[摘要]

    本文是试图打破单一学科的局限性进行跨科学考察问题的一个尝试。我们初步研究的结果表明，诸如重级地震、大旱、洪灾、冻雨灾、沙漠化、区域性森林草原大火等自然灾害之间乍看彼此毫不相干，但在深层次上却存在一种稳秩序，它们具有一个共同的内因——地球排气作用。后者也是深部天然气的巨大能源。需要预先声明，本文所述见解很多和当今中外主流理论不相符合，这是我们自己独立研究的结果，恳请学术界抱宽容度允许参加讨论。

 

关键词：地球排气作用；重大天灾孕因；地球深部天然气

 

地球排气作用——重大自然灾害孕因和地下巨大天然气来源

文/杜乐天

    （核工业北京地质研究院，北京  100029）

    千百年来人们一直持有固体地球观，认为地球全由固相岩石组成，内部不含气体，如果有气体也只是在外层大气圈。即使火山爆发有气体排出，但也很有局限、短暂。更何况地球内部越深围限压力越大，越难以出现充气的裂隙和空洞。

    然而近几十年我们发现地球内部存在天文数字的大量气体，地球并非只有一个外层大气圈，在地球内部至少还有4个巨大的充气圈：①上地壳充气圈；②中地壳充气圈；③上地幔充气圈；④外地核充气圈（图1）^[1]，而且越深气越多,见表1。

 

    地球内部的气体主要存在于外地核的液态铁之中，所有其它4个气圈都是以外地核充气圈为源头在巨大的压力差、密度差、温度差、粘度差的驱动下自发反重力向上向外强力冲喷的派生气圈。在冶金学中早已熟知，铁水中可以溶解大量H₂而且和温度成正比^[3]，另外从比较行星学上看，太阳几乎全是H₂、He气团。形成地球的原始物质（如碳质球粒陨石）就含有大量的碳氢化合物，另外木星、土星、天王星、海王星这些距太阳很远温度很低的星体内部也主要是由分子氢和金属氢组成，见图2。

 

    地球内部的气体截然不同于大气圈中的气体，区别如下：

    （1）在量上：无法比拟。地球内部4个气圈的气体总重量等于外层大气圈至少500倍以上。至于地球形成早期气体量就更大，46亿年以来排气一直进行到现在。现在的大气圈及包括海洋的水圈都直接和间接（演化）源于地球排气。

    （2）成分上：主要是强还原性气体，缺自由O₂。此中我们共分出以下12种气体^[5]：①H、H₂和等离子体质子②氢化物③碳化物④氮化物⑤氧化物⑥硼化物⑦卤素及卤化物⑧硫族及硫化物⑨汞及汞化物⑩金属（包括Na、K、Li、Rb、Cs碱金属族）有机化合物!1微米级、纳米级各种金属、非金属零价自然元素颗粒!2稀有气体族（He、Ne、Ar等）。在上述气体种类中原子氢（H）及分子氢（H₂）最起决定性的地球化学、地球物理、地球内动因学作用。众所皆知，有了H₂才会有H₂O，烃类（石油、天然气母质）、HF、HC₁、H₂S、NH₃、PH₃等，有了烃类然后才有CO、CO₂此类氧化产物。多年来，在地球科学中忽视氢的重大功能。现在看整个地球内部之所以有生机，多次发生大地构造运动根子都在外地核的氢流向外强大辐射以及由此造成的幔壳溃变软流运动（即软流层体的形成）。

    （3）压力：地核气的压力数以百万大气压计，上地壳气也有no-noo大气压（大气圈才1个大气压，到高空更低）。在巨大的压力下气体可以穿晶渗透于岩石和矿物晶体内部的超微裂隙及空洞之中。在地球深部已发现许多此等显微裂隙、空洞。特别值得指出，在地壳和上地幔深部通过超高压下的气裂作用完全可以创造出容气裂隙、空洞。另外，深部热液蚀变也会形成大量次生容气孔洞。

    （4）温度：外地核气>3000℃，上地壳气也有no-noo℃，地球近地表只有几十度波动。

    （5）能量：深部气流具有极大的化学反应能，可以使107Km³固体幔壳发生溃变、熔融、肿胀和反重力底辟、隆起。

    （6）状态上：也和相当稀薄的大气不同，是一种高度压缩的超临界态和部分接近等离子态，密度大体～1，其中总是携带一系列种种不相容元素群（几十种微量过渡族元素）。

     通过研究我们发现地球排气可以产生以下自然灾害效应：

    （1）孕震：大量中外记录表明震源多产生在低速软流层（体）之上的脆性岩块的闭锁部位，（其下的低速软流体是向上排气巨大的充气体）。特别是自然界最小的粒子（H、He、H₂）乃是自然界造成气裂作用的三大能手。氢脆(Hydrogen embrittlement)、氢致断裂会使材料强度严重降低。地震是在区域地应力场中地球排气（特别是其中的H、H₂和He）在高压下钻入裂隙最尖端，通过H+H→H₂反应可以产生上万大气压的压力使裂隙急速雪崩式地向前劈裂^[3,6]，应力总向裂隙尖端集中导致岩石强度突降，抵抗不住地应力遂发生破断地震。这种断裂理论在近代材料科学和冶金科学中早已证明。地震的孕育和成因是气体造成的^[7]。在时空上地球排气不均匀而且强弱有大幅度的变动（受天体影响相当敏感）。

    特别值得指出：地球排气的来源会有不同的深度，不同深度来源的气体成分和能量也有所不同，因而造成的震级也有差异。现列出以下粗略评估：

    低级地震（<5级）：发自上、中地壳气（多为大分子气体，诸如H₂O蒸气、CO₂、CH₄、CO、N₂等），气源深度数到十数千米。油气田上方总在向上排气；另外深穿透地球化学找矿也表明地下排气。顺便指出，水库注水引发地震是由于进入地下水对岩石产生水化、水弱效应发震（<5级）。

    中级地震(6-7级)：气流较深，来自上地幔气圈，能量比上地壳气和中地壳气要大的多。气体中小分子气体如H、H₂、He等比例加大。

    重级地震（>7级）气流更深，很可能直接来自外地核强大的氢气流（一天就可以到达地表），其能量极大，具有难以想象的极强的交代力和爆炸力，可以使地壳产生断裂长达几百至上千千米。

    （2）致旱：地球深部的气体是高热、高温的地热流，这是不可忽视的地下热载体。固体地壳岩石热传导效率极低而且和地温成反比。气流在高压力下由地深向浅部排放中固然会绝热膨胀吸热降温，但如果达到地表其剩余热量使地下土层及上部大气气温增加3～16℃就极为可观、可怕。长时间（数月至数年）排气强化首先会使底墑的水份蒸发变干，以及大气升温会使过往云流难以凝结降水而导致赤地千里大旱成灾。同理，沙漠化、热灾也是此等地球排气成因。本文甚至认为现在原地型沙漠之下有很大的可能会找到油气田。油气田和沙漠共生的现象见于全球很多地区。

    特别值得指出，在区域性长年大旱区的边缘往往会发生地震，而且大旱时间越久和旱区面积越大，其震越级强^[8]。这是一个很重要的发现，正好从两方面证实无论大旱还是地震恰好都是地球排气强化的产物。地震、干旱和地热涡^[9]在时空紧密相关的发现是三者共同的地球排气成因的铁证。

    （3）地磁异常：从上述地气成分中可知地下气流是带电粒子流（例如质子、电子等离子、自然金属纳米级微粒流以及H、H₂对金属离子特别是对Fe离子的强力还原等）。在太阳磁暴、太阳风以及日月引力准周期的强大扰动下地球内部的高压缩地气流正像固体潮一样也会作出地下磁电的响应，形成重要的磁电异常。地震时在高空大气电离层可以突然下降十几千米^[10]。另外在特大灾害发生区上空对流层的上层还发现有20°～30°的突然降温而且高度大大下落^[11]。我们认为这可能是H、He、H₂气流垂直运动到高空膨胀产生的吸热降温（汤姆逊-焦耳效应）。在工业上早已熟知，H₂流乃是高效冷却剂。

    （4）特大暴雨：多年来对特大暴雨的成因及短临预测都一直是国际难题。这是因为只把视域放在单科气象学内部而忽视地球排气控制的必然困境。我们的初步研究表明，特大暴雨并不仅仅是大气环流异常、副高移动，主要原因是在区域性云流下风地区地球排气强化形成大面积（数十万到数百万平方千米）排气热区的强力热吸引。大气环流之所以出现异常原因在于地下排气生热出现低气压产生以下两种热吸引：

    吸引上风区域云流向此热区汇集（热导向和促使台风突拐）。过去有种地热区吸引台风之说，也基于热吸引此理。

    吸引北方冷空气区向此南下。与上述云流一旦汇合必然产生大暴雨。之所以产生洪灾大水的关键也是特大暴雨的降水量远远大于排泄量。另外还得指出，当富水云流来到热吸引上空由于热气垂直运动极强，会使云层突然由于水平流改为垂直上升流，降水云层由于陡立而变厚，雨量急速增大。富水气流在升高降温结雨同时放热，放热又进一步增高气温加强低压，水汽更加升高，更多凝结降雨。这种正反馈遂使该区降雨益发加强，可以使本来10mm的降雨在数小时中可以增加到几十甚至几百毫米。

    为什么在一个特定地区突发特大暴雨？只是从大气环流或副高机制这种单一的气象学解释是不可能求得完满答案的。在这方面其实早有一批研究者^[12,13]在1996年以前就发现这是云流上风地区发生重级地震（>7级）引起的。后来我归纳称此为地球排气强化区产生的两种热吸引机制，简称热吸引。重级地震会造成几十万平方千米地区地壳产生地裂缝，会大大有利于地球排气强化造成大区域异常地热场及大气升温场，形成低气压区产生热吸引。另外，再加上地球排气生热又使地下水加强蒸发，产生大量水汽排向空中，云流增加大量水汽使云流更加富水，促成特大暴雨，对于今年元月10日开始的华南重大雪灾及冻雨灾的成因就可以用两种热吸引机制来解释。此次暴雪冻雨重灾源出于西藏改则正好在雪灾的头一天（2008年1月9日）发生了7级大震，吸引和加强了地中海区的云流大举东向，先是酿成中东、中亚暴雪，到了青藏高源又增多改则地震区上升的水汽。另外由于苏门答腊头年（2007年9月13日8.3级和7.5级重震以及9月26日又发生6.4级地震）一连串大震使孟加拉湾海水大量水汽补给北上云流并且和地中海云流汇合东来，到达长江南北广大地区，遇到被热吸引大举南下的北方冷空气流，二者在长江南北汇合造成长达20多天之久的连续雪灾。另外由于青藏高原地势高，上升的水汽较热，顺下风到达华南地区上空又会造成逆温，致使与雪灾同时出现了冻雨，后者为害尤甚。

    除上述实例分析外，早在十几年前就有学者^[12,13]指出以下震-洪灾害链规律：1856、1897、1909、1911、1932、1953、1956、1957、1960、1964、1969、1991松花江大水；1843、1904、1933、1954、1958、1967、1975黄河大水；1931、1954、1991长江大水，在大水洪灾之前云流上风地区诸如新疆、蒙古、青海、西藏、云南、缅甸等地均规律分别先有大震。这种震-洪链多次应验。

    （5）森林草原大火表面上解释是长期干旱少雨、气温高、人为火种，无人区又归诿于雷电。其实是地球排气（慢煞气）沿断裂带上渗，于森林草原区腐植层中缓慢积聚。前已述及，地球排气主要是还原性（即可燃性）气体（如H₂、CO、CH₄等），当此等气体在腐植层中积聚浓度达到可燃临界浓度（大约占空气的5%体积）时，稍有火星（包括静电火花）即刻多处同时自燃。当地所谓的气温高、久旱和风大，也是地球排气排热的结果^[14]。与此森林大火发生机制很相似的还有煤层大面积长期自燃、不少地区的瓦斯爆炸矿难、海难（轮船失火和沉船），都和地下突然冒气有不可忽视的联系。看来有办法防止森林大火灾害的发生：在灾区卫星热红外图像动态监测下事先进行林区腐植层的可燃气体测量，圈出危险区，派民工用钎子捅眼把气放出即可使林区不再失火。再有，北京地区终日不散对地空交通干扰很大的霾雾、大气混浊也和地下排气带上来的可吸入微粒有相当密切的联系。

    总之，通过以上所述，看来我们在重大自然灾害成因的研究上亟须扩宽思路，进行跨学科联合研究为佳。

    最后再讨论一下地球排气与深部天然气开发的联系。看来，地球排气具有祸福的双重性，即可成灾，也可造福。仔细考察可知，现在世界各地开发的油气田以及海底、陆上永久冻土带的水合甲烷都属于上地壳（深度7Km以上）气圈。我们认为在此之下的中地壳气圈乃是规模更大的天然气开发对象（深度约为6～17Km）。具体地说，各地地球物理测出的地壳低速、高导（低阻）、低密度体就是中地壳一个个重大的天然气储体。值得强调，此低速体向上扩容会侵入到地壳很浅处（三五千米）（我们用不必太深的钻井就可以开发它）。此等中地壳地气开发不同于上地壳气开发，不一定非在盆地内部打钻，只要深部存在低速、低阻、低密储气体的变质岩、火成岩区也是重要方向。要特别注意二维、三维地震剖面中的模糊体和模糊带，过去重视找油不太注意它们，认为只是地震波信号紊乱。如从地球排气作用角度看，此类模糊体实乃气储体，而模糊柱正是深部排气的上升通道。现在回过头来看，在各地区油气田的地震剖面中都有它们的存在。此类地震剖面模糊柱（或筒）至少向深部延深10Km并未探到底，而且越向下宽度还越大。这表明气藏中的天然气肯定不是上地壳气而是更深。

    早在15年前的1993年，我们即撰文提出渤海湾的蓬（蓬莱、烟台）—庙（庙岛群岛）—大（大连）一带陆上、岛上及海区约60000Km²内地下存在中地壳气储，大约有30万亿（1012）立方米的天然气可供开发。^[15-18]经过十几年的游说，此地区现已被中石油、中石化二公司所注意。

    在油气寻找的方向上多年来只认定一个目标——盆地。的确，凡是大盆地都找到了众多油气田，例如塔里木、准噶尔、酒泉、柴达木、鄂尔多斯、四川、江汉、南阳、华北、苏北、松辽、海拉尔等，无一例外。为何盆地中有油气藏？过去的理论认为是存在富含有机质地层，良好盖层屏蔽，良好构造-岩性圈闭等。殊不知除此外更重要的是盆地之所以成为盆地，是由于深部发育软流体上隆造成的地壳下陷，而此等软流体正是地球排气的产物和天然气储体。油气田地下的高热流场、超高压力实际上都来自地球深部排气。盆地中的油气藏的形成不仅仅由于地层有机质，另外还肯定有来自地幔深部的流体和排气的参与。当然，油气成因问题很是复杂，但其中有一个关键问题是地层中干酪根严重缺氢而不能生成大规模油藏，必须有富含H₂的地幔流体加氢^[19]才可生成石油。因此，我们认为凡是在中地壳深部存在三低（低速、低阻、低密）地区今后都有可能打出深部气流。这样，在我们面前又增加了一个崭新的地下能源类型（中地壳气）。在一些地区甚至更浅的钻（三五千米）都可以打到它，因为，现在开发的上地壳天然气藏中也发现有深气的混入。特别是H₂、³He、CO这三种特征标志性深气在任何油气藏中都有发现，这是生物成因论无法解释的。更有甚者，现在连公认为生物有机成因的一些气藏也发现大量无机气，CO₂就证明是无机气。本来说成是生物成因的油气藏为何发现这么多的非生物无机气？这本身就构成了生物成因论是在不能再加以忽视的饽论。

    应当强调，生物成因理论过去和现在在寻找和开发各地油气田中无疑做出了重大贡献，功绩巨大。但随着实践的丰富，一些新的研究结果不断在呼唤理论的更新。主张地球排气作用可以生成工业油气的研究阵容近10年急速扩大，这是近代油气成因理论进展的一股强大新潮流，在独联体油气地质界尤其突出。最近又有他们2002年《地球排气作用：地球动力学、地球流体、石油与天然气》一书的译本（上海远东出版社）^[20-60]。另外，在我们国内赞成油气无机成因说也大有人在^[61-65]。在今世界能源极度紧张石油价格不断飙升的严峻形势下，新理论会为我们增加一个巨大地下能源探寻的新希望。

    最后，我们可以把地球内外各气圈的排气作用看作是地内外气体运动统一的一个大系统。在天体力（引力、磁力）的影响下，发自地核的强大气旋向外向上喷流，依次派生和激发上地幔充气圈、中地壳充气圈、上地壳充气圈使之被扰动分别影响和控制地壳海陆地震等重大灾害和外层大气圈的环流异常，形成众多重大气象灾害。我们可以把陆上、海洋、大气中的各种重级灾害看作是统一的（并不是彼此无关的）灾害大系统。现在可以确认，前者大系统对后者大系统的孕育和发生起着不容忽视的决定性控制作用（究竟如何具体控制待后再论）。现作图3示意。

    最后须说明，鉴于刊物中篇幅有限。讨论的问题又比较多，只能扼要地提出初步结论而无法列出每个结论的众多实测依据资料。欲知详情，请参阅文后有关文献和近期即将出版的拙著^[65]。Ω

    原刊于《2008中国可持续发展论坛论文集》（2）。

 

 

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