重大科學進展《地球冷凝演化初論》正式發表

中國地質調查局發展研究中心（自然資源部礦產勘查技術指導中心）郭少豐教授級高工等透過多年的野外工作和大量的客觀證據發現，人們原來普遍認為的沉積岩，如砂岩、碳酸鹽巖等並非沉積作用形成，而是具有岩漿岩特徵，結合鮑文反應系列原理，推斷地球是從高溫到低溫逐漸演化的過程，透過結晶分異作用，凝結成了：高熔點金屬→超基性岩→基性巖→中性巖→酸性巖→砂岩→碳酸鹽巖→泥岩→冰…演化系列；既然儲存生物遺骸的化石屬岩漿岩，而非沉積岩，化石中的魚類自然也非水生生物，而是生活在具有岩漿特徵的高溫流體裡，作者認為岩石從高溫到低溫的演化過程中，地球同樣生成了從高溫到低溫的生物演化系列，並得出了目前地球上的碳基生命並非起源於海洋，而是起源於高溫含碳流體的顛覆性認識。此認識打破了人們固有的思維模式，即化石裡的生物就是現在溫壓條件下的生物。這很好地解釋了為什麼寒武紀生命大爆發，為什麼會發生生物大滅絕，恐龍的滅絕或許是其中最為典型的例項，因此生物滅絕可能是地球不斷變冷的演化結果。以此推論，隨著溫度不斷下降，地球終將不適合人類居住，這個時間從地質的角度推算，遠遠小於天文學家所估計的45億年，人類是命運共同體，因此呼籲加強人類生存環境研究，探尋人類未來。

該文章英文版於2020年10月7日在《European Journal of Remote Sensing》（SCIE，2019影響因子2。808）正式上線發表，https：//doi。org/10。1080/22797254。2020。1830309。

地球的形成和演化，是自然科學領域重大的研究課題，也是地質科學最核心的科學問題，它涉及到生命的起源、生物演化以及未來人類生存環境的變遷等。人類對此進行了不斷探索和研究， 18世紀末至20世紀50年代主要以固定論為主，可以劃分為三個階段：①地殼垂直運動造山論階段；②冷縮說為理論基礎的地槽地臺說階段；③固定論和活動論並存階段［1，2］。1967年，摩根 （Morgan）、麥肯齊 （Mek-enzie）、勒皮順 （LePichon）等人將海底擴張說與大陸漂移說的基本原理擴大到整個地球岩石圈，並總結提高為對岩石圈運動和演化的總體規律的認識，這種學說被命名為板塊構造學說，或新的全球構造理論［3］，自此板塊學說（活動論）成為相對公認的地球演化理論。但仍有一些重大科學問題未得到合理解釋，如為什麼寒武紀生命大爆發？為什麼會發生生物大滅絕？恐龍真的是小行星撞地球造成的滅絕嗎？地殼不停地在運動，諸如地震、火山爆發等是什麼力量驅動的［4］等等。

筆者透過多年的野外工作和大量的客觀證據發現，人們原來普遍認為的沉積岩，如砂岩、碳酸鹽巖等並非沉積作用形成，而是具有岩漿岩特徵，因此提出了地球冷凝演化說，根據該理論較合理地解釋了寒武紀生命大爆發，生物滅絕等重大科學問題。

1 砂岩的岩漿岩特徵

岩石的成因和形成環境與地質演化密切相關，因此準確判定岩石成因和形成環境是非常重要的。按其成因岩石可分為三大類：岩漿岩（magmatic rock）或稱火成岩（igneous rock）、沉積岩（sedimentary rock）和變質岩（metamorphic rock）［5］。按成因分類，砂岩、碳酸鹽巖屬典型的沉積岩，但筆者在野外發現大量證據，顯示砂岩具有岩漿岩特徵。圖1為位於貴州省銅仁市揚子板塊東南緣的震旦紀兩界河組含礫砂岩，砂岩中含白雲岩捕擄體。花崗岩中見到一些暗色基性、超基性岩捕擄體，通常被認為是後形成的花崗岩在侵入過程中所捕獲的圍巖碎塊，那砂岩中含白雲岩捕擄體，證明砂岩屬岩漿岩，在侵入過程中捕獲了早期形成的白雲岩。砂岩鏡下可見斜長石長於石英內部（圖2a），多晶石英、蠕蟲狀石英（圖2b、圖2c）等典型現象，說明石英並非沉積形成，而是高溫液態下自由生成而成，並在砂岩中見到磷灰石（圖2d）、電氣石等火成岩中的一些典型副礦物。這些現象充分說明該套砂岩應屬岩漿岩。同位素資料顯示［6］，兩界河組中白雲岩δ13C：-2。19‰～-2。86‰，平均-2。65‰，其底部含礫砂岩中的δ13C：-2。67‰～-1。78‰，δ13C值比較均一，既可能是正常海相碳酸鹽巖，也可能是幔源或火成成因δ13C特徵，結合野外及鏡下地質特徵，筆者認為反映了火成成因。

圖1 貴州省銅仁市大塘坡錳礦區砂岩與白雲岩接觸關係圖

圖2 大塘坡錳礦區兩界河組砂岩鏡下照片（a、b、c為正交偏光，d為單偏光）

圖3 河北省遵化市北營村東砂岩接觸關係圖

圖4 北營村東後期石英砂岩鏡下照片（a、b、c為正交偏光，d為單偏光）

圖5 北營村東早期砂岩鏡下照片（正交偏光）

圖3為位於河北省遵化市華北板塊中長城紀常州溝組的石英砂岩，後期淺白色石英砂岩呈透鏡狀侵入到早期形成的土黃色石英砂岩中，並切斷了早期形成的節理（被認為是層理），明顯呈岩漿侵入特徵。鏡下後期石英砂岩中也見到多晶石英（圖4a），楔狀石英、鉤狀石英（圖4b、圖4c）等典型現象，楔狀鉤狀石英不整齊邊與周圍石英邊部相吻合，說明是這些是共同生長的產物，而非經過長距離搬運磨圓，同時也見到電氣石等一些火成岩典型副礦物，證明該岩石屬岩漿岩。早期石英砂岩鏡下同樣具有多晶石英、蟲狀石英、火成岩副礦物等典型現象（圖5），顯示該石英砂岩具有岩漿岩特徵。

在揚子板塊東南緣，湖南省花垣縣民樂錳礦鈺灃礦區518採礦硐內，新元古代板溪群紅色含鐵粘土質粉砂岩（當地地質工作者稱為紅板溪）中見綠色粘土質粉砂岩沿節理貫入（圖6），鏡下鑑定二者成分接近，這證明綠色粘土質砂岩曾呈液態，象石英脈、方解石脈一樣以熱液形式貫入，冷卻後凝結成綠色粘土質粉砂岩脈，再次證明砂岩具有岩漿岩特徵。

圖6 湖南省花垣縣民樂錳礦518採礦碉內砂岩接觸關係圖

透過華北板塊、揚子板塊中觀察到的這些典型地質現象，證明砂岩可能並非沉積形成，而是具有岩漿岩特徵。此外，在物質成分上，砂岩同樣與岩漿岩具有連續性。岩漿岩按SiO2含量可分為四大類，超基性岩類（SiO2<45%）、基性巖類（SiO2 45%～53%）、中性巖類（SiO2 53%～66%）和酸性巖類（SiO2 >66%），據Best（2003），岩漿岩中流紋岩SiO2含量最高，為73。95%，而SiO2含量更高的矽質岩（SiO2 70～99%）、石英砂岩和長石砂岩被認為是沉積岩，這可能是錯誤的。砂岩中主要礦物成分為石英、長石和岩屑，三種常見砂岩為石英砂岩、長石砂岩和雜砂岩，石英砂岩：石英顆粒含量在90%以上；長石砂岩：長石含量大於25%，其餘主要為石英和一些岩屑（流紋岩主要組成礦物成分也是石英和長石）；雜砂岩：含有較多的細粒基質，由綠泥石、絹雲母、粉砂級石英和長石顆粒的共生組成，雜砂岩常常表現為深灰色或黑色的岩石，所以看起來像輝綠岩［7］。長石砂岩SiO2含量通常在70%以上（表1），與流紋岩相比，礦物成分相近，Fe、Al含量有所下降，Ca、Mg含量有所上升。

表1 主要化學成分對比表

根據野外地質現象及室內研究結果，推斷長石砂岩、石英砂岩等原認為是沉積岩的高矽岩石，應屬岩漿岩，結合鮑文反應系列，應是繼流紋岩後的繼續結晶岩漿巖，只不過鮑文受當時認識的侷限，未把長石砂岩、石英砂岩等認為是沉積岩的岩石作為實驗組成部分。如果砂岩屬岩漿岩，是岩漿後期結晶分異的產物，野外有地質現象證明嗎？答案是肯定的，在雲南香格里拉市普上三疊繫上統圖姆溝組二段巖性-構造實測剖面上，可見石英閃長玢岩與砂岩呈過渡關係，足以證明推斷是正確的。

2 碳酸鹽巖的岩漿岩特徵

既然砂岩應屬岩漿岩，那被認為典型沉積岩的碳酸鹽巖呢？碳酸鹽巖中的灰巖、白雲岩與某種砂岩呈過渡關係、整合接觸在各地也較為普遍，1982年出版的《河北省北京市天津市區域地質志》中上元古界薊縣剖面，團山子組二段30層主要為紫紅色泥晶白雲岩，夾灰黃色砂岩和綠色粉砂質頁岩；上石炭統太原組中灰黑色粉砂岩與灰巖互層，整合接觸［10］。《中國區域地質志（湖南志）》中震旦紀陡山坨組，底部灰白色白雲岩與灰色泥質石英粉砂岩整合接觸［11］。砂岩與碳酸鹽巖呈整合接觸的地質現象還有很多，砂岩如果屬岩漿岩，也說明這些碳酸鹽巖屬岩漿岩。野外地質現象同樣證明了這一點，位於湖南省湘西地區的寒武紀中國排碧金釘子剖面，在該剖面中可見灰巖與白雲質含粘土質粉砂岩互層，同時有灰巖呈透鏡狀、眼球狀捕擄體被砂岩所膠結（圖7，圖8），並具有一定的定向排列，這種構造與片麻理有相似之處，說明灰巖與白雲質含粘土質粉砂岩產出環境基本相同，並經受了一定的高溫高壓過程，在該過程中，礦物具有一定的定向排列和富集，所以才形成了這種類似變質岩中的成分層。許多變質岩中常常見到變質礦物分別集中成層的現象，它們是由於構造作用或者交代作用所導致的成分層［12］，並可形成條帶狀構造、眼球狀構造等。另外在貴州省銅仁地區施工的ZK001鑽孔中，見到灰巖呈條帶狀侵入到粉砂質粘土巖中（圖9）。鏡下可見在碳酸鹽巖條帶中含絹雲母（圖8a），通常認為碳酸鹽巖為化學沉積，而絹雲母為矽酸鹽礦物，與碳酸鹽巖同時化學沉積的機率很小，而可能性更大的是含碳酸鹽巖成分和粉砂岩成分的混合液體，在一定的溫壓條件下共同生長而成。這些地質現象都說明，碳酸鹽巖也並非沉積形成，而是具有岩漿岩特徵，應該屬岩漿岩。左景勳等（2008）對中國排碧金釘子剖面寒武紀第三統碳酸鹽巖進行了碳氧同位素測試［13］，

δ

18O：–4。0‰～–12。0‰，偏負（正常海相沉積變質岩、碳酸鹽

δ

18O為15‰～29‰），可以認為是高溫熱液形成成因特徵，與現代海洋碳酸鹽巖

δ

18O相比，O同位素分餾大於20‰，不能僅考慮：源效應（早海洋低

δ

18O值）、化學沉積原因，更要考慮高溫-低溫析出碳酸鹽的同位素分餾效應，後者形成該文中

δ

18O顯著偏負值的作用更有可能（即高溫-中低溫沉澱時，分餾作用導致

δ

18O偏負）。

圖7 湖南省湘西地區中國排碧金釘子剖面照片

圖8 中國排碧金釘子剖面灰巖鏡下照片（正交偏光）

圖9 貴州省銅仁地區ZK001鑽孔岩心照片

3、化石問題

如果砂岩、碳酸鹽巖是岩漿岩，一個不可迴避的問題就是：化石如何解釋？世界上絕大部分化石都儲存在碳酸鹽巖、泥岩和頁岩當中，而在岩漿岩中未見報導，砂岩中也很少存在。為便於討論，本文先將化石分為兩大類：骨架類化石和完體類化石，骨架類化石是指生物死亡後，經過長時間的腐蝕，剩下不易腐爛的生物骨架而形成的化石，如恐龍骨化石等，這種化石的形成很好解釋；完體類化石是指由生物完好軀體所形成的化石，這類化石的形成人們往往用快速掩埋來解釋，按沉積觀點，快速掩埋後要經過壓實作用才能固結成巖，很難想象經過長時間地質壓實作用的化石還能儲存生物原來完整面目，這種解釋似乎有些牽強。本文透過大量的野外地質事實得出結論，形成化石的碳酸鹽巖、泥岩等岩石非沉積岩，而是具有岩漿岩特徵，因此認為部分完體類化石是在活著時，在液體裡，被快速凝結而形成，就像現在的魚被凍在冰裡一樣，根據這種推斷，得出一個重大科學結論，即地球上的碳基生物並非起源於海洋，而是起源於高溫含碳流體，這種認識打破了人們原來固有的思維模式，即化石裡的生物就是現在溫壓條件下的生物。來自美國亞利桑那州立大學和日本水田紀念館的研究人員，在美國有名的考古地點-綠河組發現了包括259條小魚的一大塊石灰岩化石（圖10），發表在《英國皇家學會會刊B》上，這塊化石長0。57米，寬0。38米，這些魚被定格了在成群遊動的狀態，這個化石非常有力地證明了石灰岩是在液態下快速凝結，才使小魚呈活動狀被“凍”在了石灰岩上。

圖10 美國綠河組小魚化石（引自《英國皇家學會會刊B》）

4、地球冷凝演化

如果砂岩、碳酸鹽巖不屬沉積岩，而是岩漿岩，那又是如何形成的？地球又是如何演化的呢？人類從未間斷過對地球演化的探究，岩石以及岩層成因的“水火之爭”是18世紀後期到19世紀初期的重要事件，德國的A 。G 。維爾納是水成論的代表，英國的J。赫頓是火成論的代表，這場爭論最終以水成論失敗告終［14， 15， 16］。

加拿大地質學家鮑文（1928）透過實驗［17］，得出了重要結論認為，在岩漿冷卻過程中，通常橄欖石、輝石等鎂鐵質礦物易率先結晶，而石英、雲母等礦物熔點較低，從岩漿中晶出較晚（圖7）。

圖11 鮑文反應系列圖

本文透過前人研究結果 ［18，19，20，21，22］，並結合自己多年野外地質研究認為：地球早期是一個高溫熔融體（如何熱的暫不討論），因自身對太空來講，是一個開放的散熱體系，地球與太陽的距離在不斷拉大（劉研，2009）［23］，地內部的熱能透過火山噴發地震等方式向外不斷散發，因此在慢慢變冷，在冷卻過程中，熔點高密度大的金屬先結晶，並向地心富集，然後隨著溫度下降形成：超基性岩→基性巖→中性巖→酸性巖→砂岩→碳酸鹽巖→泥岩→冰…演化系列，當然這中間會有很多過渡類岩石，如白雲質砂岩、矽卡巖等，也會有部分金屬礦物在這中間結晶析出。這是把溫度作為一個主要因素提出的基本演化系列，事實上針對不同礦物，還有溶解度、壓力等因素，因此整個演化過程是一個物理、化學綜合的複雜演化過程。

在地球演化早期，隨著溫度下降，熔點高密度大的金屬首先向地心富集，然後開始形成超基性、基性巖類穩定地塊，初始地塊彷彿是漂在沸水中的蛋花，在岩漿沸騰作用下，它們會不斷漂移，陸塊越來越大形成早期的洋殼；隨著溫度繼續下降，洋殼不斷增大，在洋殼之間活躍的岩漿成分也發生了變化，超基性、基性成分相對減少，中性巖、酸性巖開始出現，全球性的原始地殼初步形成；溫度繼續下降，砂岩開始出現，此時的洋殼相對穩定，洋殼與洋殼之間處於塑性狀態，也就是原始陸殼，並有部分高溫流體，此時的原始陸殼並不穩定，不斷有被封在地殼下的岩漿噴出，以水蒸汽、二氧化碳等為主的大氣圈與高溫流體發生物理化學作用在加強，出現了高溫含碳流體，地球上的重大事件發生，即碳基生命開始出現；溫度繼續降低，碳酸鹽巖開始形成， 一些生物被“凍”在岩石裡，形成化石；隨著溫度繼續降低，大汽圈中水的作用不斷加強，泥岩開始形成，生物也在不斷更新，原來高溫高壓下產生的生物因不適應新的溫壓條件而滅絕，適合新條件下的生物也在誕生；未來地球將繼續變冷，現在的水將凝結成冰，地球將不適合人類居住，現有的生物將大部分滅絕。這種認識很好地解釋了為什麼寒武紀生物大爆發，為什麼會有生物大滅絕。

5、結論

1．本文透過大量野外地質事實和室內研究發現，砂岩、碳酸鹽巖具有岩漿岩特徵，應屬岩漿岩而非沉積岩，結合鮑文反應系列原理，推斷地球是一個從高溫到低溫逐漸演化的過程；

2．在地球逐漸變冷的演化過程中凝結成了：高熔點金屬→超基性岩→基性巖→中性巖→酸性巖→砂岩→碳酸鹽巖→泥岩→冰…岩石演化系列；

3．在地球逐漸變冷的演化過程中，同樣會形成從高溫到低溫的生物演化系列，地球上的碳基生命並非起源於海洋，而是起源於高溫含碳流體；生物滅絕是自然規律，恐龍的滅絕或許是其中最為典型的例項；

4．隨著地球不斷變冷，終將不適合人類居住，這個時間從地質的角度推算，遠遠小於天文學家所估計的45億年，因此呼籲世界各國人民，加大人類生存環境研究，探尋人類未來。

致謝

感謝貴州省地礦局一0三地質大隊、貴州省地礦局一0五地質大隊、貴州省地礦局一0二地質大隊，湖南省地質調查院、湖南省地礦局405地質大隊，雲南、青海等省廣大地質同仁，在本文形成過程中給予的大力支援和幫助！謹此 致謝 。

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