地球的內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)示意圖

地球的內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)示意圖

　　據(jù)英國(guó)廣播公司(BBC)網(wǎng)站報(bào)道，人類已經(jīng)遍布整個(gè)地球——我們占據(jù)了陸地，我們能夠在空中飛行，或者潛入最深的洋底，我們甚至還登上了月球。然而有一個(gè)地方我們卻從未能抵達(dá)，那就是地球的核心。

　　我們甚至還遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上哪怕是接近地球核心的程度。地球的中心點(diǎn)位于我們腳下6000公里深處，甚至是地球核區(qū)的外側(cè)邊界也在我們腳下3000公里左右的深處。而相比之下，人類迄今鉆探的最深記錄是12.3公里，地點(diǎn)是在俄羅斯的科拉鉆井。

　　讓我們感到熟悉的關(guān)于地球的一切也全部都發(fā)生在接近地球表面的區(qū)域。從火山口噴發(fā)的巖漿的源區(qū)大約位于地下數(shù)百公里深處。甚至是形成于地下極端高溫和高壓環(huán)境下的鉆石，其形成的深度也僅有大約500公里左右。

　　這樣看來，對(duì)于超越這一深度下的地球內(nèi)部情況，我們應(yīng)該是一無所知的。然而事實(shí)卻是：我們對(duì)于地球內(nèi)部深處情況的了解是相當(dāng)豐富的。我們甚至大致了解地球內(nèi) 部在過去數(shù)十億年歷史期間的演化過程——所有這一切都是在沒有任何一點(diǎn)實(shí)際樣品的情況下做到的。這一點(diǎn)可能會(huì)讓很多人覺得不可思議，那么以下就來介紹科學(xué)家們是如何做到這一點(diǎn)的：

　　地球表面物質(zhì)的密度低于地球平均密度，整個(gè)地球外部圈層的質(zhì)量相比整個(gè)地球都只占據(jù)很小的一部分

鐵是宇宙中極為常見的物質(zhì)，它們構(gòu)成了地核成分的主體" data-link="" style="margin: 0px auto; padding: 0px; border: 1px solid rgb(231, 231, 231); display: block;"/>鐵是宇宙中極為常見的物質(zhì)，它們構(gòu)成了地核成分的主體

　　密度估算

　　英國(guó)劍橋大學(xué)的西蒙·雷德費(fèi)恩(Simon Redfern)指出，開始這一切的一種好方法就是試著想一想地球的質(zhì)量有多大。我們可以通過地球?qū)ζ涞乇砦矬w施加的引力作用大小來計(jì)算出地球的實(shí)際質(zhì)量。計(jì)算的結(jié)果顯示地球的質(zhì)量約為5.9乘以10的21次方噸，也就是說59后面還有20個(gè)0。如果光從地球表面的物質(zhì)密度看，地球質(zhì)量無論如何不應(yīng)該會(huì)這么大。

　　雷德費(fèi)恩表示：“地球表面物質(zhì)的密度遠(yuǎn)低于地球物質(zhì)平均密度，這就告訴我們?cè)诘厍騼?nèi)部存在著密度更高的物質(zhì)。這是第一點(diǎn)。簡(jiǎn)單來說，這也就意味著地球質(zhì)量的絕大部分必定是存在于靠近地球核心的區(qū)域。接下來，我們就要問一個(gè)問題：究竟是什么物質(zhì)組成了地球的內(nèi)核？”

　　答案應(yīng)當(dāng)是顯而易見的：地核的主體成分應(yīng)該是鐵。根據(jù)目前的計(jì)算結(jié)果，科學(xué)家們一般認(rèn)為地核的成分中大約有80%是鐵，但更加精確的結(jié)果則存在一些爭(zhēng)議。支持這一結(jié)論的一項(xiàng)重要證據(jù)是：鐵大量存在于我們周圍的宇宙中，事實(shí)上鐵是銀河系中豐度排名前十位的元素之一，同時(shí)鐵也是隕石中非常普遍的成分。

　　考慮到鐵的這種普遍性，我們會(huì)非常容易地注意到在地球表面，相對(duì)而言鐵是比較少見的，低于我們的預(yù)期。據(jù)此科學(xué)家們提出一個(gè)設(shè)想，那就是大約在45億年前地球形成之時(shí)，大量地球上的鐵都逐漸向下，沉降到地核里去了。

　　那里是地球大部分質(zhì)量所在的地方，那里也必然是大部分的鐵所聚集的地方。在正常條件下，鐵是一種密度相對(duì)較大的元素，而在地核的巨大壓力條件下，鐵甚至還會(huì)在高壓下遭受擠壓并形成密度更高的形態(tài)，因此如果將地核的因素考慮在內(nèi)，便可以解釋地球表面全部的鐵元素缺失之謎。

美國(guó)境內(nèi)的圣安德烈斯斷層仍然非?；钴S，隨時(shí)可能引發(fā)地震

美國(guó)境內(nèi)的圣安德烈斯斷層仍然非常活躍，隨時(shí)可能引發(fā)地震

　　鐵的沉降

　　但這里似乎還有一個(gè)問題。那些沉降到地核里的鐵是如何實(shí)現(xiàn)這種沉降的？

　　毫無疑問，鐵元素受到了重力影響，從而向著地球內(nèi)部中心沉降。但一開始人們還難以描述這一過程是如何具體實(shí)現(xiàn)的。

　　地球的其他部分的主體成分是被稱作“硅酸鹽”的巖石物質(zhì)，而呈現(xiàn)熔融狀態(tài)的鐵必須想辦法穿過這些硅酸鹽，從而抵達(dá)地核?？傮w來看，這就有點(diǎn)像是放在油膩表面上的水，鐵同樣形成了較小的“液滴”——它們相互聚集，形成局部性的小型富集區(qū)，而不是向周圍擴(kuò)散和流動(dòng)。

　　2013年，美國(guó)斯坦福大學(xué)的毛禮文(Wendy Mao)和她的同事們找到了一個(gè)可能的答案。她們想要弄清，當(dāng)鐵與硅酸鹽一同暴露于極端壓力環(huán)境時(shí)將會(huì)發(fā)生什么——而這正是地球深部的環(huán)境條件。

　　通過使用金剛石設(shè)備擠壓的方式產(chǎn)生極端壓力條件，她們可以發(fā)現(xiàn)可以讓熔融狀態(tài)的鐵穿過硅酸鹽物質(zhì)。毛禮文表示：“壓力實(shí)際上改變了鐵與硅酸鹽之間相互作用的性質(zhì)。在極端高壓下，一種‘熔融網(wǎng)絡(luò)’形成了?！边@一發(fā)現(xiàn)暗示鐵元素很有可能是在數(shù)以百萬年計(jì)的漫長(zhǎng)時(shí)間里緩慢地通過這種擠壓方式逐漸穿過地球上厚厚的巖層并最終抵達(dá)地核區(qū)域的。

日本神戶大地震時(shí)地震臺(tái)記錄到的地震波

　　地震波可以大致分為體波和面波。其中體波進(jìn)一步分為縱波(圖中紅色)和橫波(圖中黃色)，圖中淡紫色表示的是面波

　　地震學(xué)研究

　　現(xiàn)在，你可能會(huì)開始好奇我們究竟是如何得知地核的大小的。科學(xué)家們根據(jù)什么判斷地核是從我們腳底下大約3000公里開始的？對(duì)此，答案只需要一個(gè)詞：地震學(xué)。

　　當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，地震波會(huì)穿過地球內(nèi)部。地震學(xué)家會(huì)記錄這些波的地球內(nèi)部的傳播情況。這就有點(diǎn)像是我們使用一個(gè)超級(jí)大錘子狠狠敲擊了地球的一端并趴在另一端聆聽產(chǎn)生的聲音。

　　雷德費(fèi)恩表示：“1960年代在智利發(fā)生了一次強(qiáng)烈地震，那次地震中得到了大量數(shù)據(jù)。分布在全球各地的地震臺(tái)都接收到了那場(chǎng)地震產(chǎn)生的地震波?！?/p>

　　根據(jù)地震波在地球內(nèi)部的傳播路徑與其他特征，我們從地球的另一端“傾聽”時(shí)所能聽到的“聲音”也將是不同的。在地震學(xué)研究的初期科學(xué)家們便意識(shí)到地震波中有某些震動(dòng)似乎缺失了。當(dāng)?shù)厍虻囊粋?cè)發(fā)生地震時(shí)，科學(xué)家們?cè)诹硪粋?cè)未能監(jiān)測(cè)到一種被稱為“橫波”，也即S波信號(hào)的抵達(dá)。原因很簡(jiǎn)單。這種橫波只能在固態(tài)物質(zhì)內(nèi)傳播而無法穿過液態(tài)物質(zhì)。

　　很顯然，橫波在傳播的過程中必定在地核區(qū)域遭遇到了液態(tài)區(qū)域。通過對(duì)S波傳播路徑的分析，科學(xué)家們判定在地下大約3000公里處，物質(zhì)呈現(xiàn)為液態(tài)。

　　這就表明整個(gè)地核都是處于熔融狀態(tài)的。但很快，地震學(xué)家們又有了另外的發(fā)現(xiàn)。

　　在1930年代，一名名叫英奇雷曼(Inge Lehmann)的女性地震學(xué)家發(fā)現(xiàn)，地震波中的另外一種波，即縱波(P波)出人意料的穿越了地球內(nèi)核并且可以在地球的另一端監(jiān)測(cè)到其信號(hào)。

　　她于是提出了一個(gè)讓人大吃一驚的嶄新理論：地球內(nèi)核分為兩層。從地下大約5000公里開始的內(nèi)核是固態(tài)的，而其外部直到3000公里深度上的外核才是液態(tài)的。

　　到了1970年，隨著越來越多地震波數(shù)據(jù)分析結(jié)果的出爐，英奇雷曼的理論得到了證實(shí)。觀測(cè)結(jié)果顯示P波的確穿過了地球內(nèi)核，并且在某些情況下發(fā)生了一定角度的反射。但不管如何，它們的信號(hào)可以在地球的另一端被監(jiān)測(cè)到。

　　事實(shí)上，不僅是地震波穿越地球，從而產(chǎn)生了很多有價(jià)值的研究成果。地震學(xué)本身甚至在核武器的開發(fā)過程中都曾經(jīng)起到過關(guān)鍵作用。

　　核爆炸同樣會(huì)在地球內(nèi)部產(chǎn)生震動(dòng)波，因此各國(guó)可以通過對(duì)這種震動(dòng)波的監(jiān)測(cè)來監(jiān)視別國(guó)的核武器試驗(yàn)情況。在冷戰(zhàn)期間，這項(xiàng)工作非常重要，因此像英奇雷曼這樣的地震學(xué)家們頗有用武之地。

　　相互敵對(duì)的國(guó)家互相嚴(yán)密監(jiān)視來自對(duì)方國(guó)土上的震動(dòng)波信號(hào)，從而判定地方的核武器能力。與此同時(shí)我們也了解到越來越多關(guān)于地核的資料。即便是在今天，地震波仍然是監(jiān)測(cè)核試驗(yàn)的重要手段。

1957年在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州核試驗(yàn)中引爆的一枚原子彈

在正常壓力條件下，純鐵的熔點(diǎn)大約是1538攝氏度

　　地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　現(xiàn)在，我們已經(jīng)可以大致描繪地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖了。地球內(nèi)部擁有一個(gè)熔融狀態(tài)的外核，其大約從地球半徑的一半深度上開始，并在大約5000公里深部上過渡為一個(gè)固態(tài)的內(nèi)核，后者的直徑約1220公里。

　　但我們還有太多工作要去做，尤其是針對(duì)地球的內(nèi)核。比如，地球內(nèi)核的溫度有多高？

　　英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的李敦卡·沃卡爾多(Lidunka Vo??adlo)表示，這個(gè)問題的答案顯然難以一蹴而就，它長(zhǎng)期困擾著科學(xué)家，直到最近才有了一定的突破。很明顯的事實(shí)是我們不可能將一個(gè)溫度計(jì)放到內(nèi)核里面去測(cè)量那里的溫度，因此唯一的方法就是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬。

　　2013年，一個(gè)法國(guó)科研小組得到了迄今最好的模擬結(jié)果。他們將純鐵施加大約相當(dāng)于地核內(nèi)部一半以上的壓力條件并開展分析。他們得到的結(jié)論是，在地核壓力條件下，純鐵的熔融溫度大約是6230攝氏度，但其他物質(zhì)的存在會(huì)稍稍拉低這一熔融溫度，因此這一數(shù)值大約為6000攝氏度左右。盡管有所降低，但這仍然已經(jīng)與太陽(yáng)表面的溫度相當(dāng)。

　　由于地球形成初期保留下來的大量熱量，地球內(nèi)部得以長(zhǎng)期保持較高的溫度。另外，地球內(nèi)部物質(zhì)的摩擦以及放射性元素的衰變過程也會(huì)產(chǎn)生熱量。但盡管能夠得到部分補(bǔ)充，地核的溫度仍然正以大約每10億年降低100攝氏度的速度下降。

　　了解地核的溫度情況非常重要，因?yàn)闇囟葦?shù)值直接影響振動(dòng)波在地核內(nèi)傳播的速度。科學(xué)家們非常關(guān)注這個(gè)問題，因?yàn)榈卣鸩ㄔ诖┻^地核時(shí)似乎有一些奇怪的表現(xiàn)。

　　流動(dòng)的液態(tài)鐵在地球內(nèi)部產(chǎn)生了強(qiáng)大的電流，這一電流反過來就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，并延伸至地球周圍的宇宙空間

　　其他成分？

　　P波在穿過地球內(nèi)核時(shí)速度異常的慢，其傳播速度低于基于純鐵成分的理論預(yù)期。沃卡爾多表示：“在地震波或其他震動(dòng)波中測(cè)量到的波速遠(yuǎn)低于我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中或者在計(jì)算機(jī)中模擬時(shí)得到的結(jié)果。沒有人知道這究竟是什么原因?qū)е碌??！?/p>

　　或許這暗示這里可能還存在著其他的物質(zhì)成分。

　　那么這種混入的物質(zhì)究竟是什么？科學(xué)家們懷疑是另外一種金屬物質(zhì)：鎳。但根據(jù)對(duì)地震波在鐵鎳合金中傳播情況的模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)之間并沒有很好的吻合。

　　沃卡爾多和她的同事們目前正在考慮是否有可能那里還存在著其他元素成分，比如硫或者硅。到目前為止，還沒有任何人提出的任何理論能夠完美吻合觀測(cè)數(shù)據(jù)。這真像是灰姑娘遇到的問題：沒有一雙鞋子完全合腳。

　　沃卡爾多想要嘗試在計(jì)算機(jī)上模擬地球內(nèi)核的物質(zhì)。她希望能夠找出一種物質(zhì)、溫度以及壓力的組合，能夠完美解釋實(shí)際地震波觀測(cè)數(shù)據(jù)給出的結(jié)果。

　　她認(rèn)為，其中的奧秘可能就在于，內(nèi)核的物質(zhì)可能處于熔融臨界點(diǎn)附近。因此，在這樣的特殊條件下，物質(zhì)的性質(zhì)可能會(huì)與它們?cè)谕耆虘B(tài)或完全液態(tài)的情況下有所不同。

　　這種設(shè)想的確有望解釋地球內(nèi)核中地震波傳播速度的異常緩慢問題。沃卡爾多表示：“如果情況的確如此，那么我們就將可以把組成物質(zhì)的物理學(xué)結(jié)果與地震波實(shí)測(cè)結(jié)果相聯(lián)系起來了。在此之前，人們還沒能做到這一點(diǎn)。”

　　關(guān)于地核，仍然有大量的問題尚未解決。但我們目前又根本沒有辦法能夠鉆探到非常大的深度上，但就是在這樣的情況下，科學(xué)家們?nèi)匀怀晒Φ卣莆樟说厍騼?nèi)部包括核心區(qū)域的大量情況。

　　了解地球深部發(fā)生的這些過程將會(huì)以一種很多人沒有意識(shí)到的方式，深刻影響到我們的日常生活：地球擁有一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，其產(chǎn)生的原因正是因?yàn)榈厍驌碛幸簯B(tài)的外核。流動(dòng)的液態(tài)鐵在地球內(nèi)部產(chǎn)生了強(qiáng)大的電流，這一電流反過來就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，并延伸至地球周圍的宇宙空間。

　　地球磁場(chǎng)對(duì)于我們以及其他生命的生存至關(guān)重要，因?yàn)樗鼤?huì)阻止有害的太陽(yáng)輻射抵達(dá)地球。如果地球沒有熔融的外核，那么地磁場(chǎng)就將不復(fù)存在，而我們的生存就將面臨嚴(yán)重危機(jī)。

　　科學(xué)家們從未看到過地核一眼，然而借助地震波這一有力工具，我們對(duì)那里了解甚多。