新灾变论及其灾害管理

来源:用户上传      作者: 余良耘 冯秋丽

　　摘 要：本文主要介绍新灾变论产生的历史背景、主要观点以及对地学产生的巨大影响。全文分为三个部分，第一部分简介了灾变论――均变论――新灾变论的产生、发展的过程；第二部分着重讨论了几种比较流行的新灾变假说；第三部分重点介绍了在新灾变论思潮的猛烈冲击下，事件地层学、灾变成矿论、天文地质学等新学科、新理论的兴起与发展状况。
　　关键词：新灾变论 影响 灾害管理
　　
　　近几十年来，地球科学不断向前发展，其前沿领域出现了很多新学说和新观点。其中，新灾变论（Neocatastrophism）就是一个突出的代表。[1]新灾变论最初为德国著名古生物学家辛德瓦夫于1954年所提出。上个世纪80年代以来，新灾变论获得了更深入的拓展，其研究领域涉及天文学、气象学、古地磁学、古生物学、地层学、沉积学、海洋学、板块学说和矿床学等多个方面，其研究成果和发展趋向，对丰富地球科学的主要领域如资源、环境及抗灾等，都有不可或缺的意义。
　　一、新灾变论产生的历史背景
　　十八世纪到十九世纪初，地质学处于早期的发展状态，当时占统治地位的是灾变论。1745年，法国博物学家布丰，在研究地球起源时候率先提出了灾变论。他根据彗星的运行轨道偏心率极大有时距离太阳很近的特点，设想在原始的太阳形成以后曾有一颗彗星与其相撞，地球就是这一碰撞的产物。本来布丰关于地球起源的假说带有反宗教的性质，因为他把地球产生的原因归因于自然本身而排除上帝的作用；但是却被居维叶等人加以曲解，变成了一种保守的、企图与宗教神学相调和的理论。[2]
　　1812年,法国生物学家居维叶出版了一部古生物学的奠基性的著作《化石骨骼研究》，主张根据化石的遗骼把已经灭绝的古代生物复制出来。在居维叶看来，岩层与岩层之间有着明显的分界，它们似乎没有任何连续性，不同岩层中保留下来的化石又各不相同，因而这些动物物种之间没有任何联系。居维叶认为地球上的生命（进程）曾多次被可怕的事件所打断；地球曾经经历过相继的革命及各种灾变，而这种灾变大多数是突然发生的。[3]
　　虽然居维叶主张地球表面会不断地发生革命性变化，但这种观点与宗教传说中的大洪水相吻合，反而容易导致对地球演变的保守结论；不断前进的地质科学势必要对其进行挑战，而寻找脚踏实地的发展道路。早在居维叶之前，英国地质学家赫顿首先提出了古今类比的现实主义思想，他主张应该以现在仍然起作用的地质力量去解释历史上已经发生过的地质变动，承认古今自然规律的统一性。后来莱伊尔在他的巨著《地质学原理》中对这一思想给以详细阐述并形成了均变论。均变论是针对灾变论发展起来的。莱伊尔认为，地球并没用经受过灾变，地球演化历史中古生物的的变化、地层的褶皱，断裂等都是由于缓慢的效应在漫长的地质历史中积累的结果。[4]十九世纪中叶，生物学家达尔文的《物种起源》问世，提出自然选择原理。他主张在世界上每日每时都在检查着最细微的变异，把坏的排除掉，把好的保留下来加以积累；这种过程非常“细微”“安静”和“缓慢”，以至于人们无法觉察出来。他认为生物演化不能产生大的或是突然的变化，提出“自然界无跃进”的渐变观。他将古生物演化中大部分中间类型的缺失和生物界的突然变化归因于“地质记录的不完全”，极力主张在所有物种和绝灭物种之间的中间的和过渡的连锁数量，一定是难以计数。[5]达尔文的生物渐进演化观，进一步冲击了灾变论，使“均变论”在地质学领域中的统治地位长达100多年。
　　新灾变论就是在上述的历史背景下出现的。在现实主义原理和进化论思想占统治地位达一个半世纪之后，随着地学和其他自然科学的发展，积累了许多观测资料，证明在宇宙中和地球上确实存在过突然发生的剧烈变化，有许多现象从“均变论”观点是难以解释的。因此，各种灾变假说便应运而生。[6]
　　二十世纪中叶是一个新学科新理论集中爆发出现的历史时期。在获取大量的新的科学事实和证据的前提下，德国著名古生物学家辛德瓦夫率先提出了新灾变论，他把地史时期(生物)大绝灭(mass extinction)与宇宙间超新星爆发这种“天外横祸”相联系。1980年阿尔瓦兹等发现了中、新生代界线粘土层中富含铱，于是提出小行星撞击地球导致生物大绝灭的观点，使新灾变论更容易被地学界所接受。
　　主张新灾变论的学者认为：在宇宙和地球演化中出现过一系列灾变事件，如超新星爆发、外星体撞击地球、地球磁极倒转、大规模火山爆发等等，其特点是时间短、能量大、突发性强。其后果可能引起生物大绝灭，还会出现灾变成矿等现象。与莱伊尔和达尔文等人的主张相反，灾变论认为灾变普遍存在于事物发展的全过程中，是自然界的一种基本演化现象。由于居维叶等人已经提出过灾变论，故现代灾变假设被称为新灾变论。从某种意义上来讲，新灾变论的出现，也是地质学理论自身发展的一次较大的“旋回”，它好像是向旧理论的回复，但是它是在更高基础上的回复。它站在现代科学技术综合发展的“地基”之上，以新的科学观察和科学证据为条件，抛弃了旧灾变论的神创论的阴影。其提出的初期，不仅看到了地球内部因素导致的灾变，更多强调宇空外在因素对地球的作用。
　　二、新灾变论发展的主要阶段
　　人们对灾变现象产生浓厚的兴趣，与地球科学与技术的综合发展有密切的联系。一方面，在传统领域，地层学、古生物学的研究不断深入；另一方面，在高新技术领域，天文观测、宇宙探测获得许多新的证据。人们的研究视野被打开，对灾变假说的信心不断增强。从二十世纪中叶到现在，新灾变论发展大概可分为两个阶段，第一阶段，1954－1979年，为提出假说阶段。第二阶段，1980至今，是对灾变假说的实证与完善阶段。在第一阶段，为解释灾变的原因，地学家提出了种种假说，可分为地内成因说和地外成因说两类。[7]
　　地内成因说包括下面几个因素：
　　一是磁场翻转。当磁场倒转时，磁场对地球的屏蔽作用大减，使太阳辐射和宇宙线直射地球。在这段时间，如果因宇宙因素产生巨大辐射冲击（如太阳耀斑，超新星爆发），可能给地球生物带来灾难，导致大绝灭。由于生物体的磁效应，磁极反转期的低磁场对具有磁性排列能力的生物可造成直接影响；地磁场变化也可能引起自然环境变化，如气候变化而危及一些生物。哥腾堡地磁偏移事件与更新世末的哺乳动物大绝灭期很接近，当时全球气候也发生了反常现象。[8]
　　二是温度变化。温度的剧烈变化对只适应于某范围温度的生物的影响或许是灾难性的。全球变冷可使赤道温度下降，使整个温度带消失，从而使适应该带的动物群绝灭。气候变冷事件，往往与生物一些绝灭现象相吻合。全球变暖也会造成同样地后果。温度上升，二氧化碳增多会对生物繁殖造成负面影响；海水升温，还造成水循环停滞而导致缺氧等事件发生，从而造成某些生物绝灭。
　　三是海平面剧烈升降。如板块运动或冰川事件会引起海平面大幅度升降，而海平面的剧烈运动又会引发一系列的灾难性的事件的发生，如缺氧事件、气候变化、生存空间缩小等等，从而导致生物大规模的绝灭。
　　四是火山爆发。大规模的火山爆发喷发的二氧化碳气体会严重地扰乱地球的大气圈、水圈和生物圈的物质循环，恶化生态环境，造成大量生物死亡。二氧化碳还会使大气圈产生温室效应，引起温度的灾害性的上升。酸性火山爆发可放出大量灰尘与有毒物质，还可造成与小行星撞击地球同类型的蔽光、酸雨、致冷和中毒效应，从而导致生物大绝灭。
　　地外成因说则包括下面几个因素：

　　一是太阳耀斑爆发。太阳耀斑特大爆发时释放出巨大的能量，还能发射出各种频率的电磁波和太阳宇宙线。有些科学家相信，现代太阳耀斑活动与气候灾害（风暴，洪涝，旱灾，低温等）密切相关；并对人类的神经系统有影响，与霍乱，伤寒，黑热病等有关。在地质时代中，太阳超级耀斑可能使地球上古气候，古生物等发生过灾变。
　　二是超新星爆发。超新星爆发是银河系恒星世界已知最剧烈的爆发过程之一。它以高速抛射碎片，形成扩散壳，同时还发射宇宙线和电磁辐射。超新星爆发造成大绝灭假说在二十世纪70年代讨论得最热烈。超新星爆发对地球引起的变化可能有二：一是宇宙线增强，直接危害生物体；二是宇宙线增强影响大气臭氧层导致气候变化。
　　三是小行星撞击说。小行星是太阳系的一个重要组成部分。大多数小行星的轨道是在火星与木星之间，形成小行星带。但是，也有一些小行星距太阳更近一些，它们的轨道可穿越地球轨道。10公里直径的小行星可在地球上形成直径达200公里的陨击坑。10公里的小行星与地球碰撞的几率约3千万年一次，也有人认为约1亿年一次。小行星撞击地球时产生很大撞击能，在地表形成一个盆状洼地，并把大量物质向四周抛溅，细微的尘埃可高达同温层，一部分冲击能转变成热能，使被撞击物质熔化或部分地汽化，这些都会给降落地区和整个地球带来巨大的灾难。
　　1980年，美国学者阿尔瓦兹等应用中子活化法在意大利、丹麦等地的晚白垩－早第三纪界限处粘土层发现铱异常，以此作为小行星撞击地球造成恐龙绝灭的有力证据。对灾变论的研究也进入实证阶段。迄今为止，地学家们做了大量艰苦细致的工作，利用现代技术的方法与手段，获得了许多翔实的资料与记录，除铱及痕量元素异常外，还有微球粒、撞击石英、撞击坑、高温石英及火山尘碎屑物的收集研究等。国际地质对比规划（IGCP）列出了多项专攻对地质灾变事件的研究，如地史中的稀罕事件、全球生物事件、白垩纪中事件、东特提斯二叠纪、三叠纪事件，并举行了一系列国际学术讨论会，涉及天文学、气象学、古地磁学、古生物学、地层学、沉积学、海洋学、板块学说和矿床学多方面内容，使新灾变论内容不断得到深化。
　　科学家相信，在地史上发生过多次生物绝灭事件，包括元古宙晚期软躯体生物的绝灭、奥陶纪末期的绝灭、晚泥盆世的绝灭、二叠纪末的绝灭、晚三叠世的绝灭和白垩纪末的绝灭等。其中，二叠系―三叠系之间的绝灭规模最大，有人认为海洋生物的一半左右，陆地生物的六成左右绝灭；还有人甚至认为可能有百分之九十的物种绝灭。对于这次绝灭事件持续的时间估计，有人认为需要几百万年，有人认为需要一到二百万年，还有人甚至认为只需要十万年或者几万年。[9]因此，对二叠系―三叠系的分界标志、分界剖面上的物理、化学、生物等多学科的综合研究，就成为国际地学界的引人注目的事件。
　　早在1923年，美籍教授葛利普就注意到中国浙江长兴县灰岩中的动物化石群，并将其命名为长兴灰岩。1962年中科院南京古生物研究所盛金章等提出了长兴阶，1977年该所成立二叠系―三叠系界线工作组。1978年，由杨遵仪领导的中国地质大学界线组成立。1985年，中国地质大学教师张克信在浙江煤山剖面上发现微小欣德牙形石化石。著名古生物学家殷鸿福于1986年提出以牙形石取代菊石作为二叠系―三叠系界线标准化石，逐步得到国际学者的赞同。1993年，殷鸿福主持召开了国际二叠系―三叠系界线工作组会议，确定了4条层型候选剖面，煤山剖面列为首选剖面。2001年3月，国际地质科学联合会在界线工作组、三叠系分会，国际地层委员会三轮投票后，正式确认长兴煤山Ｄ剖面27C之底为这一重要地质年代界线的“金钉子”。二叠系―三叠系界线，同时也是古生界与中生界的界限，它的异乎寻常的意义在于记录了地球历史的一次重大转折，在此期间发生了显生宙以来最深远的变化和最剧烈的绝灭事件。[10]
　　三、新灾变论对地学的影响及展望
　　“一石激起千层浪”。新灾变论的理论与实践冲击了地学中统治达一世纪之久的渐变论，开辟了地学研究的新思路。它使那种惯常以为地球上占统治地位的总是静静的缓慢的和令人无法觉察的运动换位于突发的轰轰烈烈的“革命”性变化。它对地球科学发展的影响是多方面的。
　　第一，丰富了对生物进化过程的理解。达尔文的进化论强调了生物进化过程中的缓慢演化的意义，并提出一点一滴的量的积累会造成巨大的物种的差异。达尔文还揭示了这种量变过程的内在机制就是自然选择，适者生存。但是达尔文的理论不能解释这样的现象，即生物在内部因素和外部原因的作用之下所产生的突变。例如寒武纪生命的大爆发，当时几乎所有的无脊椎动物门，绝大部分纲都出现了。达尔文的理论更不能合理解释进化过程中的灾变现象，他认为动物的绝灭要么是数量过多，要么是不适应环境而被逐渐淘汰。但是在灾变过程中可能会出现的情况是，外部环境的灾难变化会使先前适应环境的生物集体绝灭，因而偶发性的因素也必须纳入生物进化过程的考虑。同时也要看到，从一个角度看来是偶然的，从另外一个角度看来则是必然的。生物进化过程中旧的物种不断灭亡，新的物种的不断更新是自然发展的必然规律。灾变现象只是这种必然性为自己开辟道路的一种形式。灾变的意义在于它可以促进生态系统的更替，旧的生态系统的结构被打破，新的生态系统的结构被重新建立起来。[11]因此生物进化过程中，量变、质变、突变、灾变等都发挥了作用。生物进化不是一个简单的渐进过程，而是一个复杂的、多重反复的过程。首先，量变或渐变是我们通常看到的现象，它的特点在于时间漫长而空间狭窄。但量变积累到一定的程度就会引起质变。注意有两种不同的质变，一种是由单纯的量变所引起的质变，如水滴石穿便是；另一种是由突然性的原因所造成的事变，简称突变，它并不是由单纯的量变所形成。突变也有两种形式，一是向上的进步的突变，例如创新进化事件，从猿到人；另一种是破坏性的突变即灾变。灾变是进化过程正常秩序的打断，是暂时的曲折和倒退，但却孕育着新的进化的萌芽。进化的道路包括：量变（渐变）→质变…突变…灾变→新的量变（渐变）等一系列过程。进化的总方向是前进的，但发展具有阶段性，曲折和倒退也是前进道路上的组成部分。
　　第二，促进了地层学研究的不断深入与发展。由于灾变事件往往具有全球性与典型性的特征，这就为是地层层序的建立及其相互间时间关系的确定，提供了一个天然的试验场。在典型的地质剖面，例如中国长兴煤山剖面，中外地质学家进行了磁性地层学、化学地层学、分子地层学、生物地层学等多方面的研究，取得了大量的成果。在事件地层学的研究方面，通过大量的证据、综合的方法，追溯绝灭事件产生的背景和原因，还原地史上曾经有过的真实画面，是一件憾人心弦的体验。但这里更需要排除先入之见，坚持实事求是的科学态度。灾变产生的过程可能是瞬间的、由陨石撞击等地外原因造成的，也可能是较长期的、多相的、由火山爆发等地内原因造成的。[12]当然，还有可能是地内与地外诸多因素都发挥了作用，导致海退、缺氧、高温、海进、低温等难以预测的灾难现象的出现。事件地层学用突变的、甚至是灾变性的特殊事件去划分、对比地层，丰富了地层的划分类型，也使地层的对比研究更有说服力。地质界线有两类。一类是“平静界线”，即界线处没发生突变或灾变性事件；另一类是在界线处发生过剧烈的突变事件，称“突变界线”。据现有资料表明，几乎所有重要的年代地层界线上或得或少发生过某种等级的灾变性事件。在许多界线上往往是多种事件并存，如界线可能会有撞击，火山爆发、全球森林大火，古气候突变、海平面上升和生物大灭绝等多种灾变事件的复合出现。由于各种事件的相互联系和相互影响，要区分原发事件和终极事件。原发事件可导致新事件的产生。地学家认为，进行事件学研究必须抓住生物事件和岩石事件这两条线索，探讨导致这些事件产生的原发事件，如板块运动、天体碰撞等。事件地层学用突发性灾变事件划分对比地层，大大提高了地层对比研究的精度，使重大地质事件清晰明白，易于辨认，有强大的生命力，也是地球科学发展的新领域。

　　第三，灾变观还被运用来探讨某些矿产的成因，指导找矿。灾变成矿论认为，灾变过程为有机矿产准备了一定的物质基础。如成油、成煤规律与生物界的大发展和大绝灭直接相关。[13]灾变是矿质来源的一个选择。如果一个富含某些元素的大陨石撞击地面，有可能直接形成具有工业价值的矿床。加拿大肖得贝里铜镍矿床最突出的特征是外形呈椭圆形“浴缸”状，属高温贫铜类型，关于它的产生，有人提出，巨大陨石的坠落可能导致肖得贝里构造及矿床的形成。灾变为成矿创造了构造条件，有人提出“轰击→构造→成矿”的模式，认为地外星体撞击地球时可以撞穿岩石圈层，破坏古大陆和古大洋使之解体，使岩浆沿破裂上升，地幔塑性物质开始流动，由此可以促进板块构造的发生和运动，并由此控制着不同构造―成矿带的分布和差异。另外，中国地质学家研究了燕山期成矿大爆发，认为中国有33个超大型内生矿床，其中有17个形成于中国东部燕山期。这种集中成矿的现象源于岩石圈-软流圈系统的大灾变，即大量新的、热地幔物质和热的下地壳物质去取代、加热和注入冷的岩石圈和地壳，富集有用的元素会被岩浆-流体子系统析出，并在某些地段堆积成矿。这是典型的岩浆-构造-成矿事件。它说明了深部环境的骤变对成矿的意义。[14]
　　第四，灾变观还启迪了天文地质学的形成。天文地质学是应用天文学的研究方法、观测资料和研究成果，来探讨和解释地球上的各种地质现象的成因和演化规律的学科。地球系统的存在，不能脱离与太阳系甚至银河系的相互联系与相互作用。各种天文因素对地球地质发展都有影响，诸如银河系运动、超新星爆发、太阳活动、太阳系天体（行星、小行星、彗星、陨石）、月球、地球旋转等。宇宙的各种物理场（引力、电磁波、宇宙线等）对岩石圈、大气圈、水圈和生物圈也存在影响。万有引力把天地之间的引力和地球上物体之间的引力联系起来。在漫长的地质时期，引力常数可能是不“常”的。地球经常受到太阳风的影响，银河系的恒星风对地球亦可能产生作用，这些都对地球带来深远影响。1982年，在国际上召开过大规模国际学术会议，其论文集刊于《大的小行星和彗星对地球撞击的地质解释》。在我国，徐道一是较早把天文地质学引进中国的研究者之一，他牵头编著的《天文地质学概论》对中国天文地质界有深远的影响。[15]近年来，随着宇航技术和方法的应用，科学家从宇宙空间对地球表面进行观测和分析，并把天文学与地质学两方面的成果进行对比，确定其相似程度，建立其联系的关系式，对两者关系的成因机制进行探讨。今天人类已进入宇航时代，应用天文和宇航研究的成果和资料，能够更完整和系统地解释地质现象的形成机制。可以预见，天文地质学将有力地促进地质学的成长和发展。
　　最后，新灾变论的理论与实证研究，也有助于地质科学向资源、环境和抗灾的一体化的方法发展。人们已十分明确的认识到，当今人类所面临的自然问题是复杂的，跨域多个学科的。在地球系统中，大气、海洋、陆地和生命都有密切联系。岩石与土壤中蕴藏着各种各样的问题，需要我们去解答，例如能源与矿产资源成因、生命演化、气候变化、自然灾害、生态系统结构和功能、营养物质与有毒物质的运动等等。地质科学能帮助人们了解物理和生物世界的过程，从而模拟和预测系统内的变化，以面对未来可能发生的挑战。[16]科学家们愈来愈关注地表过程和气候过程，关注其对生态系统健康和变化的影响。生态系统正受到自然和人为压力的改变，气候变化、海平面上升、荒漠化、以及物种绝灭的现象日益凸显。必须加强对于发生在地球表面或附近的生命、化学和物理过程的复杂相互作用的研究。科学家还指出，地震、山崩、火山、火灾、强风暴、海岸洪灾等对经济安全、公共安全和环境安全构成重大挑战，灾害易发区如果人口与基础设施过度扩张会使抗灾能力减弱，一场自然灾害可能引发巨大的物资损失与人员伤亡的惨剧。因此必须开展有针对性的灾害研究，改善并扩大灾害的监测、预警和预测能力，将多种灾害、脆弱性、风险和恢复力纳入灾害评估，发展有效的、跨学科的、迅速应对灾害的实际能力。为达到社会的可持续性发展，构建社会与地球系统的和谐运行机制，人们还必须做出持之以恒的努力。
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　　[16]杨景宁、赵纪东编译．面向变化世界的地质学(2010-2020)----执行美国地质调查局的科学战略[J]．北京：科学研究动态监测快报地球科学专辑，2011(8).
　　（作者单位：中国地质大学（武汉） 马克思主义学院）

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