地球内部奥秘

烈日炎炎之下，除了太阳，地球本身就有很高的温度。火山喷发，十分恐怖，地热从何而来？为什么中国除了地震和温泉，而没有火山活动迹象？为什么在太阳系中只有地球才有花岗岩？……等等，这些问题都需要探讨地球内部的奥秘才能回答。

地球自诞生以来，一直在不断地改变姿态，海洋与大陆不断变迁，海洋变大陆，大陆变海洋。地壳变动的痕迹都存在于地球内部，它的原动力据说就是，虽说是固体但能流动的不可思议的地幔活动的结果。地球内部热量是地质运动的原动力，火山、地震、山脉的形成与变迁，都是地球热量释放的体现。那么地幔又是什么？说地球由三层结构所组成：地壳、地幔、地核，然而人类从来没有钻探到地壳之外的地幔，迄今为止，人类还没有获得真正的地幔物质，更无从知晓地核结构，一切都建筑在假想的范围内猜测。

科学界通常认为，太阳系是近46亿年前从一片气体尘埃云中诞生的，其中一部分尘埃从太阳内部甩出来,并在引力作用下收缩成为地球。地球在最初形成时是炽热熔融的状态，此后因为原始热量流失而逐渐冷却。同时，地球内部铀、钍、钾等放射性同位素的衰变，持续产生出新的热量，重物质就会沉入地底，汇聚到地球核心处。恒星内部的重元素，在巨大压力下是稳定存在的，一旦从恒星中甩出，失去了压力环境，压不住了，就会分裂，比如92个质子的铀以及94个原子的钚，重原子及同位素沉降在地核深处，不断地发生核裂变，释放出巨大热量，这就是地球地幔和地核中正在发生的事情，所以地球内部才会那么热，一直都有火山喷发。核裂变材料总有一天会消耗殆尽，到那时地球才会真正地彻底冷却下来。

地球犹如一个天然的巨大核反应堆，人类则生活在它厚厚的地壳上，而地球表面3000公里深的地方，一颗直径和火星差不多大的球核，由于这里放射性元素集中，通过天然的衰变或核裂变放热，地球内部的天然核反应活动产生了电流，并由此形成了地球磁场以及为火山和大陆板块运动提供能量的地热。地球内部主要放射来源是不稳定的铀、钍和钾，这是我们基于地面以下200公里处的岩石样本所掌握的，然而隐藏在地下更深处的放射来源尚不清楚。

地球内部已知热量源自放射性衰变，以及地球最初形成时的余热。依据岩石样本成分的测量报告，源自放射性衰变的地球内部热量具有较高的不确定性，占地球内部总热量的25-90%。当放射性元素在地壳和地幔中衰变时，会释放出“地球-中微子”。事实上，每秒地球会辐射1万亿个这样的微粒进入太空，测量这些能量将揭晓何种物质制造它们，从而呈现地球隐藏内部结构的具体成分。我们知道当铀衰变时释放地球-中微子的能量将远大于钾分裂时释放的能量，因此通过测量地球-中微子能量，我们能够知道它们来自于什么类型的放射性物质。

遗憾的是，地球-中微子是非常难以探测的，它们不像内部探测器与普通物质发生交互关系，它们仅是直接穿过普通物质。这就是为什么2003年科学家设置一个巨大地下探测器装满大约1000吨液体（即以日本东北大学为主的研究小组，利用位于日本中部岐阜县一座矿山地下千米处的装置“KamLAND”，观测来自地球内部的中微子），才首次观测到地球-中微子，该探测器能记录液体中与原子发生碰撞的中微子。此后仅有一项实验使用类似的技术观测到地球-中微子，这两项测量表明，大约一半的地球内部热量是放射性活动过程产生的，铀和钍衰变可以解释该放射活动，然而，剩下50%的地球内部热量仍是一个未解谜团。迄今为止，测量数据仍无法测量钾衰变产生的热量，该过程释放的中微子能量很低，所以热量的剩余部分来自于钾衰变过程。

通过地震波，我们得以了解地球的内部结构以及组成，进而推断出地球内部的温度。据估计，地核的温度高达5000至6000摄氏度，这与太阳表面的温度相当。另外，虽然地球内部产生了巨大的热量，但这比地球从太阳那里接收到的能量要少5000倍。地球内部的热量主要来源于三部分，分别为地球形成时的余热，地球与太阳月球其他行星等天体之间的潮汐摩擦加热，以及放射性元素的衰变产生的热量。

1910年，前南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇契意外地发现，地震波在传到地下50公里处有折射现象发生。他认为，这个发生折射的地带，就是地壳和地壳下面不同物质的分界面。1914年，德国地震学家古登堡发现，在地下2900公里深处，存在着另一个不同物质的分界面。后来，人们为了纪念他们，就将两个面分别命名为“莫霍面”和“古登堡面”:地壳与地幔之间由莫霍面界开，地幔与地核之间由古登堡面界开,并根据这两个面把地球分为中心层是地核；中间是地幔；外层是地壳这三个圈层。

地壳实际上是由多组断裂的，很多大小不等的块体组成的，它的外部呈现出高低起伏的形态，因而地壳的厚度并不均匀：大陆下的地壳平均厚度约35公里，我国青藏高原的地壳厚度达65公里以上；海洋下的地壳厚度仅约5～10公里(这也是为什么中国很少有火山活动的原因之一: 海拔越高，地壳越厚；海拔越低，地壳越薄)。整个地壳的平均厚度约17公里，这与地球平均半径6371公里相比，仅是薄薄的一层。地壳约占地球半径的1/400，占地球总体积的1．55%，占地球总质量的0.8%。地壳物质的密度一般为2.6—2.9g/cm，其上部密度较小，向下部密度增大。地壳为固态岩石所组成，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩二大岩类。目前世界上最深的钻孔也不过12公里（是苏联于1970-1993年在科拉半岛钻孔达12,262米所保持的世界最深钻井纪录），连地壳都没有穿透。理论上认为地壳内的温度和压力随深度增加，每深入100米温度升高1℃。近年的钻探结果表明，在深达3公里以上时，每深入100米温度升高2.5℃，到11公里深处温度已达200℃。

地壳下面是地球的中间层，叫做“地幔”，地幔介于莫霍面(深5-70km之间)和古登堡面(深2885km)之间，厚度约2865公里，平均密度为4．59/cm3，占地球体积的82．3%，占地球总质量的67．8%。地幔的横向变化比较均匀，根据地震波速度的变化以1000km激增带为界面(雷波蒂面)，进一步划分出上地幔和下地幔两个次一级圈层。主要由致密的造岩物质构成，这是地球内部体积最大、质量最大的一层。 地幔又可分成上地幔和下地幔两层。一般认为上地幔顶部存在一个软流层，推测是由于放射元素大量集中，蜕变放热，将岩石熔融后造成的，可能是岩浆的发源地。软流层以上的地幔部分和地壳共同组成了岩石圈。下地幔温度、压力和密度均增大，物质呈可塑性固态。

地幔下面是地核，地核的平均厚度约3400公里。根据地震波的传播特点，地核还可分为外地核、过渡层和内地核三层，在外核中，根据横波不能通过，纵波发生大幅度衰减的事实推测其为液态，外地核厚度约2080公里，物质大致成液态，可流动；在内核中，横波又重新出现，说明其又变为固态，内地核是一个半径为1250公里的球心，物质大概是固态的铁、镍等为主的重金属元素构成；过渡层则为液体一固体的过渡状态，厚度约140公里；内、外核的分界面，大约在5155千米处。地核的总质量为1.88e21吨，占整个地球质量的31. 5%，体积占整个地球体积的16. 2%。经过测算，地球的现有重量是60万亿亿吨，地核的温度和压力都很高。美国一些科学家用实验方法推算出地幔与核交界处的温度为3500℃以上，外核与内核交界处温度为6300℃，核心温度约6600℃，压力达1.32亿千帕以上，平均密度大约为每立方厘米密度为10.7克。横波不能在外核中传播，表明了外核的物质在高温和高压环境下呈液态或熔融状态。它们相对于地壳的“流动”，可能是地球磁场产生的主要原因。一般认为地球内核呈固态。（软流层一般认为可能是岩浆的主要发源地之一）

由于地核处于地球的最深部位，受到的压力比地壳和地幔部分要大得多，在地核内部这种高温、高压和高密度的情况下，我们平常所说的“固态”或“液态”概念，已经不适用了。因为地核内的物质既具有钢铁那样的“刚性”，又具有像白蜡、沥青那样的“柔性”(可塑性)。这种物质不仅比钢铁还坚硬十几倍，而且还能慢慢变形流动而不会断裂。在外地核部分，压力已达到136万个大气压，到了核心部分便增加到360万个大气压了。这样大的压力，我们在地球表面是很难想象的。科学家作过一次试验，在每平方厘米承受1 770吨压力的情况下，最坚硬的金刚石会变得像黄油那样柔软。

地热的传播过程引发了地球一系列的地质活动，如地震、火山、地磁场等等。科学家们计算从地表散发到了大气层的总热量约为42万亿瓦，相当于600万吨煤的能量。估计从地核传出的热量约占其中的三分之一，约为7.5至15万亿瓦，远比以前的研究估计的要高。地震波可以穿过几千英里的地球内部。通过读取地震波数据，可以有效测出地核与地幔之边界的温度。那么，这一温度到底是如何测出的呢？原来，地震波的速度显示了它们所过之处的化学和物理属性。研究小组将地震波数据与矿物质物理属性的数据进行综合，就算出了地幔、地核和两者边界上的温度。具体来说，有一种叫做pervoskite的矿石可以在特定温度和压力条件下相变为post-pervoskite。

科学家们发现，地球内核的旋转速度每年要比地幔和地壳快0.3到0.5度，也就是说，地球内核比地球表面构造板块的运动速度快5万倍，值得指出的是，上述地球内部圈层的划分主要是以地震波传播速度的变化作为依据的。地球拥有一个富含硅的地壳，一个非常粘稠的地幔，一个液体的外核和一个固体的内核。

1914年，德国学者（1936年入美国籍）古登堡发现地下2885千米处存在地震波速的间断面，首先是发现距震中11500～16000千米的范围内存在地震波的阴影区，解释为存在地核，其次是传播速度发生了明显的变化，纵波存在一次由13.6千米/秒突然降低为7.98km/s的截面，而横波则突然消失了。并且在该不连续面上地震波出现极明显的反射、折射现象。后证实这是地核与地幔的分界层。该不连续面称为古登堡面。古登堡面以上到莫霍面之间的地球部分称为地幔，人们将这个界面称为“古登堡界面”。1950年代晚期到1960年代早期之间，美国国家科学基金会执行委员会曾采纳一项提案，计划在海洋的海床上钻孔以到达此处。这个计划称为Project、Gutenberg。然而，该计划从来没有得到足够的支持，该提案也在1967年时被美国国会取消。

遗憾的是人类了解地球内部的奥秘，除了地震波、中微子手段，剩下来的也只有钻探取样。2007年9月，日本最大的全球探测海洋船“地球号”——被称为“人类历史上第一艘”多功能科学钻探船（造价 3.5亿英镑，钻井架 121米）。开始在南海相对较薄海槽的海层勘探，将是目标勘探至此界面。预计整项计划到2019年完成。日本“地球”号将参与综合大洋钻探科学计划(IODP)，根据此次实施的勘探工作计划，“地球”号在解答巨大地震发生理论、发现新的海底资源等方面的贡献备受世人期待。

“地球”号是日本制造的世界最大深海钻探船，2012年4月27日，在宫城县牡鹿半岛外220公里的海域执行任务，帮助探明东日本大地震的发生机制。研究人员向水深6883.5米的海底插入钻头，并向下钻探了856.5米，总的深度就达到7740米。刷新了海底钻探的世界纪录。其高科技钻头可以配合海沟裂缝钻达地底7公里进入地幔，它的钻探系统控制钻管先行深入海中，并与防止海水和泥浆喷射的防喷装置连接，钻头可顺着钻管直达海底地层。使钻头免受海流等的损害。研究人员下一步分析从海底采集的柱状样本，调查岩石被压缩和粉碎的情形，计算震源附近的板块温度，为测定地震能量、理解地震发生机制提供资料。此外，“地球”号对探索海底资源也做出了重要贡献。2012年今年3月，“地球”号在爱知县近海成功从海底的可燃冰中采集出了天然气，是全球首个创举。

日本海洋科技中心开始计划研制的日本的“海沟号”深水潜水器，海沟号长3米，重5.4吨，耗资5000万美元。它是缆控式水下机器人（ROV），装配有两根采集海底样品的机械手臂和四台摄像机，曾经下潜到11028米深的世界最深的马里亚纳大海沟。是当时世界上唯一能够下潜到11000米的深水潜水器。“海沟”号从１万米深海海底采回的泥浆中，科研人员发现了180种微生物的存在。如果没有“海沟”号，人们根本无法从1000倍大气压的万米海底中发现这些新的生物。它不仅曾经帮助有关部门确定了坠入太平洋的日本火箭的位置，还帮助发现了被美国核潜艇撞沉的日本“爱媛”号渔业实习船的残骸。相比我国不久前研发的“蛟龙”号深水潜水器，最大下潜深度达到了7020米，但没有什么突破性发现，只是步日本后尘而已。

还有一个了解地球之谜的途径——火山，火山的形成是一系列物理化学过程。主要是地球内部存在的大量的放射性物质，在自然状态下衰变，产生大量的热。这些热无法散发到地面，温度不断升高，直至把岩石融化，形成地球内部的高温融化状态，在高温、高压下含气体挥发成份的熔融状硅酸盐物质，即岩浆。这些岩浆一旦从地壳薄弱的地段冲破地壳喷出地面，就形成了火山。火山喷出口是一条由地球上地幔或岩石圈到地表的管道，大部分物质堆积在火山口附近，有些被大气携带到高处而扩散到几百或几千公里外的地方，所以说，火山应该是放射性物质衰变产生的热使岩石融化形成的。夏威夷群岛与冰岛就是火山形成的。

太阳系是由包括地球在内的九大行星所组成的，其中地球以蓝色的海洋和绿色的大地而区别于其他行星。根据目前人类所掌握的资料，太阳系内其他行星并没有发现有花岗岩的存在；或者说，花岗岩是地球区别于太阳系内其他行星的重要岩石学标志。花岗岩分布于陆壳，玄武岩则分布于洋壳。花岗岩的密度明显小于玄武岩。那么，为什么只有大陆上才有花岗岩呢？

由于地球的初始物质是富铁镁的，它的熔融只产生玄武质岩浆，形成类似于大洋成分的地壳，但当玄武质岩石再次发生熔融时，它就形成了以硅铝为主要组分的花岗岩，花岗岩的密度要明显小于玄武岩。玄武岩是分布最广的一种火山岩，同时它又是良好的建筑材料。熔炼后的玄武岩称为“铸石”，可以制成各种板材、器具等。铸石最大的特点是坚硬耐磨、耐酸、耐碱、不导电和可作保温材料。

这样，随着地球上大洋板块的俯冲，密度较大的洋壳俯冲进入地幔，而以花岗岩为主要组成的大陆便能长期保留下来。目前见到的大洋地壳，年龄都小于2亿年，而大陆地壳则可老至40亿年。且随着时间的进行，保存的大陆地壳又多次被熔融，使其成分不断向硅铝质增多的方向进行，而残留的镁铁质物质可以通过适当方式返回地幔。板块俯冲，密度较大的玄武岩洋壳进入地幔，而以花岗岩为主要组成的大陆便能长期保留。这种过程反复进行，使地球的大陆地壳不断向稳定的方向发展。可以说，花岗岩的多少是衡量地壳发育程度的重要岩石学标志。

其他天体不存在花岗岩的另一个重要原因是水。在所有的地质过程中，水起着十分重要的作用，如果没有水，所有的岩石都很难发生熔融。而水加入到岩石中以后，可显著降低岩石的熔点，进而使其发生熔融。水降低了岩石的熔点，进而使其发生熔融。是岩石圈花岗岩和玄武岩分异的必不可少的助力。所以，水是形成花岗岩必不可少的重要组分。地球正是由于水的存在，才使大量花岗岩的出现成为可能，而这是其他星体所不具备的。

2018.7.30