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4～5km，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。

 

 

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70km到250km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2885～4170km，，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30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(He、H₂、N₂、CH₄、CO、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CO₂、N₂、H₂S、HC1、HF、SO₂、SO₃、CO、H₂、CH₄、C₂H₆……(后4种为可燃气)。

 

 

与之相应，在海水中溶解了巨量深部H₂、CH₄，3He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。

 

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此外，火山爆发不仅排出岩浆，也总排出大量气体（图4）。

 

 

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。1991年6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。1989年10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)×10-6。1990年9月北京沙河地震前，塔院水气观测站地下释放CO₂、CH₄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5～6倍(沙拉莫夫，2002)。对达吉斯坦全年全天质谱监测发现，惰性气体He、Ar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。

 

 

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(体)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：

 

 

他用“幔汁”和“气圈”来描述这种流体。

 

在20世纪70年代末，英国学者Bailey，D.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1：1的FeH。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H₂O、CO₂，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）

 

 

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N₂、0₂、CO₂、Ar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6～7km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CO₂、N₂、H₂S、CH₄、O₂、CO、高碳烷烃及其它烃类、水蒸气、惰性气体(如He、Ar)、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8～10km深度以下(温度200～400℃，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H₂、CH₄、C₂、C₃、C