地震學(xué)科普之窗（六）
——地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)＊

大木圣子

（東京大學(xué)地震研究所）

地震學(xué)科普之窗（六）
——地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)＊

大木圣子

（東京大學(xué)地震研究所）

1 地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)

大地君萊先生果然也喜歡寶石呀。

萊助教?。繉毷?？

大地君你一直在說8月的生日石什么的……

萊助教是的，8月的很好?！伴蠙焓碑吘故菢?gòu)成地幔的礦物質(zhì)。地?？墒莻€(gè)寶石箱呀，一定想去看看吧。從美麗的綠色變向深藍(lán)色的上地幔，最終變成褐色的下地幔，從這里再往前就是鐵的世界。在巖石和鐵的邊界，我們似乎可以看到什么。

我決定應(yīng)該跟著萊先生的觀點(diǎn)探討一下地球內(nèi)部。地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)正像萊先生剛才說的那樣，覆蓋在地表的叫地殼，是一層薄薄的巖石殼。如果把半徑6 400 km的地球比作雞蛋，恰好就像雞蛋殼一般的厚度。以我的身高為例，似乎不到手指的厚度。地殼下面有地幔，萊先生所說的綠、藍(lán)、褐色的寶石箱的世界就是這里。厚度大約是地球半徑的一半，約占2 900 km，也恰似雞蛋蛋白的厚度。相當(dāng)于蛋黃的部分被稱為地核。從地球中心到3 500 km是地核，地核部分由它上面的巖石層變?yōu)橛设F組成的鐵的世界（圖1）。

大地君如果從我們生活著的地表看，如大家所知，地球是由巖石構(gòu)成的，但它的中心卻是由鐵構(gòu)成的呀。

萊助教這是因?yàn)?，鐵比巖石重，不斷地向下沉，便構(gòu)成了地核。地核也可分為兩層，靠近中心的是內(nèi)核，往外的是外核。兩者的不同是什么？

大地君地核的外核是由液體、內(nèi)核是由固體的鐵構(gòu)成。外核是液體的事實(shí)是根據(jù)地震波解析而確定的。上一章我們學(xué)過的S波在其中起到了重要的作用。S波具有在液體中不能傳播的性質(zhì)，所以，我們得知了在地球的深處有液體層。這不只是災(zāi)害學(xué)研究了，還扯到地震學(xué)了。

萊助教是的。地震波是地球內(nèi)部的旅行者，傾耳靜聽，可以從中獲得各種信息，這就是地震學(xué)者的工作，也是其樂無窮呀。

2 地幔是寶石箱

大地君剛才萊先生提到的綠色、藍(lán)色、褐色的世界就是地幔吧（圖2）。

萊助教是的。地幔也可分成兩層。

大地君是的，660 km左右的厚度可分為上地幔和下地幔，都是由“橄欖巖”構(gòu)成。

萊助教你知道橄欖巖與綠寶石的關(guān)系嗎？

圖1

圖2

大地君所謂的××巖，是由幾種被稱之為××石的礦物構(gòu)成的。例如，橄欖巖是由橄欖石和玻輝巖、石榴石構(gòu)成。

萊助教石榴石是1月的生日石，非常漂亮的深紅色的寶石。

大地君啊，地幔真的是寶石箱呀。

萊助教關(guān)于顏色再補(bǔ)充點(diǎn)兒，即便是同一種巖石，隨著深度的變化，顏色也是會(huì)變的呀。

大地君嗯，這是為什么？深度變化有什么啟示嗎？

萊助教是的。在地球內(nèi)部，越深壓力越大，因此，礦物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)就會(huì)改變，顏色也會(huì)改變。

大地君啊，有意思?？磥硪惨獙W(xué)點(diǎn)礦物學(xué)知識了。

3 物質(zhì)邊界與力學(xué)邊界

萊助教這是一個(gè)比較刁鉆的問題。板塊是指哪個(gè)部分？

大地君啊？它與地殼有區(qū)別嗎？

萊助教這是個(gè)極為小兒科的錯(cuò)誤。我剛才提到的區(qū)分是根據(jù)物質(zhì)來區(qū)分的邊界。也就是構(gòu)成巖石種類不同的邊界或是巖石與金屬之間的邊界。我們在前面“板塊構(gòu)造學(xué)和地震發(fā)生的地方”已經(jīng)學(xué)過，板塊是運(yùn)動(dòng)的，所以，在地球內(nèi)部又特別定義了力學(xué)邊界一詞。

大地君原來如此，這么說，板塊的厚度似乎有100 km左右，比地殼還厚呀。

萊助教我們把上地幔中最上部的堅(jiān)硬部分和地殼統(tǒng)稱為巖石圈。它的下面叫軟流層，軟流層的狀態(tài)很柔軟，即呈粘性稍低狀態(tài)。

大地君柔軟的軟流層上面承載著堅(jiān)硬的巖石圈，不光載著，還要運(yùn)動(dòng)。我們把這個(gè)運(yùn)動(dòng)的部分稱之為板塊。

4 地球內(nèi)部的對流

萊助教以前聽說過地幔對流這個(gè)詞吧，若從長時(shí)間尺度來看，寶石箱般的地幔是緩慢運(yùn)動(dòng)的，這就是板塊運(yùn)動(dòng)的證據(jù)。

大地君是的，就像是我們做大醬湯時(shí)，從鍋底黏黏糊糊地上來，在醬湯表面冷凝，又慢慢沉下去一樣。由于外核是液體的，所以比地幔更容易對流吧？

萊助教哎。根據(jù)板塊移動(dòng)的速度來看，地幔的對流一年大概達(dá)10 cm吧。液體外核以每年10 km相當(dāng)快的速度對流。但是沒有鐵和巖石混合著對流的，外核就是外核，地幔就是地幔，地球內(nèi)部有著兩大對流。

大地君這次真是清楚地看到了力學(xué)性質(zhì)的地球的姿態(tài)了。

萊助教人類能夠到達(dá)的某個(gè)深度僅僅是4 km，即便是鉆細(xì)孔，充其量也就是12 km。地球的半徑有6 400 km，我們根本無法看到，你不覺得地球內(nèi)部比宇宙更遙遠(yuǎn)嗎？

5 新堂教授的簡單提問：對流的原因

新堂教授我們研究地球內(nèi)部時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)很多像物質(zhì)邊界和力學(xué)邊界這樣的切口。我們開展地震波分析、礦物高壓實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬，還有針對外核對流產(chǎn)生地球磁場進(jìn)行電磁學(xué)方面的分析。

大地君未知的領(lǐng)域就在我們腳下，令人驚嘆。我們不能直接看到的東西，應(yīng)該可以通過地震波或電磁場看到吧。

新堂教授是的。但是，怎么知道產(chǎn)生對流的？產(chǎn)生對流的原動(dòng)力是什么呢？

大地君我覺得和大醬湯一樣，是熱吧。但熱源又是什么呢？地球中心熱？那又是什么時(shí)候有的呢？

新堂教授這要從原始地球說起。在塵埃和隕石匯集形成地球時(shí)，它們之間相互碰撞產(chǎn)生熱，還有一些放射性元素分裂也會(huì)生熱。據(jù)說地球內(nèi)部溫度可達(dá)6 000℃。

大地君對流是把這些熱向外傳出去的運(yùn)動(dòng)嗎？

新堂教授是的。為了讓熱從我們生活的地表釋放出去，便產(chǎn)生了地核的和地幔的對流。由于靠熱傳導(dǎo)釋放熱的效果不好，所以，形成了外核和地幔的對流。

大地君是通過外核對流釋放熱，冷卻下來就形成了固體的內(nèi)核吧。

新堂教授可以這樣認(rèn)為。受熱的地幔也對流，在向低溫的地表進(jìn)行對流，在地表冷卻下來的部分形成堅(jiān)固的巖基的板塊，以每年數(shù)厘米的速度緩慢移動(dòng)，再從海溝向地幔中俯沖下去，這個(gè)過程中，就會(huì)發(fā)生火山活動(dòng)和地震。地球是個(gè)具有力學(xué)性質(zhì)的星球，只是怕熱。

地震只是地球的這種大規(guī)模運(yùn)動(dòng)的一部分，我們居住著的世界的腳下發(fā)生如此可怕的事情。宛如寶石箱的地幔之下有由流動(dòng)的鐵液體構(gòu)成的外核，地球的中心有固體的鐵的核，外核和地幔分別進(jìn)行著大的對流，地球在自己冷卻自己。盡管地震令人討厭，但如果沒有對流，沒有火山和地震，冷卻堅(jiān)固的地球?qū)o法想象。盡管如此，還是讓我看到了地球多么令人驚恐的一面，我還是重新成為了地球科學(xué)迷。

摘譯自：地震本部ニュース.2010年10月號.第3卷第6號：8－11

原題：謎解き地震學(xué)——地球內(nèi)部のダイナミクス

網(wǎng)址：http：∥outreach.eri.u－tokyo.ac.jp／charade／

（北京市地震局 彭巖 譯；盧振恒 校）

（譯者電子信箱，彭巖：pybj1201＠yahoo.com.cn）

P315；

E；

10.3969／j.issn.0235－4975.2012.01.008

2011－03－16。