給地球做“B超”

馬志飛

在法國小說家儒勒·凡爾納所著的《地心歷險(xiǎn)記》中，三位主人公按照古人所寫的一封密碼信的指引，在冰島找到一個(gè)火山口，并沿著火山熔巖的通道深入地下，成功到達(dá)了地心。在那里，他們不僅發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨大的海洋，還發(fā)現(xiàn)了海岸邊生長著的體型巨大的植物，甚至看見了古人類的遺骸。歷經(jīng)千辛萬苦之后，他們又遭遇到地下火山噴發(fā)，最后被火山強(qiáng)大的氣流噴回地面。此時(shí)，他們才驚訝地發(fā)現(xiàn)自己竟然正身處幾千千米之外的意大利。奇妙的探險(xiǎn)故事給很多人留下了深刻印象。這個(gè)故事也曾多次被搬上電影銀幕，其中包括2008年美國人執(zhí)導(dǎo)的3D版同名電影，想必很多人都看過。

地心世界真的有那么奇妙嗎？我們究竟該怎樣了解腳下的地球呢？

地球究竟是個(gè)什么球

現(xiàn)在，大家?guī)缀醵贾?，地球分為三個(gè)圈層，分別是地殼、地幔和地核。46億年前原始地球形成以后，它內(nèi)部的物質(zhì)就開始發(fā)生變化。在重力的作用下，一些較重的物質(zhì)開始慢慢向地心下沉形成地核；另外一些較輕的物質(zhì)逐漸上浮，組成了地幔；地幔的表層慢慢散熱冷卻，變成了堅(jiān)硬的地殼。

但是，近年來隨著科學(xué)家的不斷深入研究，人們又有了更多新的發(fā)現(xiàn)。有人認(rèn)為，地球應(yīng)該稱之為“水球”才對(duì)，因?yàn)樵谒谋砻妫?1%的地方都被水覆蓋著。從太空眺望地球，它是一個(gè)美麗的藍(lán)色星球。不僅如此，地球內(nèi)部還蘊(yùn)藏著大量的水分。2014年6月12日，美國科學(xué)家發(fā)布了一條消息稱：我們的地球內(nèi)部可能存在一片海洋，且它的水量幾乎相當(dāng)于如今地表海洋水總量的3倍。

在礦物之中，水有多種存在形式：以機(jī)械吸附方式呈水分子狀態(tài)存在于礦物表面或內(nèi)部的，被稱為吸附水；以水分子的形式參加礦物晶格的構(gòu)成并占據(jù)一定的構(gòu)造位置的，被稱為結(jié)晶水；以O(shè)H-等離子形式參加礦物晶格的構(gòu)成的，被稱為結(jié)構(gòu)水。這次科學(xué)家所發(fā)現(xiàn)的地下水就是結(jié)晶水，它在地球深處高溫環(huán)境中變成水分子形式，然后被“綁定”在地下一種巖石的礦物分子結(jié)構(gòu)中。倘若到了一定的深度和溫度環(huán)境中，這種巖石會(huì)發(fā)生熔融，那時(shí)水分子才會(huì)釋放出來。單單從巨大的含水量來說，地球深處真稱得上是“隱藏的海洋”。

還有一種學(xué)說認(rèn)為，地球是一個(gè)“實(shí)心的大氣球”，因?yàn)榈厍騼?nèi)部存在大量的氣體，而且經(jīng)常向外排放氣體。隨著深度的增加，氣體量也越來越大。氣體噴出最常見、最典型的時(shí)刻就是火山噴發(fā)。當(dāng)火山爆發(fā)的時(shí)候，伴隨著巨大的聲響，強(qiáng)大的沖擊力會(huì)將無數(shù)的巖石碎塊、火山灰等固體物質(zhì)射向高空，遮天蔽日，而這種強(qiáng)勁的力量就是來自于地球內(nèi)部的氣體。

我們腳下的這片土地究竟是地球、水球還是氣球？這問題似乎有點(diǎn)讓我們摸不著頭腦了，畢竟我們是站在地表推測(cè)地球深處的情況，都是間接的數(shù)據(jù)分析和思考。

如何了解地球內(nèi)部

如果問大家，地球上最大的單晶體是什么？你應(yīng)該會(huì)想，這一定是珍藏在某個(gè)博物館中的礦物晶體，可事實(shí)上，吉尼斯世界紀(jì)錄中公布的數(shù)據(jù)竟然是這樣的：這塊單晶體幾乎全部由鐵組成，直徑大約是2442千米，溫度高達(dá)5000～6000℃，而且還保持著固體狀態(tài)。這就是地球的內(nèi)核。之所以它在這么高的溫度下還能保持固態(tài)，主要是由于地球深處巨大的壓力。相比之下，地球的外核雖然和內(nèi)核的成分基本一樣，但由于沒有足夠的壓力，因而還是保持著液態(tài)。

可問題在于，幾千千米之下的地核，我們根本不可能用肉眼看到，那怎么研究它呢？目前，我們了解地下情況的主要方法是鉆探，通過鉆孔取出巖芯后再加以研究。然而，鉆得越深，施工難度就越大，成本也就越高。世界上曾有的最深鉆孔，是1970年蘇聯(lián)進(jìn)行科學(xué)鉆探時(shí)的一口鉆井取得的，它位于俄羅斯西北部邊境的科拉半島，鉆孔深度達(dá)到12262米?？墒?，這個(gè)深度還不及地球半徑的1/500。雖然后來這個(gè)鉆孔深度紀(jì)錄被兩次打破，但都未能突破13千米。所以，僅僅依靠鉆孔了解地下情況顯然是不行的。到目前為止，人們關(guān)于地球內(nèi)部的知識(shí)，主要都是來自于對(duì)地震波的研究。

經(jīng)歷過地震的人應(yīng)該會(huì)有這樣的感受：當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，通常是先感覺到上下顛簸，然后再感到前后或左右搖晃。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，釋放的彈性波包括縱波和橫波兩種形式，而縱波速度快于橫波，所以從地球深處傳上來的首先是縱波（也就是上下抖動(dòng)），然后才是橫波（讓我們前后左右搖晃）?？v波傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致，一疏一密相間出現(xiàn)，就像被壓縮的彈簧彈開時(shí)一樣。橫波傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向互相垂直。舉個(gè)例子，假如你拿一根繩子，然后用手抓繩子的一頭沿水平方向抖動(dòng)繩子，一個(gè)個(gè)的橫波就會(huì)從繩子的一頭傳向另一頭。它們之間最主要的區(qū)別在于，縱波可以通過固體、液體和氣體傳播，而橫波只能通過固體傳播。同時(shí)，縱波比橫波的傳播速度快，在大多數(shù)巖石中，縱波的傳播速度為橫波速度的1.7倍。

1909年10月，歐洲的巴爾干半島發(fā)生了嚴(yán)重的地震，克羅地亞一位名叫莫霍洛維奇的地球物理學(xué)家仔細(xì)研究了那次地震。他發(fā)現(xiàn)在地下大約33千米的地方，地震波的傳播速度發(fā)生了明顯的變化，縱波和橫波都突然增大，這種變化不是連續(xù)的，而是一種突變。于是，莫霍洛維奇認(rèn)為地球內(nèi)部是分層的，在地下存在一個(gè)界面，界面上下之間的物質(zhì)成分和密度明顯不同。后來，隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)這一界面具有全球性，不僅陸地上有，海洋里也有。后人為了紀(jì)念莫霍洛維奇的這一偉大貢獻(xiàn)，將這個(gè)界面稱為“莫霍面”，并將這個(gè)界面之上稱為地殼，界面之下稱為地幔。

根據(jù)同樣的原理，1914年，另外一位著名的地震學(xué)家古登堡發(fā)現(xiàn)，從莫霍面往下，地震波速一直慢慢增大，但到了2900千米深處，縱波速度驟然下降，橫波突然中止消失，不再向下傳播。很顯然，這里又出現(xiàn)了一個(gè)分界面。后人為了紀(jì)念古登堡的這一偉大發(fā)現(xiàn)，將這個(gè)界面稱為“古登堡面”。它是地核與地幔的分界層，上部是地幔，下部就是地核。

隨著研究的不斷深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，地球的內(nèi)核分為兩部分，即外核與內(nèi)核。其中，從地下2900～5000千米深處，叫做外核，接近于液體，為鐵、硅、鎳組成的熔融體；5000千米以下的深部為內(nèi)核，呈現(xiàn)出固態(tài)特征。

倘若能夠透視地球

很遺憾，我們對(duì)于地球內(nèi)部的了解依然停留在推測(cè)和假說階段，地質(zhì)學(xué)家多么想親眼看到地球的內(nèi)部。倘若我們的地球能像玻璃一樣透明，那地下的一切情況豈不是一目了然，那許多的地質(zhì)難題豈不迎刃而解！

2011年年初，在江蘇省政協(xié)十屆四次會(huì)議期間，有位委員提出了一個(gè)令人耳目一新的提案：在江蘇省境內(nèi)實(shí)施“透視地球工程”。該提案提出，要通過收集整理江蘇全省的地質(zhì)、城市地上地下工程建設(shè)、地震監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)、地下文物等數(shù)據(jù)資料，建立一個(gè)多參數(shù)、多信息、動(dòng)態(tài)的、地下透明可見的三維地球模型。對(duì)于重要成礦地帶可以按照1：10000的比例建立，深度范圍是地表1000米以內(nèi)或更深。而對(duì)于城市和重要經(jīng)濟(jì)區(qū)則可以做到1：5000或者更高，深度以地下500米為限。

試想，如果這一工程真的實(shí)現(xiàn)了，那將會(huì)為以后的工程建設(shè)提供多大的便利！只要我們能清楚地了解地下的實(shí)際情況，無論是礦產(chǎn)資源的勘探，還是地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)，都將不再是難題。但是，如何才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)呢？

首先，這要借助于三維地質(zhì)。顧名思義，三維地質(zhì)就是指我們采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)資料的三維可視化，就如同我們能夠“透視”地下情況一樣，這將為地質(zhì)資料的查詢提供極大便利。以首都北京為例，如果您有機(jī)會(huì)來到北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局（簡稱北京市地勘局）的信息大廳，只須按要求在電腦上輸入相應(yīng)的指令，北京市的主要地層、地下構(gòu)造、地?zé)?、地下水等三維仿真模型即可直觀地展現(xiàn)在眼前。這就是北京市地勘局自2002年開始，歷經(jīng)7年時(shí)間，建立的三維可視化地質(zhì)信息與服務(wù)系統(tǒng)，這在全國乃是首開先河。如果您想知道哪里有地?zé)岷蜏厝?，哪里賦存著豐富的地下水資源，只需一步步地查詢便可以一清二楚。隨著信息的進(jìn)一步完善，它將對(duì)規(guī)劃、國土、環(huán)保、水務(wù)、市政、建設(shè)和農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域的管理和決策工作產(chǎn)生重要作用。

當(dāng)然，“三維地質(zhì)”這個(gè)概念往往只是相較于某一個(gè)區(qū)域而言。若是針對(duì)整個(gè)國家的國土資源而言，則可以實(shí)現(xiàn)“玻璃國土”計(jì)劃。若從全球角度來說，建立了三維地質(zhì)模型也就是真正實(shí)現(xiàn)了“玻璃地球”計(jì)劃。

我國的“玻璃地球計(jì)劃”

就我國而言，要實(shí)現(xiàn)“玻璃國土”的目標(biāo)面臨的困難很大。一方面，我國還未全面實(shí)現(xiàn)各地的詳細(xì)地質(zhì)調(diào)查。僅就金屬礦而言，我國約一半的陸地都被盆地和各種覆蓋層所掩蓋，這些地方的找礦工作程度很低，甚至是找礦的“處女地”；另一方面，在地球深部資源探測(cè)方面，我國已有固體礦產(chǎn)勘探開采的深度大都小于500米，而世界一些礦業(yè)大國已達(dá)到2500米～4000米，南非計(jì)劃開采的深度則達(dá)到了6000米。因此，在我國國土上，無論是從勘探范圍還是從勘探深度來說，都仍有大量的工作要做。

2009年6月10日，中國科學(xué)院發(fā)布了《創(chuàng)新2050：科學(xué)技術(shù)與中國的未來》系列報(bào)告，為我國描繪了面向2050年的科技發(fā)展路線圖。報(bào)告中提出了一項(xiàng)“中國地下4000米透明計(jì)劃”，這項(xiàng)計(jì)劃的目的是要解決三大關(guān)鍵問題：其一，建立不同尺度的礦床成礦模型；其二，突破深部探測(cè)技術(shù)，包括鉆探、地球物理勘探和地球化學(xué)勘探；其三，建立深部礦床的勘查評(píng)價(jià)方法及三維可視化模型。簡而言之，就是力爭到2040年，使我國主要區(qū)域地下4000米以內(nèi)變得“透明”，為尋找深部礦產(chǎn)資源提供基礎(chǔ)資料。

那到底怎樣才能讓地球“透明”起來呢？一種主要方法就是地震反射技術(shù)，它是一種精度很高的地球物理勘探方法。主要利用人工爆炸、沖擊或其他振動(dòng)源產(chǎn)生地震波，然后在地表或井中用檢波器將其接收，然后對(duì)其進(jìn)行處理和解釋。經(jīng)過這一系列的工作，便可以分析判斷地層界面、巖土性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造等。自上世紀(jì)50年代以來，我國已經(jīng)開展的用于地殼深部探測(cè)的反射地震剖面總長不足5000千米，與歐美國家相比差距明顯。這僅僅相當(dāng)于美國的1/13，俄羅斯的1/5，英國的1/5，意大利的1/2。可喜的是，經(jīng)過5年的努力，我國地質(zhì)學(xué)家完成了6160千米“穿透地殼”的深反射地震剖面探測(cè)工作，長度超過了此前50年完成工作量的總和，總長度達(dá)到了1.1萬千米。

2014年4月16-17日，我國第491次香山科學(xué)會(huì)議學(xué)術(shù)討論會(huì)在北京成功召開。此次會(huì)議的主題是“中國‘玻璃地球’建設(shè)的核心技術(shù)及發(fā)展戰(zhàn)略”，來自地球科學(xué)戰(zhàn)線的專家學(xué)者對(duì)我國的“玻璃地球”計(jì)劃紛紛獻(xiàn)言獻(xiàn)策。專家們認(rèn)為，雖然“玻璃地球”的概念已經(jīng)被提出并成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，但是相關(guān)的理論和方法尚不成熟，特別是如何以三維圖像的方式呈現(xiàn)“看不見”的地球內(nèi)部，成為大數(shù)據(jù)時(shí)代地質(zhì)學(xué)家所面臨的焦點(diǎn)和難點(diǎn)。

“玻璃地球”計(jì)劃是時(shí)代發(fā)展的迫切需求，也是未來地球科學(xué)研究的方向。我們相信，對(duì)地球了解得越深入，我們開發(fā)礦產(chǎn)資源的能力也就會(huì)越強(qiáng)。同時(shí)，我們防御地質(zhì)災(zāi)害的能力也越強(qiáng)。