陨石撞击月球，就是一期一期的月球演化。后期的撞击坑覆盖了前面的，科学家对它们进行探索，通过最年轻的月海计算出月球何时“死亡”。

中国的嫦娥五号就取了月壤样品，算出它的年龄是20亿年前。过去认为大概31亿年前月球就死了，那么这次年龄定下来，可能到20亿年的时候才死。月球“死亡”是什么概念？即没有生命、没有能量、没有地震、没有岩浆，什么活动都没有了。

接下来来看行星“由生到死”的历程，这里我把月球也当成一个行星。月球长的太“着急”，由于内部的能量消耗殆尽，20亿年前就完全死掉了。

下面是火星行将入木，颜色暗淡，已经没有大气和水。

地球处于壮年期，有水有氧气，生气勃勃。它还有多长时间才会到达月球的状态呢？大约45亿年。像这样一个由生到死的历程就是地球的宿命。

再往后看金星，我们可以说金星是一个“灾变星球”。它很年轻，现在还很热，将来可能慢慢变凉，变成另一个地球。但也有一种说法，金星在8亿年前曾经历了一个灾变事件，原有的大气和海洋都逃逸了。所以我们研究金星有两个方向：看金星可不可能继续演化，变得越来越凉、越来越适合生存；如果是灾变的，那如何看待灾变事件的发生？这对我们预警地球提供一些新的根据和资料。

地球会永远宜居吗？

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地球是太阳系中最幸运的行星，具备“四个唯一”：唯一有宏观水和氧气的星球，供万物生长；唯一充分演化到现在状态的星球；唯一有生命、有林草树木的星球，同时它是唯一有可以驾驭世界的高等动物——人类的星球。

地球早期没有氧，那么什么时候产生的氧？早期没有水，哪儿来的水？这是地球科学需要认真研究的。

▲ 地球历史上两次大氧化事件

目前人们认识到地球有两次大的氧化事件，一个是GOE（古元古代氧化事件），发生在大概到23.5亿-22亿年前；还一个叫NOE（新元古代氧化事件），发生在6亿-7亿年前。这两次大氧化事件使地球上的氧发展到现在的水平。

▲ 历史上的地球大变脸

氧是从何而来的？它怎么会突然升高？有很多假设，其中有一个叫雪球假设。7亿年前地球叫雪球地球（Snowball Earth），从赤道到两极都是冰雪覆盖，后来二氧化碳发生变化，冰融化导致了氧气的出现。

▲ 右图蓝色阶段为雪球地球时期

这种灾变为地球带来幸运，5亿多年前出现了寒武纪生命大爆发，逐步演化为现在地球的繁荣。再早些时候，第一次大氧化事件导致真核生物的诞生。

这是个地球的演化的过程，氧首先是地球自己演化的。深层的演化关系：从核到幔逐渐把带有氢氧的物质弄到地球表层上来。也有可能是灾变，如其他星球撞击造成水和氧。原因应该不是单一的，得有不同的来源：比如像氮气，深部怎么能分解出这么大的量？现在还不能完全把它算出来，算来算去加起来以后这个数量总是不对，可能还有这样那样的问题，就是它们得有不同的来源，有深部的，还得有天体碰撞的。

地球历史上两大氧化事件给地球带来了现今的繁荣，氧气浓度的变化造成了动物的进化。动物不断地出现，从最早的微生物一直到高级生命，这是不是永远恒定地演化？每天都是这样演化过来的？不是，是跳跃式的发展。在有了比较高级的生命之后，还会发生氧的突然降低与升高，地球历史上多次生命大灭绝都与此相关，如恐龙大灭绝。

▲ 氧气浓度变化与物种灭绝

高等生物大灭绝是因为地球环境的变化，地球环境的变化也是地球演化的一种表现。变化的原因可以是像火星或者其他星球一样，受到太阳系中的一些变化的影响；另外还有地球自己本身的结构、岩浆构造活动的变化都可以造成。

▲ 水的来源及演化

那水是怎么来的呢？在44亿年前的锆石里就发现了水的作用，但是不是宏观水还不知道。右下图能看见厚厚的岩层，它们都是水里沉下来的岩石，所以那时是有宏观水的，39亿年前就有宏观水。我们仍然要研究宏观水，研究地球的演化规律：构造的演化、矿物的演化以及生物的演化，演化是地球重要的科学前沿。

▲ 矿物与微生物随时代的演化

地球的演化像其他类地行星一样，遵循着客观的演化规律：地球内能的消耗规律,还受到太阳系运动的影响。人不能从根本上来改变这个演化进程。地球本身也遵循着从不宜居到宜居、再到不宜居的演化模式。太阳系中没有比地球更宜居或者今后更宜居的星球。在46亿岁地球演化的长河中，显生宙只有5亿多年，而约5万年前才出现晚期智人。人类有足够的时间了解地球，继续探索、掌握更多的科学知识。

我们的神圣责任与使命

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了解地球如何演变之后，我们有哪些神圣的责任和使命？

人类向地球的索取与消耗带来了三大问题：人的生存环境、人类的资源问题、地质灾害和人为灾害。这就形成了一门新的科学——人地关系学。

首先要认识地球客观的规律，其次遵循地球客观的规律，最后在遵循客观规律的基础上合理利用地球资源，在人类可能的范围内保护地球的表层环境。

人在地球上生活，生存和发展都离不开地球资源，这条无法改变。人类历史经历了石器时代、青铜器时代、铁器时代，再发展到能源时代和电子时代，没有自然寸步难行。

人类活动对地球环境总有影响。比如人类活动的耗氧过程就是一个例子，要是耗氧过多，空气就不新鲜了，你就不舒服了。

所以地球人的使命和责任就是：认识地球的演化规律，特别是未来的规律，未来地质学一定会是自然科学的王冠；然后我们要合理地利用地球资源；要合理科学地保护地球的环境；我们还要坚持和平共存的国际发展理念。

我在这呼吁大家热爱科学、崇尚科学、学习科学、从事科学。科学就是接近客观事物认识的学问，真正了解世界必须掌握真理，违背真理就什么事做不了。

最后用恩格斯《反杜林论》中的一句话作为结尾：地质学按其性质来说，主要是研究那些不但我们没有经历、而且任何人都没有经历过的过程，所以要挖掘最后的、终极的真理，就要费很大力气。

地球科学非常重要，恩格斯说地球科学是终极之理。我希望大家都能学好地球科学知识，为我们共同的家园地球尽一份责任。

谢谢大家！

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来源：格致论道讲坛

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