有個典故是這樣的：公元前某年，齊桓公派兵攻打楚國，楚王派出使臣屈完找齊國大夫管仲質問“君處北海，寡人處南海，唯是風馬牛不相及也?！币馑际驱R國人在北方，楚國人在南方，相隔遙遠，如果齊國走丟了一匹馬，楚國走丟了一頭牛，這馬和牛也不可能見面，你們?yōu)槭裁匆獊砉ゴ蛭覀?？管仲被這么一問無法解釋，兩國遂結盟和好。此后，“風馬牛不相及”成為一句成語，用以比喻彼此之間毫不相干的事物。

　　這里要說的卻是件“風馬牛相及”的趣事，不久前，媒體報道“華南大陸邊緣地球科學—中微子科學交叉國際研討會”在中科院高能所成功召開，這不禁令人詫異，“大陸邊緣科學”與“中微子科學”原本風馬牛不相及的兩個領域是怎么聯系到一起的？

　　I. 地球科學

　　人類賴以生存的地球是宇宙中一個獨特的星球，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、碰撞，火山噴發(fā)，巖溶溢流，冰河的生長、消融…，究竟是什么在推動著地球的演化？

　　地球起源與演化的研究是地球科學領域的重大課題，是地質學家們的研究前沿。人類對于地球起源與演化的認識經歷了從假說到不斷證實的過程。隨著現代科學技術的發(fā)展，所掌握的證據不斷增多，人類對地球的起源與演化有了越來越深入的認識。

　　由地球的演化史可知，大陸地殼是通過大陸邊緣的沉積作用、巖漿活動、變質作用和構造擠壓等逐漸增長的。正因大陸邊緣是沉積、巖漿活動、板塊運動、變質和成礦等各類地質作用最為活躍和豐富的場所，對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值的信息，在海洋地質學與地球動力學中均占有極為重要的地位。加之，大陸邊緣（尤其是被動大陸邊緣）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），富含油氣等礦產資源，巨大的經濟價值也大大促進了大陸邊緣研究的步伐。

　　這里，需要先了解幾個專業(yè)詞匯：

　　地殼

　　地殼是指由巖石組成的地球固體地表構造的最外圈層，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)。陸殼是雙層結構，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70千米）。

　　洋殼即大洋型地殼，分布于大洋之下。洋殼是單層結構，主要由硅鎂物質構成，洋殼的平均厚度只有幾千米，因密度較大相對于陸殼更易下沉。

　　板塊即地球表面覆蓋著的不變形且堅固的地殼區(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構成，這是地球內部體積最大、質量最大的一層。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。

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

　　地幔與地核示意圖（圖片來自網絡）

　　大陸邊緣

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

　　大陸架是指環(huán)繞大陸的淺海地帶（即陸殼到洋殼的過渡地帶），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（圖片來自網絡）

　　大陸邊緣分為被動型、活動型（也稱主動型）。

　　被動大陸邊緣由寬闊的陸架、較緩的陸坡以及緩坦的陸基構成，因有巨厚的淺海相沉積、巖漿活動微弱、地層基本上未遭變形而能長期處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，無強烈地震、火山和造山運動。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﹑硅質沉積﹑火山碎屑和滑塌堆積。活動大陸邊緣集中了地球最主要的地震活動。

　　俯沖帶是指大洋板塊移動并與大陸板塊相遇時，因大洋板塊巖石密度大、地位低，俯沖到大陸板塊之下?；顒哟箨戇吘壟c被動大陸邊緣的區(qū)別就在于前者有俯沖帶，而后者無俯沖帶，但被動大陸邊緣后期發(fā)展有可能會形成活動大陸邊緣。

　　II.“鈾”與“釷”

　　地球的年齡是如何推算的呢？

　　科學界認為，太陽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可計算巖石的年齡，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，而地球內部鈾、釷等放射性同位素的衰變持續(xù)產生出新的熱量是驅動地球演化的重要因素，這點十分重要，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。

　　地球內部放射性元素衰變所產生的熱量是驅動地球演化的重要因素（圖片來自網絡）

　　鈾（Uranium）是銀白色的金屬元素（原子序數92，元素符號U），是目前自然界中能夠找到的最重元素，具有放射性。1789年，德國化學家克拉普羅特（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）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，有非常長的半衰期（數億年~數十億年）。1938年發(fā)現核裂變現象后，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90，元素符號Th），具有放射性。實際上，釷是先有了名字后來才被真正發(fā)現。1815年，瑞典化學家貝齊里烏斯（J?ns Jakob Berzelius）在分析瑞典某地一種礦石時發(fā)現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，10年后，貝齊里烏斯發(fā)表文章說那個被稱為Thorine的新金屬并不是新的，他自己撤銷了對釷的發(fā)現。到了1828年，貝齊里烏斯在分析挪威某地一種礦石時發(fā)現了一種當時未知的元素，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，蘊藏量更大（大約是鈾的3倍），經過中子轟擊的釷會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。

　　實際上，測出的地殼年齡并不等同于地球年齡。因為在形成地殼之前，地球表面處于熾熱熔融的狀態(tài)。加上這段時期，科學家們推算出的地球年齡至少應有46億歲。人類有文字記載的歷史僅僅只有幾千年而已，地球演化的過程還有太多的問題需要深入探討。

　　科學家們發(fā)現，對地球內部鈾、釷等放射性元素的研究可以幫助人類更深入地認識地球熱量的產生和流失情況，為地質研究提供有價值的數據。鈾、釷元素衰變時產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法得到的。

　　III. 地球中微子

　　中微子是一種不帶電、質量極小、穿透力極強的基本粒子（擴展閱讀：趣說中微子），可由多種途徑產生，包括地球熱量的重要來源——放射性元素鈾和釷元素衰變過程中產生的地球中微子。正因為中微子的穿透力極強，對位于地下深處的放射性物質，也能依據探測器探測到的來自地球內部的地球中微子的數量推算出放射性物質的數量及分布情況。

　　日本的KamLAND實驗裝置2005年第一次探測到來自地球內部的中微子，但因KamLAND附近的核電站也會釋放出大量中微子，所獲數據中包含較多本底。

　　日本KamLAND探測器（圖片來自網絡）

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

　　意大利Borexino探測器（圖片來自網絡）

　　來自地球中微子的數據為直接測量地殼深處的化學組成奠定了基礎，結合地球上其他地方實驗室獲得的數據，有助于科學家們最終了解地球內部的化學成分、放射性物質的種類、相對質量、產生熱量的放射性衰變過程，從而能較精確地計算出每一種放射性同位素在衰變過程中產生的熱能，評估其對多種地質活動，如火山以及地震等所產生的影響。

　　遺憾的是，截至目前，因已有探測器的規(guī)模、性能所限，全世界已經探測到的地球中微子數量總共只有100余個。通過對所獲數據的分析顯示，地球內部的熱量中大約有高達50%源自放射性同位素的衰變。只是這一數字仍存在一定的不確定性，還無法驗證地球理論研究模型的準確性。

　　IV. 為什么是“華南”

　　大陸邊緣的研究與中微子研究搭上了關系，可為什么是“華南”呢？

　　華南板塊

　　中國有七大地理分區(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、馬來西亞、印度尼西亞、文萊等國相望。

　　我國南海地區(qū)位置示意圖（圖片來自網絡）

　　地質學中定義的“華南板塊”要比地理分區(qū)中的華南地區(qū)范圍大些。英文術語中的華南板塊（South China Continent）指的是從秦嶺淮河到沖繩海槽的這個巨大的穩(wěn)定地區(qū)（也稱華南陸塊、華南地塊或廣義的揚子板塊）。在中文術語中，“華南板塊”的范圍更大，從秦嶺淮河一直到沖繩海槽（包括揚子板塊、華夏板塊）。

　　華南板塊示意圖（圖片來自網絡）

　　“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。獨特的大地構造位置和復雜的構造地貌形態(tài)，使“華南”成為研究大陸邊緣構造演化的理想區(qū)域，該區(qū)域的地殼演化研究備受國內外學術界的關注，是該領域的研究熱點。目前雖然已提出了多種理論研究模型或假說，但仍然存在諸多科學問題尚不明確，亟待進一步探討。

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

　　江門中微子實驗

　　十分巧合的是：我國2015年1月啟動建設的江門中微子實驗裝置（JUNO）的地理位置在廣東省江門開平市郊，正處于華南大陸邊緣。（擴展閱讀：江門中微子實驗啟動建設）

　　JUNO的總造價約20億元人民幣，其科學目標是測定中微子質量順序、精確測量中微子混合參數，以及其它多項科學前沿研究。由于JUNO的探測器體積比目前世界上最大的地球中微子探測器大20倍左右，最有希望最為準確地探測地球中微子，并探測地球內部鈾和釷的豐度（同位素的天然存在比）。

　　JUNO獲得的數據可應用于評估關于華南大陸邊緣地區(qū)巖石圈內部圈層成分特征，有助于建立該區(qū)域更加準確的巖石圈演化模型。結合全球其它地球中微子實驗裝置的探測數據，還能更好地了解地球形成模型，約束地球的熱演化，確定驅動地球內部動力的能量。

　　JUNO將于2020年開始物理取數，計劃運行20年左右。

　　JUNO位置圖（圖片來自網絡）

　　JUNO探測器示意圖（圖片來自網絡）

　　V. 結語

　　了解了以上信息，再來看“中微子實驗將有助解決地球科學難題”這則報道就比較容易理解了。（擴展閱讀：中微子實驗將有助解決地球科學難題）

　　在“華南大陸邊緣地球科學—中微子科學交叉國際研討會”上，來自國內外的60多位地學專家及研究生齊聚JUNO的建設單位——中科院高能物理研究所，與粒子物理學家一起探討這個新興的交叉課題。

　　國際上對地球中微子的研究可以說剛剛起步，而中國在不遠的將來就能擁有世界上最精密的中微子探測器?！按箨戇吘壙茖W”與“中微子科學”這兩個原本風馬牛不相及的領域能夠“相及”，這對于中國以及世界的地學家來說真是極為難得的歷史機遇。

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