有個(gè)典故是這樣的：公元前某年，齊桓公派兵攻打楚國(guó)，楚王派出使臣屈完找齊國(guó)大夫管仲質(zhì)問(wèn)“君處北海，寡人處南海，唯是風(fēng)馬牛不相及也。”意思是齊國(guó)人在北方，楚國(guó)人在南方，相隔遙遠(yuǎn)，如果齊國(guó)走丟了一匹馬，楚國(guó)走丟了一頭牛，這馬和牛也不可能見(jiàn)面，你們?yōu)槭裁匆獊?lái)攻打我們？管仲被這么一問(wèn)無(wú)法解釋，兩國(guó)遂結(jié)盟和好。此后，“風(fēng)馬牛不相及”成為一句成語(yǔ)，用以比喻彼此之間毫不相干的事物。

　　這里要說(shuō)的卻是件“風(fēng)馬牛相及”的趣事，不久前，媒體報(bào)道“華南大陸邊緣地球科學(xué)—中微子科學(xué)交叉國(guó)際研討會(huì)”在中科院高能所成功召開(kāi)，這不禁令人詫異，“大陸邊緣科學(xué)”與“中微子科學(xué)”原本風(fēng)馬牛不相及的兩個(gè)領(lǐng)域是怎么聯(lián)系到一起的？

　　I. 地球科學(xué)

　　人類賴以生存的地球是宇宙中一個(gè)獨(dú)特的星球，地球與宇宙一樣具有豐富的演化歷史。令人困惑的是：地球上超大陸的形成、裂解，板塊的移動(dòng)、碰撞，火山噴發(fā)，巖溶溢流，冰河的生長(zhǎng)、消融…，究竟是什么在推動(dòng)著地球的演化？

　　地球起源與演化的研究是地球科學(xué)領(lǐng)域的重大課題，是地質(zhì)學(xué)家們的研究前沿。人類對(duì)于地球起源與演化的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了從假說(shuō)到不斷證實(shí)的過(guò)程。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，所掌握的證據(jù)不斷增多，人類對(duì)地球的起源與演化有了越來(lái)越深入的認(rèn)識(shí)。

　　由地球的演化史可知，大陸地殼是通過(guò)大陸邊緣的沉積作用、巖漿活動(dòng)、變質(zhì)作用和構(gòu)造擠壓等逐漸增長(zhǎng)的。正因大陸邊緣是沉積、巖漿活動(dòng)、板塊運(yùn)動(dòng)、變質(zhì)和成礦等各類地質(zhì)作用最為活躍和豐富的場(chǎng)所，對(duì)大陸邊緣的研究可為大陸和大洋盆地的形成與演化提供大量有價(jià)值的信息，在海洋地質(zhì)學(xué)與地球動(dòng)力學(xué)中均占有極為重要的地位。加之，大陸邊緣（尤其是被動(dòng)大陸邊緣）是地球上最重要的沉積物聚集區(qū)（沉積量占海洋沉積物總量一半以上），富含油氣等礦產(chǎn)資源，巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值也大大促進(jìn)了大陸邊緣研究的步伐。

　　這里，需要先了解幾個(gè)專業(yè)詞匯：

　　地殼

　　地殼是指由巖石組成的地球固體地表構(gòu)造的最外圈層，全球地殼的平均厚度約17千米。地殼分為陸殼與洋殼。

　　陸殼即大陸型地殼，主要分布在大陸及淺海大陸架區(qū)。陸殼是雙層結(jié)構(gòu)，上面是硅鋁層，下面是硅鎂層。陸殼的平均厚度為33千米，越往高山地區(qū)厚度越大（高山、高原地區(qū)的地殼厚度可達(dá)70千米）。

　　洋殼即大洋型地殼，分布于大洋之下。洋殼是單層結(jié)構(gòu)，主要由硅鎂物質(zhì)構(gòu)成，洋殼的平均厚度只有幾千米，因密度較大相對(duì)于陸殼更易下沉。

　　板塊即地球表面覆蓋著的不變形且堅(jiān)固的地殼區(qū)域，在陸地和海底均存在。

　　地幔、地核

　　地幔位于地殼之下，是地球的中間層，主要由致密的造巖物質(zhì)構(gòu)成，這是地球內(nèi)部體積最大、質(zhì)量最大的一層。地幔分上地幔和下地幔，上地幔上部存在一個(gè)地震波傳播速度減慢的層，一般稱為軟流圈，很可能是巖漿的發(fā)源地。軟流層以上的地幔是巖石圈的組成部分。

　　地核指地球最內(nèi)部的核心部分，主要由鐵、鎳元素組成，地核物質(zhì)的平均密度非常高（約10.7克每立方厘米），溫度約7000℃。地核的質(zhì)量約占整個(gè)地球質(zhì)量的31.5%，體積占整個(gè)地球體積的16.2%。

　　地幔與地核示意圖（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

　　大陸邊緣

　　大陸邊緣是指大陸和大洋底的過(guò)渡地帶，其主體是大陸架（也稱大陸淺灘），其次為大陸坡和大陸基（也稱大陸?。?/p>

　　大陸架是指環(huán)繞大陸的淺海地帶（即陸殼到洋殼的過(guò)渡地帶），從海岸線向海洋方向延伸至海底坡度顯著增大的陸架坡折處為止。大陸架地形一般較平坦，但也有小的丘陵、盆地和溝谷，除局部有基巖露出外大部被沉積物覆蓋。大陸架區(qū)域資源豐富，石油藏量占全球的25％，漁獲量占世界海洋漁產(chǎn)量的90％，還有海濱砂礦藏（包含金、鉑、錫、釷、鈦、鋯、金剛石等）以及海底的煤、鐵等礦藏。

　　大陸坡是指從大陸架外緣急劇下降到深海底的斜坡（坡度比陸架大20倍左右），坡面常被海底峽谷切割，地形崎嶇，表面沉積多泥，有少量砂礫和生物碎屑。

　　大陸基是指陸坡與深海平原之間的過(guò)渡區(qū)，由巨厚的濁流、等深流和滑塌沉積物組成，靠近陸坡的地方較陡，向深海方向逐漸減緩。

　　大陸邊緣示意圖（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

　　大陸邊緣分為被動(dòng)型、活動(dòng)型（也稱主動(dòng)型）。

　　被動(dòng)大陸邊緣由寬闊的陸架、較緩的陸坡以及緩坦的陸基構(gòu)成，因有巨厚的淺海相沉積、巖漿活動(dòng)微弱、地層基本上未遭變形而能長(zhǎng)期處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，無(wú)強(qiáng)烈地震、火山和造山運(yùn)動(dòng)。年輕的穩(wěn)定大陸邊緣陸架較窄，發(fā)育成熟的穩(wěn)定大陸邊緣具有廣闊的陸架區(qū)。

　　活動(dòng)大陸邊緣的陸架狹窄，陸坡較陡，陸基被深邃的海溝取代。海溝有陡峭的兩坡，溝中堆積著濁積物﹑硅質(zhì)沉積﹑火山碎屑和滑塌堆積。活動(dòng)大陸邊緣集中了地球最主要的地震活動(dòng)。

　　俯沖帶是指大洋板塊移動(dòng)并與大陸板塊相遇時(shí)，因大洋板塊巖石密度大、地位低，俯沖到大陸板塊之下?；顒?dòng)大陸邊緣與被動(dòng)大陸邊緣的區(qū)別就在于前者有俯沖帶，而后者無(wú)俯沖帶，但被動(dòng)大陸邊緣后期發(fā)展有可能會(huì)形成活動(dòng)大陸邊緣。

　　II.“鈾”與“釷”

　　地球的年齡是如何推算的呢？

　　科學(xué)界認(rèn)為，太陽(yáng)系是從氣體塵埃云中誕生的，其中一部分塵埃在引力作用下不斷聚集成為地球。地球的地殼由巖石組成，因放射性元素衰變速度穩(wěn)定，不受外界條件影響，利用巖石中放射性元素衰變的特點(diǎn)可計(jì)算巖石的年齡，地球上能采集到的最古老巖石的年齡約為39億年。

　　地球隨著原始熱量的流失而逐漸冷卻，而地球內(nèi)部鈾、釷等放射性同位素的衰變持續(xù)產(chǎn)生出新的熱量是驅(qū)動(dòng)地球演化的重要因素，這點(diǎn)十分重要，地球上的火山、地震、山脈的形成與變遷，都是地球熱量釋放的體現(xiàn)。

　　地球內(nèi)部放射性元素衰變所產(chǎn)生的熱量是驅(qū)動(dòng)地球演化的重要因素（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

　　鈾（Uranium）是銀白色的金屬元素（原子序數(shù)92，元素符號(hào)U），是目前自然界中能夠找到的最重元素，具有放射性。1789年，德國(guó)化學(xué)家克拉普羅特（Martin Heinrich Klaproth）從瀝青鈾礦中分離出這種元素，并用天王星uranium（1781年發(fā)現(xiàn)）為它命名。鈾在自然界中存在三種天然同位素（具有相同原子序數(shù)的同一元素的不同核素）：鈾-238（存量最多）、鈾-235、鈾-234，均帶有放射性，有非常長(zhǎng)的半衰期（數(shù)億年~數(shù)十億年）。1938年發(fā)現(xiàn)核裂變現(xiàn)象后，鈾被作為主要的核燃料。

　　釷（Throine）是帶鋼灰色光澤的金屬元素（原子序數(shù)90，元素符號(hào)Th），具有放射性。實(shí)際上，釷是先有了名字后來(lái)才被真正發(fā)現(xiàn)。1815年，瑞典化學(xué)家貝齊里烏斯（J?ns Jakob Berzelius）在分析瑞典某地一種礦石時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種新的金屬氧化物，他用古代北歐神話中的戰(zhàn)神Thor命名這一新金屬為Throine。只不過(guò)，10年后，貝齊里烏斯發(fā)表文章說(shuō)那個(gè)被稱為Thorine的新金屬并不是新的，他自己撤銷了對(duì)釷的發(fā)現(xiàn)。到了1828年，貝齊里烏斯在分析挪威某地一種礦石時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種當(dāng)時(shí)未知的元素，他決定仍用Thorine命名，這才是真正的釷元素。釷在地球中分布廣泛，蘊(yùn)藏量更大（大約是鈾的3倍），經(jīng)過(guò)中子轟擊的釷會(huì)吸收慢中子而變成鈾-233（屬于人造的鈾同位素之一），釷是一種前景可觀的潛在核燃料。

　　實(shí)際上，測(cè)出的地殼年齡并不等同于地球年齡。因?yàn)樵谛纬傻貧ぶ?，地球表面處于熾熱熔融的狀態(tài)。加上這段時(shí)期，科學(xué)家們推算出的地球年齡至少應(yīng)有46億歲。人類有文字記載的歷史僅僅只有幾千年而已，地球演化的過(guò)程還有太多的問(wèn)題需要深入探討。

　　科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，對(duì)地球內(nèi)部鈾、釷等放射性元素的研究可以幫助人類更深入地認(rèn)識(shí)地球熱量的產(chǎn)生和流失情況，為地質(zhì)研究提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。鈾、釷元素衰變時(shí)產(chǎn)生的地球中微子可以提供地球深處的信息，這是用其它研究手段都無(wú)法得到的。

　　III. 地球中微子

　　中微子是一種不帶電、質(zhì)量極小、穿透力極強(qiáng)的基本粒子（擴(kuò)展閱讀：趣說(shuō)中微子），可由多種途徑產(chǎn)生，包括地球熱量的重要來(lái)源——放射性元素鈾和釷元素衰變過(guò)程中產(chǎn)生的地球中微子。正因?yàn)橹形⒆拥拇┩噶O強(qiáng)，對(duì)位于地下深處的放射性物質(zhì)，也能依據(jù)探測(cè)器探測(cè)到的來(lái)自地球內(nèi)部的地球中微子的數(shù)量推算出放射性物質(zhì)的數(shù)量及分布情況。

　　日本的KamLAND實(shí)驗(yàn)裝置2005年第一次探測(cè)到來(lái)自地球內(nèi)部的中微子，但因KamLAND附近的核電站也會(huì)釋放出大量中微子，所獲數(shù)據(jù)中包含較多本底。

　　日本KamLAND探測(cè)器（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

　　2010年3月，意大利格蘭薩索地下1000多米深處的Borexino探測(cè)器首次觀測(cè)到地球中微子，即地球內(nèi)部鈾、釷元素衰變產(chǎn)生的電子反中微子（那里是全球最“深”的實(shí)驗(yàn)室之一）。2015年，意大利科學(xué)家宣布，Borexino探測(cè)器給出了地球內(nèi)部鈾、釷元素衰變產(chǎn)生中微子的確切證據(jù)。

　　意大利Borexino探測(cè)器（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

　　來(lái)自地球中微子的數(shù)據(jù)為直接測(cè)量地殼深處的化學(xué)組成奠定了基礎(chǔ)，結(jié)合地球上其他地方實(shí)驗(yàn)室獲得的數(shù)據(jù)，有助于科學(xué)家們最終了解地球內(nèi)部的化學(xué)成分、放射性物質(zhì)的種類、相對(duì)質(zhì)量、產(chǎn)生熱量的放射性衰變過(guò)程，從而能較精確地計(jì)算出每一種放射性同位素在衰變過(guò)程中產(chǎn)生的熱能，評(píng)估其對(duì)多種地質(zhì)活動(dòng)，如火山以及地震等所產(chǎn)生的影響。

　　遺憾的是，截至目前，因已有探測(cè)器的規(guī)模、性能所限，全世界已經(jīng)探測(cè)到的地球中微子數(shù)量總共只有100余個(gè)。通過(guò)對(duì)所獲數(shù)據(jù)的分析顯示，地球內(nèi)部的熱量中大約有高達(dá)50%源自放射性同位素的衰變。只是這一數(shù)字仍存在一定的不確定性，還無(wú)法驗(yàn)證地球理論研究模型的準(zhǔn)確性。

　　IV. 為什么是“華南”

　　大陸邊緣的研究與中微子研究搭上了關(guān)系，可為什么是“華南”呢？

　　華南板塊

　　中國(guó)有七大地理分區(qū)（華北、東北、華東、華中、華南、西南、西北），華南地區(qū)位于中國(guó)最南部，包括廣東省、廣西壯族自治區(qū)、海南省、香港特別行政區(qū)、澳門特別行政區(qū)。華南地區(qū)的北面與華中、華東地區(qū)相接，南面包括遼闊的南海和南海諸島，與菲律賓、馬來(lái)西亞、印度尼西亞、文萊等國(guó)相望。

　　我國(guó)南海地區(qū)位置示意圖（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

　　地質(zhì)學(xué)中定義的“華南板塊”要比地理分區(qū)中的華南地區(qū)范圍大些。英文術(shù)語(yǔ)中的華南板塊（South China Continent）指的是從秦嶺淮河到?jīng)_繩海槽的這個(gè)巨大的穩(wěn)定地區(qū)（也稱華南陸塊、華南地塊或廣義的揚(yáng)子板塊）。在中文術(shù)語(yǔ)中，“華南板塊”的范圍更大，從秦嶺淮河一直到?jīng)_繩海槽（包括揚(yáng)子板塊、華夏板塊）。

　　華南板塊示意圖（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

　　“華南”的大陸邊緣是菲律賓板塊、歐亞板塊和印度洋板塊的交匯部位。獨(dú)特的大地構(gòu)造位置和復(fù)雜的構(gòu)造地貌形態(tài)，使“華南”成為研究大陸邊緣構(gòu)造演化的理想?yún)^(qū)域，該區(qū)域的地殼演化研究備受國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的關(guān)注，是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前雖然已提出了多種理論研究模型或假說(shuō)，但仍然存在諸多科學(xué)問(wèn)題尚不明確，亟待進(jìn)一步探討。

　　“華南”還有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)：我國(guó)擁有極為寶貴的華南大陸及周圍海域的地質(zhì)記錄，結(jié)合地球中微子的研究，十分有利于重構(gòu)華南地區(qū)的時(shí)空演化4D圖像，以更深入地了解華南大陸的構(gòu)造歷史，這對(duì)于華南大陸地區(qū)的地質(zhì)研究有極為重要的意義。

　　江門中微子實(shí)驗(yàn)

　　十分巧合的是：我國(guó)2015年1月啟動(dòng)建設(shè)的江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置（JUNO）的地理位置在廣東省江門開(kāi)平市郊，正處于華南大陸邊緣。（擴(kuò)展閱讀：江門中微子實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)建設(shè)）

　　JUNO的總造價(jià)約20億元人民幣，其科學(xué)目標(biāo)是測(cè)定中微子質(zhì)量順序、精確測(cè)量中微子混合參數(shù)，以及其它多項(xiàng)科學(xué)前沿研究。由于JUNO的探測(cè)器體積比目前世界上最大的地球中微子探測(cè)器大20倍左右，最有希望最為準(zhǔn)確地探測(cè)地球中微子，并探測(cè)地球內(nèi)部鈾和釷的豐度（同位素的天然存在比）。

　　JUNO獲得的數(shù)據(jù)可應(yīng)用于評(píng)估關(guān)于華南大陸邊緣地區(qū)巖石圈內(nèi)部圈層成分特征，有助于建立該區(qū)域更加準(zhǔn)確的巖石圈演化模型。結(jié)合全球其它地球中微子實(shí)驗(yàn)裝置的探測(cè)數(shù)據(jù)，還能更好地了解地球形成模型，約束地球的熱演化，確定驅(qū)動(dòng)地球內(nèi)部動(dòng)力的能量。

　　JUNO將于2020年開(kāi)始物理取數(shù)，計(jì)劃運(yùn)行20年左右。

　　JUNO位置圖（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

　　JUNO探測(cè)器示意圖（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

　　V. 結(jié)語(yǔ)

　　了解了以上信息，再來(lái)看“中微子實(shí)驗(yàn)將有助解決地球科學(xué)難題”這則報(bào)道就比較容易理解了。（擴(kuò)展閱讀：中微子實(shí)驗(yàn)將有助解決地球科學(xué)難題）

　　在“華南大陸邊緣地球科學(xué)—中微子科學(xué)交叉國(guó)際研討會(huì)”上，來(lái)自國(guó)內(nèi)外的60多位地學(xué)專家及研究生齊聚JUNO的建設(shè)單位——中科院高能物理研究所，與粒子物理學(xué)家一起探討這個(gè)新興的交叉課題。

　　國(guó)際上對(duì)地球中微子的研究可以說(shuō)剛剛起步，而中國(guó)在不遠(yuǎn)的將來(lái)就能擁有世界上最精密的中微子探測(cè)器?！按箨戇吘壙茖W(xué)”與“中微子科學(xué)”這兩個(gè)原本風(fēng)馬牛不相及的領(lǐng)域能夠“相及”，這對(duì)于中國(guó)以及世界的地學(xué)家來(lái)說(shuō)真是極為難得的歷史機(jī)遇。

　　太值得期待了，衷心祝愿地球科學(xué)與高能物理領(lǐng)域的交叉融合能早日獲得高水平的研究成果。