《天地本源》

（楊建立著）

第三章 地下迷局

前章我們細述了火山噴發(fā)愉适、大陸漂移、板塊運動等紛繁復雜的地面亂象癣漆。除了天降橫禍所致的隕石坑外维咸，其它地面亂象的根源在地下，其動力無疑也是來源于地下惠爽。那么腰湾，地下究竟什么樣子，那里埋藏了什么疆股？我們從地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)著手费坊，抽絲剝繭，探索地下能量來源之謎旬痹。

科學家利用地震波等手段附井，正在逐步揭開地球深處的謎團。他們發(fā)現(xiàn)地球除了我們通常知道的地殼两残、地幔永毅、地核之外，地核還分為內(nèi)核和外核人弓，內(nèi)核還擁有自己的“內(nèi)內(nèi)核”沼死，地球內(nèi)核和外核的邊界處，在局部區(qū)域還存在“糊狀層”崔赌；在地球深處地幔當中發(fā)現(xiàn)了兩個大型的“液滴”狀結(jié)構(gòu)意蛀，這些大小與大陸相當?shù)摹耙旱巍蔽挥诘睾酥纤时穑c地幔其他部分有著不同的物質(zhì)組成。

地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)

人類無法直接進入地球深處去看個究竟县钥，甚至秀姐，在現(xiàn)有技術條件下想把儀器扔下去也是天方夜譚。人類至今為止打得最深的科學鉆探--科拉超深鉆（Kola Superdeep Borehole）若贮，也只能到達12千米省有，但這個深度連大陸殼的一半還沒穿過。至于進入地幔谴麦、地核蠢沿，更是想都別想了，地幔的厚度差不多是地殼的90倍匾效！

但有一種東西卻可以輕易遁入地球最深處取回信息搏予，然后再反饋給地表的觀測者，這種東西就是機械波弧轧。由于它傳遞的不是物質(zhì)本身，而是物質(zhì)振動的狀態(tài)碗殷，因此可以很隨意地在各種物質(zhì)中穿梭來回精绎。大地的振動自然就是地震波（seismic wave）了。鑒于自然地震具有不可預知性锌妻，人們可以通過在地表人工觸發(fā)地震的方式來主動制造“信使”代乃。

地震波能夠反映地下的結(jié)構(gòu)，道理就是物質(zhì)的密度不同仿粹，機械波在其中傳播的速度也不同搁吓。還有，橫波無法在液態(tài)物質(zhì)中傳播吭历。從最簡單的地殼堕仔、地幔和地核三層劃分，到稍微復雜一點的六層劃分晌区，運用的都是這么一個簡單的原理摩骨。人們從返回的地震波里發(fā)現(xiàn)，在某幾個特定深度處朗若，波速發(fā)生了明顯的不連續(xù)驟變恼五。

1910年，前南斯拉夫地震學家莫霍洛維奇契意外發(fā)現(xiàn)哭懈，地震波在傳到地下30公里處有折射現(xiàn)象 發(fā)生灾馒。他認為，這個發(fā)生折射的地帶遣总，就是地殼和地殼下面不同物質(zhì)的分界面睬罗。1914年轨功，德國地震學家古登堡發(fā)現(xiàn)，在地下2900公里深處傅物，存在著另一個不同物質(zhì)的分界面夯辖。人們?yōu)榱思o念他們，就將兩個面分別命名為“莫霍面”和“古登堡面”董饰。一般根據(jù)這兩個面把地球分為地殼蒿褂、地幔和地核三個 圈層。中心是地核卒暂，中間是地幔啄栓，外層是地殼。地殼與地幔之間由莫霍面界開也祠，地幔與地核之間由古登堡面界開昙楚。

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地殼

地殼是地球的表面層，是地球表面以下诈嘿、莫霍面以上的固體外殼堪旧，也是人類生存和從事各種生產(chǎn)活動的場所。地殼實際上是由多組斷裂的奖亚，很多大小不等的塊體組成的淳梦，它的外部呈現(xiàn)出高低起伏的形態(tài)，因而地殼的厚度并不均勻：大陸下的地殼平均厚度約35公里昔字，我國青藏高原的地殼厚度達65公里以上爆袍；海洋下的地殼厚度僅約5～10公里；整個地殼的平均厚度約17公里作郭。這與地球平均半徑6371公里相比陨囊，僅是薄薄的一層。

地殼上層為花崗巖層夹攒，主要由硅－鋁氧化物構(gòu)成蜘醋；下層為玄武巖層，主要由硅－鎂氧化物構(gòu)成咏尝。理論上認為地殼內(nèi)的溫度和壓力隨深度而增加堂湖，每深入100米溫度升高1。近年的鉆探結(jié)果表明状土，在深達3公里以上時无蜂，每深入100米溫度升高2.5，到11公里深處溫度已達200蒙谓。

目前所知地殼巖石的年齡絕大多數(shù)小于20多億年斥季，即使是最古老的石頭--丹麥格陵蘭的巖石也只有39億年；而天文學家考證地球大約已有46億年的歷史，這說明地球殼層的巖石并非地球的原始殼層酣倾，是以后由地球內(nèi)部的物質(zhì)通過火山活動和造山活動構(gòu)成的舵揭。

地球厚度變化有規(guī)律：地球大范圍固體表面的海拔越高，地殼越厚躁锡；海拔越低午绳，地殼越薄。地殼由90多種元素組成映之，它們多以化合物的形態(tài)存在拦焚。一般認為，氧杠输、硅赎败、鋁、鐵蠢甲、鈣僵刮、鈉、鉀鹦牛、鎂8種元素的質(zhì)量占地殼總質(zhì)量的98.04%搞糕。其中氧幾乎占1/2，硅占1/4曼追。硅酸鹽類礦物在地殼中的分布最廣窍仰。

地幔

地殼下面是地球的中間層，叫做“地崂椋”，厚度約2865公里鲫忍，主要由致密的造巖物質(zhì)構(gòu)成膏燕，這是地球內(nèi)部體積最大、質(zhì)量最大的一層悟民。 地幔又可分成上地幔和下地幔兩層坝辫。一般認為上地幔頂部存在一個軟流層，推測是由于放射元素大量集中射亏，蛻變放熱近忙，將巖石熔融后造成的，可能是巖漿的發(fā)源地智润。軟流層以上的地幔部分和地殼共同組成了巖石圈及舍。下地幔溫度、壓力和密度均增大窟绷，物質(zhì)呈可塑性固態(tài)锯玛。

地核

地幔下面是地核，地核的平均厚度約3400公里。一般認為攘残，地核還可分為外地核拙友、過渡層和內(nèi)地核三層，外地核厚度約2080公里歼郭，物質(zhì)大致成液態(tài)遗契，可流動；過渡層的厚度約140公里病曾；內(nèi)地核是一個半徑為1250公里的球心牍蜂，物質(zhì)大概是固態(tài)的。傳統(tǒng)理論認為知态，地核主要由鐵捷兰、鎳等金屬元素構(gòu)成。地核的溫度和壓力都很高负敏，估計溫度在5000以上贡茅，壓力達1.32億千帕以上，密度為每立方厘米13克其做。

美國一些科學家用實驗方法推算出地幔與核交界處的溫度為3500以上顶考，外核與內(nèi)核交界處溫度為6300，核心溫度約6600妖泄。

橫波不能在外核中傳播驹沿，表明了外核的物質(zhì)在高溫和高壓環(huán)境下呈液態(tài)或熔融狀態(tài)。它們相對于地殼的“流動”蹈胡，可能是地球磁場產(chǎn)生的主要原因渊季。一般認為地球內(nèi)核呈固態(tài)。

這就是目前理論所描述的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)罚渐，這與太陽系的形成理論一脈相承却汉。然而，隨著我們對地下世界認識的不斷加深荷并，我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)合砂，我們腳下的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)遠不是這么簡單，而是充滿了科學未解謎團源织。

地球內(nèi)部未解之謎

就在201５年翩伪，澳大利亞的科學家通過研究地心溫度及地震波時得知，地表下3,000公里深處的溫度變化程度比以前認為的復雜得多谈息，而且在地幔深部與地核交界的區(qū)域缘屹，變化程度比預期的高三倍。

　參與研究的澳大利亞國立大學地球物理學家赫爾沃耶塔卡西(Hrvoje Tkalcic)博士說：“地幔與地核的交界處比地球表面更富有變化侠仇∧衣”他還補充道：“固態(tài)幔物質(zhì)與液體地核之間的差異程度比地面與空氣之間的差異更大。地核就像是地球含有的一顆小行星”。因此他又感慨道：“研究地球中心的難度比太陽中心更大踢代∶ぴ鳎”

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因為地核的復雜程度，所以科學家將之比喻為：地球中的小行星胳挎。

　 研究者發(fā)現(xiàn)饼疙，地幔深部的溫度達到3,000～3,500攝氏度，壓力值約為125GPa慕爬，約12,500個大氣壓窑眯。溫度及其它物質(zhì)性質(zhì)如密度和化學成分的變化程度會影響穿過地球的波速。

因此医窿，研究者對世界各地4000多個地震儀的檢測結(jié)果進行對比分析磅甩。他們使用類似CT掃瞄的方法，并進行復雜的數(shù)學運算姥卢，最后繪制出迄今為止最詳細的一幅整個地球的地幔深層400公里區(qū)域的地震波變化分布圖卷要，顯示出地震波的速度變化程度出乎意料的復雜。

研究者認為独榴，這很可能是受地幔與地核的邊界溫度及放射性影響的結(jié)果僧叉。塔卡西博士說：“繪制的變化分布圖將有助于我們了解對地球表面與地幔底部之間的關系。其中溫度變化是一個深奧難懂的問題棺榔，但是它提示我們考慮造成地球磁場的原因瓶堕，地核那里有一個地球發(fā)電機(geodynamo)≈⑿”

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地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)遠不是以前認為的那樣：地球有個核心郎笆，稱之為地核，它位于地表2,900公里之下忘晤，地核的半徑約3,480公里宛蚓，略大于地球半徑(約6,400公里)的二分之一。地核也不一定是個含鐵成分極高的“鐵球”德频，學術名稱為鐵鎳核苍息。而是具有更復雜的結(jié)構(gòu)缩幸，地心外核之下是內(nèi)核壹置，內(nèi)核里面還擁有一個“內(nèi)內(nèi)核”。

地球擁有“內(nèi)內(nèi)核”

地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)還可以分得稍細些：比如地殼可以再分為硅鋁質(zhì)的上地殼和硅鎂質(zhì)的下地殼表谊，地岢ぃ可以再分為“二輝橄欖巖”的上地幔和我們知之甚少的下地幔；而地核也可以再分為由液態(tài)的外核和固態(tài)的內(nèi)核爆办。這六大圈層是那樣經(jīng)典难咕，以至于在當下時代，完全可以說是科學常識了。

然而就在近幾年余佃，美國伊利諾伊大學和中國南京大學的一個聯(lián)合科研組暮刃，利用在1992年到2012年這二十年間全球?qū)掝l地震臺陣（Global Broadband Seismic Arrays）積累起了最新一批的豐富數(shù)據(jù)，進行了研究分析爆土，從而發(fā)現(xiàn)了深埋在地球最深處的新端倪椭懊。

他們研究發(fā)現(xiàn)，我們的地核并非僅僅由外核-內(nèi)核這樣一個雙層結(jié)構(gòu)組成步势。在內(nèi)核里面還埋著一個更小的核心--“內(nèi)內(nèi)核”氧猬。這個最新成果發(fā)布在《自然》子刊《自然－地球科學》（Nature Geoscience）2015年2月的新一期上』荡瘢《天地本源》（楊建立著）第三章地下迷局

地球的內(nèi)核里盅抚，還有一個“內(nèi)內(nèi)核”

目前流行的理論認為，整個地核都是由鐵這種均一的成分所組成的倔矾。傳統(tǒng)內(nèi)-外核的劃分妄均，反映的是液相和固相的分野。而科學家最新發(fā)現(xiàn)內(nèi)核更內(nèi)部的不連續(xù)反應--則是固態(tài)大前提之下的物性不連續(xù)破讨。表明在固態(tài)地核的最深處丛晦，晶體結(jié)構(gòu)并非是均一不變的，在固態(tài)內(nèi)核之中提陶，還坐落著一個在晶體結(jié)構(gòu)上截然不同的內(nèi)內(nèi)核烫沙。

科學家們普遍相信，地球隙笆，以及其他的行星锌蓄、小行星，都大致形成于同一個時期--即46億年前太陽系剛剛從星云中誕生的太初之刻--冥古宙（Hadean Eon）撑柔。那時瘸爽，還沒有圍繞著太陽規(guī)則地旋動著的行星，而是一圈由塵埃铅忿、碎屑剪决、塊體組成的，充滿著瘋狂撞擊的原行星盤（protoplanetary disc）檀训。行星的誕生柑潦，便是這些碎屑物質(zhì)--星子（planetestimal）之間劇烈碰撞，不斷吸積峻凫、增生的過程渗鬼。每一次星子的碰撞，都是動能向內(nèi)能的巨大轉(zhuǎn)換荧琼。星子之間大量偶然的撞擊和融合譬胎，最終形成質(zhì)量大到足以自動吸引臨近物質(zhì)的聚集體差牛，這邊是今日行星的最早期雛形--原行星（protoplanet）了⊙咔牵可想而知偏化，原行星匯聚了無數(shù)“加盟天體”所帶來的可觀能量，導致其內(nèi)部的溫度高到完全可以維持一個全球熔融的巖漿之海镐侯。

一般認為夹孔，巖漿主要由六大元素--氧、硅析孽、鋁搭伤、鐵、鈣袜瞬、鎂所組成怜俐。正如一杯水靜置時比重大的物質(zhì)會率先沉入杯底似的，在宇宙中漂浮的這么一大團液態(tài)巖漿里邓尤，重的物質(zhì)自然也會聚集到“杯底”拍鲤。對于太空中的球體來說，“杯底”自然便是重力勢最低的部位--球心了汞扎。六種主量元素里季稳，鐵的比重最大，于是澈魄，這團巖漿球中的鐵便率先沉入巖漿最深處景鼠，沿著平行于球面的重力勢，形成了地球最早的結(jié)構(gòu)--地核痹扇。

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電腦模擬的原行星景象铛漓。

那么，液態(tài)外核和固態(tài)內(nèi)核的分層又是怎么來的呢鲫构？一般認為浓恶，這與溫度-壓力的綜合作用有關。在五六千多米深的地方结笨，溫度高到能夠輕易達到鐵的融點包晰，在這種溫度條件下，足以使鐵維持長期的熔融狀態(tài)炕吸，可物質(zhì)的熔點并不是一個常數(shù)伐憾，在不同的壓力之下，熔點也有所不同算途。我們知道塞耕，壓力越高蚀腿，物質(zhì)的熔沸點就越高∽烊浚現(xiàn)在倒好扫外，我們的那坨鐵被扔進了全地球壓力最大的地方--它的“肩上”承受著的是整個地球的重量！在這種壓力下廓脆，鐵的熔點已經(jīng)高到連地球最深處的溫度都不足以融化它的地步了筛谚。自然，這個壓力所對應的深度停忿，便是固態(tài)內(nèi)核所位于的深度了驾讲。

那么“內(nèi)內(nèi)核”究竟是什么？說實話人們暫時還不知道∠福現(xiàn)階段人類對地球深部物質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解依然非常有限吮铭。它是鐵鎳還是其他，我們只能推測颅停，依現(xiàn)在的科技水平谓晌，還不能確切知曉。

地核中心不僅存在“內(nèi)內(nèi)核”癞揉，迄今為止拗小，關于地核的溫度俺榆、物質(zhì)成分、電導率、熱導率等物理化學性質(zhì)蝇更，地核為什么處處充滿變化而不是均勻一致的球體，地核的分層結(jié)構(gòu)及其成分來源等等祭陷，都是科學未解之謎峦椰。

最近的研究還發(fā)現(xiàn)，地球內(nèi)核邊界壁拉，并非平滑齊整拐叉，地球內(nèi)外核邊界，局部存在“糊狀層”扇商。

內(nèi)核邊界局部存在“糊狀層”

新華社2017年8月5日電凤瘦，中國科學技術大學地震與地球內(nèi)部物理實驗室溫聯(lián)星教授研究組，利用地震觀測資料首次發(fā)現(xiàn)地球內(nèi)核邊界在局部區(qū)域存在“糊狀層”案铺。國際權威學術期刊《自然·通訊》在線發(fā)表了該研究成果蔬芥。

磁場來自于地核，了解地球內(nèi)核的凝固狀態(tài)是理解地球磁場起源的關鍵控汉。自上世紀八十年代起笔诵，科學家就預言地球內(nèi)核邊界附近可能包含三個區(qū)域：以純液態(tài)形式存在的地球外核，以純固態(tài)形式存在的地球內(nèi)核和以固液態(tài)共存形式存在的中間區(qū)域--糊狀層姑子。糊狀層的存在對理解地球內(nèi)核的凝固過程具有揭示性意義乎婿，但科學界一直沒有任何觀測證據(jù)。

近期街佑，溫聯(lián)星教授研究組通過分析日本高感度地震臺網(wǎng)Hi-net記錄到的從地球內(nèi)核邊界反射的地震波的走時和波形谢翎，發(fā)現(xiàn)在鄂霍次克海西南部下方的地球內(nèi)核邊界存在一個厚度約為4到8公里的糊狀層捍靠，而與該區(qū)域臨近的其它地球內(nèi)核邊界則呈現(xiàn)出尖銳的界面，并無糊狀層存在森逮。

該研究結(jié)果為內(nèi)核邊界糊狀層的存在提供了直接的證據(jù)榨婆，同時還表明糊狀層僅存在于地球內(nèi)核局部區(qū)域。研究結(jié)果顯示褒侧，地磁場驅(qū)動力隨區(qū)域變化良风，地球外核成分接近鐵和輕元素的共晶組成物的成分，因而在大部分地區(qū)形成了無糊狀層的尖銳內(nèi)核界面闷供；而在局部地區(qū)烟央，地球外核偏離鐵和輕元素的共晶組成物的成分，形成了局部糊狀層歪脏。

也還是在最近吊档，我們的科學家們，又在地幔中發(fā)現(xiàn)兩個大型熔巖“液滴”唾糯。

地幔中發(fā)現(xiàn)大型熔巖“液滴”

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在地球深處怠硼，科學家發(fā)現(xiàn)了兩個大型的液滴狀結(jié)構(gòu)，每個的厚度都比珠穆朗瑪峰高100倍移怯。這些大小與大陸相當?shù)摹耙旱巍蔽挥诘睾酥舷懔В嚯x地表約2900公里。研究者認為它們是由與地幔其他部分不同的物質(zhì)所組成的舟误。

《天地本源》（楊建立著）第三章地下迷局

這些奇特的大型結(jié)構(gòu)或許能揭示地球形成的過程葡秒，并幫助解釋驅(qū)動火山噴發(fā)甚至板塊構(gòu)造運動的機制。圖中是一個對流數(shù)值實驗示意圖嵌溢，綠色是熱化學異常體眯牧，其周圍的地幔物質(zhì)呈藍色。

　 2016年7月新浪科技消息赖草，在地球深處学少，科學家發(fā)現(xiàn)了兩個大型的液滴狀結(jié)構(gòu)，每個的厚度都比珠穆朗瑪峰高100倍秧骑。這些大小與大陸相當?shù)摹耙旱巍蔽挥诘睾酥习嫒罚嚯x地表約2900公里。研究者認為它們是由與地幔其他部分不同的物質(zhì)所組成的乎折。

　 研究者稱绒疗，這些奇特的大型結(jié)構(gòu)或許能揭示地球形成的過程，并幫助解釋驅(qū)動火山噴發(fā)甚至板塊構(gòu)造運動的機制骂澄。來自美國亞利桑那州立大學的科學家將他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在近期的《自然-地球科學》(Nature Geoscience)雜志上吓蘑。

　 這兩個“液滴”正好分處地球兩端，一個在太平洋下方坟冲，另一個則在大西洋之下磨镶。它們通常被稱為“熱化學異常體”(thermochemical piles)溃蔫。長期以來，科學家一直認為熱化學異常體是由地幔物質(zhì)構(gòu)成棋嘲，但溫度高于平均值。這是熱地幔巖石緩慢攪動矩桂、上升導致的結(jié)果沸移，與熔巖燈的原理類似。

　 不過侄榴，研究者現(xiàn)在提出雹锣，地幔中的熱化學異常體可能具有獨特的化學性質(zhì)。新研究顯示癞蚕，這些“液滴”中含有被板塊構(gòu)造向下擠壓的物質(zhì)蕊爵，甚至可能是由地球在45億年前形成時的殘余物質(zhì)所組成。

　 亞利桑那州立大學地球和太空探索學院的愛德華·加爾內(nèi)羅(Edward Garnero)說：“盡管這些‘液滴’的起源和組成依然未知桦山，但我們推測攒射，它們包含著地球如何形成以及如何運作的線索『闼”對地球深處地震的研究顯示会放，地震波在這些熱化學異常體中傳播得較為緩慢。

　 研究者認為钉凌，由于板塊構(gòu)造的向下運動咧最，這些熱化學異常體周圍的地幔物質(zhì)可能由溫度相對較低的巖石組成。盡管還有很多問題需要解決御雕，但新的數(shù)據(jù)顯示矢沿，它們比周圍的地幔物質(zhì)密度更大。除此之外酸纲，它們的活動還更加穩(wěn)定捣鲸，持續(xù)時間很久，形狀受到地幔流的影響闽坡。

隨著該領域研究的深入摄狱，研究團隊預測，這些“液滴”的神秘起源將很快被揭開无午∶揭郏“如果一個神經(jīng)學家在人類大腦中發(fā)現(xiàn)了一個未知結(jié)構(gòu)，那整個有關大腦的科學家群體宪迟，從心理學家到外科醫(yī)生酣衷，都會積極地探索它扮演的角色，了解它在整個系統(tǒng)中的功能次泽，”加爾內(nèi)羅說穿仪，“隨著熱化學異常體研究變得越來越清晰席爽，我們希望其他地球科學家也參與進來，探索這些性質(zhì)如何與地球的大謎題進行整合啊片≈欢停”

處于地球核心的“內(nèi)內(nèi)核”是怎么來的，地核與地幔交界處的“糊狀層”是什么紫谷，熱化學異常體的“大液滴”又是什么齐饮？我們目前不清楚。但是笤昨，這些結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)祖驱，必然對我們重新認識地球的生成理論有所助益，這迫使我們重新思考教科書中理論瞒窒。最起碼捺僻，地球形成之初，一定有我們現(xiàn)在所認為的普通物質(zhì)不同的物質(zhì)參與其中崇裁。因為匕坯，如果像教科書中所說的那樣，地下物質(zhì)應該是比較均勻的存在：地心是最重的鐵鎳核拔稳，其外為熱巖漿物質(zhì)醒颖，最外邊是凝固的巖石層。而事實上壳炎，可能并非如此簡單泞歉，很可能存在著我們目前不甚了解的物質(zhì)形態(tài)。