风马牛能相及么？

■李玉峰、习宇飞（中国地质科学院）/审校

有个典故是这样的：公元前某年，齐桓公派兵攻打楚国，楚王派出使臣屈完找齐国大夫管仲质问“君处北海，寡人处南海，唯是风马牛不相及也。”意思是齐国人在北方，楚国人在南方，相隔遥远，如果齐国走丢了一匹马，楚国走丢了一头牛，这马和牛也不可能见面，你们为什么要来攻打我们？管仲被这么一问无法解释，两国遂结盟和好。此后，“风马牛不相及”成为一句成语，用以比喻彼此之间毫不相干的事物。

这里要说的却是件“风马牛相及”的趣事，不久前，媒体报道“华南大陆边缘地球科学—中微子科学交叉国际研讨会”在中科院高能所成功召开，这不禁令人诧异，“大陆边缘科学”与“中微子科学”原本风马牛不相及的两个领域是怎么联系到一起的？

I. 地球科学

人类赖以生存的地球是宇宙中一个独特的星球，地球与宇宙一样具有丰富的演化历史。令人困惑的是：地球上超大陆的形成、裂解，板块的移动、碰撞，火山喷发，岩溶溢流，冰河的生长、消融…，究竟是什么在推动着地球的演化？

地球起源与演化的研究是地球科学领域的重大课题，是地质学家们的研究前沿。人类对于地球起源与演化的认识经历了从假说到不断证实的过程。随着现代科学技术的发展，所掌握的证据不断增多，人类对地球的起源与演化有了越来越深入的认识。

由地球的演化史可知，大陆地壳是通过大陆边缘的沉积作用、岩浆活动、变质作用和构造挤压等逐渐增长的。正因大陆边缘是沉积、岩浆活动、板块运动、变质和成矿等各类地质作用最为活跃和丰富的场所，对大陆边缘的研究可为大陆和大洋盆地的形成与演化提供大量有价值的信息，在海洋地质学与地球动力学中均占有极为重要的地位。加之，大陆边缘（尤其是被动大陆边缘）是地球上最重要的沉积物聚集区（沉积量占海洋沉积物总量一半以上），富含油气等矿产资源，巨大的经济价值也大大促进了大陆边缘研究的步伐。

这里，需要先了解几个专业词汇：

■地壳

地壳是指由岩石组成的地球固体地表构造的最外圈层，全球地壳的平均厚度约17千米。地壳分为陆壳与洋壳。

陆壳即大陆型地壳，主要分布在大陆及浅海大陆架区。陆壳是双层结构，上面是硅铝层，下面是硅镁层。陆壳的平均厚度为33千米，越往高山地区厚度越大（高山、高原地区的地壳厚度可达70千米）。

洋壳即大洋型地壳，分布于大洋之下。洋壳是单层结构，主要由硅镁物质构成，洋壳的平均厚度只有几千米，因密度较大相对于陆壳更易下沉。

板块即地球表面覆盖着的不变形且坚固的地壳区域，在陆地和海底均存在。

地壳示意图（图片来自网络）

■地幔、地核

地幔位于地壳之下，是地球的中间层，主要由致密的造岩物质构成，这是地球内部体积最大、质量最大的一层。地幔分上地幔和下地幔，上地幔上部存在一个地震波传播速度减慢的层，一般称为软流圈，很可能是岩浆的发源地。软流层以上的地幔是岩石圈的组成部分。

地核指地球最内部的核心部分，主要由铁、镍元素组成，地核物质的平均密度非常高（约10.7克每立方厘米），温度约7000℃。地核的质量约占整个地球质量的31.5%，体积占整个地球体积的16.2%。

地幔与地核示意图（图片来自网络）

■大陆边缘

大陆边缘是指大陆和大洋底的过渡地带，其主体是大陆架（也称大陆浅滩），其次为大陆坡和大陆基（也称大陆隆）。

大陆架是指环绕大陆的浅海地带（即陆壳到洋壳的过渡地带），从海岸线向海洋方向延伸至海底坡度显著增大的陆架坡折处为止。大陆架地形一般较平坦，但也有小的丘陵、盆地和沟谷，除局部有基岩露出外大部被沉积物覆盖。大陆架区域资源丰富，石油藏量占全球的25％，渔获量占世界海洋渔产量的90％，还有海滨砂矿藏（包含金、铂、锡、钍、钛、锆、金刚石等）以及海底的煤、铁等矿藏。

大陆坡是指从大陆架外缘急剧下降到深海底的斜坡（坡度比陆架大20倍左右），坡面常被海底峡谷切割，地形崎岖，表面沉积多泥，有少量砂砾和生物碎屑。

大陆基是指陆坡与深海平原之间的过渡区，由巨厚的浊流、等深流和滑塌沉积物组成，靠近陆坡的地方较陡，向深海方向逐渐减缓。

大陆边缘示意图（图片来自网络）

大陆边缘分为被动型、活动型（也称主动型）。

被动大陆边缘由宽阔的陆架、较缓的陆坡以及缓坦的陆基构成，因有巨厚的浅海相沉积、岩浆活动微弱、地层基本上未遭变形而能长期处于相对稳定状态，无强烈地震、火山和造山运动。年轻的稳定大陆边缘陆架较窄，发育成熟的稳定大陆边缘具有广阔的陆架区。

活动大陆边缘的陆架狭窄，陆坡较陡，陆基被深邃的海沟取代。海沟有陡峭的两坡，沟中堆积着浊积物﹑硅质沉积﹑火山碎屑和滑塌堆积。活动大陆边缘集中了地球最主要的地震活动。

俯冲带是指大洋板块移动并与大陆板块相遇时，因大洋板块岩石密度大、地位低，俯冲到大陆板块之下。活动大陆边缘与被动大陆边缘的区别就在于前者有俯冲带，而后者无俯冲带，但被动大陆边缘后期发展有可能会形成活动大陆边缘。

II.“铀”与“钍”

地球的年龄是如何推算的呢？

科学界认为，太阳系是从气体尘埃云中诞生的，其中一部分尘埃在引力作用下不断聚集成为地球。地球的地壳由岩石组成，因放射性元素衰变速度稳定，不受外界条件影响，利用岩石中放射性元素衰变的特点可计算岩石的年龄，地球上能采集到的最古老岩石的年龄约为39亿年。

地球随着原始热量的流失而逐渐冷却，而地球内部铀、钍等放射性同位素的衰变持续产生出新的热量是驱动地球演化的重要因素，这点十分重要，地球上的火山、地震、山脉的形成与变迁，都是地球热量释放的体现。

地球内部放射性元素衰变所产生的热量是驱动地球演化的重要因素（图片来自网络）

铀（Uranium）是银白色的金属元素（原子序数92，元素符号U），是目前自然界中能够找到的最重元素，具有放射性。1789年，德国化学家克拉普罗特（Martin Heinrich Klaproth）从沥青铀矿中分离出这种元素，并用天王星uranium（1781年发现）为它命名。铀在自然界中存在三种天然同位素（具有相同原子序数的同一元素的不同核素）：铀-238（存量最多）、铀-235、铀-234，均带有放射性，有非常长的半衰期（数亿年~数十亿年）。1938年发现核裂变现象后，铀被作为主要的核燃料。

钍（Throine）是带钢灰色光泽的金属元素（原子序数90，元素符号Th），具有放射性。实际上，钍是先有了名字后来才被真正发现。1815年，瑞典化学家贝齐里乌斯（Jöns Jakob Berzelius）在分析瑞典某地一种矿石时发现了一种新的金属氧化物，他用古代北欧神话中的战神Thor命名这一新金属为Throine。只不过，10年后，贝齐里乌斯发表文章说那个被称为Thorine的新金属并不是新的，他自己撤销了对钍的发现。到了1828年，贝齐里乌斯在分析挪威某地一种矿石时发现了一种当时未知的元素，他决定仍用Thorine命名，这才是真正的钍元素。钍在地球中分布广泛，蕴藏量更大（大约是铀的3倍），经过中子轰击的钍会吸收慢中子而变成铀-233（属于人造的铀同位素之一），钍是一种前景可观的潜在核燃料。

实际上，测出的地壳年龄并不等同于地球年龄。因为在形成地壳之前，地球表面处于炽热熔融的状态。加上这段时期，科学家们推算出的地球年龄至少应有46亿岁。人类有文字记载的历史仅仅只有几千年而已，地球演化的过程还有太多的问题需要深入探讨。

科学家们发现，对地球内部铀、钍等放射性元素的研究可以帮助人类更深入地认识地球热量的产生和流失情况，为地质研究提供有价值的数据。铀、钍元素衰变时产生的地球中微子可以提供地球深处的信息，这是用其它研究手段都无法得到的。

III. 地球中微子

中微子是一种不带电、质量极小、穿透力极强的基本粒子（扩展阅读：趣说中微子），可由多种途径产生，包括地球热量的重要来源——放射性元素铀和钍元素衰变过程中产生的地球中微子。正因为中微子的穿透力极强，对位于地下深处的放射性物质，也能依据探测器探测到的来自地球内部的地球中微子的数量推算出放射性物质的数量及分布情况。

日本的KamLAND实验装置2005年第一次探测到来自地球内部的中微子，但因KamLAND附近的核电站也会释放出大量中微子，所获数据中包含较多本底。

日本KamLAND探测器（图片来自网络）

2010年3月，意大利格兰萨索地下1000多米深处的Borexino探测器首次观测到地球中微子，即地球内部铀、钍元素衰变产生的电子反中微子（那里是全球最“深”的实验室之一）。2015年，意大利科学家宣布，Borexino探测器给出了地球内部铀、钍元素衰变产生中微子的确切证据。

意大利Borexino探测器（图片来自网络）

来自地球中微子的数据为直接测量地壳深处的化学组成奠定了基础，结合地球上其他地方实验室获得的数据，有助于科学家们最终了解地球内部的化学成分、放射性物质的种类、相对质量、产生热量的放射性衰变过程，从而能较精确地计算出每一种放射性同位素在衰变过程中产生的热能，评估其对多种地质活动，如火山以及地震等所产生的影响。

遗憾的是，截至目前，因已有探测器的规模、性能所限，全世界已经探测到的地球中微子数量总共只有100余个。通过对所获数据的分析显示，地球内部的热量中大约有高达50%源自放射性同位素的衰变。只是这一数字仍存在一定的不确定性，还无法验证地球理论研究模型的准确性。

IV. 为什么是“华南”

大陆边缘的研究与中微子研究搭上了关系，可为什么是“华南”呢？

■华南板块

中国有七大地理分区（华北、东北、华东、华中、华南、西南、西北），华南地区位于中国最南部，包括广东省、广西壮族自治区、海南省、香港特别行政区、澳门特别行政区。华南地区的北面与华中、华东地区相接，南面包括辽阔的南海和南海诸岛，与菲律宾、马来西亚、印度尼西亚、文莱等国相望。

我国南海地区位置示意图（图片来自网络）

地质学中定义的“华南板块”要比地理分区中的华南地区范围大些。英文术语中的华南板块（South China Continent）指的是从秦岭淮河到冲绳海槽的这个巨大的稳定地区（也称华南陆块、华南地块或广义的扬子板块）。在中文术语中，“华南板块”的范围更大，从秦岭淮河一直到冲绳海槽（包括扬子板块、华夏板块）。

华南板块示意图（图片来自网络）

“华南”的大陆边缘是菲律宾板块、欧亚板块和印度洋板块的交汇部位。独特的大地构造位置和复杂的构造地貌形态，使“华南”成为研究大陆边缘构造演化的理想区域，该区域的地壳演化研究备受国内外学术界的关注，是该领域的研究热点。目前虽然已提出了多种理论研究模型或假说，但仍然存在诸多科学问题尚不明确，亟待进一步探讨。

“华南”还有另一个优势：我国拥有极为宝贵的华南大陆及周围海域的地质记录，结合地球中微子的研究，十分有利于重构华南地区的时空演化4D图像，以更深入地了解华南大陆的构造历史，这对于华南大陆地区的地质研究有极为重要的意义。

■江门中微子实验

十分巧合的是：我国2015年1月启动建设的江门中微子实验装置（JUNO）的地理位置在广东省江门开平市郊，正处于华南大陆边缘。（扩展阅读：）

JUNO的总造价约20亿元人民币，其科学目标是测定中微子质量顺序、精确测量中微子混合参数，以及其它多项科学前沿研究。由于JUNO的探测器体积比目前世界上最大的地球中微子探测器大20倍左右，最有希望最为准确地探测地球中微子，并探测地球内部铀和钍的丰度（同位素的天然存在比）。

JUNO获得的数据可应用于评估关于华南大陆边缘地区岩石圈内部圈层成分特征，有助于建立该区域更加准确的岩石圈演化模型。结合全球其它地球中微子实验装置的探测数据，还能更好地了解地球形成模型，约束地球的热演化，确定驱动地球内部动力的能量。

JUNO将于2020年开始物理取数，计划运行20年左右。

JUNO位置图（图片来自网络）

JUNO探测器示意图（图片来自网络）

V. 结语

了解了以上信息，再来看“中微子实验将有助解决地球科学难题”这则报道就比较容易理解了。（扩展阅读：）

在“华南大陆边缘地球科学—中微子科学交叉国际研讨会”上，来自国内外的60多位地学专家及研究生齐聚JUNO的建设单位——中科院高能物理研究所，与粒子物理学家一起探讨这个新兴的交叉课题。

国际上对地球中微子的研究可以说刚刚起步，而中国在不远的将来就能拥有世界上最精密的中微子探测器。“大陆边缘科学”与“中微子科学”这两个原本风马牛不相及的领域能够“相及”，这对于中国以及世界的地学家来说真是极为难得的历史机遇。

太值得期待了，衷心祝愿地球科学与高能物理领域的交叉融合能早日获得高水平的研究成果。

参考资料 1、风马牛不相及

2、大陆边缘

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3、地球演化新模型

https://baike.baidu.com/item/%E5%9C%B0%E7%90%83%E6%BC%94%E5%8C%96%E5%87%86%E5%91%A8%E6%9C%9F%E6%80%A7/1814356

4、邱燕、陈国能，华南大陆边缘新生代构造地貌演化机制研究，《地学前缘》第18卷第1期 5、地球内部的热量来自哪里？放射性元素的衰变，

6、神秘“幽灵粒子”中微子：来源于地球地壳下方，

7、地球内部存奇特“反中微子”影响放射性元素衰变，

8、中微子实验将有助解决地球科学难题

9、华南大陆边缘地球科学-中微子科学交叉研讨会

10、地球的形成与演化

https://wenku.baidu.com/view/f23fe5fa988fcc22bcd126fff705cc1755275f7c.html

11、地球的历史？

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