地球是太阳系目前已知唯一具有水圈、大气圈和生命活动的行星。自38亿年前起地球上就开始出现生命, 这得益于地球拥有液态海洋、陆地、磁场、稳定的大气组成和适宜的地表温度等有利于生命繁衍生息的条件。然而地球的宜居性并非与生俱来, 大碰撞导致岩浆洋覆盖全地球, 还原环境使得当时的大气圈以甲烷、氨气为主。那么, 地球是如何从早期相对均一的炽热行星演变成具有良好层圈结构、生机勃勃的宜居星球是地球科学一个重大问题, 也是人类探索未知的终极梦想。地球是如何演变出生命宜居的环境？如何拥有强大的自我调节/修复功能并维持宜居环境的相对稳定？如何形成人类赖以生存的资源和能源？这些问题均涉及多个层圈间的相互作用, 需要将地球系统科学的思想灌注于相关的研究中。
目前, 大多数有关地球宜居性的起源和演化的研究集中在岩石圈-大气圈-水圈-生物圈(包括人类)的相互作用上。虽然取得了许多激动人心的研究成功, 拓宽了人类的认知边界, 但客观地说, 至今未形成与板块构造理论相媲美的新的地学理论。
传统观点认为地球宜居性是地球表生作用的结果, 而本文认为, 地球内部层圈(地核、地幔及岩石圈)在整个地球系统的运作中起着支配作用, 驱动着对宜居环境至关重要的外部层圈(水圈、大气圈和生物圈)的运行, 并提出地球内外层圈间的联动机制是地球系统科学研究的突破口。
围绕地球宜居性的深部驱动机制这一主题, 本文评述了早期地球、地磁场变化、深地挥发份循环、超级火山、深地新化学反应和地质空调器等在地球宜居性形成与演化中所起的作用及相关研究中的存在问题, 呼吁通过多学科交叉和研究范式的变革来解决相关问题, 推动地球系统科学的发展。
图文速览
图1 宜居和非宜居星球的对比暗示活跃的行星内部是宜居性形成的关键
图2 地球历史上的气候变化与构造运动. (a)新元古代雪球地球；(b) 地球历史上的冰期与大氧化事件；(c) 超大陆运动与板块构造演化
图3 地球深部过程对深部与浅表系统间物质和能量交换过程的控制示意图
图4 全球大火山岩省分布、超级火山喷发与生物大灭绝关系图
图5 地幔柱、俯冲带、地幔柱-俯冲复合背景下地幔发生高程度部分熔融示意图
图6 地球内部新引擎和地球“有氧运动”的概念模式图
徐义刚*, 黄小龙, 王强, 王煜, 李高军, 刘耘, 毛河光, 倪怀玮, 朱茂炎. 地球宜居性的深部驱动机制. 科学通报, 2024, 69(2): 169–183,
https://doi.org/10.1360/TB-2023-0816
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