这种随处可见的黑石头，熔化拉成丝后，竟可能代替我们熟悉的材料 | 刘嘉麒——科学讲坛

地球是个有生命的星体：

核素是它的细胞，

岩浆是它的血液，

地震是它的脉搏，

火山是它的喉咙。

刘嘉麒·中国科学院院士

科学大咖讲科学 | 北京 2021年

各位朋友你们好，我是刘嘉麒。

在广袤的宇宙中，星球数以万计，但是只有地球上有人类。地球是个有生命的星体，核素是它的细胞，岩浆是它的血液，地震是它的脉搏，火山是它的喉咙。在太阳系的八大行星当中，地球是最有生气、最有作为的天之骄子。

组成地球这个星球的岩石，主要是火成岩、沉积岩和变质岩，但沉积岩和变质岩的母岩最终还是火成岩。在火成岩当中，最主要就是火山岩。所以火山作用是地球形成的一个非常重要的地质作用，是地球的灵魂。

地球（的结构）是分层的，中间是一个地核，然后再往外面是地幔，地幔外边是地壳。然后在地球的表层还有好多的层圈，比如大家最熟悉的水圈，地球表面有71%都是被水掩盖着的。之外还有生物圈、大气圈等。

▲ 英国剑桥大学卡文迪什实验室

最早测量地球的人是卡文迪什，他是跟牛顿同代的英国著名科学家。地球的半径有多长、地球的引力有多大、空气是怎么组成的、水的组成是什么……这些基本的数据都是来自于卡文迪什。卡文迪什在实验室工作了五十多年，为地球科学的发展做出了大量的贡献。

亿万年地球的历史

已完成：20%//////////

地球形成已经有46亿年了，这46亿年来，地球经历了很多的变化。

5.14亿年前的时候，当时华北板块和华南板块还是分开的，一个在西边，一个在东边，两者相距很远。

2.5亿年前的二叠纪时期，泛大陆开始解体，古海洋也开始分割，华北和华南在逐渐靠拢。基本上形成了现在大陆和海洋的格局。

1400万年前的时候，在地质上叫中新世，整个地球的海陆格局跟现在基本上一致了，中国的样子也已经完整了。

现代的地球大家都比较熟悉，有七大洲和五大洋。以前大致都说是三大洋：太平洋、印度洋和大西洋。实际上还有在北极的北冰洋，在南极附近的南大洋。大家可能不太熟悉南大洋，现在学界已经普遍认可围绕着南极洲的这片海洋就是南大洋，它大致有3800多万平方公里。

再到未来的1.5亿年后，地球就又有新的变化了，亚洲比如中国基本上就接近赤道。非洲快到北半球了，所以地球是在不断地变化的。

中国是一个很大的国家，中学地理老师常常会教我们说，中国有960万平方公里的土地，这是没问题的。但是我们中国不光有土地，我们还有300多万平方公里的领海。从领海往外划是200海里的专属经济区，所以我们国家不光有960多万平方公里的陆地，还有300多万平方公里的海洋，这是我们应该知道的。

地球的46亿年被划分成了很多地质时代，分别是宙、代、纪、世、期。在画地层的时候，又分别叫宇、界、系、统、阶。地球从冥古宙到古生代、中生代、新生代，我们现在处在新生代第四纪的全新世。

▲ 地球演变示意图

上图展示了地球在不同时间发生的一些变化。地球在46亿年前就已经形成了，大致在38亿年前左右才开始有生物，到了23亿年前的时候，大气中就已经有氧气了。

▲ 生物的演化

从38亿年前开始，地球上就有了最低等的生物。从低等生物逐渐地发展，无脊椎动物进化成脊椎动物，一直到现在的人类，还出现了一些高等的植物，这是一个长时间演化的过程。

在目前所有行星中，只有地球上有人类，我们作为人类的一员应该感到幸运，能够有机会在地球上生存。人类是在地球晚期才开始形成的，到底人类形成的时间有多长呢？

如果把地球的46亿年浓缩成1天的话，大约在早晨4点钟的时候，才有单细胞生物生成。晚上9点4分的时候，大家比较熟悉的三叶虫才登场。晚上快10点钟的时候，植物才开始出现在大地上。晚上11点出现恐龙。从猿人变成直立人、从直立人变成早期智人、早期智人变成现代人……人类的进化时间只占了1分17秒。所以人类在整个地球形成的过程当中只是很短的一瞬间，但也是很宝贵的时间。

地球是人类的家园

已完成：30%//////////

人类的生存离不开地球，比如说人类需要周围有水、空气、土地和生物。人类所面对的气候、环境、生态和灾害，人类所需要的资源和能源，都跟大自然密切相关。没有大自然，也就没有人类。

人类最需要的一种资源就是水，虽然地球上71%的面积是被海洋覆盖的，但是海水是咸水，不能被人类直接利用。海水占了整个地球水的96%以上，陆地淡水只有2.5%。而这些淡水中又有70%多冻在南北极的冰川里，不能直接被人类所索取。能被人类索取的水，一个是地下水，一个是地表水。地表水就是湖泊、河流、大气降水，这些地表水只占地球上淡水资源中的0.6%。所以虽然地球上水很多，但是能被人类直接利用的水是很宝贵的，我们必须要珍惜水资源。现在全球有70多亿人口，其中30多亿人都生活在水不够用的环境中。

我们整个社会的发展还需要大量材料，像金属材料、非金属材料等。材料包含光学的、半导体的、保温的、抗压的、抗腐蚀的、有吸附性的、纳米的、复合的等等，这些材料的原料基本上都是来自自然界。

我们这些年也做了一些工作，比如有一种岩石很普遍，叫玄武岩，是一种到处都可以见到的黑石头。这种石头平时只能用来做成碎石铺路，但是现在可以把它熔化拉成丝，拉丝以后做成很多复合材料，是21世纪一个绿色、高性能、清洁的工业材料。这个材料可能慢慢地代替钢铁，甚至可能代替大家熟悉的碳纤维等材料，是一个前景非常广阔的材料。

▲ 各国工业化的过程与能源需求增长密切相 关

社会发展还需要矿产和能源。人类整个社会的发展过程，从过去的工业化到现在的现代化，都是靠消耗这些资源发展起来的。现在全球工业化一共发展了二百多年，这二百多年里，西方国家先走在前边，但是他们的发展消耗了自然界中的大量资源。我们国家这几年的发展，也消耗了大量的资源。像印度这样的国家要继续发展，也需要大量的资源。

人类面临严重的自然灾害

已完成：40%//////////

人类还面对着一些自然灾害，尤其最近几年，大家可能感觉到自然灾害发生率比较高，造成的损害也比较大。自然灾害的类型比较多，大家比较熟悉的就是地质灾害，比如说地震，火山喷发、泥石流、滑坡、塌陷等等。

▲ 全球自然灾害分布图（据陈颙）

第二类灾害就是气象灾害，这是一种发生频率更高的灾害。气象灾害类型也比较多，干旱、洪涝、高温、酷热、寒冷、冰雹以及沙尘暴、雾霾等等，都属于气象灾害。

除了这两类灾害，还有海洋灾害，比如海平面的上升，海洋里发生的巨浪、风暴潮、海啸、海水倒灌还有在南北极发生的一些冰灾等等，都属于海洋灾害。

在自然界还常常发生生物灾害，像虫灾、蝗灾、赤潮、蓝藻暴发或者病毒等病原体大流行等，实际上都是生物灾害。

除了上面几种灾害，还有一种自然灾害可能还不被人们所了解，那就是空间灾害。地球周围有一个磁场，磁场如果发生异常的话，就会对整个空间、网络造成危害。大家可以设想一下，要是手机和电脑都不能用了，这个社会将是一种怎样的状态？所以空间灾害会对人类造成很大的影响。

除了这些灾害，还有自然界中可能发生的其他灾害，比如火灾、爆炸或者是毒物泄漏。

总之，人类除了在地球环境中生存，还要面临很多灾害，这些灾害现在发生的频率越来越高，种类也越来越多。

▲ 上：1900—2008年间平均每10年的极端天气事件数量

左下：1973—2006年间全世界地震发生的次数

右下：1840—2008年间世界范围内火山爆发的次数

从上面几张图可以看出，近年来，极端气候事件发生的频率在不断地升高，地震特别是七级以上强地震的频率也在增加，火山喷发的频率也在增加。

我国的地质、地理处在一个自然灾害比较多的环境中。比如气候环境，中国处在东亚季风带。东亚季风使天气异常的情况经常发生，导致气象灾害特别多。我国的地质背景也造成地震发生比较多。中国是个自然灾害比较多的国家，要引起我们的重视。

自然灾害会给人类造成很大损失。在正常情况下，一年如果能挣十块钱的话，灾害造成的损失可能达到1/5-1/6。如果遇到一个灾年，恐怕损失就更大了，可能达到1/4甚至更多。比如说2008年汶川大地震、1976年唐山大地震，造成的损失就比较大。我们国家虽然不是地震发生最多的国家，却是因地震造成损害最多的国家。20世纪地球上，死亡人数超过20万的两次大地震都发生在中国。自然灾害引起的损失程度正在不断地上升，这也需要引起高度重视。

地球科学在重大工程中的作用

已完成：50%//////////

社会还在不断地发展，在发展过程中也需要跟地球打交道，也需要利用自然界的资源。我国建造的一些机场、码头、道路、城市等等，都需要运用地球科学的知识，利用地质的资源。

我们国家这些年做了很多前人没有做出来的伟大工程。新疆的塔里木盆地里有个大沙漠，叫塔克拉玛干沙漠。过去我们考察沙漠的时候，如果想要从沙漠北边到南边，开车大概要一周左右，现在沙漠上建成了五六百千米的公路，横穿沙漠只需要几个小时。

我国在青藏高原修了铁路。除了正常的工程以外，修铁路最重要就是打好地基。因为高原上有冻土带、半冻土带，在这些地段打好地基很重要。从格尔木到拉萨1100公里的公路，都在平均海拔4000多米的高原上，这在人类历史上是没有先例的。

现在上海、广州等东南地区需要的天然气，有一部分是从新疆输送过来的。这得益于我国西气东输的管道工程。在输送的过程中，需要铺设一根很长的输气管道，这个管道从哪儿走？怎么布置？需要经过很多的研究工作。

我国还有南水北调工程。南水北调有三条线：东线、中线和西线。东线既疏通了古运河，又把南方的水调到了北方，也就是从扬州把水调到天津一带。现在北京的部分水就是通过南水北调的中线工程，将丹江口的水调到北京一带。南水北调的工程是很大的。

▲ 依次为： 三峡大坝 胶州湾跨海大桥 东海大桥

一些河流和海洋中的大型工程，也需要做很多地质工作，跟地球打交道。像三峡是举世瞩目的大工程，我国还修建了很多跨海大桥，都是非常重要的工程。

地球为我们创造了很多财富，我们用这些财富做了很多的建设工作。中国提倡的“一带一路”对整个世界的发展都起到了很大推动作用，正在实现“人类命运共同体”的伟大目标。我们还需要帮助其他国家做更多的建设工作，这方面都要跟地球打交道，跟资源、环境打交道。

地球科学的魅力

已完成：60%//////////

在研究地球的过程中，需要懂一点地球科学的知识。地球科学就是研究地球、研究自然界的学科。自然科学里有数理化天地生，天文、地质和生物都属于自然科学。地球科学需要上知天文、下知地理，大知宇宙，小知核素。同时还要研究人类跟自然界的相互关系，比如地球是怎么形成的？人类是怎么产生的？人类将来往哪儿走？资源如果耗尽了怎么办？灾害不断地发生，人类又应该怎么应对？这些问题都需要跟地球打交道，都是地球科学需要探索的问题。

现在的我国的航天有了很大的发展，能够登陆月球、火星。到了火星、月球上要做哪些工作？这都跟地球科学密切相关。嫦娥五号从月球上取下来的很多样品，在我们所（地质地球所）里做了很多分析工作，这些工作也发表了很多成果。

地球科学需要和其他学科联动，包括数理化、气象、环境、生态和人文学科，同时又要联合信息、光学、电子、纳米、遥感、大数据、云计算这些现代技术。可以说，地球科学是一门非常广阔，非常综合的科学。

每个人都离不开地球科学，就像现在大家都离不开手机，制作一个手机需要二三十种矿物原料。科学发展需要各门科学的广泛合作，中国是一个地大物博，自然现象比较齐全的国家，在研究地球科学方面的自然条件非常优越。有了这样一个很好的条件，地球科学在中国发展得很快。

联合国教科文组织有一个很大的科学计划：地球科学系统计划，也就是ESSP计划。联合国的科学计划一般几年就完成了，但是这个计划从1987年到现在还在进行，而且在不断地扩大。这个计划包括几个方面：生物多样性、气候环境，人类活动对环境的影响以及全球气候变化对人类的影响。这些工作最后的聚焦点是研究整个地球变化对人类的生存有多大影响，包括人类的生存所需要的水、食物、碳的变化。地球科学最后的一个目标就是为人类谋福祉。

壮观的地球美景

已完成：70%//////////

地球科学必须要和大自然打交道。这个过程需要研究人员爬山涉水、四海为家，在无人区或者其他条件艰苦的地方，需要研究人员付出很大的努力，也会遇到很多风险。这就提醒我们，在从事这种工作的时候，尤其是到一些非常艰苦、危险地方，一定要做好充分的准备。

左右滑动查看更多图片

▲ 依次为 ：中朝边境 青藏高原 望天鹅 塔里木盆地 五大连池 罗布泊 涠洲岛 中缅边境

我工作的时间比较长了，去的地方也比较多，我们国家这么大，东西南北中都要跑一下。我们去了长白山的原始森林——望天鹅。照片里还有很多边防战士，因为望天鹅是一个原始森林，当地政府说里面很危险，有很多野生动物，但是我们必须去工作，当地政府就给我们派了四位边防战士带着枪保护我们，顺利地完成了考察任务。

在考察中，你会体验到大自然的壮美。左图是长白山天文峰，右图是世界上第二大沙漠，新疆的塔克拉玛干沙漠。

我们也看到了很多很好的地貌景观，左图是甘肃张掖的红层，右图是云南的香格里拉，都很壮观。

在海边上还有很多湿地，我们国家美的地方太多了。

左图是台湾海峡火山的柱状节理，右图是高雄泥火山。我们国家目前只发现两处地方有泥火山，一个是在新疆，一个是在台湾。左图里面看着像是女人像，其实是一个被海风风化剥蚀的石头，是真正的自然产物，很美观。

在自然界里还有很多美景，比如在英国的北爱尔兰海边，有一片巨人堤。

▲ 南极冰山 南极企鹅

到南极去的话，能在海上见到真正的冰山，电影《泰坦尼克号》里面的冰山也没有南极的壮观。南极属于全人类，主要用于科学考察，各国在南极不能有资源和领土的要求。但是以前我们国家很少去南极和北极，现在我们国家强大了，就可以到南极北极去进行科学考察。

保护地球的绿水青山

已完成：80%//////////

跟大自然打交道的过程中，会学到很多在课堂上学不到的知识。教育部门提倡“研学”：让学生们走到大自然中，在大自然中掌握第一手资料，取得宝贵样品。这些都是做科学创新的基础。

大自然是美的，我们在大自然中会受到美的熏陶、艺术的感染，也能使身体强壮，心胸开阔，因此跟地球、跟大自然打交道非常有意义。地球是人类的母亲、人类的家园，要保护她、爱护她。党的十八大也明确指出：建设生态文明，是关系人民福祉，关乎民族未来的长远大计。我们要保护绿水青山，要建设金山银山，就要跟自然界打交道的过程中和谐地发展。

人类从诞生到现在，跟自然界的关系大致经历了三个阶段。最早是原始阶段，人类和其他动物一样，生存在自然界中，没有房屋和土地的概念。后来人类逐渐学会使用工具和制造工具，出现了石器时代，再一步一步发展到工业时代。在社会发展过程中，人类不可避免地向自然界掠夺，有时候会对自然界造成一些破坏，但现在人类意识到必须跟自然界和谐发展，在索取自然资源的同时要保护自然界、爱护自然界。

自然界的发展有自己的规律，如果人类活动破坏了自然的规律，就会造成一系列的灾害，这些灾害最后还是要返回给人类自己。我们保护自然界、保护生态环境，就能够减少很多灾害，这是人类共同体必须做到的。

中华民族对自然的保护有优秀传统，中国古代儒家主张“天人合一”，倡导以仁爱之心对待自然，讲究天道人伦化和人伦天道化。通过国家、社会和家庭的共同努力，达到人与自然界的和谐统一，这是我们中华民族从古代到现在对生态文明的高度认识。我们现代人应该把这件事情做得更好。生态文明是历史的必然选择。

我们要做到厉行节约、文明消费、节能减排、保护环境，在这个过程中再学一点地球科学知识，对自然界的认识更加深刻，在保护自然环境方面更加自觉。

最后我想说，地球科学要研究自然、认识自然，它是一门将今论古、谈天说地、上知天文、下知地理、博大精深的科学。希望大家不管是做哪门科学，都要学习这方面的知识。

谢谢大家。

- END -

文章和演讲仅代表作者观点，不代表格致论道讲坛立场。

版权说明：