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科学圈圈坐之六-张有学Comments>>

发表于 2010-02-03 08:00 | Tags 标签:, ,

转眼这期的圈圈坐已经第五期了,龙漫远端木三马原野谢宇黎波五位老师们给大家带来怎样的感受呢?今天的嘉宾或许能带给你几个新鲜的概念。听过火山喷发,这不稀奇,听过湖泊喷发吗?之后还有更惊人的,海洋喷发!究竟是假说还是真实存在呢?产生的原理是什么?本期圈圈坐嘉宾张有学老师为我们一一道来。

张有学(采访中简称张)老师,密歇根大学地质科学系的教授。高中毕业后务农四年,七七年在狂喜和犹豫中进入北大地质地理系学习,八十年代初意气风发去到哥伦比亚大学深造,其后在加州理工大学进行过两年多的博士后研究工作,然后在密歇根大学任教至今。对了,还有05到07年之间在北大担任讲座教授的经历。这是一张不太寻常却又如此典型的七七级大学生的简历。下面是Robot(以下简称R)同学的采访手记。

R: 能不能向我们的读者概括介绍一下地质学是做什么的,以及这个学科近年的发展趋势。
张:地质学就是研究地球的,包括物理学上的特性和过程,也就是我们所说的地球物理;化学性质和过程,又叫地球化学;地球上的古代生命,或者说古生物;还有地球的历史、构造和演化。我们这里说的地球不仅包括了陆地,海洋,大气层,还有一个时间上的概念,是一个四维意义上的地球。近年来地球科学发展比较快的一个方向是朝着地球的更深处发展,比如说深层地幔,甚至地核。另外,还多了一些像全球暖化这样的新关注点。

R: 听起来涵盖了相当多的学科。我在您的网页上看到您的研究兴趣里有一项是"地球的年龄",这也是我最容易理解的一项了,能具体谈谈吗?
张:我们都知道地球的年龄大概是45亿年左右。近年这方面的工作主要是对这个时间的微调,并找出使用不同方法得到的地球年龄的具体意义,这能够帮助我们确定地球早期的演变进程。太空中的尘粒和微行星通过相互碰撞、累积形成地球是一个漫长而复杂的过程,很难准确定义地球的年龄。要有很仔细的研究,才能把地球的早期演变历史(像是地核的形成,大气的形成)拼凑起来。

R: 确实很复杂,那么这类研究的数据都是如何得来的呢?在地球表面,我们现在是很难找到非常早期的岩石或者其他常见的证据的。
张:研究地球的年龄并不需要早期岩石,所有能采到的地球岩石已经算“近期”了。一种方法是依靠短寿期核素,它们是超新星爆发时散布到太阳星云中的,因此在太阳系形成之初存在但随后就衰变而消失了。这些核素的半衰期大概是百万到上亿年,虽然现在已经找不到了,但我们能够从衰变产物中发现它们存在过的痕迹。假设有一种短寿期核素(母核素)的半衰期是九百万年,它倾向于存在于地幔岩石中,但是它衰变生成的子核素倾向于进入地核。如果我们能从今天的地幔岩石中找到母核素还存在时母子核素分馏的证据--通常这会导致同位素构成比例与陨石相比异常,那么地核的形成年龄就能被限定在短寿期母核素仍然存在的时间范围内,通过对同位素异常程度的分析,我们甚至能具体的量化这个时间。这样的话,我们就能推断出地核形成的平均时间大概是在原始陨石形成的3千万年后,也就是大概 45亿3千万年前。

R: 唔,我大致能理解您的意思。另外我好奇的是,如果最后有科学研究发现地球年龄比我们现在已知的久,譬如说,多了一亿年,那对我们现在的一些常识认知有没有什么影响?
张:地球的年龄要看我们如何来定义它,地球形成进程中的不同事件确实有早晚之分。如果地球的年龄只是变化一亿年的话,算不上什么大事。比方说,人们通常说地球的年龄是45亿5千万年。我在1998年的时候发表过一篇论文,认为地球的年龄(这里是指从大气保留算起,它要求地球质量足够大,而且不会再发生巨大的冲撞)应该是44亿5千万年,比我们通常认为的年轻了一亿年,这没有对我们的认识造成任何困扰。同样的,后来又有证据表明地核的平均年龄是45亿3千万年,这也没有产生任何麻烦。

R: 那我就放心了。我们接下来聊聊您的研究吧。
张:我个人的主要研究领域是在高温地球化学,尤其是地球化学动力学以及各种由气体驱动的喷发,如火山喷发,湖泊喷发和海洋喷发等。最近,我们的研究还表明煤与瓦斯突出其实类似于爆发式火山喷发。我的工作主要是搞清楚这些喷发的过程,终极目标是挽救生命。

R: 听起来都很危险,您需要去进行野外工作吗?
张:我的团队主要是进行一些实验工作和理论上的模型分析,很少会去野外做调查工作。像是火山喷发或是煤与瓦斯突出,我们都能够在实验室里做模拟实验。

R: 湖泊喷发是什么?我还是第一次听说这个名词。
张:湖泊喷发是一种由气体驱动的水喷发现象,和火山喷发的原理有相通之处。人们直到八十年代才意识到这种现象,你可能会觉得有点奇怪,虽然我们对地球的活动已经观察了这么多年,却还有许多地质现象有待发现。目前已知的湖泊喷发现象有两次,都发生在喀麦隆,一次是1984年的Mounoun湖,另一次是 1986年的Nyos湖。86年那一次喷发导致大约一千七百人窒息而亡。

R: 那可真是太恐怖了。我大概知道一点火山喷发的原理,一般来说是岩浆中的水蒸气和二氧化碳等气体随着岩浆向上运动,大量气体从岩浆中溢出从而冲破地面形成的。那湖泊喷发中的“气”是从哪里来的?另外,湖泊是没有“盖子”的,一个敞口的湖泊中溶解的气体浓度怎么会达到喷发这样危险的程度?按照我们的日常经验,一罐敞口的可乐似乎比没开罐的可乐爆炸威力小多了。
张:我们的理解(还有部分是猜测)是这样的:二氧化碳气体来自很深(比如说5公里深)的岩浆,逐步渗入到湖底并且溶解在湖底的水中,而上层的水提供水压因而起到了保护作用。像Nyos湖,大约有208米深,它底部的水中溶解的二氧化碳压力能达到21巴,而通常香槟酒的二氧化碳压力才不过6巴。尽管二氧化碳也在向上扩散,但是速度慢,反而是溶入湖底的二氧化碳来得更快。二氧化碳溶解后会增加水的密度,导致湖底的水留在湖底。长久下来,二氧化碳会累积到一个非常高的浓度,直到过饱和,这时就出现气泡了,许多气泡同时出现而上浮形成气泡柱—水夹带大量气泡因浮力而上升形成的柱体,上升的过程中因为水压减小,导致更多的气泡长大,这又反过来增加了浮力,使得气泡柱上升的速度更快。这是一个很强的正反馈过程,当气泡柱到达湖面的时候,能形成50-90米每秒的喷发速度。有时候,虽然湖底的水还未达到饱和状态,但发生了滑坡进入湖底之类的干扰,也可能使底部水上升,减小水压,导致气体在水体里过饱和并造成喷发。

R: 我明白了,之前我还在想,如果我们轻轻晃动开口的可乐瓶,就能够让气泡温柔地溢出的话,那么在有喷发危险的湖泊中组织人划划船,游游泳之类的,能不能降低危险。现在看来,起码要组织潜水队才行了。
张:你说的这种运动太小了,是不可能释放湖底水中的二氧化碳的。湖泊喷发需要三个条件,我们刚才说到了两个,一是要有气体来源,例如湖泊下方有岩浆;二是湖要够深。此外还有一个条件,就是要能够在湖底水中累积气体。一般的湖泊水体每年会翻转两次:一次是入冬前,湖面温度降低到4度,这时候水的密度最大;另一次是出冬后,湖面温度又攀升到4度。不过赤道附近的湖泊,因为四季和昼夜的温差变化小,不会有这样的水体翻转,就能够在湖底积累气体。目前,在很多研究者的共同努力下,我们已经能基本理解湖泊喷发的过程和动力学,也就能在一定程度上避免它。比如说,把湖底的水泵上来,释放出二氧化碳气体,就能减低喷发的风险了。

R: 这可太棒了,学界现在有针对这个现象监控特定的湖泊吗?
张:在80年代的两次湖泊喷发后,赤道附近的非洲湖泊就被检查过了。Kivu湖(这个湖相当大)也被发现在湖底水中含有高浓度的气体,不过还远没有达到饱和的程度。目前,Monoun、Nyos和Kivu湖的湖底气体浓度都在监控中。同我们预期的一样,气体的含量还在增加,Monoun湖和Nyos湖已经开始实施泵水排气了。

R: 我还有个问题,从80年到现在全球有明确记载的湖泊喷发只有两次,您先前提到的三个条件要同时满足是不是非常苛刻?
张:湖泊喷发确实不常见。不过,虽然人们在80年代才发现这个现象,但在那之前,应该已经出现过很多次。在非洲传说中,有好湖和坏湖之分,居住在坏湖附近的人们可能会突然无缘无故的死去。这其实就有可能是湖泊喷发所致,不过当时的人们还认识不到这一点,因为湖泊喷发通常不会留下什么痕迹。

R: 能说说海洋喷发吗?这是不是跟海底火山有关系?
张:海洋喷发还只是一个未经证实的假说。我们知道,海底沉积物中是含有气体的,特别是甲烷水合物(可燃冰)和气态甲烷。这些甲烷的含量非常大,差不多抵得上所有的碳化石能源(包括天然气,石油,煤),而且在某些地方是存在密集甲烷的。在特定的条件下,譬如海底温度升高、滑坡或地震,这些气态甲烷和水合物就有可能被释放出来,水合物还会分解成气体。如果有巨量的这种气体被释放的话,就有可能形成喷发。

R: 这个可燃冰我听说过,甲烷好像跟全球暖化还有关系。您说的海洋喷发现象,我们现在有办法预防吗?
张:海洋喷发的规模会非常大,目前还没有什么预防的办法,不过这个现象也还没有证实。至于全球暖化会不会造成灾难性的海洋喷发和失控的温室效应,现在学界还没有达成共识。

R: 说到全球暖化,能谈谈您的观点吗?还有,火山喷发对此有什么影响吗?
张:我不是这方面(全球暖化)的专家,尽管目前对于二氧化碳排放以及温度到底会上升几度还不确定,但别忘了我们只有一个地球,我们没有资本去做实验来看气温到底会升高几度。至于火山喷发,大的爆炸性喷发会释放出气体和悬浮物,产生两种相反的效果。从短期(可能从几个月到几年)来说,温度会降低,因为巨量的悬浮物会遮挡住阳光。从长期(可能从几千年到几百万年)来说则会造成升温,因为温室气体被释放到了大气中。短期的效应可能会在全球暖化中形成干扰,长期的效应则会增强暖化,不过这很缓慢,而且从几百年的时间跨度来看并不是很要紧。

R: 火山喷发的预报现在好像做的比较好,我们在预测到火山喷发的危险性后,除了安全疏散,有没有一些更为积极的干预措施?
张:通常来说,如果一个火山如果是处在现代仪器的仔细监控下,大部分状况下我们是能预测到喷发的。例如1991年的皮纳图博火山,大喷发前几天被准确预报,人员得以疏散。至于你提到的积极干预,现在还不能阻止爆发式的火山喷发,不过人们确实能采取一些措施来控制非爆炸性的岩浆流动。在美国,流行的做法是让大自然沿着它的轨道正常前行,即使这会带来一些财产上的损失。

R: 能说说煤与瓦斯突出吗?我们能借鉴火山喷发的预测经验吗?
张:煤与瓦斯突出是煤矿事故中的主要杀手之一,常常瞬间发生,从煤层中喷出大量的煤块和气体。这种煤块和气体的突然自动喷发与爆炸性火山岩浆和气体的突然喷发很相似。在这条喷射轨迹上的工人就可能遇害,它还可能引起塌方,喷出的瓦斯也可能引起燃烧和爆炸。我们现在正在了解煤与瓦斯突出的现象,还没有到预测的地步。虽然它和火山喷发的基本原理有相似之处--都是由过饱和气体驱动产生的,但预测可能会用到非常不同的模式。

R: 您早期主要是关注火山喷发,后来是怎么想到把湖泊喷发和煤与瓦斯突出也联系起来的?
张:我开始关注煤与瓦斯突出是在2006年,那年中国、俄罗斯、美国都在发生煤矿事故。我当时正利用假期去北大担任讲座教授,就打印了一些相关的文章在飞机上看。其中一篇文章描述了煤与瓦斯突出发生时喷射出的粉末颗粒和气体,使我联想到了这同火山喷发之间的相似性。至于湖泊喷发,是一个有关湖泊喷发的讲座给了我灵感。

R: 看来真是生活中要随时随地用功才行呀。多谢您接受我们的采访,非常棒,我感觉自己看了一个小时Discovery的节目。
张:我在美国还真的参与过电视节目,一次是关于海洋喷发的,一次是关于火山喷发的。

后记:在我这个地质学白痴人生中的第一次采访里,张老师充分展示了他的好脾气,耐心,以及深入浅出的专业讲解功夫,这是一次非常愉快的采访经历。有兴趣的同学可以到张老师的网站上找到更多更专业的信息。

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10 Responses to “科学圈圈坐之六-张有学”

  1. cary说道:

    沙发

  2. 窗敲雨说道:

    赞插图~

  3. aturen说道:

    这题图很赞,我都想用来做桌面了。

  4. Zis76_2mm说道:

    突然间有个灵感,百慕大三角是不是就是海洋喷发造成的?突然间巨量甲烷气体从海中上升到空中,飞机飞入,发动机的热量点燃甲烷产生高温,飞机又是铝合金制造的,于是乎在高温中剧烈燃烧,将一切都化为灰烬,所有的痕迹都没有留下........

    • 夏纲说道:

      约五年前本人就认为是海底气体上浮引起的百慕大现象(在我所在班说过),但从未在网上说过。这气体不一定是甲烷,也可能是二氧化碳。

    • 或许吧。。。。。。。说道:

      嘻嘻~ 很有可能哎

    • 或许吧。。。。。。。说道:

      嘻嘻~~很有可能吖!

  5. Metaverse说道:

    “许多气泡同时出现而上浮形成气泡柱—水夹带大量气泡因浮力而上升形成的柱体”,这个柱体是一段一段的有明显分界面的东西?

  6. NexGen说道:

    好文章
    独一无二的松鼠会