“天問一號”探測器正在奔向火星的路上。人們(men) 對這一壯舉(ju) 充滿期盼——邁向火星，人類將努力把它改造為(wei) 宜居家園。

天文學家認為(wei) ，行星的宜居性取決(jue) 於(yu) 它與(yu) 恒星之間的距離。

但金星、火星和地球同樣位於(yu) 太陽係宜居帶，為(wei) 什麽(me) 隻有地球生機勃勃？

地球科學家認為(wei) ，地球成為(wei) 太陽係唯一有生命的星球，原因在於(yu) 它的“內(nei) 秀”。挺進“深地”，探究地球演變機理，找到宜居的秘密，才能將地外行星收入囊中。

“深地”時常空降驚喜：一座巴西火山噴發，“吐出”成堆鑽石，研究發現，鑽石來自地幔；一塊地球同時期的隕石“露富”，有研究預測，地核中存儲(chu) 了超過全球儲(chu) 量99%的黃金；……相比寶藏，更令科學家心醉的是地球內(nei) 部有它宜居的秘密，這將成為(wei) 征服宇宙的起點。隨著科技實力的大幅躍升，探秘地心的計劃正在變成事實。各國雄心勃勃，世界主要大國均對“深地”探測與(yu) 地球宜居性的研究給予高度重視。中國的地球科學家們(men) 也正在推進“深地”科學研究，他們(men) 通過對地幔、地幔過渡帶、核幔邊界甚至更深的地核研究，來深度解析地球，研究地球如何通過幾十億(yi) 年的演變變得宜居。他們(men) 認為(wei) ，隻有懂得地球內(nei) 部發生了什麽(me) ，才能在地外空間尋找到宜居星球。一半是“火焰”一半是“海水”，地球是個(ge) “雙子座”明麗(li) 的藍色，不慌不忙地旋轉……宇航員眼裏，地球寧靜瑰麗(li) ；沉穩山巒、斑斕靜秋、廣袤大地、無垠大海……地表居住者眼裏，地球固若金湯、沉穩矯健；俯衝(chong) 、跳變、噴薄、粘滯……在深地研究者眼裏，地球簡直是名“跑酷”選手，它的運動形態不僅(jin) 多樣，還極具變化。哪個(ge) 是最真實的地球？地球其實是個(ge) “雙子座”，表麵的沉穩是“假象”。“它的動是與(yu) 生俱來的。”中國科學院院士、中國科學院廣州地球化學研究所所長徐義(yi) 剛研究員說，地球自形成之始經過數十億(yi) 年的演化，逐漸從(cong) 相對均一、熾熱的行星演變成具有良好層圈結構、生機勃勃的宜居星球，其根源在於(yu) 擁有活躍的地球內(nei) 部。“地球如果不動，它就死掉了。”中國科學院大學地球與(yu) 行星科學學院教授李忠海說得更直接。地球的動，帶來了活力，帶來了四季分明，但地球的動遠不止帶來了“風、花、雪、月”，在地表之下，地幔、地核的運動才是地球生機盎然的源泉。最初的地球、火星、金星十分相似，到了40億(yi) 年—35億(yi) 年前它們(men) 開始分道揚鑣：金星發生了失控的溫室效應，它的表麵溫度高達470攝氏度；火星發生了失控的冰室效應，表麵平均溫度零下55攝氏度，大氣密度相當於(yu) 地球的1%；而地球，最終擁有了充足的含氧大氣，和生物接受範圍內(nei) 的相對恒定的表麵溫度。地球發生了哪些變化？徐義(yi) 剛舉(ju) 了個(ge) 例子，在大約二三千萬(wan) 年前，地球大氣中二氧化碳的濃度從(cong) 2000ppm下降到500ppm（人類在二氧化碳濃度為(wei) 1000ppm時開始感覺困倦）。“在現有的星空体育官网入口网站體(ti) 係下，溫室氣體(ti) 的大量減少本應導致全球溫度的下降，但事實上那時全球的溫度基本沒有發生變化。”徐義(yi) 剛說。“自相矛盾”的現象接二連三地出現。例如，現在普遍認為(wei) 地球上的氧氣是由海洋微生物釋放而來，但從(cong) 30億(yi) 年前海洋中已經有藍細菌和產(chan) 氧的光合作用，而大約25億(yi) 年前地球大氣才開始出現可觀的氧氣。“地球表層係統的研究已經非常深入，但難以回答多個(ge) 矛盾事實出現的原因。”徐義(yi) 剛說，“探究未解之謎，我們(men) 不能忽略地球深部是一個(ge) 巨大的生命元素儲(chu) 庫！”儲(chu) 存、運轉、釋放、運轉、再儲(chu) 存。地球內(nei) 部在“跑酷”！跟著一起的，還有各種生命重要元素發生著流轉。或許，上述沒有帶走熱量的二氧化碳轉向了地球內(nei) 部，而地球本身的反應維係了整個(ge) 溫度的平衡。“‘深地’與(yu) 淺表的聯動機製正成為(wei) 新的學科製高點，各國競相布局，均在爭(zheng) 取率先突破”學術界開始意識到，地球內(nei) 部碳、氫、氧、氮等生命元素的動力學過程，深刻參與(yu) 了整個(ge) 地球生命的循環。“‘深地’與(yu) 淺表的聯動機製正成為(wei) 新的學科製高點，各國競相布局，均在爭(zheng) 取率先突破。”徐義(yi) 剛說。2016年，美國地球物理聯合會(hui) 和美國地質學會(hui) 聯合發表的《21世紀的大地構造：一個(ge) 宜居行星的動力學》白皮書(shu) 中指出，“深地”過程及其與(yu) 生物圈和大氣圈的相互作用在維持地球宜居性方麵發揮了極其重要的作用。美國Sloan基金會(hui) 和英國自然環境研究理事會(hui) 也先後啟動了“深部碳觀測”全球重大研究計劃和“揮發份、地球動力學和固體(ti) 地球控製宜居地球”重大研究計劃。在美國研究理事會(hui) 發布的谘詢報告中，早期地球和地球內(nei) 部動力及其與(yu) 淺部的聯係被列為(wei) 重點關(guan) 注方向。全球起跑，中國也不甘落後——2009年，國土資源部組織實施的《地球深部探測技術與(yu) 實驗研究專(zhuan) 項》正式啟動，標誌著我國地球深部探測的“入地”計劃拉開序幕；2016年，科技部啟動國家重點研發計劃“深地資源勘查開采”重點專(zhuan) 項，從(cong) 資源勘探的角度提出深地探索目標，並在完成過程中發展了移動平台地球物理探測技術裝備等；不久前，在中國科學院與(yu) 國家自然科學基金委聯合開展的“中國學科及前沿領域發展戰略研究（2021—2035）”框架下，“深地科學前沿科學發展問題戰略研究”（2021—2035）獲批立項，研究將促進地球科學與(yu) 生物、大氣、行星學等多學科的深度融合，啟迪創新科學思想，孕育新的學科生長點，推動我國固體(ti) 地球科學從(cong) 跟蹤前沿向開拓前沿的跨越式發展。此外，科技創新2030國家深地探測重大專(zhuan) 項、國家自然科學基金委深地重大研究計劃也正在積極部署和組織相關(guan) 論證工作。除了鑽孔，科學家還有很多間接方法推算地球運動規律和物質循環路徑英國科幻小說家阿瑟·克拉克在他的短篇作品《地心烈焰》中，描述了一種生活在“深地”的智慧生物，它們(men) 是壓縮態的高密度生命，可以在白熱的岩石間穿行。儒勒·凡爾納的《地心遊記》更是把地心世界描繪地栩栩如生、驚心動魄，並刻畫了一條現實中並不存在的直達地心的通道。走向“深地”，小說家發揮想象，想盡各種遁地方案。現實中，和深海探測以及深空探測不同，研究者們(men) 無法通過潛艇或者飛船觸達，又該如何研究？我國科學家們(men) 曾提出大膽設想：在中國鑽若幹口超過萬(wan) 米的特深鑽孔。這將使我國的地球科學研究水平提升至國際先進水平。除此之外，科學家們(men) 還有很多間接的方法推算出地球的運動規律和物質循環路徑。“地球要運動，誰推著它？”李忠海說，如果它內(nei) 部沒有一點密度差異，不存在“東(dong) 重西輕”或“頭重腳輕”的情況，那它是不會(hui) 動的。地球內(nei) 部的運動就像有千萬(wan) 個(ge) “蹺蹺板”。這些“蹺蹺板”的不平衡給地球動力，而蹺蹺板的動力是因為(wei) 地球內(nei) 部各圈層之間特性不同、均勻性不同、萬(wan) 有引力不同。李忠海解釋說，如果地球流變強度非常強（“蹺蹺板”鏽住了），轉動的應力導致變形很慢，那麽(me) 地表的板塊運動基本上不動，沒有新陳代謝，某種意義(yi) 上說也可以理解為(wei) “死”了。如果流變強度非常弱，地球像個(ge) “散黃蛋”，那意味著地球在固定的驅動力下變形非常快，俯衝(chong) 板塊呼呼地從(cong) 地表下去，下地幔也很快跑上來，這樣的地球可能也不會(hui) 變成現在宜居的狀態。自上而下的岩石圈板片俯衝(chong) 和自下而上的地幔柱運動貫穿和影響著整個(ge) 地幔的各個(ge) 圈層，這些運動之間的平衡和規律值得探究。“峨眉山、夏威夷、冰島……都是公認的大地幔柱，它們(men) 很像從(cong) 地幔延伸出來的‘直梯’，它們(men) 曾經或者正在進行的噴發，會(hui) 把‘深地’的信息帶上來。”南京大學教授李高軍(jun) 表示，人們(men) 通過對這些地區的岩石的采集分析，能夠對深部圈層相互作用的構造過程和動力學機製有所認識。此外，人們(men) 還利用地震波的探測，來“傾(qing) 聽”來自地下的“動靜”。“最佳論文”引爭(zheng) 議，了解“深地”需要更多探測手段“做地球研究太複雜了，各個(ge) 層圈都要涉及。目前掌握的方法和手段仍舊很有限。”徐義(yi) 剛說，走進“深地”迫切需要技術創新。我國科學家在這個(ge) 領域取得了較領先的進展。例如金屬穩定同位素示蹤的方法，讓追蹤地球深部“跑動”痕跡逐步可視化。“我國科學家率先開創鎂—鋅同位素示蹤技術。”中國科學院院士、中國地質大學（北京）教授李曙光說，由於(yu) 發現海底沉積的碳酸鹽岩與(yu) 地幔岩石存在著巨大的鎂同位素差異，2012年，團隊率先提出利用鎂同位素揭示地球深部儲(chu) 存的沉積碳酸鹽岩。2017年，利用鎂同位素示蹤技術，李曙光團隊發現中國東(dong) 部上地幔是一巨大的再循環碳庫。“我們(men) 發現了我國東(dong) 部地區出現了鎂同位素異常現象，異常區域恰好與(yu) 地震層析成像所揭示的西太平洋板塊向中國東(dong) 部大陸下俯衝(chong) ，在地幔過渡帶滯留的俯衝(chong) 板片分布區完全重合。”李曙光說。輕鎂（一種異常的鎂元素形態，與(yu) 碳結合能形成碳酸鎂等物質）“高亮”指示出的一塊地幔猶如拚圖，正好與(yu) 更深層的地幔俯衝(chong) 邊緣圍構成的範圍吻合。正所謂“雁過留痕”。團隊推測二氧化碳會(hui) 溶解於(yu) 海水，並以碳酸鹽形式沉積於(yu) 海底，板塊的俯衝(chong) 把海底的沉積碳酸鹽帶入進入地幔。如果這是一種模式，那麽(me) ，將為(wei) “原始地球大氣的大量CO2去哪兒(er) 了”“地球走向宜居的減碳和增氧是怎麽(me) 做到的”等問題給出線索，並可能由此找到改造火星大氣的方法。更現實的意義(yi) 在於(yu) ，“我們(men) 提出監測中國東(dong) 部休眠火山（如長白山，五大連池等）和郯廬斷裂帶的現代二氧化碳排放量。”李曙光說，碳儲(chu) 庫在底下，一旦火山爆發將釋放大量的二氧化碳，將對溫室氣體(ti) 含量和氣候產(chan) 生較大影響。相關(guan) 研究發表在《國家科學評論》（National Science Review）上，並獲得了該期刊評選的2019年度最佳論文獎。這一論文隨後卻受到來自學界的挑戰，有人認為(wei) 可能是“擴散”的結果，也有人認為(wei) 可能是原有尖晶石（主要成分為(wei) 鎂鋁氧化物）再結晶的結果。科學探索總是在爭(zheng) 論中越辯越明。“我們(men) 歡迎這樣的討論，推動更進一步的研究。”李曙光說，近期團隊又補做了很多實驗，例如通過鋅的示蹤發現，如果是“擴散說”，那麽(me) 鋅鎂應該同步擴散，但研究顯示並非如此。受探測技術手段的限製，如果人類對深空、深海略知一二的話，那麽(me) “深地”仍是一個(ge) 巨大的謎團。一切對於(yu) 礦產(chan) 能源的技術應用，僅(jin) 限於(yu) 地殼一層。一個(ge) 更形象地比喻是：如果把地球比作一個(ge) 雞蛋的話，萬(wan) 米深鑽連雞蛋皮都沒鑽破！學者們(men) 也在逐步探索用模擬的手段替代“親(qin) 臨(lin) 深地”的研究。就在不久前，一個(ge) 更讓人驚奇的研究發表。北京高壓科學研究中心的科學家通過高壓化學研究發現，在180萬(wan) 米的地下，會(hui) 發生與(yu) 地表完全“逆向”的化學反應。當人類拚命在地表尋找製備氫氣的方法時，地下180萬(wan) 米的環境，卻能夠讓水主動釋放氫氣，留下的氧負離子則進一步氧化氧化物（例如使氧化鐵變成過氧化鐵）。“需要更強的技術創新，給地球科學家得心應手的手段。”徐義(yi) 剛呼籲，對深地過程與(yu) 地球宜居性的研究給予高度重視，通過多學科的深度融合，啟迪創新科學思想，孕育新的學科生長點，在“深地”領域凝聚我國的核心科學研究力量，為(wei) 國家“深地”和“深空”戰略提供重要科學支撐。

文中圖片由視覺中國提供

科技日報•深瞳工作室出品

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