這種隨處可見的黑石頭，熔化拉成絲後，竟可能代替我們熟悉的材料 | 劉嘉麒——科學講壇

地球是個有生命的星體：

核素是它的細胞，

岩漿是它的血液，

地震是它的脈搏，

火山是它的喉嚨。

劉嘉麒·中國科學院院士

科學大咖講科學 | 北京 2021年

各位朋友你們好，我是劉嘉麒。

在廣袤的宇宙中，星球數以萬計，但是隻有地球上有人類。地球是個有生命的星體，核素是它的細胞，岩漿是它的血液，地震是它的脈搏，火山是它的喉嚨。在太陽系的八大行星當中，地球是最有生氣、最有作爲的天之驕子。

組成地球這個星球的岩石，主要是火成岩、沉積岩和變質岩，但沉積岩和變質岩的母巖最終還是火成岩。在火成岩當中，最主要就是火山岩。所以火山作用是地球形成的一個非常重要的地質作用，是地球的靈魂。

地球（的結構）是分層的，中間是一個地核，然後再往外面是地幔，地幔外邊是地殼。然後在地球的表層還有好多的層圈，比如大家最熟悉的水圈，地球表面有71%都是被水掩蓋着的。之外還有生物圈、大氣圈等。

▲ 英國劍橋大學卡文迪什實驗室

最早測量地球的人是卡文迪什，他是跟牛頓同代的英國著名科學家。地球的半徑有多長、地球的引力有多大、空氣是怎麼組成的、水的組成是什麼……這些基本的數據都是來自於卡文迪什。卡文迪什在實驗室工作了五十多年，爲地球科學的發展做出了大量的貢獻。

億萬年地球的歷史

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地球形成已經有46億年了，這46億年來，地球經歷了很多的變化。

5.14億年前的時候，當時華北板塊和華南板塊還是分開的，一個在西邊，一個在東邊，兩者相距很遠。

2.5億年前的二疊紀時期，泛大陸開始解體，古海洋也開始分割，華北和華南在逐漸靠攏。基本上形成了現在大陸和海洋的格局。

1400萬年前的時候，在地質上叫中新世，整個地球的海陸格局跟現在基本上一致了，中國的樣子也已經完整了。

現代的地球大家都比較熟悉，有七大洲和五大洋。以前大致都說是三大洋：太平洋、印度洋和大西洋。實際上還有在北極的北冰洋，在南極附近的南大洋。大家可能不太熟悉南大洋，現在學界已經普遍認可圍繞着南極洲的這片海洋就是南大洋，它大致有3800多萬平方公里。

再到未來的1.5億年後，地球就又有新的變化了，亞洲比如中國基本上就接近赤道。非洲快到北半球了，所以地球是在不斷地變化的。

中國是一個很大的國家，中學地理老師常常會教我們說，中國有960萬平方公里的土地，這是沒問題的。但是我們中國不光有土地，我們還有300多萬平方公里的領海。從領海往外劃是200海里的專屬經濟區，所以我們國家不光有960多萬平方公里的陸地，還有300多萬平方公里的海洋，這是我們應該知道的。

地球的46億年被劃分成了很多地質時代，分別是宙、代、紀、世、期。在畫地層的時候，又分別叫宇、界、系、統、階。地球從冥古宙到古生代、中生代、新生代，我們現在處在新生代第四紀的全新世。

▲ 地球演變示意圖

上圖展示了地球在不同時間發生的一些變化。地球在46億年前就已經形成了，大致在38億年前左右纔開始有生物，到了23億年前的時候，大氣中就已經有氧氣了。

▲ 生物的演化

從38億年前開始，地球上就有了最低等的生物。從低等生物逐漸地發展，無脊椎動物進化成脊椎動物，一直到現在的人類，還出現了一些高等的植物，這是一個長時間演化的過程。

在目前所有行星中，只有地球上有人類，我們作爲人類的一員應該感到幸運，能夠有機會在地球上生存。人類是在地球晚期纔開始形成的，到底人類形成的時間有多長呢？

如果把地球的46億年濃縮成1天的話，大約在早晨4點鐘的時候，纔有單細胞生物生成。晚上9點4分的時候，大家比較熟悉的三葉蟲才登場。晚上快10點鐘的時候，植物纔開始出現在大地上。晚上11點出現恐龍。從猿人變成直立人、從直立人變成早期智人、早期智人變成現代人……人類的進化時間只佔了1分17秒。所以人類在整個地球形成的過程當中只是很短的一瞬間，但也是很寶貴的時間。

地球是人類的家園

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人類的生存離不開地球，比如說人類需要周圍有水、空氣、土地和生物。人類所面對的氣候、環境、生態和災害，人類所需要的資源和能源，都跟大自然密切相關。沒有大自然，也就沒有人類。

人類最需要的一種資源就是水，雖然地球上71%的面積是被海洋覆蓋的，但是海水是鹹水，不能被人類直接利用。海水佔了整個地球水的96%以上，陸地淡水只有2.5%。而這些淡水中又有70%多凍在南北極的冰川裡，不能直接被人類所索取。能被人類索取的水，一個是地下水，一個是地表水。地表水就是湖泊、河流、大氣降水，這些地表水只佔地球上淡水資源中的0.6%。所以雖然地球上水很多，但是能被人類直接利用的水是很寶貴的，我們必須要珍惜水資源。現在全球有70多億人口，其中30多億人都生活在水不夠用的環境中。

我們整個社會的發展還需要大量材料，像金屬材料、非金屬材料等。材料包含光學的、半導體的、保溫的、抗壓的、抗腐蝕的、有吸附性的、納米的、複合的等等，這些材料的原料基本上都是來自自然界。

我們這些年也做了一些工作，比如有一種岩石很普遍，叫玄武岩，是一種到處都可以見到的黑石頭。這種石頭平時只能用來做成碎石鋪路，但是現在可以把它熔化拉成絲，拉絲以後做成很多複合材料，是21世紀一個綠色、高性能、清潔的工業材料。這個材料可能慢慢地代替鋼鐵，甚至可能代替大家熟悉的碳纖維等材料，是一個前景非常廣闊的材料。

▲ 各國工業化的過程與能源需求增長密切相 關

社會發展還需要礦產和能源。人類整個社會的發展過程，從過去的工業化到現在的現代化，都是靠消耗這些資源發展起來的。現在全球工業化一共發展了二百多年，這二百多年裡，西方國家先走在前邊，但是他們的發展消耗了自然界中的大量資源。我們國家這幾年的發展，也消耗了大量的資源。像印度這樣的國家要繼續發展，也需要大量的資源。

人類面臨嚴重的自然災害

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人類還面對着一些自然災害，尤其最近幾年，大家可能感覺到自然災害發生率比較高，造成的損害也比較大。自然災害的類型比較多，大家比較熟悉的就是地質災害，比如說地震，火山噴發、泥石流、滑坡、塌陷等等。

▲ 全球自然災害分佈圖（據陳顒）

第二類災害就是氣象災害，這是一種發生頻率更高的災害。氣象災害類型也比較多，乾旱、洪澇、高溫、酷熱、寒冷、冰雹以及沙塵暴、霧霾等等，都屬於氣象災害。

除了這兩類災害，還有海洋災害，比如海平面的上升，海洋裡發生的巨浪、風暴潮、海嘯、海水倒灌還有在南北極發生的一些冰災等等，都屬於海洋災害。

在自然界還常常發生生物災害，像蟲災、蝗災、赤潮、藍藻暴發或者病毒等病原體大流行等，實際上都是生物災害。

除了上面幾種災害，還有一種自然災害可能還不被人們所瞭解，那就是空間災害。地球周圍有一個磁場，磁場如果發生異常的話，就會對整個空間、網絡造成危害。大家可以設想一下，要是手機和電腦都不能用了，這個社會將是一種怎樣的狀態？所以空間災害會對人類造成很大的影響。

除了這些災害，還有自然界中可能發生的其他災害，比如火災、爆炸或者是毒物泄漏。

總之，人類除了在地球環境中生存，還要面臨很多災害，這些災害現在發生的頻率越來越高，種類也越來越多。

▲ 上：1900—2008年間平均每10年的極端天氣事件數量

左下：1973—2006年間全世界地震發生的次數

右下：1840—2008年間世界範圍內火山爆發的次數

從上面幾張圖可以看出，近年來，極端氣候事件發生的頻率在不斷地升高，地震特別是七級以上強地震的頻率也在增加，火山噴發的頻率也在增加。

我國的地質、地理處在一個自然災害比較多的環境中。比如氣候環境，中國處在東亞季風帶。東亞季風使天氣異常的情況經常發生，導致氣象災害特別多。我國的地質背景也造成地震發生比較多。中國是個自然災害比較多的國家，要引起我們的重視。

自然災害會給人類造成很大損失。在正常情況下，一年如果能掙十塊錢的話，災害造成的損失可能達到1/5-1/6。如果遇到一個災年，恐怕損失就更大了，可能達到1/4甚至更多。比如說2008年汶川大地震、1976年唐山大地震，造成的損失就比較大。我們國家雖然不是地震發生最多的國家，卻是因地震造成損害最多的國家。20世紀地球上，死亡人數超過20萬的兩次大地震都發生在中國。自然災害引起的損失程度正在不斷地上升，這也需要引起高度重視。

地球科學在重大工程中的作用

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社會還在不斷地發展，在發展過程中也需要跟地球打交道，也需要利用自然界的資源。我國建造的一些機場、碼頭、道路、城市等等，都需要運用地球科學的知識，利用地質的資源。

我們國家這些年做了很多前人沒有做出來的偉大工程。新疆的塔里木盆地裡有個大沙漠，叫塔克拉瑪干沙漠。過去我們考察沙漠的時候，如果想要從沙漠北邊到南邊，開車大概要一週左右，現在沙漠上建成了五六百千米的公路，橫穿沙漠只需要幾個小時。

我國在青藏高原修了鐵路。除了正常的工程以外，修鐵路最重要就是打好地基。因爲高原上有凍土帶、半凍土帶，在這些地段打好地基很重要。從格爾木到拉薩1100公里的公路，都在平均海拔4000多米的高原上，這在人類歷史上是沒有先例的。

現在上海、廣州等東南地區需要的天然氣，有一部分是從新疆輸送過來的。這得益於我國西氣東輸的管道工程。在輸送的過程中，需要鋪設一根很長的輸氣管道，這個管道從哪兒走？怎麼佈置？需要經過很多的研究工作。

我國還有南水北調工程。南水北調有三條線：東線、中線和西線。東線既疏通了古運河，又把南方的水調到了北方，也就是從揚州把水調到天津一帶。現在北京的部分水就是通過南水北調的中線工程，將丹江口的水調到北京一帶。南水北調的工程是很大的。

▲ 依次爲： 三峽大壩 膠州灣跨海大橋 東海大橋

一些河流和海洋中的大型工程，也需要做很多地質工作，跟地球打交道。像三峽是舉世矚目的大工程，我國還修建了很多跨海大橋，都是非常重要的工程。

地球爲我們創造了很多財富，我們用這些財富做了很多的建設工作。中國提倡的“一帶一路”對整個世界的發展都起到了很大推動作用，正在實現“人類命運共同體”的偉大目標。我們還需要幫助其他國家做更多的建設工作，這方面都要跟地球打交道，跟資源、環境打交道。

地球科學的魅力

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在研究地球的過程中，需要懂一點地球科學的知識。地球科學就是研究地球、研究自然界的學科。自然科學裡有數理化天地生，天文、地質和生物都屬於自然科學。地球科學需要上知天文、下知地理，大知宇宙，小知核素。同時還要研究人類跟自然界的相互關係，比如地球是怎麼形成的？人類是怎麼產生的？人類將來往哪兒走？資源如果耗盡了怎麼辦？災害不斷地發生，人類又應該怎麼應對？這些問題都需要跟地球打交道，都是地球科學需要探索的問題。

現在的我國的航天有了很大的發展，能夠登陸月球、火星。到了火星、月球上要做哪些工作？這都跟地球科學密切相關。嫦娥五號從月球上取下來的很多樣品，在我們所（地質地球所）裡做了很多分析工作，這些工作也發表了很多成果。

地球科學需要和其他學科聯動，包括數理化、氣象、環境、生態和人文學科，同時又要聯合信息、光學、電子、納米、遙感、大數據、雲計算這些現代技術。可以說，地球科學是一門非常廣闊，非常綜合的科學。

每個人都離不開地球科學，就像現在大家都離不開手機，製作一個手機需要二三十種礦物原料。科學發展需要各門科學的廣泛合作，中國是一個地大物博，自然現象比較齊全的國家，在研究地球科學方面的自然條件非常優越。有了這樣一個很好的條件，地球科學在中國發展得很快。

聯合國教科文組織有一個很大的科學計劃：地球科學系統計劃，也就是ESSP計劃。聯合國的科學計劃一般幾年就完成了，但是這個計劃從1987年到現在還在進行，而且在不斷地擴大。這個計劃包括幾個方面：生物多樣性、氣候環境，人類活動對環境的影響以及全球氣候變化對人類的影響。這些工作最後的聚焦點是研究整個地球變化對人類的生存有多大影響，包括人類的生存所需要的水、食物、碳的變化。地球科學最後的一個目標就是爲人類謀福祉。

壯觀的地球美景

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地球科學必須要和大自然打交道。這個過程需要研究人員爬山涉水、四海爲家，在無人區或者其他條件艱苦的地方，需要研究人員付出很大的努力，也會遇到很多風險。這就提醒我們，在從事這種工作的時候，尤其是到一些非常艱苦、危險地方，一定要做好充分的準備。

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▲ 依次爲 ：中朝邊境 青藏高原 望天鵝 塔里木盆地 五大連池 羅布泊 潿洲島 中緬邊境

我工作的時間比較長了，去的地方也比較多，我們國家這麼大，東西南北中都要跑一下。我們去了長白山的原始森林——望天鵝。照片裡還有很多邊防戰士，因爲望天鵝是一個原始森林，當地政府說裡面很危險，有很多野生動物，但是我們必須去工作，當地政府就給我們派了四位邊防戰士帶着槍保護我們，順利地完成了考察任務。

在考察中，你會體驗到大自然的壯美。左圖是長白山天文峰，右圖是世界上第二大沙漠，新疆的塔克拉瑪干沙漠。

我們也看到了很多很好的地貌景觀，左圖是甘肅張掖的紅層，右圖是雲南的香格里拉，都很壯觀。

在海邊上還有很多溼地，我們國家美的地方太多了。

左圖是臺灣海峽火山的柱狀節理，右圖是高雄泥火山。我們國家目前只發現兩處地方有泥火山，一個是在新疆，一個是在臺灣。左圖裡面看着像是女人像，其實是一個被海風風化剝蝕的石頭，是真正的自然產物，很美觀。

在自然界裡還有很多美景，比如在英國的北愛爾蘭海邊，有一片巨人堤。

▲ 南極冰山 南極企鵝

到南極去的話，能在海上見到真正的冰山，電影《泰坦尼克號》裡面的冰山也沒有南極的壯觀。南極屬於全人類，主要用於科學考察，各國在南極不能有資源和領土的要求。但是以前我們國家很少去南極和北極，現在我們國家強大了，就可以到南極北極去進行科學考察。

保護地球的綠水青山

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跟大自然打交道的過程中，會學到很多在課堂上學不到的知識。教育部門提倡“研學”：讓學生們走到大自然中，在大自然中掌握第一手資料，取得寶貴樣品。這些都是做科學創新的基礎。

大自然是美的，我們在大自然中會受到美的薰陶、藝術的感染，也能使身體強壯，心胸開闊，因此跟地球、跟大自然打交道非常有意義。地球是人類的母親、人類的家園，要保護她、愛護她。黨的十八大也明確指出：建設生態文明，是關係人民福祉，關乎民族未來的長遠大計。我們要保護綠水青山，要建設金山銀山，就要跟自然界打交道的過程中和諧地發展。

人類從誕生到現在，跟自然界的關係大致經歷了三個階段。最早是原始階段，人類和其他動物一樣，生存在自然界中，沒有房屋和土地的概念。後來人類逐漸學會使用工具和製造工具，出現了石器時代，再一步一步發展到工業時代。在社會發展過程中，人類不可避免地向自然界掠奪，有時候會對自然界造成一些破壞，但現在人類意識到必須跟自然界和諧發展，在索取自然資源的同時要保護自然界、愛護自然界。

自然界的發展有自己的規律，如果人類活動破壞了自然的規律，就會造成一系列的災害，這些災害最後還是要返回給人類自己。我們保護自然界、保護生態環境，就能夠減少很多災害，這是人類共同體必須做到的。

中華民族對自然的保護有優秀傳統，中國古代儒家主張“天人合一”，倡導以仁愛之心對待自然，講究天道人倫化和人倫天道化。通過國家、社會和家庭的共同努力，達到人與自然界的和諧統一，這是我們中華民族從古代到現在對生態文明的高度認識。我們現代人應該把這件事情做得更好。生態文明是歷史的必然選擇。

我們要做到厲行節約、文明消費、節能減排、保護環境，在這個過程中再學一點地球科學知識，對自然界的認識更加深刻，在保護自然環境方面更加自覺。

最後我想說，地球科學要研究自然、認識自然，它是一門將今論古、談天說地、上知天文、下知地理、博大精深的科學。希望大家不管是做哪門科學，都要學習這方面的知識。

謝謝大家。

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文章和演講僅代表作者觀點，不代表格致論道講壇立場。

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